Использование рециркуляции для повышения эффективности химических процессов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 66.10 - 503.4.001.57 С. И. Дуев

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Ключевые слова: реактор с рециклом, производительность реактора с рециклом, интенсификация химических процессов.

Рассматривается рециркуляционная система, состоящая из реактора и блока разделения. В реакторе идеального смешения с рециклом протекает реакция A + B < C + D. Показано, что на режиме с рециркуляцией одного из исходных реагентов A при значениях температур рецикла из определенного интервала существует оптимальная величина рецикла, при которой достигается максимальная производительность реактора по целевому продуктуС.

Keywords: reactor with recycle, output of reactor with recycle, intensification of chemical processes.

The recycle system reactor - separation unit is considered. A regime with a recyrculataion of basic reactantA is considered. It is proved, that the optimal value of recycle exists at this regime under values of recycle temperature belong to defined interval.

Введение

Основу современного подхода к решению проблем химической технологии составляет системный анализ, в соответствии с которым задачи исследования и расчеты отдельных технологических процессов, моделирования и оптимизации химико-технологических систем, оптимального проектирования химико-технологических комплексов решаются в тесной связи друг с другом, и объединены общей стратегией и подчинены созданию высокоэффективного химического производства [1]. Одним из эффективных путей решения этой проблемы является технологическое решение процесса с рециркуляцией непрореагиро-вавших продуктов реакции.

Применение рециркуляции в различных процессах таит в себе большие возможности дальнейшего развития химической технологии. Можно назвать четыре аспекта, указывающие на эффективность применения рециркуляции: технический, химический, технико-экономический и экологический [2,3].

Технический аспект. Установления для однократного процесса условия проведения химических реакций с высокими степенями превращения часто оказываются очень жесткими, приводящими к различным техническими трудностям. Эти трудности весьма разнообразны и специфичны для различных процессов. Интенсификация однократного процесса полимеризации в растворе приводит к условиям, создающим высокую вязкость среды и, следовательно, усложняющим ее транспортабельность. Исключение этого технического затруднения достигается также рециркуляцией. Рециркуляция является эффективным средством теплосъема, и поэтому позволяет осуществлять в промышленности экзотермические реакции.

Химический аспект. Как известно, существуют пределы, которые налагаются на протекание химической реакции ее термодинамикой и кинетикой. В большинстве своем химические реакции являются обратимыми; динамическое же равновесие достигается лишь при частичном превращении исходного сырья, что не дает возможности полностью превратить его в продукт реакции за однократный процесс.

Часто из-за малых скоростей реакции вообще не удается достичь химического равновесия. В этих случаях для его достижения требуется длительное время контакта и, следовательно, большой объем реактора. Чтобы избежать непомерного увеличения объема реактора, при осуществлении реакции в промышленности приходится вести процесс в условиях, не обеспечивающих достижение химического равновесия и приводящих к еще меньшему выходу продукта. Это результат действия кинетических ограничений. Примером может служить промышленный синтез аммиака. Проведение же реакции с неглубоким превращением сырья за однократный пропуск при одновременном выводе из системы продуктов реакции позволяет увеличить скорость реакции, а многократное превращение непрореагировавших веществ - достичь 100% превращения сырья. Во многих химических превращениях наряду с основной реакцией протекают параллельно или последовательно побочные реакции. Максимальный вывод целевых продуктов получается при определенной степени конверсии реагирующих веществ в определенных условиях процесса. Форсирование процесса путем его углубления с целью увеличения выхода целевого продукта вызывает отрицательное последствие - начинают преобладать побочные реакции [4]. Если же проводить реакцию с небольшой конверсией и немедленным удалением продуктов из зоны реагирования, можно исключить побочные превращения и при возврате на повторную переработку непрореагировавшего сырья добиться полного его превращения с максимальной селективностью процесса. Таким образом, применение рециркуляции непрореагировавшего сырья независимо от кинетических и термодинамических ограничений позволяет максимально его использовать.

Технико-экономический аспект. Для обеспечения наибольшей производительности единицы реакционного объема необходимо осуществлять процесс с максимальной скоростью, что при одновременном полном использовании сырья и высокой селективности процесса достигается рециркуляцией непрореагиро-вавшего сырья.

Что касается достижения минимума капитальных и технологических затрат на создание химико-

технологических систем, то эти вопросы решаются практически всегда с учетом важной роли рециркуляции продуктов производства, подлежащих повторной обработке. В результате побочных реакций некоторые вещества, пройдя несколько стадий переработки, превращаются в те соединения, из которых они сами образовались, и поэтому могут быть возвращены как первоначальное сырье вновь в производство. Таким образом, на основе метода рециркуляции, комбинируя и кооперируя различные производства, можно создать технологически замкнутую ХТС, работающую с максимальным использованием сырья.

