- •Раздел 1
- •1.2 Перспективы и основные направления
- •2. Комбинирование производств
- •3.Разработка энергосберегающих технологий.
- •4. Создание агрегата большой единичной мощности
- •5. Новые методы интенсификации х.Т.Процессов
- •Раздел 2
- •2.3Принцип Ле-Шателье. Приемы смещения равновесия
- •2.4Использование законов химической кинетики при разработке хтп. Понятие элементарной реакции, простых по механизму и стехиометрии реакции. Закон действия масс. Кинетические уравнения.
- •Раздел 3.
- •3.1.Системный подхол к решению проблем.Понятия:система,подсистема,элемент.Признаки больших систем.Этапы разработки сложных систем. Задачи анализа и синтеза.
- •3.2Свойства хтс. Иерархические уровни хтс. Методы анализа.
- •3,3Модели хтс и их описание. Обобщенные модели
- •3.4Классификация хтс по структуре и по типу функционирования во времени.
- •3,5Рециклы в хтс и характеристические функции.
- •3.6.Непрерывные,периодические
- •Раздел 4
- •4,4Принцип наилучшего использования сырья
- •1. Использование одного из реагентов в избытке
- •1.2. Смещение равновесия при обратимых реакциях.
- •1.4. Противоток веществ.
- •1.5. Подавление побочных реакций.
- •2. Комбинирование производств
- •4,2Принцип интенсивности процесса
- •4.3Принцип наилучшего использования энергии
- •2). Выбор относительного движения тепловых потоков.
- •3). Рациональное проведение процесса при высоких температурах.
- •4.4Принцип соразмерности.
- •4.5.Принцип экологической безопасности
2. Комбинирование производств
Комбинирование производств возможно по нескольким принципам.
Первый случай комбинирования - на основе комплексного использования
сырья, то есть когда сырье имеет сложный состав и необходимо выделить и использовать максимальное количество его компонентов. В этом случае параллельно на одной производственной площадке должно быть развернуто
производство целого ряда продуктов. Пример: цвет.мет в наст.время при переработке свинцово-цинковых руд извлекают 18 элементов и производят 40 видов продукции. При переработке медно-никелевых руд извлекаются 25 элементов.
Второй случай комбинирования – последовательное комбинирование, когда при производстве какого-либо продукта на данном производстве из него производятся другие продукты (товары). Обычно на одном комбинате соединяют производства нескольких продуктов. Например, при производстве синтез-газа паровой конверсией метана в дальнейшем получают как аммиак, так и мочевину (карбамид):
Реакции:
CH 4 +2H2О = CО2 + 4H2
N2 + 3H2 = 2NH3 (1.8)
CО2 + 2NH3 = (NH2)2CО + Н2О
Из синтез-газа также можно получить метанол и уксусную кислоту. Из аммиака - азотную кислоту и азотные удобрения и т.п.
Это прием, когда получающийся химический продукт перерабатывается в другие продукты на данном предприятии, позволяет исключить значительные расходы на транспортные операции, на хранение, на погрузку и выгрузку. Такой набор производств реализовался в производственных объединениях «Азот» в советское.
Третий случай комбинирования – переработка побочных продуктов.
Реализация комплексного использования сырья препятствует наличие большого количества трудностей:
-
Необход. Больших исходных капиталовложений
-
Наличиемежотраслевых проблем
4,2Принцип интенсивности процесса
Интенсивность любого единичного элемента, входящего в химико-технологическую систему (ХТС), является составляющей производительности всей системы и, следовательно, будет определять экономическую эффективность ее функционирования. Интенсивность определяется скоростью данного процесса. Изменение интенсивных*) параметров с целью увеличения скорости процесса называется интенсификацией. В обобщенном виде скорость любого процесса может быть представлена как отношение:
Скорость = К(движущая сила/ сопротивление), (3.1)
где К - коэффициент пропорциональности (коэффициент интенсивности).
