Моделирование процесса получения N-фенил-1-адамантанкарбоксимидоилхлорида

     Данный  процесс характеризуется следующими показателями:

• X_A = 98%;
• Ф_B = 97%;
• τ_р = 232,9 мин = 3,88 часа;
• τ_всп = 0,35 часа;
• τ_ц = 4,23 часа;
• С_A,0 = 1,0 кмоль/м³.

     Используется  реактора типа ИПР со следующими характеристиками:

• V_н = 0,1 м³;
• D = 500 мм;
• F_р = 0,7 м²;
• d_в = 40 мм;
• h = 0,42 м при φ=0,75.

     Тогда рабочий объём реактора составляет при заданном коэффициенте заполнения (с учётом растворителя):

     V_р = V_ИПР = V_н∙φ = 0,1∙0,75 = 0,075 м³.

     Тогда производительность реактора по продукту за один цикл составляет [1]:

     П_ц = 0,071295 кмоль / 4,23 часа = 0,01686 кмоль/ч.

     Соответственно  за сутки:

     П_с = 0,01686 (кмоль/ч) ∙ 24 ч = 0,40451 кмоль/сутки.

     И за год:

     П_год = П_с∙360 = 0,40451 (кмоль/сутки) ∙ 360 (год/сутки) = 145,62382 кмоль/год = 48267,01 кг/год ≈ 50 тонн/год.

 

     

     6 Сравнение параметров реакторов РИС-П и РПС

     Наиболее  целесообразными реакторами в нашем  случае являются только РИС-П и РПС, поскольку в ходе реакции выделяется хлористый водород. Эвакуации которого необходима из реакционной массы, что  невозможно осуществить в реакторе типа РИВ.

     6.1 Расчёт удельной производительности

     а) Первоначально будем производить  расчет РИС-П, используя известные параметры процесса и формулу для расчёта УП реактора идеального смешения периодического действия (РИС-П) [2]: 

     б) Во втором случае РИС-П произведём расчет, используя уравнение скорости основной реакции для расчёта УП реактора идеального смешения периодического действия (РИС-П): 

     Решение интеграла в знаменателе уравнения  возможно в двух вариантах:

     1) Решение без учёта избытка второго реагента, избыток второго реагента приравнивается к единице:

     С учётом этого, уравнение скорости преобразуем к такому виду, что бы в правой части осталась только одна независимая переменная – степень превращения, все остальные характеристики принимаются за константы при интегрировании: 

     Далее необходимо решить следующий интеграл: 

     Его интегрирование даёт следующее решение: 

     Первоначально неопределённый интеграл вычислялся вручную, с использованием Mathcad и с помощью бесплатной услуги на www.kontrolnaya-rabota.ru. Определённый интеграл вычислялся только вручную.

     При подстановке численных значений в это выражение имеем: 

     2) Решение с учётом избытка второго реагента:

     Уравнение скорости преобразуется к следующему виду: 

     Далее необходимо решить следующий интеграл: 

     Его интегрирование даёт следующее решение: 

     Первоначально неопределённый интеграл вычислялся вручную и с помощью бесплатной услуги на www.kontrolnaya-rabota.ru. Определённый интеграл вычислялся только вручную.

     Полученное  функция имеет область определения  по избытку второго реагента, такую что множество всех его значений исключает значение избытка второго реагента равное единице, поэтому это выражение будет применяться только для случаев, когда будет изучаться зависимость УП от избытка второго реагента. Проверим это выражение интеграла на корректность, сравним с предыдущим значением, для чего принимаем значение β_Y=1,000001.

     При подстановке численных значений в это выражение имеем: 

     Таким образом, время реакции при заданных параметрах совпадает, что позволяет пользоваться этими выражениями.

     Вычислим  УП зная вычисленное время реакции: 

     в) В случае РПС, поскольку нет материального баланса этого реактора, произведём расчет, используя уравнение скорости основной реакции для расчёта УП реактора идеального смешения периодического действия (РПС): 

     При подстановке численных значений в это выражение имеем: 

     Таким образом, при заданных исходных условиях, РИС-П обладает УП на два порядка больше чем у РПС.

