6. Создание агрегатов большой единичной мощности

Создание агрегатов большой единичной мощности – одно из важнейших направлений, обеспечивающих снижение капитальных вложений, эксплуатационных затрат, себестоимости продукции и обеспечение высокой степени автоматизации.

Один большой реактор, в котором непрерывно, в стационарном режиме производится большое количество продукции, более экономичен, чем, например десяток меньших, вследствие снижения, в первую очередь, доли условно-постоянных затрат.

И большой, и маленький агрегат обслуживается соизмеримым количеством работников, одинаковы затраты на содержание административного аппарата и т.п., поэтому себестоимость продукции, получаемой в агрегатах большой единичной мощности, оказывается существенно ниже.

Дополнительный выигрыш получается также в результате концентрирования энергии. Доля потерь тепла в окружающую среду для большого агрегата существенно меньше, чем для маленького, энергия меньше рассеивается и может быть более эффективно использована.

Продукция агрегата, который производит 500 тыс. тонн продукта в год, должна непрерывно отгружаться потребителю или производитель должен располагать огромными хранилищами, что не всегда реализуется в условиях меняющейся конъюктуры.

Внеплановые остановки подобных агрегатов могут привести к большим затратам средств, а залповые выбросы при продувке систем приводят к сильному отрицательному воздействию на окружающую среду. Поэтому требуется высокая степень надёжности этих агрегатов. Помимо этого, существуют определенные технические сложности производства и монтажа гигантского оборудования.

Таким образом, увеличение размеров агрегатов целесообразно до определенных пределов.

7. Интенсификация хтп

Интенсификация ХТП может реализоваться за счет использования нетрадиционных методов технологии.

1. Плазмохимические методы.

В плазме в ионизированном газе при температуре примерно 2000С могут протекать очень важные реакции, например, прямой синтез оксида азота (II):

N₂ + O₂ = 2NO

Процесс сильно эндотермический и термодинамика запрещает этот процесс при температурах до 2000С. Применение плазмохимических методов при более высоких температурах сдерживается чрезвычайной энергоемкостью эти процессов.

2. Механохимия – механическое воздействие на реагенты при протекании химической реакции. Если реагенты предварительно подвергнуть обработке в шаровой мельнице, то увеличивается скорость протекающей между ними реакции.

3. Сонохимия – применение ультразвука для интенсификации химических реакций.

4. Процессы с использованием УФ-облучения. Облучение ультрафиолетом или даже видимым светом часто приводит к инициированию процесса, получению активных частиц, например, радикалов, которые являются носителями активности. С использованием ультрафиолета процессы можно проводить при более низких температурах по сравнению с термическим инициированием.

Раздел 2. Разработка химической концепции метода.

1. Классификация химико-технологических процессов (ХТП). Критерии эффективности химического превращения: выход, степень превращения сырья (конверсия), селективность, производительность и интенсивность работы аппарата, расходные коэффициенты по сырью. Технологические параметры ХТП: время пребывания (контактирования), объемная скорость.

Химико-технологический процесс (ХТП) – это совокупность физических и химических процессов, направленных на превращение исходных реагентов (сырья) в необходимые для дальнейшей переработки или потребления (целевые) продукты. Под обозначением «ХТП» подразумевают реакционную систему.

Основными признаками химического превращения являются:

а) химизм, включающий информацию о степени сложности протекающих реакций, их количестве и стехиометрии;

б) особенности термодинамики;

в) кинетические закономерности протекания ХТП;

г) фазовая характеристика системы, в которой протекает ХТП, и локализации самого ХТП.

Классификация.

1. С точки зрения химизма ХТП делят на простые и сложные:

   1. Простой ХТП можно описать одним стехиометрическим уравнением превращения исходных реагентов, например, А и В в продукты Р и R:

аА + вВ = rR + pP, где а, в, r и p – стехиометрические коэффициенты.

При этом не все продукты основной реакции могут представлять одинаковую практическую ценность, поэтому их делят на целевые и побочные.

2. Сложный ХТП описывают более чем одним стехиометрическим уравнением, т.е. кроме основной реакции протекают параллельные, последовательные и параллельно-последовательные. Сложный ХТП всегда включает основную реакцию, дающую целевые продукты (иногда вместе с побочными) и побочные реакции, приводящие к образованию побочных продуктов.

С практической точки зрения различать простые и сложные процессы важно, поскольку для простого процесса выбор условий его проведения определяется только требованиями быстрого и полного протекания основной реакции. Для сложного процесса нужно при выборе условий в первую очередь обеспечить подавление побочных реакций при максимально возможных показателях основной реакции.

2. С термодинамической точки зрения ХТП делят на:

   1. Необратимыми (односторонними) ХТП называют процессы, равновесие основной реакции которых практически полностью смещено в сторону образования продуктов во всем доступном для ХТП диапазоне изменения температуры и давления. Константа равновесия необратимого процесса остается больше, чем 10² во всем доступном диапазоне условий. Необратимыми можно считать и процессы, равновесие которых во всём диапазоне доступных для ХТП условий практически полностью смещено в сторону исходных реагентов. Такие процессы называют запрещенными по термодинамическим соображениям.

   2. Обратимый (двухсторонний) ХТП – это процесс, на положение равновесия которого можно в заметной степени повлиять изменением условий проведения. Если в результате удается подобрать условия проведения ХТП таким образом, чтобы константа равновесия имела величину ~10² или больше, а равновесный выход целевого продукта был близок к 100% или к 1 (в долях), то процесс называют обратимым смещенным. Если константа равновесия и равновесный выход не достигают указанных значений в выбранных условиях проведения, то ХТП считают обратимым несмещенным.

