ОПТИМИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ В ОТКРЫТОМ РЕАКТОРЕ ПЛАСТИНЧАТОГО ТИПА Российский патент 2011 года по МПК B01J19/24 F28F3/08 F28D9/00 G06F17/50 

Настоящее изобретение относится к способу оптимизации химической реакции в открытом реакторе пластинчатого типа, который состоит из набора пластин, образующих между собой по меньшей мере один блок, содержащий реакционную камеру и две боковых камеры для циркуляции теплообменной рабочей жидкости.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящее время предпринимаются попытки оптимизировать протекание и повысить выход химических реакций в целом. Указанные реакции обычно проводят в реакторах периодического действия, т.е. в реакторах, работающих в периодическом режиме, включая резервуары, в которые помещают определенные количества реагентов и смешивают их, а затем подвергают воздействию определенных внешних условий (давление, температура, рН и т.п.), оптимизированных для протекания реакций.

Основным недостатком таких реакторов является сложность отвода тепла, выделяющегося в результате реакции, что налагает определенные ограничения на управление реакцией и ее оптимизацию.

ЗАДАЧИ И КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Одной из задач настоящего изобретения является простое и эффективное решение для управления и оптимизации химических реакций путем оптимизации реактора открытого типа, при этом такое решение исключает вышеуказанные недостатки реакторов прерывистого типа или реакторов периодического действия.

Для этой цели изобретение обеспечивает способ оптимизации химической реакции в реакторе, отличающийся тем, что указанный способ включает:

использование реактора открытого типа, который состоит из набора пластин, образующих между собой по меньшей мере один блок, имеющий реакционную камеру, образованную между двумя теплообменными боковыми камерами, предназначенными для циркуляции теплообменной рабочей жидкости, средства для подачи в реакционную камеру непрерывного потока одного или нескольких реагентов и средства для подачи в две боковые камеры непрерывного потока рабочей жидкости;

создание динамической модели реактора для данной реакции на основе модели реакционной камеры и теплообмена между указанной реакционной камерой и боковыми камерами для циркуляции рабочей жидкости, при этом динамическая модель включает уравнения материального баланса и энергетического баланса, а также ограничительные уравнения;

применение к динамической модели интегрирующего программного средства для решения вышеуказанных уравнений;

определение и оптимизацию ряда размеров реактора путем корректировки параметров, а именно количества точек подачи реагентов в реакционную камеру, направления потока рабочей жидкости по отношению к реакционной среде, природы и распределения рабочей жидкости, объема реакционной камеры, и/или объемов боковых камер для циркуляции рабочей жидкости, и/или физических параметров реактора, а именно, температур, давлений, составов и/или скоростей потоков реакционной среды и рабочих жидкостей;

создание пластинчатого реактора указанного типа в соответствии с рядом оптимизированных размеров и/или параметров; и

проведение замеров физических параметров, в частности температуры и давления, во время протекания указанной реакции в созданном реакторе для проверки его функционирования.

Использование реактора непрерывного или открытого типа, который состоит из набора пластин, образующих по меньшей мере одну реакционную камеру между двумя камерами для циркуляции рабочей жидкости, дает возможность решить задачи потерь теплоты, которые наблюдаются в реакторах периодического действия или закрытого типа, путем соответствующего выбора температуры и скорости потока рабочих жидкостей, циркулирующих с обеих сторон реакционной камеры, а также путем выбора направлений потоков этих жидкостей (попутное, встречное или перекрестное) по отношению к направлению потока реакционной жидкости в реактивной камере.

Это позволяет также оптимизировать размеры или конфигурацию реактора и оптимизировать функционирование или режим работы реактора за счет обеспечения параметров управления химической реакцией и точного описания распределения температуры внутри реактора.

Точное определение характера изменения температуры в реакторе, представляющее собой важное отличие настоящего изобретения от известных способов оптимизации реакций в реакторах периодического действия, осуществляется за счет динамического моделирования реактора, предназначенного для проведения соответствующей реакции, и оптимизации ряда размеров и/или физических параметров реактора как функции целевых значений, подлежащих достижению, и ограничений, которые необходимо соблюдать.

Затем в соответствии с предварительно оптимизированным рядом размеров и/или физических параметров строят пластинчатый реактор указанного типа, проводят в этом реакторе соответствующую химическую реакцию и выполняют экспериментальные измерения физических параметров для проверки оптимизации химической реакции.

Согласно одному из аспектов изобретения реактор или реакционная среда может содержать множество зон подачи текучей среды, а способ может включать корректировку скоростей потоков, температур, давлений, составов текучей среды, вводимой в эти различные зоны.

Определение и оптимизацию ряда размеров и/или физических параметров могут выполнять исходя из определения целевых значений, подлежащих достижению, ограничений, которые необходимо соблюдать, и переменных параметров реактора, а именно количества реакторных блоков, количества рабочих зон в одном блоке, количества и расположения точек питания, размеров реакционных камер, параллельных, противоположных или перекрестных направлений потоков рабочих жидкостей по отношению к направлению потока реакционной среды в реакционной камере, а также количества, природы и геометрии вкладышей в реакционной камере и/или переменных параметров реакции, а именно скорости потока, температуры, давления и состава различных реагентов, порядка подачи реагентов в реакционную камеру, а также скоростей потоков и температур рабочих жидкостей.

После создания реактора способ согласно настоящему изобретению может также включать:

создание новой динамической модели реактора на базе созданного реактора;

применение к этой новой динамической модели интегрирующего программного средства для решения вышеуказанных уравнений;

повторную оптимизацию ряда размеров и/или физических параметров реактора; и

в случае необходимости модификацию указанного созданного реактора в соответствии с новым оптимизированным рядом размеров и/или параметров.

Динамическая модель реактора включает уравнения материального баланса и энергетического баланса, а также ограничительные уравнения, которые являются характеристиками реактора и химической реакции.

Согласно другому аспекту изобретения модель реакционной камеры включает разделение камеры на ряд последовательных отдельных ячеек, каждая из которых содержит тщательно перемешанную текучую среду. Способ может включать оптимизацию размеров реактора для заданных целевых значений и ограничений путем корректировки количества рядов отдельных ячеек. Боковые камеры для циркуляции текучей среды моделируют аналогичным образом, разделяя их на отдельные ячейки, количество которых равно количеству отдельных ячеек в реакционной камере. При моделировании теплообмена учитывается также направление потока жидкости в каждой отдельной ячейке по отношению к направлению потока (попутное, встречное или перекрестное) реакционной жидкости в отдельных ячейках, соответствующих боковым камерам, которые расположены по обеим сторонам указанной отдельной ячейки реакционной камеры. Модель включает также уравнения теплового баланса, которые относятся к реакционной жидкости, к пластинам, образующим теплообменные боковые камеры, и к циркуляции рабочих жидкостей в боковых камерах, а также уравнения материального баланса для рабочих жидкостей в отдельных ячейках боковых камер.

Каждая реакционная камера соединяется с зонами входа и зонами выхода, которые связаны с отдельными ячейками реакционной камеры и которые представляют собой, например, соединительные элементы между средством подачи реагента и точкой питания реакционной камеры и соединительные элементы между выходной точкой реакционной камеры и средством сбора продукта реакции. Если две реакционные камеры соединяют последовательно, то выходной элемент первой камеры совпадает с входным элементом второй камеры.

Динамическая модель реактора предпочтительно также включает модели для зон входа и выхода реактора, зон входа и выхода для каждой реакционной камеры и переходных зон между различными блоками реактора.

Динамическая модель также дает возможность определить точку подачи для каждой отдельной ячейки реакционной камеры.

Интегрирующее программное средство, применяемое к системе уравнений, описывающих динамическую модель реактора, служит для решения этих уравнений и моделирования режима работы реактора, называемого "состоянием реактора", для исследуемой химической реакции.

Для заданных целевых значений и ограничений параметры размеров реактора определяют и оптимизируют, корректируя переменные характеристики реактора, которые включают количество точек подачи в реакционной камере, направления потока рабочих жидкостей по отношению к реакционной среде, природу и распределение рабочих жидкостей, общий объем реакционной камеры и/или объемы боковых камер для циркуляции рабочих жидкостей, а эксплуатационные характеристики реактора для заданных целевых значений и ограничений определяют и оптимизируют, корректируя переменные параметры реакции или физические параметры, включая температуры, давления, составы и/или скорости потоков реакционной среды и рабочих жидкостей.

