Случай 3. Распределение температур кипения реагентов

Особый интерес представляет случай, когда реагент А является среднекипящим компонентом. Схемы организации процесса полного исчерпывания реагента представлены на рис. 1.10. Отличием этих схем является то, по какому заданному четкому разделению работает первая и вторая ректификационные колонны.

Рассмотрим возможные стационарные состояния схемы (рис. 1.10а) при изменении рецикла от нуля до бесконечности, предполагая, что на вход системы подается чистый реагент А.

Очевидно, что в соответствии со стехиометрией химической реакции для того чтобы в системе была достигнута полная конверсия и в качестве продуктовых потоков отбирались чистые продукты реакции В и С, необходимо выполнение равенства или . Будем считать, что обе колонны работают при некоторых флегмовых потоках, достаточных для реализации в них четких и получетких разделений. Как и ранее будем рассматривать два основных режима.

Режим I.

Эволюция стационарных состояний системы в первом режиме (при изменении от нуля до ) представлена на рис. 1.11.

При (рис. 1.11а) состав на выходе из реактора находится на линии химического взаимодействия, соотношение отборов (так как ), состав на выходе из куба первой колонны совпадает с составом кубового продукта второй колонны. При увеличении потока рецикла, состоящего из чистого реагента А, состав в реакторе смещается по линии химического взаимодействия в сторону линии заданной изопрои-зводительности, соответствующую 100% конверсии. Состав на выходе из второй колонны смещается по ребру А-С в сторону продукта С, что приводит к развороту линии материального баланса первой колонны, как показано на рис. 1.11б.

При в системе достигается полное исчерпывания реагента А. Состав в реакторе попадает на линию изопроизводительности, обеспечивающую 100% конверсию, составы потоков и соответствуют чистым продуктам В и С. Положение линий материальных балансов первой и второй ректификационнх колонн для этого случая представлены на рис. 1.11в.

Режим II.

При дальнейшем увеличении потока рецикла производительность реактора может остаться неизменной только в том случае, если в рецикле будут присутствовать и продукты реакции. На рис. 1.12 представлены возможные стационарные состояния системы при некотором фиксированном .

Линии и представляют собой линии изорецикла, точки на которых соответствуют возможным составам потоков и при некоторых значениях потоков флегмы в каждой из колонн.

Прямые , и , представляют собой возможные линии материальных балансов первой и второй колонн соответственно. Очевидно, что одновременное выполнение этих балансов для обеих колонн возможно только при составах в реакторе, принадлежащих участку линии изопроизводительности . Дальнейшее увеличение потока рецикла будет приводить к смещению линий изорецикла к линии изопроизводительности , расширяя возможный диапазон составов в реакторе . При достаточно больших значениях потока рецикла соответствующие им линии изорециклов могут лежать сколь угодно близко к линии изопроизводительности и длины отрезков , , соответствующие разности между составами питания и кубового потока первой колонны, могут быть сколь угодно малыми. Аналогично для второй колонны могут быть сколь угодно малыми отрезки , , соответствующие разности между составами питания и дистиллата. Отсюда следует, что полное исчерпывание реагента А возможно при отсутствии нижней секции первой колонны и верхней секции второй колонны. В зависимости от физико-химических свойств реакционной смеси при наращивании величины рецикла вначале может вырождаться нижняя секция первой колонны, а затем верхняя секция второй колонны или наоборот. На рис. 1.13 показана возможная трансформация технологической схемы (рис. 1.10а) при увеличении потока рецикла.

Начиная с некоторого значения величины рецикла происходит вырождение верхней секции 2-ой колонны (схема “а”) и полное исчерпывание реагента возможно при наличии в схеме одной трехсекционной колонны с боковым отбором, преимущественно содержащим реагент А (схема “в”). При дальнейшем увеличении рециркулирующего потока происходит вырождение нижней секции 1-ой колонны (схема “б”) и

полное исчерпывание реагента А возможно в схеме “г”, с использованием двухсекционной колонны. Аналогично, на рис. 1.14 показана эволюция технологической схемы, изображенной на рис. 1.10б. В этом случае отсутствует средняя секция колонны, т.е. с тарелки над тарелкой питания отбирается вся жидкость в виде бокового отбора, а орошение нижней секции колонны осуществляется потоком питания.

Таким образом, проведенный анализ двухколонной технологической схемы показывает, что существует некоторое значение рецикла , начиная с которого полное исчерпывание среднекипящего реагента А возможно при использовании в схеме только одной ректификационной колонны с боковым отбором рециркулирующего потока, содержащего все три компонента реакционной смеси.

Такая организация процесса эквивалентна совмещенному реакционно- ректификационному процессу при размещении реакционной зоны на одной тарелке в средней части ректификационной колонны. На рис. 1.15. представлено распределение концентраций реагента и продуктов по высоте колонны в одноколонном комплексе с боковым отбором, полученное численным расчетом с использованием программного продукта ChemCad.

Модельная смесь рассматривалась как идеальная со следующим распределением температур кипения , и .

Ректификационная колонна состояла из 30 теоретических тарелок, питание в жидкой фазе подавалось на 16-ю тарелку, отбор всей жидкости в качестве рециркулирующего потока

осуществлялся с 17-ой тарелки. Из представленных данных следует, что в схеме, состоящей из реактора и одной ректифика-ционной колонны с боковым отбо-ром, возможно по-лучать практи-чески полную кон-версию средне-кипящего реагента А и на конечных значениях числа тарелок, флегмового и рециркулирующего потоков.

Таким образом в случае зеотропных смесей для рассмотренной реакции 2АÛВ+С при любом распределении температур кипения компонентов реакционной смеси в системе реактор-ректификационная колонна с рециклом всегда можно получить заданную конверсию, а условие (2.3) из части 1 данного пособия, является необходимым и достаточным.

1.3. Стационарные состояния рециркуляционной системы для случая реакции А+ВÛС.

Рассмотрим эволюцию стационарных состояний системы реактор-ректификационная колонна (рис. 1.16) в зависимости от величины рециркулирующего потока и соотношения реагентов в питании [3] для случая обратимой реакции А+ВÛС приследующем распределении температур кипения компонентов .

При проведении анализа будем считать, что величины потоков в системе выражены в относительных долях потока питания F.