автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.04, диссертация на тему:Разработка автоматизированного анализа статики непрерывных совмещенных реакционно-ректификационных процессов

^ О*

и

гй

Нп правах рукописи

ДАНИЛОВ РОМАН ЮРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО АНАЛИЗА

СТАТИКИ НЕПРЕРЫВНЫХ СОВМЕЩЕННЫХ РЕАКЦИОННО-РЕКТИФИКАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

05.17.04 — Технология продуктов тяжелого (или основного) органического синтеза

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9)-

Москва 1997

УДК 661.7(0.75.8)

Работа выполнена на кафедре Химии и технологии основной органического синтеза Московской государственной академии тонко! химической технологии им. М.В. Ломоносова.

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент ПИСАРЕНКО Юрии Андрианович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент ГЛЕБОВ Михаил Борисович,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник АФАНАСЬЕВ Владимир Васильевич

Ведущая организация

АО "Всероссийский научно-исследовательский институт органического синтеза" (ВНИИОС)

Защита состоится Сс^СиЛ ¡957 Года в/^'час. в ауд

заседании диссертационного совета Д 063.41.03 при Московской государственной академии топкой химической технологии им. М.В. Ломоносова по адресу: 117571, Москва, пр. Вернадского, 88

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской государственной академии топкой химической технологии им. Ы.В. Ломоносова

Автореферат разослан

года.

Ученый секретарь диссертационного сооета, к.т.п„ доц

( 7"/>

J '

А.ЗС. Фр'глкохза

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Функционирование химических отраслей промыш-енного комплекса тесно связано с необходимостью повышения эффективности спользованин природных, сырьевых и энергетических ресурсов и с жесткими ребованиями экологической безопасности каждого производства. Одним из утей совершенствования технологий в этом направлении является создание роизводств органических продуктов на основе принципа совмещения химиче-кого превращения и массообмена.

Перспективность использования совмещенных реакционно-массо-бменнных процессов в химической и смежных отраслях промышленности об-слооливает актуальность разработки «тучных методов их исследования и роекти рова н и я.

Важную роль при разработке совмещенных процессов играют методы их ачественпого исследования. Они позволяют решить ряд принципиальных за-ач — определить общие закономерности формирования продуктовых потоков установить предельные возможности конкретного класса совмещенных про-ессоп, в частности непрерывных совмещенных реакционно-ректификационных роцессов (РРП), как наиболее широко представленных а промышленности, •длим из таких методов является канонический анализ статики РРП, основа оторого — термодинамико-топологический анализ структур диаграмм дастил-яции. Совершенствование анализа статики представляется весьма важной и ктуальной проблемой с точки зрения создания оптимальной технологической кемы процесса и эффективного использования РРП на практике.

— модификация основных этапов канонического анализа статики: разра-ттка методики выделения предельных стационарных режимов и оценки воз-ожности их пра1!тическоЯ реализации;

— создание алгоритма проведения модифицирсЕзшгого анализа статики;

— разработка компьютерной программы построения принципиальных ?хяологическлх схем организации реакционно-регстификациогшьгх процессов;

— проверка работоспособности программы на примере ряда прсмышлеп-51Х и модельных процессов получения и переработки сложных эфирск.

Научна» новизна:

— доказано существование траекторий ректификации и режимах 1-го и П-го заданных разделений;

— доказана тождестиениость траектории реакционно-ректификационного процесса, осуществляемого и режимах 1-го и 11-го заданных разделений, сснгг-ьотсгвующим траекториям ректификации;

— предложена методика построении траектории реакционно-ректификационных процессов и режиме четких разделений;

— введено новое представление о статической устойчивости н показана ее роль в практической реализации стационарных режимов;

— сформулированы условия, определяющие направленность разделительной и химической состашшющих реакционно-ректификацношюга процесса на достижение предельного стационарного состояния;

— построен алгоритм оценки возможности практического осуществления предельных стационарных состояний.

Практическая значимость работы:

— разработана компьютерная программа проведения мэдифицнроиашшго анализа статики реакционпо-ректафшеациоппыя процессов;

— на основе фнамко-хигшчсской информации для ряда промышленных трех- и четырехкоадпокенгаых систем проведено их качественное исследование с использованием методов ¡атонического и ыаднфнцнрозашюго анализа сте-пмзд, а также ¿»тематического моделирования;

— даны практические рекомендации по организации принципиальных технологических с;;с:.; ре;нор;оиг;о-ра;т1!ф1н»щгош1ж процессов.

