Анализ стационарных состояний проточного реактора идеального смешения на примере экзотермической реакции димеризации

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.

1. Тимофеев B.C., Серафимов Л.А. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза: учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа; 1992, 536 с.

2. Нагиев М.Ф. Теория рециркуляции и повышение оптимальности химико-технологических процессов. М.: Наука; 1970, 390 с.

3. Алиев А.М., Сафаров А.Р., Османова И.И., Гусейнова А.М., Мамедов З.А., Исмайлов О.А. Интенсификация процесса пиролиза бензина с учетом рециркуляции. Азербайджанский химический журнал. 2017;1:20–27. https://elibrary.ru/vpecho

4. Солохин А.В., Благов С.А., Тимофеев В.С. Влияние рецикла на производительность реактора. Теор. основы хим. технологии. 1995;29(5):528–534. https://www.elibrary.ru/ktdvsn

5. Солохин А.В., Назанский С.Л., Миляева Т.В. Использование рециркуляции для увеличения селективности сложных химических реакций. Теор. основы хим. технологии. 2011;45(3):284–288. https://www.elibrary.ru/ntvznn

6. Пономарев В.Н., Саксонова О.И., Тимофеев B.C. Полистационарность в процессах непрерывной ректификации. Теор. основы хим. технологии. 1996;30(4):383–389.

7. Дуев С.И., Бояринов А.И. Условия существования семейств стационарных состояний в рециркуляционной системе: реактор идеального смешения – блок разделения. Теор. сновы хим. технологии. 2000;34(1):50–56.

8. Солохин А.В., Назанский С.Л., Тимофеев В.С. Возможность использования режима бесконечной эффективности по разделению для анализа стационарных состояний рециркуляционных реакционно-ректификационных систем. Теор. основы хим. технологии. 2009;43(2): 163–172. https://www.elibrary.ru/jxouyj

9. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: пер. с англ. Химия; 1982, 592 с.

10. Зобнина А.Н., Морозова Т.А. Расчет химического равновесия: методические указания. М.: ИПЦ МИТХТ; 2003, 25 с.

11. Леванда О.Г., Евстигнеева Е.М., Флид В.Р. Химическая кинетика: учебно-методическое пособие. М.: МИТХТ; 2009, 52 с.

12. Закгейм А.Ю. Общая химическая технология. Введение в моделирование химико-технологически процессов: учебное пособие. М.: Логос; 2009, 304 с.

13. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия; 1981, 560 с.

14. Арис Р. Анализ процессов в химических реакторах: пер. с англ. Л.: Химия; 1967, 328 с.

15. Вольтер Б.В., Сальников И.Е. Устойчивость режимов работы химических реакторов. М.: Химия; 1981, 198 с.