     6.2 Влияние различных  технологических  параметров на  УП

     В нашем случае реакцию можно считать  простой и необратимой. Поэтому  все расчёты будут проводиться  именно для этого случая. В нашем  случае процесс жидкофазный и  проходит без изменения объёма. Также  все расчёты будут проводиться  по второму варианту уравнения расчёта  УП, основанному на применении кинетической зависимости. Так же будем считать, что селективность есть постоянная величина и она не зависит от остальных параметров, поскольку она, как будет показано далее, в нашем случае регулируется только количеством попадающей в реакционную массу воды.

     Для РИС-П: 

     При расчётах пользуемся выведенными ранее  значениями интегралов.

     Для РПС: 

     6.2.1 Зависимость УП от начальной  концентрации исходных реагентов

     Используем  в данном случае для расчёта РИС-П  значение интеграла, не содержащее избыток  второго реагента в явном виде. Фиксируем величины: X_A= 98%; Ф_B= 97%; t=65ºC; β_Y=1; k₀=2,7542∙10^-2 л∙моль^-1∙мин^-1; k_b=4,4667 л²∙моль^-2∙мин^-1; k_н=1819,25 л∙моль^-1∙мин^-1; И начинаем перебирать варианты величины C_A,0:

     Таблица 6.1 – Зависимость УП РИС-П и РПС от начальной концентрации исходных реагентов

     

     Полученные  результаты представлены на графике 6.1. Ясно, что удельная производительность реактора РИС-П раньше принимает  большее значение и выходит на плато, чем для РПС. Процесс не имеет точечного оптимума, а наоборот наблюдается прямая зависимость  УП от концентрации начального реагента. Рекомендуется проводить реакцию  для РИС-П при концентрации начального реагента равной 6 кмоль/м³, поскольку при этой концентрации кривая УП выходит на "плато" и дальнейшее увеличение концентрации не приводит к существенному увеличению УП. В случае РПС рекомендуется проводить процесс при как можно большей концентрации исходного реагента.

     

     График 6.1 – Зависимость УП РИС-П(---) и РПС(- -) от начальной концентрации исходных реагентов

     6.2.2 Зависимость УП от избытка  второго реагента

     Используем  в данном случае для расчёта РИС-П  значение интеграла, содержащее избыток  второго реагента в явном виде. Фиксируем величины: X_A= 98%; Ф_B= 97%; t=65ºC; k₀=2,7542∙10^-2 л∙моль^-1∙мин^-1; k_b=4,4667 л²∙моль^-2∙мин^-1; k_н=1819,25 л∙моль^-1∙мин^-1; С_A,0 = 1,0 кмоль/м³. И начинаем перебирать варианты величины β_Y:

     Таблица 6.2 – Зависимость УП РИС-П и РПС от избытка второго реагента

     

     

 

     График 6.2 – Зависимость УП РИС-П(---) от избытка  второго реагента

     

     График 6.3 – Зависимость УП РПС(- -) от избытка  второго реагента

     Результаты  представлены на разных графиках, поскольку принимаемые значения УП для реакторов различаются на порядки. Причём в пользу РПС, значения УП которого при увеличении избытка второго реагента в 10 раз, увеличиваются на два порядка. Процесс не имеет точечного оптимума, а наоборот наблюдается прямая зависимость УП от избытка второго реагента. Удельная производительность реактора РИС-П выходит на плато при избытке равном двум, поэтому дальнейшее увеличение избытка второго реагента нецелесообразно. Рекомендуется проводить реакцию для РИС-П при избытке второго реагента равном 2. В случае РПС рекомендуется проводить процесс при как можно большем избытке второго реагента.

     6.2.3 Зависимость УП от степени  превращения сырья

     Используем  в данном случае для расчёта РИС-П  значение интеграла, не содержащее избыток  второго реагента в явном виде. Фиксируем величины: Ф_B= 97%; t=65ºC; β_Y=1; k₀=2,7542∙10^-2 л∙моль^-1∙мин^-1; k_b=4,4667 л²∙моль^-2∙мин^-1; k_н=1819,25 л∙моль^-1∙мин^-1; С_A,0=1,0 кмоль/м³. И начинаем перебирать варианты величины X_A:

     Таблица 6.3 – Зависимость УП РИС-П и РПС от степени превращения сырья