Направление совершенствования химических производств

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Направление совершенствования химических производств. Критерии оценки эффективности химических производств

Главной целью тех пр-сса явл. повышение производительности труда с одновременным улучшением качества продукции и сниж ее себестоимости, т.е.

-поиск нов видов сырья для производства сущ продуктов, т.ж. вовлечение в переработку отходов производства как втор. сырья;

-увеличение масштаб производства, мощностей;

-интенсификации работы аппаратов (улучшение конструкций машин или аппаратов);

-переработка отходов производства;

-более глубока переработка;

-сокращение потребления топливно-энерг-их ресурсов и использование альтернатив источников энергии;

-сниж энергозатрат и макс-ое использование теплоты хим реакций;

-уменьшение количества стадий производства и переход циклическим системам, замена трехстадийных операций одной стадией;

-замена периодических процессов непрерывными;

-замена механической автоматизацией. Критерии оценки эффективности химических производств. Технические показатели: Производительность (мощность) - количество получаемого продукта или кол-во перерабатываемого сырья в ед.времени П=G/t. Расходный коэффициент - показывает количество затраченного сырья, материалов или энергии на производство ед.продукта. Выход продукта - отношение реально получаемого количества продукта из использованного сырья к максимальному количеству, которое теоретически можно получить из того же количества сырья. Интенсивность процесса - количество перерабатываемого сырья или образуемого продукта в единице объема аппарата в единицу времени. Удельные капитальные затраты - затраты на оборудование, отнесенные к единице его производительности. Качество продукта - определяет его потребительские свойства и товарную ценность и оценивается разными характеристиками, такими как… содержание примесей, физические и химические показатели, внешний вид и размеры, цвет, запах и прочее. Экономические показатели: Себестоимость продукции - суммарные затраты на получение ед. продукта. Производительность труда - количество продукции произведенное в ед. времени в пересчете на одного работающего. Эксплуатационные показатели: Надежность - характеризуется среднем временем безаварийной работы либо числом аварийных остановок оборудования или производства. Безопасность функционирования - вероятность нарушений, приводящих к нанесению вреда или ущерба обслуживающему персоналу, оборудованию, а т.ж. окружающей среде, населению. Чувствительность - к нарушению режима и изменению условий эксплуатации определяется отношением изменения эксплуатационных показателей к этим отклонениям.

2. Понятие о химико-технологическом процессе

Классификация химических процессов и реакций. Основные понятия и определения (селективность, степень превращения сырья, скорость реакции, выход продукции) их взаимосвязь. Химико-технологический процесс - последовательность хим и физико-хим пр-сов целенаправленной переработки исх в-в в продукт. ХТП складывается из следующих стадий: -подвод реагирующих компонентов в зону реакции (совершается молекулярной диффузией или конвекцией); -хим-ая реакция (в реагирующей системе обычно происходит несколько последовательных, иногда параллельных химических реакций, приводящих к образованию основного продукта, а т.ж. побочных продуктов); -отвод из зоны реакций полученных продуктов (т.ж. может осуществляться диффузией, конвекцией и переходом вещества из одной фазы в другую).Классификация ХТП:

- физико-химические признаки классификации. По типу воздействия на компонент химические реакции делятся на три основные группы: ”прямое химическое воздействие”, когда собственной энергии молекул-участников реакции достаточно для их взаимодействия, “с химическим воздействием”, протекающие с участием катализаторов как активных участников реакции и “с физическим воздействием” при инициировании участников реакции электрическим током, излучением разной природы, механическим воздействием.

По термодинамическим признакам реакции подразделяются по энергетике процесса (тепловому эффекту) и обратимости реакции. Энергетика реакций определяет характер не только тепловых явлений в процессе, но и равновесных состояний. Обратимость реакций определяет принципиально возможную глубину превращения реагентов.

Кинетические признаки характеризуют динамику развития реакции, определяют направленность превращения и характер влияния условий (концентрации, температуры) на скорость протекания реакций.

- физические признаки классификации включают фазовый состав химического процесса. По числу фаз различают гомогенные (однофазные) и гетерогенные (многофазные) процессы.

Степень превращения - отношение количества превратившегося исходного вещества (N0 - N) к его первоначальному количеству N0.

Для вещества А:

Для вещества B: , где- стехиометрические коэффициенты.

Количество любого вещества Ni в реагирующей смеси:

Таким образом, степень превращения является мерой полноты протекания реакции и позволяет определить состав реагирующей смеси покомпонентно.

Селективность процесса показывает, какая доля превратившегося исходного вещества расходуется на образование заданного продукта.

Пусть из некоторого количества превращенного вещества A в продукт R превратилась часть, обозначенная как . Тогда селективность процесса по веществу R можно выразить следующим уравнением: . Если превращение исходного вещества A описано несколькими стехиометрическими уравнениями, причем образование продукта R представлено только в одном из них, то селективность процесса по R будет определяться уравнением:.

Выход продукта показывает долю всего вещества, приходящуюся на образование данного продукта. Выход продукта R для простой по схеме превращения реакции: , а для системы стехиометрических уравнений . В итоге получим . Для простой реакции и, следовательно, .

Селективность процесса и выход продукта характеризуют эффективность химического процесса по использованию сырья для получения нужного продукта.

Скорость химической реакции, величина, характеризующая интенсивность реакции химической. Скоростью образования продукта реакции называется количество этого продукта, возникающее в результате реакции за единицу времени в единице объёма (если реакция гомогенна) или на единице площади поверхности (если реакция гетерогенна). Для исходных веществ аналогичным образом определяется скорость их расходования. Количества веществ выражают в молях.

Скорость реакции: , -скорость превращения вещества-определяется количеством вещества, превращающегося в единицу времени в единице реакционного пространства.

