Использование рециркуляции для повышения селективности сложных химических реакций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.04, кандидат технических наук Истомина, Ольга Юрьевна

• Истомина, Ольга Юрьевна
• кандидат технических наук
• 2013

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Использование рециркуляции для повышения селективности сложных химических реакций»

Литературный обзор 6

1. Рециркуляция - основа построения прогрессивных химических 6 технологий.

1.1. Рециркуляционные процессы. 8

1.2. Рециркуляция в ректификационных системах разделения. 13

1.3. Методы исследования рециркуляционных систем. 15

1.3.1. Численные методы исследования рециркуляционных 15 процессов.

1.3.2. Качественные методы исследования рециркуляционных

20 процессов.

1.4. Постановка задачи исследования. 23

2. Анализ влияния температуры и катализатора на конверсию и селективность обратимых последовательных реакций. 25

2.1. Динамическая система реактора идеального смешения периодического действия. 25

2.2. Динамическая система реактора идеального вытеснения. 30

2.3. Математическая модель проточного реактора идеального смешения. 30

2.4. Влияние катализатора на конверсию и селективность. 32

2.4.1. Анализ влияния катализатора. 32

2.4.2. Анализ влияния температуры. 34

3. Использование рециркуляции для увеличения конверсии и селективности обратимых последовательных химических реакций. 36

3.1. Математические модели для аналитического определения стационарных состояний рециркуляционных систем. 36

3.2. Использование рециркуляционных комплексов для повышения конверсии и селективности. 51

3.3. Использование рециркуляции побочных продуктов для увеличения селективности. 54

3.4. Эволюция стационарных состояний рециркуляционной системы при распределениях температур кипения компонентов ^

3.5. Определение минимального объема реактора. 61

3.6. Математическое моделирование рециркуляционных систем. 64

0 >0 .0 /-Л

3.6.1. Случай распределения температур кипения А с в

3.6.2. Случай распределения температур кипения 1

4. Общая математическая модель рециркуляционной системы. 87

4.1. Построение математической модели. 87

4.2. Использование математической модели на примере рециркуляционного реакционно-ректификационного процесса. 94

5. Разработка процесса получения 2-метоксипропена. 98

5.1. Рачсёт рециркулирующих потоков. 100

5.2. Анализ фазового равновесия реакционной смеси. 102

5.3. Синтез принципиальной технологической схемы. 103

5.4. Численное моделирование процесса. 105 Выводы. 108 Список используемой литературы. 110

Введение

Основными технологическими показателями эффективности протекания реакционных процессов являются значения конверсии и селективности [1]. Наличие кинетических затруднений (низкая скорость химической реакции), а также ограничений, связанных с химическим равновесием, не позволяет в ряде случаев достичь в химическом реакторе одновременно высоких значений указанных показателей [2-4]. В связи с этим для увеличения конверсии и селективности возможно использование рециркуляционных систем, состоящих из химического реактора и подсистемы разделения [5,6]. В таких системах, независимо от имеющихся кинетических затруднений и термодинамических ограничений, использование рециркуляции позволяет одновременно получать высокие значения конверсии и селективности [7-10]. Снижение количества побочных продуктов, в свою очередь, приводит к уменьшению числа аппаратов, входящих в подсистему разделения и, как следствие, к упрощению технологической схемы в целом [1,2].

Учитывая высокие потенциальные возможности использования рециркуляции для интенсификации реакционных процессов, исследования, связанные с разработкой теоретических основ и практического использования рециркуляции, являются весьма актуальными.

В связи с чем целью данной работы является разработка и теоретическое обоснование подхода к увеличению конверсии и селективности сложных химических реакций, базирующегося на использовании рециркуляции как реагентов, так и продуктов побочных реакций.

Диссертационная работа состоит из введения и 5 глав. Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования.

