Яхьяев Магомед Абдуллаевич. Разработка методов анализа реакционно-ректификационных процессов с несколькими химическими реакциями

Краткое описание

Яхьяев Магомед Абдуллаевич. Разработка методов анализа реакционно-ректификационных процессов с несколькими химическими реакциями: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.17.04 / Яхьяев Магомед Абдуллаевич;[Место защиты: ФГБОУ ВО «МИРЭА - Российский технологический университет»], 2020

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «МИРЭА - Российский технологический университет»
Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова
На правах рукописи

Яхьяев Магомед Абдуллаевич
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АНАЛИЗА РЕАКЦИОННО-
РЕКТИФИКАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ С НЕСКОЛЬКИМИ
ХИМИЧЕСКИМИ РЕАКЦИЯМИ
05.17.04 - Технология органических веществ
Диссертация
на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель д.т.н., профессор Писаренко Ю.А.
Москва 2019
ВВЕДЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 9
1. Общие сведения о непрерывных совмещенных реакционно¬ректификационных процессах 9
1.1. Перспективы внедрения совмещенных процессов в химическую
промышленность 9
1.2. Классификация совмещенных процессов 11
1.3. Области возможного использования и промышленные примеры
совмещенных процессов 12
1.4. Преимущества и недостатки совмещенных процессов 13
1.5. Современные методы разработки реакционно-ректификационных
процессов 15
1.6. Анализ статики - основной этап разработки реакционно¬ректификационных процессов 16
1.7. Способы получения окиси мезитила 20
Выводы по разделу 1 27
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 28
2. Балансные и стехиометрические ограничения 28
2.1. Балансный и реакционный многогранники 28
2.2. Построение балансного и реакционного многогранников на примере
получения окиси мезитила из ацетона 31
2.3. Алгоритм построения реакционного многогранника 37
2.4. Выделение предельных стационарных режимов 45
2.5. Процесс получения окиси мезитила из ацетона 48
2.6. Процесс получения этилацетата дегидрированием этанола 50
2.7. Процессы получения алкилацетатов из уксусного ангидрида 56
2.8. Процесс получения биодизеля переэтерификацией триглицеридов 59
Выводы по разделу 2 65
3. Подготовка исходных данных для моделирования процесса получения окиси
мезитила 66
3.1. Сбор и подготовка физико-химической информации 66
3.1.1. Моделирование фазового равновесия реакционной смеси процесса
получения окиси мезитила 66
3.1.2. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных об азеотропии
для бинарных смесей 69
3.1.3. Фазовое равновесие бинарных смесей 71
3.1.4. Фазовое равновесие тройных смесей 80
3.1.5. Фазовое равновесие четырехкомпонентной смеси 88
3.2. Расчет термодинамических характеристик процесса получения окиси
мезитила 90
3.3. Подбор и преобразование кинетической модели 95
3.4. Влияние параметров на скорость протекания реакций 98
3.4.1. Влияние температуры на скорость протекания реакций 98
3.4.2. Влияние давления на скорость протекания реакций 99
3.4.3. Влияния концентрации воды на скорость протекания реакций 100
3.5. Анализ статики и построение принципиальной технологической схемы
процесса получения окиси мезитила 101
3.6. Подбор оптимальных рабочих параметров технологической системы ... 108
Выводы по разделу 3 124
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 124
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ 127
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 129
ПРИЛОЖЕНИЕ 140
Актуальность работы. При создании современных и модернизации суще¬ствующих химических производств все актуальней становится задача сокращения энергетических и капитальных затрат при сохранении, а возможно и увеличении, выхода целевого продукта. Одним из способов решения указанной задачи является развитие и внедрение в химическую промышленность совмещенных процессов, в которых происходит сокращение энергозатрат за счет объединения блока химиче¬ского превращения и блока разделения [1, 2]. Благодаря непрерывному отводу об¬разовавшихся продуктов из реакционной зоны в реакционно-массообменных аппа¬ратах повышается конверсия реагентов и за счет сокращения времени пребывания компонентов повышается селективность [3, 4]. При этом схема организации про¬цесса упрощается, что ведет к сокращению энергозатрат на обслуживание аппара¬тов и капитальных затрат, связанных с рециклами и дополнительными аппаратами. За счет увеличения селективности процесса по целевым продуктам сокращается количество побочных продуктов, поэтому совмещенные процессы являются эколо¬гически выгодными в химической промышленности. В связи с этим, усовершен¬ствование методов исследования и разработки реакционно-ректификационных процессов и внедрение их в промышленность обеспечивает создание современных технологий получения органических продуктов, характеризующихся высокими экономическими и экологическими показателями что является в настоящее время актуальной задачей [5, 6].
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда в рамках про¬екта РНФ № 16-19-10632.
Предмет исследования. В настоящее время в химической промышленности наиболее распространены непрерывные совмещенные реакционно-ректификаци¬онные процессы. Одним из важных этапов разработки реакционно-ректификаци¬онных процессов является анализ статики, позволяющий выделить предельные ста¬ционарные состояния, соответствующие максимальному выходу целевого про¬дукта. Существенным недостатком, ограничивающим возможность использования данного метода для решения практических задач, является рассмотрение в его рам¬ках единственной химической реакции. В то же самое время, при переходе к реаль¬ным процессам это ограничение, как правило, нарушается. Таким образом, предме¬том данного исследования являются теоретические положения анализа статики, определяющие возможность его применения к реакционно-ректификационным процессам с множественными химическими взаимодействиями.
