Специалисты из Московского технического университета связи и радиоэлектроники (МТУСИ) разработали способ изучения устойчивых состояний проточного реактора идеального типа, при котором происходит смешение веществ. В качестве примера они рассмотрели экзотермическую химическую трансформацию димеризации. Исследование показало, что в зависимости от объема емкости для реакции, температуры и состава поступающего потока может существовать до трех различных способов функционирования с отличающейся производительностью и температурными параметрами. Данная математическая модель дает возможность определить наиболее эффективный и стабильный режим работы еще на этапе подготовки к запуску оборудования, что имеет огромное значение для химической индустрии.

В сфере производства химических веществ часто встречается ситуация, когда идентичные параметры процесса приводят к различным результатам – например, изменению температуры внутри реактора или объема полученного продукта. Это явление описывается понятием множественности стационарных состояний. Неправильный выбор режима может привести к нестабильной работе аппарата, перегреву и снижению выхода целевого соединения по сравнению с потенциально возможным. Особенно остро эта проблема стоит для экзотермических процессов – реакций, сопровождающихся выделением теплоты (в качестве примера можно привести димеризацию ацетона в диацетоновый спирт). Сотрудники МТУСИ создали математическое описание, позволяющее предвидеть все вероятные режимы работы реактора и выбрать наиболее выгодный и безопасный еще до начала его физического функционирования.

«Предложенная методика обладает широкой применимостью. Она подходит не только для отдельных аппаратов, но и для сложных систем с рециркуляцией, где реактор соединен с блоком разделения веществ. В подобных конструкциях множественные стационарные состояния возникают значительно чаще, что делает их анализ особенно важным. Наш подход позволяет специалистам-технологам на этапе разработки заглянуть в будущее и избежать проблем, которые могут проявиться только через продолжительный период эксплуатации промышленного оборудования», — рассказывает Михаил Солохин, кандидат технических наук, доцент кафедры информационных систем химической технологии Института тонкой химии имени М.В. Ломоносова МТУСИ.

При проведении исследования рассматривалась жидкофазная обратимая реакция. Для этого были сформулированы уравнения материального и теплового баланса, учтена кинетика химического процесса (зависимость скорости реакции от температуры в соответствии с законом Аррениуса) и обмен теплом с окружающей средой. Число возможных устойчивых состояний определялось количеством точек пересечения графика функции невязки теплового баланса с температурной осью. Нелинейные уравнения были решены методом Ньютона.

«Проведенные исследования продемонстрировали, что в зависимости от размеров емкости для реакции, температуры исходного потока, состава используемого сырья и скорости циркуляции теплоносителя, может наблюдаться от одного до трех различных равновесных состояний», — говорит Наталья Королькова, руководитель проекта и аспирант кафедры химии и технологии основного органического синтеза РТУ МИРЭА. Эти состояния различаются по производительности и температуре внутри реактора. При этом все определяющие параметры этих устойчивых состояний оказались реальными – это указывает на отсутствие колебаний в процессе работы, а при незначительном отклонении система автоматически восстанавливает стабильное состояние. Предложенный подход применим не только к отдельному аппарату, но и к более сложным циклическим процессам (например, реактор с блоком разделения), где вероятность возникновения нескольких состояний возрастает.

«Химико-технологические процессы нередко проявляют большую сложность, чем может показаться на первый взгляд. При одинаковых исходных условиях в аппарате возможно установление одного из нескольких потенциальных режимов работы. Если не учитывать это при разработке и запуске производства, оборудование может функционировать нестабильно, что приведет к уменьшению количества получаемого продукта или даже к возникновению аварийной ситуации. Наша методика позволяет заранее определить все вероятные состояния, оценить их устойчивость и выбрать тот режим, который обеспечит максимальную производительность при соблюдении требований безопасности. Это особенно важно для крупносерийного производства, где даже незначительное улучшение работы реактора дает существенную экономическую выгоду», — объясняет Сергей Назанский, доктор технических наук и профессор кафедры химии и технологии основного органического синтеза Института тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова РТУ МИРЭА.

Разработанный метод позволяет специалистам-технологам на этапе проектирования предвидеть потенциальные проблемы, которые могут возникнуть только после длительной эксплуатации промышленного оборудования. Это особенно важно в условиях замещения импортных технологий отечественными: переход на местное оборудование и сырье часто влечет за собой изменение кинетических характеристик и теплофизических свойств, что может привести к формированию новых равновесных состояний. Российская химическая отрасль получает инструмент для безопасной и эффективной эксплуатации реакторного оборудования, снижая вероятность аварийных ситуаций и увеличивая выход готовой продукции.

Статья опубликована в журнале «Тонкие химические технологии».