Лаба 5 - Оптимизация химического процесса

Федеральное агентство по образованию

Московский государственный университет

тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова

Кафедра Общей химической технологии

Лабораторная работа №5

“ Оптимизация химического процесса.”

Вариант № 9

Студент группы ХТ-308

Рассказчиков А.С.

Преподаватель

Шишилов О.Н.

Москва 2013 г.

Цель и задача работы.

Необходимо найти такое сочетание значений температуры на входе и времени пребывания, при котором приведенные затраты окажутся минимальными.

Для определения положения оптимума необходимо исследовать зависимость затрат от параметров(температуры и времени).

Решение при заданных значениях температуры на входе и времени пребывания в реакторе проводится на компьютере численным методом.

Теоретическая часть.

Схема реакции:

(1) А₁ → А₂

(2) А₂ → А₃

(3) 2А₃ → А₄

Параметры уравнения Аррениуса:

Матрица стехиометрических коэффициентов:

Исходная область исследования:

по температуре 323-373 К;

по времени 20-80 с.

В качестве критерия оптимальности для данной реакции выбираем приведенные затраты – сумму затрат, приходящуюся на единицу полученного продукта.

При формировании критерия отнесем все затраты к единице объема пропущенной через реактор жидкости. Обозначим эти цены так:

Ц₁ – цена реагента, 14 руб/кмоль;

Ц₃ – стоимость обезвреживания полученного побочного продукта А3, 4,7 руб/кмоль;

Ц₄ – то же для продукта А4, 5,3 руб/кмоль;

Ц_v – стоимость обработки (разделения, перекачки) жидкости, выходящей из реактора, 0,2 руб/м³;

ЦV – стоимость обслуживания реактора, пропорциональная его объему, 0,1 руб/(м³ч).

П- производительность по продукту, 160 кмоль/ч.

Обозначим:

v - объемный расход жидкости, м3/с;

В – среднее время пребывания, с;

V – объем реактора, м3.

Тогда статьи расхода будут выглядеть так:

затраты на приобретение реагента: з₁=Ц₁v(c₁⁰-c₁), где второй член в скобках учитывает возврат непрореагировавшего реагента в процесс;

затраты на обезвреживание продукта А₃: з₃=Ц₃vc₃;

затраты на обезвреживание А₄: з₄=Ц₄vc₄;

затраты на обеспечение разделение и перекачки жидкости: з_v=Ц_vv;

затраты на обслуживание реактора: зV=ЦVV=ЦVBv/3600.

Эти затраты относим к количеству полученного продукта, равному vc₂, и окончательно (после сокращения на v) получаем целевую функцию U:

U=(Ц1(с₁⁰-с₁)+Ц₃с₃+Ц₄с₄+Ц_v+ЦVB/3600)/c₂

Ограничения:

T≤T_max

V≤V_max

Экспериментальная часть.

Вводятся все характеристики реакции и процесса – матрица стехиометрических коэффициентов, исходная концентрация реагента, параметры уравнения Аррениуса для всех стадий, число ступеней модели каскада реакторов, заданная производительность и заданные цены. Поиск оптимума (минимума функции U) проведем методом покоординатного спуска, а далее используем сканирование для более точного его уточнения.

Результаты заносятся в таблицу. Также строится график поиска оптимума и контурные графики для целевой функции, объема аппарата, выхода и селективности.

Выводы.

Из полученных данных можно сделать вывод, что оптимум в данных интервалах достигается при T=368, t=2с и равен U=33,971.

При получении результатов больше остальных влияла селективность процесса, по её наибольшему значению осуществлялась оптимизация процесса.