Студопедия.Орг Главная | Случайная страница | Контакты | Заказать  
 

Необходимые и достаточные условия полного исчерпывания реагентов в рециркуляционных реакционно-ректификационных системах



На основании проведенного качественного анализа предельных стационарных состояний системы реактор-ректификационная колонна для случая протекания единственной обратимой химической реакции и принятого допущения о бесконечной эффективности по разделению могут быть сформулированы необходимые и достаточные условия полного исчерпывания реагентов.

Необходимые условия.

Для достижения в системе полного исчерпывания реагентов необходимо, чтобы многообразие химического равновесия имело пересечение с рабочей областью ректификации (областью, которой принадлежит брутто-состав выходных потоков, не содержащих реагенты). При этом рабочий объем реактора должен быть больше минимального объема, определенного из условия (2.2), (часть 1), в котором максимальная скорость химической реакции также определена в рабочей области ректификации.

Перечисленные требования обеспечивают попадание многообразия изопроизводительности, обеспечивающей полное исчерпывание реагентов, в рабочую область ректификации, что в свою очередь, открывает потенциальную возможность выделения продуктовых потоков не содержащих реагенты. Очевидно, что в случае расположения рабочей области ректификации целиком в области протекания обратной реакции значение скорости химической реакции всегда будет отрицательной величиной, и ни при каком значении объема реактора ( ) не существует пересечения многообразия 100% изопроизводительности с рабочей областью ректификации, что, в свою очередь, делает невозможным достижение полной конверсии реагентов.

Очевидно, что для зеотропных смесей необходимое условие всегда выполняется, так как концентрационный симплекс всегда представляет собой одну область ректификации, которая всегда имеет пересечение с многообразием химического равновесия.

Достаточное условие.

Достаточное условие полного исчерпывания реагентов в системе сводится к возможности разделения реакционной смеси, состав которой принадлежит многообразию заданной изопроизводительности, на продуктовые потоки стехиометрического брутто-состава, содержащие только продукты реакции.

Ответ на вопрос о возможности разделения реакционной смеси дается с использованием метода термодинамико-топологического анализа структур диаграмм фазового равновесия [1] реакционной смеси.

В случае системы, состоящей из реактора и одной простой ректификационной колонны, один из продуктовых потоков всегда является рециркулирующим и конверсия в системе определяется только составом другого продуктового потока. Причем этот состав всегда должен принадлежать многообразию химического взаимодействия. В этом случае проверка выполнения достаточного условия сводится к выяснению возможности выделения продуктового потока, не содержащего реагенты, по первому или второму четким или получетким разделениям. В случае, когда рассматриваемая система может содержать несколько ректификационных колонн, необходимые условия являются и достаточными, так как всегда имеется возможность разделения реакционной смеси на продуктовые потоки, брутто-состав которых будет соответствовать полному исчерпыванию реагентов.

Очевидно, что необходимой информацией для проверки выполнения необходимых и достаточных условий полного исчерпывания реагентов в системе реактор-ректификационная колонна является:

1. Структура диаграммы фазового равновесия реакционной смеси, определяющая расположение областей ректификации в концентрационном симплексе.

2. Стехиометрическое уравнение химической реакции, задающее положение многообразия химического взаимодействия в концентрационном симплексе.

3. Значение константы химического равновесия, определяющее расположение многообразия химического равновесия в концентрационном симплексе.

4. Состав потока питания, поступающего в систему.

Для определения минимального объема реактора необходимо располагать дополнительными данными о величинах входного потока и констант скоростей прямой и обратной реакций.

В соответствии с изложенным выше может быть предложен следующий алгоритм синтеза принципиальных технологических схем, состоящих из реактора и комплекса ректификационных колонн, обеспечивающих полное исчерпывание реагентов.

1. Исходя из стехиометрии химической реакции определяется точка брутто-состава суммарного продуктового потока, соответствующего полному исчерпыванию реагентов (точка пересечения многообразия химического взаимодействия с концентрационным подпространством продуктов реакции).

2. Исходя из известного значения константы химического равновесия в концентрационном симплексе строится многообразие химического равновесия.

3. Если рабочая область ректификации, в которой расположен заданный брутто-состав, имеет пересечение с многообразием химического равновесия, то делается вывод о возможности полного исчерпывания реагентов при использовании средств простой ректификации.

4. В рабочей области ректификации определяется максимальная скорость химической реакции, на основе которой рассчитывается минимальный объем ректора. Задается объем реактора больше минимального и строится соответствующее ему многообразие изопроизводительности, соответствующее полному исчерпыванию реагентов. В соответствии с достаточными условиями средствами термодинамико-топологического анализа синтезируется принципиальная технологическая схема процесса исходя из условия, что состав потока питания в разделительный узел принадлежит многообразию заданной изопроизводительности. Графически определяется величина минимального рецикла, обеспечивающего полное исчерпывание реагентов.