Апробация ^аы и пубяпкашт По теме диссертации опубликовано три ечатъи. Полученные результаты доложены на 3-х чзакдувародиых научных конференциях.

РОг-с:.; рзСотг.?. Диссертация состоит из введении. пяти глав, списка литературы и нршзомиякш. Работа изложена на /¿У страницах машинописного теюта, содерззщт ЛЗ^рнсуикав, ¿/таблиц. Библиография шупочает ¿_^питлг-лованнй.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, кратко охарактеризована ее структура и содержат!»' глав.

В нерпой гламе изложены основные поннтия теории реакционно-массо-обменных процессии, перечислены их преимущества и дана общая классификация. Представлен обзор методов исследования совмещенных процессов, а таюке основных этапов разработки технологических схем, включающих реак-ционно-ыассообмеиный процесс. Сформулированы задачи качественного и расчетного исследования совмещенных процессов. Приведены основные положения канонического анализа статики РРП и известных его модификаций. Кратко охарактеризованы их основные недостатки. Обсунодены проблемы математического моделирования и расчета совмещенных процессов. Приведена общая блок-схема исследования реакционно-ректификационных процессов и дан ее анализ. Сформулированы выводы и поставлены задачи исследования.

Вторая гласа посвящена рассмотрению основных теоретических положений, составляющие основу модифицированного анализа статики реакцнопно-ректифмвациониых процессов.

Особый интерес при разработке совмещенных процессов представляют стационарные состояния с максимальной для данных условий степенью конверсии реагмггоз — так называемые предельные стационарные состояния (ÍICC). В данный момент единственным научно обоснованным подходом выявления указанных режимов является анализ статики реакционно- ■ ректиф:жацнс;тых процессов, базирующийся на термодипамико-теполегнческом анализе структур диаграмм дистилляции. Анализ статики представляет собой основу для моделирования м расчета РРП, поскольку позволяет выделить оптимальные (в смысле структуры прнициглтлыгой технологической' скеглы) варианты организации совмещенного процесса, а тахске уточнить область определения математической модели. Апялиз статики испольпует модель сопмещениого процесса, представленную рядом ограничений. Прозсдся-иые иссясдопания показали что, оставаясь в рамках гомгогапсскаго гяглпрэ статики, затруднительно ответить т;а вопрос о прзктичестгоЯ реализации предсказанных им режимов. Tararte следует отметить, что прогулеinte ай&т&з стя-тики по традиционной схеме затруднительно в случае ииогокемпоиетгтиыл систем со сложной азеотропией.

В ряде случаев прогнозы канонического анализа статики не соответствуют экспериментальным дынным. Это создает необходимость более подробного рассмотрения его основные положений, связанных с выбором предельных стационарных состояний, определения условий их практической реализации, статической устойчивостью и т.д. Мы исходим на того, что для реализации стационарного состояния необходима направленность разделительной и химической составляющих на его достижение. Под направленностью разделительной составляющей понимаем возможность выделения из реакционной смеси продуктовых фракций прогнозируемого состава. Химическая составляющая направлена на достижение стационарного состояния, если обеспечивает соответствующую ему производительность реакционной зоны. Следует отметить, что в каноническом анализе статики указанная производительность a priori принимается достаточной для реализации любого рассматриваемого стационарного состояния. Модификация канонического анализа статики, предложенная в настоящей работе, заключается в оценке в каждом конкретном случае производительности реакционной зоны, необходимой для практической реализации стационарного состояния. При этом помимо ■ данных, традиционно используемых при проведении канонического анализа статики, необходимо привлекать сведет я о ходе траектории совмещенного процесса. Значение, которое при этом приобретает траектория, определяет необходимость разработки методов ее построения. И хотя существующие в настоящее время подходы позволяют принципиально решить указанную задачу, все они имеют серьезные недостатки, что заставило нас отказаться от их прямого использования. В настоящей работе предложен способ построения траектории РРП (пробной траектории процесса), который соответствует концепции разделительного процесса, принята Я в анализе статики и обладает двумя достоинствами:

— позволяет строить траекторию совмещенного процесса целиком;

— является безитерационным.