Заключение диссертации по теме «Технология органических веществ», Истомина, Ольга Юрьевна

Выводы

1. Предложен и теоретически обоснован подход к увеличению селективности сложных химических реакций, основанный на «подавлении» протекания побочных обратимых реакций за счет организации рециркуляции побочных продуктов.

2. Для случая протекания обратимых последовательных реакций типа А"*-»В<->С исследован характер влияния различных факторов (катализатора, температуры) на конверсию и селективность. Найдены условия, при которых эти факторы действуют разнонаправлено.

3. Проведен качественный анализ возможных стационарных состояний реакционно-ректификационных рециркуляционных процессов. Показано, что рециркуляция реагента и побочного продукта теоретически (в рамках принятых допущений) позволяет достигать в системе стационарных состояний со 100% -ой конверсией и селективностью.

4. Получены математические модели рециркуляционных систем, с использованием которых исследованы зависимости конверсии и селективности от величины потока рецикла при различных значениях констант скоростей химических реакций, объемах реактора и высоты ректификационной колонны.

5. Проведено численное моделирование при конечных величинах высоты колонны и потоков орошения, которое подтвердило справедливость результатов, полученных в ходе теоретического анализа.

6. Составлена общая математическая модель рециркуляционной системы инвариантная к типу химических реакций и используемому процессу разделения, которая была использована при расчете принципиальной технологической схемы получения МТП.

7. Предложенный подход к увеличению конверсии и селективности был проиллюстрирован на примере синтеза принципиальной технологической схемы разложения 2,2-ДМП до МТП и метанола, обеспечивающей практически 100% конверсию и селективность.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Истомина, Ольга Юрьевна, 2013 год

1. Тимофеев B.C., Серафимов J1.A. Принципы технологии основногоорганического синтеза. М.: Высш. шк., 2003 - 536с.

2. Кафаров В.В. Принципы создания безотходных химических производств.-М.: Химия. 1982. 288с.

3. Жаров В.Т., Серафимов JI.A. Физико-химические основы дистилляции и ректификации. JL: Химия, 1975. - 238 с.

4. Нагиев М.Ф. Теория рециркуляции и повышение оптимальности химикотехнологических процессов. М.: Наука. 1970. - 390 с.

5. Нагиев М.Ф. Химическая рециркуляция. М.: Наука. 1978. - 87 с.

6. Дуев С.И. Исследование режима с полным использованием исходныхреагентов в рециркуляционной системе реактор-блок разделения // Вестник КГТУ 2010. №10 С.273-278

7. Дуев С.И. Расчет стационарных состояний для параллельной реакциивторого порядка в реакторе идеального смешения с рециклом // Вестник КГТУ 2011. №18 С. 180-184

8. Дуев С.И., Бояринов А.И., Кафаров В.В. Исследование режимов с полнымиспользованием исходных и промежуточных реагентов в системе реактор-узел разделения // Системный анализ процессов химической технологии.-М.: МХТИ. 1979. вып. 106-С.96.

9. Дуев С.И. Анализ типа стационарных состояний в реакторе идеальногосмешения с рециклом. //Вестник Казанского технологического университета. 2010. № 11. С.237-242.

10. Дуев С.И., Бояринов А.И. Расчет параметров состояния для последовательно-параллельной реакции второго порядка, проводимой в реакторе идеального смешения с рециклом. // Теор. основы хим. технол. 2005. Т. 39. №5. С.548-551.

11. П. Дуев С.И., Бояринов А.И. Явление температурной неоднозначности в рециркуляционной системе реактор-блок разделения. // Теор. основы хим. технол. 1998. Т. 32. №5. С.524-529.

12. Дуев С.И., Бояринов А.И. Расчет параметров состояния для последовательно-параллельной реакции второго порядка, проводимой в реактре идеального смешения с рециклом. // Теор. основы хим. технол. 2005. Т. 39. №5. С.548-551.

13. Дуев С.И., Бояринов А.И. Динамическое поведение рециркуляционной системы реактор идеального смешения-ректификационная колонна. //Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2007. Т. 50. №2. С.89-93.

