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

лоиспользующего оборудования. Блок вкmoчает в себя подогревате­

ли парогазовой смеси, воздуха, топливного газа, пароперегреватель

7

8

пар

8О3АУХ на IO)I!8tI'CHIO...таН8

В.-; ступен..

Рис. 2.6. Схема трубчатой печи - конвертора метана первой ступени: 1 - топливная камера печи (реакционная зона); 2 - конвективная камера печи (теплоисполь­ зующая); 3 - реакционные трубки с катализатором; 4 - горелки; 5 - газоподводящий коллектор; 6 - газо­

отводящий коллектор; 7 - выхлопная труба; 8 - дымо­

сос; 9 - подогреватель топлива; 1О - подогреватель

парогазовой смеси; 11 - подогреватель воздуха;

12 - пароперегреватель парового котла-утилизатора.

для получения перегретого пара с параметрами 1О МПа и 440ОС, ко­

торый используется для привода газовьLX компрессоров. Низкопотен­

циальное тепло газов перед дымовой трубой используется для нагре-

31

www.mitht.ru/e-library

ва воды в экономайзерах, которая затем поступает на питание паро-

выхкотлов.

Следует отметить, что современная трубчатая печь агрегатов

большой единичной l\10ЩНОСТИ имеет общую высоту 25-30 м, высота

реакционной трубы 12-14 м при диаметре 70-130 мм. В одной печи

размещено до 500 реакционных труб.

д). Регулирование нагрузки реактора. Если в системе, состоя­

щей из теплообменника и реактора, полное количество тепла, необ­

ходимое для нагревания газов до заданной температуры перед вхо­

дом в реактор, поставляются газом, покидающим реакционное про­

странство, то такая система будет работать автотермично (рис. 2.7).

npoдywты

Рис. 2.7. Схема работы реактора с теплообменником:

1 - теплообменник; 2 - реактор; 3 - обвод.

32

www.mitht.ru/e-library

Это наиболее выгодный режим работы. Его осуществляют в

процессах синтеза аммиака, метанола, конверсии СО и т. п. Интен­

СИВНОСТЬ потока газа на входе или нагрузка реактора позволяет регу­

лировать те~пературный режим процесса. При определенной нагруз­

ке система находится в стационарном тепловом режиме, т. е. темпе­

ратуры t), t2, tз И t4 не изменяются во времени. При малых нагрузках

увеличивается температура tз и для обеспечения автотермичности

процесса необходимо часть газа подать через обводную линию (бай­

пас) минуя теплообменник. В случае сверх высоких нагрузок будет

наблюдаться снижение температуры t2 и как следствие - tз, т. е. в те­ плообменнике газ будет нагреваться недостаточно и со временем ре­

актор может «погаснуть». Следует учитывать, что ограничение на­

грузки может вызываться необходимостью отрогого соблюдения

продолжительности контактирования реагентов с катализатором.

4). Использование образующихся в системе

разности потенциалов. Если процесс протекает с изменением аг­

регатного состояния, необходимо использовать теп.:lОТУ фазового превращения. Так, в процессе ректификации теплота конденсации

(при постоянной температуре) менее летучего компонента расходу­ ется на испарение более летучего. Теплота, выделяющаяся в экзотер­

мическом процессе, может использоваться для проведения эндотер­

мической реакции, что имеет место, например, в шахтном конверторе

паровоздушной конверсии метана, где протекают реакции:

СН4 + Н2О ~ СО + 3Н2 - 206,4 кДж,

СН4 + 0,502 = СО + 2Н2 + 34,7 кДж.

33

www.mitht.ru/e-library

Аналогичный прием используется в производстве Формальдеги-

да:

СНзОН + 0,502 = НСОН + Н2О + 156,3 кДж,

СНзОН ~ НСОН + Н2 - 85,3 кДж.

