Параллельные реакции

К параллельным относятся реакции типа

А+В®Х и А+В®Y,

где Х – целевой продукт.

Параллельные реакции являются одной из причин снижения выхода целевого продукта.

Если основная и побочная реакция отличаются своими кинетическими порядками, то создается благоприятная возможность для выбора наиболее приемлемого типа реактора. Этого удается достигнуть потому, что при различных порядках по-разному сказывается влияние концентрации на относительные скорости реакции. Следовательно, в РВНД может быть достигнут как более высокий, так и более низкий выход целевого продукта в зависимости от условий проведения реакции. Предположим, что скорости параллельных реакций

r_x=k₁f(a, b, х), r_y=k₂f(a, b, y),

где a, b, х, y – соответственно концентрации исходных веществ и готового продукта.

Тогда

.

Отсюда следует, что условия проведения реакции должны выбираться с таким расчетом, чтобы это отношение было всегда максимальным.

Несомненно, что лучшим способом достижения этой цели является использование селективного катализатора, если его удается подобрать.

Например, может представиться случай, когда скорость первой реакции равна k₁×a²×b, а скорость второй – k₂×a×b. Тогда их отношение будет равно k₁×a/k₂. Это означает, что выход продукта Х будет расти с увеличением концентрации реагента А и, кроме того, по мере протекания реакции условия будут становиться все более благоприятными.

Обобщая сказанное, приходим к выводу, что при более высоком порядке основной реакции, по сравнению с побочной, повышение концентрации реагента будет способствовать росту выхода. И, наоборот, если основная реакция имеет более низкий порядок, то выход растет с понижением этой концентрации, в результате чего может быть скомпенсировано соответствующее уменьшение скорости реакции.

В первом примере предпочтение следует отдать реактору периодического действия, или РВНД, поскольку средняя концентрация в них выше, чем в РСПД, при тех же условиях питания.

Если имеются все основания для выбора РСПД, то выход в последнем может быть повышен, хотя и не до уровня, достигаемого в РПД за счет увеличения числа последовательно соединенных ступеней, а при заданном числе ступеней ‑ за счет последовательного увеличения объема каждой последующей ступени, как показано на рисунке 6.8.

Рис. 6.8. Выбор оптимального РСНД с заданным числом ступеней в случае проведения параллельных реакций: а – основная реакция имеет более низкий порядок по сравнению с побочной; б – основная реакция имеет низкий порядок по сравнению с побочной

Рис. 6.9. Схема, поясняющая способ поддержания низкой концентрации реагента А путем ступенчатого добавления его в реактор вытеснения (а) или смешения (б)

В том случае, когда порядок основной реакции ниже порядка побочной, концентрация реагента должна быть по возможности минимальной.

Во многих процессах этого достигают простым уменьшением концентрации реагентов на входе в реактор. Однако в других случаях некоторые соображения (например, стоимость регенерации растворителя) могут воспрепятствовать использованию столь простого метода.

В этих условиях РСНД имеет преимущество перед РПД, поскольку в нем низкая концентрация реагента обеспечивается автоматически, особенно в случае небольшого числа последовательно расположенных ступеней и сравнительно большой первой ступени (рис. 6.9).

6.2.4. Комбинация реактора смешения
с реактором вытеснения

В этом разделе будут рассмотрены обстоятельства, благоприятствующие использованию определенных типов комбинированных реакторов, а именно:

1) одноступенчатого РСНД, соединенного последовательно с РВНД;

2) РВНД, соединенного с одноступенчатым или многоступенчатым реактором смешения.

Такая компоновка может оказаться полезной не только по кинетическим соображениям. Например, первая схема соединения реакторов целесообразна в тех случаях, когда важно добиться хорошей степени перемешивания двух или более реагентов в начале реакции. В этом частном случае реактор смешения является не столько реактором, сколько смесителем.

Вторая схема (рис. 6.9, б) целесообразна тогда, когда реактор вытеснения является оптимальным с точки зрения химической кинетики, причем применение одного или более аппаратов с мешалкой, позволяющих проводить реакцию полнее, дает возможность сократить капиталовложения по сравнению с затратами, связанными с созданием реактора вытеснения эквивалентного объема.

Таблица 6.2.Влияние кинетики процесса на относительный объем реактора при конверсии, равной 90 %

Примером более желательного использования первой схемы по кинетическим соображениям является реакция нитрования гексамина. В этом случае мгновенный выход проходит через максимум. Таким образом, оптимальный вариант для данной реакции (и, действительно, лучший, чем любой другой из рассмотренных ранее) сводится к использованию одноступенчатого реактора смешения, работающего при постоянном составе реагентов, определяющем максимальный выход целевого продукта, к которому последовательно присоединяется реактор вытеснения, доводящий реакционную смесь до требуемого отношения r₁ путем монотонного, а не ступенчатого перемещения направо вниз по кривой. Интересно сравнить относительные объемы реакторов рассматриваемых типов для получения полимеров. При одинаковых производительности, расходе реагентов и температурах соответствующие данные приведены в табл. 6.2.

Различие в объемах растет с увеличением конверсии и порядка реакции по мономеру. Из данных, приведенных в табл. 6.2, следует, что применение каскада реакторов смешения позволяет уменьшить суммарный реакционный объем. В пределе бесконечности последовательность реакторов смешения превращается в РВНД.

При расчете числа ступеней в каскаде следует учитывать эконо­мические факторы. На практике при некотором числе ступеней капитальные затраты проходят через минимум и снова начинают возрастать. Поэтому при проектировании каскада обычно сравнивают затраты при различном числе степеней.