14. Дуев С.И., Бояринов А.И. Условия существования семейств стационарных состояний в рециркуляционной системе реактор идеального смешения-блок разделения. // Теор. основы хим. технол. 2000. Т. 34. №1. С.50-56.

15. Дуев С.И., Бояринов А.И. Анализ стационарных состояний реактора идеального вытеснения с рециклом // Теорет. основы хим. технол. 1988. Т.22. №4. С.402.

16. Дуев С.И., Бояринов А.И. Расчет параметров состояния реактора идеального смешения с рециклом для обратимой реакции второго порядка // Теорет. основы хим. технол. 1995. Т.29. №4 С. 441.

17. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизациив химической технологии. М.: Химия. 1975. - 576 с.

18. Кафаров В.В., Гордеев JI.C., Глебов М.Б. Разделение азеотропных смесей в мембранно-ректификационных комплексах // Теор. основы хим. технол. 1995. Т.30. №2. С. 180.

19. Кафаров В.В., Перов В.Л., Мешалкин В.П. Принципы математического моделирования химико-технологических систем. М.: Химия. 1974. - 343 с.

20. Кафаров В.В., Иванов В.А., Бродский С.Я. Рециклические процессы вхимической технологии // В кН. Итоги науки и техники. Процессы и аппараты химической технологии. 1982 т. 10 с.З

21. Кафаров В.В., Меньшиков В.В. Применение рециркуляции для повышения эффективности химико-технологических процессов. // Теор. основы хим. технол. 1995. Т. 29, №6. С.565-574.

22. Солохин A.B., Назанский С.Л., Тимофеев B.C. Реакционные системы с селективным обменом веществом с окружающей средой. М.: ИПЦ МИТХТ, 2003.

23. Солохин A.B. Системный анализ рециркуляционных и совмещённых реакционно-ректификационных процессов Дис. докт. техн. наук. М., МИТХТ. 1996-262 с.

24. Солохин A.B., Благов С.А., Тимофеев B.C. Влияние рецикла на производительность реактора. // Теор. основы хим. технол. 1995. Т.29. №5. С.528.

25. Солохин A.B., Благов С.А., Серафимов Л.А., Тимофеев B.C. Исследование динамической системы процесса открытого испарения при наличии химической реакции А<-»В. // Теор. Основы хим. технол. 1990. Т.24. №5. С.579-584.

26. Солохин A.B., Благов С.А., Тимофеев B.C. Качественный анализ реакционно-ректификационных схем // Теор. основы хим. технол. 1996. Т. 30. №2. С.151.

27. Солохин А. В., Назанский С. JL, Миляева Т. В. Анализ влияния констант скоростей на фазовый портрет динамической системы для параллельных химических реакций. Теор. основы хим. технолог. 2010. Т.44. №5. -С.528-535.

28. Солохин A.B., Назанский С.Л., Истомина О.Ю. Обобщенная математическая модель рециркуляционной системы химический реактор-блок разделения // Химическая технология 2011. Т. 12. №7. С. 437-443.

29. Солохин А. В., Назанский С. Л., Миляева Т. В. Использование рециркуляции побочных продуктов для увеличения селективностисложных обратимых химических реакций. Вестник МИТХТ, 2010. Т. 5. №2. С.46-49.

30. Солохин А. В., Назанский С. Д., Миляева Т. В. Использование рециркуляции для увеличения селективности сложных химических реакций. Теор. основы хим. технолог. 2010. Т.45. №3. С.284-288.

31. Солохин А. В., Назанский С. Л., Тимофеев B.C. Использование рециркуляции для увеличения конверсии и селективности сложных химических реакций (случай параллельных реакций). М.: ИГТЦ МИТХТ, 2009, 34с.

32. Солохин А. В., Назанский С. Л., Тимофеев B.C. Использование рециркуляции для увеличения конверсии и селективности обратимых последовательных химических реакций. М.: ИПЦ МИТХТ, 2010, 35с.