Способ включает, например, регулирование скорости подачи одного или нескольких реагентов в различные отдельные ячейки, чтобы улучшить выход реакции, и определение предельных значений физических параметров, которые удовлетворяют ограничениям, связанным с безопасностью и/или защитой окружающей среды.

Для химической реакции в гомогенной среде динамическая модель реактора включает динамическую модель реакционной камеры, состоящую из уравнений материального баланса, энергетического баланса, баланса давлений и объемных ограничений. Эти уравнения служат для определения состояния и изменений состояния текучей среды в каждой отдельной ячейке.

Для этой цели считают, что в отдельных ячейках реакционной камеры, содержащих тщательно перемешанную среду, характеристические параметры (температура, давление, скорость потока, состав и т.п.), физические свойства (плотность, вязкость и т.п.) и физико-химические явления (реакция, перенос материала и т.п.) являются однородными для всех ячеек и что физические свойства рабочих жидкостей являются однородными и постоянными при данной температуре.

Для химических реакций в двухфазной среде (жидкость-жидкость или жидкость-газ), где текучая среда представляет собой двухфазную среду, включающую сплошную фазу и дисперсную фазу, и для реакционной среды, которая представляет собой смесь двух смешивающихся жидкостей, состояние и изменение реакционной среды определяются в каждой отдельной ячейке из уравнений, описывающих плотность, удельную теплоемкость, теплопроводности и вязкости реакционной среды, и из уравнений материального баланса, энергетического баланса, баланса давлений и ограничения объема.

При этом считают, что в отдельных ячейках реакционной камеры, содержащих тщательно перемешанную среду, характеристические параметры (температура, давление, скорость потока, состав), физические свойства (плотность, вязкость и т.п.) и физико-химические явления (реакция, перенос материала и т.п.) являются однородными во всех ячейках, температуры и давления фаз являются идентичными, реакционная среда считается псевдогомогенной средой, физические свойства двух фаз определяются их ассоциативной взаимосвязью, которая позволяет ассоциировать физические свойства среды со свойствами каждой фазы, а также с их соотношениями, а распределение фаз считается равномерным в каждой отдельной ячейке.

Можно также применять правила равновесия между двумя фазами как функции размера капель дисперсной фазы, термодинамических свойств присутствующих фаз и/или характеристик потоков.

Диаметр по Заутеру дает возможность определить размер капель дисперсной фазы. Вариации размера капель в дисперсной фазе также можно проследить в различных отдельных ячейках реакционной камеры.

К этому можно добавить другие модели и уточнить динамическую модель реактора, в частности:

моделирование гидродинамических характеристик реактора на основе экспериментальных исследований распределения времени пребывания среды в различных частях реактора с целью определения количества отдельных ячеек, содержимое которых тщательно перемешано;

модель реакции на основе уравнений для скорости реакции, скорости образования компонентов реакции и скорости образования теплоты в каждой отдельной ячейке реакционной камеры;

модель переноса вещества в двухфазной реакционной среде между двумя фазами реакционной среды на основе физических свойств двухфазной среды и на основе размера капель дисперсной фазы;

модель теплопереноса на основе определения коэффициентов теплопереноса между пластинами, образующими боковые камеры, и жидкостями, протекающими в реакционной камере и в боковых камерах, и определения пленочных коэффициентов теплопередачи реакционной среды и рабочей жидкости; и

модель падения давления реакционной среды в реакторе, основанная на экспериментальных измерениях.

Данный способ может включать также определение физических свойств элементов реактора, реакционной среды и рабочей жидкости.

Достоинством способа согласно настоящему изобретению является прогнозирование функционирования пластинчатого реактора в заданных физических параметрах, что делает возможным также определить оптимальную конфигурацию или размеры, а также оптимальные режимы работы или функционирования реактора для данной реакции или серии реакций. Способ дает возможность также описывать изменения указанного функционирования с течением времени и представлять эти изменения в цифровом виде с целью оптимизации управления реактором, исследования безопасности работы и сокращения непродуктивных переходных периодов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРИЛАГАЕМЫХ ФИГУР

Другие достоинства и характеристики изобретения станут очевидными из приведенного далее описания в форме неограничительных примеров со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых представлены:

Фигура 1 - схематичное покомпонентное перспективное изображение открытого реактора пластинчатого типа, используемого в способе согласно изобретению;

Фигура 2 - схематичное изображение реакционной камеры реактора, показанной на Фигуре 1, с разделением на отдельные ячейки;

Фигура 3 - схематичное изображение отдельной ячейки реакционной камеры, показанной на Фигуре 2;

Фигура 4 - схематичное изображение отдельной реакционной ячейки, соединенной с двумя отдельными ячейками для циркуляции рабочей жидкости;

Фигуры 5а, 5b и 5с - схемы, показывающие основные шаги способа оптимизации согласно изобретению;

Фигуры 6 и 7 - графики, показывающие влияние концентрации реагента и скорости его потока, а также скорости потока рабочей жидкости на температуру и выход реакции окисления тиосульфата натрия;

Фигуры 8-10 - графики, показывающие влияние количества и расположения точек подачи реагента на температуру реакции гидролиза уксусной кислоты; и

Фигуры 11 и 12 - графики, показывающие влияние скорости подачи реагента в несколько точек подачи на температуру и выход реакции получения неопентилгликоля.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фигуре 1 показана схема открытого реактора непрерывного действия, содержащего набор пластин 20, 21, 22, 23, между которыми образуются параллельные камеры. Пластины 21 и 22 называются "переходными". Между ними образуется реакционная камера 24, содержащая точку 25а подачи реагента и одну или несколько точек 25b подачи одного или нескольких других реагентов, а также точку 26 выхода продуктов реакции. Пластины 20 и 23 являются адиабатическими пластинами и совместно с пластинами 21 и 22 они образуют левую боковую камеру 27 и правую боковую камеру 28 для циркуляции теплообменной рабочей жидкости, при этом каждая боковая камера 27, 28 имеет вход 29 и выход 30 для рабочей жидкости.

Рабочие жидкости, циркулирующие в левой боковой камере 27 и правой боковой камере 28, могут быть одинаковыми или различными. Обычно в качестве рабочей жидкости используют воду или этиленгликоль.

Набор пластин 20, 21, 22, 23 образует реакторный блок, при этом пластины 20 и 23 служат для его тепловой изоляции от внешней окружающей среды или от реакторных блоков, соединенных с ним последовательно. Камеры 24, 27 и 28 обычно снабжают средствами, которые образуют проходы потоков жидкостей внутри указанных камер. Так, например, реакционная камера 24 содержит вкладыши, образующие перегородку, которая направляет реакционную среду по зигзагообразной траектории в реакционной камере 24, как показано на Фигурах 1 и 2.

Камеры 24, 27 и 28 непрерывно питаются при помощи соответствующих средств (не показаны).

При оптимальных режимах работы суммарный коэффициент теплопередачи пластинчатого реактора может лежать в пределах от 2000 Ватт на квадратный метр на градус Кельвина (Вт м^-2·К^-1) до 5000 Вт м^-2·К^-1. Температуру в реакционной камере 24 регулируют, например, путем выбора соответствующей температуры и/или скорости потока вторичных жидкостей, циркулирующих по обеим сторонам реакционной камеры 24, а также путем выбора соответствующих состава, температуры и/или скорости потока реакционной среды в реакционной камере и/или путем выбора соответствующего направления потока рабочей жидкости в каждой боковой камере по отношению к направлению потока реакционной среды в реакционной камере. Рабочая жидкость течет параллельным потоком, если она протекает в двух боковых камерах 27 и 28 в том же направлении, что и реакционная среда в реакционной камере 24, противотоком, если она протекает в противоположном направлении, и перекрестным потоком, если в одной боковой камере она течет в том же направлении, что и реакционная среда, а в другой боковой камере - в противоположном направлении, как показано на Фигуре 1. В данном примере реакционная среда и рабочая жидкость пересекаются, поскольку реакционная среда течет горизонтально, следуя зигзагообразной траектории, а рабочая жидкость протекает вертикально. Однако может быть принята и какая-либо иная конфигурация потоков, например параллельная конфигурация.

