Сборник лекции. Химическая технология - лекция. Лекция Общие вопросы химической технологии. Лекции 2, Принципы создания ресурсосберегающих технологий
 Скачать 1.71 Mb.
|
|
Влияние различных факторов на производительность процесса. а) Влияние параметров процесса на удельную производительность реакторов. Влияние начальных концентраций и давлений на производительность определяется видом кинетических уравнений. Так, для необратимых реакций, описываемых кинетическими уравнениями простого типа последние можно преобразовать в выражения  где - коэффициент изменения объема в газофазных реакциях, - начальное соотношение реагентов. При подстановке этих выражений в уравнения производительности в конечном выражении последние для любого реактора множители останутся. Например,  .Из этого следует, что удельная производительность реакторов для реакций, описываемых кинетическими уравнениями простого типа при прочих равных условиях, будет прямо пропорциональна начальным концентрациям или парциальным давлениям в степени, равной суммарному порядку реакции. Т  акие зависимости представлены на рисунке для реакций нулевого, первого и второго порядков. Для реакций с кинетическим уравнениемудельная производительность растет по затухающей кривой (4). Для зависимости кривая при определенных значениях Ха и bi может проходить через максимум (5). Пример 1. Найти общее решение максимальной удельной производительности реактора идеального смешения для реакции с кинетическим уравнением Решение. Для простой необратимой реакции имеем  Для нахождения условий максимума берем производную и приравниваем ее к нулю:  Выражение может равняться нулю при условии, что  Дальнейшие преобразования и решение квадратного уравнения дают Следовательно, максимум удельной производительности достигается при тем меньшем парциальном давлении реагента, чем выше его адсорбционный коэффициент и ниже степень конверсии реагентов. Аналогичная ситуация имеет место для обратимых реакций В этом случае кинетическое уравнение будет определяться зависимостью Парциальные давления компонентов могут быть выражены следующими равенствами  Тогда уравнение скорости приобретает вид  Производительность по продукту В для реактора идеального смешения выразится как  Максимальной производительности реактора соответствует условие откуда следует  Тогда  В то же время для обратимых реакций парциальное давление реагента будет оказывать ускоряющее действие на процесс, степень которого снижается с приближением конверсии к равновесной величине. С другой стороны, для обратимых реакций типа давление будет выступать одновременно и фактором скорости и фактором смещения равновесия в сторону продуктов. Еще один способ воздействия на удельную производительность реакторов состоит в применении избытка одного из реагентов, если оба они влияют на скорость реакции. Так, для реакции с кинетическим уравнением получим удельную производительность реактора полного смешения Можно видеть, что применяя избыток второго реагента Y, можно при той же конверсии повысить удельную производительность или при постоянстве последней увеличить степень конверсии, а следовательно, сделать сделать более экономичным рецикл. Прием введения избытка более дешевого реагента широко используется в химической технологии (гидролиз хлорпроизводных и алкилсульфатов, гидрирование органических соединений водородом, контактное окисление SO2 в SO3 в присутствии серной кислоты). Для обратимых реакций этот эффект дополняется смещением равновесия с возможностью более полного превращения основного реагента в продукты. В связи с изложенным следует отметить, что для газофазных реакций с фиксированным общим давлением и кинетическим уравнением типа  и др.удельная производительность реакторов всегда имеет максимум при определенном соотношении реагентов. Пример. Определите соотношения реагентов в реакции , осуществляемой при атмосферном давлении, которому соответствует максимальная производительность, если скорость реакции описывается уравнением . Решение. Для реактора идеального смешения производительность по NO2 определяется соотношением Обозначим количество молей исходного О2 , а число молей NO=. Тогда суммарное количество молей равно 1+.  Тогда  Оптимальному соотношению реагентов соответствует условие  откуда следует . т.е. соотношение равно стехиометрическому. Можно ожидать, что это решение распространяется на все газофазные реакции. б) Влияние степени конверсии. Большое влияние на удельную производительность реакторов оказывает степень конверсии. Так, для простой необратимой реакции с кинетическим уравнением при проведении ее в аппарате идеального смешения при имеем . Следовательно, с повышением степени конверсии удельная производительность падает тем более резко, чем выше суммарный порядок (рисунок, кривые 2 и 3), причем при производительность стремится к нулю. Для реакторов идеального вытеснения ее снижение с конверсией выражено не так сильно (см. рисунок, кривые 1 и 2), вследствие чего эти реакторы предпочтительны для процессов, где особенно желательна высокая степень конверсии сырья. Р  исунок. Зависимость удельной производительности от степени конверсии для реакций первого (2) и второго (3) порядков в РИС; для реакций первого (1) и второго (2) в РИВ; для обратимой реакции (4); для реакций, тормозимых образующимися продуктами (5).