охт (6sem) / методички митхт / Principals of technology

Глава 2. ПРИНЦИП НАИЛУЧШЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

При организации ХТС энергетические проблемы имеют ресур­

сосберегающий, экологический и экономический характер. Проблема

энергосбережения связана с все возрастающим количеством населе­

ния земного шара и опережающим потреблением энергетических ре­

сурсов (рис. 2.1). При этом в основном потребляются углеводород­

ные ресурсы: уголь, нефть, газ, которые являются невозобновляемы­

ми. Степень их использования не превышает 45% - отсюда возника­

ют тепловые выбросы, приводящие к нарушенmo функционирования

природных экосистем, измененmo климата и Т.п.

20

18

"i

190q 1920 1140 1960 1980 2(ЮIJ

Рис. 2.1. Потребление энергии и рост народонаселения

на земном шаре

*) Тут - тонна условноготоплива, равная 29400 кДж/кг (7000ккал/кг)

21

www.mitht.ru/e-library

Экономический аспект энергетической проблемы связан с тем,

что в себестоимости химической продукции доля энергии составляет

до 60% от затрат на сырье. Поэтому одной из основных задача энер­

госберегающих технологий является снижение затрат энергии на

единицу продупа и уменьшение тепловыделение в окружаюшую

среду. Эти задачи должны решаться за счет внутренних энергетиче­ ских ресурсов, которыми обладают многие хтс.

Следует отметить, что химическая технология обладает сле­

дующими источниками энергии:

- многие химические процессы протекают с выделением боль­

шого количества тепла, которое отводится для поддержания опти­

мальных температур в реакторе, для регулирования качества продук­

та или для безопасных условий ведения процесса;

- эндотермические процессы проводятся при высоких темпера­

турах, которые затем могут являться дополнительным источником

тепла;

- в производствах органического синтеза в качестве отходов об­

разуются вещества, способные служить топливом при определенных

условиях.

Однако использование энергоресурсов в химических производ­

ствах связано с трудностями, основными из которых являются:

- рассредоточенность источников энергии в пространстве, осо­

бенно для малотоннажных производств;

-рассредоточенность источников энергии во времени (при пе­

риодических проuессах);

22

www.mitht.ru/e-library

-малое количество энергоресурсов на единицу оборудования и

вединицу времени;

-значительные потери тепла в окружающую среду;

-трудности использования тепла экзотермических низкотемпе-

ратурных процессов.

Основным направлением в повышении энергетической эффек­

тивности химических производств является снижение их энергоемко­

сти. Этому способствует:

-перевод производства на непрерывную технологию;

-использование топливного потенциала горючих отходов;

-создание агрегатов большой единичной мощности, позволяю-

щих концентрировать энергию;

-рациональная организация энерготехно.tюгических агрегатов.

В результате анализа эффективности разрабатываемой ХТС пу­

тем термодинамического анализа и расчета теплового баланса стано­

вятся ясными потенциальные энергетические возможности системы и

следующим этапом, в соответствии с этим, является рациональное

инженерное оформление данного химико-энергетического элемента

или системы в целом. Задача этого этапа - снизить затраты энергии

на единицу выпускаемого целевого продукта и сократить потери теп­

ла в окружающую среду. В зависимости от типа реализуемого про­

цесса для этой цели используют ряд приемов:

1). Регенерация теплоты - использование тепла отхо­

дЯщих продуктов реакции для нагрева входящих потоков. Для этой

цели применяют три основных способа:

23

www.mitht.ru/e-library

-непосредственный теплообмен;

-теплопередача через теIL'1О0бменную поверхность;

-перенос тепла при помощи тепловых агентов.

Непосредственный теплообмен используется в тех случаях, ко­

гда теплообменивающиеся вещества находятся в разных фазах. По

этому принципу работает большинство непрерывно действующих

печей: твердый материал, загружаемый в печь, подогревается отхо­

дящими газами, а входящие газы нагреваются теплотой материала,

сгоревшего или обожженного в печи. Теплопередача соприкоснове­

нием осуществляется также при упарке раствора в аппарате погруж­

ного горения (рис. 2.2): горючие газы сгорают в камере сгорания под

слоем раствора, который подвергается концентрированmo.

КомцеН1Р"РОUИИЫЙ

растеор

Рис. 2.2. Схема аппарата погружного горения.

теплопередачу соприкосновением нельзя использовать, если те­

плопередающие потоки находятся в одинаковых хорошо смешиваю-

24

www.mitht.ru/e-library

щихся фазах или если между их составляющими возможно химиче­

ское взаимодействие. В этих случаях теплопередачу осушествляют

через теплообменную поверхность. Это наиболее распространенный

случай в химической промышленности и поэтому его применение

отличается большим разнообразием инженерных приемов.

тсплопередача через стенку невозможна при очень высоких

температурах процесса и сильном коррозионном воздействии тепло­

обменивающихся потоков на оборудование, так как трудно подоб­

рать материалы. Кроме того, теплопередача через стенку экономиче­

ски невыгодна, если необходимо устанавливать большие и, следова­

тельно, дорогостоящие теплообменные поверхности. В этих случаях

возможно использование твердых тепловых агентов. Их примененис

может быть осуществлено в аппарата,"'( периодического или непре­

рывного действия. Наиболее прогрессивными являются аппараты не­

прерывного действия, например аппарат, представленный на рис. 2,3.

