Технология синтеза мономеров / Основы химии и технологии мономеров Елигбаева

Селективность (или избирательность) процесса – это отношение количества вещества, превращенного в целевой продукт, к общему количеству исходных веществ (сырья или реагента), принявших участие в данном химическом процессе:

ф= Cn/(Со-Ск)

где ф – селективность процесса

Cn – количество вещества, превращенного в целевой продукт

Со и Ск – начальное и конечное количество реагента Селективность химического процесса – важный показатель, определяющий

экономику процесса в целом. Задача технолога – создать такой процесс, в

котором нет или сведены до минимума побочные реакции, но протекает (по возможности) одна реакция образования целевого продукта и с максимальным выходом.

В общем случае соотношение между степенью превращения, выходом и селективностью имеет вид:

η=х·ф

В технологии важным показателем является также такой критерий, как производительность отдельного аппарата, цеха или завода в целом.

Производительность – это количество целевого продукта, получаемого в единицу времени (в час, или в сутки, или в год).

Иногда используется понятие интенсивности химического процесса, т.е.

производительности, отнесенной к какой-либо величине: либо к количеству

(или объему) катализатора. Полной характеристикой химического процесса может служить совокупность всех вышеперечисленных показателей: степени превращения, выхода целевого продукта, селективности (избирательности)

процесса, производительности и интенсивности производства.

31

3.1.2 Материальный и тепловой баланс химического процесса

Расчет реакционного объема, необходимого для заданной степени превращения, также как, определение степени превращения во взятом аппарате при заданных условиях его работы, производятся на основании уравнений материального и теплового баланса химического процесса.

Материальный баланс составляется на основании закона сохранения массы материи и имеет вид уравнения. В отличие от материального баланса,

основанного на стехиометрических соотношениях веществ в реакции,

технологический материальный баланс составляется по действительным условиям проведения процесса. При этом необходимо учитывать все возможные отклонения о теоретически возможной глубины превращения, в

частности наличие побочных реакции, снижающих выход целевого продукта. В

общем баланс по исходному веществу можно представить в следующем виде:

мвх - (мвых. + мх.п) = мнак

где мнак - количество вещества, остающегося в реакторе;

мвх – количество вещества, загруженного в реактор;

мвых – количество, выходящее из реактора;

мх.п – количество химически превращенного в реакторе вещества.

В каждом конкретном случае вид уравнения материального баланса зависит от типа реактора. В таблице 1 приведены примеры уравнений материального баланса для различных химических реакторов. За основу расчета материального баланса принимают единицу массы продукта (тонну)

или его количество, получаемое в единицу времени (час, сутки, год). Связь между балансами на единицу продукции и на единицу времени определяется производительностью реактора.

32

Таблица 1

Уравнения материального баланса для различных типов реакторов

Тепловой баланс химического процесса составляют на основе закона сохранения энергии и записывают в виде уравнения. В общем виде оно имеет следующий вид:

Qвх.+ Qр-(Qвых.+ Qтепл.)= Qнак.

где Qнак – теплота, остающаяся в реакторе (накопление);

Qвх.- теплота входящего потока (приход);

Qр – теплота химической реакции (приход);

Qвых. – теплота выходящего потока (расход);

Qтепл. – теплота передаваемая через стенку аппарата (расход).

Для каждого типа реактора уравнение теплового баланса имеет свой конкретный вид; эти уравнения приведены в табл.2.

33

Очень удобной формой выражения материального и теплового баланса,

кроме таблиц, является графическое их изображение в виде диаграмм (рис. 2.).

Число и ширина полос на диаграмме пропорциональны количеству веществ,

участвующих в процессе, их массе и теплотам.

Рисунок 2. Диаграммы материального (теплового) баланса реактора

а – реактор без рециркуляции; б – реактор с рециркуляцией; Р – реактор; А – разделительный аппарат; Nп – поток, входящий в реактор; Nр – поток, выходящий из реактора; Nрец – рециркулирующий поток

Таблица 2

Характеристическое уравнения основных типов реакторов (V=const)

34

3.1.3Химические реакторы

Впромышленном органическом синтезе целевой продукт производят в технологической установке, являющейся последовательностью многих аппаратов и оборудования, в которых протекают как подготовительные, так и главные процессы. К ним относятся подготовка сырья (измельчение и сушка,

компрессия газов, испарение жидкостей, транспортировка твердых, жидких,

газообразных продуктов и пр.); подвод тепла в зону реакции; процесс химического превращения, а также сопутствующие процессы: обезвреживание ядовитых и вредных выбросов и стоков, утилизация тепла и побочных продуктов и т.п.

Главным звеном такой технологической цепочки является, несомненно,

аппарат для осуществления химического процесса, называемый реактором.

Конструкции реакторов весьма разнообразны, что объясняется сложностью и многообразием протекающих в них химических превращений.

Тем не менее, все реакторы можно подразделить на несколько отдельных типов. При этом обычно используется различные классификационные признаки: организация осуществляемого химического процесса,

гидродинамический или тепловой режим; физические свойства взаимодействующих веществ.

