Основы проектирования химических производств

Реакции расщепления

Это реакции типа

А -> X -» У (-> Ъ -»),

Где целевым продуктом является вещество X, а остальные — нежела­тельными побочными продуктами. Превращение X в V является рас­щеплением. Такого рода реакции давно известны в органической химии, например, в производстве хлорбензола, нитробензола и др. из бензола, когда наблюдается образование двух - и трехзамещенных соединений, а также во всех случаях, когда могут протекать реакции последовательного замещения.

Типичным примером реакции расщепления другого типа может служить окисление метанола с целью получения формальдегида:

СН3ОН + о2 -> НСНО СО,.

Аналогичное расщепление может иметь место при окислении аммиака:

NН, + О, —» N0 -> 1Ч2 + Н20.

Другим примером является реакция типа

А+ В ^ X

У

Например, при синтезе метанола

СО + 2Н2— СН,0Н;

Со + зн2 = сн,+ н2о.

Если реакция образования продукта X обратима, то на некоторой стадии реакция пойдет в обратном направлении. Таким образом, конечный выход продукта X может оказаться равным нулю.

Во всех таких реакциях концентрация целевого продукта проходит через максимум в некоторый оптимальный момент }т и можно сказать, что вероятность превращения данной молекулы А в молекулу X, а не У максимальна, когда продолжительность реакции достигнет г,„ (рис. 6.7).

Следовательно, для получения максимального выхода продукта X относительно введенного в систему реагента время реакции должно быть в точности равно 1т. Отсюда следует, что в отношении выхода ре­акции расщепления периодический процесс является оптимальным. Однако это основано на предположении о равенстве кинетических порядков основных и побочных реакций. В противном случае задача усложняется, и преимущество каждого вида кинетики необходимо рас­сматривать особо.

В любом типе реактора непрерывного действия неизбежны коле­бания времен пребывания, и даже, если среднее время пребывания в реакторе будет равно /, всегда найдутся элементы потока, которые пройдут через систему со временем пребывания большим или мень­шим оптимального значения. Чем ниже диапазон изменения времени пребывания, тем меньше максимально возможный выход.

Реактор вытеснения, близкий по своим характеристикам к модели идеального вытеснения, несомненно, даст выход ненамного меньший, чем в периодическом процессе. Такие реакторы используют для мно­гих реакций рассмотренного типа, например при окислении метанола на серебряном катализаторе, при производстве этилхлорида и т. д.

Наименьший выход можно ожидать в одноступенчатом реакторе смешения. Проанализируем причины значительного снижения выхо­да реакции но сравнению с выходом, достигаемым при периодическом процессе. Рассмотрим последовательность реакций вида:

А + И - > X; X + В -> У.

Пренебрегая изменением объема при реакции, запишем уравнение лля реактора периодического действия или реактора идеального вытес­нения:

Ла йх

~Ж= '’а; - м=к'а~кгх'

Где а и х — концентрации А и X соответственно.

Решая эти уравнения, находим

Х =- ~^[ехр(-/с,/) - ехр(-£,/)],

Где й0 — начальная концентрация А; г - к2//с^

Максимальное значение хт достигается в момент согласно урав­нению

Предположим, что экономически выгоден такой выход продукта X. который определяется относительно количества загружаемых в систе­му реагентов. Отсюда интегральная избирательность

Ф = х/аО

И ее максимальное значение получается следующим образом:

Где индекс В означает, что реакция проводится либо в реакторе перио­дического действия, либо в реакторе идеального вытеснения.

Для реактора смешения избирательность Ф,„ с имеет вид

ФщС=( + г + 2іл>У'.

Тогда их отношение

Это отношение меньше единицы и минимально при г, близком к единице, т. е. когда константы скорости /с, и /с, почти равны, что имеет место в реакциях последовательного замещения.

В случае, когда /* = 1, было показано, что выход в реакторе смеше­ния составляет всего 68% от выхода в реакторе периодического дейст­вия. Эффект получается довольно большим и может существенно повлиять на экономику процесса.

Для жидкофазной реакции типа А + В —» X были получены дан­ные, приведенные в табл. 6.1.

Как следует из этой таблицы, при одинаковой производительности (и прочих равных условиях) одноступенчатый реактор смешения дол­жен иметь объем в 100 раз, 2-ступенчатый — в 7,9 раза, а 3-ступенча-

:ый реактор смешения — в 3,8 раза больше объема реактора вытесне­ния, работающего в режиме, близком к идеальному. Однако при низ­ких степенях превращения большие различия в объеме, обусловленные необходимостью компенсации проскока, станут значительно меньше. Так, при конверсии 0,90 одноступенчатый реактор смешения окажется только в!0 раз, а 2-ступенчатый — в 3 раза больше РВНД.