Канонический анализ статики оперирует режимами проведения PPII, характеризующимися бесконечной эффективностью по разг.злешио (бесконечная по отношению к внешним потокам интенсивность внутренних потоков и йроизвольное сосредоточение областей постоянных концентраций вдоль аппарата). Доказано, что траектория совмещенного процесса в этом случае тождественна линии сопряженных нод-ренод (ЛСНР).

Рассмотрим часть реакционно-ректификационной колонны, показанной рис. 1.

Рис.1. Схема материальных потоков в реакционно-ректификационной

колонне.

Для нее запишем уравнение материального баланса по !'-му веществу:

1+т 1+т

/V + ьг,. = + V-, £ + Е

j=Ui *=!

Просуммируем обе части (1) по всем компонентам: 1+т 1+т

J.

/=/+1

|Ы

Рассмотрим режимы, для которых

>0и=Н-1,..„ 1+т) Поскольку при стационарном режиме работы аппарата 1+т ■

чУ/ч

(2)

4=1

а из предположения о бесконечной интенсивности внутренних потоков по отношению к внешним следует п

*=i

k=l

то

f'ÍJ

/+т 1+т

-х L ,

«V

(S)

В условиях предельного перехода к режимам с бесконечной интенсивностью внутренних потоков

Er.

If.

~> 0 и

~>0

, а таюке V/L

(6)

I V

Поэтому из (1) следует

х,=2/р 1=1,....с, (7)

Таким образом траектория РРП при ограничениях, принятых в каноническом анализе статики, совпадает с линией сопряженных нод(ренод).

Рассмотрим режимы, которым отвечает возможность выделения в качестве одного из продуктовых потоков фракции с экстремальной для данной области ректификации температуры кипения.

142

»smN^

Рис.2. Граектории РРП о рсясиме бесконечной эффективности при отборе в дистилляте легколетучей фракции; штриховая линия — линия хилшческого взаимодействия: линии со стрелками — дистилляционныс линии. Но рис.2 показаны траевчории совмещенного процесса при отборе в дистилляте легколетучей фракции. Указанным режимы соответствуют п. лучет-кие виды разделения (в данном случае 1-ое получеткое разделение). Составы

сопряженных продуктовых потоков (X ') при закрепленном составе Псевдоисходной смеси X* заданы величиной параметра P/W, где Р — количество отбираемого дистиллята, а V/ — количество кубового продукта). Траектория РРП в

данном случае однозначно определена, поскольку через каждую неособую точку концентрационного симплекса проходит только одна J1CHP, что следует из однозначности функции фазового отображения t? X—*Y (P=const). При иэмене-

нии параметра P/W состав сопряженного продуктового потока смещается вдоль некоторой прямой к границе области ректификации (точка а на рис.2). Переход к четким видам разделения (в данном случае к 1-му заданному) сопровождается выходом пробной траектории из внутренней части области ректификации на ее границу меньшей размерности. Определим траекторию процесса, проводимого в режимах 1-го и 11-го заданных разделений как предел, к которому стремятся траектории, отвечающие соответствующим режимам получетких разделений при P/W-*(P/W)4m Докажем существование такого предела.

Рассмотрим метрическое пространство М, элементами которого являются бесконечные последовательности:

..„^(.гЧ^'-'Ч*'').....9-\хг}У(х'),фР).....<р\х"),..., (8)

где <р и qfl — функции, определяющие взаимосвязь между равновесными концентрациями жидкости и пара, а также пара и жидкости. Последовательность (8) можно представить как объединение двух множеств

V\xr\<pW\...,(p"{x,'\... (9)

Последовательности (8), (9), (10) обозначим как у, yj и yj. Введены функции У (У), которые ставят в соответствие каждой точке концентрационного симплекса последовательность (8), (9) или (10):

Г = у, =

Докажем существование предела функций и Ч'з некоторой точке а

концентрационного симплекса, если промежуточные точхл ХР', по которым осуществляется предельный переход кос некоторого помегггз прияадягжг/г

одной ячейке линий сопряженных нод (ренод). При этом могут иметь место два случая:

— точка а лежит внутри ячейки линий сопряженных нод (ЛСН), линий сопряженных ренод (ЛСР) или ячейки линий сопряженных нод-ренод, т.е., существует некоторая окрестность точки о полностью принадлежащая данной ячейке;

— точка а принадлеисит границе ячейки ЛСН, ЛСР или ЛСНР.

