Сравнительный анализ рециркуляционных схем на примере реакции изомеризации (стр. 1 из 7)

Министерство образования российской федерации

Московская государственная академия тонкой химической технологии

им. М.В. Ломоносова

Кафедра химии и технологии основного органического синтеза

АТТЕСТАЦИОННАЯ РАБОТА

Сравнительный анализ рециркуляционных схем

на примере реакции изомеризации

На соискание степени бакалавра по направлению 550800

"Химическая технология и биотехнология"

Зам. Зав. Кафедрой ХТООС. Проф. Тимошенко А.В.

Руководитель работы. Доц. Назанский С.Л.

Соискатель Ворошилова Н.В.

МОСКВА 2004 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.. 3

Глава 1. Литературный обзор. 6

1.1. Рециркуляционные процессы. 7

1.2. Методы оценки энергетических затрат в реакционно-ректификационных процессах. 12

1.3. Постановка задачи. 13

Глава 2. Расчетно-аналитическая часть. 14

2.1. Анализ стационарных состояний рециркуляционного реакционно-ректификационного процесса. 14

2.1. Рециркуляционная схема с рециклом, охватывающим два реактора. 15

2.2. Рециркуляционная схема с рециклом, охватывающим один реактор. 19

Глава 3. Расчетная часть. 25

ВЫВОДЫ... 34

Список литературы... 35

ВВЕДЕНИЕ

Конечной целью функционирования любой химико-технологической схемы (ХТС) является достижение полной конверсии реагентов и разделение продуктов реакции на отдельные компоненты с заданной степенью чистоты. Однако, при использовании линейных ХТС в большинстве случаев эти цели недостижимы из-за наличия кинетических и термодинамических ограничений, накладываемых спецификой структур диаграмм фазового и химического равновесий. В частности, для обратимых реакций в реакторе любого типа невозможно достижение полной конверсии реагентов [5], а ее максимально возможное значение определяется состоянием химического равновесия. С другой стороны, наличие азеотропов в реакционной смеси часто не позволяет выделить продукты реакции требуемого качества [2]. Часто, при осуществлении медленно протекающих реакций из-за непомерного увеличения объема реактора невозможно достичь равновесия, эти реакции осуществляются с намного меньшим выходом продуктов, чем могло бы быть в условиях равновесия. Однако, если проводить процесс с небольшими превращениями за однократный пропуск при одновременном выводе из системы продуктов реакции и с последующим возвращением в систему непрореагировавших веществ, то можно достичь 100-процентного превращения исходного сырья.

Кроме того, как правило, многие химические реакции сопровождаются параллельно или последовательно протекающими побочными превращениями. Скорость этих реакций и соотношение выходов продуктов в реакциях изменяются в зависимости от условий процесса. Максимальному выходу желаемого продукта будет соответствовать определенная глубина превращения исходного сырья, после которой начнут преобладать побочные реакции.

Таким образом, преодоление указанных ограничений возможно при организации селективного обмена веществом реакционной зоны с окружающей средой [20]. Наличие селективного обмена, независимо от способа его реализации, позволяет, с одной стороны, создавать в реакционной зоне необходимые условия для протекания целевых реакций с высокими скоростями, а с другой стороны, обеспечивать в системе в целом высокую конверсию (вплоть до полного исчерпывания реагентов) и селективность [1]. Все это, в конечном счете, и является основой создания современных энергосберегающих и экологически безопасных технологий [1].

Одним из способов организации такого селективного обмена является рециркуляция [8], которая может быть как внешней, так и внутренней.

Внешняя рециркуляция применяется в настоящее время практически во всех химико-технологических процессах [1], когда процессы синтеза и разделения проводятся последовательно и раздельно. Примером организации внутренней рециркуляции являются совмещенные реакционно-массообменные процессы [4], в которых химические реакции и процессы разделения проводятся одновременно и в рамках одного аппарата.

Очевидно, что разработка качественных и количественных методов анализа и синтеза технологических схем, использующих принцип селективного обмена веществом с окружающей средой, в частности рециркуляционных и совмещенных процессов, открывает возможности построения ХТС, обеспечивающих практически полную конверсию реагентов при минимальных энергетических затратах.

В химико-технологических системах, где в реакторах используются дорогие катализаторы, для увеличения их срока службы используют схемы, в которых до основного реактора ставят еще один реактор с более дешевым катализатором, в котором происходит очищение сырья от примесей, вредных для дорогого катализатора, и неполное превращение исходного сырья. А также для снятия теплоты реакции в первом реакторе, так как из-за больших скоростей возникает большой тепловой эффект реакции.