3. Химическое равновесие в технологических процессах

Хим. процесы делятся на обратимые и необратимые. Необратимые протекают лишь в одном направлении. Обратимые могут протекать в обоих направлениях. В гетерогенных системах обратимыми называют процессы, в которых возможен переход вещества или теплоты как из одной фазы во вторую, так и обратно. Все обратимые ХТП стремятся к равновесию, при котором скорости прямого и обратного процессов уравниваются, в результате чего соотношение компонентов во взаимодействующей системе остается неизменным, пока не изменятся внешние условия. При изменение темп., давл.,конц. одного из компонентов равновесие нарушается и в системе самопроизвольно происходят диффузионные и химические процессы, ведущие к восстановлению равновесия в новых условиях. К химическому равновесию применим второй закон термодинамики, т.е. одним из условий хим. равновесия в изолированной системе является максимум энтропии S.

Химическое равновесие -- состояние химической системы, в которой протекает одна или несколько химических реакций, причём скорости в каждой паре прямой-обратной реакции равны между собой. Для системы, находящейся в химическом равновесии, концентрации реагентов, температура и другие параметры системы не изменяются со временем.

Количественно состояние равновесия в химической реакции описывается законом действующих масс (ЗДМ):

при постоянной температуре и наличии равновесия отношение произведения действующих масс продуктов реакции к произведению действующих масс исходных веществ есть величина постоянная. Эта постоянная величина называется константой равновесия К.

Расчет константы равновесия осуществляют либо по экспериментальным данным или же через нормальное химическое сродство.

Для большого числа химических превращений константы равновесия при стандартных условиях приведены в справочниках физико-химических величин в виде таблиц или номограмм.

Влияние основных параметров технологического режима на равновесие определяется принципом Ле Шателье, в системе, выведенной внешними воздействиями из состояния равновесия, самопроизвольно происходят изменения, стремящиеся уменьшить это воздействие и привести систему к новому состоянию равновесия.

4. Скорость технологических процессов. Способы увеличения скорости процесса

Скорость технологического процесса по целевому продукту есть результирующая скоростей прямой, обратной и побочных реакций, а также турбулентной и молекулярной диффузии исходных веществ в зону реакции и продуктов из этой зоны.

Скорость производственного процесса определяет производительность соответствующих аппаратов или размеры и число их.

Скорость процесса рассчитывают по степени превращения исходного вещества, по выходу продукта за определенный промежуток времени или через константу скорости процесса.

Степень превращения определяют по основному исходному веществу. Основным исходным веществом называется вещество, по которому ведется расчет. Это, как правило, наиболее дорогое из веществ, присутствующих в исходной смеси.

Увеличение движущей силы процесса может быть достигнуто: а) возрастанием концентраций взаимодействующих компонентов в исходных материалах (сырье); б) повышением давления; в) регулированием температуры процесса; г) отводом продуктов реакции из реакционного объема с целью сдвига равновесия в сторону продукта.

Увеличение концентрации взаимодействующих компонентов в исходном сырье повышает концентрацию и пропорционально увеличивает скорость процесса. Способ увеличения концентрации взаимодействующих компонентов в исходном сырье зависит от агрегатного состояния материала. Увеличение содержания полезного составляющего в твердом сырье называется обогащением, а в жидком и газообразном -- концентрированием.

Повышение давления влияет на скорость процесса (скорость достижения равновесного состояния обратимых процессов) и состояние равновесия. Давление сильно влияет на скорость процессов, идущих в газовой фазе или же при взаимодействии газов с жидкостями и твердыми телами. В гомогенных процессах, протекающих в газовой фазе или в гетерогенных с участием газообразных компонентов, повышение давления уменьшает объем газовой фазы и соответственно увеличивает концентрации взаимодействующих веществ. Таким образом, повышение давления равносильно росту концентрации реагентов. Влияние давления определяется кинетическими уравнениями.

Регулирование температуры процесса как средство повышения движущей силы применяется главным образом в сорбционных и десорбционных процессах. Понижая температуру жидкой фазы, уменьшают парциальное давление паров газового (парового) компонента над ней, и соответственно увеличивают движущую силу и общую скорость процесса.

Отвод продуктов реакции из реакционной зоны увеличивает суммарную скорость обратимой реакции за счет уменьшения или увеличивает движущую силу гетерогенного процессов.

5. Общие закономерности гетерогенных процессов. Равновесие и скорость гетерогенных процессов

Большинство химических реакций, используемых в ХТП (химико-технологических процессах), протекает с участием веществ, находящихся в разных фазах. Классифицируют различные двухфазные и трёхфазные системы. Они объединены общим признаком: все реагенты должны быть перенесены из потока одной фазы к поверхности раздела фаз, или в объём другой фазы. Характерной чертой любого гетерогенного процесса является его многостадийность - обязательное наличие наряду с одной или несколькими чисто химическими стадиями (в которых протекают химические реакции) стадий, которые можно было бы назвать физическими (в которых не происходит химических превращений). Они связаны с переносом вещества от одной фазы к другой (например, путём диффузии).

В зависимости от количества фаз реагентов, химические процессы делят на гомофазные и гетерофазные.

Гетерогенные процессы определяются скоростями диффузионной области и кинетической области. Наименьшая скорость определяет скорость всего процесса.

Скорость диффузии зависит от плотности и вязкости среды, температуры, природы диффузионных частиц, воздействий внешних сил.

Равновесие гетерогенных процессов определяется константой равновесия химических реакций, законом распределения компонентов между фазами и правилом фаз. Равновесные концентрации компонентов в соприкасающихся фазах определяются законом распределения вещества, который устанавливает постоянное соотношение между равновесными концентрациями вещества в двух фазах системы при определенной температуре. Постоянство соотношений не нарушается при изменении начальной концентрации компонента или общего давления в системе. На законе распределения основаны такие промышленные процессы, как абсорбция газов жидкостями, десорбция газов, экстрагирование. Частные случаи закона распределения для равновесий в системе Ж-Г известны под названием законов Генри и Рауля. Равновесие фаз определяется правилом фаз. На основании правила фаз производят расчеты фазовых равновесий в различных гетерогенных системах и определяют количественный эффект изменения температуры, давления, концентрации реагентов.