Предельное значение функций или Умолено геометрически истол-

ковать как некоторое предельное положение линий сопряженных Нод, линий сопряженных ренод или линий сопряженных нод-ренод при приближеиии соР

става X ' к точке а {рис.2). Если в первом случае все точки последовательности сходятся к а и с некоторого момента находятся в пределах ячейки ЛСН (ЛСР), которой принадлежит сама точка, то во втором — могут существовать по крайней мере столько различных последовательностей указанного вида, сколько различных ячеек ирииыкает к точке в (см. рис.Зб).

к2 Яч

р

Рис. Расположение предельных ЛСН при различном стремлении X ' к точке в: а - структура ячеек ЛСН; б - предельные ЛСН.

Доказательство существования предела при переходе к точке по аясмеи-таы одной из ячеек, границе который принадлежит точка с, проведена дли фу-

Ккцш! У1": "Для любой послеОоеатглъи&сти тачек X , X 1, .,., X " , ... сходящихся к точке а а при этом с некоторого лижгпта остающихся о врг&г-

аох одной из ячеек (И) существует Нш^^ Ч'+(хЯ|) = 4^(0) и, следовательно

существует отвечающее (а) предельное положение линий сопряженных нод". В доказательстве используются критерий Коши и теорема Лагранжа. Приведенное доказательство не гарантирует существование предела функций

и У'в самой точке а концентрационного симплекса. Если она принадлежит внутреннему пространству какой-либо ячейки, то такой предел существует. Если а лежит на границе, то тггсого предела может и не быть. Примеры поведения траекторий при п» (« \• >до к точкам, расположенным на границе ячеек ЛСН, представлены на рис.4.

Рис. .4(1,6. Взаимосвязь предельных ЛСН с характерен! их расположения з ячейке; а - наличие разрыва ; б - непрерывный ход.

На рис.4а показана ситуация, когда значение функции в самой точке а отлично от предельного значения этой функции при переходе к точке а по элементам ячейки ЛСН. Для случая на рис.4 б разрыва функции У* в точке а не наблюдается.

Таким образом, траектория совмещенного процесса, осуществляемого в режиме четкого разделения отождествлена с предельной линией сопряженных нод-ренод, стягивающей линию материального баланса соответствующую четкому разделению и данному составу псевдоисходной смеси. Такая траектория названа предельной траекторией реакционно-ректификационного процесса. Она объединяет совокупность линий сопряженных нод-ренод, опирающихся на особые точки процесса дистилляции, которые расположены на граничных многообразиях области ректификации, соединяющих составы прогнозируемых продуктовый потоков. В качестве элементов предельной траектории можно рассматривать отрезки с-линий, часть из которых является линейными элементами, принадлежащими граничным многообразиям концентрационного симплекса, часть — криволинейные отрезки, расположенные на разделяющих многообразиях областей ректификации.

В третьей главе введено понятие направленности составляющих реакционно-ректификационного процесса на достижение предельного стационарного состояния и представлен алгоритм ее оценки. 1

Направленность разделительной составляющей РРН на достижение прогнозируемого стационарного состоянии определяется двумя факторами:

— существованием предельной траектории, стягивающей линии материального баланса;

— существованием среди выделенных такой предельной траектории, которая содержит участки с отличными от нуля концентрациями каждого на компонентов реакционной смеси.

Первый фактор означает выполнение условия стягивания, второй обеспечивает развитие траектории реакционно-ректификационного процесса в полном концентрационном симплексе. Эти условия являются необходимыми и достаточными для реализации прогнозируемого режима четкого разделения реакционной смеси.

В работе отмечены случаи нарушения условия стягивания при конечно:", протяженности реакционной зоны в отношении продуктовых потоков.