Типичным примером использования возникающих в системе

разности потенциалов является использование в технологии азотной

кислоты энергии хвостовых газов после очистки от оксидов азота

(температура 7000С) для привода турбины компрессора, подающего в

систему воздух. Этот прием используется практически во всех мно­

готоннажных энерготехнологиqеских системах, что позволяет повы­

сить экономичность их функционирования.

5). Разработка эненрготехнологических схем (химико­

энергетических систем,' ХЭС). Энерготехнологическая система соче­

тает производетво химической продукции с одновременным получе­

нием энергии. При этом уменьшается количество не утилизированно­

го низкопотенциального тепла и улучшаются 'экономические показа­

тели нроцесса.

Структура ХЭС включает реакционное оборудование, осущест­

вляющее целевое химическое превращение, систему выделения то­

варного продукта, а также жестко связанные с ними узлы преобразо­

вания энергии: генераторы водяного пара, высокотемпературные пе­

чи, рекуператоры тепла, турбогенераторы и турбокомпрессоры и т. п.

Энергия, производимая одновременно с товарным продуктом,

может быть использована как на данном производстве, так и переда­

на стороннему потребителю.

34

www.mitht.ru/e-library

к энерготехнологическим системам следует отнести производ­

ства аммиака, азотной кислоты, метанола, серной кислоты и др. Наи­

больших успехов энерготехнология достигла в азотной промышлен­

ности и основном органическом синтезе. Этому способствовала раз­

работка непрерывных процессов на основе агрегатов большой еди­

ничной мощности, позволяющих концентрировать энергию.

Реализация систем, включающих агрегаты большой единичной

мощности, позволяет:

снизить удельные капитальные затраты и уменьшить себе­

стоимость продукции (на 15-20% при удвоении мощности);

-повысить производительность труда;

-уменьшить материалоемкость и сократить производственные

I

площади.

Кроме того, становится рентабельным использование сложной

системы автоматизации и регулирования параметров процесса.

Следует, однако, отметить, что данные системы имеют и суще-

ственные недостатки:

-наличие жестких связей между отдельными элементами и

подсистемами;

-возрастает цена времени (вынужденные инезапланированные

остановки приводят к большим затратам);

-залповые выбросы при продувке систем оказывают значи­

тельное отрицательное воздействие на окружающую среду;

-требуется высокая степень надежности агрегата;

-конструкционные и технические сложности монтажа агрегата.

35

www.mitht.ru/e-library

Глава 3. ПРИНЦИП НАИБОЛЬШЕЙ

ИНТЕНСИВНОСТИ ПРОЦЕССА

Интенсивность любого единичного элемента, входящего в хи­

мико-технологическую систему (ХТС), является составляющей про­ изводительности всей системы и, следовательно, будет определять экономическую эффективность ее функционирования. Интенсив­ ность определяется скоростью данного процесса. Изменение интен­

сивных*) параметров с целью увеличения скорости процесса называ­

ется интенсификацией. В обобщенном виде скорость любого процес­ са может быть представлена как отношение:

Скорость = К(движущая сила/ сопротивление), (3.1)

где К- коэффициент пропорциональности (коэффициент интенсив­

ности).

Движущая сила представляет собой разность потенциалов, ха­

рактерных для данного процесса, и выражает степень удаленности

системы от состояния равновесия. Для массообмена в пределах од­

ной фазы движущей силой будет разность концентраций вещества,

которая выравнивается, в процессе. В случае теплообменных процес­

сов - разность температур. Разность давлений может служить движу-

*) Интенсивные величины не зависят от массы термодинамиче­

ской системы: температура, давление. Для интенсификации исполь­

зуют также экстенсивные величины, отнесённые к единице массы,

объёма или количества вещества. Например, концентрация реаги­

рующих веществ.

36

www.mitht.ru/e-library

щей силой для производства механической работы двигателя или

турбины.

Сопротивление в уравнении (3.1) также является характеристи­

ческой величиной для данного процесса. Это могут быть пленки, че­ рез которые происходит диффузия; слой образовавшегося продукта.

Для химической реакции с сопротивлением связана величина энергии

активации.