Скорость гетерогенных процессов характеризуется величиной фактического выхода продукта или коэффициентом скорости процесса в кинетическом уравнении. Фактический выход продукта зависит от множества факторов как химических, влияющих на скорость химических реакций, так и физических и гидродинамических, влияющих на скорость массопередачи. Химическим факторами являются константы скоростей химических реакций. К физическим и гидродинамическим относятся величина межфазной поверхности, коэффициент диффузии и другие физические свойства реагентов и продуктов реакции, геометрические параметры аппаратов, факторы, влияющие на турбулентность системы.

6. Классификация химических реакторов, их особенности и области применения

химический реактор скорость технологический

Наиболее употребимы следующие признаки классификации химических реакторов и режимов их работы:

1) режим движения реакционной среды (гидродинамическая обстановка в реакторе);

2) условия теплообмена в реакторе;

3) фазовый состав реакционной смеси; способ организации процесса;

4) характер изменения параметров процесса во времени;

5) конструктивные характеристики.

Классификация реакторов по гидродинамической обстановке. В зависимости от гидродинамической обстановки можно разделить все реакторы на реакторы смешения и вытеснения.

Реакторы смешения -- это емкостные аппараты с перемешиванием механической мешалкой или циркуляционные насосом. Реакторы вытеснения -- трубчатые аппараты, имеющий вид удлиненного канала. В трубчатых реакторах перемешивание имеет локальный характер и вызывается неравномерностью распределения скорости потока и ее флуктуациями, а также завихрениями.

В теории химических реакторов обычно сначала рассматривают два идеальных аппарата -- реактор идеального, или полного, смешения и реактор идеального, или полного, вытеснения.

Для идеального смешения характерно абсолютно полное выравнивание всех характеризующих реакцию параметров по объему реактора.

Идеальное вытеснение предполагает, что любое количество реагентов и продуктов через реактор перемещается как твердый поршень, и по длине реактора (в пространстве) в соответствии с особенностями реакции и сопровождающих ее физических явлений устанавливается определенное распределение концентраций участников реакции, температуры и других параметров.

При отсутствии теплообмена с окружающей средой химический реактор является адиабатическим. В этом случае вся теплота, выделяющаяся или поглощающаяся в результате химических процессов, расходуется на «внутренний» теплообмен -- на нагрев или охлаждение реакционной смеси.

Реактор называется изотермическим, если за счет теплообмена с окружающей средой в нем обеспечивается постоянство температуры. В этом случае в любой точке реактора за счет теплообмена полностью компенсируется выделение или поглощение теплоты.

В реакторах с промежуточным тепловым режимом тепловой эффект химической реакции частично компенсируется за счет теплового обмена с окружающей средой, а частично вызывает изменение температуры реакционной смеси.

Классификация по условиям теплообмена. Протекающие в реакторах химические реакции сопровождаются тепловыми эффектами (это тепловые эффекты химических реакций и сопровождающих их физических явлений, таких, например, как процессы растворения кристаллизации, испарения и т. п.).

Классификация по фазовому составу реакционной смеси. Реакторы для проведения гомогенных процессов подразделяют на аппараты для газофазных и жидкофазных реакций. Аппараты для проведения гетерогенных процессов, в свою очередь, подразделяют на газожидкостные реакторы, реакторы для процессов в системах газ -- твердое вещество, жидкость -- твердое вещество и др.

Классификация по способу организации процесса. По способу организации процесса (способу подвода реагентов и отвода продуктов) реакторы подразделяют на периодические, непрерывно действующие и полунепрерывные (полупериодические).

В реакторе периодического действия все отдельные стадии протекают последовательно, в разное время. Все реагенты вводят в аппарат до начала реакции, а смесь продуктов отводят после окончания процесса. Продолжительность реакции можно измерить непосредственно, так как время реакции и время пребывания реагентов в реакционном объеме одинаковы. Параметры технологического процесса в периодически действующем реакторе изменяются во времени.

Между отдельными реакционными циклами в периодическом реакторе необходимо осуществить вспомогательные операции -- загрузку реагентов и выгрузку продуктов. Поскольку во время этих вспомогательных операций не может быть получено дополнительное количество продукта, их наличие обусловливает снижение производительности периодического реактора.

В реакторе непрерывного действия (проточном) все отдельные стадии процесса химического превращения вещества (подача реагирующих веществ, химическая реакция, вывод готового продукта) осуществляются параллельно, одновременно, и, следовательно, непроизводительные затраты времени на операции загрузки и выгрузки отсутствуют. Поэтому на современных крупнотоннажных химических производствах, где требуется высокая производительность реакционного оборудования, большинство химических реакций осуществляют в непрерывно действующих реакторах.

Время пребывания отдельных частиц потока в непрерывно действующем реакторе, в общем случае, -- случайная величина. Так как от времени, в течение которого происходит реакция, зависит глубина химического превращения, она будет разной для частиц с разным временем пребывания в реакторе. Средняя глубина превращения определяется видом функции распределения времени пребывания отдельных частиц, зависящим, в свою очередь, от/характера перемешивании, структуры потоков в аппарате и для каждого гидродинамического типа реактора индивидуальным.

Реактор полунепрерывного (полупериодического) действия характеризуется тем, что один из реагентов поступает в него непрерывно, а другой -- периодически. Возможны варианты, когда реагенты поступают в реактор периодически, а продукты реакции выводятся непрерывно, или наоборот.

Классификация по характеру изменения параметров процесса во времени.

В зависимости от характера изменения параметров процесса во времени одни и те же реакторы могут работать в стационарном и нестационарном режимах.