Введенное нами понятие предельной траектории сокращенного процесса позволяет охарактеризовать режимы с точки зрения статической устойчивости. Наличие несколыснх предельных траекторий, стягивающих составы продуктовых потоков свидетельствует о невысокой статической устойчивости рассматриваемого режима. Статическая устойчивость предапыюго стационарного состояния определена числом сочетаний особых точек, проявляющих себя в качестве узловых области ректифиетццц, которой прииадлекмт связывающие их элементы предельной траектории. Чем выше ото число, тем ыгпес статически устойчивым является рэпа?:.:. 11с1:люче:в;е из приведенного правила представляет случай, когда все предельные траектерлг; икегот участок, расположенный вне области преимущественного протекания иСраткзй химической реакции. Поскольку переход процесса ме;;аду соседним;] стацивпарньши состояниями в реьяьзагя усяош;г.х мсглгт быть вызвав ч:;сто технологически*».::: причзша&ш, гоодгагсая хкрг.1гтер::стгп;а пооиоллет оцэшгть ьсзкозклость практической реалг.оацпг. стгциоиариых ргжккса.

Оцещш еозыоллюст!: обеспечении производительности реыищошюЛ зоны, необходимой длг. практической реализации предельных стационарных состол-ний, является загшючительным этапом анализа статики реа!щиозшо-ректификационцык процессов. Эта оценка, наряду с возможностью выделения в реакциоино-ре£ггификационном процессе продуктовых фракции заданного состава и анализом статической устойчивостью режима, позволяет сделать

окончательный вывод об осуществимости прогнозируемого предельного стационарного состояния. Она базируется на введенном понятии предельной траектории. Сформулировано достаточное условие реализации стационарного состояния:

Стационарное состояние являете я реализуемым при конечном объеме реакционной тоны если предельная траектория, стягивающая линию материального баланса, имеет элементы единичной размерности с отличными от нуля копцентрацил/ш каждого из втцестал, честь из которых расположена в области преимг/щестеенного протекания прямой химической реакции.

При этом следует различать дза возможны?, случая:

1) предельная траектория состоит из линейных граничных элекеитов концентрационного симплекса (рие.5);

2) предельная траектория содержит нелинейные элементы, располо-жеииые на разделяющих областей ректификации (рис.6).

£2 И2

Pv-e.Sc,С. Предельные траектории совмещенного процесса с химической реакцией полностью расположенные на граничном многообразии концентрационного симплекса; а,б) схема линий материального баланса и положение предельных траекторий для двух составов исосо{Нюй смеси; X* — состяаз псеево-исходной смеси (стационарное состояние); жирные линии — предельные траектории; тонкие линии — линии материального баланса; штприхт/иктириыг линии — линии химического равновесия.

RÎ КЗ

Рис.6a,б. Предельные траектории совмещенного процесса с химической реакцией Rl+R2oR3 с элементами, частично расположенными на криволинейных разделяющих многообразиях областей ректификации; а,б) схема линий материального баланса и положение предельных траекторий; — собственные вектора, задающие характеристические направления.

В первом случае (рис.5) оценить направленность химической составляющей совмещенного процесса не представляет труда. Если же участок предельной траектории, потенциально заходящий в область преимущественного протекания прямой химической реакции, частично принадлежит криволинейным разделяющим многообразиям областей ректификации (рис.6), то необходима локализация указанного участка. Последнее является Весьма трудоемкой процедурой. Поскольку в расчетах необходимо учитывать кривизну разделяющих многообразий, наиболее рациональный подход — непосредственное Построение траектории совмещенного процесса. При анализе режимов РРП, характеризующихся конечной эффективностью по разделению ото представляет собой весьма сложную проблему, связанную с решением систем нелинейных уравнений. Однако модель совмещенного процесса, принятая в анализе статики, позволяет существенна упростить задачу. В этом случае в качестве предельной траектории реакционно-ректификационного процесса в рамках четких разделений рассматривают линию сопряженных нод-ренод, проходящую через сколь угодно малые окрестности точек прогнозируемых составов продуктовых потокоа

Следует отметить, что иногда даже при наличии элементов предельной траектории, расположенных на криволинейных разделяющих, оценить направленность химической составляющей совмещенного процесса представляется возможным исходя из анализа .линеаризованной в окрестности особой точки

динамической системы открытого испарения. Это позволяет избежать значительного объема вычислений, необходимых для локализации разделяющих многообразий (см. рис.ба,б).

