шпаргалка по охт. 1. Технологические показатели и их роль в управлении технологическим процессом
 Скачать 0.82 Mb.
|
|
45.Лимитирующая стадия процесса и ее роль при организации химического производства. Решающее значение при выборе условий проведения химико-технологических процессов имеют вопросы скорости химических превращений, изучаемые химической кинетикой. Лимитирующую стадию можно определить экспериментально, изучая изменение скорости в зависимости от температуры, линейной скорости газового потока и степени измельчения. В гетерогенных процессах лимитирующими стадиями являются внешняя диффузия, внутренняя диффузия и химическая реакция. Организация химического процесса зависит от того, какая стадия является лимитирующей. При внешней диффузии необходимо увеличить линейную скорость газа и турбулизацию потока. Для уменьшения сопротивления внутренней диффузии нужно измельчить твердый материал. Если стадии внешней и внутренней диффузии практически не оказывают сопротивления процессу, то на химическую реакцию не накладывается никаких дополнительных ограничений и скорость всего процесса зависит только от чисто кинетических факторов. При этом способом управления является повышение температуры. 46.Сырьевая база РБ. Беларусь обладает ограниченной номенклатурой природного сырья для химической промышленности. Наиболее крупные запасы имеются сильвинитовой руды, из которой вырабатывается минеральное удобрение хлористый калий. Разведанные запасы руды составляют около 20 млрд. тонн. Ежегодно «Беларуськалий» производит около 8 миллионов тонн товарных удобрений. Разведаны три месторождения каменной соли (  ), запасы которой практически неисчерпаемыми.Запасы доломита, пригодного для производства воздушной извести (  ), составляют около 500 миллионов тонн. Достаточно велики запасы мела и мергельно-меловых пород, прогнозные запасы которых оцениваются в 20 млрд. тонн. Данное сырье используется для производства известковых удобрений.В республике значительные запасы пресных подземных вод. Около 3,4 млн. м3 в сутки вод добывается для нужд государства. Кроме того, ежесуточно добывается около 900 м3 минеральных вод. Наиболее крупными запасами отличаются горючие сланцы - тонкослоистые породы осадочного происхождения, разведанные запасы которых составляют порядка 13 млрд. тонн. Однако их состав отличается высокой зольностью (более 50 %), что затрудняет их использование в качестве топлива. Имеется незначительное количество бурого угля (около 1 млрд. тонн). велики запасы торфа. Разведано около 1,5 млрд. тонн. Известно порядка 7055 торфяных месторождений. В республике торф традиционно использовался в качестве печного топлива. В настоящее время считается, что из 1,5 млрд. тонн уже выбрано 1,1 млрд. тонн. Остатка разведанного торфа предположительно хватит не более, чем на 20 лет. Очевидно, с этим связано создание национальной программы по воспроизводству торфяников, а также работ по комплексному использованию торфа как сырья, которое может дать не только тепловую энергию, но и целый ряд полезных продуктов и лекарств – биологически активные веществ, смол, ауксинов (стимуляторов роста растений) и пр. Нефть содержится в небольших количествах. 47.Классификация химических реакторов по способу организации процесса. Правильность выбора конструкции реактора, материала, из которого он изготовлен, совершенство средств автоматизации, удобство и надежность в эксплуатации в значительной степени определяют эффективность всего технологического процесса. В реакторе периодического действия все отдельные стадии процесса протекают последовательно, в разное время. Характер изменения концентраций реагирующих веществ одинаков во всех точках реакционного объема, но различен во времени для одной и той же точки объема. Параметры технологического процесса изменяются во времени (концентрация, температура, давление). Среднюю скорость процесса можно измерить производительностью:
где  - количество продукта реакции, кг (т);  - продолжительность работы реактора, ч (сутки);  - производительность реактора, кг/ч (т/сутки).При этом складывается из периода загрузки сырья в аппарат ( ), из периода химической реакции ( ) и периода выгрузки продуктов реакции из реактора ( ). При этом очевидна невысокая производительность процесса в целом.В реакторе непрерывного действия все отдельные стадии процесса химического превращения вещества (подача реагирующих веществ, химическая реакция, вывод готового продукта) осуществляются параллельно, одновременно. Характер изменения концентрации реагирующих веществ в реакционном объеме различен в каждый момент времени в разных точках объема аппарата, но постоянен во времени для одной и той же точки объема. Величина, обратная времени пребывания (контакта) продуктов реакции в аппарате, называется объемной скоростью (  ), которую можно использовать в качестве производительности ( ) непрерывно действующего аппарата.Принято время химического взаимодействия в аппарате обозначать как время контактирования ( ), которое будет определяться из следующего выражения:
где - объемная скорость сырьевого потока, ч-1 (с-1);  - объем химического реактора, м3 (л);  - объемный расход, м3/ч (мл/с).Реактор полунепрерывного действия работает в неустановившихся условиях. Такой реактор можно рассматривать как непрерывно действующий аппарат, в котором потоки входящего и выходящего из реактора вещества не равны (вследствие чего изменяется общая масса реагирующих веществ в объеме), и, кроме того, как периодический аппарат, в котором ввод одного из реагирующих веществ или вывод продукта реакции осуществляется периодически. Реакторы непрерывнодействующие практически не имеют непроизводительных затрат времени (загрузка и выгрузка отдельно) и поэтому имеют значительно большую производительность по целевому продукту. 48.Способы изменения скорости гомогенных реакций (влияние температуры, давления, перемешивания). Скорость химической реакции (  ) принято выражать количеством моль ( ) одного из реагентов или продуктов, прореагировавшим (или образовавшимся) в единицу времени в единице реакционного пространства. Для гомогенной химической реакции:
Скорость может быть измерена по любому компоненту, участвующему в реакции; она всегда положительна, поэтому знак перед производной  должен определяться тем, является ли вещество  исходным реагентом (тогда знак -) или продуктом (тогда знак +).Влияние температуры. Смещение равновесия при изменении температуры зависит от знака теплового эффекта реакции. Так повышение температуры всегда положительно, если реакция идет с поглощением тепла. Температура – один из основных параметров, влияющих на скорость химической реакции. Химические реакции более чувствительны к изменению температуры в области более низких температур. Если энергия активации целевой реакции превышает энергию активации побочной реакции, то с ростом температуры идет более быстрое увеличение скорости целевой реакции по сравнению с увеличением скорости побочной реакции и суммарной скорости процесса. Перемешивание проводят для обеспечения равномерного распределение температуры по реакционному пространству. Влияние давления определяется законом разности числа молей газообразных участников реакции (  ) или знаком изменения объема ( ).При  (число молей продуктов превышает число молей реагентов) увеличение давления неблагоприятно (равновесие будет смещаться в сторону реагентов). Чтобы реакция пошла вправо (в сторону целевого продукта) необходимо уменьшить давление на газовую систему. И напротив, если реакция идет с уменьшением числа молей ( ), повышение давления технологически оправдано, так как способствует увеличению выхода целевого продукта. Изменять давление в газовых системах (и тем самым равновесие) можно, используя прием разбавления газовой системы инертным газом. Влияние концентрации. В соответствии с принципом Ле-Шателье введение в равновесную систему дополнительных количеств какого-либо вещества вызывает смещение равновесия, при котором концентрация этого вещества уменьшается. С учетом этого, целесообразно выводить из продуктовой смеси целевой продукт, что будет смещать реакцию в сторону его образования. Для увеличения степени конвертирования дорогого или дефицитного сырьевого компонента в избытке берут более дешевый сырьевой компонент. Для простых реакций (кроме нулевого порядка) увеличение концентрации приводит к увеличению скорости.Необходимо отметить, что влияние на ХТП с помощью управляющих параметров (расход сырья, отвод продуктов,  ) будет тем заметнее, чем большим тепловым эффектом или чем большим объемным изменением (или ) сопровождается процесс.49.