Рассмотрим некоторую произвольную точку, находящуюся внутри химического реактора. Режим работы реактора называют стационарным, если протекание химической реакции в произвольно выбранной точке характеризуется одинаковыми значениями концентрации реагентов или продуктов, температуры, скорости и других параметров процесса в любой момент времени. Если в произвольно выбранной точке происходят изменения параметров химического процесса во времени по тому или иному закону, режим работы реактора называют нестационарным.

Классификация по конструктивным характеристикам. Химические реакторы отличаются друг от друга и по ряду конструктивных характеристик, оказывающих влияние, на расчет и изготовление аппаратов. По этому принципу классификации можно выделить такие типы реакторов: емкостные реакторы (автоклавы; реакторы-камеры; вертикальные и горизонтальные цилиндрические конверторы и т. п.); колонные реакторы (реакторы-колонны насадочного и тарельчатого типа; каталитические реакторы с неподвижным, движущимся и псевдоожиженным слоем катализатора; полочные реакторы); реакторы типа теплообменника; реакторы типа реакционной печи (шахтные, полочные, камерные, вращающиеся печи и т. п.).

7. Анализ процессов в реакторах периодического действия (РПД). Область применения РПД

Реакторы периодические характеризуются одновременной загрузкой реагентов. При том процесс складывается из трех стадий: загрузка сырья, его обработка (химического превращения) и выгрузки продукта. После проведения этих операций они повторяются вновь, т.е. работа реактора осуществляется циклически.

Время одного цикла, проводимого в периодическом реактора, определяется по уравнению:

п =+в

где п - полное время цикла;

- рабочее время (затрачиваемое на проведение химической реакции);

в - вспомогательное время (затрачиваемое на загрузку реагентов и выгрузку продукта).

Реактор идеального смешения периодический - РИС-П - это реактор периодического действия с мешалкой (рис.2.1). Перемешивание в таком реакторе настолько интенсивное, что в каждый данный момент времени концентрация реагентов одинакова по всему объему реактора и меняется лишь во времени, по мере протекания химической реакции.

Изменение концентрации исходного вещества во времени и по объему для реакции, протекающей в периодическом реакторе идеального смешения, показало на рис.(2.2). Значение букв, приведенных на рис. 2.1 и 2.2, следующее:

Рис. 2.1.Реактор идеального смешения периодического действия (РИС-П). Рис. 2.2 Распределение концентрации реагента А в РИС-П:

а - по времени; б - по месту.

N - начальное количество исходного вещества А в реакционной смеси (при загрузке в реактор);

С - начальная концентрация вещества А в реакционной смеси;

Х - начальная степень превращения вещества А;

N, С, X, - то же, в конце процесса;

- время;

y - пространственная координата (координата места).

Периодические процессы по своей природе всегда являются нестационарными, т.к. в них за счет химической реакции происходит изменение во времени параметров процесса, например, концентраций веществ, участвующих в реакции, т.е. имеет место накопление вещества.

8. Определение реакционного объема реактор идеального смешения (РИС)



N - начальное количество исходного вещества А в реакционной смеси (при загрузке в реактор);

С - начальная концентрация вещества А в реакционной смеси;

Х- начальная степень превращения вещества А; N, С., X, - то же, в конце процесса;

- время; y - пространственная координата (координата места).

Реактор идеального смешения периодический - РИС-П - это реактор периодического действия с мешалкой. Перемешивание в таком реакторе настолько интенсивное, что в каждый данный момент времени концентрация реагентов одинакова по всему объему реактора и меняется лишь во времени, по мере протекания химической реакции. , где V - объем реакционной смеси.

Непрерывный реактор идеального смешения (РИС-Н) - это реактор с мешалкой, в который непрерывно подают реагенты и выводят из него продукты реакции. Благодаря интенсивному перемешиванию потоков мгновенно устанавливается одинаковая по всему объему реактора концентрация реагента С, равная его концентрации на выходе из реактора.

Объем реактора:

Объемный расход реагентов:

- отношение vr/v -это условное время пребывания .

где ВАхр.- количество вещества А, вступающее в реакционном объеме в химическую реакцию в единицу времени;

r- скорость химической реакции; С - начальная концентрация вещества А в реакционной смеси; ВАо - мольный расход реагентов ВАо = САо*Vo, где - объем реакционной смеси, поступающей в реактор в единицу времени объемный расход реагентов), измеренный при определенных условиях.

9. Каскад реакторов идеального смешения. Графоаналитический метод расчета

Единичный реактор идеального смешения не дает высокой степени превращения, так как концентрация исходных реагентов в нем мгновенно падает до конечного значения. Поэтому применяют ряд последовательно расположенных непрерывных реакторов смешения - каскад реакторов - К-РИС (рис. 2.15). Концентрация СА в такой системе падает до конечного значения не сразу, а постепенно от реактора к реактору (рис. 2.16). В каждом реакторе концентрация компонента в объеме постоянна и равна концентрации на выходе из реактора. Изменение концентрации в реакторах происходит мгновенно скачком при входе реакционной смеси в реактор.

Рис 2.15. Каскад реакторов идеального смешения.

Рабочая концентрация СА в каскаде реакторов в общем выше чем в единичном реакторе смешения и приближается с увеличением числа реакторов к значению ее в реакторе вытеснения. Чем больше ступеней изменения концентрации в каскаде m (чем больше реакторов), тем больше каскад реакторов приближается к реактору идеального вытеснения (рис. 2.16). Задача расчета каскада реакторов заключается в определении числа ступеней (числа реакторов) - m, , необходимые для достижения заданной степени превращения X.

Существуют аналитический и графический методы расчета каскада реакторов. Аналитический метод выгодно применять при протекании реакции первого порядка, а для реакций более высоких порядков удобнее второй - графический метод.