Движущая сила представляет собой разность потенциалов, характерных для данного процесса, и выражает степень удаленности системы от состояния равновесия. Для массообмена в пределах одной фазы движущей силой будет разность концентраций вещества, которая выравнивается, в процессе. В случае теплообменных процессов - разность температур. Разность давлений может служить движущей силой для производства механической работы двигателя или турбины.
Сопротивление в уравнении (3.1) также является характеристической величиной для данного процесса. Это могут быть пленки, через которые происходит диффузия; слой образовавшегося продукта.
Для химической реакции с сопротивлением связана величина энергии активации.
Таким образом, составляющие уравнения (3.1 ) будут определяться характером протекающего процесса. Это могут быть: химическое взаимодействие, массопередача, теплопередача и Т.д.
Эти процессы протекают и параллельно, и последовательно.
Предполагается, что в стационарном состоянии скорость процесса будет определяться наиболее медленной стадией. Рассмотрим несколько примеров:
а) в процессе синтеза аммиака скорость будет лимитироваться
хемосорбцией азота на активных центрах катализатора (кинетическая область);(катализатор )
б) на стадии окисления аммиака до NO - диффузией аммиака из объема потока к поверхности платинового катализатора (внешняя диффузия увеличение объемной скорости);
В) в процессе обжига серного колчедана - диффузией кислорода через слой образовавшегося оксида железа (внутридиффузионная область-дробление);
при конверсии метана водяным паром - подводом тепла к поверхности расположенного в трубках катализатора, Т. Е теплопередачей
Способы интенсификации перечисленных процессов будут определяться лимитирующей стадией. При этом необходимо увеличивать движущую силу процесса и уменьшать сопротивление. Большая часть процессов химической технологии являются гетерогенными.
Скорость (r) любого гетерогенного процесса может быть описана
уравнением:
r ==KF·(C - С*), (3.2)
где К - константа скорости гетерогенного процесса, определяемая
соотношением коэффициентов интенсивности кинетических
и диффузионных стадий; F - поверхность контактафаз;
С и С* - текущая и равновесная концентрации.
Для увеличения движущей силы процесса используются следующие приемы:
1. Увеличение концентрации реагирующих веществ. При этом
возрастает скорость и химических, и диффузионных стадий.
2. Повышение давления в процессах с участием газовой фазы.
3. Вывод продуктов из сферы реакции.
4. Применение противотока веществ.
5. Проведение процесса вдали от состояния равновесия, Т.е. с
большими объемными скоростями (малым временем контактирования).
Проиллюстрируем сказанное выше на примере производства
аммиака: N 2 + 3Н2 =2NНз .
Для увеличения движущей силы процесса необходимо также уменьшать равновесную концентрацию компонентов. С этой целью используют все существующие способы смещения равновесия:
а) понижение температуры в экзотермических процессах, а в эндотермических - ее повышение;
б) увеличение давления в процессах, протекающих с уменьшением числа молей, и, наоборот, его понижение при возрастании числа молей по мере протекания реакции;
В) вывод продуктов из сферы реакции.
Для снижения сопротивления в процессах массопередачи проводят турбулизацию газового потока, повышают линейную скорость, про водят измельчение твердой фазы.
Однако, существует целый ряд процессов, для которых высокая интенсивность приводит к нежелательным явлениям. Так, в сильно
экзотермических процессах она может привести к тепловому взрыву, как и для некоторых цепных реакций. Например, в реакциях с большой скоростью полимеризации значительное увеличение концентрации не позволит остановить процесс на получении полимера с определенной молекулярной массой. Для процессов абсорбции с одновременно протекающей экзотермической реакцией увеличение поверхности контакта приведет к резкому увеличению температуры, и,
соответственно, росту равновесного парциального давления р* поглощаемого компонента. При этом уменьшится движущая сила процесса: д= р - р*. Отсюда возникает необходимость поиска компромиссного решения, т.е. технологической соразмерности.