Важной характеристикой способа согласно изобретению является создание динамической модели реактора для данной реакции.

Такая модель включает разделение реакционной камеры на отдельные ячейки, содержимое каждой из которой тщательно перемешивается, посредством экспериментального исследования распределения времени пребывания, что дает возможность анализировать поток и определять мертвое пространство и предпочтительные проходы, а также позволяет характеризовать смесь в реакционной камере 24.

Экспериментальный анализ распределения времени пребывания дает возможность характеризовать ее с точки зрения среднего времени пребывания и дисперсии (σ²). На основе этих характеристик можно определить количество отдельных ячеек, необходимое для представления степени смешивания, и гидродинамику реального реактора. Так, например, указанное количество ячеек можно рассчитать при помощи следующей формулы:

На практике это количество зависит, в частности, от скорости подачи в реакционную камеру 24 и от вязкости реакционной среды. Количество отдельных ячеек для пластинчатого реактора, содержащего три реакторных блока, равно, например, 70 для реакционной среды, состоящей только из воды, подаваемой со скоростью 25 литров в час (л·час^-1), 100 - для воды, подаваемой со скоростью 50 л·час^-1, 130 - для воды, подаваемой со скоростью 80 л·час^-1, и 25 - для реакционной среды, состоящей из этиленгликоля, подаваемого со скоростью 50 л·час^-1.

В примерах, показанных на Фигурах 1 и 2, реакционная камера содержит двенадцать отдельных ячеек. Эти двенадцать отдельных ячеек пронумерованы числами от 1 до 12 в соответствии с горизонтальной зигзагообразной траекторией протекания реакционной среды через реакционную камеру 24 от точек подачи 25а, 25b до точки 26 выхода из указанной камеры 24. Такое протекание среды обеспечивается вышеупомянутым вкладышем, установленным в реакционной камере 24.

Двенадцать ячеек образуют четыре ряда по три ячейки в каждом. Реагент вводят в реакционную камеру 24 из точки подачи 25а в ячейке 1. Реакционная среда проходит горизонтально из ячейки 1 в ячейку 2, а затем в ячейку 3, выходит из ячейки 3 и поступает в расположенную вертикально под ней ячейку 4, а затем проходит горизонтально в ячейки 5 и 6. После этого реакционная среда выходит из ячейки 6 и поступает в расположенную вертикально под ней ячейку 7, а затем проходит горизонтально в ячейки 8 и 9, и, наконец, реакционная среда выходит из ячейки 9 и поступает в расположенную вертикально под ней ячейку 10, а затем проходит горизонтально в ячейки 11 и 12 и выходит из реакционной камеры 24 через точку 26. Для подачи одного или нескольких других реагентов можно также предусмотреть точки подачи 26b в первой ячейке или в других отдельных ячейках, отличных от первой.

В одном из вариантов реализации реакционная среда может протекать в реакционной камере 24 параллельно по отношению к рабочей жидкости, протекающей в боковых камерах 27 и 28.

Аналогично этому боковые камеры 27 и 28 разбивают на отдельные ячейки для протекания рабочей жидкости таким образом, чтобы каждая отдельная ячейка реактора располагалась между двумя отдельными ячейками потока рабочей жидкости.

На фигуре 1 левая и правая боковые камеры 27 и 28 содержат соответствующие последовательности А, В, С, D, Е, F, G, H, I, J, К, L и А', В', С', D', Е', F', G', H', I', J', К', L' отдельных ячеек потока рабочей жидкости. Алфавитный порядок буквенных обозначений ячеек соответствует порядку возрастания номеров отдельных реакционных ячеек и не соответствует последовательности протекания потока рабочей жидкости, который направлен вниз в левой камере 27 и вверх в правой камере 28. Разбивая реакционную камеру 24 на отдельные ячейки, для реакционной среды, протекающей в каждой отдельной ячейке, можно определить тепловое влияние рабочей жидкости, протекающей в двух соответствующих боковых отдельных ячейках, действующее через две переходные пластины 21 и 22, которые образуют реакционную камеру 24. Так, например, теплообмен может происходить между отдельной ячейкой Е потока рабочей жидкости и отдельной реакционной ячейкой 5 через пластину 21, а также между отдельной ячейкой Е' потока рабочей жидкости и отдельной реакционной ячейкой 5 через пластину 22.

В варианте реализации, показанном на Фигуре 1, тепловые характеристики ячейки 5 определяются тепловыми характеристиками ячейки, расположенной непосредственно перед ней по направлению потока реакционной среды, т.е. ячейки 4. Аналогично этому тепловые характеристики ячеек Е и Е' определяются тепловыми характеристиками ячеек В и Н' соответственно, расположенными перед ячейками Е и Е' в направлении потока рабочей жидкости.

Отдельные реакционные ячейки рассматриваются как реакторы с непрерывным перемешиванием. Это дает возможность обобщить уравнения характеристик и балансов реактора и химической реакции в математической модели, использующей некоторое количество уравнений, которое является функцией количества отдельных реакционных ячеек, при этом данное количество уравнений задается следующим выражением:

n = [Количество ячеек] × (Количество уравнений на одну ячейку).

Количество уравнений в математической модели является также функцией количества зон, используемых в камерах протекания рабочей жидкости. Термин "рабочая зона" используется для обозначения части камеры для протекания рабочей жидкости, которая имеет свои собственные точки подачи и выхода рабочей жидкости. Так, камера для протекания рабочей жидкости, имеющая три рабочие зоны, включает три точки подачи и три точки выхода для рабочей жидкости. При этом количество уравнений в математической модели задается следующим выражением:

n = [Количество ячеек] × (Количество уравнений на одну ячейку)+(Количество уравнений на одну зону)×[Количество рабочих зон].

В зависимости от рассматриваемой модели, т.е. для гомогенной среды или двухфазной среды, количество уравнений будет различным, при этом общее количество уравнений модели определяется следующими уравнениями:

гомогенная модель:

n=[(n_{ячейка/блок}+3)×n_блок+1]×(16+n_комп)+3×n_{зона/блок}×n_блок;

двухфазная модель:

n=[(n_{ячейка/блок}+3)×n_блок+1]×(21+2×n_комп)+3×n_{зона/блок}×n_блок,

где n_комп представляет собой количество компонентов химической реакции, n_блок - количество реакторных блоков, n_{зона/блок} - количество рабочих зон на реакторный блок и n_{ячейка/блок} - количество отдельных ячеек на реакторный блок.

Для химической реакции в гомогенной или однофазной среде характеристические уравнения будут следующими, например:

для каждой отдельной ячейки реакционной камеры: общий материальный баланс, покомпонентный баланс масс, энергетический баланс, баланс давлений, объемная модель, модель молярной энтальпии, ограничение по объему, модель молярных объемов, тепловой баланс для тепловой среды, тепловые балансы для переходных пластин, тепловые балансы для рабочих жидкостей, тепловые балансы для адиабатических пластин, материальные балансы для рабочих жидкостей; и

для каждой рабочей зоны в потоке рабочей жидкости: температурные ограничения для рабочих жидкостей и ограничение скорости потока рабочих жидкостей.

Для химической реакции в двухфазной или гетерогенной среде характеристические уравнения будут следующими, например:

для каждой отдельной ячейки реакционной камеры: общий материальный баланс для сплошной фазы и дисперсной фазы, покомпонентный материальный баланс для сплошной фазы и дисперсной фазы, энергетический баланс, баланс давлений, объемные модели для сплошной фазы и дисперсной фазы, модели молярной энтальпии для сплошной фазы и дисперсной фазы, модели молярных объемов для сплошной фазы и дисперсной фазы, ограничения по объему для сплошной фазы и дисперсной фазы, тепловой баланс для тепловой среды, тепловые балансы для переходных пластин, тепловые балансы для рабочих жидкостей, тепловые балансы для адиабатических пластин, материальные балансы для рабочих жидкостей; и

для каждой рабочей зоны в потоке рабочей жидкости: температурные ограничения для рабочих жидкостей и ограничение скорости потока рабочих жидкостей.