33. Солохин А. В., Назанский С. Л. Численное моделирование рециркуляционной схемы для случая реакции типа А=В. М.: ИПЦ МИТХТ, 2010, 14с.

34. Солохин А. В., Благов С. А., Назанский С.Л., Тимофеев В. С. Анализ возможных стационарных состояний системы реактор-ректификационная колонна с рециклом для реакции типа А+В=С // Теор. основы хим. технол. 1999. - Т. 33, №3. - С. 292-298.

35. Благов С.А., Солохин А. В., Клемешова С. А., Тимофеев В. С. Сравнительный анализ системы реактор-колонна и совмещенного реакционно-ректификационного процесса на основе энергетических затрат // Теор. основы хим. технол. 1995. - Т.29, № 1.- С. 15.

36. Солохин А. В., Назанский С. Л. Численное моделирование простой ректификационной колонны с использованием программного пакета CHEMCAD (методические указания для выполнения лабораторных работ). М.: ИПЦ МИТХТ, 2007.

37. Гартман Т.Н., Советин Ф.С., Новикова Д.К. Опыт применения программы CHEMCAD для моделирования реакторных процессов //

38. Теоретические основы химической технологии. 2009. Т. 43. № 6. С.702-712.

39. Назанский C.JL, Солохин A.B., Благов С.А., Тимофеев B.C. Стационарные состояния в системе реактор-ректификационная колонна на примере типа А+В=С. Теор. основы хим. технол. 2001. Т. 35. №5. С. 506.

40. Солохин A.B., Благов С.А., Тимофеев B.C. Технологические схемы, использующие принцип перераспределния полей концентраций за счет химической реакции // Теор. основы хим. технол. 1997. Т. 31. №2 С. 193.

41. Солохин A.B., Назанский С.Л., Тимофеев B.C. Разделение смеси этанол-вода с использованием комплекса ректификационных колонн, работающими под разными давлениями // Вестник МИТХТ, 2007. Т.2. №5 С.47-50.

42. Серафимов JI.A., Фролкова А.К. Фундаментальный принцип перераспределения полей концентраций между областями разделения как основа создания технологических комплексов // Теор. основы хим. технол. 1997.-Т. 31. -№2-С. 193.

43. Guilian Liu, Megan Jobson, Robin Smith, Oliver M. Wahnschafft. Recycle Selection for Homogeneous Azeotropic Distillation Sequences // Ind. Eng. Chem. Res. 2005. 44. P.4641-4655

44. Чарлъз Д. Холланд. Многокомпонентная ректификация. М., Химия, 1969.

45. Балашов М.И., Серафимов J1.A. Анализ статики непрерывных совмещенных реакционно-ректификационных процессов // Теорет. основы хим. технол. 1980. Т. 14. №6. С.803-808.

46. Петлюк Ф.Б., Серафимов JI.A. Многокомпонентная ректификация. Теория и расчёт. М.: Химия, 1983. - 304.

47. Бесков B.C., Сафонов В.В. Общая химическая технология и основы промышленной экологии. -М.: Химия, 1989.

48. Тимофеев B.C., Серафимов JI.А., Писаренко Ю.А., Солохин А.В. Технология основного органического синтеза. Совмещенные процессы: Учебное пособие для ВУЗов. М.: Химия, 1993. -416 С.

49. Gmelling J., Onken U. Vapour-liquid equilibrium data collection. Dachema Chemistry Data Series, Frankfurt, 1977, ab. - Part 2 B.

50. Gautham Parthasarathy. Minimization of coast of recycling in chemical processes// Chemical Engineering Journal/V. 81,1 1-3, (2001) 137-151.

51. Roald Brosius, Jack C.Q. Fletcher. Direct measurement of recycle ratios in internal recycle laboratory reactors // Chemical Engineering Journal/ V. 161,1 1-2, (2010) 196-203.

