3. Организация процесса с высокой конверсией и скоростью химической реакции

При рассмотрении стационарных состояний проточных реакционных систем приходится сталкиваться с некоторым противоречием, суть которого особенно очевидна на примере реактора идеального смешения, в котором состав в реакторе совпадает с составом на выходе из него. В этом случае работа реактора при высоких скоростях химической реакции (при высоких концентрациях реагентов) приводит к низкой конверсии в аппарате и, наоборот, при низких скоростях химического превращения (высокие концентрации продуктов реакции) достигается высокая конверсия, которая в большинстве случаев ведет к снижению селективности [8]. Это свойственно реакторам любого типа. Таким образом, для проведения процесса при одновременно высоких значениях скорости химической реакции и конверсии необходимо, чтобы состав на выходе из реакционной зоны, который определяет скорость химической реакции, не совпадал с составом на выходе из системы, который определяет конверсию в ней.

Это возможно лишь при организации селективного вывода продуктов реакции из системы с использованием массообменных процессов. Именно такой вывод компонентов реакционной смеси, независимо от способа его реализации (рециркуляционные или совмещенные реакционно-массообменные процессы), позволяет, с одной стороны, создавать в реакционной зоне необходимые условия для протекания целевых реакций с высокими скоростями (высокая производительность реактора по реагентам), а, с другой стороны, обеспечивать в системе в целом высокую конверсию (вплоть до полного исчерпывания реагентов) и селективность. Все это и является основой для создания современных энергосберегающих и экологически чистых технологий.

Примерами таких процессов являются ректификационные колонны, внутри которых размещена реакционная зона и т.д. Это так называемые совмещенные реакционно-массообменные процессы [8].

4. Использование аппаратов реакционно-ректификационного типа

Ректификация с одновременным протеканием химических реакций давно используется во многих технологических процессах. Для такого рода процессов большим преимуществом является возможность относительно простой их организации как непрерывных. Поэтому в рамках данного дипломного проекта будут рассматриваться исключительно непрерывно совмещенные реакционно-ректификационные процессы.

Под непрерывно совмещенным реакционно-ректификационным процессом (НСРРП) понимается сложный процесс, в котором совместно в рамках одного аппарата протекают по крайней мере два процесса, один из которых выполняет роль источника вещества и обеспечивает конверсию, а другой обеспечивает селективность, выполняя роль избирательного стока вещества внутри системы или избирательный обмен по веществу с окружающей средой. При совмещении появляются новые возможности, которые позволяют преодолеть ограничения, свойственные каждому процессу по отдельности. Степень преодоления этих ограничений и определяет преимущества совмещенного процесса перед другими формами организации[8].

Преимущества использования НСРРП [9]:

• возможность до конца проводить обратимые реакции и одновременно отделять продукты реакции от не прореагировавших компонентов, что снижает необходимость их рециркуляции и возможности протекания побочных реакций

• возможность проводить реакции при повышенной температуре (температура кипения жидкости), что увеличивает скорость протекания эндотермических реакций

• для экзотермических реакций выделяющееся тепло используется в том же аппарате, что уменьшает внешнюю тепловую нагрузку, необходимую для образования паров в колонне.

• увеличение селективности и обеспечение высокой движущей силы процессов за счет естественного противотока реагентов и перераспределения компонентов вдоль аппарата. Эта возможность обеспечивается оптимальным размещением зоны реакции и концентрационным перераспределением компонентов в колонном противоточном аппарате.

• упрощение организации непрерывных процессов, что является немаловажным фактором, особенно в крупнотоннажных производствах

• использование совмещенных процессов позволяет сделать более компактными технологические схемы и тем самым сократить капитальные затраты.

Естественно полнота реализации этих преимуществ будет в каждом конкретном случае своя. В целом преимущества совмещенных процессов играют важную роль в свете разработки безотходной и малоотходной технологии. Здесь особое значение играют повышение селективности процессов и увеличение степени превращения за один проход. Первое приводит к снижению количества побочных продуктов, что в свою очередь позволяет полностью или частично решить проблему их утилизации. Второе создает необходимое условие для снижения числа рециклов реагентов. В идеальном случае все внешние рециклы становятся внутренним рециклом одного аппарата. В связи с этим меньшее количество реагентов проходит дополнительную переработку или дополнительная переработка исключается полностью. Следовательно, сокращаются потери реагентов и повышается степень их использования. [9]