Цель работы состоит в создании элементов анализа статики реакционно-ректификационных процессов, позволяющих распространить данный метод на ре-акционные системы с неограниченным числом химических взаимодействий и ком-понентов, реализации данных элементов в виде компьютерной программы и в про¬верке ее работоспособности на примере совмещенного процесса получения окиси мезитила посредством конденсации ацетона.
Методы исследования
Для достижения поставленной цели в работе использован целый ряд совре¬менных методов научного исследования химико-технологических систем (ХТС), а именно: термодинамико-топологический анализ фазовых диаграмм, анализ ста¬тики реакционно-ректификационных процессов, стехиометрический анализ реак¬ционных систем, методы линейной алгебры, многомерной геометрии и линейного программирования, элементы теории графов, методы математического моделиро¬вания физико-химических свойств многокомпонентных реакционных систем и хи-мико-технологических процессов, положения качественной теории ректификации и методы оптимизации ХТС. При этом решены следующие задачи:
1. Установить стехиометрические ограничения на составы продуктовых по¬токов, достижимые в реакционно-ректификационной колонне при наличии не¬скольких химических реакций.
2. Определить геометрические объекты, соответствующие указанным огра-ничениям.
3. Разработать алгоритм построения геометрических объектов, представляю¬щих стехиометрические ограничения.
4. Создать программный продукт, реализующий данный алгоритм.
5. Определить элементы геометрических объектов, соответствующие пре¬дельным стационарным состояниям, то есть, стационарным состояниям, характе¬ризующихся максимальной конверсией реагентов, селективностью и выходом це¬левого продукта.
6. Применить созданный программный продукт для проведения анализа ста¬тики и выделения предельных стационарных состояний реакционно-ректификаци¬онного процесса получения окиси мезитила конденсацией ацетона.
7. Осуществить сбор и обработку физико-химической информации, необхо¬димой для математического описания данного процесса.
8. Провести вычислительный эксперимент с целью определения условий ре-ализации предельного стационарного состояния, прогнозируемого анализом ста¬тики.
9. Построить принципиальную технологическую систему процесса получе¬ния окиси мезитила и провести расчет ее статических параметров.
10. Провести структурную и параметрическую оптимизацию предложенной технологической системы.
Научная новизна работы
1. Разработан метод построения реакционных многогранников с целью выде¬ления предельных стационарных состояний для систем с неограниченным количе¬ством компонентов и реакций, базирующийся на анализе балансовых соотноше¬ний.
2. Показано, что экстремальные значения конверсии, селективности и выхода достигаются в вершинах и на гранях реакционного многогранника.
3. Для ряда промышленных реакционных систем изучена эволюция реакци¬онных многогранников, обусловленная изменением состава сырья. Установлено, что при изменении исходного состава сырья меняется и вид реакционного много¬гранника, в частности количество вершин многогранника.
4. На основе анализа статики выделены предельные стационарные состояния процесса получения окиси мезитила и подобран оптимальный способ его органи¬зации при максимальном выходе целевого продукта.
Практическая значимость работы
1. Предложенный метод построения реакционных многогранников реализо¬ван в виде алгоритма, который позволяет распространить анализ статики на реак-ционно-ректификационные процессы с любым количеством компонентов и реак¬ций, что в дальнейшем упрощает разработку и внедрение совмещенных процессов в химическую промышленность.
2. Создана программа ChIM, которая осуществляет построение реакционных многогранников и позволяет определить оптимальные варианты организации про-мышленных реакционно-ректификационных процессов, обеспечивающие дости¬жение максимальной конверсии, селективности и выхода целевого продукта. Про¬грамма внедрена в учебный процесс, осуществляемый на кафедре химии и техно¬логии основного органического синтеза ИТХТ им. М.В. Ломоносова при подго¬товке магистров по направлению 18.04.01 - «Химическая технология».
3. Разработан реакционно-ректификационный процесс получения окиси ме¬зитила конденсацией ацетона, обеспечивающий практически полную конверсию исходного сырья, проведена структурная и параметрическая оптимизация соответ¬ствующей ему технологической системы.
Результаты работы. Благодаря проведенным исследованиям на основе ра¬боты программы ChIM показано, что при полученных предельных стационарных состояниях достигается практически 100%-ный выход окиси мезитила. Отметим, что созданный программный продукт ChIM позволяет выделять предельные стаци¬онарные состояния процесса в случае реакционных систем, как с произвольным числом составляющих их компонентов, так и с произвольным количеством проте¬кающих между ними химических реакций, что дает возможность распространить анализ статики на совмещенные процессы с множественными химическими взаи¬модействиями.
Апробация работы
Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, докла¬дывались на Всероссийской научно-практической конференции «Теоретические и практические аспекты разработки инновационных ресурсосберегающих техноло¬гий разделения жидких смесей» (г. Барнаул, 2016 г.), XX Юбилейной Международ¬ной научно-практической конференции имени профессора Л.П. Кулёва студентов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке» (г. Томск, 2018 г.).
Публикации
Материалы диссертации представлены в 6 печатных работах, из которых 4 статьи опубликованы в рецензируемых журналах, а также в виде тезисов докладов двух научно-практических конференций.