Динамическая модель реактора согласно изобретению создается на основе динамической модели реакционной камеры и динамической модели теплообмена, при этом каждая динамическая модель содержит уравнения, которые относятся к отдельной реакционной ячейке 5, схематично представленной на Фигуре 3 в виде прямоугольника.

Стрелки 32 и 33 представляют соответственно направление потока реакционной среды в отдельной ячейке 5 реакционной камеры 24 и рабочей жидкости в отдельных боковых ячейках Е и Е' боковых камер 27 и 28. В этом примере направление потока рабочих жидкостей в двух камерах 27 и 28 совпадает с направлением потока реакционной среды в реакционной камере 24 в отличие от примера, показанного на Фигуре 1. Индексы p и u используются для указания реакционной среды и рабочей жидкости соответственно. F_p представляет собой молярную скорость потока реакционной среды в отдельной ячейке и измеряется в молях в секунду (моль·с^-1), Т_р и Т_u представляют собой соответственно температуру реакционной среды и рабочей жидкости в их отдельных ячейках, выраженную в К, Н_р - молярная энтальпия реакционной среды в отдельной ячейке, выраженная в джоулях на моль (Дж·моль^-1), V_p - объем отдельной реакционной камеры, выраженный в кубических метрах (м³), u_p - количество молей в реакционной среде в отдельной ячейке, x_р - молярная доля реагента или компонента (i) в отдельной ячейке, надстрочные индексы k-1 и k указывают номер отдельной реакционной ячейки (от 1 до 12 в варианте реализации реакционной камеры 24, показанной на фигурах 1 и 2) или буквенное обозначение отдельной ячейки потока рабочей жидкости (от А до L и от А' до L' для левой и правой камер 27 и 28 на Фигуре 1).

Если допустить, что содержимое отдельных ячеек реакционной камеры 24 тщательно перемешивается, то химическая реакция протекает в гомогенной однофазной среде, к которой можно применить уравнение Аррениуса, и динамическая модель реакционной камеры содержит, например, следующие уравнения:

общий материальный баланс для реакционной среды в отдельной ячейке (в моль·с^-1):

где покомпонентный материальный баланс для компонентов (i) реакционной среды в отдельной ячейке (в моль·с^-1):

уравнение баланса давлений для реакционной среды в отдельной ячейке (в паскалях (Па)):

P^k _p=P^k-1 _p-ΔP^k _p;

уравнение объемной модели для реакционной среды в отдельной ячейке (в м³):

V^k _p-mV^k _p=0, где mV^k _p=u^k _p×V^ml.k _p;

уравнение молярной энтальпии реакционной среды в отдельной ячейке (в Дж·моль^-1):

H^k _p-mH^k _p=0;

объемное ограничение или уравнение скорости молярного потока для реакционной среды в отдельной ячейке (в м³ или моль·с^-1):

F^k _p=0

на этапе заполнения всех отдельных реакционных ячеек, а затем:

когда ячейки заполнены;

где F^f - скорость подачи в моль·с^-1, Δn представляет собой скорость образования продукта в молях на кубический метр в секунду (моль·м^-3·с^-1), α - стехиометрический коэффициент, r - скорость реакции в моль·м^-3·с^-1, k° - предэкспоненциальный множитель, Е_а - энергия активации в Дж·моль^-1, R - постоянная идеального газа, С - концентрация реагента в моль·м^-3, V - объем в м³, mV и mН - модель модуля и модель энтальпии (м³ и Дж·моль^-1) соответственно, V^ml - молярный объем в кубических метрах на моль (м³·моль^-1), надстрочный индекс "cell" означает физическую ячейку, надстрочный индекс β - порядок реакции, подстрочный индекс j - номер реакции, подстрочный индекс i - рассматриваемый компонент, t - время в секундах, Т - температура в К, Р - давление, ΔР - падение давления в паскалях (Па), которое определяется следующим уравнением:

где коэффициент трения Фэннинга f определяется как f=5,0464 Re^-0,5328 для проходящего через отдельную реакционную ячейку ламинарного потока реакционной среды (число Рейнольдса Re<2200) или f=2,17347 Re^-0,42316 для турбулентного потока (Re>2200);

L - длина пути прохождения реакционной среды через реакционную камеру 24 в метрах (м), ρ - плотность реакционной среды в килограммах на кубический метр (кг·м^-3),

v - скорость реакционной среды в метрах в секунду (м·с^-1), a d_h - эквивалентный гидравлический диаметр отдельной реакционной ячейки в метрах (м).

Принимается допущение о том, что пластинчатый реактор образован последовательностью реакторов с непрерывным перемешиванием и что физические свойства рабочей жидкости являются постоянными и однородными для данной температуры. При этом динамическая модель рабочей жидкости включает, например, следующие уравнения:

уравнение непрерывности потока рабочей жидкости (в кубических метрах в секунду (м³·с^-1)):

Fⁱⁿ _u=F^out _u

уравнение непрерывности температуры рабочей жидкости (в градусах Кельвина (К)):

где надстрочные индексы "in" и "out" означают соответственно вход и выход камеры для протекания рабочей жидкости, "ncr" означает количество ячеек в одном ряду ячеек камеры для протекания рабочей жидкости (на Фигуре 1 ncr равно трем для камер 27 и 28), а "nc" означает последнюю ячейку в камере для протекания рабочей жидкости (на Фигуре 1 в камере 27 nc означает L, nc-1 означает К, а nc-2 означает J; в камере 28 nc означает А', nc-1 означает В', а nc-2 означает С').

Динамическая модель включает также модель поведения реагентов в соединительном элементе 34 (Фигура 2) между средством подачи реагента и точкой подачи 25а в ячейке 1, а также модель поведения реакционной среды в соединительном элементе 35 между точкой выхода 26 из ячейки 12 и средством отбора продуктов реакции или точкой подачи или входом в ячейку во второй реакционной камере (образующей второй реакторный блок; не показана). При создании динамической модели пластинчатого реактора важно учитывать соединительные элементы 34 и 35, поскольку общий объем этих элементов не является пренебрежимо малым по сравнению с объемом реакционной камеры 24 и может оказывать влияние на выход химической реакции. Кроме того, в таких соединительных элементах ограничен теплообмен рабочими жидкостями.

В теплообмене участвуют многие элементы пластинчатого реактора, в частности переходные пластины 21, 22, камеры 27, 28 для протекания рабочей жидкости, адиабатические пластины 20, 23 и тепловое окружение реакционной среды (наличие вкладышей в реакционной камере 24).

Модель теплообмена реакционной среды в отдельных реакционных ячейках включает характеристические уравнения, применимые к отдельной реакционной ячейке 5, схематично представленной прямоугольником на Фигуре 4 и образованной двумя пластинами 21 и 22 и двумя боковыми ячейками Е, Е' для протекания рабочей жидкости, которые, как показано на Фигуре 1, образуются пластинами 20, 21 и 22, 23 соответственно. Стрелки 32 и 33 представляют соответственно направление потока реакционной среды в отдельной ячейке 5 реакционной камеры 24 и рабочей жидкости в отдельных боковых ячейках Е, Е' боковых камер 27, 28, при этом направление потока рабочей жидкости в двух камерах 27, 28 совпадает с направлением потока реакционной среды в реакционной камере 24 в отличие от примера, показанного на Фигуре 1.

Температура рабочей жидкости в отдельной боковой ячейке зависит от температуры предшествующей отдельной боковой ячейки в направлении потока рабочей жидкости, а также от наличия рабочих зон в реакторном блоке. При этом можно представить все термические конфигурации, возможные для различных направлений потоков рабочих жидкостей по отношению к направлению потока реакционной среды.

Подстрочные индексы u_L и u_R используются для обозначения рабочих жидкостей соответственно в левой камере 27 и в правой камере 28, остальные индексы имеют такие же значения, как описано выше.