В качестве теплоносителя используют твердый материал небольшого

зернения, движущийся в системе и периодически нагреваемый или

отдающий приобретенную теплоту. Материал представляет собой

гранулы диаметром 8-15 мм, которые нагреваются в верхней камере

непосредственным соприкосновением с горячим газом, свободно па­

дают в нижнюю камеру, передавая здесь тепло газам, которые необ­

ходимо нагреть, и, охлажденные, снова подаются подъемником в

верхнюю камеру.

ЕС,lИ гранулы сделать из материала, способного быть катализа­

тором, то появляется возможность проведения в нижней камере эн-

25

www.mitht.ru/e-library

дотермических химических реакций. Подобным образом оформлены

процессы каталитического крекинга нефтепродуктов, пиролиза этана

ит. п.

ПОAlЫМНIIIt

.. о о О

):~

о

t

HlrpeвaTen"HU uuepa

х,.onодныА

Рис. 2.3. Схема регенерации теплоты с помощью твердых

теплоносителей непрерывного действия

2). Выбор относительного движения тепловых

потоков. Количество отдаваемого тепла от нагретого вещества к

нагреваемому определяется направлением относительного движения

тепловых потоков. Тепловые потоки, как и в случае массообмена, мо­ гут двигаться или в одном направлении (прямоток), или противопо­

ложном (противоток). Эти виды движения применяют при любых

способах теплообмена.

26

www.mitht.ru/e-library

Рис. 2.3 Схема направления тепловых потоков и распределение

температур при rn!Ср! « m2СР2 (m! и rn2 - массы пото­

ков, Ср! И СР2 - теплоемкости потоков).

При прямотоке можно, в конечном счете, достигнуть такой

температуры, которая получается при их смешении. После окончания теплообмена всегда устанавливается температура, средняя (tcp) между

tM1 и tH2, и более холодный поток не может ее превысить.

При противотоке из-за высокой интенсивности процесса появ­

ляется возможность превысить средюою температуру. Однако при­

менение противотока не всегда возможно, так как большая интенсив­

ность процесса может повлиять на качество продукта, например, спо­

собствуя его разложению или спеканию. Иногда трудно организовать

27

www.mitht.ru/e-library

противоток из-за конструктивных особенностей аппарата. Тогда ис­

пользуют смешанный ток. Эффект, получаемый при этом, будет

средним, который достигается при использовании прямотока и про­

тивотока.

3). Рациональное проведение процесса при

высоких температурах. Многие процессы химической техноло­

гии проводятся при высоких температурах. Это весьма энергоемкие

процессы, поэтому их энергетическому оформленшо следует удеJ1ЯТЬ

наибольшее внимание. При их реализации часто применяется ряд

приёмов.

а) Снu:жение тепловых потерь. Для этой цели используют

внешнюю изоляцию или подачу исходных веществ через пространст­

во, прилегающее к стенкам аппарата.

б) Подогрев газов, поступающих в контактный аппарат, те­ плом продуктов реакции. На рис. 2.5 изображена колонна синтеза­ метанола, работающая при давлении 32 МПа. Исходный синтез-газ,

после очистки в масляном и угольном фильтрах, смешивается с цир­

куляционном газом и пройдя между стенками аппарата и катализа­

торной коробкой, поступает снизу в теплообменную часть. В меж­

трубном пространстве теплообменника газ нагревается проходящими

по трубам продуктами реакции до 330-3400С, а затем через цен­

тральную трубу попадает в катализаторную коробку.

Аналогично устроена колонна СИlпеза аммиака.

28

www.mitht.ru/e-library

Рис. 2.5. Колонна синтеза метанола при давлении 32 Мl1а:

1 - теплообменник; 2 - холодный байпас; 3 - электро~ нагреватель; 4 - катализатор.

в) Использование тепла для получения пара в котле­

утШluзаторе. Этот прием широко используется при организации

энерготехнологических систем. Например, в схеме оформления кон­

тактного узла окисления аммиака. Процесс окисления аммиака про­

водится на катализаторе (платиновых сетках) при температуре 900Q C.

Тепл:о реакционной смеси используется для получения пара в котле-

29

www.mitht.ru/e-library

утилизаторе, что позволяет одновременно произвести «закалку» сис­

темы (см. раздел 1) и предотвратить разложение оксида азота.

В производстве серной кислоты при обжиге серосодержащего

сырья и переработке сернистого ангидрида в серную кислоту выде­

.'1Яется от 138·104 до 192·104 ккал тепла на 1 т H2S04 (в зависимости

от вида исходного сырья). Около 60% общего количества тепла вы­ деляется при обжиге серосодержащего сырья. Температура газов на выходе из печей обжига 800-10000 с. Это тепло используется для по­

лучения пара в котлах-утилизаторах. В да.lьнеЙшем пар применяется

качестве теплоносителя или его энергию используют в турбинах

(турбокомпрессоры, электрогенераторы).

г) РациОIlШlьное оформление технологического nроцесса предполагает использование тепла отходящих газов для различ­ ных этапов даllного nроцесса. Наиболее наглядно это можно пока­ зать на оформлении эндотермического процесса конверсии метана

водяным паром:

дН =206,4 кДж.

Процесс проводят на никелевом катализаторе при температуре

800-9000с в трубчатой печи, схема которой приведена на рис. 2.6.

Учитывая, что процесс протекает с поглощением тепла и катализатор

обладает низкой теплопроводностью, для его осуществления катали­

затор помещают в длинные узкие трубки, расположенные между га­

зовыми горелками в топочной печи. Выходящие из камеры горячие

газы поступают в конвективную камеру печи, где помещен блок теп-

30

www.mitht.ru/e-library