Технологические связи при организации производства (разновидности и взаимосвязь с основными технологическими показателями процесса). Последовательность прохождения потоков через элементы ХТС определяет структуру связей и обеспечивает определенные условия работы элементов (прямоугольник – элемент, линии со стрелками – связи и направления потоков).Последовательная связь  Применение: последовательная переработка сырья в разных операциях; недостаточность переработки сырья в одном аппарате.Разветвленная связь.  Применение: для получения разных целевых продуктов. Параллельная связь.  Применение: увеличение мощности производства, использование периодических стадий в непрерывном процессе (поочередно работает один из параллельных аппаратов), резервирование аппаратов на случай выхода из строя одного из них.Обводная связь (байпас), простой и сложный:   Применение: в основном для управления процессом.  Полный рецикл Применение: для управления процессом (в цепных реакциях скорость превращения растет по мере накопления промежуточных активных радикалов, поэтому возврат части потока с активными радикалами интенсифицирует процесс с самого начала).  Фракционный рецикл. Применение: для более полного использования сырья. Сложный (сопряженный) рецикл. Перекрестная технологическая связьПрименение: для обогрева теплом продуктового потока поступающее сырье, рекуперация тепла отходящих дымовых газов. 50.Сырье и способы его подготовки для химического производства. Исходными веществами для производства промышленных продуктов является сырье, полупродукты и вторичное сырье. Первые из названных исходных веществ – основные, их называют сырьевыми ресурсами. Сырьевые ресурсы (сырье) – природные материалы, используемые в производстве промышленных продуктов. Химический состав сырья обусловливает его применение в различных отраслях и подотраслях промышленности. В химической промышленности это производства неорганических продуктов и производства нефтехимического и органического синтеза. Агрегатное состояние сырья определяет в основном метод его транспортировки и подготовки к переработке. Добываемое из недр Земли сырье кроме целевых компонентов содержит бесполезные (пустая порода) и вредные примеси. В большинстве случаев содержание примесей относительно велико, поэтому приходится проводить обогащение сырья: оно необходимо для уменьшения затрат на переработку сырья, улучшает качество продукта и уменьшает расходы на транспорт сырья к месту производства (грохочение; гравитационное, термическое, химическое, электромагнитное и электростатическое обогащение; флотация; экстракция) Жидкие и газовые смеси разделяют, используя различие температур кипения, различной растворимости, сорбционных, химических и других свойств компонентов смеси. Наиболее широкое разделение таких смесей используют на нефтяных месторождениях. Нефть – смесь углеводородов с примесями кислородных, сернистых и азотистых соединений – разделяют перегонкой на составные части или фракции, - бензин, лигроин, керосин, мазут и т.д. Сернистые соединения бензиновых фракций удаляют каталитической гидроочисткой – в паровой фазе на катализаторе сернистые соединения гидрируют до сероводорода, который отделяется при конденсации. На нефтяных месторождениях вместе с нефтью добывается нефтяной (попутный) газ, который представляет собой смесь различных углеводородов, водяных паров, азота и некоторых других компонентов, поэтому попутный газ предварительно разделяют. Получение сырья для нефтехимической промышленности в основном базируется на двух ведущих процессах переработки нефти – термическом пиролизе (этилен и другие низшие олефины) и каталитическом риформинге (бензол и другие ароматические углеводороды). Нефтепереработка обеспечивает также выработку таких важных продуктов, как моторные топлива (бензин, дизельное топливо и др.). Относительная ограниченность запасов нефти при высоких объемах ее добычи, ухудшение качества нефти вновь открываемых месторождений и, как следствие, значительный рост затрат на их разработку обусловливают изменение структуры и диверсификацию сырьевого баланса для получения моторных топлив и органического