Общий алгоритм определения направленности разделительной и химической составляющих реакционно-ректификационного процесса сводится к проверке выполнимости нижеперечисленных условий:

Условие 1 (У1). Существуют линейные (криволинейные — Условие I1 (У51)) элементы предельной траектории, частично принадлежащие области прямой реакции;

Усяоайе 2(У2). Существуют особые точки процесса дистилляции, при-надленощие одновременно линейным элементам (криволинейным элементам — Уевойее 2' (УЕ1)) предельной траектории и многообразию химического равновесия;

Условна 3 (УЗ). Трэе1стории заходят в область прямой реакции при при-близкепии к особым точкам, указанным в условия 2 для режимов совмещенного процесса, по которым осуществляется предельный переход к рассматриваемому режиму четкого разделения;

Уеловй® 3* (УЗ1) — Криволинейные элементы предельной траектории заходят в область прямой реакции вблизи особых точек в условии 21.

Процедура проверки выполнимости условий осуществляется последовательно для линейных {табл. 1) и нелинейных (табл. 2) элементов предельной траектории.

Таблица 1

Последовательность проверки выполнения условий для линейных эле-денкюв предельной траектории

Варианты сочетания условий Выполнение у с л о а и й Достижимость стациона рпого состояния

У 1 У 2 У 3

1 + - деетижимо 1рИ 0<У<«5

2 + + 50СТИЖИМ0 при У-»<о

3 - + . . — не достижимо

4 — не достижимо

Таблица 2

Последовательность проверки выполнения условий для криволинейных

элементов преОельной траектории

Варианты сочетания условий Выполнение условий Достижимость стационарного состояния

У 2' У 3' У 11

1 + + достижимо при (XV«»

2 + — + достижима при (XV<«

3 + — — не достижимо

4 — - + достижимо при 0<У<'о

& - — не достижимо

Многоточие в ячейках таблиц указывает иа те случаи, когда необходимость в проверке данного условия отпадает. Изменение порядка следования условий в табл. 2 обусловлено стремлением сократить объем вычислений. В табл. 1 к 2 переменная V обозначает объем реакционной зоны, необходимый для реализации прогнозируемого стационарного состояния.

Приведенный алгоритм оценки направленности составляющих совмещенного процесса положен в основу программы проведения модифицированного анализа статики.

В четаертой главе рассмотрены вопросы, связанные с программной реализацией алгоритма проведения модифицированного анализа статики (MAC). Программа модифицированного анализа позволяет проводить выделение предельных стационарных состояний и строить принципиальную технологическую

схему реакционно-ректификационного процесса. Работоспособность программы

■

жестко не ограничена числом компонентов, азеотропией и наличием ограниченней сзаимиой растворимости реакционных систем, хотя определенные ограничения сносятся возможностями вычислительной техники. Следует отметить, wo, поскольку построение траектории реакционноно-ректифихационного процесса осуществляется из заранее определенных пользователем окрестностей точек составов продуктозых потоков, режим разделения характеризуется большей, ко конечной эффективностью. Именно размер указанных окрестно-

стей неявным образом задает количество ступеней разделения в колонне. Для реализации предельной траектории, включающей в себя большое количество особых точек процесси'ректификации необходимо уменьшать размер окрестностей точек составов продуктовых потоков для увеличения эффективности разделения. При этом расчетная траектория процесса фактически может выходить из внутренней области концентрационного симплекса и ее развитие ограничивается концентрационным пространством меньшей размерности. Такой разрыв хода траектории совмещенного процесса при переходе к четким разделениям был теоретически обоснован ранее. Поэтому можно сказать, что существует "верхний" предел эффективности разделения при машинных расчетах, связанный с арифметическими операциями с "машинным нулем". В диссертации дана инструкция работы с программой и приведено описание ее основных модулей. Блок-схема программы модифицированного анализа представлена на рис.7.

Пятая глава диссертшшя посвящена проверке работоспособности программы и обсу:кдению полученных результатов. Было проведено исследование восьми промышленных систем получения и переработки сломшых эфиров:

1) процесс переэтирефикации метилацетата и пропилформиата;

2) бутанолиз иетилацетата;

3) бутанолиз аллилацетата;

4) зтерификация муравьиной кислоты этанолом;

5) гидролиз аллилацетата;

6) этерификация уксусной кислоты бутанолом;

7) этерификацня уксусной ¡шслоты этанолом;

8) гидролиз мотилацетата;

и одной промышленной системы синтеза метилтретбутилопого эфира.