Рис. 2.16. Изменение концентрации реагента А в каскаде реакторов идеального смешения.

Для расчета каскада реакторов необходимо иметь сведениях о кинетике процесса [ -rA =f(CA)], знать концентрации исходного реагента А на входе в первый реактор САо, и на выводе из последнего реактора САm (то есть общую степень превращения Ха), а также задаться объемом единичного реактору (то есть временем пребывания в единичном реакторе смешения ), при этом предполагает, что объемы единичных реакторов в каскаде равны.

Для единичного m -го реактора идеального смешения, исходя из уравнения (2.52), имеет

(2.70)

где САm-1,CАm- концентрации компонента А на входе в m-й реактор и на выходе из него.

Из уравнения (2.70) можно найти скорость процесса в реакторе. Для этого представим его в таком виде:

(2.71)



Концентрация реагента на входе в реактор САm-1 и время пребывания величины известные и постоянные, так как даются по условию. Таким образом, из уравнения (2.71) следует, что скорость реакции (rA) линейно зависит только от концентрации на выходе САm . Если эту зависимость выразить графически, то прямая, описываемая уравнением (2.71), пересекает ось абсцисс в точке САm-1 и имеет тангенс угла наклона , равный (рис. 2.18). Для нахождения концентрации в m-ом реакторе необходимо уравнение (2.71) решить совместно с кинетическим уравнением (2.11), то есть: (2.72)

Поэтому для нахождения концентрации реагента на выходе из первого реактора СА1 необходимо из точки САo , лежащей на оси абсцисс, провести пряную с тангенсом наклона до пересечения с кривой -rA =f(CA) в точке М.

Рис. 2.17. Графический способ расчеса каскада реакторов.

Если опустить перпендикуляр из точка пересечения пряной я кривой, то на оси абсцисс (точка К на рис. 2.17) можно получать значение концентрации СА1. в первом реакторе. Эта же концентрация является входной для второго реактора. Для нахождения концентрации во втором реакторе СА2 операция повторяется из точки СА1 . Такие операции продолжают повторять до тех пор, пока в последней реакторе не будет достигнута заданная конечная концентрация САк. Так как время пребывания во всех реакторах одинаково, то постоянен угол наклона прямых и, следовательно, они параллельны.

Число ступеней изменения концентрации и будет числом реакторов в каскаде, необходимый для достижения заданной степени превращения Х .

Как было показано ранее, с увеличением числа реакторов в каскаде характер изменения параметров в нем приближается к реактору идеального вытеснения. Поэтому при увеличении числа реакторов в системе будут сильнее проявляться все свойства, присущие реактору идеального вытеснения, и наоборот.

В качестве примера на рис. 2.18 приведена зависимость степени превращения от величины К (где К - константа скорости реакции) для реакции первого порядка в каскаде с различный числом реакторов m ; произведение К характеризует общий объем системы.

Рис. 2.18. Зависимость хА, от К для каскада реакторов с различным т :1 - одиночный РИС-Н (т= I); 2 - каскад РИС-Н (т= 2); 3 - то же (т.=3); 4 - то же (m) и РИВ

Из рис. 2.18 видно, что при одинаковой объеме каскада (К) степень превращения Х повышается с увеличением числа реакторов в каскаде, приближаясь к степени превращения, получаемой в реакторе идеального вытеснения (при ). Если же сравнить каскады, где получена одна и та же степень превращения ха, то общий объем системы будет меньше там, где взято большее число реакторов [] (рис. 2.18).

Меняя число реакторов в каскаде, можно влиять не только на степень превращения Х, но и на селективность процесса и выход целевого продукта (для сложной реакции). При этом необходимо учитывать, что с уменьшением числа реакторов каскад будет давать эффект, близкий к эффекту в реакторе смешения, а с увеличением числа ступеней в системе характер связи между степенью превращения, селективностью и выходом целевого продукта становится таким, как и в реакторе вытеснения.

10. Проточный реактор идеального вытеснения (РИВ). Определение реакционного объема

Реактор идеального вытеснения (РИВ) представляет собой трубчатый реактор с большим отношением длины трубки к ее диаметру , в который подаются исходные реагенты, превращающиеся по мере перемещения их по длине реактора в продукты реакции.

Гидродинамический режим в РИВ характеризуется тем, что любая частица потока движется только в направлении основного потока в реакторе, обратное перемешивание отсутствует, отсутствует также перенос вещества по сечению, перпендикулярному направлению основного потока (радиальное), т.к. предполагается, что распределение вещества по этому сечению равномерное. Каждый элемент объема реакционной массы dVr движется по длине реактора, не смешиваясь с предыдущими и последующими элементами объема, и ведет себя как поршень в цилиндре, вытесняя все, что находится перед ним. Поэтому этот режим движения реагентов называет также поршневым, или режимом полного вытеснения.

Реактор идеального вытеснения и изменение концентрации и степени

превращения реагента А по длине реактора:

Ва - расход реагента А, кмоль/час.

Изменение объема реакционной смеси учитывают с помощью коэффициента относительного изменения объема



где - коэффициент относительного изменения объема реакционной смеси при изменении Х от 0 до I.

Vx=0, Vx= I - объемы реакционной смеси при Х= 0 и Х= I.

В частном случае, при линейном изменении объема реакционной смеси V от степени превращения, можно записать

V = Vo ( 1 + Х) где Vo -первоначальный объем смеси.

11. Устойчивость работы реакторов

Задача исследования устойчивости включает в себя определение численности стационарных состояний, возможных в системе, построение области устойчивости, анализ чувствительности решения к вариации параметров. При такой интерпретации устойчивость становится одним из важнейших факторов, который необходимо учитывать при проектировании оборудования, технологической системы или при моделировании процесса.

Понятие устойчивости системы было сформулировано A.M. Ляпуновым: "Система называется устойчивой, если после наложения какого-либо возмущения, она возвращается в прежнее состояние при снятии этого возмущения".

