книги из ГПНТБ / Пинаев Г.Ф. Основы теории химико-технологических процессов учеб. пособие

§ XII.4. Оптимизация гетерогенных реакций

Оптимизация гетерогенных реакций состоит в выборе та­ ких условий и способа проведения реакции, которые обеспе­ чивали бы по возможности высокую скорость реакции и вы­ сокую степень полноты реакции.

Первый этап оптимизации., состоит в выборе оптимальных физико-химических параметров процесса, основанных на дан­ ных о равновесии реакций. В частности, весьма важным па­ раметром является температура. На основе равновесия обыч­ но рассчитывается максимальная возможная температура процесса для экзотермических реакций и минимальная воз­ можная температура — для эндотермических. Далее всесто­ ронне учитывают кинетику и гидродинамику процесса. При этом используются соответствующие кинетические уравнения. Основными факторами интенсификации гетерогенных реакций являются следующие.

Для увеличения скорости абсорбции или хемосорбции тре­

исходных веществ или общее давление в системе и уменьшать равновесную концентрацию х^ в передающей фазе. По­ следняя обычно зависит от температуры процесса или добав­

Увеличение удельной межфазной поверхности s достигает­ ся диспергированием фаз и осуществлением процессов в сус­ пензиях, эмульсиях или коллоидных растворах.

Увеличение kA достигается в соответствии с (ХИЛО) при возрастании Re, т. е. при увеличении скоростей движения или перемешивания фаз. Кроме того, из (XII.9) следует, что уве­ личение kA достигается и при возрастании ЭА — коэффи­ циента химического ускорения массопередачи. Последний обычно возрастает при повышении концентрации исходных реактантов в газовой фазе или концентрации хемосорбента в жидкой фазе.

Интенсификация твердофазных реакций достигается уве­ личением температуры процесса, влияющей на величину кон­ станты скорости К в (XII.21—XII.23), и уменьшением R — среднего радиуса частиц твердой фазы в (XII.23), т. е. дис­ пергированием твердой фазы. Ускорение твердофазных реак­ ций может быть достигнуто также применением специальных веществ —• минерализаторов, а также специальной обработ­ кой веществ с целью увеличения концентрации дефектов в кристаллах. Прессование или брикетирование порошкообраз-

310

ных исходных веществ таікже увеличивает скорость твердо­ фазных реакций.

Следует отметить, что, как правило, нельзя достигнуть того, чтобы все факторы интенсификации процесса одновре­ менно имели бы максимальные численные значения. Так, уве­ личения удельной поверхности фаз достигают с помощью их диспергирования, а это затрудняет осуществление противото­ ка и делает невозможным максимизацию движущей силы процесса АхА •

С другой стороны, увеличение АхА при абсорбции газов достигается проведением процесса при возможно более низ­ ких температурах, в пределе — при температуре вблизи точ­ ки плавления растворителя. Однако понижение температуры

(МЭА) — довольно вязкую жидкость. Если сильно .увеличи­

мальные температура сорбции, концентрация хемосорбента, дисперсность фаз, скорость движущихся фаз и т. д.; указан­ ные оптимальные условия обычно не совпадают с экстре­ мальными условиями существования фаз.

Увеличение скорости движения фаз, степени дисперсности фаз, повышение давления, температуры — все это требует материальных затрат. Поэтому иногда оптимальные с точки зрения кинетики процесса условия при учете всех затрат ока­ зываются отнюдь не оптимальными, и их требуется соответ­ ствующим образом скорректировать, учитывая не только стоимость полученных продуктов и израсходованного сырья, но также все эксплуатационные и амортизационные расходы.

§ XII.5. Основные типы реакторов для осуществления гетерогенных реакций

Реакторы с мешалкой, применяемые для осуществления гомогенных реакций (рис. Х.15, Х.17), могут быть использо­ ваны и для гетерогенных реакций, если мощности привода мешалки достаточно для перемешивания суспензии и исклю­ чены такие нежелательные явления, как образование насты­ лей и пробок твердой фазы в ходе реакции. Такие реакторы могут быть реакторами периодического или непрерывного действия, и в них невозможен противоток.

311

Характерным типом реактора, который применяют при операциях выщелачивания полезных компонентов из крупно­ зернистых материалов, является шнековый растворитель, схе­ ма которого показана на рис. XII.6, а. При желании в указан­ ном растворителе можно осуществлять и прямоточное и противоточное движение фаз.

