Оптимизация работы реакторных систем

Под оптимизацией понимают деятельность научных, проектных и производственных коллективов, направленную на создание производства, дающего наилучшие результаты в принятых условиях. Решение этой задачи начинается с выявления цели оптимизации.

При наличии конкурирующих свойств системы (количество продукции – качество продукции, количество продукции – расход сырья) за основу оптимизации можно взять только одну величину.

Оптимизация технологических процессов особенно необходима при разработке производств основного органического и нефтехимического синтеза, так как для этой отрасли характерна многомаршрутность процесса. Следовательно, из многих вариантов необходимо выбрать наилучший.

Для решения некоторой оптимальной задачи (синтез ХТС, проектирование ХТС, определение оптимального режима аппарата, создание математической модели объекта по экспериментально полученным характеристикам и т.д.) требуется ее формализация.

Чтобы приступить к оптимизации, необходимо решить четыре основные задачи:

►Выбрать критерий эффективности производства. Эффективность оценивается количественными показателями или критериями эффективности. При всем многообразии характеристик, определяющих эффективность, эти характеристики могут быть сгруппированы по: производительности, надежности, стоимости, капитальным и энергетическим затратам. Следовательно, в качестве критерия эффективности можно выбрать максимальную скорость превращения исходного сырья, минимальную стоимость целевых продуктов и т.д. Чаще этот критерий называют целевой функцией.

► Определить переменные, значения которых в процессе оптимизации можно изменять независимо.Такие переменные называют варьируемыми (например, температура, с которой подаются исходные продукты в реактор или хладагенты в теплообменник).

►Определить влияние ограничений на технологические переменные или на некоторую их функцию.Так, температура в реакторе может быть ограничена верхним и нижним пределами, так как при низких температурах будет мала скорость реакции, а при высоких интенсивно идут побочные реакции.

►Выбрать метод оптимизации. Количественной мерой, позволяющей сравнивать все технологически осуществимые процессы и определять оптимальный вариант работы объекта, является критерий оптимизации, на основе которого выявляется целевая функция.

Если целевая функция выбрана правильно, то ее максимальное или минимальное значение будет критерием оптимальности предложенного варианта технологии.

Одна из важнейших задач при проектировании и эксплуатации химических реакторов– определение и осуществление оптимальных условий проведения химического процесса, от чего зависят экономические показатели производства. В связи с этим следует учитывать все производственные условия работы реактора, в том числе и не входящие в расчетные зависимости, но налагающие ограничения на режим работы, например условия безопасности и т.д.

Работа реактора протекает в сложных условиях и зависит от многих параметров, некоторыми из них можно управлять. Оптимизацию можно рассматривать как определение величин управляемых технологических параметров, при которых в заданных начальных условиях и с учетом имеющихся ограничений реактор работал бы в самом выгодном режиме.

Оптимизация реактора зависит не только от режима процесса, но и от правильного выбора типа реактора в соответствии с условиями работы. Так, например, если за один проход газа через каталитический реактор достигается незначительная степень превращения, целесообразно использовать систему рециркуляции.

Оптимизация процесса требует анализа многочисленных явлений и представляет весьма сложную задачу. В конечном итоге понятие оптимальности имеет экономическую природу как отражение хозяйственной степени эффективности процесса.

Критерий оптимальности определяется степенью превращения и затратами на ведение процесса. В общем виде он включает: стоимость единицы объема реагирующих веществ на входе в реактор и выходе из него; характеристику составов; объемные скорости потоков; расходы, связанные с эксплуатацией оборудования.

Отыскание критерия оптимальности в общем случае сводится к варьированию многими независимыми переменными, предельные значения которых определяются технологическими условиями. Так, например, при проектировании каталитических экзотермических процессов следует находить оптимальный температурный режим, оптимальный состав газовой смеси на входе в реактор, минимальное время контакта для обеспечения заданной степени превращения, область устойчивости процесса, оптимальный гидродинамический режим и т.д.

В каждом частном случае анализ условий протекания процесса позволяет выделить существенно важные переменные и отбросить малозначительные.

Сложная для отдельно взятого реактора задача оптимизации еще более усложняется, если рассматривать совокупность аппаратов, составляющих технологическую цепочку, тогда исследованию подлежит каждый отдельный аппарат. В ряде случаев это решает вопрос об общем критерии оптимальности.

Примером может служить оптимизация технологических режимов работы агрегатов синтеза аммиака. Критерием оптимизации выбрали их производительность. Этот критерий должен был характеризовать работу не только отдельных звеньев агрегата, но и всего процесса в целом, с включением заводской и цеховой себестоимости; он должен быть чувствителен к возмущением внутри агрегата и вычисляться с постоянными минимальными погрешностями.

Анализ задачи показал, что не все параметры процесса подлежат оптимизации. Некоторые из них ввиду малого влияния на процесс или невозможности оптимизации необходимо было стабилизировать, чтобы исключить их из переменных. К ним относились: уровень жидкого аммиака в первичном и вторичном сепараторах, а также в сборнике готовой продукции; давление газов в сборнике и на входе в колонну синтеза; расход воды, подаваемой в первичный конденсатор.

Оптимизации же подлежали следующие технологические параметры: подача газа в колонну синтеза; температура газа на входе в колонну и в зоне катализа; концентрация инертных газов на входе в колонну синтеза.

При оптимизации контактных аппаратов (аппаратов с твердой фазой) возникают следующие основные задачи:

ü Статическая оптимизация непрерывных процессов. При этом стремятся сделать процесс максимально выгодным с точки зрения принятого критерия в каждый момент времени. Однако в некоторых случаях возможно резкое снижение активности катализатора; в итоге за весь рабочий цикл не будет достигнут максимум критерия оптимальности, тогда оптимизируют одну из выходных переменных реактора, и возникает вторая задача.

ü Квазистатическая оптимизация непрерывных процессов. При этом достигается максимальное значение критерия на весь рабочий цикл.

ü Динамическая оптимизация непрерывных процессов. При этом процесс подвергается настолько частым возмущениям, что практически все время находится в динамическом режиме. Это – одна из сложнейших проблем оптимизации, связанная с трудностями математического описания процессов, оценкой влияния всех неуправляемых переменных.

ü Оптимизация периодических процессов. Конечной целью решения является только степень превращения, и задача сводится к тому, чтобы оптимально (в смысле принятого критерия) перевести систему из начального состояния в конечное.

Оптимизация по производительности экономически важна, когда капиталовложения, связанные с увеличением реакционного объема, значительно превышают стоимость сырья.

Оптимизация по степени превращения имеет большое значение при высокой, сравнительно с другими затратами, стоимости реагентов. В этом случае (чаще всего это сложные производства органического синтеза) даже небольшое повышение степени превращения может быть весьма важным.