Применительно к различным реакторам (как химическим, так и биологическим), в которых проходят экзотермические реакции, различные возмущения (изменение количеств поступающих компонентов, ухудшение теплоотвода и т.д.) могут вывести процесс из стационарного состояния, при этом процесс не возвращается к исходному режиму. Поэтому возникает необходимость оценки устойчивости стационарных режимов работы реактора.

Реактор непрерывного действия должен работать в стационарном, неизменном во времени режиме. Однако из-за неизбежных внеш. возмущений, напр. изменения состава сырья, условий отвода или подвода теплоты, возникают отклонения от стационарного режима. Они м. б. незначительными и существенными, приводящими к заметным изменениям качества продукта, производительности реактора и даже к авариям. Динамич. режимы реакторов непрерывного действия исследуют с помощью их мат. моделей в виде диффе-ренц. ур-ний в обыкновенных или частных производных.

Динамич. режимы непрерывно действующего реактора идеального смешения, в к-ром протекает экзотермич. р-ция первого порядка, описываются безразмерной системой ур-ний, составленной на основе материального (1) и теплового (2) балансов:

где х, у -переменные, пропорциональные соотв. концентрации реагирующего в-ва и т-ре в реакторе; x0, y0-те же переменные для потока на входе реактора; ут - переменная, пропорциональная т-ре окружающей среды; l-констан та, пропорциональная расходу потока на входе реактора, b-константа, пропорциональная коэф. теплопередачи и площади пов-сти теплообмена с окружающей средой; т-время.

Стационарные режимы реактора определяются условием dx/dт = dy/dт = 0. Решение ур-ний (1), (2) при этом дает значения xs и ys для стационарного состояния. В зависимости от параметров реактора стационарных состояний м. б. одно или три; в общем случае их всегда нечетное число.

12. Промышленный катализ. Сущности и виды катализа

Катализ - явление возбуждения химических реакций веществами-катализаторами. Катализатор многократно вступает в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции и восстанавливает свой состав после каждого цикла промежуточного взаимодействия.

Суть каталитического действия заключается в следующем. Химическое превращение протекает через образование активного комплекса, обладающего неким количеством избыточной энергии достаточной для перестройки участвующих в нем молекул и образования новых химических связей, т.е. получения новых веществ - продуктов реакции.

Катализатор не изменяет равновесие системы.

Существуют и применяются вещества, замедляющие, тормозящие химические реакции-антикатализаторы и ингибиторы. Это явление иногда называют антикатализом.

Сущность ускоряющего действия катализаторов состоит в понижении энергии активации химической реакции в результате изменения реакционного пути с участием катализатора или вследствие осуществления реакции по цепному механизму при инициирующем действии катализатора.

По влиянию на скорость реакции катализ многие источники делят на положительный (скорость реакции растет) и отрицательный (скорость реакции падает). В последнем случае происходит процесс ингибирования, который нельзя считать 'отрицательным катализом', поскольку ингибитор в ходе реакции расходуется.

Катализ бывает гомогенным и гетерогенным (контактным). В гомогенном катализе катализатор состоит в той же фазе, что и реактивы реакции, в то время, как гетерогенные катализаторы отличаются фазой.

При гомогенном катализе действие катализатора связано с тем, что он вступает во взаимодействие с реагирующими веществами с образованием промежуточных соединений, это приводит к снижению энергии активации

При гетерогенном катализе ускорение процесса обычно происходит на поверхности твердого тела -- катализатора, поэтому активность катализатора зависит от величины и свойств его поверхности. На практике катализатор обычно наносят на твердый пористый носитель.

Механизм гетерогенного катализа сложнее, чем у гомогенного. Механизм гетерогенного катализа включает пять стадий, причем все они обратимы.

1)Диффузия реагирующих веществ к поверхности твердого вещества

2)Физическая адсорбция на активных центрах поверхности твердого вещества реагирующих молекул и затем хемосорбция их

3)Химическая реакция между реагирующими молекулами

4)Десорбция продуктов с поверхности катализатора

5)Диффузия продукта с поверхности катализатора в общий поток

По природе промежуточного хим. взаимодействия реагирующих веществ и катализатора:

- гомолитический - хим. взаимодействие идет по гомолитическому механизму

- гетеролитический - по гетеролитическому механизму

- биофункциональный - включает оба типа взаимодействия.

14. Сырьевая подсистема ХТС. Характеристика и запасы сырья в химической промышленности. Принципы подготовки и обогащения сырья. Комплексное использование сырья.

Сырье является одним из основных элементов, определяющих в значительной степени технологию производства, себестоимость и качество продукта. Сырьем называют природные материалы, используемые в производстве промышленных продуктов. Исходными веществами для производства промышленных продуктов, кроме сырья, являются полупродукты и вторичное сырье.

Характеристика и запасы сырья

Сырье химической промышленности классифицируют по различным признакам:

- по происхождению минеральное, растительное и животное;

- по химическому составу неорганическое и органическое;

- по агрегатному состоянию твердое, жидкое (нефть, рассолы) и газообразное (воздух, природный газ и газы нефтепереработки);

- по запасам - возобновимое и невозобновимое.

Минеральное сырье делят на рудное (металлическое), нерудное и горючее (органическое).

Растительное и животное сырье древесина, хлопок, масла и жиры, молоко, кожа, шерсть и т. п. перерабатывают или в продукты питания (пищевое сырье), или в продукты бытового и промышленного назначения (техническое сырье).

В химической промышленности широко применяются и такие доступные и дешевые виды сырья, как вода и воздух.

Невозобновимое сырье не восстанавливается совсем или восстанавливается значительно медленнее, чем идет его использование человеком в обозримый период времени.

