Курс лекций Кемерово 2010
 Скачать 0.94 Mb.
|
|
Г. Экономические. Основными показателями экономической эффективности технологического процесса являются: – себестоимость; – прибыль; – показатель приведённых затрат и др. Себестоимость С) включает денежные затраты на производство и реализацию 1 т продукта (руб./т). Прибыль П) представляет собой разницу между выручкой от реализации продукции без налога на прибавочную стоимость и акцизов ( пр С ) и затратами на производство и реализацию продукции (С): П = пр С – С. Показатель приведённых затрат ( з П ), кроме себестоимости (С, учитывает также эффективность капиталовложений и может быть рассчитан по уравнению Т 1 М К С П з , где К капиталовложения М – объём выпуска продукции за этот срок Т срок окупаемости капиталовложений 16 2. Классификация технологических процессов (технологических схем) А. Технологические процессы по характеру организационной структуры делятся на два вида: – периодические; – непрерывные. Существенными признаками периодической схемы являются: – цикличность процесса – в аппарат загружают нужную порцию сырья, выдерживают при определённых технологических условиях до достижения заданной степени превращения, затем продукты реакции выгружают из аппарата и снова повторяют операции; – все стадии данного процесса протекают во всём объёме реакционной массы, находящейся в аппарате; – технологические параметры (соотношение и концентрация реагентов и полученных продуктов, температура реакционной массы, давление и другие условия) изменяются во времени. Периодическая схема используется для процессов, протекающих с невыгодной скоростью, для малотоннажных, но много- ассортиментных производств, когда в процессе конверсии возрастает скорость побочных реакций или когда процесс мало изучен, но необходим срочный выпуск нового вида продукции. Достоинствами периодических процессов (схем) являются: – высокая экономическая гибкость; – низкая стоимость; – одинаковое время пребывания реагентов в зоне реакции; – простота конструкции реактора; – незначительное количество контрольно-измерительных приборов. Недостатками являются: – низкая производительность; – невозможность повторного использования энергии; – нестационарность режима; – перерывы между операциями. В непрерывном процессе загрузка сырья производится непрерывно или периодически определёнными порциями по мере освобождения некоторого объёма аппарата. Таким образом, вне- прерывных схемах часть сырья только загружается в аппарат, часть находится в стадии переработки, а часть уже прореагировала и выводится из процесса. В отличие от периодических процессов все стадии непрерывного процесса протекают одновременно в различных зонах реакционной массы. Причём в каждой зоне в любой момент времени сохраняются неизменные условия данной стадии процесса, и для осуществления всего процесса в целом необходимо непрерывное перемешивание реакционной массы по зонам. Непрерывная схема используется для организации крупнотоннажного производства при высокой скорости реакции. Все технологические операции протекают одновременно, но каждая в своём аппарате, через который движется поток сырья со скоростью, достаточной для достижения заданной степени конверсии. В современной технике и технологии стремятся заменить периодические процессы непрерывными. Непрерывные процессы имеют ряд преимуществ: – высокая производительность; – возможность рекуперации энергии; – возможность полной механизации и автоматизации управления процессом; – большая устойчивость и постоянство технологического режима; – возможность создания оптимальных условий в каждом аппарате в результате их пространственной разобщённости; – лучшее качество продукции, лучшие условия труда; – сокращение капиталовложений. К недостаткам можно отнести следующее: – малая экономическая гибкость; – высокая стоимость; – разное время пребывания реагентов в зоне реакции. Б. По направлению движения сырья в аппараты технологической схемы или по технологическому маршруту сырья технологические процессы разделяют следующим образом: – процессы с открытой цепью (или прямая схема); – циклические процессы (или круговая схема В процессах с открытой цепью или в прямых схемах) превращение исходного сырья в конечный продукт совершается за один проход через систему аппаратов: Прямую схему применяют в производстве с высокой степенью превращения за один проход через реактор. Примером открытой цепи (или прямой схемы) может быть производство серной кислоты из SO 2 – газа. В аппарате 1 идет окисление по реакции+ ÁO 2 = В аппарате 2 идет абсорбция с образованием серной кислоты+ H 2 O = Процессы, в которых непрореагировавший материал вместе с новой порцией свежего возвращается в начальную стадию процесса, называются круговыми процессами или циклическими). При круговом процессе часть исходного сырья непрерывно циркулирует в замкнутом цикле. Смесь исходных реагентов Аи В поступает в реактор 1, в котором происходит химическое взаимодействие между реагентами. На выходе из реактора в газовой смеси содержится целевой продукт R и непрореагировавшие исходные реагенты Аи В. Газовая смесь поступает в конденсатор 2, где она охлаждается. Продукт R конденсируется и выводится из системы. Непрореагировавшие вещества Аи В возвращаются в процесс. Примером кругового процесса является