Если допустить, что физические свойства переходных и адиабатических пластин и рабочей жидкости являются постоянными для отдельной ячейки при данной температуре и что температура каждой пластины рассчитывается в средней части стенки, то модель теплообмена реакционной среды будет содержать, например, следующие уравнения:

уравнение энергетического баланса для реакционной среды в отдельной реакционной ячейке (в джоулях в секунду (Дж·с^-1)):

где

с уравнением теплового баланса для рабочей жидкости в боковой ячейке левой камеры 27 (в Дж·с^-1, с использованием такого же уравнения для боковой ячейки в правой камере 28):

уравнение теплового баланса для пластины 21, расположенной между отдельной реакционной ячейкой и боковой ячейкой левой камеры 27 (в Дж·с^-1, с использованием такого же уравнения для пластины 22, расположенной между отдельной реакционной ячейкой и боковой ячейкой правой камеры 28)

где

Fp и Fu представляют собой соответственно скорость молярного потока реакционной среды в моль·с^-1 и объемную скорость потока рабочей жидкости в м³·с^-1, е - толщина пластин 21, 22, образующих реакционную камеру 24 в м,

λ - теплопроводность в джоулях в секунду на метр на градус Кельвина (Дж·с^-1·м^-1·K^-1),

h - коэффициент теплопередачи в джоулях в секунду на квадратный метр на градус Кельвина (Дж·с^-1·м^-2·К^-1), Т - температура в градусах Кельвина, Ср - удельная теплоемкость среды в джоулях на килограмм на градус Кельвина (Дж·кг^-1·К^-1),

ρ - плотность среды в кг·м^-3, Δq - теплота, выделяющаяся в результате реакции в Дж·м^-3·с^-1, ΔНr - молярная теплоемкость реакции в Дж·моль^-1, А - площадь теплообмена в м², а подстрочные индексы puL и puR обозначают соответственно пластину 21 между реакционной камерой 24 и левой камерой 27 и пластину 22 между реакционной камерой 24 и правой камерой 28.

Вышеописанная модель теплообмена является обобщенной, чтобы включать тепловую инерцию пластинчатого реактора. Модель тепловой инерции служит для учета конструкции и состава различных элементов пластинчатого реактора. Так, например, она включает следующие уравнения, которые отличаются от приведенных выше тем, что учитывают температуру окружающей среды различных жидкостей:

уравнение энергетического баланса для окружающих условий реакционной среды в отдельной реакционной ячейке (в Дж·с^-1):

уравнение теплового баланса для окружающих условий рабочей жидкости в боковой ячейке левой камеры 27 (в Дж·с^-1, с использованием такого же уравнения для боковой ячейки правой камеры 28):

уравнение теплового баланса для окружающих условий реакционной среды в отдельной реакционной ячейке (в Дж·с^-1):

уравнение теплового баланса для окружающих условий адиабатической пластины 20 левой камеры 27 (в Дж·с^-1, с использованием такого же уравнения для адиабатической пластины 23 правой камеры 28):

где коэффициенты теплопередачи выражаются следующим образом (в (Дж·с^-1·м^-2·K^-1):

где подстрочные индексы te_p и te_u обозначают соответственно тепловые окружающие условия реакционной среды и рабочей среды, а H^f - молярную энтальпию мощности поступающего потока в Дж·моль^-1.

Теплообмен между реакционной средой и рабочими жидкостями учитывается отдельно для каждой переходной пластины 21, 22, чтобы включить в динамическую модель тепловую инерцию, связанную с этими пластинами (изготовленными, например, из нержавеющей стали).

Уравнение теплового баланса для окружающих условий реакционной среды в отдельной реакционной ячейке, которое зависит от температуры теплового окружения реакционной среды, дает возможность учитывать тепловую инерцию, вызванную конструкцией реакционной камеры 24 и вкладышами (изготовленными, например, из полиэфирэфиркетона), которые присутствуют в этой камере. Для данной отдельной ячейки площадь теплопередачи и массу указанного теплового окружения рассчитывают на основе геометрических характеристик вкладыша и на основе конструкции реакционной камеры 24.

Уравнения теплового баланса для окружающей среды рабочих жидкостей в отдельных ячейках левой и правой боковых камер 27 и 28, которые зависят от температуры теплового окружения рабочих жидкостей, позволяют учитывать в динамической модели тепловую инерцию, связанную с адиабатическими пластинами 20 и 23 (изготовленными, например, из нержавеющей стали). Характеристики теплового окружения (площадь теплопередачи, масса) рассчитывают на основе геометрических характеристик этих адиабатических пластин.

Для данной химической реакции, протекающей в двухфазной среде, динамическая модель реактора включает все вышеуказанные характеристические уравнения и уравнения баланса (энергии, тепла, массы и т.п.), установленные для каждой фазы, при этом сплошная фаза представляет собой жидкость, а дисперсная фаза - жидкость или газ. Динамические модели реакционной среды в реакционной камере 24, рабочих жидкостей в боковых камерах 27 и 28, поведения реакционной среды во входных и выходных элементах 34 и 35 реакционной камеры 24, падения давления, теплообмена реакционной среды в отдельных ячейках 1-12 и тепловой инерции реактора адаптируют для создания динамической модели открытого реактора пластинчатого типа для реакции в данной двухфазной среде.

Для этой цели температуры и давления в каждой фазе считают идентичными, а реакционную среду считают псевдогомогенной средой с физическими свойствами соответствующей двухфазной среды, которые определяются ассоциативной взаимосвязью, объединяющей физические свойства каждой из ее фаз, а также их соответствующими соотношениями. При этом допускается, что эти фазы однородно распределяются в каждой ячейке. Ниже приведены примеры ассоциативной взаимосвязи:

расчетная плотность двухфазной среды:

расчетная удельная теплоемкость двухфазной среды:

расчетная теплопроводность двухфазной среды:

расчетная вязкость двухфазной среды:

где n_i представляет собой количество молей фазы, выраженное в молях, M_i представляет собой молярную массу в килограммах на моль (кг·моль^-1), m - общая масса двухфазной среды в килограммах (кг), i - подстрочный индекс, указывающий сплошную или дисперсную фазу, λ - теплопроводность среды в Дж·м^-1·с^-1·К^-1, а µ - вязкость среды в Паскаль-секундах (Па·с).

Точность динамической модели реактора для проведения реакции в двухфазной среде основана на реакционной среде, которая является стабильной, и поэтому имеет место равновесие между двумя фазами. Правила равновесия, используемые в математической модели, являются функцией размера капель дисперсной фазы в сплошной фазе. Размер и распределение капель определяются при помощи программного средства для определения численности капель, чтобы прогнозировать изменение первоначального распределения размеров капель с течением времени и, следовательно, прогнозировать величину диаметра по Заутеру в различных отдельных ячейках камеры 24 пластинчатого реактора. Это изменение зависит от скоростей, с которыми капли появляются и исчезают, при этом указанные скорости непосредственно связаны с процессами слияния и разрыва. Процессы слияния и разрыва вводят в программу на основании корреляций, связанных с физическими свойствами и свойствами переноса двухфазной среды.

Модель переноса вещества основана на допущении того, что дисперсная фаза представлена в форме сферических капель, имеющих средний диаметр, равный диаметру по Заутеру. Перенос вещества между двумя фазами моделируется на основании теории двойной пленки Уитмена.

В динамической модели метода оптимизации согласно изобретению характеристики переноса вещества рассчитывают для каждой отдельной ячейки. Вследствие корреляций переноса вещества все характеристики переноса вещества (коэффициент переноса масс, площадь поверхности раздела, растворимость) связаны с физическими свойствами двухфазной среды типа жидкость-жидкость и с диаметром по Заутеру. Вследствие этого точное представление поведения пластинчатого реактора для данной двухфазной среды типа жидкость-жидкость требует только правильного определения диметра по Заутеру для каждой отдельной ячейки реакционной камеры.

На фигуре 5а показана схема основных шагов метода оптимизации согласно изобретению, в котором динамическая модель 36 пластинчатого реактора содержит множество характеристических уравнений и уравнений балансов для реактора, как описано выше.