Экологический аспект. Одной из глобальных и важнейших проблем современности, решение которой волнует все человечество, является охрана окружающей среды. Экологические проблемы приходится решать в масштабе не только одной страны, а всей планеты. В поисках конкретных путей решения проблем экологии, направленных на предохранение окружающей среды от вредных выбросов и бережное отношение к сырьевым ресурсам, существенная роль отводится применению рециркуляции в химических производствах.

Замкнутые технологические циклы позволяют с максимально возможной полнотой использовать сырье и исключить или снизить до минимума выбросы отходов во внешнюю среду. Причем в ряде случаев на режиме с рециркуляцией исходных реагентов существует оптимальная величина рецикла. При которой достигается максимальная производительность реактора по конечному продукту [5].

Таким образом, применение рециркуляционных процессов, лежащих в основе создания комплексного производства, является одним из ключевых путей решения двух основных проблем экологии - избежать загрязнения окружающей среды и истощения природных ресурсов.

Типичная рециркуляционная система, состоящая из реактора и блока разделения, представлена на рис.1.

г

реактор ¥

Ж

оаох разделения

Рис. 1 - Блок-схема рециркуляционной системы реактор-блок разделения

Здесь, д - количество смеси, поступающее в систему в единицу времени, Р - количество смеси поступающее в реактор в единицу времени, х -вектор концентраций в реакторе (со значком «0» - на входе в систему, со значком «*» - в рецикле, созначком «вых» - на выходе системы).

Для стабилизации потоков в системе должно выполняться равенство Р=г+д.

Математическая модель системы реактор идеального смешения - блок разделения

Пусть в реакторе идеального смешения протекает реакция второго порядка А+Б^О+Р, целевым продуктом которого является продукт О.

Математическая модель реактора идеального смешения в рециркуляционной системе реактор-блок

разделения может быть представлена в следующем виде (формула (1)) [6, 7]:

2

^ II

Зх-| (0)— , . х5 ■ к р г ■х-

ИГ = х1у ^ к1е 5 ■ х1 ■ Х2 + к2е 5 ■ х3 ■ х4 - х1Г + —

^ = х2(0)д-к/5" ■ х1 ■ х2 + ■ хз ■ х4 - х2- +

Iе! х^ К

-е,

2

хс ■ к

Р+г^ V V

Зх„ х,- К

о х~-К

р = к1е 5 ■ х^ Х2 - к.

хс ■ К 5

е ■ хЛ ■ х2 - к2е ■ х~ ■ х, - х„ — +

р+г■х3

Зх4 . х5К х5 ■ К Р г ■ х4

""ЗТ" = к1е 5 ■ х1-Х2 -к2е 5 ■ х3 ■ х4 -х47+ "7"

-е - Е2

Н2 -тд

■ Л ~ ■ X ^-----

Т*+

ЗТ = к1ет К ■ х1 ■ х2--1— к2е т ■К ■ х3 ■ х4

а! I 1 2 ср■V 2 3 4 ср■V V

х *

т0 г ■ Т

+ д ■ — +-

V V

где V - объем реактора, Е1, Ег - энергии активации прямой и обратной стадии реакции, ! - время, Н1, Н2 -тепловые эффекты реакции, ср - теплоемкость смеси (принимается равной во всех потоках), х1, х2, х3, х4 -концентрации реагентов А, Б, О и Р соответственно, к - газовая постоянная, к1, к2 - константы скоростей прямой и обратной стадий реакции, определяющиеся по формуле Аррениуса (формула (2)).

- Е-

к = А- ■ е ТК

I = 1,2 (2)

где А- - предэкспоненциальный множитель.

Рассмотрим режим, на котором рециркулирует только один из исходных регентов А, а на выходе системы присутствуют все компоненты, тогда на рассматриваемом режиме будут выполняться следующие условия, представленные формулой (3) [8]:

х|* = 0, 1 = 2,3,4 (3)

Математическая модель реактора на этом режиме будет иметь вид (формула 4).