В случае обратимых реакций (кривая 4) удельная производительность стремится к нулю, когда степень конверсии приближается к равновесной, а движущая сила обратимой реакции – к нулю. Для реакций, которые тормозятся образующимися продуктами, удельная производительность падает с повышением степени конверсии особенно сильно (кривая 5) (кинетическое уравнение ). Таким образом, для реакций, характеризующихся суммарным порядком удельная производительность существенно зависит от степени конверсии, падая до нуля при ХА=1 для необратимых реакций – для обратимых реакций. Последнее показывает, что для полного завершения реакции требуется бесконечно большой объем реактора, что практически невозможно. Это – одна из причин широко распространенного в промышленности неполного превращения реагентов, которые после разделения смеси возвращаются в процесс (рецикл исходных реагентов). в) Влияние температуры. В уравнение скорости реакции, и, соответственно производительности, входит константа скорости, существенно зависящая от температуры. В подавляющем большинстве случаев константа скорости сильно возрастает с ростом температуры. Поэтому температура является важнейшим фактором производительности процессов. Если в основе процессов лежат обратимые или необратимые эндотермические реакции, то производительность процессов возрастает с ростом температуры во всем мыслимом ее диапазоне. В случае обратимых эндотермических реакций температура одновременно действует как фактор ускорения реакции и как фактор смещения равновесия в сторону продуктов. Это хорошо иллюстрируется кинетическим уравнением таких реакций, например, для реакции (1) С ростом температуры возрастает и константа скорости реакции и константа равновесия К. В результате растет сомножитель и сомножитель, заключенный в квадратную скобку. По иному обстоит дело у обратимых экзотермических реакций (Н>0), когда требования кинетики и термодинамики взаимно противоположны. В этой случае с ростом температуры возрастает член , но уменьшается константа равновесия К, что приводит уменьшению значения сомножителя, заключенного в квадратные скобки. Противоборство этих двух факторов обусловливает экстремальную зависимость производительности от температуры. Очевидно, что положение температурного экстремума зависит от степени конверсии реагентов, так как входящие в уравнение (1) концентрации компонентов зависят от глубины протекания процесса Оптимальная температура тем ниже, чем выше степень конверсии и для данного случая выгодно постепенно понижающийся профиль температур (рис. )  Рисунок . Зависимость скорости обратимой реакции от температуры при разной степени конверсии. Последний вывод относится к реакторам периодического действия идеального вытеснения. В первом случае необходимо в течение операции по мере увеличения степени понижать температуру. При использовании робототехники с анализаторами состава реакционной массы должна быть закоммутирована «следящая система», дающая сигнал на исполнительный орган (вентиль горячего пара) на уменьшение интенсивности теплового потока в соответствии с требуемым значением оптимума. Во втором случае можно разбить реакционное пространство на секции и понижать температуру после каждой секции путем подачи части захоложенного реагента в реакционный поток или снимать избыточное тепло с помощью теплообменников. Можно предусмотреть также дифференциальный подогрев реакционного потока по высоте реактора. При безградиентных условиях, когда реактор работает при постоянной температуре, оптимум последней определяется ординатой кривой при заданной степени превращения, а при использовании каскада реакторов идеального смешения температуру менять ступенчато в соответствии с принятой для каждого реактора степенью конверсии. Пример . Для обратимой экзотермической реакции найдены КС, 298 = 19,0, Н = -75000 Дж/моль, k1 = 3107exp(- 48600/RT) мин-1. Найти оптимальный профиль температуры для идеального реактора вытеснения и оптимальную температуру для реактора идеального смешения при , если верхний предел температуры составляет 65С. Решение. Пренебрегая изменением теплового эффекта с температурой для 10-градусных интервалов от 25 до 75 находим константы равновесия по формуле  Для тех же температур вычисляем константу скорости реакции
Видно, что с ростом температуры константа скорости и равновесиях изменяются в противоположных направлениях. Рассчитываем далее скорости реакции для ряда степеней конверсии при каждой из ранее взятых температур, принимая . 
