Control of irreversible exothermic process

Abstract

Työn tarkoituksena oli vertailla eksotermisen irreversiibelin reaktion lämpötilanhallintaan käytettyjä menetelmiä. Työn kirjallisuusosassa esiteltiin yleisiä eksotermisia reaktioita koskevia asioita sekä käsiteltiin muutaman eri lämpötilanhallintatyypin ominaisuuksia ja käyttöä. Myös eri lämpötilanhallintatapojen heikkouksia ja vahvuuksia selvitettiin. Käsitellyt menetelmät olivat lämmönsiirto seinämän läpi, reaktiotuotteen sekoittaminen tuoresyöttöön (tuotekierto), inerttien sekoittaminen tuoresyöttöön (inerttikierto), jäähdytys adiabaattisten reaktoreiden välissä, kylmä tuoresyötön lisääminen adiabaattisten reaktoreiden väliin ja jäähtyminen kiehumalla.

Soveltavassa osassa vertailtiin inerttikierron, tuotekierron, kylmän välisyötön sekä tuotekierron ja kylmän välisyötön yhdistelmän tehokkuutta eksotermisen reaktion hallinnassa esimerkkiprosessia apuna käyttäen. Lämpötilanhallintamenetelmiä vertailtiin toisiinsa kolmella eri tavalla: Staattisella ja dynaamisella simulaatiolla sekä prosessin tuotantokatteen perusteella.

Staattisessa simuloinnissa tarkasteltiin häiriöiden vaikutusta tasapainotilaan. Käytetyt häiriöt olivat yksikön syötön pitoisuuden kasvu kahdella massaprosentilla ja reaktorin syötön lämpötilan kasvu yhdellä Celsiusasteella. Tasapainotilassa tarkasteltiin myös tuotteen komponenttijakaumaa. Havaittiin, että tutkituista menetelmistä tehokkain oli tuotekierto. Inerttikierto oli myös tehokas lämpötilanhallinnassa. Kylmä välisyöttö ei vaikuttanut ensimmäisen reaktorin lämpötilaan, mutta oli erittäin tehokas toisen reaktorin hallinnassa.

Tuotekatteeseen vaikutti tuotteen komponenttijakauma ja prosessin käyttöhyödykekulutus. Investointeja ei huomioitu. Tuotekierto ja välisyöttö vaikuttivat vähiten tuotekatteeseen. Inerttikierto lisäsi käyttöhyödykekulutusta eniten ja toisaalta tuotekierron ja kylmän välisyötön yhdistelmä teki heikointa tuotetta. Tuotekiertoa tarkasteltiin lisäksi dynaamisessa lämpötilan häiriöiden simulaatiossa. Se oli tehokas sekä syötön pitoisuuden että vaimentamisessa.

Kokeilluista menetelmistä tuotekierto oli paras. Se oli tehokas lämpötilanhallinnassa eikä vaikuttanut tuotteeseen merkittävästi. Sama pitää paikkansa inerttikierron osalta, mutta se ei ollut yhtä tehokas kuin tuotekierto, kulutti merkittävästi enemmän käyttöhyödykkeitä ja todennäköisesti vaatisi merkittäviä investointeja.