Большая часть указанных систем характеризуются сложной азеотропией и наличием ограниченной взаимной растворимости компонентов. Было проведено сопоставление результатов, полученных с использованием программы модифицированного анализа, с прогнозами канонического анализа статики и результатами физического или вычислительного эксперимента.

М.р I

[Построение ЛХВ

Выбор начальной точки ЛХВ (та основе йс

Расчет составе ПИС

Построение траектории РРП для заданного разделения и составов продуктовых потоков

Проверка частичной

принадлежности ,_||_ . I_,

траектории ОПР и—I-1

Нет

Уыеньшение

диаметра окрестности

Д»

Нет

Проверка принадлежности траектории ООР

Д»

ЕЕ]

Нет

Д. _

13-

Нет

Да

Нет

«{1 = 3

У йеньшеиие.

диаметра окре^нссти

Корректировка

Корректиров

к" 5:=5

Выбор размера окрестаостк 62 конечной точки ЛХВ

Нет

Вывод результатов: характеристик П.СС

Да

Расчет нового значения

-г—

Нет

->|Л»2 |-

КОНЕЦ

Рис.7. Блок-схема программы .модифицированного анализа статики.

Практически во всех рассмотренных случаях выявлено совпадение выводов модифицированного анилина с экспериментом (физическим и натурным), при этом иногда имели место расхождения с прогнозами канонического анализа статики. Указанные соштдения или расхождения результатов Пыли подробно объяснены при помощи анализа хода предельных траекторий в каждом конкретном случае. В качестве примера на рис. 8 и 9 в стехиометрической плоскости показаны предельные стационарные состояния для двух систем — бутанолиза метилацетата и бутанолиэа алли-лацетата соответственно. На этих рисунках предельные стационарные состояния, полученных с использованием программы модифицированного анализа показаны кривой линией, предельные стационарные состояния, прогнозируемых каноническим анализом статики ломаной сплошной линией (ПСС с определенной протяженностью реакционной зоны, ломаной пунктирной линией — ПСС с принципиально неопределенной протяженностью реакционной зоны) и результаты физического (вычислительного) эксперимента показаны звездочками. Можно видеть совпадение результатов модифицированного анализа с экспериментом (рис. 8а,б и 9а,б) с каноническим анализом статики (рис. 8а и 9а). На рис. 10 показан ход предельных и расчетных траекторий процесса бутанолиза метилацетата для двух видов заданных разделений. На рис. 10а для стационарного состояния X* существуют две предельные траектории: 1У1-АгБ~БА-М-Аг"/!~МА и ТУ1 -Агв"С/1-МЛ-Лгм"МА. Расчетная траектория (пунктирная линия) соответствует последней из них. Она заходит в область прямой реакции своим участком Аг®'ВА-МА Предельное стационарное состояние X* показано на рис.8а (исходная смесь содержит эквимолярные количества реагентов). Для рассмотренного на рис. 106 стационарного состояния X* существует одна предельная траектория Р2-АгБ'БА-ВА Расчетная траектория (показана пунктиром) полностью ей соответствует. Данное стационарное состояние реализуется при наращивании объема реакционной ноны вплоть до бесконечности. Оно показано на рис.8б для исходной смеси, содержащей избыток бутанола.

Ёутйаол

Бутдяоа

{¿гегсшдаа* нме&ол/ Кэтедддеш 1&*&«сд/

1-ое Запаннос раагслсиие П-о« Эш^нс*

Рис.8й,б. Предельные стационарные состояния РРП буша нолика метпилацетата. Лг.яилаиетат . „„„„„, „„».ч •

Вутанол

Еутилаистат/ Ву1анол АЛЛМЛОЯМЙ спирт* 1

Бутилацстат/ АллиловыЙ слирт-1

1-05 заданное разделение П-ое заданное разделение

Ярс9едЬ1*ьмг стационарные состояния РРП бутаныиза амилацетата.