Возобновимое сырье - это растительное и животное, некоторое минеральное сырье (например, соли, осаждающиеся в озерах). Темпы расхода этого вида сырья должны соответствовать темпам его потребления, иначе оно станет невозобновимым.

Полупродукты - вещества и материалы, являющиеся исходными

в производстве продуктов и полученные из природного сырья в другом

производстве.

Вторичное сырье - используемые в производстве вещества и материалы, являющиеся невостребованными в других производствах. Источниками их являются отходы производства и отходы потребления.

Отходы производства это остатки, которые получают при технологической переработке сырья, материалов или полуфабрикатов в конечные продукты, они не соответствуют требованиям, предъявляемым к готовой продукции, но после предварительной обработки (или без нее) могут быть использованы в другом производстве в качестве сырья.

Отходы потребления - бывшие в употреблении вещества и изделия, восстановление которых экономически не выгодно.

Стоимость сырья в химической промышленности составляет в среднем 60-70 % себестоимости продукта. Решение сырьевой проблемы осуществляется разнообразными путями: приближением источников сырья к производству, т. е. использованием более дешевого местного сырья; переработкой отходов, пылевых и газовых уносов основного производства в новые продукты, непосредственным использованием отходов, предварительным обогащением сырья в целях повышения концентрации полезных компонентов; заменой одного вида сырья другим, более экономичным. Дешевый и доступный природный газ и продукты нефтепереработки обеспечивают снижение себестоимости продуктов массового производства: пластических масс, синтетических волокон, каучуков, моющих средств и др. Использование природного газа вместо кокса снижает почти вдвое себестоимость аммиака и, соответственно, уменьшает себестоимость азотных удобрений.

Принципы обогащения сырья

Важное технико-экономическое значение в рациональной переработке сырья имеет использование концентрированного сырья, обогащенного полезными компонентами. Применение концентрированного сырья снижает стоимость последующей химической переработки и, следовательно, стоимость продукта производства и повышает его качество. Такое сырье способствует интенсификации технологического процесса и экономии топлива. Расходы на транспортировку сырья к месту переработки снижаются пропорционально концентрации ценных компонентов.

Концентрированное сырье получают его обогащением. В процессе обогащения отделяют ценные компоненты от примесей, используя различия в их физических, физико-химических и химических свойствах, а также разделяют на компоненты сложные смеси, полиметаллические руды. Методы обогащения разнообразны и принципиально различны для твердого, жидкого и газообразного сырья.

Твердое минеральное сырье предварительно измельчают, далее измельченная масса поступает на обогащение, в результате которого получают концентрат (фракция, обогащенная полезными компонентами) и пустую породу хвосты. Для твердого сырья чаще всего применяют механические способы обогащения рассеивание (грохочение), гравитационное разделение, электромагнитную и электростатическую сепарацию, а также физико - химический метод флотацию.

Химическое обогащение основано на различии во взаимодействии компонентов сырья с химическими реагентами с последующим выделением образовавшегося соединения осаждением, испарением, плавлением и т. п.

Для выделения ценных компонентов из жидкостей часто применяют экстракцию избирательное растворение их в органических растворителях. При последующей регенерации экстрагента выделяют одновременно и поглощенные вещества.

Газовые смеси разделяют, используя различия компонентов смеси в температурах кипения, растворимости и других свойствах. Разные температуры кипения дают возможность при сжатии и сильном охлаждении последовательно конденсировать отдельные компоненты. Так, из коксового газа, содержащего 53-60 % Н2, получают газообразный водород, последовательно конденсируя и отделяя содержащиеся в газе углеводороды, оксид углерода, кислород и азот. В других случаях газовую смесь сжижают и затем разделяют на компоненты перегонкой в ректификационных колоннах.

Широкое распространение в промышленности для разделения газовых смесей находят методы сорбции избирательное поглощение компонентов смеси жидкими (абсорбция) или твердыми (адсорбция) веществами. Поглощенные компоненты выделяют (процесс десорбции) нагреванием, обработкой водяным паром и т. п.

Комплексное использование сырья

Сущность комплексного использования заключается в последовательной переработке сырья сложного состава в ценные продукты для наиболее полного использования всех компонентов сырья.

Примером комплексного использования органического сырья является термическая переработка топлива угля, нефти, сланцев, торфа. Так, при коксовании угля кроме целевого продукта металлургического кокса получают коксовый газ и смолу, переработкой которых выделяют сотни ценных веществ: ароматические углеводороды, фенолы, пиридин, аммиак, водород, этилен и др. Применение указанных веществ в качестве продуктов народного хозяйства привело к снижению себестоимости кокса.

Комплексное использование сырья органически связано с наиболее прогрессивной и экономичной формой организации химического производства комбинированием предприятий. Характерным примером комбинирования является использование отходов основного производства для вновь организуемых производств. Высокий экономический эффект подобной связи обусловлен возможностью использования дешевого сырья отходов и совместным ведением общезаводского хозяйства (централизованное подсобное обслуживание, транспорт, складирование материалов и пр.). При этом сокращаются на 60-70 % капиталовложения на общезаводское хозяйство, снижается себестоимость продукции.

Химическая промышленность и ее смежные отрасли наряду с энергетикой и транспортом являются источниками загрязнения окружающей среды. Борьба с загрязнением окружающей среды, в частности с промышленными выбросами, важнейшая проблема современности. Одним из главных приемов уменьшения, а иногда исключения промышленных выбросов служит полное комплексное использование всех компонентов химического сырья.

Достижения химии и химической технологии обеспечили возможность замены пищевого сырья непищевым и растительного - минеральным для производства технических и бытовых продуктов. Такая замена увеличивает пищевые ресурсы народного потребления, сохраняет лесные богатства, снижает себестоимость продуктов.

13. Реакторы гомогенного и гетерогенного катализа

В гомогенных реакторах в процессе участвует только одна фаза: газовая или паровая, жидкая или твердая. На заводах отрасли гомогенные реакторы, как правило, газо-фазные; жидкофазные.