Таким образом, составляющие уравнения (3.1 ) будут опреде­

ляться характером протекающего процесса. Это могут быть: химиче­

ское взаимодействие, массопередача, теплопередача и Т.д.

Эти процессы протекают и параллельно, и последовательно.

Предполагается, что в стационарном состоянии скорость процесса

бу.r.~т определяться наиболее медленной стадией. Рассмотрим не-

сколько примеров:

а) в процессе синтеза аммиака скорость будет лимитироваться хемосорбцией азота на активных центрах катализатора (кинетическая область);

б) на стадии окисления аммиака дО NO - диффузией аммиака из объема потока к поверхности платинового катализатора (внешняя

диффузия);

В) в процессе обжига серного колчедана - диффузией кислорода

через слой образовавшегося оксида железа (внутридиффузионная об­

ласть);

37

www.mitht.ru/e-library

г) при конверсии метана водяным паром - подводом тепла к по­

верхности расположенного в трубках катализатора, Т.е. теп:юпереда­

чей.

Способы интенсификации перечисленных процессов будут оп­ ределяться лимитирующей стадией. При этом необходимо увеличи­ вать движущую силу процесса и уменьшать сопротивление. Большая

часть процессов химической технологии являются гетерогенными.

Скорость (r) любого гетерогенного процесса может бьrrь описана

уравнением:

где К - константа скорости гетерогенного процесса, определяемая

соотношением коэффициентов интенсивности кинетических

и диффузионных стадий; F - поверхность контакта qiаз; С и

С* - текущая и равновесная концентрации.

Для увеличения движущей силы процесса используются сле­

дующие 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 контактирова­

ния).

38

www.mitht.ru/e-library

Величина объемной скорости связана с интенсивностью процес­

са следующим образом:

где 1- количество (объем) получаемого продукта за единицу времени

с единицы объема аппарата (или катализатора), м3!м3час; а­

мольная доля ПО_1Учаемого продукта; W - объемная скорость:

расход исходных веществ, поступающих в реакционный аппа­

рат, отнесенный к единице реакционного объема, м3!м3час.

С увеличением объемной скорости падает мольная доля полу­

чаемого продукта. Но объемная скорость возрастает в большей сте­

пени, чем падает мольная доля получаемого продукта. Поэтому рас-

тет ее производительность.

Проиллюстрируем сказанное выше на примере производства

аммиака: N2+3Н2 ~ 2NНз. В таблице приведены соотношения между

W, а и 1 для процесса синтеза аммиака:

Из данных, приведенных в табл. видно, что с увеличением объ­

емной скорости в 3 раза, мольная доля аммиака в потоке уменьши­

лась в 1,4 раза, а интенсивность катализатора возросла в 2,1 раза. В

39

www.mitht.ru/e-library

рассмотренном случае выбор объемной скорости не может быть не­

однозначным, так как необходимо обеспечить:

•определенное время контактирования;

•минимальный проскок сырья;

•оптимальную селективность процесса;

•автотермичность (ДЛЯ экзотермических реакций).

Кроме того, на выбор объемной скорости оказывают влияние и

конкретные параметры процесса. Так, в производствах метанола и

аммиака объемная скорость в зависимости от активности катализато­

ра варьируется в пределах 10000-30000 ч-J , а в производстве этанола - 1500-1800 ч-1 • В последнем случае это связано с тем, что при уве­

личении объемной скорости возрастет унос фосфорной кислоты с ка­ тализатора, а также невqзможно будет обеспечить автотермичность процесса, Т.е. поддерживать необходимую для работы катализатора

температуру 270-2900С за счет теплоты реакции прямой гидратации

этилена:

дН =-45,6 кДж

Для увеличения движущей силы процесса необходимо также умень­

шать равновесную концентрацию компонентов. С этой целью ис­

пользуют все существующие способы смещения равновесия:

а) понижение температуры в экзотермических процессах, а в эн-

Дотермических - ее повышение;

40

www.mitht.ru/e-library