3. Классификация ХТП по тепловому эффекту:

   1. Если сумма тепловых эффектов положительна, т.е. преобладают реакции, протекающие с выделением тепла, то ХТП является экзотермическим (Q>0, ΔН<0). Для экзотермических ХТП необходимо обеспечить теплоотвод при соблюдении оптимального температурного режима в реакционной зоне (или организовать автотермический режим)

   2. Если основной вклад в суммарный тепловой эффект вносят реакции, протекающие с поглощением тепла, то ХТП – эндотермический (Q<0, ΔН>0).

   3. Изотермические. Проводят при постоянной температуре, отводя тепло экзотермических реакций и подводя тепло в случае эндотермических процессов. В случае экзотермических процессов тепло расходуется на поддержание оптимальной температуры. Такие реактор и процесс называют также адиабатическими.

   4. В автотермических процессах рационально используется тепло, выделяющееся при протекании реакций, и существенно упрощается устройство реактора.

Рассмотрим основные показатели на примере реакции, которую будем считать основной реакцией ХТП.

aA + bB = pP

1. Степень превращения (степень конверсии) реагента (Х) – это отношение количества превращенного реагента к введенному в реакционную систему количеству этого реагента.

Количества реагента могут быть выражены в единицах массы, молях, в мольных потоках и, даже, в единицах объема, взятых при одинаковых условиях (температуре и давлении).

Где G - массы введенного и непрореагировавшего реагента А, соответственно; N – те же величины, выраженные в молях.

Если объем реакционной системы остается постоянным в ходе ХТП, то во всех расчетах количества веществ могут быть заменены их молярными концентрациями. При использовании формул степень превращения получают в долях единицы.

2. Выходом продукта по данному реагенту называют отношение количества реагента, превратившегося в данный продукт, к количеству этого реагента, введенного в систему.

Обе формулировки выражаются одной формулой. Для уравнения выходы продукта Р на реагенты А и В выражаются формулами:

где N - количества молей, соответственно, а, b и p – стехиометрические коэффициенты реакции.

Для уточнения связи формулы с двумя формулировками определения выхода перепишем ее для реагента А в двух видах: для первой формулировки и для второй.

Выражение (𝑵_𝑷 ∙ ) в формуле – это количество молей реагента А, из которого образуется N_P молей продукта Р в соответствии с уравнением и т.д.

Чаще выход рассчитывают для наиболее ценного (целевого) продукта на наиболее дорогой из реагентов.

3. Селективность – важнейший показатель сложного ХТП, характеризующий эффективность превращения сырья в целевой продукт.

Селективность образования продукта по реагенту (φ) – это отношение количества этого реагента, превратившегося в продукт, к общему количеству превратившегося реагента.

Для реакции (aA + bB = pP) селективность образования продукта Р по реагентам А и В выразится формулами, в знаменателе которых количество превращенного реагента. Символом N обозначены мольные количества веществ или мольные потоки (для открытых систем, работающих в стационарном режиме).

Для селективности есть второе определение: селективность – это отношение количества полученного практически продукта, к количеству этого продукта, которое должно было быть получено теоретически.

Если продукт образуется по нескольким реакциям, то селективность, как правило, рассчитать нельзя.

Дифференциальной селективностью ( называют отношение скорости расходования реагента А на образование продукта Р к суммарной скорости превращения А. Рассчитывают дифференциальную селективность как отношение скоростей образования продукта и расходования реагента, умноженное на обратное отношение стехиометрических коэффициентов. Член () в уравнении равен скорости расходования А на образование Р.

Взаимосвязь степени превращения реагента, выхода и интегральной селективности образования продукта.

Очевидно, что для простых ХТП селективность равна единице (100%) для всех продуктов единственной реакции (стехиометрического уравнения). В этом случае выход каждого из продуктов реакции по любому из реагентов равен степени превращения этого реагента (𝜼_𝑨 = 𝑿_𝑨).

В случае сложных ХТП для получения высокого выхода необходимо иметь высокие значения и степени превращения, и селективности. Если процесс протекает с полным превращением реагента, то выход продуктов по этому реагенту равен селективности образования каждого из продуктов по данному реагенту.

Критерии эффективности химического превращения

1. Производительность аппарата — это масса (или объем) выработанного целевого продукта за единицу времени:

где G – масса (или объем) продукта, полученная за время t.

2. Интенсивность работы аппарата.

Интенсивностью работы аппарата (I) называют его производительность, отнесенную к какой-либо величине, характеризующей размеры данного аппарата. Обычно производительность относят к объему аппарата V или к площади его сечения S:

В каталитических процессах рассчитывают интенсивность работы катализатора, для чего массу полученного за единицу времени целевого продукта относят к объему катализатора V_k:

3. Расходные коэффициенты по сырью. В связи с большим вкладом затрат на реагенты (сырье) в себестоимость продуктов в химической технологии особое значение имеют расходные коэффициенты по реагентам.

Различают теоретические и практические расходные коэффициенты.

Теоретический расходный коэффициент характеризует минимально возможный расход сырья на получение единицы массы продукта.

Практический расходный коэффициент отражает реальный расход поступившего в процесс сырья на получение единицы массы продукта, т.е. его рассчитывают, как отношение массы поступившего в процесс сырья к массе получившегося продукта:

Расходные коэффициенты рассчитывают по всем реагентам. Практические расходные коэффициенты всегда больше стехиометрических из-за неполноты превращения сырья, а также из-за расходования сырья на побочные реакции.

Практический расходный коэффициент по реагенту можно найти, зная теоретический расходный коэффициент и выход целевого продукта по этому реагенту:

Технологические параметры ХТП: