О периодических и непрерывных процессах.

Новый технологический процесс изучается обычно в лаборатор­ном реакторе периодического действия. После завершения лаборатор­ной стадии исследования всегда возникает вопрос о рациональном аппаратурном оформлении процесса.

Контуры будущей промышленной установки в значительной сте­пени зависят от того, будет ли осуществляемый процесс периодиче­ским или непрерывным. В последнее время почти во всех крупно­тоннажных химических производствах непрерывные процессы вытесняют периодические. Эта тенденция постепенно проявляется и при создании новых производственных процессов, даже при сравнительно небольших объемах производства. Важнейшей причиной все более широкого использования непрерыв­ных процессов в химической технологии является возможность реализации идей комплексной автоматизации производства, по­скольку непрерывные процессы создают для этого существенно лучшие условия.

Эксплуатационные расходы при непрерывном процессе, как пра­вило, ниже, чем в периодическом, не только из-за более высокого уровня автоматизации, но и за счет исключению некоторых опера­ций периодического цикла, например, загрузка сырья и выгрузка конечных продуктов. Полезное время работы реакторов при этом, естественно, увеличивается. Поэтому, несмотря на большие капитало­вложения, непрерывные процессы, обычно, экономически выгоднее периодических процессов. Немаловажным обстоятельством является также и значительно бόльшая устойчивость технологических параметров непрерывного процесса, что приводит к получению продуктов лучшего качества и с более стабильными свойствами.

Несмотря на бесспорные достоинства непрерывных процессов, во многих химических производствах широко используют реакторы периодического действия. Далеко не всегда это можно объяснить консерватизмом проектировщиков или производственников. Часто осуществление процесса в периодическом цикле более выгодно. Это относится, например, к малотоннажным производствам, когда на одной и той же установке производят различные химические продукты.

Однако во многих случаях переход к непрерывному процессу был бы экономически выгодным и технологически целесообразным.

Почему же непрерывные процессы не всегда применяются в таких случаях? Причиной этого часто может быть недостаточный объем информации, необходимой для проектирования непрерывного про­цесса.

Напомним, что лабораторные исследования обычно проводят в реакторах периодического действия. Поэтому условия реализации промышленного процесса в периодическом цикле часто могут быть установлены непосредственно в лабораторном эксперименте. Чтобы предсказать условия протекания процесса в непрерывном производ­стве, результаты лабораторного эксперимента должны быть опреде­ленным образом обработаны и затем использованы для расчетного определения характеристик непрерывного процесса. Более того, методика периодического лабораторного эксперимента должна обес­печивать получение информации, необходимой для расчетного опре­деления условий осуществления непрерывного процесса.

В чем же состоит различие между периодическим и непрерывным процессами? Почему в большинстве случаев исключается возможность непосредственного исполь­зования результатов лабораторного периодического опыта для предсказания характеристик работы непрерывного реактора?

Ясно, что химическая кинетика реакций не зависит от типа реактора. Однако на уровне макроскопических характеристик различия между непрерывным и периодическим процессами существенны. Ведь результат химического взаимодействия определяется его продолжи­тельностью, а также температурными и концентрационными пара­метрами процесса. Как правило, эти макроскопические характе­ристики для непрерывного и периодического процесса не только не совпадают, но, как будет показано дальше, в известном смысле несопоставимы. Для того чтобы понять характер этих различий, рассмотрим подробнее некоторые особенности работы периодического и не­прерывного процессов.

При работе реактора периодического действия ни одно вещество не вводят в реактор и не выводят из него во время реакции. Если мы рассмотрим периодическую систему через некоторое время после начала очередного периодического цикла, то, естественно, обнару­жим, что все элементы реакционного объема характеризуются одним и тем же временем пребывания в реакторе. Совершенно по-иному обстоит дело с реактором непрерывного действия. В такой реактор непрерывно вводят исходные реагенты и выводят продукты реакции. Ясно, что при этом в реакторе всегда имеются элементы объема с различным временем пребывания; некоторые из них только что введены в систему, а другие — находятся в реакторе достаточно длительное время. Поэтому, рассматривая время пребывания эле­ментов объема в реакторе непрерывного действия, можно говорить либо о среднем времени пребывания, либо о распределении элементов объема по времени пребывания в реакторе. Распределение элементов объема по времени пребывания имеет обычно довольно сложный характер, определяемый, главным образом, структурой потоков в реакторе, т. е., по существу, типом реактора непрерывного действия.

Итак, первое отличие между непрерывным и периодическим процессами сводится к различному характеру распределения по времени пребывания элементов реакционного объема, еще находя­щихся в реакторе.

Не менее важной характеристикой процесса является время пребывания в реакторе тех элементов объема, которые уже покинули систему. По существу, это время есть не что иное, как продолжитель­ность химического взаимодействия, определяющая состав конечных продуктов. Из реактора периодического действия после достижения определенной степени превращения выводят весь реакционный объем. Время пребывания всех выводимых из системы элементов объема всегда одинаково и равно продолжительности периодического процесса. Элементы объема, выводимые из реактора непрерывного действия, имеют различное время пребывания. Исключением из этого правила является лишь модель реактора идеального вытесне­ния, в которой пренебрегают перемешиванием элементов объема в направлении движения потока, т. е. рассматривают движение потока, подобное поршню. Поэтому все элементы проходят такой реактор за одинаковое время. Однако во всех других идеализиро­ванных моделях реакторов, как и в любом реальном реакторе, всегда есть перемешивание и в направлениях, не совпадающих с направле­нием потока. Движение элементов объема в таких реакторах является неупорядоченным и их траекторию невозможно определить заранее. Поэтому на выходе неизбежно оказываются элементы объема с различным временем пребывания в реакторе.

Таким образом, второе отличие между непрерывным и периоди­ческим процессами заключается в ином характере распределения по времени пребывания элементов объема на выходе из реак­тора.

Не менее существенны отличия, относящиеся к концентрацион­ным и температурным полям в реакторах периодического и непре­рывного действия. В периодическом процессе условия в различных точках объема реактора могут быть либо одинаковыми, либо раз­ными. Это зависит от интенсивности перемешивания: при интенсив­ном перемешивании происходит практически полное усреднение состава и температуры продукта во всем объеме реактора. Если же перемешивание не столь интенсивно, то не исключена возможность возникновения температурных или концентрационных градиентов между различными точками реактора. Независимо от этого, в перио­дическом процессе условия в объеме реактора являются функ­цией времени: система претерпевает изменения до завершения процесса или пока не будет достигнуто термодинамическое равно­весие.

В непрерывном процессе обычно изменение во времени темпера­турных и концентрационных условий отсутствует: после выхода на рабочий режим система переходит в стационарное состояние, зато в различных реакционных зонах концентрации и температура неодинаковы.

Итак, в периодическом процессе система может быть или не быть неизменной в пространстве, но она всегда переменна во времени; в непрерывном стационарном процессе система постоянна во времени, но переменна в пространстве.

Существенно, что все три различия между непрерывными и перио­дическими процессами имеют качественный характер и обычно приводят к невозможности прямого сопоставления важных техноло­гических параметров. Так, в случае непрерывного процесса можно говорить либо о распределении элементов объема по времени пре­рывания, либо о среднем времени пребывания. Ясно, что сопоставле­ние функциональной зависимости, описывающей распределение по времени, с вполне определенным временем пребывания элементов объема в периодической системе бессмысленно. Однако и среднее время пребывания в подавляющем большинстве случаев не может быть сопоставлено со временем пребывания в периодической системе. Это объясняется не только различными концентрационными и темпе­ратурными условиями в непрерывном и периодическом процессах, но и тем, что среднее время пребывания даже при прочих равных условиях далеко не всегда однозначно определяет показатели процесса. Во многих случаях, а при гетерогенных процессах с учас­тием реагирующей твердой фазы всегда, важно не только среднее время пребывания, но и характер распределения по времени пре­бывания.

Несопоставимость важнейших характеристик непрерывного и периодического процессов свидетельствует о невозможности простого воспроизведения экспериментальных результатов периодического опыта в системе непрерывного действия. Так, при той же производи­тельности и степени превращения, объемы реакторов в непрерывном и периодическом процессах должны быть различными, а экспери­ментальные данные по изменению температуры и концентрации в периодическом опыте не содержат прямой информации о соответ­ствующих характеристиках системы непрерывного действия.

Более точным было бы утверждение о квазистационарном состоянии, так как значение ряда параметров системы под воздействием различного рода возмущений колеблется относительно среднего уровня. Однако переходные процессы такого квазистационарного состояния относятся к кругу задач автома­тического управления, а с точки зрения технолога это состояние рассматри­вается как стационарное.

Осуществить обоснованное определение показателей непрерыв­ного процесса по результатам периодических опытов можно только с помощью современных методов моделирования технологических процессов. Поскольку, однако, периодический и непрерывный про­цессы качественно различны и, следовательно, описываются уравне­ниями различного типа, эта задача не может быть решена методами физического моделирования, т. е. методами теории подобия. Поэтому для определения показателей непрерывного процесса необходимо детально изучить закономерности различных стадий процесса с тем, чтобы получить его математическое описание в виде системы уравне­ний. Решение этой системы уравнений, осуществляемое обычно с помощью электронных вычислительных машин, позволит предска­зать характер протекания и показатели процесса. Такой подход к моделированию химико-технологических процессов получил назва­ние метода математического моделирования.