В статье рассматривается процесс получения хлористого метила жидкофазным взаимодействием хлористого водорода и метанола. Выбран реактор для данного процесса на основе результатов моделирования в программе COMSOL Reaction Engineering Lab.

Ключевые слова: хлористый метил, метанол, селективность, удельная производительность, реактор, моделирование.

Хлористый метил получают путем жидкофазного взаимодействия метанола с хлористым водородом. Процесс осуществляют при температуре реакционной массы 110–115 ^о С и давлении 60 кПа.

Реакция образования хлористого метила протекает в одну стадию:

СH ₃ OH + HCl  CH ₃ Cl + H ₂ O

Синтез хлористого метила проводится при массовом соотношении реагирующих веществ — хлористый водород: метиловый спирт равным 3:1. Избыток хлористого водорода применяется для подавления реакции образования нежелательного побочного продукта — диметилового эфира.

Образование диметилового эфира протекает по реакции:

CH ₃ Cl + CH ₃ OH  CH ₃ -O-CH ₃ + HCl

В промышленности, в настоящее время, степень конверсии метанола 97 %. Селективность основной реакции 99,9 %. Селективность побочной реакции 0,1 %. Технологический выход продукта — 99,7 %.

Формализованная схема процесса получения хлористого метила:

где Y — CH ₃ OH;

В — CH ₃ Cl;

A — HCl;

C — H ₂ O;

D — CH ₃ OCH ₃ ;

Используя известные [1,2] кинетические уравнения для процесса получения хлористого метила жидкофазным гидрохлорированием метанола, в указанных выше обозначениях, уравнение скорости образования целевого продукта запишем в следующем виде:

r ₁ = k ₁ [A] [У],

где k ₁ –константа скорости процесса образования хлористого метила.

Уравнение скорости образования побочного продукта:

r ₂ = k ₂ [B] [Y],

где k ₂ — константа скорости процесса образования диметилового эфира.

Константа скорости k (при t=25 ^о С), л/моль∙сек :

^– основной реакции — k _1– 9,6∙10– ²

^– побочной реакции — k _2– 8,69∙10– ³

Начальные концентрации исходных веществ, C _{0 :} :

– метанол — 0,36 моль/м ³

– хлористый водород — 1,08 моль/м ³

При выборе реактора необходимо учитывать два параметра — удельную производительность и селективность.

Одной из важнейших характеристик реактора является его удельная производительность, которая показывает, какое количество целевого продукта образуется в единице реакторного объема в единицу времени.

Проведем сравнение данных показателей для реакторов: полного смешения (РПС) и идеального вытеснения (РИВ).

Для РПС удельную производительность вычисляют по уравнению :

Для реактора РИВ удельную производительность вычисляют по уравнению [3]:

Сравнение удельной производительности для реактора полного смешения (РПС) и реактора идеального вытеснения (РИВ) осуществили построением графика зависимости удельной производительности реактора от степени конверсии метанола с использованием программы «COMSOL Reaction Engineering Lab» .

Рис. 1. Сравнение удельной производительности для РПС и РИВ

Падающий характер кривой G _B = f(X _Y ) объясняется тем, что скорость реакции гидрохлорирования метанола уменьшается с повышением степени конверсии.

Из графиков видно, что наиболее эффективным реактором для данного процесса по величине удельной производительности является реактор идеального вытеснения. Для РИВ снижение удельной производительности с конверсией выражено не так сильно, как для РПС, в следствии чего эти реакторы более предпочтительны.

Второй важнейшей характеристикой является селективность процесса. Для сравнения селективности РПС и РИВ осуществили построение графика зависимости селективности от конверсии с использованием программы COMSOL Reaction Engineering Lab.

Рис. 2. Сравнения селективности для РИВ и РПС

Падающий вид кривой Ф _В = f(Х _Y ) объясняется тем, k ₁ ˃˃k ₂ , поэтому селективность с увеличением конверсии значительно уменьшается, что характерно для необратимых последовательных реакций — реагент В образуется и вступает в побочную реакцию с исходным реагентом Y.

Из графиков видно, что более эффективным будет использование РИВ. В реакторе этого типа достигается более высокая удельная производительность и селективность. Таким образом этот реактор будет являться более производительным.

Литература:

1. Розанов B. H., Трегер Ю. А. Кинетика жидкофазного некаталитического гидрохлорирования метанола в соляной кислоте // Кинетика и катализ. 2011. Том 52. № 5. С. 670. https://elibrary.ru/download/elibrary_17057869_13497445.pdf
2. M. Н. Махин, Л. Н. Занавескин, Г. С. Дмитриев / Кинетика и Катализ / 2014, том 55, №. 2, с. 172–175. https://elibrary.ru/download/elibrary_21270008_32777078.pdf
3. Лебедев, Н. Н. Теория химических процессов основного органического и нефтехимического синтеза / Н. Н. Лебедев, М. Н. Манаков, В. Ф. Швец; под ред. Н. Н. Лебедева. — 2-е изд. перераб. — Москва: Химия, 1984. — 376 с.
4. Огородников, А. С. Моделирование в среде MatLab COMSOL 3.5a. Часть 1 / А. С. Огородников. — Томск: Изд-во ТПУ, 2012. — 104 с.