5. Анализируется возможность работы схемы при отсутствии одной из секций в некоторых ректификационных колоннах для определения возможности перехода к совмещенному процессу.

6. Методами компьютерного моделирования проводится анализ энергетических затрат, на основе которого выбирается одна из схем.

Если пункт 3 не выполняется, то делается вывод о невозможности полного исчерпывания реагентов с использованием методов простой ректификации. В этом случае необходимо рассматривать технологические схемы, использующие специальные методы разделения (экстрактивная ректификация, гетероазеотропная ректификация, комплексы колонн, работающих под разным давлением и т.д.) или принцип перераспределения полей концентраций за счет химической реакции.

1.2. Рециркуляционные системы, использующие принцип перераспределения полей концентраций за счет химической реакции.

Проведенный выше анализ рециркуляционных систем позволяет сделать вывод о том, что теоретически для любой обратимой реакции (независимо от скорости ее протекания и величины константы равновесия) на рециркуляционном комплексе, состоящем из реактора и блока разделения, всегда может быть достигнуто полное превращение реагентов при условии, что блок разделения позволяет выделять в чистом виде продукты реакции и формировать поток рецикла заданного состава. Таким образом можно утверждать, что предельные возможности схемы по достижению заданной конверсии в первую очередь связаны с эффективностью работы блока разделения. В случае использования процессов ректификации предельные возможности разделительного блока определяются структурой диаграммы фазового равновесия жидкость-пар и эффективностью по разделению ректификационных колонн. Однако даже при допущении о бесконечной эффективности по разделению ректификационных колонн в случае азеотропных смесей зачастую невозможно достижение полного исчерпывания реагентов без использования специальных методов ректификации (экстрактивной, азеотропной и т.д.).

В предыдущих разделах были рассмотрены традиционные рециркуляционные схемы, базирующиеся на процессе ректификации, в которых предполагалось, что на первом месте в схеме всегда стоит реактор (при отсутствии блока подготовки и очистки сырья). Однако такое построение технологической схемы не всегда является рациональным, так как оно не позволяет использовать химическую реакцию для преодоления ограничений, наложенных структурой диаграммы фазового равновесия, за счет использования принципа перераспределения полей концентраций. Основной идеей этого принципа является использование химической реакции для перевода составов питания ректификационных колонн из одной области дистилляции в другую [2]. В случае разделения химически инертных смесей

принцип перераспределения полей концентраций успешно применяется при синтезе ректификационных комплексов, предназначенных для разделения азеотропных смесей (комплексы, включающие колонны, работающие под разными давлениями, комплексы, использующие кривизну разделяющей и т.д.).

Рассмотрим модельный пример построения технологической схемы, использующей принцип перераспределения полей концентраций за счет химической реакции [2]. Предположим, что необходимо синтезировать принципиальную технологическую схему, обеспечивающую полную конверсию реагента Аи выделение в чистом виде продуктов В и С, которые образуются по реакции 2АÛВ+Сдля случая,когда структура диаграммы фазового равновесия жидкость-пар для реакционной смеси имеет вид, показанный на рис. 1.3. Из рисунка видно, что разделяющая разбивает весь кон-центрационный симплекс на две области дистилляции и . Наличие двух бинарных азеотропов и (и осо-бенно азеотропа между про-дуктами реакции) существенно усложняет задачу построения принципиальных технологических схем, направленных на полное исчерпывание реагента А.

При синтезе и анализе возможных технологических схем нас в первую очередь будет интересовать их принципиальная работоспособность (теоретическая возможность получения полной конверсии по реагенту и выделение продуктов реакции в чистом виде). Поэтому будем считать, что все ректификационные колонны обладают бесконечной эффективностью по разделению (в частности, имеют бесконечную высоту), а химический реактор имеет бесконечный объем (фактически это означает, что в схеме используется равновесный реактор). Очевидно, что если даже при этих допущениях схема окажется неработоспособной, то она останется неработоспособной и при конечных значениях высот колонн и объема реактора.

На рис. 1.4. показан один из вариантов традиционной рециркуляционной схемы, предназначенной для полного исчерпывания реагента А.

В этой схеме первая колонна работает по второму заданному четкому разделению, выделяя в качестве кубового продукта чистый компонент В. В качестве дистиллата выделяется бинарная смесь, состав которой расположен на ребре А-С между точками А и .

На второй колонне происходит разделение бинарной смеси на чистый реагент А, который возвращается в реактор, и азеотроп . Смесь азеотропного состава поступает на разделительный комплекс, использующий специальные методы разделения, например, такие как азеотропная или экстрактивная ректификация.