производство синтетического аммиака. Круговую (или циклическую) схему используют для процессов с низкой степенью конверсии сырья за один проход через реактор, при этом непревращённое сырьё возвращается в реактор на повторную переработку вплоть до его полного использования. Возвращаемый поток сырья называют рециклом или рециркулятором. Преимущества циркуляционных схем заключаются в сле- дующем: – возможность более полного использования сырья в условиях ограниченной степени превращения; – высокая и постоянная скорость реакции; – технологическое оформление реакций с неблагоприятным положением равновесия; – управление процессом в реакторе путём изменения состава и температуры процесса. К недостаткам можно отнести: – высокий расход энергии; – накопление вредных примесей в рециклах; – потери сырья в процессе продувки. В. По числу стадий технологические процессы схемы) делят на одностадийные, двухстадийные и т. д. В одностадийной схеме получение целевого продукта осуществляется по одной реакции, в двухстадийной – по двум реакциям, в трехстадийной – по трём и т. д. Химические стадии многостадийных схем протекают враз- ных реакторах. В этом случае технологическая схема состоит из нескольких химических стадий превращения, в каждой из которых может быть своя подсистема разделения реакционной смеси. Г. По числу продуктов, вырабатываемых на оборудовании данной схемы, различают: – однопродуктовые; – многопродуктовые. Непрерывные схемы обычно являются однопродуктовыми (например, схемы синтеза аммиака, производства серной и азотной кислот). Многопродуктовые схемы, как правило, решаются в периодических процессах (схемах). Перечень наименований выпускаемой продукции называют номенклатурой. Схема, предназначенная для выпуска на данном оборудовании только одного наименования, называется индивидуальной. Схема, предназначенная для выпуска на одном и том же оборудовании строго фиксированной номенклатуры, называется совмещённой. Она характеризуется неизменностью (жёсткостью) своей структуры. Эту схему выбирают в том случае, если технологические маршруты получения продуктов различных наименований совпадают полностью или частично. Существуют, кроме того, гибкие системы. Они ориентированы навыпуск продуктов нефиксированной номенклатуры. Гибкость означает способность системы к переориентации отдельных элементов (модулей, подсистем или системы в целом навыпуск продукции или к использованию другого вида сырья. Д. В зависимости от способа использования энергии тепловых потоков технологические схемы разделяют на технологические (или энергопотребляющие); – энерготехнологические (или энергопроизводящие). Технологические или энергопотребляющие) схемы характеризуются тем, что избыток энергии в них незначительный и может быть использован только в технологических целях (например, для подогрева сырья, для получения технологического пара в котлах-утилизаторах). Энерготехнологические или энергопроизводящие) характеризуются тем, что благодаря количеству и качеству энергии становится возможным комбинирование технологических и энергетических процессов с целью производства не только химических продуктов, но и товарной энергии. ЛЕКЦИИ № ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВОПРОСЫ 1. Общие положения. Интенсификация процессов, основанных на гомогенных реакциях. Интенсификация процессов, основанных на гетерогенных реакциях. Интенсификация процессов, основанных на необратимых реакциях. Интенсификация процессов, основанных на обратимых реакциях. Способы инициирования химической реакции. Общие положения Химико-технологический процесс можно разделить натри этапа подвод исходных веществ в зону реакции собственно химическая реакция отвод продуктов из зоны реакции. Повышение эффективности производства означает интенсификацию каждого из трёх этапов. Первый и последний этапы – это сложные физико- химические превращения, связанные с диффузией или конвекцией, конденсацией или испарением, адсорбцией или десорбцией и т. д. Интенсификация этих превращений, как и самой химической реакции, может быть достигнута с помощью следующих приёмов: – увеличением степени чистоты исходных продуктов измельчением исходных продуктов изменением скорости перемешивания переводом многофазной системы в однофазную 22 – изменением температуры изменением давления изменением концентрации. Последние три фактора (температура, давление и концентрация) в химической технологии рассматриваются в первую очередь. Для интенсификации технологического процесса сначала необходимо выяснить, какой из перечисленных этапов данного процесса протекает с наименьшей скоростью, те. определить лимитирующую стадию процесса. Затем, целенаправленно воздействуя на эту стадию, можно добиться интенсификации процесса в целом. Методы оптимизации разнообразны и определяются природой и характерными особенностями данного химико- технологического процесса. Интенсификация процессов, основанных на гомогенных реакциях К гомогенным системам относятся реакционные системы, в которых между реагентами и катализаторами отсутствует поверхность раздела фаз. В химической кинетике говорят о локализации реакции, те. о месте её протекания. В гомогенных системах местом её протекания является весь объём аппарата. Рассмотрим основные факторы, ускоряющие протекание гомогенных