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проделанной исследовательской работы были сделаны следую-щие выводы:
1. Установлены стехиометрические ограничения на составы продуктовых по-токов, достижимые в реакционно-ректификационной колонне при наличии не¬скольких химических реакций.
2. Определены геометрические объекты, соответствующие указанным огра-ничениям, и разработан алгоритм построения, что позволило визуализировать их в виде графов.
3. Данный алгоритм реализован в виде программы ChIM в кроссплатформен-ной системе SciLab.
4. Определены элементы геометрических объектов, соответствующие пре-дельным стационарным состояниям, то есть состояниям, характеризующимся мак-симальной конверсией реагентов, селективностью и выходом целевого продукта.
5. С помощью программы ChIM проведен анализ статики и выделены пре-дельные стационарные состояния реакционно-ректификационного процесса полу-чения окиси мезитила конденсацией ацетона.
6. На основе сбора и обработки необходимой физико-химической информа-ции, предложено математическое описание процесса получения окиси мезитила и выполнен вычислительный эксперимент, в результате которого определены усло¬вия реализации предельного стационарного состояния, прогнозируемого анализом статики.
7. Для предельного стационарного состояния, соответствующей максималь-ному выходу целевого продукта-окиси мезитила, построена принципиальная тех-нологическая схема процесса и проведен расчет ее статических параметров.
8. Проведена структурная и параметрическая оптимизация предложенной технологической схемы.
Предложенный в работе подход позволяет распространить анализ статики на процессы с двумя и более химическими реакциями с участием неограниченного количества компонентов, что в значительной степени облегчает внедрение реакци-онно-ректификационных процессов в химическую промышленность.
Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях:
• Разработка элементов анализа статики совмещенных реакционно-ректифи-кационных процессов с множественными химическими реакциями, тезисы конфе-ренции «Теоретические и практические аспекты разработки инновационных ресур-сосберегающих технологий разделения жидких смесей» (г. Барнаул, 2016 г.)
• Разработка совмещенного реакционно-ректификационного процесса полу-чения окиси мезитила из ацетона, тезисы конференции «Химия и химическая тех-нология в XXI веке» (г. Томск, 2018 г.).
Исследования работы опубликовались в статьях:
• Анализ стехиометрических закономерностей, ограничивающих стационар-ные состояния реакционно-ректификационных процессов, научная статья журнала «Тонкие химические технологии» - 2018. - Т. 13. №1. - С. 66-74. (перечень ВАК)
• Stoichiometric restrictions on operating modes in chemical technology, научная статься журнала «Chemical Engineering Science» - 2018. - №192. - P. 642-654. (перечень Scopus)
• Разработка реакционно-ректификационного процесса получения окиси ме-зитила. I. Подготовка исходных данных, научная статья журнала «Тонкие химиче¬ские технологии» - 2018. - Т. 13. №1. - С. 5-13. (перечень ВАК)
Разработка реакционно-ректификационного процесса получения окиси ме¬зитила. II. Анализ статики и моделирование процесса, научная статья журнала «Тонкие химические технологии» - 2019. - Т. 14. №2. - С. 23-32. (перечень ВАК)