 Изображаем полученные данные в координатах r – t. Видим, что для каждой степени превращения при определенной температуре имеется максимум скорости. По точкам этого максимума строим оптимальный профиль температур для реактора идеального вытеснения. По ординате при находим, что для единичного реактора идеального смешения оптимальной будет температура 42,5С. Экономические критерии и их применение для оптимизации реакционного узла. Оптимизация – это нахождение экстремального (максимального или минимального) значения некоторой функции (критерия оптимизации) и соответствующих ему параметров в допустимой области изменения их значений, определяемой уравнениями и неравенствами. В химической технологии в качестве критериев оптимизации используются экономические показатели, поскольку они наиболее емко отражают влияние всей совокупности параметров на процесс. При этом область изменения параметров (условий) этого процесса часто определяется границами, при достижении которых начинают прогрессировать процессы, обусловливающие неустойчивость процесса, его дезорганизацию, быстрый износ оборудования и т.п. Так, в процессах окисления органических соединений существуют ограничения на значения давления и соотношения реагентов, связанные с пределами воспламенения реакционных смесей. В процессах синтеза метанола и аммиака существуют ограничения на давление и температуру, связанные с прогрессированием коррозии аппаратуры под действием аммиака и водорода. В процессе парофазной гидратации этилена в этиловый спирт существует верхний предел давления, за которым наступает конденсация водяного пара и вымывание активного компонента катализатора (H3PO4) с пористого носителя. Кинетическая модель химического процесса позволяет предложить некоторую область условий или варианты решений по типу реакторов наиболее выгодных с точки зрения производительности и селективности. Однако при варьировании каких-либо условий процесса удельная производительность и селективность нередко изменяется в противоположных направлениях, либо появляются дополнительные затраты, связанные с подготовкой реакционной смеси или разделением продуктов. Так, снижение конверсии или применение избытка второго реагента часто благоприятствует росту селективности и удельной производительности, но сопровождается повышенным расходом энергии на выделение и рециклизацию непрореагировавшего сырья; повышение концентрации катализатора или инициатора увеличивает производительность, но связано с дополнительными материальными затратами. Выбор оптимального типа реактора или организации в нем теплообмена нередко сопровождается увеличением затрат на сооружение и эксплуатацию реакционного узла. Повышение давления газофазных процессов, способствующее росту производительности, а часто и селективности, в то же время вызывает дополнительный расход энергии на компримирование. Увеличение температуры, способствуя увеличению производительности процесса, часто приводит к снижению селективности. Кроме того, высокотемпературные процессы требуют применения более дорогостоящих материалов. Все эти примеры показывают, что оптимизация по выходу целевого продукта или производительности не дает удовлетворительных результатов. Использование же экономических принципов позволяет учесть совокупность всех факторов, влияющих на процесс. Одним из важных показателей производства себестоимость целевого продукта. Известно, что заводская себестоимость складывается из нескольких главных статей, доля которых в производстве многотоннажных продуктов составляет: 1. Сырье и вспомогательные материалы 40-70% 2. Энергетические затраты 10-40% 3. Заработная плата и прочие денежные расходы 10-15% 4. Амортизация оборудования 5-15%. Можно видеть, что главная статья себестоимости – материальные затраты, основной причиной изменения которых является селективность, зависящая от работы реакционного узла. Меньший вклад в эту статью вносят потери сырья на стадии его подготовки и потери сырья и продуктов реакции на стадии их разделения. Существенное влияние на снижение материальных затрат имеет рециркуляция непрореагировавшего сырья, промежуточных продуктов и побочных веществ, образующихся по обратимым реакциям, а также утилизация побочных продуктов. Переход на синтез с использованием более дешевого сырья также снижает эту статью затрат. Энергетические затраты представляют собой вторую по значимости статью в себестоимости продукции. Они складываются