процессов, те. рассмотрим влияние следующих факторов состава реакционной среды температуры давления. А. Влияние состава реакционной среды. Влияние состава реакционной среды зависит от величины концентрации реагентов и физико-химических свойств компонентов, входящих в состав реакционной массы. В соответствии с законом действующих масс, скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению действующих концентраций реагентов, взятых в степенях, равных коэффициентам в уравнении реакции. Зависимость скорости реакции от концентрации для реакции кинетическим уравнением где A C , B C – молярные действующие концентрации реагирующих веществ Аи В соответственно a , b – порядок реакции по веществам Аи В соответственно. ВЫВОДЫ: – чем выше концентрации реагирующих веществ, тем быстрее протекает реакция скорость реакции в большей степени зависит от концентрации реагента, входящего в уравнение с более высоким порядком если одновременно протекают реакции с разными порядками, то изменение концентрации в большей степени скажется на скорости реакции с более высоким порядком. В химической технологии существует такой прим, как использование избытка одного из реагентов. Суть его заключается в следующем поскольку скорость реакции пропорциональна произведению действующих концентраций реагентов, то расходование входе реакции одного из них может быть компенсировано избытком другого реагента в избытке целесообразнее иметь реагент, входящий в уравнение реакции с более высоким стехиометрическим коэффициентом, так как этот реагент расходуется быстрее кроме того, введённый в избытке реагент должен легко отделяться от других продуктов реакции и быть более дешёвым. Несмотря на то, что в соответствии с законом действия масс необходимо использовать более концентрированные растворы, ряд газо- и жидкофазных реакций иногда выгодно проводить в разбавленных растворах. Делается это обычно в следующих случаях существует возможность перегрева реакционной массы например, реакция экзотермическая, а отвод тепла плохой, или одно из веществ относится к взрыво- или пожароопасным веществам необходимо селективно вести процесса побочная реакция более высокого порядка, чем целевая для улучшения физических процессов, сопровождающих реакцию (например, разбавление понижает вязкость растворов, облегчает перемешивание, транспортировку реакционной массы, улучшает теплообмен). Б. Влияние температуры на скорость реакции. Влияние температуры на скорость реакции описывается уравнением Аррениуса: Ea RT e k k 0 или T R Ea k k 1 ln ln 0 , где k – константа скорости химической реакции 0 k – предэкспоненциальный множитель e – основание натурального логарифма энергия активации – универсальная газовая постоянная температура процесса. Поскольку температура входит в показатель степени, то, очевидно, что она оказывает сильное влияние на скорость реакции. На это же указывает правило Вант-Гоффа (при увеличении температуры на каждые 10 С скорость реакции увеличивается в 2–4 раза. Графическая (экспоненциальная) зависимость константы скорости от температуры говорит о том же › 2 Ea Как следует из уравнения Аррениуса, скорость реакции точнее, k – константа скорости) зависит от энергии активации Ea Для одинаковых температур скорость реакции тем выше, чем больше значение энергии активации. Следовательно, чем выше Ea , тем ощутимее влияние температуры. Так, если в системе протекает несколько реакций, то при увеличении температуры ускоряются ВСЕ реакции, но по-разному. Быстрее пойдёт та из них, у которой энергия активации выше. Этим правилом можно воспользоваться для повышения селективности сложных реакций. Однако это касается средних температур. При высоких температурах все термодинамически возможные реакции протекают с практически одинаковыми скоро- стями. В. Влияние давления. Давление – это важнейший параметр технологического режима. В химической технологии диапазон давлений очень высок от глубокого вакуума до нескольких тысяч МПа. Предпочтение отдаётся среднему давлению. Причиной является отсутствие оборудования больших объёмов, способного выдержать высокие давления. Можно назвать пять причин, по которым, несмотря на высокие энергозатраты и технические трудности, весьма популярно применение высоких давлений в технологии давление повышает скорость газофазных реакций, так как газы легко сжимаются, при этом увеличивается концентрация газа в единице объёма (на твёрдые и жидкие вещества такого влияния нет, за исключением сверхвысоких давлений давление влияет на положение химического равновесия для обратимых реакций, протекающих с изменением объёма; – давление увеличивает температуры кипения и плавления, этим эффектом пользуются для проведения жидкофазных реакций при температурах, превышающих температуры кипения давление способствует понижению температуры синтеза, увеличение скорости реакции под давлением позволяет снизить температуру процесса, что важно для систем с низкой термоста- бильностью реагентов или продуктов реакции 26 – давление позволяет повысить селективность реакций, отличающихся величиной изменения объёма. На практике давление используют в качестве параметра технологического режима, сопоставляя при этом преимущества давления и затраты на его реализацию. 