Ниже приведены обозначения только основных параметров и переменных, которые используются в научной и технической литературе и которые целесообразно использовать в настоящем курсе. Другие обозначения расшифровываются по мере их появления в тексте. Там же даются пояснения индексов.
Происхождение слова “технология” (от греческих “technos” -искусство, ремесло и “logos” - учение, наука) вполне отвечает его содержанию: учение об умении, искусстве перерабатывать исходные вещества в полезные продукты.
Укрощение огня человеком стало отправной точкой в развитии прахимии и первичных ремесел. Вода, огонь и природные материалы (минеральное, растительное и животное сырье) - эти доступные древнему человеку элементы природы стали основой в освоении простейших производств, давших затем толчок к созданию первичной базы той науки, которую мы называем химией. Появились секреты искусства ремесла, передававшиеся по наследству, т. е. то, что сегодня именуется технологией. Организационные формы первичных технологий совершенствовались по цепочке: ремесло - промысел - промышленность, но основные компоненты оставались по сути теми же: сырье -энергия (тепловая) - взаимодействие - разделение (очистка). Самым неизведанным, магическим звеном в этой цепочке были правила проведения процесса и механизм взаимодействия (т. е. химическая реакция).
Объектом исследования химической технологии является химическое производство.Химическое производство - совокупность процессов и операций, осуществляемых в машинах и аппаратах и предназначенных для переработки сырья путем химических превращений в необходимые продукты.
Собственно совокупность операций и процессов переработки сырья и материалов в продукты называют технологическим процессом.Химико-технологический процесс - последовательность процессов целенаправленной переработки исходных веществ в продукт - химических и физико-химических процессов и их сочетаний.
Определение полезности и эффективности химического производства и технологического процесса в нем производится по разным показателям, которые сгруппированы следующим образом.Технические показатели определяют качество химикотехнологического процесса.
Д.И.Менделеев говорил, что технология как наука “содержит в себе приложения к жизни других более отвлеченных знаний”, т. е. технология опирается на фундамент “чистых” наук.Научным фундаментом для исследования и изучения механических, тепло- и массообменных процессов служат в основном знания о явлениях, не связанных с коренным изменением состава участвующих в них веществ. Эти знания представляют собой физический цикл естественно-научных учебных дисциплин. Исследование и изучение химических процессов основано в первую очередь на химических науках, или химическом цикле естественно-научных учебных дисциплин. Изучение химикотехнологического процесса, как он определен ранее, во многом опирается также на химические и физико-химические знания.
Химический реактор - устройство, аппарат для проведения химических превращений (химических реакций).На практике, исходя из назначения или даже внешнего вида, используют много различных названий химических реакторов -реактор, колонна, башня, автоклав, камера, печь, контактный аппарат, полимеризатор, дожигатель, гидрогенизатор, окислитель и другие. Общие схемы некоторых из них приведены на рис. 2.1.
Моделирование - метод исследования объекта (явления, процесса, устройства) на модели - давно используется в различных областях науки и техники. Суть его состоит в том, что исследование самого объекта заменяют исследованием его модели. Полученные свойства модели переносят на свойства моделируемого объекта.
В этом разделе содержится краткий обзор тех разделов химии и физической химии, которые необходимы для дальнейшего систематического изложения материала.
Стехиометрические уравнения. Вещества вступают во взаимодействие в определенных соотношениях, которые находят отражение в химических уравнениях. Из них определяют изменение состава реагирующей смеси при протекании реакции, т. е. результат химического превращения.
Термодинамическая возможность протекания реакции не означает, что она обязательно должна протекать. Это зависит от скорости реак- 20 / ции. Но условия, определяющие А принципиальную невозможность ее 40- / протекания, гарантируют, что реакция протекать не будет.
Схема превращения состоит из частных реакций, или этапов. В отличие от стехиометрических уравнений, кинетические не могут быть записаны произвольно и их число должно соответствовать реальным путям превращения компонентов.
Физико-химические признаки классификации. Какие воздействия необходимы, чтобы произошло химическое превращение, - признак классификации по типу химической реакции. Если достаточен только контакт реагентов, т. е. собственной энергии молекул достаточно для их превращения, то это прямое химическое взаимодействие. Реакции типа “с химическим воздействием” протекают с участием катализаторов. Катализатор не только ускоряет реакцию, но и открывает новые реакционные пути. Реакции типа “с физическим воздействием” протекают при инициировании электрическим током, излучением разной природы, механическим воздействием (электро-, фото-, радиационно-, механохимические реакции).
Гомогенные химические процессы протекают в одной фазе, чаще газовой или жидкой, в которой выравниваются условия протекания реакции во всем выбранном объеме. Поскольку явления переноса здесь не существенны, то закономерности гомогенного химического процесса совпадают с закономерностями химической реакции.