Интегрирующее программное средство 37 используется для моделирования поведения пластинчатого реактора на основании динамической модели реактора для данной реакции. Это средство позволяет решать систему как алгебраических, так и дифференциальных уравнений динамической модели при помощи базы данных, которая включает гидродинамическое описание реактора 38, физические свойства 39 реакционной среды, рабочих жидкостей и материалов компонентов реактора (вкладыши, пластины и т.п.), модели 40 для теплоты реакции и кинетики химической реакции, теплопереноса 41 между различными жидкостями и переноса 42 вещества типа жидкость-жидкость или жидкость-газ для реакций в двухфазной среде. Для того чтобы интегрировать динамическую модель для программного средства требуются многочисленные параметры или входные величины, которые участвуют в различных моделях. Эти параметры включают технологические режимы 43 для проведения реакции, в частности количество реакций, количество реагентов, природу реагентов, скорости их потоков, их температуры, их давления, длительность их подачи, характеристики реакций, стехиометрические коэффициенты, порядки реакций, предэкспоненциальный коэффициент для констант скорости реакций, энергии активации, скорости потоков и температуры рабочих жидкостей, описание 44 основной конфигурации реактора, включающее, например, количество реакционных ячеек в реакторном блоке, количество реакционных ячеек в ряду, количество реакторных блоков, количество рабочих зон в реакторном блоке, размеры пластинчатого реактора, температуру внешней среды, площади теплообмена, количество пластин, их толщину, их плотности, их теплоемкости, их теплопроводности, размеры вкладышей, их плотности, их теплоемкости, природу рабочих жидкостей, а также другие параметры для интеграции, в частности допуски на абсолютные погрешности или время для интеграции.

Специалистам в данной области техники известны такое программное средство и база данных. База данных представляет собой, например, Bipphy®. Интегрирующим программным средством является, например, DISCo, которое позволяет с большой скоростью и точностью решать динамические модели, содержащие более чем 5000 характеристических уравнений и уравнений балансов.

DISCo (Do Integrate by Software Components) представляет собой средство для интегрирования систем алгебраических и дифференциальных уравнений на основе обратного дифференцирования методом Джеара с использованием схемы "предиктор-корректор". Это средство обладает множеством достоинств, в частности возможностью обрабатывать систему в целом без различий между уравнениями или переменными, возможностью интегрировать дополнительные уравнения и, следовательно, дополнительные переменные в основную систему, обеспечивая при этом большую гибкость математической модели, автоматическими процедурами для событий обнаружения и для расчета согласованных начальных условий, что является особенно полезным для поиска и управляющих событий (процедура запуска, динамика), а также возможностью обработки системы посредством разреженной матрицы, что приводит к существенному снижению времени вычислений.

Интегрирующее программное средство 37 служит для моделирования поведения химического реактора, которое называется состоянием 45 реактора, применительно к данной химической реакции. Такое моделирование дает возможность, например, прогнозировать выход химической реакции, температурные изменения во время реакции и т.п.

На Фигуре 5b показана схема поиска оператором оптимального размера или конфигурации 46 реактора. Для этого оператор определяет или оценивает цели 47, которых необходимо достичь, в частности повышение производительности (выход реакции), экологическую чистоту (малое количество отходов) или низкую стоимость, устанавливает ограничения 48, которые необходимо соблюдать и которые могут касаться, например, безопасности, в частности задание максимальной температуры для реакционной среды, которую нельзя превышать, или производительности, или рентабельности при предварительно заданном максимальном или минимальном количестве реагентов, или касаться экологии с ограничением отходов, которые являются токсичными, или вредными, или сложными для переработки или для биологического разложения, а также устанавливает переменные параметры 49 конструкции реактора.

Эти переменные параметры 49 включают, например, количество реакторных блоков, количество рабочих зон в одном блоке, количество и расположение точек питания, размеры реакционных камер, параллельные, противоположные или перекрестные направления потоков рабочих жидкостей по отношению к направлению потока реакционной среды в реакционной камере, а также количество, природу и геометрию вкладышей в реакционной камере.

В одном из вариантов реализации достигаемая цель может представлять собой математическую функцию, содержащую множество количественных критериев. Так, например, функция, задающая цель для производственной линии, может быть определена по критерию выработки и критерию экологичности следующим уравнением:

f=q_p×k_p-q_x×k_x,

где q_p - количество продукта, которое требуется получить в результате реакции,

k_p - себестоимость единицы продукта, q_x - количество продукта реакции, не имеющего размерной величины, k_x - стоимость переработки или уничтожения этого продукта.

Оператор может также определить допустимые отклонения этих целевых значений и ограничений, т.е. разрешенные пределы.

Способ согласно изобретению дает возможность произвести оптимизацию 46 размеров или конфигурации реактора на основании определенного выше состояния 45 реактора, определенных выше рабочих режимов 43, указанных целевых значений 47, ограничений 48 и переменных параметров 49. Оптимизацию производят путем множественного последовательного моделирования 50, которое позволяет получать максимально возможное количество целевых значений или целевых функций, которые необходимо достичь, соблюдая ограничения и возможно также разрешенные пределы для целевых значений и ограничений, учитывая все переменные характеристики конструкции пластинчатого реактора.

Размеры реактора оптимизируют при помощи второго программного средства 51, в частности SQP® (Successive Quadratic Programming), которое дает возможность определять оптимальные параметры 46 для размеров или конфигурации реактора для данной реакции.

На Фигуре 5с показана схема определения оператором оптимальных рабочих режимов 52, обеспечивающих оптимальное функционирование реактора для данной реакции. Целевые значения 47, которых необходимо достичь, и ограничения 48, которые необходимо соблюсти, остаются такими же, как и при оптимизации размеров реактора. Изменяются только переменные параметры, которые являются переменными параметрами 53 реакции и включают, например, скорость потока, температуру, давление и состав различных реагентов, порядок подачи реагентов в реакционную камеру 24, а также скорости потоков и температуры рабочих жидкостей.

Способ согласно изобретению дает возможность оптимизировать функционирование реактора за счет определения оптимальных режимов работы реактора для данной реакции на основании предварительно определенных размеров или формата реактора, вышеуказанных режимов работы, а также вышеуказанных целевых значений, ограничений и переменных. Оптимизацию производят путем множественного последовательного моделирования 50, которое позволяет получать максимально возможное количество целевых значений или целевых функций, указанных выше, соблюдая ограничения и возможно также разрешенные пределы для целевых значений и ограничений, учитывая все переменные характеристики реакции.

Работу реактора также оптимизируют при помощи вышеуказанного программного средства 51. Оптимальные режимы работы дают возможность, например, проводить сравнительные исследования по управлению реактором, безопасности и чувствительности химической реакции.

Примеры оптимизации функционирования пластинчатого реактора данного размера и для заданных реакций показаны на Фигурах 6-12.

На Фигурах 6 и 7 показаны графики, соответствующие реакции окисления тиосульфата натрия. Ось абсцисс 149 представляет объем реакционной камеры в литрах. Ось ординат 150 слева представляет температуру в градусах Цельсия, а ось ординат 151 справа - выход реакции в масштабе до 1.

Кривая 152 показывает изменение выхода реакции окисления, а кривые 153, 154 и 155 - изменение температуры реакционной среды, рабочих жидкостей и пластин, образующих реакционную камеру, соответственно.

Тиосульфат натрия окисляется перекисью водорода посредством следующей реакции, при этом продуктами реакции являются тритионат натрия, сульфат натрия и вода:

2Nа₂S₂O₃+4H₂O₂→Na₂S₃O₆+Na₂SO₄+4Н₂O

Реакция является чрезвычайно экзотермичной и протекает в гомогенной жидкой среде в пластинчатом реакторе, имеющем три реакторных блока. Вышеуказанное экспериментальное исследование распределения времени пребывания дает возможность рассматривать пластинчатый реактор как последовательность, содержащую 91 отдельную ячейку, при этом реактор содержит три реакторных блока по 27 отдельных ячеек в каждом, а переходной элемент содержит 10 отдельных ячеек между двумя реакторными блоками. Число уравнений в динамической модели реактора для данной реакции составляет 1920.

Реакционная среда, показанная на Фигуре 6, имеет низкую концентрацию реагентов, при этом тиосульфат натрия вводили со скоростью 40 литров в час (л·час^-1) с концентрацией 0,62 моля в литре (моль·л^-1), перекись водорода - 10 л·час^-1 с концентрацией 1,28 моль·л^-1. Рабочие жидкости представляли собой воду с температурой 14°С, которую вводили в каждый реакторный блок со скоростью потока 3,4 м³·час^-1.

