Королькова Наталья Анатольевна, аспирант, кафедра химии и технологии основного органического синтеза, Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова
119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78
Natalia A. Korol’kova, Postgraduate Student, Department of Chemistry and Technology of Basic Organic Synthesis, M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies
78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454
Назанский Сергей Леонидович, д.т.н., профессор, кафедра химии и технологии основного органического синтеза, Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова
Scopus Author ID 6506699314
119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78
Sergei L. Nazanskii, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department of Chemistry and Technology of Basic Organic Synthesis, M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies
Scopus Author ID 6506699314
78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454
Солохин Михаил Аркадьевич, к.т.н., доцент, кафедра информационных систем в химической технологии, Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова
119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78
Michael A. Solokhin, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Department of Chemistry and Technology of Basic Organic Synthesis, M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies
78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454
Objectives. Due to the complexity of their behavior, chemical process flowsheets are characterized by steady state multiplicity, in other words, the presence of multiple steady state operating modes having the same set of parameters. The steady states differ from each other in terms of their reagent conversion, selectivity, product flow composition, and stability. Therefore, in order to be able to identify the steady state having optimal technological indicators, the objective of searching all steady states of a chemical process flowsheet is relevant. The aim of the study is to research all possible steady states for a continuous stirred tank reactor (CTSR) according to the exothermic dimerization reaction and investigate the influence of different operation parameters on the technological indicators of found states.
Methods. Mathematical simulations of material and energy balance equations for reactor were used. The quantity of steady states was estimated by the number of energy balance discrepancy function intersection with the Ox axis. The Newton method in Microsoft Excel was used to solve nonlinear material balance equations of the reactor. The initial value of productivity was in range from zero to feed rate value of reagent of 100 kmol/h.
Results. It is shown that up to three steady states may exist for the reactor in dependence on the reaction volume, composition, and temperature feed flow, as well as the heat carrier flow rate. The results of this study correspond with earlier obtained results, which were obtained for irreversible reactions in adiabatic conditions. These states differ in productivity, internal reactor temperature, and stability. Steady state stability analysis of small parameter deviations was carried out. The analysis demonstrated that real characteristic values are in all found steady states of the reactor. Therefore, no oscillations in stable steady states of reactor and asymptotical operating time dependencies are implemented.
Conclusions. The technique of steady state analysis of a continuous stirred tank reactor developed over the course of this study, which reveals all steady states of the reactor with heat exchange, can be used to perform steady state analysis of recycled chemical process flowsheets, including continuous stirred tank reactors and separation blocks.
Цели. Химико-технологические системы в силу сложности своего поведения во многих случаях характеризуются полистационарностью, то есть наличием множественных стационарных режимов работы при одном и том же наборе рабочих параметров. Данные стационарные состояния отличаются конверсией, селективностью, составами продуктовых потоков и устойчивостью. В связи с этим, актуальной задачей является выявление всех возможных стационарных состояний химико-технологических систем для того, чтобы в дальнейшем была возможность выбора состояния с наилучшими технологическими показателями. Цель работы — поиск всех возможных стационарных состояний проточного реактора идеального смешения на примере реакции димеризации и анализ влияния различных параметров на технологические показатели реактора для найденных состояний.
Методы. Работа выполнялась методом математического моделирования с использованием материальных балансов по веществам и энергетического баланса реактора. Количество стационарных состояний оценивалось по числу точек пересечения функции невязки энергетического баланса с осью Оx. Нелинейные алгебраические уравнения материального баланса реактора решались методом Ньютона в среде Microsoft Excel. Начальное приближение по производительности выбиралось в диапазоне от нуля до количества реагента 100 кмоль/ч в питании реактора.
Результаты. В ходе работы установлено, что в зависимости от объема реактора, температуры и состава входящего потока и расхода теплоносителя в проточном реакторе идеального смешения может реализовываться до трех стационарных состояний, которые отличаются производительностью реактора и температурой в нем. Результаты настоящей работы согласуются с литературными данными, полученными ранее для случаев необратимых реакций, протекающих в адиабатическом режиме. Кроме этого, проведен анализ устойчивости стационарных состояний при малых изменениях параметров, который показал, что характеристические корни в стационарных состояниях действительны, следовательно, колебания при работе реактора не реализуются, и в окрестности устойчивого состояния характер изменения параметров асимптотический.
Выводы. Разработана методика, которая позволяет выявить все возможные стационарные состояния проточного реактора идеального смешения с внешним теплообменом. Методику, примененную в данной работе, можно использовать для анализа стационарных состояний рециркуляционных химико-технологических систем, включающих реактор идеального смешения и блок разделения.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.