4.1. Принцип наилучшего использования сырья.
Анализ причин неполноты использования сырья в ХТС.
Бурное развитие химической и нефтехимической промышленности сопровождается непрерывным ростом потребления природных ресурсов, что приводит к высоким темпам истощения естественных источников сырья. По оценкам специалистов, запасы многих видов минерального сырья израсходуются в течение нескольких десятков лет. Резко падает качество сырья, уменьшается содержание основного компонента, возрастает доля примесей, повышается стоимость добычи. Возрастающий дефицит многих видов сырья является одной из важнейших проблем в химической промышленности. Вторая проблема связана с большими расходными коэффициентами по сырью, доля которого в себестоимости химической продукции достигает 60%. И, наконец, неполнота использования сырья приводит к образованию отходов и загрязнению окружающей среды. Поэтому принцип наилучшего использования сырья включает:
- увеличение степени использования сырья;
- сокращение количества отходов;
- комплексное использование сырья.
Приемы увеличения степени использования сырья.
1.1. Использование одного из реагентов в избытке
Для реакции аА + ЬВ -> rR относительный избыток Ib реагента
В определяется:
где Сао и Сво - начальные мольные концентрации исходных веществ.
Применение избытка реагентов определяется различными причинами:
а) Избыток реагента приводит к смещению равновесия.
б) Избыток реагентов ускоряет как химическую, так и диффузионную стадии процессов.
в) Подавление побочных реакций.
1.2. Смещение равновесия при обратимых реакциях.
Для смещения равновесия в обратимых реакциях, протекающих с увеличением числа молей и, следовательно, требующих понижения давления может быть использован водяной пар. Этот технологический прием применяют, например, в производстве этилена при каталитическом дегидрировании этана:
Так, введение примерно 15-20% водяного пара (в расчете на исходное сырье) не только увеличивает конверсию этана, но и подавляет побочные реакции, в частности, образование углерода (сажи) и повышает срок службы катализатора.
1.3. «Закалка» системы в состоянии, наиболее выгодном для проведения процесса.
В процессе протекания основной реакции получают значительные количества целевого продукта, который впоследствии может подвергаться нежелательным превращениям, в частности, разлагаться при длительном воздействии высоких температур. В этом случае температуру необходимо резко понизить, провести «закалку» системы и тем самым снизить скорость разложения неустойчивого целевого продукта. Данный прием используется в следующих рассмотренных ниже случаях.
а) Обратимая эндотермическая реакция.
Одним из примеров может служить реакция фиксации атмосферного азота:
N2 + О2->2NO -180,6 кДж.
Реакция протекает при высоких температурах .С увеличением концентрации NO скорость обратной реакции возрастает. Кроме того, для эндотермических реакций энергия активации обратной реакции меньше, чем прямой, и, следовательно, при понижении температуры скорость обратной реакции значительно выше, чем скорость образования оксида азота (П). Поэтому образующиеся нитрозные газы подвергают «закалке».
б). Образующийся целевой продукт может подвергаться последующим превращениям.
Рассмотрим пример - производство формальдегида, при получении которого протекают реакции:
СНзOH + 0,5O2->HCOH + H2O + 156,3 кДж,
HCOH+ O2->CO2 + Н2 + 284,9 кДж.
Для предотвращения протекания реакции температуру после реакционной смеси резко снижают. Для этого смесь пропускают через систему холодильников, а затем в нее вводят воду и получают формалин (30%-й раствор формальдегида).
в). Сохранение структуры целевого продукта при обратимых полиморфных превращениях
При переработке минералов их реакционная способность зачастую определяется соответствующей кристаллической модификацией. Поэтому перед химической переработкой они проходят стадию термической обработки. Однако структурные превращения могут быть обратимыми. В таких случаях также проводят «закалку» (быстрое охлаждение), чтобы зафиксировать наиболее удобную полиморфную структуру для последующего этапа переработки.