Оператор поставил единственную задачу - повысить выход реакции при оптимизации, при этом переменным параметром реакции была скорость потока рабочих жидкостей, а ограничением - температура реакционной среды, которая должна была оставаться ниже 45°С.

Реакционная среда, показанная на Фигуре 7, имеет более высокую концентрацию реагентов, при этом тиосульфат натрия вводили со скоростью 40 л·час^-1 с концентрацией 0,75 моль·л^-1, перекись водорода - 10 л·час^-1 с концентрацией 1,59 моль·л^-1. Рабочие жидкости представляли собой воду с температурой 14°С, которую вводили в первый реакторный блок со скоростью потока 1,8 м³·час^-1, а в два других реакторных блока - со скоростью потока 0,9 м³·час^-1.

Способ согласно изобретению дает возможность оптимизировать пластинчатый реактор для реакции окисления тиосульфата натрия, используя переменные параметры реакции, в частности скорости потоков рабочих жидкостей.

Затем реакцию окисления тиосульфата натрия провели в пластинчатом реакторе, созданном для работы с оптимизированными скоростями потоков рабочих жидкостей, и в это время измерили физические параметры, в частности температуру и давление, чтобы проверить функционирование реактора.

На Фигурах 6 и 7 ромбическими точками 156 показаны результаты экспериментальных измерений выхода реакции, а квадратными точками 157 и треугольными точками 158 - соответствующие результаты экспериментальных измерений температуры реакционной среды и рабочих жидкостей.

Экспериментальные результаты близки к соответствующим кривым, что подтверждает правильность моделирования данной химической реакции в пластинчатом реакторе и позволяет определить точность динамической модели.

Кроме того, моделирование служит для точного определения температурного пика 158 на фигуре 7 (более 90°С), который отсутствует в экспериментальных измерениях вследствие малого количества датчиков и их конкретного расположения. Максимальный результат измерения температуры реакционной среды составляет менее 60°С.

Фигуры 8-10 представляют собой графики, соответствующие реакции гидролиза уксусного ангидрида. Ось абсцисс 159 представляет количество отдельных реакционных ячеек. В данном варианте реализации реактор содержит тридцать отдельных ячеек, составляющих три реакторных блока. Проход из одной реакционной камеры в следующий блок схематично показан прерывистыми линиями 160. Ось ординат 161 представляет температуру в градусах Цельсия. Кривые 162, 163 и 164 показывают изменение температуры реакционной среды, рабочих жидкостей и переходных пластин, образующих реакционную камеру, соответственно. Гидролиз уксусного ангидрида для получения уксусной кислоты проводят посредством следующей реакции:

СН₃-СО-O-СО-СН₃+Н₂O→2СН₃-СО-ОН

Оператор поставил цель обеспечить максимальную производительность, ограничением является температура реакционной среды, которая должна оставаться менее 80°С, а переменные параметры для оптимизации размеров реактора - количество и расположение реакционных точек питания.

на Фигуре 8 уксусный ангидрид вводили только в ячейку 1 реакционной камеры при температуре 30°С со скоростью 40 л·час^-1. Воду также вводили в ячейку 1 при температуре 30°С со скоростью 10 л·час^-1. Поскольку реакция является чрезвычайно экзотермической, рабочие жидкости имели температуру 15°С и скорость потока 10800 л·час^-1. Можно видеть, что значения, выбранные для оптимизации переменных, не соответствуют температурному ограничению.

На Фигуре 9 уксусный ангидрид вводили только в ячейку 1 реакционной камеры при температуре 30°С со скоростью 40 л·час^-1. Воду вводили в ячейку 1 (первая ячейка первого блока) при температуре 30°С со скоростью 5 л·час^-1 и в ячейку 11 (первая ячейка второго реакторного блока) при температуре 30°С со скоростью 5 л·час^-1. Рабочие жидкости имели температуру 15°С и скорость потока 10800 л·час^-1.

При этом воду вводили в реакционную камеру дважды, через две различные точки подачи. Это позволило несколько снизить максимальную температуру реакционной среды, которая уменьшилась со 138°С на Фигуре 8 до 104°С на Фигуре 9. Однако количество и расположение точек подачи реагента в реактор оставалось неправильным, поскольку температурное ограничение все еще не соблюдалось.

На Фигуре 10 уксусный ангидрид вводили только в ячейку 1 реакционной камеры при температуре 30°С со скоростью 40 л·час^-1. Воду вводили в ячейку 1 при температуре 30°С со скоростью потока 3,33 л·час^-1, в ячейку 11 - при температуре 30°С со скоростью потока 3,33 л·час^-1 и в ячейку 21 (первая ячейка третьего реакторного блока) - при температуре 30°С со скоростью потока 3,33 л·час^-1. Рабочие жидкости имели температуру 15°С и скорость потока 10800 л·час^-1.

В этом случае воду вводили в реакционную камеру три раза через три различные точки подачи. Это позволило уменьшить максимальную температуру реакционной среды ниже ограничения, равного 80°С. Таким образом, метод оптимизации дал возможность определить соответствующие размерные параметры, которые обеспечивают заданную производительность и удовлетворяют температурному ограничению.

Фигуры 11 и 12 представляют собой графики, соответствующие реакции получения неопентилгликоля. Ось 165 абсцисс представляет объем реакционной камеры в литрах. В данном варианте реализации реакционная камера содержит 40 отдельных ячеек, образующих четыре блока по 10 отдельных ячеек, каждая из которых имеет объем около 0,035 литров (л). Ось ординат 166 слева представляет температуру в градусах Цельсия, а ось ординат 167 справа - выход реакции в процентах.

Кривая 168 показывает изменение выхода реакции, в то время как кривые 169, 170 и 171 показывают изменение температуры реакционной среды, рабочих жидкостей и пластин, образующих реакционную камеру, соответственно.

Уравнение реакции получения неопентилгликоля:

2(формальдегид)+(2-метилпропанал)+(гидроксид натрия)→(неопентилгликоль)+(формиат натрия).

На Фигурах 11 и 12 вертикальные прерывистые линии 172 и 173 представляют точку подачи гидроксида натрия и точку подачи 2-метилпропанала соответственно. При этом гидроксид натрия вводили только один раз, когда объем реакционной камеры был близок к 0,05 л, что соответствует второй ячейке в реакционной камере (0,035 л на отдельную ячейку), а 2-метилпропанал вводили в трех случаях - в третью ячейку, в пятнадцатую ячейку и в двадцать восьмую ячейку.

Как показано на Фигуре 11, с учетом экзотермичности реакции рабочие жидкости имели температуру 50°С и скорость потока 1,5 м³·час^-1. Реагенты вводили при температуре 18°С, а 2-метилпропанал - с концентрацией 2 моль·кг^-1 при скорости суммарного потока 9,14 л·час^-1 (три инжекции с идентичной скоростью потока примерно 3,05 л·час^-1). Полученный коэффициент конверсии составил 89,4%, а максимальная температура реакционной среды во время реакции была равной 66,6°С.

Оператор поставил задачу повышения выхода реакции получения неопентилгликоля. Переменные параметры для оптимизации протекания реакции: скорость подачи 2-метилпропанала в каждую точку подачи. Ограничение заключалось в том, что максимальная температура реакционной среды не должна превышать 65°С.

Результат показан на Фигуре 12, где рабочие жидкости имели температуру 50°С и скорость потока 1,5 м³·час^-1, реагенты вводили при температуре 18°С, а 2-метилпропанал - с концентрацией 2 моль·кг^-1 при скорости суммарного потока 9,14 л·час^-1. Три инжекции 2-метилпропанала имели различные скорости потоков: 5,91 л·час^-1 для первой подачи в ячейку 3, 2,73 л·час^-1 для второй подачи в ячейку 11 и 0,50 л·час^-1 для третьей подачи в ячейку 21. Полученный коэффициент конверсии составил 95,6%, а максимальная температура реакционной среды во время реакции достигла 65°С, удовлетворив тем самым наложенное ограничение.

Таким образом, метод оптимизации дает возможность достичь заданного выхода реакции при соблюдении температурного ограничения, используя переменные параметры реакции, которые в данном случае представляли собой скорости потока реагента в нескольких точках подачи в реакционную камеру.

