Введение к работе
Актуальность работы. Основным требованием, предъявляемым к химическим производствам, является комплексное использование сырья и'энергии. При использовании разомкнутых химико-технологических систем в большинстве случаев не удается добиться полной конверсии реагентов из-за наличия термодинамических ограничений, накладываемых химической и разделительной составляющими процесса. Организация селективного обмена веществом с окружающей средой, в частности рециркуляция, позволяет снять указанные ограничения. Рециркуляция может быть, как внешней, так и внутренней. Внешняя рециркуляция применяется в настоящее время практически во всех химико-технологических процессах. В последнее время стали активно использоваться совмещенные реакциошю-массообменные процессы, в которых химические реакции и разделение проходят одновременно и в рамках одного аппарата. Такие процессы представляют собой пример внутренней рециркуляции.
Очевидно, что для синтеза и анализа принципиальных химико-технологических схем, включающих рециркуляционные и совмещенные процессы, является весьма актуальной разработка методик, позволяющих определять полный набор стационарных (в том числе и полистационарных) состояний указанных процессов, а также оценивать минимальные энергетические затраты, необходимые для их реализации.
Использование указанных методик позволит на предпроектных этапах создания химических производств определять значения режимных и конструктивных параметров, обеспечивающих реализацию желаемого стационарного состояния, а также проводить дискриминацию различных вариантов организации процессов с позиции минимальных энергетических затрат.
Цель работы. Диссертационная работа посвящена разработке методики качественного и аналитического анализа, позволяющей определять полное множество стационарных состояний и условия их реализации для рециркуляционных и совмещенных реакционно-ректификационных процессов, а также проводить сравнение эффективности использования указанных процессов с
позиции минимальных энергетических затрат, необходимых для достижения заданной конверсии и селективности. Научная новизна.
- Разработан метод качественного и аналитического анализа предельных
стационарных состояний рсакциошю-рекгификационных процессов,
базирующийся на термодинамико-топологическом анализе структур диаграмм
фазового равновесия для случаев протекания как одной, так и нескольких
химических реакций.
Показано, что множественные стационарные состояния в рециркуляционных системах могут возникать как из-за нелинейности кинетических моделей, так и из-за наличия обратной связи в виде рецикла.
Установлено, что количество стационарных состояний зависит от структуры диаграммы фазового равновесия жидкость-нар, в частности, от формы укладки днстилляционных линий в концентрационном симплексе.
- Показано, что использование в качественном анализе допущений о
бесконечной высоте ректификационной колонны и режиме бесконечного орошения
может приводить к получению континуума стационарных состояний, который не
реализуется на практике.
Предложена методика оценки энергетических затрат в рециркуляционных и совмещенных реакционно-ректификационных процессах.
Установлено, что величина энергозатрат, необходимых для получения в системе заданной конверсии реагентов, зависит от гидродинамического режима в реакционной зоне.
Практическая значимость работы.
Разработанный метод анализа стационарных состояний позволяет на этапе предпроектной разработки рециркуляционных и совмещенных реакционно-ректификационных процессов определить все их стационарные состояния, а также значения режимных и конструктивных параметров, необходимых для их реализации.
Показано, что для определения числа стационарных состояний, отвечающих одной и той же величине конверсии, необходим детальный анализ структуры диаграммы фазового равновесия-жидкость-пар.
- Проведено численное моделирование стационарных состояний процесса
получения этиленгликоля, результаты которого могут быть использованы для
практической реализации указанного процесса.
- Установлено, что минимальные энергозатраты, необходимые для
достижения полного превращения реагентов в рециркуляционных схемах,
уменьшаются при переходе от реактора идеального смешения к реактору
идеального вытеснения. Минимальные энергозатраты в совмещенных процессах
занимают промежуточное положение между указанными рециркуляционными
системами.
Апробация работы и публикации. По материалам диссертации опубликованы 2 статьи. Полученные результаты были доложены на V Международной научной конференции "Методы кибернетики химико-технологичесюгх процессов" (Москва, Казань, Уфа 1999), на VI Международной конференции "Наукоемкие химические технологии" (Москва 1999) и на конференции "Энергосбережение в химической технологии" (Казань 2000).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок, 6 таблиц. Список литературы включает 49 наименований.