__! = х(0)— - к„еТК ■ х ■ х~ + к~е т К ■ х„ ■ хл - х„ —+г ■

-Е„

"аГ"Л1

1 Л2™2С

^3

-Е„

= х„(°)— -к-е™ ■ х ■ х0 + ^еТ■ К ■ ^ ■ х„ -х0 —

V" 1 -Е„

= ^еТ« ■ ^ ■ х„ - к„еТ К . V . - - V —

1 2 2 - Е2

3А4_А2;

Р

Зх

1 2 2

3А4_А3-

-Е„

-Е,

-З4- = к1еТК ■ х, ■ х2 -к2е Т К ■ х3 ■ х4 -х4 —

1 2 2

3 л4~л4~

-Е„

- Е,

ЗТ

Н2 То ■—

-¡5- = к1еТК ■ х, ■ х2 —L - к2еТ К ■ х3 ■ х4 —+ -0— З! 1 1 2 ср ■ V 2 3 4 ср ■ V V

- Т— + г ■

где г - величина рецикла, х1* - концентрация реагента А в рецикле. Тг - температура рецикла.

Система дифференциальных уравнений (4) должна быть дополнена начальными условиями (формула 5).

Е

Е

2

1

V V

Е

Е

2

Е

V

Е

4

V V

X1(t=0)=X10, X2(t=0)=X20, Xз(t=0)=Xзo;

X4(t=0)=X40, ^=0)=^. (5)

Если концентрации реагентов измеряются в мольных долях, то концентрация х^=1, т.к. в рецикле присутствует только реагент A.

В целях исследования эффективности реактора с рециклом полученная система дифференциальных уравнений решалась при различных значениях параметров. В таблице 1 представлены результаты расчета производительности реактора по целевому продукту С: Т=(г+д)х3 в зависимости от значения температуры рецикла и величины рецикла.

Таблица 1 - Результаты расчета производительности реактора по целевому продукту С в зависимости от величины рецикла и температуры рецикла

Найден интервал значений температур рециклаТг: Тг1 < Тг < Тг2, при которых существует оптимальная величина рецикла гопт. При значении г=0,15 достигается максимальное значение производительности реактора \ по целевому продукту С. График зависимости производительностиреактора ^ по целевому продукту - С от величины рецикла г при Тг=350°С представлен на рис.2.

1.175

1.17 fi 1.165

1.16

1.155

0 0.1 0.2 0.3

г^

Рис. 2 - Зависимость производительности реактора ^ по целевому продукту С от величины рецикла П

При значениях температур рецикла Тг<Тг1, зависимость 1(г) является монотонно убывающей. При Тг>Тг2 зависимость ОД является монотонно возрастающей, при Тг>Тг2.

Заключение

Для рассматриваемой реакции введение рецикла по веществу А целесообразно, когда оно дороже, чем вещество В. Анализ показал, что если температура рецикла находится в интервале 335<Тг<365 на режиме с рециркуляцией исходного вещества А существует оптимальная величина рецикла, при которой производительность реактора по целевому продукту С принимает максимальное значение.

Литература

1. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии: основа стратегии - М.: Наука, 1976 - 498 с.

2. Нагиев Н.Ф. Теория рециркуляции и повышения оптимальности химических процессов - М.: Наука, 1970 - 390 с.

3. Кузнецов В.И., З.А.Зайцева Химия и химическая технология: эволюция взаимосвязей - М.: Наука, 1984 - 295 с.

4. Катализ в нефтеперерабатывающей промышленности //М. Гостоптехиздат - книга вторая - 1961 - 661 с.

5. Дуев С.И. Вестник Казанского технологического университета, 16, 5, 193-195 (2013).

6. Дуев С.И. Вестник Казанского технологического универ-ситета,16, 6, 167-169 (2013).

7. Бояринов А.И., Дуев С.И. Теоретические основы химической технологии, 14, 6, 903 (1980)

8. Дуев С.И. Вестник Казанского технологического университета, 16, 130-132 (2012).

Tr °C г м3/сек 0 0.05 0.12 0.15 0.2

300 [ кг/сек 1.167 1.165 1.158 1.154 1.146

335 [ кг/сек 1.167 1.167 1.167 1.163 1.161

340 [ кг/сек 1.167 1.167 1.168 1.165 1.163

350 [ кг/сек 1.167 1.170 1.171 1.170 1.168

365 [ кг/сек 1.167 1.170 1.174 1.175 1.174

370 [ кг/сек 1.167 1.170 1.175 1.175 1.176

400 [ кг/сек 1.167 1.175 1.182 1.185 1.188

500 / кг/сек 1.167 1.184 1.205 1.213 1.226

© С. И. Дуев - д-р техн. наук проф. каф. информатики и прикладной математики КНИТУ, douev@mail.ru. © S. I. Duev - doctor, professor of department of applied mathematics, KNRTU, douev@mail.ru.