Анализ тонкого химического синтеза в пластинчатых реакторах

Thomas Forrister 27/06/2018
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

Реакторы периодического действия используются для производства широкого ассортимента продукции в отраслях тонкого химического синтеза, фармацевтики и пищевой промышленности. В некоторых случаях тонкий химический синтез может потребовать более устойчивых и предсказуемых рабочих условий, чем условия при работе с реакторами периодического действия. Пластинчатые реакторы непрерывного действия обеспечивают более точный контроль технологического процесса. Моделирование химических реакций может быть полезным при проектировании пластинчатых реакторов непрерывного действия с оптимизированными характеристиками терморегуляции и чистоты продукта.

Реакторы периодического действия в сравнении с реакторами непрерывного действия

К самым распространенным реакторам в химической промышленности относятся корпусные реакторы, которые могут работать как в периодическом, так и в непрерывном режиме. В реакторах периодического действия обрабатывается только одна партия реагентов за раз, а в реакторах непрерывного действия поток реагентов циркулирует постоянно, что обеспечивает непрерывное, устойчивое производство.

Реакторы периодического действия используются для выполнения множества операций — от смешивания до кристаллизации — и в одном сосуде могут последовательно проходить несколько разных реакций. Благодаря этому они полезны для испытания новых технологических процессов и производства дорогостоящих продуктов в относительно малых объемах. Например, они используются в отрасли тонкого химического синтеза, где в одном и том же реакторе проходят несколько процессов (по одному за раз). Кроме того, некоторые химические вещества невозможно производить непрерывно. Реакторы периодического действия — надежный вариант, к примеру, для процессов ферментации. Они обеспечивают высокие значения конверсии для медленных реакций, если позволить реакции протекать до конца.

Модель смесителя в реакторе периодического действия.
Пример модели смесителя на основе реакторе периодического действия, построенной с помощью программного пакета COMSOL®.

Реакторы непрерывного действия обычно применяются в сложных технологических процессах, которые проходят непрерывно в течение многих месяцев. Такие реакторы в основном используются для производства сыпучих химикатов и продуктов нефтехимии в объемах, на несколько порядков превышающих объемы производства в отрасли тонкого химического синтеза, фармацевтики и пищевой промышленности.

Пластинчатые реакторы

Один из типов реакторов, используемый в качестве альтернативы корпусным реакторам для тонкого химического синтеза, — пластинчатый реактор. Несмотря на более высокую стоимость, такой реактор часто оказывается лучше для производства высококачественной продукции. Поскольку реактор этого типа используется для проведения относительно медленных реакций, он работает по принципу очень длинного трубчатого реактора, обеспечивающего относительно долгое время выдержки.

Пластинчатые реакторы редко используются для производства сыпучей продукции, особенно в больших объемах, поскольку потери давления в них потребовали бы насосов высокой мощности. Они являются альтернативой корпусным реакторам для производства продукции, чувствительной к температуре или составу, вне зависимости от того, выполняется ли процесс партиями или непрерывно. Пластинчатые реакторы хорошо подходят для тонкого химического синтеза, фармацевтики и пищевой промышленности, в которых крайне важно качество: например, для процессов пастеризации молока, пива или сока.

Модель с визуализацией потока через элементарную ячейку в типовом пластинчатом реакторе.
Модель потока через элементарную ячейку в типовом пластинчатом реакторе.

С помощью модуля Химические реакции, который является расширением для программного пакета COMSOL Multiphysics®, можно проанализировать реагирующий поток в конструкции пластинчатого реактора непрерывного действия.

Моделирование химической реакции в пластинчатом реакторе с помощью COMSOL Multiphysics®

При моделировании пластин реактора и охлаждающих/нагревательных плит модель реактора можно рассматривать как модель теплообменника, в котором плиты расположены одна над другой. В трехмерной геометрической модели (ниже) показана внутренняя часть пластинчатого реактора. В левой части модели имеется два входных сечения, через которые реагенты попадают в систему:

  1. Вход I, A + B, в верхней части реактора
  2. Вход II, B, в нижней части реактора

Показаны также зоны теплообмена, которые могут влиять на внешние границы модели.