По организации химического процесса реакторы подразделяются на

три группы:

1. Реакторы периодического действия – это аппараты, в которых все отдельные стадии процесса протекают последовательно в разное время (рис.

3.). Параметры периодического технологического процесса (концентрация веществ и температура) изменяются во времени. Такие реакторы имеют малую производительность и плохо поддаются автоматическому контролю и регулированию.

35

3. Реакторы полунепрерывного действия работают в неустановившихся условиях, т.к. одни реагенты поступают непрерывно, а другие периодически

(рис. 5.). Возможен и другой вариант: реагенты поступают периодически, а

продукт выгружается непрерывно. Такие реакторы применяют в малотоннажных производствах, в частности, для экзотермических реакций,

когда можно путем прерывистой подачи регулировать тепловыделение и скорость химического процесса.

Рисунок 5. Реактор для полунепрерывного процесса: 1,4 – теплообменник; 2 – реактор; 3 - мешалка

По гидродинамическому режиму, т.е. по виду перемешивания реакторы также подразделяются на три группы:

1. Реакторы идеального смешения (полного перемешивания) – это аппараты в которых реагенты мгновенно и полностью перемешиваются. К ним относятся все аппараты предыдущего типа (т.е. и периодические, и

непрерывные) с мешалками, в том числе проточно-циркуляционные и аппараты с кипящим слоем (рис. 6.).

37

3. Реакторы с промежуточным гидродинамическим режимом имеют очень широкое распространение. К ним относятся все аппараты, где имеются отклонения от идеального режима перемешивания в реакционном объеме, где возникают застойные зоны, т.е. объемы с малым перемешиванием или вообще без перемешивания. Такое часто случается в реакторах большого объема при небольшой скорости вращения мешалки, или при наличии в аппарате внутренних теплообменников, или при большой скорости подачи реагентов в аппарат непрерывного действия.

По тепловому режиму различают три вида реакторов:

1.Изотермический реактор характеризуется постоянством температуры во всем реакционном объеме. Для поддержания постоянства температуры необходим внешний теплоноситель, поверхность теплообмена и режим полного перемешивания. Такие условия возникают только в реакторах полного смешения, т.е. в аппаратах с мешалками или кипящим слоем катализатора.

2.Адиабатический реактор характеризуется полным отсутствием теплообмена с внешней средой. При этом вся теплота реакции аккумулируется реакционной массой и идет на изменение теплового состояния системы. В

таких реакторах имеется большой перепад температур веществ на входе и выходе из аппарата, который на этом пути возрастает для экзотермических процессов и убывает для эндотермических. Для адиабатических реакторов нужна хорошая теплоизоляция. Примером могут служить реакторы для пиролиза углеводородов.

3.Политропические реакторы – это такие аппараты, где происходит внешний теплообмен. В них осуществляется подача теплоты либо через стенку,

разделяющую охлаждающийся и нагревающийся потоки, либо непосредственным их смешением. Теплообменники могут быть помещены внутрь или снаружи реактора. В качестве теплоносителя используют сырье,

реакционную смесь, инертные газы. Теплота реакции используется также для подогрева исходных реагентов.

39

Конструктивные типы реакторов зависят от условий проведения химического процесса и свойств участвующих в нем веществ. Применяются в промышленном производстве следующие типы конструкций реакторов:

реакционные камеры, колонны, теплообменники, печи. При выборе реактора учитываются следующие факторы: агрегатное и фазовое состояние веществ,

участвующих в процессе, и их химические свойства; температура и давление в процессе; тепловой эффект и скорость теплообмена; интенсивность перемешивания; непрерывность и периодичность процесса.

Наиболее разнообразны и сложны по устройству и действию реакторы для гетерофазных каталитических процессов. Их можно классифицировать по разным критериям; по фазовому составу реагентов (в однофазных системах – это газ или жидкость, в двухфазных – это системы: газ-жидкость или жидкость-

жидкость); по агрегатному состоянию катализатора (твердое тело, жидкость или суспензия); по способу создания межфазной поверхности (барботаж,

механическое диспергирование газа, пленочное течение жидкости); по состоянию катализатора ( неподвижный или кипящий слой).

Основные конструкционные материалы, используемые для создания химических реакторов, могут быть самыми различными. Наиболее распространенными являются металлы: в первую очередь – сталь и чугун различных марок, включая нержавеющие, кислотостойкие, жаропрочные стали.

Из цветных металлов наибольшее применение находят алюминий, медь,

никель, титан.

Из неметаллических материалов часто применяются керамика, фарфор,

стекло, кислотоупорный бетон. Графит и графитовые материалы используются для повышения теплопроводности и защиты от агрессивных сред. Для создания отдельных конструктивных деталей (мешалок, покрытий, арматуры)

используются полимеры и композиционные материалы на их основе; текстолит,

стеклопластик, винипласт, тефлон и др.

40