При осуществлении твердофазных реакций или реакций с участием твердой, газообразной и, возможно, жидкой фаз используют два основных типа реакторов: трубчатую и шахт­ ную печь.

Трубчатая, или барабанная, печь (рис. X I 1.6, б) предназна­ чена для тонко размолотых материалов и представляет собой вращающийся цилиндр («барабан»), слегка наклоненный к горизонту (от 1 до 7°) и изнутри футерованный огнеупорным кирпичом. Трубчатые печи применяют для сушки или обжига сыпучих материалов. Наиболее крупные (до 200 м длиной) трубчатые печи применяют в производстве глинозема и порт­ ланд-цемента.

Шахтные печи (рис. ХІІ.6, в) представляют собой верти­ кальную шахту, имеющую в верхней части устройства для за­ грузки сырья (шихты), а в нижней — устройства для вы­ грузки обожженного продукта. Необходимая температура поддерживается за счет подачи дутьевого газа в нижней ча­ сти печи и углеродистого материала (кокса, нефтекокса и

но широкое распространение шахтные печи получили в метал­ лургии; к их разновидностям относятся ватер-жакетная печь для выплавки медного штейна, а также доменная печь. Объ­ ем современных доменных печей достигает 3200 м2 .

Для осуществления хемосорбции газов растворами ис­ пользуют скрубберы и тарельчатые колонны. В скрубберы (рис. X I 1.6, г) жидкость подается сверху аппарата как оро­ шение, проходит аппарат, накапливается в сборнике и снова подается на орошение. С целью увеличения межфазной по­ верхности осуществляется диспергирование жидкости путем ее разбрызгивания или применения насадки. Скрубберы при­ меняют в производстве серной кислоты (промывные башни),

кает с верхней тарелки на нижнюю через переливные трубы. Газ барботирует на каждой тарелке через слой жидкости. В тарельчатых аппаратах осуществляется противоток. Такие

312

Рис. X I 1.6. Конструкции реакторов для осуществления гетерогенных реакций:

а — шнековый растворитель; б — трубчатая печь; в — шахтная печь; г — скруббер; д — тарельчатая колонна; е — печь кипящего слоя .

тификации и др. При необходимости в тарельчатых колоннах можно получать кристаллические вещества, например бикар­

ций и процессов массопередачи широко используются про­ цессы в кипящем слое. Примером реактора в кипящем слое является печь для обжига серного колчедана в производстве серной кислоты (рис. XII.6, е).

Все более широкое распространение в промышленности для получения твердых продуктов из растворов или суспензий (пульп) находят реакторы типа распылительной сушки, пред­ ставляющие собой высокие пустотелые башни, в которые по­ дают горячие топочные газы. В верхней части таких аппара­ тов расположены разбрызгивающие устройства, а в нижней — полки с гребками и выгрузные устройства. Их применяют в производстве удобрений (аммофос, нитрофоска), триполифосфата натрия и других производствах.

Из приведенных примеров следует вывод: типы реакторов для осуществления гетерогенных реакций более разнообраз­ ны, чем для гомогенных, классификация их затруднительна, а оптимальный выбор конструкции в настоящее время почти невозможно программировать.

Поэтому при проектировании новых технологических про­ цессов или усовершенствовании конструкций реакторов для осуществления гетерогенных реакций требуется предвари­ тельно испытывать реакторы в условиях, максимально приб­ лиженных к реальным производственным. С целью экономии материалов, затрат на изготовление и эксплуатацию произ­ водственному испытанию обычно подвергают реактор мень­ шей производительности, чем проектируемый. Такой реактор, оснащенный вспомогательным оборудованием и используе­ мый для моделирования проектируемого реактора, называют пилотной установкой, опытно-промышленной установкой или полупромышленной установкой. Перенос результатов, полу­ ченных на аппаратах малой производительности (пилотная установка), на аппараты большей производительности назы­ вают масштабным переходом.