синтеза. В этом отношении большую перспективу имеет уголь. Уголь является наиболее распространенным углеродсодержащим полезным ископаемым. Интерес к нему как к альтернативному источнику сырья за последние годы возродился. Известны несколько методов, которые используются для превращения угля в жидкие углеводороды и топливо. Наибольшее значение приобрели гидрогенизация угля и газификация до  и  , с последующим каталитическим синтезом углеводородов. Существуют два основных направления переработки синтез-газа. первое – превращение синтез-газа в этилен и другие углеводороды, которые в свою очередь могут быть переработаны в промышленно важные химические продукты. Второе направление – прямое превращение синтез-газа или метанола, полученного из синтез-газа, в целевые продукты органического синтеза.51.Процесс пиролиза углеводородного сырья: физико-химические основы, технология. Эта высокотемпературная реакция обеспечивает получение из нефтяных продуктов непредельных углеводородов (олефинов), которых практически нет в нефти, но на основе которых возможен синтез различных полимерных соединений. В промышленности в качестве сырья используют чаще низшие парафины (этан, пропан, бутан). Можно использовать также газовые низкооктановые бензины, деароматизированнный рафинат каталитического риформинга. Наибольший выход низших олефинов дает пиролиз парафиновых углеводородов нормального строения. Пиролиз нефтяного сырья сопровождается процессами разложения углеводородов, реакциями гидрирования и дегидрирования, а также реакции конденсации, циклизации и уплотнения. Характер совокупных процессов определяется составом исходного сырья и условиями пиролиза.С утяжелением сырья выход этилена падает, а выход олефинов  растет; ароматические углеводороды дают больший выход смолы и кокса. Для снижения коксообразования в сырье вводят водяной пар: 0,6 кг на 1 кг бензина и 0,2-0,3 кг на 1 кг этана или пропана. Время контакта составляет 0,5-1,0 с.Пиролиз протекает по радикально-цепному механизму: 1 стадия – инициирование цепи через образование метильных радикалов при высокой температуре,2 стадия – развитие цепного процесса, 3 стадия – обрыв цепи. В технологических процессах инициируют реакции распада и гидрирования высокой температурой и низким давлением. Понижение парциального давления углеводородов обеспечивается разбавлением исходного сырья паром.Углеводородное сырье (бензин) и рециркулирующий этан поступают на пиролиз. Пирогаз направляется на стадию первичного фракционирования, где легкая и тяжелая смолы отделяются от газа, который направляется на компремирование. Пирогаз очищают от кислых компонентов -  ,  и одновременно отделяют фракции  и более. После осушки газ поступает на разделение. Перед разделением пирогаз подвергают глубокому охлаждению, отделяя  и , которые в отдельных случаях используют как топливо в печах пиролиза. В результате газоразделения получают углеводородные фракции высокой степени чистоты: этилен – 99,9 %; пропилен – 99,5 %; водород – 95 %; этан – 95 %; пропан – 86 %.При пиролизе бензинов образуется 20-30 % жидких продуктов пиролиза (смолы пиролиза). В легкой смоле пиролиза (температура кипения менее 70 °С) содержится до 30 % циклопентана и 10 % изопрена, бензола до 6-7 %, толуола до 4-5 %, ксилолов до 2 %, стирола около 1 % от исходного сырья. Пиролиз углеводородов осуществляют в трубчатых печах, представляющих собой змеевиковые реакторы с внешним обогревом. Установка пиролиза включает печной блок, состоящий из печей пиролиза бензина и этана, закалочно-испарительных аппаратов (ЗИА), узла дозакалки (дополнительное быстрое охлаждение) продуктов пиролиза циркулирующим котельным топливом в теплообменнике. Бензин из сырьевых емкостей подается в теплообменник, где подогревается потоком циркулирующего котельного топлива до 120 °С. Подогретое сырье поступает в змеевики верхней низкотемпературной зоны конвекции печи, где оно нагревается до 157 °С и частично испаряется. На выходе из верхней конвекционной зоны бензин смешивается с водяным паром (паром разбавления), смесь с температурой 185 °С поступает в зону высокотемпературной конвекции, где нагревается до 545 °С и затем направляется в зону радиации, где осуществляется пиролиз при 830-850 °С |
,
(ч, с),
,