Разработка методов прогнозирования множественных стационарных состояний в реакционно-ректификационных процессах

• Автор: Бирюков, Дмитрий Михайлович
• Шифр специальности: 05.17.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 211 с. : ил. + Прил. ( 146 с. : ил. )

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Общие представления о совмещенных процессах и их роль

в химической технологии

1.2. Основные преимущества совмещенных процессов

1.3. Общая классификация совмещенных процессов и области

их возможного использования.

1.4. Примеры промышленного использования совмещенных процессов

1.4.1. Получение этилацетата

1.4.2. Гидродесульфированис бензина.

1.4.3. Получение изобутена
1.4.4. Получение МТБЭ.
1.5. Методы исследования и разработки реакционноректификационных процессов.
1.5.1. Анализ статики реакционноректификационных процессов.
1.5.2. Натурный эксперимент.
1.5.3. Вычислительный эксперимент.
1.5.3.1. Выбор модели для описания фазового равновесия
1.5.3.2. Алгоритмы расчета реакционноректификационных процессов
1.5.3.3. Современные программные комплексы, предназначенные
для расчета и исследования совмещенных процессов
1.6. Результаты исследования полистационарности
в разделительных и совмещенных процессах
1.7. Выводы и постановка задачи исследования
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИСТАЦИОНАРНОСТИ
В ПРОЦЕССЕ РАВНОВЕСНОГО ОТКРЫТОГО ИСПАРЕНИЯ С ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИЕЙ
2.1. Математическая модель процесса.
2.2. Анализ числа степеней свободы процесса.
2.3. Выделение стационарных состояний процесса.
2.3.1. Случай односторонней химической реакции.
2.3.2. Случай двухсторонней химической реакции.
2.4. Вывод критерия полистационарности.
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИСТАЦИОНАРНОСТИ
В ОДНООТБОРНЫХ РРП
3.1. Качественный анализ полистационарности в одноотборных РРП
3.2. Алгоритм расчета одноотборных РРП.
3.3. Описание интерфейса программы и результаты расчета одноотборного
РРП получения МТБЭ.
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИСТАТЩОНАРНОСТИ
В ДВУХОТБОРНЫХ РРП
4.1. Реакционноректификационный процесс получения МТБЭ.
4.1.1. Характеристика современного состояния производства МТБЭ
4.1.2. Результаты исследования полистационарности
в процессе получения МТБЭ.
4.1.3. Физикохимические основы процесса
4.1.4. Описание фазового равновесия в системе получения МТБЭ
4.1.5. Описание кинетики в процессе получения МТБЭ
4.1.6. Описание алгоритма построения кривой
производства вещества для случая двухотборного режима.
4.1.7. Построение кривых производства вещества
по результатам вычислительного эксперимента.
4.1.8. Выделение и практическая реализация выбранных
стационарных состояний
4.1.9. Выявление причин, приводящих к появлению
полистационарности в совмещенном процессе получения МТБЭ
4.2. Реакционноректификационный процесс получения МТАЭ.
4.2.1. Характеристика современного состояния производства МТАЭ
4.2.2. Результаты исследования полистационарности
в процессе получения МТАЭ
4.2.3. Физикохимические основы процесса.
4.2.4. Описание фазового равновесия в системе получения МТАЭ.
4.2.5. Описание кинетики в процессе получения МТАЭ.
4.2.6. Описание алгоритма построения кривой производства
вещества для случая двухотборного режима.
4.2.7. Построение кривых производства вещества
по результатам вычислительного эксперимента
4.2.8. Выделение и практическая реализация
выбранных стационарных состояний.
4.2.9. Выявление причин, приводящих к появлению
полистационарности в совмещенном процессе получения МТАЭ.
ВЫВОДЫ.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


В частности, при практической реализации предельных стационарных состояний, выявленных на этапе анализа статики совмещенного процесса [, ], невозможно осуществить режимы с бесконечно большой эффективностью реакционно-ректификационного аппарата по разделению. Кроме этого, не всегда удается обеспечить согласованную производительность совмещенного процесса по разделительной и химической составляющим, необходимую для достижения прогнозируемых стационарных состояний, или же прийти к выводу о невозможности локализации реакционной зоны в наиболее благоприятном для протекания целевой реакции сечении аппарата []. Эти и многие другие причины требуют перехода к моделям более низкого уровня, подробно отражающим свойства исследуемого объекта и условия, в которых он функционирует. Стоит отметить, что широкое использование подобных моделей стало возможным лишь с появлением быстродействующей вычислительной техники и уравнений, позволяющих описывать фазовое равновесие и кинетику химического взаимодействия в широком диапазоне изменения концентраций веществ. Наряду с моделями, учитывающими кинетику межфазного переноса, в настоящее время наиболее распространенной является модель реакционноректификационного процесса, основанная на концепции теоретической тарелки с протекающим на ней химическим взаимодействием. Исследования показали [], что, несмотря на относительную простоту (не учитывается кинетика массопереноса), такая модель является в достаточной мере адекватной и находит широкое применение при описании совмещенных процессов в прогивоточных аппаратах с дискретным изменением состава фаз. При этом для проведения расчетов в рамках данной модели достаточно располагать сведениями о фазовом равновесии между жидкостью и паром, а также о кинетике химического взаимодействия. С этой точки зрения немаловажную роль играет выбор термодинамической модели для расчета парожидкостного равновесия, поскольку именно особенности формирования траектории разделительного процесса полностью определяют состав смеси в зоне протекания химической реакции, и, тем самым, являются ключевыми при определении возможных стационарных состояний совмещенного процесса. В основе анализа возможных методов и способов разделения любой многокомпонентной смеси лежит информация о ее физико-химических свойствах, среди которых наиболее значимыми являются сведения о фазовом равновесии [4-6, -]. Последнее связано с тем, что на практике наиболее распространенный вариант организации реакционноректификационных процессов предполагает размещение реакционной зоны в каком-либо сечении аппарата. В этом случае составы и количества фракций, на которые может быть разделена реакционная (псевдоисходная) смесь, полностью определяются процессом ректификации, а локальные закономерности, определяемые числом и типом особых точек, совпадают с локальными закономерностями для процессов дистилляции и ректификации. В то же время, большинство реальных многокомпонентных смесей характеризуется наличием значительных отклонений от идеальности, что, в свою очередь, оказывает непосредственное влияние на структуру их фазовых портретов. В настоящее время математические модели фазового равновесия жидкость-пар основаны на различных выражениях для расчета коэффициентов активности как функций температуры и состава раствора []. Для описания фазового равновесия при проведении всех вычислительных экспериментов в данной работе использовали уравнение NRTL [, ]. Как и другие уравнения локальных составов, модель NRTL (Non-Random Two Liquid) основана на теории, согласно которой жидкость в двухкомпонентной смеси имеет ячеистую структуру. При этом данные ячейки (кластеры) сострят из двух типов молекул, каждая из которых окружена такими же молекулами, которые в свою очередь имеют аналогичное окружение. Подобное представление позволяет установить взаимосвязь между значением коэффициента активности, характеризующим степень отклонения системы от идеальности, температурой и составом раствора. Значения коэффициентов уравнения NRTL могут быть оценены на основании экспериментальных данных о фазовом равновесии.