Введение к работе
Актуальность проблемы. Среди направлений научно-технического прогресса в химических отраслях промышленного комплекса особую роль играет развитие малооперационной технологии, максимально экономящей исходное сырье, топливо, материалы и обеспечивающей охрану окружающей среды. Этим современным требованиям отвечают совмещенные реакционно-массообменные процессы, в которых обеспечивается избирательный вывод из реакционной зоны продуктов реакции и концентрирование в ней реагентов. Совмещение в одном аппарате реакции и, например, ректификации (реакционно-ректификационный процесс -РРП) позволяет: увеличить съем продукции с единицы объема оборудования; увеличить выход продуктов за один пропуск реагентов, а в большинстве случаев достигнуть степени превращения реагентов выше химически равновесных; увеличить селективность процесса как в целом, так и отдельных его составляющих; сократить рециклы, снизить энергозатраты; осуществить более простую организацию процесса как непрерывного с компактной технологической схемой.
Отмеченные выше преимущества совмещенных процессов поззоляют рассматривать их в ряде случаез наиболее перспективными при создании малоотходных энергосберегающих производств органических продуктов. Причем, это относится как к созданию новых технологий, так и совершенствованию уже действующих производств.
Из всех совмещенных процессов наиболее изучены непрерывные совмещенные реакционно-ректификационные процессы (НСРРП). Основы теории РРП были заложены М.И.Балашовым - это канонический анализ статики на основе модели с локализованной "точечной" реакционной зоной (РЗ). Применение метода оказалось плодотворным. Но этот метод, базирующийся на хорошо разработанном термодинамико-топологи-ческом анализе (ТТА) структур диаграмм фазового равновесия жидкость-пар, не дает ответа на многие вопросы (в некоторых случаях имеются противоречия между прогнозом и экспериментом, используется ряд эвристических предположений). Только начинает развиваться теория совмещенных РРП, в которых РЗ распределена по всему аппарату, - совмещенные РРП с нелокализованной РЗ. Несмотря на достигнутые значительные успехи в исследовании совмещенных РРП, проблема всестороннего их изучения, в частности с использованием качественных методов, все еще остается нерешенной. Все это определяет актуальность работы, посвященной теории и практике совмещенных РРП.
В соответствии с этим в диссертации решается научная пробл создания теоретических основ исследования РРП с использованием чественной теории динамических систем (ДС).
Цель работы. Исследование математических моделей статики и намики РРП с локализованной и нелокализованной реакционными зона качественными методами, а также разработка промышленных совмещен ных процессов получения органических продуктов. В связи с этим в диссертации решаются следующие основные задачи:
создать метод исследования статики НСРРП с "точечной" основанный на результатах качественной теории динамических сие процесса ректификации;
используя метод интегральных многообразий, провести каче венные исследования математической модели (ММ), описывающей ста ку процесса ректификации с химической реакцией, протекающей всей высоте секции или аппарата;
используя метод интегральных многообразий, провести каче венные исследования математической модели, описывающей динамі безотборного режима РРП с нелокализованной реакционной зоной;
разработать новые технологии и усовершенствовать существ; щие в лесохимической промышленности производства, базирующиеся совмещенных РРП.
Научная новизна. Разработан новый качественный метод балансі во-траекторного анализа статики РРП с локализованной РЗ, позволяї щий проводить оценку предельных стационарных состояний (ПСС) и устраняющий некоторые противоречия, присущие каноническому метод; анализа. Впервые обнаружены ПСС, которые по сравнению с прогнозируемыми каноническим анализом статики характеризуются одновремені меньшей "статической устойчивостью", меньшим числом ОПК и большеі степенью превращения реагентов. Установлена возможность существования нескольких альтернативных ПСС и сформулированы условия их достижимости. Получены в общем виде уравнения первых интегралов I обычной ректификации и процесса ректификации с химической реакцие с нелокализованной РЗ. Разработан метод интегральных многообразиі качественного исследования РРП с нелокализованной РЗ на дифференциальной ММ. К новым результатам можно отнести исследования ММ статики РРП с нелокализованной РЗ в бинарных и трехкомпонентных смесях качественными методами, которые позволили: установить нал* чиє и характер стационарной точки (СТ) динамической системы бинар ной ректификации с необратимой химической реакцией второго поряд-
ка; представить поведение траекторий РРП в случае медленной и быстрой химических реакций в виде "быстрых" и "медленных" движений; определить условия, которым должны удовлетворять многообразия, разделявшие области "быстрых" и "медленных" движений. По мнении автора, новыми являются результаты исследования ММ динамики безотборного режима реакционно-ректификационного процесса качественными методами: установлено, что в случае бинарной смеси состояние равновесия (СР) динамической системы единственно и асимптотически устойчиво; установлено, что в случае трехкомпонентной смеси с единственной обратимой реакцией второго порядка СР системы устойчиво; представлено поведение исходной системы в виде двух более простых подсистем, описывающих "быстрые" и "медленные" движения в двух предельных случаях (медленная и быстрая химические реакции).
Практическая ценность. Полученные теоретические результаты характеризуются достаточной общностью, использовались для разработки всех промышленных процессов, исследованных в настоящей работе и могут использоваться для разработки ряда других совмещенных РРП. На основе теоретических результатов, полученных в диссертации, разработаны новые эффективные технологии и усовершенствованы действующие этил- и бутилацетатные производства: получение этилацета-та этерификацией уксусной кислоты этанолом на формованном катиони-те; получение камфары из камфена в двухстадийном процессе; получение метилацетата этерификацией уксусной кислоты метанолом; получение бутилацетата переэтерификацией метилацетата бутанолом; получение пропилацетата переэтерификацией метилацетата пропилформиатом; получение изоборнилацетата ацетилированием камфена.
Общий фактический экономический эффект от внедренных работ составил на 1.01.91 532 тыс.руб.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы достаточно полно изложены в опубликованных работах. Всего опубликовано 43 научные работы, включая доклады на Всесоюзных конференциях, таких как: "Автоматизация проектных и конструкторских работ" - М., 1979 г.; 5-я Всес.конф-ция по ректификации - Сеаеродонецк, 198 4 г.; "Динамика процессов и аппаратов хим. технологии" - Воронеж, 1985 г.; "Химия и использование экстрактивных веществ дерева" - Горький, 1990 г.; и др.). Получено 10 авторских свидетельств на изобретение СССР.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 563 страницах машинописного текста, содержит 236 рисунков, 13 таблиц.