Изобретение относится к управлению и оптимизации химической реакции в открытом реакторе пластинчатого типа. Способ включает: использование реактора открытого типа, который состоит из набора пластин, образующих между собой по меньшей мере один блок, имеющий реакционную камеру, образованную между двумя теплообменными боковыми камерами, предназначенными для циркуляции теплообменной рабочей жидкости, средства для подачи в реакционную камеру непрерывного потока одного или нескольких реагентов и средства для подачи в две боковые камеры непрерывного потока рабочей жидкости; создание динамической модели реактора для данной реакции на основе модели реакционной камеры и теплообмена между указанной реакционной камерой и боковыми камерами для циркуляции рабочей жидкости, при этом динамическая модель включает уравнения материального баланса и энергетического баланса, а также ограничительные уравнения; применение к динамической модели интегрирующего программного средства для решения вышеуказанных уравнений; определение и оптимизацию ряда размеров реактора путем корректировки параметров, а именно количества точек подачи реагентов в реакционную камеру, направления потока рабочей жидкости по отношению к реакционной среде, природы и распределения рабочей жидкости, объема реакционной камеры, и/или объемов боковых камер для циркуляции рабочей жидкости, и/или физических параметров реактора, а именно температур, давлений, составов и/или скоростей потоков реакционной среды и рабочих жидкостей; создание пластинчатого реактора указанного типа в соответствии с рядом оптимизированных размеров и/или параметров и проведение замеров физических параметров, в частности температуры и давления, во время протекания указанной реакции в созданном реакторе для проверки его функционирования. Изобретение обеспечивает возможность достижения заданного выхода реакции при соблюдении температурного ограничения, используя переменные параметры реакции. 21 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Способ оптимизации химической реакции в реакторе, отличающийся тем, что указанный способ включает
использование реактора открытого типа, который состоит из набора пластин, образующих между собой по меньшей мере один блок, имеющий реакционную камеру, образованную между двумя теплообменными боковыми камерами, предназначенными для циркуляции теплообменной рабочей жидкости, средства для подачи в реакционную камеру непрерывного потока одного или нескольких реагентов и средства для подачи в две боковые камеры непрерывного потока рабочей жидкости;
создание динамической модели реактора для данной реакции на основе модели реакционной камеры и теплообмена между указанной реакционной камерой и боковыми камерами для циркуляции рабочей жидкости, при этом динамическая модель включает уравнения материального баланса и энергетического баланса, а также ограничительные уравнения;
применение к динамической модели интегрирующего программного средства для решения вышеуказанных уравнений;
определение и оптимизацию ряда размеров реактора путем корректировки параметров, а именно, количества точек подачи реагентов в реакционную камеру, направления потока рабочей жидкости по отношению к реакционной среде, природы и распределения рабочей жидкости, объема реакционной камеры и/или объемов боковых камер для циркуляции рабочей жидкости, и/или физических параметров реактора, а именно, температур, давлений, составов и/или скоростей потоков реакционной среды и рабочих жидкостей;
создание пластинчатого реактора указанного типа в соответствии с рядом оптимизированных размеров и/или параметров; и
проведение замеров физических параметров, в частности температуры и давления, во время протекания указанной реакции в созданном реакторе для проверки его функционирования.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определение и оптимизацию ряда размеров и/или физических параметров реактора выполняют, исходя из определения целевых значений, подлежащих достижению, ограничений, которые необходимо соблюдать, и переменных параметров реактора, а именно количества реакторных блоков, количества рабочих зон в одном блоке, количества и расположения точек питания, размеров реакционных камер, параллельных, противоположных или перекрестных направлений потоков рабочих жидкостей по отношению к направлению потока реакционной среды в реакционной камере, а также количества, природы и геометрии вкладышей в реакционной камере и/или переменных параметров реакции, а именно скорости потока, температуры, давления и состава различных реагентов, порядка подачи реагентов реакционную камеру, а также скоростей потоков и температур рабочих жидкостей.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что после создания реактора указанный способ включает создание новой динамической модели реактора на базе созданного реактора; применение к этой новой динамической модели интегрирующего программного средства для решения вышеуказанных уравнений; повторную оптимизацию ряда размеров и/или физических параметров реактора; и в случае необходимости модификацию указанного созданного реактора в соответствии с новым оптимизированным рядом размеров и/или параметров.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что модель реакционной камеры включает разделение камеры на ряд последовательных отдельных ячеек, каждая из которых содержит тщательно перемешанную текучую среду.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что текучая среда в каждой отдельной ячейке является гомогенной, а ее состояние и ее изменения определяются уравнениями материального баланса, энергетического баланса, баланса давлений и ограничения объема.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что текучая среда, содержащаяся в каждой отдельной ячейке реакционной камеры, представляет собой двухфазную среду, включающую сплошную фазу и дисперсную фазу.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что состояние и изменения двухфазной среды определяются в каждой отдельной ячейке из уравнений, описывающих плотность, удельную теплоемкость, теплопроводность и вязкость двухфазной среды, и из уравнений материального баланса, энергетического баланса, баланса давлений и ограничения объема.

8. Способ по п.4, отличающийся тем, что модель теплообмена включает разделение каждой из боковых камер на ряд отдельных ячеек, каждая из которых содержит тщательно перемешанную текучую среду, при этом количество отдельных ячеек в каждой боковой камере равно количеству отдельных ячеек в реакционной камере, а направление потока рабочей жидкости в каждой отдельной ячейке определяется по отношению к направлению потока реакционной среды в соответствующей отдельной ячейке реакционной камеры.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что модель теплообмена включает также уравнения теплового баланса, связанные с реакционной средой, с пластинами, определяющими теплообменные боковые камеры, и с циркуляцией рабочих жидкостей в боковых камерах, и уравнения материального баланса для рабочих жидкостей в различных вышеуказанных отдельных ячейках боковых камер.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что динамическая модель реактора включает также модели для зон входа и выхода реактора, зон входа и выхода для каждой реакционной камеры и переходных зон между различными блоками реактора.

11. Способ по п.4, отличающийся тем, что содержит моделирование гидродинамических характеристик реактора на основе экспериментальных исследований распределения времени пребывания среды в различных частях реактора с целью определения количества отдельных ячеек, содержимое которых тщательно перемешано.

12. Способ по п.4, отличающийся тем, что включает также модель реакции на основе уравнений для скорости реакции, скорости образования компонентов реакции, скорости образования теплоты в каждой отдельной ячейке реакционных камер.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что включает также моделирование переноса вещества в двухфазной реакционной среде между двумя фазами реакционной среды на основе физических свойств двухфазной среды и на основе размера капель дисперсной фазы.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что включает также модель теплопереноса на основе определения коэффициентов теплопереноса между пластинами, образующими боковые камеры, и жидкостями, протекающими в реакционной камере и в боковых камерах, и определения пленочных коэффициентов теплопередачи реакционной среды и рабочей жидкости.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что включает также модель падения давления реакционной среды в реакторе, основанную на экспериментальных измерениях.

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что включает также определение физических свойств элементов реактора, реакции и рабочих жидкостей.

17. Способ по п.4, отличающийся тем, что включает оптимизацию размеров реактора для заданных целевых значений и ограничений путем корректировки количества рядов отдельных ячеек.

18. Способ по п.1, отличающийся тем, что реактор или реакционная камера содержит множество зон подачи текучей среды, а способ включает корректировку скоростей потоков, температур, давлений и/или составов текучей среды, вводимой в эти различные зоны.

19. Способ по п.6, отличающийся тем, что двухфазная реакционная среда рассматривается как псевдогомогенная среда и физические свойства двух фаз определяются ассоциативной взаимосвязью, объединяющей физические свойства двухфазной среды со свойствами каждой из ее фаз, а также их соотношениями.

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что к фазовой смеси применяют правила равновесия между двумя фазами как функции размера капель дисперсной фазы, термодинамических свойств присутствующих фаз и/или характеристик потоков.

21. Способ по п.19, отличающийся тем, что учитывает изменение размера капель дисперсной фазы в отдельных ячейках реакционной камеры.

22. Способ по п.1 или 17, отличающийся тем, что включает также определение предельных значений физических параметров, которые удовлетворяют ограничениям, связанным с безопасностью и/или защитой окружающей среды.