9.3.5. Сравнительный эксергетический анализ некоторых способов получения циклогексаноноксима
В последнее время в периодической литературе появляются работы, посвященные альтернативным способам получения циклогексаноноксима. И было бы интересно сравнить их с точки зрения энергоёмкости. В качестве критерия сравнения можно взять необратимые эксергетические потери в расчёте на 1 моль циклогексаноноксима.
Для учёта всех необратимых потерь эксергии, возникающих при синтезе циклогексаноноксима, необходимо, чтобы для разных способов получения совпадали исходные реагенты. В качестве последних были приняты следующие вещества: циклогексанон, аммиак, водород и кислород.
Классический способ получения циклогексаноноксима условно можно представить следующими тремя уравнениями (в скобках указаны потери эксергии для каждого уравнения):
а) NH3 + 1.25 O2 = NO + 1.5 H2O (239.38 кДж·моль-1)
б) NO + 1.5 H2 + 0.5H2SO4 = NH2OH·½H2SO4 (169.36 кДж·моль-1)
в) C6H10O + NH2OH·½H2SO4 + NH3 =
C6H10NO + 0.5(NH4)2SO4 +H2O (50.71 кДж·моль-1)
Суммарные потери эксергии при этом составят 459.45 кДж·моль-1 циклогексаноноксима.
Следующий способ состоит во взаимодействии циклогексанона, аммиака и перекиси водорода при 25 – 60°C в жидкой фазе:
C6H10O + H2O2 + NH3 = C6H10NO + 2 H2O
Потери эксергии для этого случая составляют 143.68 кДж·моль-1.
Третий способ заключается в газофазном взаимодействии циклогексанона, аммиака и кислорода при 180°C:
C6H10O + 0.5 O2 + NH3 = C6H10NO + H2O
Эксергетические потери при этом составят всего 14.20 кДж·моль-1.
Сравнительно недавно предложен ещё один способ, фактически объединяющий реакции (б) и (в) первого способа получения:
а) NH3 +1.25 O2 = NO + 1.5 H2O (239.38 кДж·моль-1)
б) C6H10O + NO + 1.5 H2 = C6H10NO + H2O (130.25 кДж·моль-1)
Суммарные потери эксергии в четвертом случае будут несколько ниже, чем при классическом способе получения циклогексаноноксима — 369.63 кДж·моль-1.
В приведенных примерах рассматривались только необратимые потери эксергии, обусловленные протекающими химическими реакциями. Реальные потери эксергии будут, конечно, гораздо выше. Но и такое оценочное сравнение позволяет говорить о том, что классический способ получения циклогексаноноксима является самым энергоёмким. Уменьшение числа промежуточных продуктов ведёт к значительному снижению эксергетических потерь. Кроме того, устраняется образование побочных продуктов, в частности, сульфата аммония.
10. Пример эксергетического расчета для выполнения индивидуального задания.
При эксергетическом анализе химических производств недостаточно ограничиваться подсчетом общего к.п.д. Очень важна информация о к.п.д. отдельных стадий производств. В этом разделе рассмотрен эксергетический анализ стадии дегидрирования циклогексанола в производстве капролактама.
10.1.Условие задачи: определить эксергетические КПД и потери эксергии в процессе деридрирования циклогексанола. Расчет вести на 1 т циклогексанона, в условиях термодинамического контроля процесса дегидрирования. Схема технологического процесса на рис.10.1, параметры технологических потоков в таблице 10.1.
Рис. 10.1: Схема технологического прпоцесса ( Р606 — реактор дегидрирования; Т607, Т608 — теплообменники; Т601 — паровой подогреватель (пар 12.5 атм)).
Таблица 10.1. Параметры технологических потоков стадии дегидрирования циклогексанола.
№ |
Состав |
Т, К |
Р, атм |
1 |
циклогексанол (ж) |
318 |
|
2 |
циклогексанол (ж) |
373 |
|
3 |
циклогексанол (г) |
453 |
|
5 |
циклогексанол (г) |
483 |
|
6 |
равновесная смесь |
|
|
7 |
циклогексанол (г) циклогексанон (г) |
473 |
|
8 |
циклогексанол (ж) циклогексанон (ж) |
403 |
1 |
14 |
продукты горения |
|
|
15 |
продукты горения |
|
|
16 |
вода (г) |
463 |
12.5 |
17 |
вода (ж) |
463 |
12.5 |
18 |
водород |
473 |
|
Таблица 10.2. Вариант условия задачи для расчета.
Расчёт вести на 1 т циклогексанона |
1 т |
Температура равновесной смеси (поток № 6), К |
535 |
Температура потока № 14, К |
630 |
Температура потока № 15, К |
520 |
Коэффициент избытка воздуха в смеси воздух:метан |
1.4 |
Тепловые потери в аппаратах, % |
|
Р606 |
10 |
Т601 |
10 |
Т607 |
7 |
Т608 |
3 |