Однако можно предложить принципиально отличную схему полного исчерпывания реагента А, не использующую специальные методы разделения (рис. 1.5). Основной идеей построения этой схемы является перевод исходного состава разделяемой смеси, находящегося в области дистилляции , в другую область дистилляции за счет работы химического реактора.

Определяющим фактором работоспособности таких схем является взаимное расположение областей дистилляции и многообразия химического равновесия. На рис. 1.6 в концентрационном треугольнике Гиббса показана диаграмма материальных балансов, откуда легко понять принцип работы такой схемы. Состав питания первой колонны формируется за счет смешения потока рецикла состава и входного потока , состоящего из чистого реагента А.

Этот состав принадлежит второй области дистилляции (область на рис. 1.6). В этом случае при работе первой колонны по второму заданному разделению в качестве кубового продукта отбирается целевой продукт В, а в качестве дистиллата отбирается бинарная смесь компонентов А и С состава . Эта смесь поступает в реактор, в котором происходит химическое превращение. В концентрационном

пространстве это превращение соответствует перемещению состава питания реактора (точка ) вдоль линии химического взаимодействия в точку . В силу принятого допущения об использовании равновесного реактора выходной состав реактора химически равновесен и, следовательно, принадлежит линии химического равновесия. Очевидно, что этот равновесный состав может уже принадлежать первой области дистилляции (область на рис. 1.6). Это позволяет осуществить выделение второго целевого продукта С в качестве кубового продукта второй ректификационной колонны при ее работе по второму заданному разделению. Дистиллят этой колонны состава направляется в рецикл, который смешивается с исходным потоком состава , образуя поток питания в первую колонну состава .

2. Предельный переход от рециркуляционных систем к совмещенным реакционно–ректификационным процессам.

Проведенный выше качественный анализ рециркуляционных реакционно-ректификационных систем показал, что начиная с некоторых значений величины потока рецикла схема реактор-ректификационная колонна обеспечивает получение заданной конверсии (вплоть до 100%) при отсутствии одной из секций ректификационной колонны. Такая организация процесса соответствует совмещенному процессу в реакционно-ректификационной колонне при рассмотрении реакционной зоны в виде точечного источника или стока вещества, разделение реакционной смеси в которой отсутствует. Аналогичное представление совмещенного процесса используется в классическом анализе статики совмещенных реакционно-ректификационных процессов с точечной реакционной зоной [3].

Следовательно, можно утверждать, что схема реактор-ректификационная колонна при некоторых конечных значениях потока рецикла трансформируется в одну реакционно-ректификационную колонну и наоборот [4].

Отсюда следует, что полученные для системы реактор-ректификационная колонна необходимые и достаточные условия получения заданной конверсии (в том числе и полного исчерпывания реагентов) будут справедливы и для совмещенного процесса, проводимого в одной реакционно-ректификационной колонне. Кроме того, значение рецикла, при котором схема реактор-ректификационная колонна может обеспечивать заданную конверсию в отсутствии одной из секций ректификационной колонны, является нижней оценкой величины потока флегмы, необходимого для получения той же конверсии в совмещенном реакционно-ректификационном процессе.

Необходимо отметить, что при разработке химико-технологических схем, предполагающих использование реакционно-ректификационных колонн, наиболее целесообразно отталкиваться от рециркуляционных схем, обеспечивающих заданное качество продуктовых потоков, и лишь на этапе оптимизации этих схем при необходимости заменять их отдельные фрагменты на реакционно-ректификационные колонны.

На рис. 2.1 - 2.4 представлен предельный переход от схем реактор-ректификационный узел разделения к схемам использующим реакционно-ректификационную колонну для двух типов химических реакций 2АÛВ+СиА+ВÛСпри различном распределении температур кипения компонентов реакционной смеси.

Из представленных принципиальных технологических схем следует, что для всех ректификационных колонн необходимы лишь те секции, которые предназначены для выделения продуктовых потоков заданного качества.

Местом расположения реакционной зоны является та точка ректификационной колонны, из которой производится отбор рециркулирующего потока.

Все представленные на рис. 2.1 - 2.4 схемы при выполнении необходимого условия (2.3) (часть 1) позволяют достигать полного исчерпывания реагентов и их дискриминация возможна лишь с использованием критерия приведенных затрат. Если пренебречь разницей в капитальных затратах, то в качестве такого критерия могут выступать минимальные энергетические затраты, необходимые для получения полного исчерпывания реагентов в каждой из схем, при различном распределении температур кипения компонентов реакционной смеси.

Из представленных принципиальных технологических схем следует, что для всех ректификационных колонн необходимы лишь те секции, которые предназначены для выделения продуктовых потоков заданного качества.





Дата публикования: 2015-09-17; Прочитано: 472 | Нарушение авторского права страницы | Заказать написание работы



studopedia.org - Студопедия.Орг - 2014-2019 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.004 с)...Наверх