3. Интенсификация процессов, основанных на гетерогенных реакциях Гетерогенные системы – это системы, которые состоят из непрерывной (сплошной) среды и дискретной фазы, включающей один или несколько компонентов. Гетерогенные системы имеют поверхность раздела фаз. Химически реагирующая система относится к гетерогенной, если реагенты или реагенты и катализатор находятся в разных фазах. В гетерогенных системах химическое взаимодействие между находящимися в разных фазах реагентами возможно только в определённом месте. Это может быть поверхность раздела фаз, поверхностный слой, объём одной или частично обеих фаз. Фазу, в которой протекает химический процесс, называют реакционной (обычно это более плотная фаза). Скорость гетерогенной реакции является сложной функцией параметров нескольких процессов массообменных и собственно химического превращения. Необходимо отметить, что стадия массопередачи предшествует химическому превращению и завершает его. Элементарные стадии гетерогенной реакции протекают с разной скоростью. Однако общая скорость сложного многостадийного процесса будет определяться самой медленной его стадией, или лимитирующей. Следовательно, интенсификация гетерогенной реакции связана с интенсификацией её лимитирующей стадии. Однако выбор интенсифицирующих воздействий затрудняется нераздельностью процессов в установившемся состоянии. Для решения этой проблемы в теорию гетерогенных процессов введено такое понятие, как область протекания реакции Гетерогенная реакция в зависимости от условий её осуществления может протекать водной из трёх областей кинетической диффузной переходной (диффузно-кинетической). Области протекания реакции получили своё название от наименования лимитирующей стадии. Если лимитирующей стадией является химическое превращение, то говорят о протекании реакции в кинетической области. К числу кинетических факторов относят температуру, давление, концентрации реагентов и катализаторов, активность иве- личину загрузки гетерогенных катализаторов, интенсивность экстремальных воздействий и др. Перечисленные факторы определяют скорость химической реакции, так как они отражены в кинетической модели процесса. Если лимитирующей стадией является стадия массопередачи, говорят о протекании реакции в диффузной области. Для этих процессов скорость пропорциональна площади соприкосновения контактирующих фаз F и движущей силе ∆C, под действием которой происходит массопередача: C KF v , где K – коэффициент массопередачи. Если скорость диффузных процессов близка к скорости химической реакции, то говорят о переходной области протекания процесса. Таким образом, при интенсификации гетерогенных процессов важно знать следующее скорость гетерогенной реакции определяется скоростью лимитирующей стадии в качестве лимитирующей может быть как химический процесс, таки процесс массопередачи для интенсификации используют как кинетические, таки диффузные факторы для интенсификации реакций в кинетической области используют кинетические факторы 28 – для интенсификации реакций в диффузной области диффузные факторы кинетические факторы – это температура, давление, концентрация, катализатор диффузные факторы – это поверхность соприкосновения, разность концентраций или давлений. Интенсификация процессов, основанных на необратимых реакциях К необратимым реакциям относятся реакции, протекающие только в одну сторону. Они бывают простыми (идущие с образованием одного ряда продуктов) и сложными (идущие с образованием нескольких рядов продуктов). При разработке технологии простой необратимой реакции преследуется две основные цели повышение скорости реакции – повышение выхода продукта. Выход продукта в таких реакциях пропорционален степени превращения чем больше сырья прореагирует, тем большее количество продукта образуется. Действительно, для реакции А→В выход продукта равен: нач нач α β теор факт А А А С С m m , где нач А С – начальная концентрация реагента А А степень превращения по продукту А. Как вести технологический процесс, если скорость реакции мала? Существует правило. При невысокой скорости реакцию не доводят до конца, а ограничиваются оптимальным значением степени превращения для того, чтобы сократить время неэффективной работы реактора. При разработке технологии сложной необратимой реакции всё внимание уделяется достижению высокой селективности. Основной задачей становится поиск оптимальных значений концентраций реагентов и температура также подбор селективного катализатора. Рассмотрим сложную необратимую реакцию: В А а 1 ; (1) Д А а 2 , (2) где 1 – целевая реакция 2 – побочная реакция. Скорости реакций (1) и (2) соответственно 1 1 а А C k v ; 2 2 2 а А C k v где 1 k и 2 k – константы скорости целевой и побочной реакций 1 a и 2 a – порядок соответственно целевой и побочной реакций. СЕЛЕКТИВНОСТЬ реакции можно оценить величиной отношения скоростей этих реакций 1 v и 2 v : 2 1 v v s Очевидно, что чем выше скорость целевой реакции по сравнению со скоростью побочной, тем большее количество целевого продукта образуется за один и тот же промежуток времени. Если записать 1 2 1 2 1 2 1 a a A a A a A a A a A kC C C k C k C k s , то можно проанализировать влияние концентрации на селективность. Учитываем, что порядок реакции (коэффициенты и 2 a ) определяет степень влияния концентрации на скорость реакции, и делаем следующие выводы. При 1 a |