Введение к работе
Актуальность проблемы. Основным требованием, предъявляемым к химическим її нефтехимическим производствам, является комплексное использование природных и энергетических ресурсов при соблюдении принципа минимального воздействия производства из окружающую среду. Реализация указанного требования невозможна без фундаментальны \ неї ледованш'і в обласні химической технологии, базирующихся на широкі .v. использовании термодинамики, математики и средств вычислительной техники. Пспользование достижений в этой области позволяет кардинальным образом "-м-нигь существующие: технологии за счет разработки и использования ноиы.ч ем >лоі нчеекпх принципов изначально направленных на создан.;е малоотходных и энергосберегающих произволе"- Одним из таки технолої нческнх принципов является органи іаїшя -Знратсльного обмена веществом между реакционной зоной и окружающей с; .дой. Именно наличие селективного обмена, независимо от способа его реализации, позволяет с одном стороны, создавать в реакционной зоне необходимые условия для протекания целевых реакции с высокими скоростями, а, с другой стороны, обеспечивать в системе о целом высокую конверсию (вплоп. до полного исчерпывания реагентов) и селективность. Все это в конечном счете и является основой создания современных энергосберегающих н эколог ическн чистых технологий.
В настоящее время в подавляющем большинстве технологических схем используется принцип рециркуляции, при г тором процессы синтеза и разделения проводят! раздельно и последовательно. Однако и последние годы намешлась тенденция к активному использованию совмещенных реакцнонно-массообменных процессов (СРМІI), в которых синтез и разделение реакционной смеси проводятся одновременно и в рамках одного аппарата. При такой организации процесса исчезает необходимость в отдельном реакторном узле п внешних рецпркулирующих потоках, связанных с неполным превращением реагентов, что в more приводит к более компактной технологической схеме.
HecMoqui на все возрастающий интерес к практическому использованию СРМП, теоретические основы синтеза и проектирования этих процессов развиты недостаточно полно, что является сдерживающим фактором их широкого внедрения особенно на крупнотонажпых химических производствах. Кроме тою, в на.тоящее время отсутетьиог количественные и качественные критерии, позволяющие оценивать в каких случаях использование принципа совмещения будет давать максимальный эффект по сравнению с традиционными рециркуляционными схемами. В связи с этим возникает задача разработки однотипных методов анаді за рециркуляционных и совмещенных сїитем, позволяющих синтезировать оптимальные варианты их организации и определять ситуации, в которых следует отдавать предпочтение традиционным рециркуляционным пли совмещенным процессам.
Основной отличительной чертой процессов химическое4 технолог! 4 ЯВ.ЗЯЄТСЯ их высокая сложность, обусловленная большим числом единиц оборудования, связанных прямыми и обратными потоками массы и тепла, а также значительным количеством параметров, определяющих течение процесса. В связи с этим анализ, синтез и проектирование химических производств
-2-позможны лишь с использованием системного подхода, базирующегося на рассмотрении химического производства как большой системы, которая декомпозируется на подсистемы вплоть до рассмотрения с системных позиций отдельных типовых процессов химической ТЄХНОЛОІ 1111.
Цель работы. Настоящая диссертационная работа посвящена разработке (на базе тсрмодннамнко-топологнческого анализа) теоретических основ анализа и синтеза реакционных систем с избирательным обменом веществом с окружающей средой на примере рециркуляционных и совмещенных реакционно-ректификационных процессов. Основное внимание в работе уделено созданию качественных методов анализа этих систем, позволяющих синтезировать оптимальные варианты их организации и выявлять области паї іолее эффективного использования принципа совмещения. Практическая ч<ч гь работы посвящена использованию полученных теорегнческнх результатов г я создания и экспериментальной отработки новых технологических роцессов, базирующихся на совмещении реакционных и ректификационных процессов.
Научная новизна. Разработан качественный метод анализа рециркуляционных и рсакционно-ректифнлицнонных систем, базирующийся на термодннамико-топологическом анализе структур диаграмм фазового равновесия. Сформулированы необходимые и достаточные условия полного исчерпывания реагентов. Впервые предложено использование принципа перераспределения полей концентрации за счет химической реакции, позволяющего синтезировать технологические схемы, в которых не используются специальные методы разделения. Показана возможность и определены условия перехода от рециркуляционного процесса к совмещенному. Проведено дальнейшее развитие канонического анализа статики совмещенных процессов с использованием понятия изопроизводнтельностн реакционной з^ны. С использованием качественной теории дифференциальных уравнений показано, что во всех рассмотренных случаях протекание химической реакции совместно с процессом разделения не приводит к появлению особых точек, отличных от узлов и седел. Получены фазовые портреты совмещенного реакционно-ректификационного процесса с распределенной реакционной зоной при одновременном протеканини химической реакции в жидкой и паровой фазах. Установлено, что предельные стационарные состояния рециркуляционных и совмещенных реакционно-ректификационных систем ч дниаковы. Проведенный сравнительный анализ рециркуляционных и совмещенных ' реакционно-ректификационных процессов показал, что при прочих равных условиях минимальные энергетические затраты (связанные с количеством, тепла, подавае»'>го в куб ректификационных колоші; в совмещенном процессе ниже. Получены новые экспериментальные и расчетные данные по фазовому равновесию для ряда реакционных смесей.
Практическая значимость. Полученные теоретические результаты являются необходимой основой для проведения предяроектной проработки новых технологических. процессов. Предложенные методы н алгоритмы позволяют проводить анализ и синтез принципиальных технологических схем, базирующихся как на рециркуляционных, так н на совмещенных процессах. Сформулированные необходамые и достаточные условия позволяют однозначно отвечать на вопрос о принципиальной возможности достижения в системе полного исчерпывания реагентов и разделения продуктов реакции на
-3-истые компоненты. Предложенный метод перераспределения полей онцентраций за счет химической реакции позволяет синтезировать ринципиально новые технологические схемы без использования специальных етодоп разделения. Разработанное программное обеспечение может быть спользовано для оценки параметров кинетических моделей и моделей фазового авновесня для широкого класса процессов. Разработаны две новые езотходш.іе технологии получения важных полупродуктов органического шпеча которые могут быть использованы, в частности, в витаминной ромышленности.
Личный вклад автора состоит в определении целей и - ач исследования, ыборе методов решеніїя и объектов исследования, постанові іксиериментов и ашинных расчетов, анализе и изтожении полученных результатов.
Апробация рабоггы. Результаты работы были представлены в докладах а: П-ой Всесоюзной конференции "Математическое моделирование сложных имико-технологических систем" (Москва, 1979); V-ofi Всесоюзной конференции о теории и практике ректификации, (Северодонецк, 1984); Всесоюзной онференцпи "Современные проблемы химической технологии", (Красноярск, 986); V-ой Всесоюзной конференции по термодинамике органических эединений, (Куйбышев, 1987); 2nd Intemartional IUPAC Symposium Organic hemistry: Technological Perspectives, (1991); European Symposium Catalysis in fultiphasi' R actors (Lyon, France 1994); 7th International Summer School of hemical Engineering (Vama. Bulgaria 1995); I, II и 111 Международных кон-еренцнях "Наукоемкие химические технол<..л!іі" (Москва, 1993, Санкт-[етербург 1994, Тверь 1995).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 65 работ. 'труктура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, іести глав, выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 3'05 траницах машинописного текста, содержит //