Интенсивность гетерогенных реакций может изменяться при масштабном переходе. Отсюда вытекает необходимость многократного испытания процесса на действующих моделях аппаратов все большей производительности. К сожалению, такой путь замедляет внедрение новых процессов и требует больших материальных затрат. Математическое моделирова­ ние процесса и использование вычислительной техники при оптимизации гетерогенных реакторов сокращает число произ­ водственных испытаний. В истории техники имеются приме­ ры, когда удавалось осуществлять масштабный переход з

314

Г л а в а XIII

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА

ВХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

§XIII.1. Факторы, стимулирующие прогресс

химической технологии

Оптимальное производство предполагает оптимальное размещение предприятия, использование оптимальной техно­ логии и оптимальное управление производством. Из этих трех составляющих наиболее динамичным является требо­

Всякий технологический процесс подвержен моральному износу, т. е. устарению, если не обеспечены условия его не­ прерывного совершенствования или прогресса.

Хотя побудительные причины к осуществлению тех или иных технических усовершенствований в каждом конкретном случае могут быть различны, в целом их можно разбить на группы родственных между собой факторов: 1) медико-физио­ логические и санитарно-гигиенические; 2) эстетические и психологические; 3) геогигиенические; 4) технико-экономиче­ ские факторы.

К числу медико-физиологических и санитарно-гигиениче­ ских относятся факторы, направленные на уменьшение про­ изводственного травматизма, предотвращение аварийных сос­ тояний производства, уменьшение его вредности для рабо­ тающих и для населения, проживающего вблизи химических предприятий.

Эстетические факторы в настоящее время активно втор­ гаются в технику и технологию. Так, многим деталям и устройствам придается форма, улучшающая условия произ­ водственного комфорта, разрабатывается оптимальная рас­ краска деталей и помещений, размещение приборов на пуль­ те и т. д. В этой связи возросла роль инженерной психологии как науки о реакциях человека на те или иные внешние воз­ действия во время работы. Мероприятия технической эстети­ ки и инженерной психологии уменьшают утомляемость рабо­ тающих и повышают их производственную культуру, а следо­ вательно, и производительность труда, что имеет в конечном счете экономическое значение.

316

К геогигиеническим факторам технического прогресса от­ носятся все факторы, направленные на охрану природы, т. е. на уменьшение воздействия работающих предприятий на жи­ вотный и растительный мир, водную среду, атмосферу и ландшафт. Роль геогигиенических факторов все время возра­ стает, чго связано с увеличением размаха производственной деятельности человека, в настоящее время уже достигающей геологического масштаба. Так, если бы все радиоактивные отходы сбрасывали в океан, то уже сейчас уровень радиоак­ тивности в океане достиг бы опасной величины.

ров и выхлопных газов от всех примесей. Указанные требо­ вания могут быть удовлетворены при усовершенствовании способов очистки промышленных выбросов и, следовательно, должны быть отнесены к важным факторам технического прогресса химической промышленности.

Технико-экономические факторы являются наиболее важ­ ными и действенными факторами технического прогресса как в области аппаратуры, технологии производства, так и в об­ ласти управления производством. В 'частности, совершенство­ вание технологии стимулируется необходимостью повышения качества продукции, расширения сырьевой базы производ­ ства, увеличения выпуска и снижения себестоимости про­ дукции.

Основные показатели качества химической продукции — содержание основного вещества и примесей, наличие специ­ фических показателей или свойств, обусловливающих после­ дующее использование веществ по их основному назначению.

Высокие требования к качеству химической продукции предъявляют следующие отрасли народного хозяйства: атом­ ная техника, производство полупроводниковых и радиотех­ нических материалов, производство люминофорных, лазерных и оптических материалов.

Особенно высокие требования к чистоте веществ предъяв­ ляет полупроводниковая техника. Так, электрические свой­ ства германия заметно изменяются при концентрации приме­ сей порядка 1 атома на 1010 атомов. При изготовлении полу­ проводниковых изделий требуется вводить примеси опреде­ ленных элементов в строго определенных концентрациях — порядка 10""°—10_ 3 %. Химическая технология откликнулась на требования полупроводниковой техники созданием и про­ мышленным осуществлением процессов зонной перекристал­ лизации, усовершенствованием ранее известных методов очи­ стки веществ — ректификации, сублимации и других ме­ тодов.

317

Широкое использование в приборах, в технике и в быту явлений люминесценции привело к необходимости производ­ ства люминофоров в больших количествах. Можно упомянуть, в частности, о применении люминофоров для изготовления люминесцентных ламп, экранов электроннолучевых трубок осциллографов, кинескопов черно-белых и цветных телевизо­ ров, в приборах ночного видения. Производство люминофоров требует высокой чистоты вещества-основы и применения в контролируемых концентрациях активаторов. В качестве ак­ тиваторов применяют соединения лантаноидов, марганца, ме­ ди, серебра, таллия и других элементов.

