ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Средства, теория и практика управления из "Управление реакциями нефтехимического синтеза Издание 2" Для управления химическими реакциями недостаточно обладать средствами управления, о которых указывалось в предыдущих главах необходимы соответствующие знания, позволяющие на основе изучения особенностей каждой конкретной реакции разработать наилучщие способы воздействия на нее. [c.115] Теория управления химическими процессами строится на основе химической термодинамики и кинетики. Для процессов нефтехимического синтеза главная роль принадлежит кинетике. [c.115] Кинетический анализ химико-технологических процессов стремится по возможности полнее охватить все факторы, которые оказывают влияние на скорость протекания реакций в промышленном реакторе. Так как к этим факторам относятся не только химические превращения реагентов, но и массо- и теплообмен, то в кинетике существуют три последовательно дополняющих друг друга раздела кинетика химических превращений, или просто химическая кинетика [42, 77—82], макрокинетика [83, 84] и промышленная кинетика [84, 85]. [c.115] Несмотря на то, что в лабораторном и промышленном реакторах протекает одна и та же реакция, в лабораторном, благодаря его небольшому объему, можно создать такие условия массообмена и теплообмена, что концентрация компонентов смеси и температура в реакционном объеме будут практически одинаковыми. Поэтому химическая кинетика может рассматривать реакцию в идеальных условиях. [c.116] Иначе выглядит процесс в крупном (промышленном) реакторе. Протекание реакции, как известно, сопряжено с расходованием исходных веществ и с образованием продуктов реакции, а также с выделением или поглощением тепла. Эти явления вызывают непрерывное изменение концентрации веществ и температуры в реакторе. Изменение концентрации и температуры, в свою очередь, влияет на скорость реакции. Выравнивание температуры и концентрации в объеме происходит медленно, поэтому в крупном реакторе неизбежно появляются очаги с различными условиями, а следовательно, и различными скоростями протекания реакции. Такие очаги могут вызывать большее или меньшее отклонение средней скорости реакции от скорости ее при оптимальных условиях (в зависимости от конструкции реактора, интенсивности перемешивания и других факторов). Особенно это заметно при осуществлении гетерогенных процессов, например в случае реакций, идущих на твердых катализаторах. [c.116] Перенос вещества и тепла в реакционном объеме происходит вследствие конвекции и молекулярной диффузии. Протекание этих процессов зависит от физических свойств среды, формы реакционного объема, наличия принудительных потоков смеси. Изучением химической реакции в сочетании с физическими процессами конвекции и диффузии занимается макрокинетика. [c.116] Как уже упоминалось, процесс может идти в кинетической области, когда преобладает скорость процессов переноса вещества и лимитирующей является скорость химического превращения, или в диффузионной области, когда преобладает скорость химического превращения и процесс лимитируется скоростью диффузии (см. гл. IV, 8). Добавим, что в зависимости от условий область протекания реакции нередко изменяется, переходя из кинетической в диффузионную или обратно. Возможно также, что скорости переноса вещества и химического превращения настолько близки, что следует ввести понятие диффузионно-кинетической области. Последнее относится прежде всего к катализу пористыми контактами, где уменьщение скорости диффузии в порах катализатора часто доводит ее до значения скорости реакции (если последняя преобладала во внещнедиффузионной области). [c.117] Если реакция идет в кинетической области, то она подчиняется законам химической кинетики если в диффузионной — то для ее математического выражения пользуются теорией подобия, применяя критерий физического подобия так же, как и при расчете обычных тепловых и массообменных процессов, не усложненных химической реакцией. Диффузионно-кинетические процессы наиболее трудно поддаются математическому анализу. [c.117] В непрерывных процессах реакции протекают в потоке реагентов, часто используются гетерогенные катализаторы, которые можно применять в стационарном виде, в движущемся или в псевдоожиженном слое потоки реагирующих веществ и катализатора могут направляться прямотоком или противотоком, часть реагирующих веществ иногда возвращают в реактор в виде рециркулята и т. п. Все эти закономерности непрерывных процессов трудно учесть в уравнениях макрокинетики. Для их изучения возникла третья отрасль кинетики — промышленная кинетика, дающая в сочетании с макрокинетикой общие математические формулировки для данного процесса, идущего в химическом реакторе данного типа. [c.117] Химическая кинетика, изучая влияние условий реакции на ее скорость, выполняет двоякую задачу. Во-первых, кинетический анализ экспериментального материала позволяет раскрыть последовательность элементарных химических стадий, через которые исходные продукты преобразуются в конечные во-вторых, на основании кинетических данных создается математическое описание химического процесса — математическая модель в виде уравнения или системы уравнений, выражающих зависимость между скоростью и условиями реакции. Такая модель дополняется впоследствии макрокинетическими расчетами и служит основой для рещения многочисленных вопросов, возникающих при промышленном осуществлении реакции. Разумеется, решения, полученные математически, следует экспериментально проверить, прежде чем осуществлять их в промышленности. Но по мере совершенствования математического моделирования в отдельных случаях удается получать настолько полные модели, что полузаводская экспериментальная проверка становится излишней. [c.118] Кинетический анализ позволяет определить