Геометрия элементарной ячейки пластинчатого реактора.

В этом примере представлены две экзотермические реакции, протекающие в водном растворе. В результате первой реакции получается целевой продукт D (A + B дают в результате D). Во второй реакции целевой продукт реагирует с B, и получается нежелательный продукт U (D + B дают в результате U).

Цель оптимизации конструкции — предотвратить получение нежелательного продукта в пластинчатом реакторе. Если учесть, что обе реакции экзотермические, то есть для них характерно неконтролируемое изменение температуры, необходимо найти способ рассеять генерируемое реакцией тепло, чтобы обеспечить непрерывное течение первой реакции, а вторую реакцию ингибировать. Этого можно достичь с помощью охлаждающего агента. Во второй половине реактора осуществляется теплообмен с охлаждающим агентом при более низкой температуре, чем в первой половине.

Далее мы учитываем связанные явления передачи импульса, энергии и массообмена в пластинчатом реакторе с помощью следующих интерфейсов:

  1. Интерфейс Laminar Flow (Ламинарный поток), с помощью которого моделируется перенос импульса (в потоке среды), описываемый уравнениями Навье — Стокса в стационарном состоянии
  2. Интерфейс Heat Transfer in Fluids (Теплопередача в жидкостях), с помощью которого моделируется сохранение энергии
  3. Интерфейс Transport of Diluted Species (Перенос растворенных веществ), с помощью которого моделируется массообмен в области реактора с учетом конвекции и диффузии

Более подробная информация о граничных условиях для этих трех интерфейсов приведена в документации к учебной модели Fine Chemical Production in a Plate Reactor (Тонкий химический синтез в пластинчатом реакторе).

Результаты моделирования

Рассмотрим линии тока, обозначающие поток текучей среды в пластинчатом реакторе. Как показано слева внизу, концентрация реагента A обозначена цветом. Мы видим, что концентрация намного выше в точке входа реагента A (Вход I) в верхней части реактора, а по мере продвижения в нижнюю часть она снижается. В результатах второго исследования справа внизу показаны изоповерхности для концентрации реагента B. Обратите внимание на то, как поток из Входа II смешивается с основным потоком, благодаря чему распределение реагента B становится более равномерным в нижней части реактора. В целом можно увидеть, что реагент в химических реакциях расходуется во всем объеме реактора.

Визуализация потока среды и концентрации реагента A в пластинчатом реакторе.
Визуализация концентрации реагента B в пластинчатом реакторе.

Линии тока, обозначающие поток текучей среды. Концентрация реагента A показана цветом (слева). Концентрация реагента B (моль/м3) по всему объему реактора (справа).

И наконец, мы можем проанализировать распределение температуры по пластинам, обозначенное на рисунке ниже горизонтальными и вертикальными секущими плоскостями. По этим результатам можно определить, как тепло, выделяемое в результате реакций, быстро отводится благодаря охлаждающему агенту, добавленному в модель.

Модель с визуализацией температуры в пластине реактора.
Распределение температуры в пластине реактора.

Этот образец модели можно использовать в качестве шаблона для задания и решения связанных уравнений потока, переноса энергии и массообмена в реакторной системе. С помощью функций химического моделирования, доступных в программном пакете COMSOL®, можно также разрабатывать конструкции пластинчатых реакторов для прогнозирования химических реакций и повышения качества продукции.

Дальнейшие шаги

Попробуйте сами смоделировать пластинчатый реактор: При нажатии на кнопку ниже откроется Библиотека приложений, в которой можно найти MPH-файл и пошаговые инструкции по моделированию (требуется учетная запись COMSOL Access и действительная лицензия на программное обеспечение).

Дополнительная информация

Узнать подробнее о моделировании химических реакций и процессов можно в следующих статьях блога:


Темы публикаций

Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Волновая оптика Модуль Геометрическая оптика Модуль Композитные материалы Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Полупроводники Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Течение в трубопроводах Модуль Химические реакции Модуль аккумуляторов и топливных элементов Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Технический контент Указания по применению модуле Теплопередача модуль Вычислительная гидродинамика физика спорта