Современная техника предъявляет спрос «а монокристал­ лические твердые вещества (полупроводники, оптические кри­ сталлы, пьезокристаллы, лазеры). Поэтому получение монокристальных материалов является важной задачей специаль­ ных химических производств.

нажные производства — получение химических удобрений, неорганических кислот и щелочей, солей и окислов металлов, что проявляется ъ тенденции к увеличению содержания усвоя­ емых компонентов в удобрениях, снижению содержания при­ месей в серной кислоте и т. д.

Важным мотивом в разработке новых и усовершенство­ вании существующих технологических процессов является не­ обходимость расширения сырьевой базы производств. В связи с этим можно сослаться на пример производства фосфорных удобрений.

До революции Россия ввозила в качестве сырья для полу­ чения суперфосфата марокканские фосфориты. Открытие Кольского месторождения апатитов обеспечило страну высо­ кокачественным сырьем. Однако применение апатита как сырья для производства суперфосфата заставило пересмот­ реть ранее сложившиеся нормы технологического режима, так как апатит труднее разлагается кислотами, содержит больше фтор-иона и т. д.

В настоящее время кольокий апатит считается ценнейшим сырьем промышленности фосфорных удобрений, и благодаря высокому содержанию фосфора (около 40% Р2О5) его можно безубыточно транспортировать на весьма далекие расстояния. Однако позже было открыто месторождение фосфоритов Ка- ра-Тау и возникла задача выработки удобрений из фосфори­ тов. Оказалась, что эти фосфориты содержат карбонаты каль­ ция и магния, и перерабатывать их по известной технологии с получением простого суперфосфата нецелесообразно: содер­ жание Р2О5 в суперфосфате невысокое, а наличие магния делает продукт гигроскопичным, что сильно осложняет хра-

318

нѳние его на складе и внесение в почву. Наметились два ос­ новных пути в решении 'проблемы фосфоритов Кара-Тау: а) очистка от примесей карбонатов; б) переработка фосфоритов на элементарный фосфор с последующим его сжиганием и получением фосфорной кислоты. Оба указанных пути требо­ вали разработки новой технологии. Поставленная задача бы­ ла решена, и ів настоящее время фосфориты Кара-Тау широко применяются.

Расширение сырьевой базы является важной задачей и в производстве соединений редких и рассеянных элементов, встречающихся в малых концентрациях во многих видах крупнотоннажного сырья. Так, серный колчедан, перерабаты­ ваемый на серную кислоту, содержит медь, цинк, кадмий, индий, таллий, германий, мышьяк, селен, теллур, серебро, зо­ лото, рений. Поэтому колчеданный огарок и обжиговые газы сернокислотного производства могут служить источником та­ ких элементов, как селен.

Кольские апатиты в качестве примесей содержат окислы лантаноидов в количествах нескольких килограммов на тонну, и по некоторым данным более двух процентов окиси строн­ ция. Стоимость этих примесей, если их извлекать без эксплуа­ тационных затрат, превысила бы стоимость самого апатита. Если учесть, что добыча апатита составляет десятки миллио­ нов тонн в год, то нетрудно представить, сколько теряет на­ родное хозяйство из-за отсутствия экономичных способов извлечения указанных примесей из апатитов и продуктов их технологической переработки. Очевидно, расширение сырьевой базы производства рассеянных элементов требует разработки новых технологических процессов извлечения их из широко используемого в химической промышленности сырья.

Исключительно важным стимулом технического прогресса является стремление к снижению себестоимости продукции и повышению рентабельности производства. Повседневное пла­ номерное и взаимосвязанное осуществление оптимизации от­ дельных стадий в конечном счете приводит к высокой эконо­ мичности производства, к увеличению эффективности обще­ ственного труда и в условиях социализма — к росту благо­ состояния народа и обороноспособности государства.

§ ХІІІ.2. Новые процессы химической технологии

Технический прогресс ів химической технологии достигает­ ся двумя путями: 1) разработкой и внедрением новых аппа­ ратов и технологических процессов; 2) оптимизацией всех ста­ дий производства и управления производством. Рассмот­ рим первый путь усовершенствования химического произ­ водства.

319