Реакторы химические для гомогенных систем -- обычно ёмкостные аппараты, снабженные перемешивающими устройствами и теплообменными элементами, а также пустотелые или насадочные колонны часто с плоскими змеевиками. Процессы в гомогенных системах могут протекать периодически или непрерывно. Реакторы химические с гомогенным катализатором конструктивно не отличаются от некаталитических.

Для проведения гомогенных процессов используются емкостные (рис. 4.70, a-е, и, к) или трубчатые (рис. 4.70, ж, з) реакторы. Емкостные аппараты, подразделяющиеся на периодические и проточные, снабжены мешалками различной конструкции: пропеллерные (рис. 4.70, а), лопастные (рис. 4.70, б), турбинные, с расположенной в центре трубой, обеспечивающие наиболее интенсивное перемешивание (рис. 4.70, в - реактор Вишневского). Особый тип мешалок применяется для перемешивания вязких жидкостей (рис. 4.70, г, д). Поддержание определенного температурного режима осуществляется через рубашку аппарата (рис. 4.70, а, д), либо через поверхность вставленных теплообменников, имеющих форму змеевика или «беличьего колеса» (рис. 4.70, е).

Для периодических процессов предназначены реакторы, приведенные на рис. 4.70, а, б, г. В начале рабочего цикла исходные вещества загружают в реактор, после завершения процесса продукты выгружают, как показано на рисунке стрелками. Для проведения непрерывных процессов служат реакторы, изображенные на рис. 4.70, в, д. Конструкции аппаратов, изображенных на рис. 4.70, а и в используются во многих процессах органического синтеза, на рис. 4.70, б-- в производстве красок, а на рис. 4.70, г и д -- в производстве полимеров.

Трубчатые реакторы применяются для термического крекинга в нефтепереработке, например, в производстве хлорпрена (рис. 4.70, ж), синтеза гликоля (рис. 4.70, з), в котором реактор в виде змеевика помещен в камеру горения, поэтому такие реакторы называют трубчатой печью.

Синтез НС1 из С12 и Н2 проводят в полом пламенном реакторе (рис. 4.70, и). К гомогенному твердофазному реактору можно отнести печь коксования (рис. 4.70, к), где сырье (уголь) загружают в камеры коксования, обогреваемые снаружи дымовым газом, циркулирующим по вертикальным отопительным каналам, а газообразные продукты непрерывно удаляются.

Для проведения гетерогенно-каталитических процессов наиболее распространены реакторы с неподвижным слоем катализатора (рис. 4.74). Весь объем аппарата, изображенного на рис. 4.74, а, заполнен частицами различной формы (зернами катализатора), характерный размер которых 3--8 мм. Слой расположен на жесткой опорной решетке, выдерживающий вес катализатора и перепад давления в слое. Для уменьшения энергетических затрат катализатор располагают таким образом, чтобы газ проходил в радиальном направлении через слой в виде цилиндра (рис. 4.74, в) или но направлениям, показанным в реакторе на рис. 4.74, г. Последовательность адиабатических слоев используется в многослойных реакторах (рис. 4.74, д). Теплота между слоями отводится с помощью встроенных теплообменников или вводом холодного газа, как показано на этом рисунке.

Другая группа реакторов -- со взвешенным слоем катализатора -- псевдоожиженным (кипящим) или восходящим, приведена на рис. 4.76. При высокоскоростной подаче реакционной смеси через низ слоя твердые частицы будут витать в потоке, не уносясь вместе с ними из реактора (рис. 4.76, а). В этом случае частицы не должны быть крупнее 1 мм. Такая организация процесса обеспечивает полное использование внутренней поверхности. Циркулирующие частицы выравнивают температуру в слое, и процесс в нем протекает практически изотермически. Интенсивное движение частиц обеспечивает хороший теплоотвод, - коэффициент теплопередачи от кипящего слоя более чем на порядок больше, чем от неподвижного. Подвижность частиц дает возможность реализации течения твердого материала через реактор, что существенно для процесса с изменяющейся активностью катализатора. В качестве примера такого процесса можно привести каталитический крекинг нефтепродуктов, в котором катализатор быстро «закоксовывается» и теряет активность. Его непрерывно выводят из реактора в регенератор (рис. 4.76, б), где происходит «выжиг» кокса, и восстанавливается активность, а после этого возвращают в реактор, обеспечивая непрерывность процесса.

15. Воздух и вода как сырье химической промышленности. Промышленная водоподготовка

Воздух в химической промышленности применяют в основном как сырье или как реагент в технологических процессах, а также для энергетических целей.

Технологическое применение воздуха обусловлено химическим составом атмосферного воздуха; сухой, чистый воздух содержит (объемная доля в %): N2 ? 78,10; О2 ? 20,93; Аr ? 0,93; СО2 ~ 0,03 и незначительные количества Не, Nе, Кr, Хе, Н2, СН4, О3, NО.

Чаще всего используют кислород воздуха в качестве окислителя. Кислород, выделяемый ректификацией жидкого воздуха, в больших количествах расходуют для кислородной плавки металлов, в доменном процессе и т. п.; при ректификации получают также азот и инертный газы, в основном аргон. Азот используют в качестве сырья в производстве синтетического аммиака и других азотсодержащих веществ и как инертный газ. Воздух, применяемый в качестве реагента, подвергается, в зависимости от характера производства, очистке от пыли, влаги и контактных ядов. Для этого воздух пропускают через промывные башни с различными жидкими поглотителями (Н2О, щелочи, этаноламины и др.), мокрые и сухие электрофильтры, аппараты с влагопоглотительными сорбентами и пр.

Энергетическое применение воздуха связано, прежде всего, с использованием кислорода как окислителя для получения тепловой энергии при сжигании различных топлив.