главным образом из расхода тепловой и электрической энергий (работа насосов, компрессоров, нагревание и охлаждение потоков, испарение жидких веществ, ректификация др.). В отличие от материальных энергетические затраты имеют место в основном на стадии подготовки сырья и разделения продуктов. Важным элементом их экономии является рациональная система утилизации энергии. Амортизационные отчисления означают постепенный перенос первоначально изготовленного оборудования и сооружений на стоимость выпущенной продукции по мере их износа. Они служат также источником для воспроизводства сооружений и оборудования (ремонт, частичная или полная замена деталей и узлов). Норма этих отчислений составляет для зданий и оборудования соответственно 3 и 10-20% в год от данного вида основных фондов. Норма амортизационных отчислений и их абсолютная величина существенно зависят от сложности конструкций, давления, стоимости материалов аппаратуры, их коррозионной стойкости и т.д. Заработная плата и другие виды денежных расходов зависят от степени механизации и автоматизации производства, применения автоматизированных систем управления и т.д. Не всегда повышение затрат на эти средства ведет к снижению общих расходов и себестоимости продукции, поэтому необходимая степень их использования должна оцениваться с учетом экономических факторов. Минимум себестоимости – один из экономических критериев оптимальности производства. Перечисленные выше затраты складываются из расходов на всех стадиях процесса, причем каждый его узел вносит свой вклад в величину расходов. Поскольку все стадии и узлы производства связаны в единую технологическую схему, принятие решения по одному из них сказывается на других. Поэтому при комплексной оптимизации приходится учитывать эти взаимозависимости, решая сложную задачу со множеством переменных. Можно, однако, ограничиться приближенной (и в ряде случаев вполне реальной) задачей оптимизации отдельных стадий и, прежде всего реакционного узла. При этом принимаются во внимание переменные расходы реакционному узлу и смежным с ним стадиям, на которые непосредственно влияет варьирование условий процесса в реакторе. Затраты же по другим стадиям производства принимаются постоянными. Тогда  и минимум себестоимости достигается при снижении суммы переменных затрат. Чтобы связать их с условиями проведения процесса в реакционном узле и на смежных стадиях, составим экономический баланс в единицу времени  где М, Э, А, З – переменные затраты на исходные материалы, энергию, амортизацию оборудования и заработную плату в единицу времени. Первое слагаемое без учета потерь равно  где - величины потоков исходных и вспомогательных материалов, поступающих в реакционный узел, степень их конверсии и оптовая цена. При отсутствии рецикла или регенерации принимается равной единице. - величина потока и оптовая цена побочных продуктов, получаемых в реакторе и подлежащих утилизации. Энергетические затраты можно выразить количественно только для данной конкретной схемы. Так, работа сжатия газа, пропорциональная , затраты на отгонку исходного реагента при его рецикле примерно составляет где и - теплота испарения реагента и водяного пара, f – флегмовое число, - оптовая цена пара. При использовании тепла на получение вторичного пара, отводимого на сторону, его стоимость вычисляют из суммы энергетических затрат. Амортизационные отчисления являются произведением их нормы (а = 0,10-0,20 в год или (0,10-0,20)/8000 в час) на стоимость оборудования реакционного узла и смежных с ним стадий. Эта стоимость связывается с объемом данного вида оборудования двумя приближенными способами 1. Считают, что часть стоимости не зависит от объема, а другая - пропорциональна ему, т.е.  2. Принимают, что стоимость пропорциональна дробной степени от объема аппаратов, т.е.  , где - стоимость данного вида оборудования в расчете на 1 м3 его объема.В обоих способах учитывается влияние удельной производительности и единичной мощности оборудования. Расходы на заработную плату можно выразить количественно лишь для конкретного случая. Обычно они пропорциональны дробной степени от мощности по целевому продукту, т.е.  , где з – заработная плата на единицу мощности по целевому продукту.Учитывая изложенное выше и принимая во внимание, что без учета потерь получим следующее уравнение для суммы переменных затрат в себестоимости продукции  | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||