лимитирующую стадию реакции. Особенность этой стадии состоит в том, что она самая медленная из последовательных стадий образования целевого продукта поэтому скорость образования этого продукта лимитируется именно ее скоростью. Несмотря на это, она протекает быстрей, чем параллельные (побочные) реакции, благодаря чему обеспечивается избирательность. Увеличение скорости протекания лимитирующей стадии повышает скорость и избирательность всего химического процесса. [c.118] Таким образом, одной из задач управления химическим процессом является выбор оптимальных условий, обеспечивающих наивысшую скорость лимитирующей химической стадии. [c.118] Понятие оптимальные условия , когда речь идет о математических методах их выбора, должно иметь четкую формулировку. Под оптимальными подразумеваются такие условия, которые обеспечивают поддержание какого-то параметра процесса в его экстремальном (максимальном или минимальном) значении. Например, условия, обеспечивающие максимальную производительность реактора или максимальный выход целевого продукта, минимальную себестоимость продукции и т. п. Обычно кроме этой главной цели выбора оптимальных условий ставятся еще некоторые дополнительные задачи, ограничивающие область изменения управляемых параметров, например, производительность должна быть максимальной, но себестоимость при этом не должна превышать некоторого предела, т. е. рост производительности за счет увеличения себестоимости недопустим и т. п. [c.119] После того как на основании экспериментального изучения и всестороннего кинетического анализа выбраны оптимальные условия реакции, технологи должны обеспечить наиболее точное соблюдение этих условий в реакторе. [c.119] Отклонение от оптимума при практической работе реактора может происходить по нескольким причинам. О первой уже говорилось — это плохой массо-и теплообмен в больших объемах реакционной смеси. Эта причина учитывается при макрокинетическом анализе процесса, и действие ее компенсируется подбором соответствующей конструкции реактора. [c.119] Третья причина — изменения, связанные с ошибками оператора при ручном управлении реактором — ошибки при дозировке компонентов, неточное соблюдение режима или несвоевременный вывод системы на режим при различных случайных отклонениях. Влияние этой причины сильно уменьшается при переходе от ручного к автоматическому управлению. Однако автоматическое управление, в своей наиболее простой и часто встречающейся форме — в виде управления по определенной заранее заданной программе или в виде средств, поддерживающих в аппарате постоянное значение некоторых параметров (температуры, давления и т. п.), не решает задачу полной автоматизации сложных химических процессов, так как оно не может реагировать на случайные, непредвиденные отклонения, не может определить, как следует изменить взаимозависимые параметры условий реакции, чтобы получить максимальную эффективность процесса в том случае, если произошло изменение независимого параметра. Такую коррекцию должен делать человек, причем он далеко не всегда располагает необходимыми для этого данными и временем. Обычно это делается интуитивно, на основании качественных соображений. [c.120] Наилучшим способом автоматизации следует признать такой, при котором вычислительное устройство, получив сведения о нарушении хода химического процесса в реакторе, само могло бы определить, как надо изменить условия реакции, чтобы получить оптимальное значение главного показателя производства (производительности, себестоимости и т. п.). Такой способ автоматизации называется автоматической оптимизацией. [c.120] Для того чтобы осуществить автоматическую оптимизацию на практике, необходимо прежде всего изучить объект оптимизации, т. е. знать, как изменяются факторы, характеризующие эффективность процесса, с изменением управляющих параметров (температуры, давления, активности катализатора и т. п.). Результаты такого изучения оформляются в виде системы дифференциальных уравнений, рещение которых и служит для вычислительного устройства средством нахождения оптимального режима процесса. Здесь возникает необходимость в полном математическом описании химико-технологического процесса. [c.121] Однако во многих случаях, особенно для очень сложных процессов, данные, имеющиеся в распоряжении химиков, недостаточны для составления полного математического описания. Кроме того, не всегда системы уравнений, полученные при составлении математического описания, могут быть решены даже машинами. Поэтому весьма перспективным является такой вид оптимизации, когда изучение процесса, анализ и составление программы оптимизации предоставлены вычислительному устройству тогда-- можно обойтись без предварительного всестороннего исследования химического процесса. В принципе такой вид автоматической оптимизации возможен. Для этого могут быть использованы самонастраивающиеся или самообучающиеся системы. [c.121] Для того чтобы определить оптимальные условия на основании изучения работы опытной или промышленной установки, не обязательно знать механизм реакции и строить математическую модель процесса. Оптимальные условия можно определить путем статистического учета и анализа отклонений в эффективности производства, вызванных различными отклонениями в условиях процесса. Кстати, подобную работу и выполняет самообучающаяся система, когда на нее возложен выбор оптимальных условий. Определенные таким путем (или на основе математического описания процесса) оптимальные условия затем должны поддерживаться в реакторе. Но если какой-либо параметр получит отклонение, которое нельзя устранить, то корректировка остальных параметров с целью компенсации отрицательного влияния этого отклонения производится оператором уже без математического анализа создавшейся ситуации. [c.122] Вернуться к основной статье