4 БА

• \ ......БА

Рае. 1в&,б. Варианты хода предельных и расчетных траекторий процесса бутаколиеа метилацгтата; МЛ — яетилацетат; Б — бутанол; БА — бу-тила^ипат; М — метанол; Р — состав дистгиията; IV — кубовый продукт; а) 1-ое заданное разделение; б) П-ос заданное раздсление.

ВЫВОДЫ.

1. Проанализированы основные причины расхоэеденин прогнозов канонического анализа статики и эксперимента (физического и вычислительного).

2. Доказано, что режимам бесконечной интенсивности внутренних потоков отвечает распределение концентраций одаль реакционно-ректификационного аппарата, соответствующее линиям сопряженных под (рснод).

3. Докапано существование траектории реакционно-ректификационного процесса п режиме f-го и И-го заданных разделений,

4. Разработана методика построения траекторий реакциошю-ректификациолиых лроцессоз n pe:¡at;.?e заданных разделений — так называемых предельных траекторий.

5. Понятие предельной траектории реакшюпно-массообмюшых процессов использовано для модификации канонического анализа статики с целью оценки направленности химической и разделительной составляющих совмещезшого процесса на достижение предельного стационарного состояния.

G. Введено пегое представление о статической устойчивости режима, которое наряду с каправлешгостыо составляющих определяет возможность,реализации предельных стационарных состояний.

7. Разработана кояпыэтгернпя программа проведения модифицированного анализа статики.

3. С помощью прегра«»,:?.:ы .модифицированного анализа прояедоио исследование 3 промышленных систем получения слс;гагых зфирсз и одной системы пплучеяил простого сфира («еталтрггбутилопого гфира), результаты сопоставлены с вмг.од2М1 каптаотеского анализа статики и физическим (вычислительные) citcnc-рикеится.

Оснсзяыз результаты работы изложены а следующих пу Слипаниях:

1. Писа panto Ю.А., Данилов Р.Ю., Серафимой Л.А. Исследование режимов

i

бехксиочной >ффективности в анализе статики реакциоино-ректнфияацнопнызс процессов// Теор. основы хим. технол. 1955. - т. 29, N» G, С. 012.

2. Писаренко Ю.Л., Данилов Р.Ю., Серафимов Л.Л. Возможные виды разделения в непрерывных совмещенных ре&кциоияо-реотнфизс&цношалх процессах// Гсор. основы хим. технол. I ООО. - т. 30, № G, С. 641.,

3. Писаренко Ю.А,, Данилов Р.Ю., Серафимов Л.Л. Привлечение понятия предельной траектории для оценки возможности реализации стационарных состояний в анализе статики реакционно-ректификационных процессов// Теор. основы хим. техпол. 1997. - т.31, №1, С.49.

<£. Писаренко Ю.А., Данилов Р.Ю, Выделение предельных стационарных состояний реакционно-ректификационных процессов// В кн.: Ш международная конференция "Наукоемкие химические технологии". Тезисы докладов - Тверь, 1985

5. Писаренко Ю.А., Данилов Р.Ю. Разработка основных этапов модифицированного анализа статики непрерывных совмещенных реакционно-ректификационных процессов// В кн.: IV международная конференция "Наукоемкие химические технологии". Тезисы докладов - Волгоград, 1996

6. Писаренко Ю.А., Данилов Р.Ю. Использование безитерационного метода построения траекторий реакциотго-массообмевдых процессов для анализа воз-ыозкиости их практической реализации// В Kit: Мевдународная конференциия "Математические методы в химии и химической технологии^ ММХ-10) Тезисы докладов - Тула, 1995.

Список сокращений и условных обозначений:

i"i — концентрация t-ro компонента в жидкой фазе;

¡fi — концентрация i-то компонента s паровой фазе;

Р и W — продуктовые потоки;

F — поток питания;

L — коток жидкости г.о колонне;

V — поток пара по коло!ше;

— степень протмсания химической реакции на i-ой тарелке;

Vj — стехиометрическяй коэффициент i-ro вещества;

с — число компонентой;

Я — рсактант;

X* — стационарное состояние;

Аг — азеотрсн;

ЛНВ — липи химического взаимодействии;

ИИС — состас псеодоиеяодаой смеси;

OOP — область преимущественного протекания обратной химической реакции;

ОПР — область преимущественного протекания прямой химической реакции.