Критерии оптимальности
После установления кинетической модели наступает этап выбора оптимальных условий реализации процесса. Для этого необходимо: выбрать тип реактора; выбрать температуру, начальную концентрацию или парциальные давления, мольное соотношение реагентов, выбрать степень конверсии.
Среди множества факторов, влияющих на результат процесса необходимо выбрать наиболее важные, а среди нескольких возможных вариантов проведения процесса единственный.
Существует ряд критериев, которые позволят определить насколько хорошо выбран процесс.
Критерии оптимальности:
удельная производительность реактора;
селективность процесса в реакторе.
Но они не являются окончательными. Окончательные выбирают после экономической проработки: наименьшая себестоимость, наименьшие удельные приведенные затраты, максимальная прибыль.
Удельная производительность реакторов
GB
– съем целевого продукта с единицы
реакционного объема в единицу времени:
,
.
При описании каталитических процессов
объем заменяют массой катализатора:
.
Удельная производительность рассчитывается по-разному для разных реакторов.
Удельная производительность непрерывных реакторов
Исходя из определения:
,
где FB – мольный поток целевого продукта В.
.
Рассмотрим реакцию:
А → В.
.
Допустим τ = 0, FB0 = 0, тогда:
;
.
Удельная производительность реакторов идеального вытеснения
.
Удельная производительность реактора идеального вытеснения:
.
Для простых реакций
можно заменять xA,
так как селективность не учитывается.
Удельная производительность реакторов полного смешения
Если i = B:
;
.
Удельная производительность реакторов полного смешения:
.
Вывод GB через τист
Связь мольных и объемных потоков:
.
Для реактора идеального вытеснения
Характеристическое уравнение
.
Для реактора полного смешения
;
Производительность в РИС не зависит от степени конверсии, а только от скорости.
Расчет удельной производительности в случае сложной реакции
Необходимо учитывать селективность.
A → B + C
A + C → D
Для сравнения реакторов РИВ и РПС необходимо:
В задачах для скоростей реакции различного порядка необходимо рассчитать данное соотношение.
Для РИВ удельная производительность всегда самая высокая.
Для периодических реакторов на каждой операции часть времени необходимо затратить на загрузку, выгрузку, подогрев, охлаждение реагентов, поэтому добавляется t0.
.
Влияние параметров процесса на удельную производительность
Кроме типа реактора и их сочетания не удельную производительность влияют параметры процесса:
концентрация или парциальное давление;
степень конверсии;
соотношение реагентов и др.
Текущая концентрация Ci = f(xA, β, ξ).
.
Влияние начальной концентрации на удельную производительность
1 – реакция нулевого порядка
2 – реакция первого порядка
3 – реакция второго порядка
.
1 
2 
3 
Влияние степени конверсии на удельную производительность
1 – реакция первого порядка в РПС
2 – реакция второго порядка в РПС
3 – реакция первого порядка в РИВ
4 – реакция второго порядка в РИВ
РПС:
РИВ первого порядка:
.
РИВ первого порядка:
Влияние мольного соотношения реагентов на удельную производительность
A + Yизб → B + D
Если βY увеличивается, то удельная производительность увеличивается.
Если xA увеличивается, то удельная производительность снижается.
Для газовых систем удельная производительность расчет до определенного предела, определенного соотношения.
Влияние температуры на удельную производительность
Для необратимых и обратимых эндотермических реакций с увеличением температуры удельная производительность увеличивается.
Для обратимых экзотермических реакций зависимость более сложная.