Исследователи РТУ МИРЭА разработали методику анализа стационарных состояний проточного реактора идеального смешения на примере экзотермической реакции димеризации. Они выяснили, что в зависимости от объема реактора, температуры и состава входящего потока может существовать до трех различных режимов работы с разной производительностью и температурой. Математическая модель позволяет выбрать наиболее эффективный и устойчивый режим еще до запуска оборудования, что критически важно для химической промышленности.
В химической промышленности реакторы часто работают в режиме, когда одни и те же настройки могут давать разный результат — например, разную температуру в аппарате или разный выход продукта. Это явление называется множественными стационарными состояниями. Если выбрать неправильный режим, реактор может работать нестабильно, перегреваться или выдавать меньше целевого продукта, чем мог бы. Особенно это актуально для экзотермических реакций — тех, что идут с выделением тепла (например, реакция димеризации ацетона в диацетоновый спирт). Ученые РТУ МИРЭА создали математическую модель, которая позволяет заранее, еще до физического запуска, предсказать все возможные режимы работы реактора и выбрать из них самый выгодный и надежный.
«Разработанный подход универсален. Он применим не только к одиночному реактору, но и к сложным рециркуляционным схемам, где реактор соединен с блоком разделения. В таких системах множественные стационарные состояния возникают гораздо чаще, и их анализ становится критически важным. Наша методика позволяет инженерам-технологам на этапе проектирования заглянуть в будущее и избежать проблем, которые могут проявиться только через несколько месяцев работы промышленной установки», — объясняет Михаил Солохин, кандидат технических наук, доцент кафедры информационных систем в химической технологии Института тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова РТУ МИРЭА.
В работе они рассмотрели жидкофазную обратимую реакцию. Для этого составили уравнения материального и теплового баланса, учли кинетику реакции (зависимость скорости от температуры по закону Аррениуса) и теплообмен с окружающей средой. Количество возможных стационарных состояний определяли по числу точек пересечения графика функции невязки теплового баланса с осью температур. Нелинейные уравнения решали методом Ньютона.
«Результаты показали, что в зависимости от объема реактора, температуры на входе, состава сырья и расхода теплоносителя может существовать от одного до трех различных стационарных состояний», — отмечает Наталья Королькова, автор проекта, аспирант кафедры химии и технологии основного органического синтеза РТУ МИРЭА. Они отличаются производительностью и температурой внутри аппарата. При этом все характеристические корни стационарных состояний оказались действительными — значит, колебаний в работе реактора не будет, и при небольшом отклонении система сама вернется в устойчивое состояние. Разработанную методику можно применять не только к одиночному реактору, но и к более сложным рециркуляционным системам (например, реактор плюс блок разделения), где множественные состояния возникают чаще.
«Химико-технологические системы часто ведут себя сложнее, чем кажется. При одних и тех же входных параметрах в реакторе может установиться один из нескольких возможных режимов. Если не учесть это при проектировании и пуске, оборудование может работать нестабильно, что приведет к снижению выхода продукта или даже к аварии. Наша методика позволяет заранее выявить все возможные состояния, проанализировать их устойчивость и выбрать тот режим, который даст максимальную производительность при гарантированной безопасности. Это особенно важно для крупнотоннажных производств, где даже небольшое улучшение работы реактора дает огромный экономический эффект», — рассказывает Сергей Назанский, доктор технических наук, профессор кафедры химии и технологии основного органического синтеза Института тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова РТУ МИРЭА.
Разработанная методика позволяет инженерам-технологам на этапе проектирования заглянуть в будущее и избежать проблем, которые могут проявиться только через несколько месяцев работы промышленной установки. Это особенно актуально для импортозамещения: переход на отечественное оборудование и сырье часто сопровождается изменением кинетических и теплофизических параметров, что может привести к появлению новых стационарных состояний. Российская химическая промышленность получает инструмент, который позволит безопасно и эффективно эксплуатировать реакторное оборудование, снижая риски аварий и повышая выход целевой продукции.
Статья опубликована в журнале «Тонкие химические технологии».
Источник информации и фото: пресс-служба РТУ МИРЭА