52. E. B. Nauman. Residence times and cycle times in recycle systems // Chemical Engineerig Science 29 I 9 (1974) 1883-1888.

53. R. W. Freeman, L.L. Tavlarides. Study of interfacial kinetics for liquid-liquid systems-I: The liquid jet recycle reactor // Chemical Engineerig Science 35 I 3 (1980) 559-566.

54. Marek Berezowskia. Method for analyzing global stability of pseudohomogeneous chemical reactors with recycle // Chemical Engineerig Science 46 17(1991) 1781-1785.

55. Zhiwen Qi, Kai Sundmacher, Erik Stein, Achim Kienle, Aspi Kolah. Reactive separation of isobutene from C4 crack fractions by catalytic distillation processes. // Separation and Purification Technology 26 (2002) 147-163

56. Z. Qi, A. Kienle, E. Stein, K.-D. Mohl, A. Tuchlenski and K. Sundmacher. MTBE decomposition in a reactive distillation column. // Chemical Engineering Research and Design, 82(A2): 185-191.

57. Ray S., Ray S.K. Synthesis of highly methanol selective membranes for separation of methyl tertiary butyl ether (MTBE)-methanol mixtures by pervaporation. // Journal of Membrane Science 278 (2006) 279-289.

58. Ling Т., Michael F. Malone, Michael F. Doherty. Synthesis of Azeotropic Distillation Systems with Recycles // Ind. Eng. Chem. Res. 2003. 42. P. 17831794

59. Дытнерский Ю.И. Мембранные процессы разделения жидких смесей. -М.: Химия, 1975.

60. Рейтлингер С.А. Проницаемость полимерных материалов. М.: Химия, 1974.

61. Bielanski Adam, Micek-Ilnicka Anna. Kinetics and mechanism of gas phase MTBE and ETBE formation on Keggin and Wells-Dawson heteropolyacids as catalysts // Inorganica Chimica Acta 363 (2010) 4158-4162.

62. Zereshki S., Figoli A., Madaeni S.S., Simone S., Esmailinezhad M., Drioli E. Pervoparation separation of MeOH/MTBE mixtures with modified PEEK membrane: Effect of operation conditions.//Journal of Membrane Science 371 (2011) 1-9.

63. Xiaocong Ma, Changlai Hu, Ruili Guo, Xin Fang, Xong Wu, Zhongyi Jiang. HZSM5-filled cellulose acetate membranes for pervaporation separation of methanol/MTBE mixtures.//Separation and Purification Technology 59 (2008) 34-42.

64. Siedlecka E.M., Stepnowski P. Decomposition rates of methyl tert-butyl ether and its by-products by the Fenton system in saline wasterwaters.// Separation and Purification Technology 52 (2006) 317-324.

65. Hong Wu, Xin Fang, Xiongfei Zhang, Zhongyi Jiang, Ben Li, Xiaocong Ma. Cellulose acetate-poly(N-vinyl-2-pyrrolidone) blend membrane for pervaporation separation of methanol/MTBE mixtures.// Separation and Purification Technology 64 (2008) 183-191.

66. Satosh V. Mali., Amiya K. Jana. A partially heat integrated reactive distillation: Feasibility and analysis.// Separation and Purification Technology 70 (2009) 136-139.

67. Tak-Hyun Kim, Chulwan Park, Sangyong Kim. Water recycling from desalination and purification process of reactive dye manufacturing industry by combined membrane filtration // Journal of Cleaner Production 13 (2005) 779786.

68. V.Z. Yakhin, A.V. Rovinsky, M. Menzinger. Absolute instability of a tubular packed-bed reactor with recycling. // Chemical Engineerig Science 50, I. 10 (1995) 1591-1593.

69. Marek Berezowski. Stabilization of unstable steady states of adiabatic tubular reactors with recycle // Chemical Engineerig Science 50 I 10 (1995) 19891996.