В таких схемах существуют различные варианты охвата реакторов рециклом: можно подавать рецикл либо на вход первого реактора, либо на вход второго.

Таким образом, в данной работе рассматриваются две схемы с различной подачей рецикла с позиции минимальных энергетических затрат, необходимых для достижения заданной конверсии и селективности.

Глава 1. Литературный обзор

Основной стратегией защиты окружающей среды от негативного воздействия химической промышленности является создание экологически безопасных технологий, позволяющих наиболее полно использовать сырье и энергию [1].

Однако существует ряд ограничений химического и термодинамического характера, препятствующих реализации этой стратегии. Наличие химических ограничений связано, прежде всего, с тем, что практически все химические реакции являются обратимыми, и, следовательно, максимально возможное значение конверсии в простой проточной системе ограничено химическим равновесием. Кроме того, существуют и кинетические ограничения, из-за которых конверсия за один проход оказывается весьма низкой. Ограничения термодинамического характера проявляются на стадии разделения продуктов реакции и определяются структурой диаграммы фазового равновесия.

Одним из подходов к преодолению указанных ограничений является организация селективного обмена реакционной зоны веществом с окружающей средой, а также использование специальных методов разделения, базирующихся, например, на принципе перераспределения полей концентраций.

Существует несколько способов реализации селективного обмена веществом.1) Возврат непрореагировавших веществ со стадии разделения на стадию химического превращения (рециркуляция). Такой способ организации уже давно используется в промышленности. Использование рециркуляции позволяет проводить процесс при высоких концентрациях исходных реагентов, а, следовательно, и при высоких скоростях реакций [6-9]. Кроме того, варьируя состав рецикла, можно уменьшать образование побочных продуктов.2) Мембранные процессы, в которых высокая концентрация реагентов в зоне реакции создается за счет того, что мембрана выпускает преимущественно только продукты реакции.3) Использование принципа совмещения, когда химическое превращение и разделение объединены в рамках одного аппарата. Такие процессы начали использоваться сравнительно недавно и получили название совмещенные реакционно-массобменные процессы [4, 36]. Совмещенные процессы обладают рядом преимуществ, в частности, это отсутствие внешних рециркулирующих потоков и возможность более компактной организации процесса по сравнению с традиционной системой с рециклом.

1.1. Рециркуляционные процессы.

В настоящее время рециркуляция находит широкое применение во многих промышленных крупнотоннажных процессах, таких как каталитический крекинг, пиролиз, получение полиэтилена высокого давления и многих других.

Любая типовая ХТС с рециклом состоит из узла смешения, реакторного узла и узла разделения (рис.1.1).

Состав рециркулирующего потока может быть самым различным: он может представлять собой как смесь всех компонентов реакции, так и смесь, содержащую один или несколько компонентов.

Реагенты и продукты

Реагенты Продукты

Рис.1.1. Рециркуляционная система.

Однако в любом случае, питание реактора складывается из свежего сырья и рециркулята, и должно иметь тогда большее количество, по крайней мере, одного из реагентов, чем при загрузке реактора лишь свежим сырьем. Вследствие этого, степень превращения за один проход через реакционный объем будет ниже степени превращения, рассчитанной для случая отсутствия рецикла.

Однако производительность реактора и общая степень превращения в системе по целевому продукту увеличится.

Таким образом, наличие рециклов позволяет, с одной стороны, достигать высоких скоростей химического превращения в реакторе (за счет возврата не прореагировавших реагентов в реакционную зону и уменьшения времени контакта в ней), а, с другой стороны, реализовывать селективный вывод целевых продуктов из системы, что в конечном итоге позволяет получать в схеме любую заданную конверсию. Таким образом, рециркуляционные процессы позволяют снимать термодинамические ограничения, связанные с химическим равновесием, и кинетические ограничения, связанные с низкими скоростями реакций. Следовательно, можно утверждать, что теоретически для любой обратимой реакции (независимо от скорости ее протекания и величины константы равновесия) в технологической схеме, состоящей из реактора и узла разделения охваченных рециклом, всегда может быть достигнуто полное превращение реагентов при условии, что узел разделения позволяет выделять в чистом виде продукты реакции и формировать поток рецикла требуемого состава.