70. S. Pushpavanama, A. Kienleb. Nonlinear behavior of an ideal reactor separator network with mass recycle // Chemical Engineerig Science 56 I 8 (2001) 28372849.

71. Analysis of recycle system with selective recycling-II: Time-smoothed approximants // Chemical Engineerig Science 39 I 3 (1984) 485-489.

72. Балашов М.И. Физико-химические основы и технологические принципы организации реакционно-ректификационных процессов: Дис. . докт. техн. наук. -М., 1980.

73. Карапетьянц М.Х., Химическая термодинамика, М., Химия, 1975.

74. Ермолаев А.В., Шестаков Г.К., Абрамов Л.И. и др. Исследование закономерностей пиролиза 2,2-диметоксипропана // Вопросы химии и технологии жирорастворимых витаминов: Сб. науч. Трудов НПО «Витамины».-М., 1979. С. 1-13.

75. Комиссаров Ю.А., Гордеев Л.О., Вент Д.П. Основы конструирования и проектирования промышленных аппаратов: Учебное пособие для вузов -М.: Химия, 1997. 368 е.: ил.

76. Островский Г.М., Волин Ю.Н., Моделирование сложных химико-технологических систем. М.:Химия, 1975.-211 с.

77. Огородников С.К., Лестева Т.М., Коган В.Б. Азеотропные смеси. Л.: Химия, 1971.-848 с.

78. Пономарев В.Н., Саксонова О.И., Тимофеев B.C. Полистационарность в процессах непрерывной ректификации. Теор. основы хим. технолог. 1996. Т.30. №4.-С.383.

79. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов. М.:1. Химия, 1969-624с.

80. Лебедев H.H., Манаков М.Н, Швец В.Ф. Теория химических процессов основного органического и нефтехимического синтеза. М.: Химия, 1984.

81. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей, Л., Химия 1982.

82. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии: В 2-х ч. Ч. 2. Пер. с англ. М.: Мир, 1989.

83. Береговых В.В., Андрианова О.Н., Бабич C.B. Исследование физико-химических свойств компонентов, образующихся при получении 2,2-диметоксипропана. // Хим. фарм. журн. 1983. - Т. 17. - №4. - С.454-459.

84. Береговых В.В., Андрианова О.Н., Бабич C.B. Исследование физико-химических свойств компонентов, образующихся при синтезе 2-метоксипропена. //Хим. фарм. журн. 1985. - Т.19. - №10. - С.1232-1235.

85. Агре Б.А., Федоров Б.Н., Клебанов Ф.Д. и др. Кинетика каталитического синтеза 2-метоксипропена в газовой фазе. // Хим. фрам. журн. 1984. -Т. 18. - №9. - С.1100-1105.

86. Агре Б.А., Сорокин В.И., Береговых В.В., Табер A.M. Метод очистки 2-метоксипропена. // Нефтепереработка и нефтехимия. 1983. - №1. - С.37-38.

87. Kiss S.A. Ind. Eng. Chem. 1930. V. 22. №1. P. 10

88. Плановский A.H., Химическая промышленность, 1944, №5-6, с.5.

89. Павлов О.С. Химические основы и технология процессов с применением сульфоионитных катализаторов. Дис. докт. техн. наук. Ярославль, 2007

90. Куприянова Л.Д. Физико-химические основы технологии гетерогенно-каталитических синтезов изопропениловых эфиров: Автореф. . канд. дисс.: 05.17.04.-М., 1981. 22 е.: ил.

91. Тарасова Д.В., Содержинова М.М., Яковлева Т.Н., Бакши Ю.М., Гельперин Е.И. Патент на изобретение № RU 2096086 от 20.11.1997

92. Людмирская Г. С., Барсукова Т. А., Богомольный А. М. Равновесие жидкость-пар. Справочник. Л.: Химия, 1987.

93. Калерин Е.А. Системный анализ реакционно-ректификационных процессов: Дис. . канд. техн. наук. -М., 1987.