Зависимость г(х) изображена на рис. 2.14, б. Порядок реакции п изменяет темп возрастания скорости с концентрацией -он выше для реакции более высокого порядка.Константа скорости к зависит от температуры по уравнению Аррениуса (2.39). Характер изменения г(7) будет таким же, как и к (7) (рис. 2.15, а). Для двух реакций с различными энергиями активации Е и ¿2 скорость возрастает с температурой больше у той реакции, у которой энергия активации больше (на рис. 2.15, а Е > £2)- Увеличение температуры изменит зависимости г (С) и г(х). Концентрационная (рис. 2.15, б) и конверсионная (рис.
Сложная реакция состоит из этапов, или частных реакций. Характер зависимости их скоростей от концентраций и температуры такой же, как для простой реакции. В сложной реакции продукты образуются в разных частных реакциях, и появляется характеристика процесса, связанная с соотношением скоростей образования таких продуктов.
Предметом дальнейшего рассмотрения будут химические превращения, происходящие в этих процессах. В них участники реакции - реактанты - находятся в разных фазах, а реакция протекает по крайней мере в одной из них или на границе раздела фаз. Следовательно, для осуществления реакции необходим перенос компонентов из объема фаз к месту их реагирования.
В рассматриваемой системе твердый реагент - кусковой или зернистый материал, омываемый потоком газа или жидкости (при построении модели процесса это различие не принципиально). Для целей исследования основных свойств процесса твердый реагент представим частицей шарообразной формы. Поверхность частицы - равнодоступная, т. е. перенос компонентов между потоком и частицей одинаков по всей поверхности частицы. Размеры твердой частицы в процессе могут меняться в результате горения, растворения и т. д.) или оставаться почти неизменными, если образуется твердый продукт, который “замещает” исходный твердый реагент. Полагаем, что температуры частицы и потока равны.
Схема процесса взаимодействия газа с жидкостью при всех способах их контакта может быть представлена следующим образом (рис. 2.28): соприкасаются потоки газа и жидкости: имеется граница раздела фаз; компоненты переносятся через поверхность раздела фаз; реакция протекает в одной из фаз или в обеих. В пределах выделенного элемента концентрации компонентов в каждой из фаз одинаковы. В качестве такого элемента можно выделить: газовый пузырь с некоторым объемом жидкости вокруг него; каплю в газовом объеме или элементарный участок пленочного газожидкостного потока.
Ряд химических превращений требует инициирования, чтобы превращения могли протекать с заметной скоростью. Таким инициатором могут быть химические вещества - катализаторы. Химические процессы с их участием называются каталитическими.
Катализаторы готовят осаждением или соосаждением компонентов из растворов, их смешиванием. Полученную массу сушат, прокаливают. В результате образуется структура из слипшихся, спекшихся мелких частиц. Пространство между ними - поры, по которым диффундируют реагенты. Это - осажденные или смесные катализаторы. Таким же образом готовят инертный пористый материал - носитель. На него наносят активные компоненты, например пропиткой из раствора, из которого на внутреннюю поверхность носителя осаждаются каталитически активные компоненты (нанесенные катализаторы). Другие методы приготовления также приводят к образованию сети капилляров сложной формы. Заметим, что такие же методы используют в приготовлении твердых сорбентов - адсорбентов. Полученный пористый материал формуют в виде элементов цилиндрической, кольцеобразной или иной формы, в том числе геометрически неправильной. Размер элементов, или, как их называют, зерен промышленного катализатора, составляет несколько миллиметров (3-6 мм - наиболее распространенный). Таким образом, катализатор представляет собой пористые зерна с развитой внутренней поверхностью.
Не все катализаторы имеют пористую структуру. Если реакция быстрая, то развивать внутреннюю поверхность не имеет смысла. Например, окисление аммиака протекает на платиновом катализаторе в виде проволоки, сплетенной в сетку. Для полного окисления достаточно нескольких слоев сетки. На непористом катализаторе реакция протекает на внешней поверхности, где взаимодействуют компоненты из обтекающего его газового потока. Реагенты должны проникнуть через пограничный слой к поверхности твердого тела - катализатора. Схема процесса такая же, как в системе “газ - твердое” (см. разд. 2.4.2, модель “сжимающаяся сфера”), за одним исключением: твердое тело не превращается в продукт реакции, не изменяется в процессе, исключается этап III. Достаточно воспользоваться описанием превращения компонента только газовой фазы в гетерогенном процессе “газ - твердое”.
Химические реакции сопровождаются выделением или поглощением теплоты, что может привести к возникновению температурных градиентов, влияющих в свою очередь на скорость превращения.Адиабатический разогрев АТт = ОрСц/ср показывает, на сколько градусов нагреется реакционная смесь, если реакция пройдет до конца адиабатически.
Согласно общей схеме построения математической модели в химическом реакторе (см. рис. 2.5) рассмотрим процесс в реакционной зоне. Можно так представить последовательность построения модели процесса.Здесь ЛУ/Л и dq dt - накопление вещества и теплоты в выделенном элементарном объеме.
Как сложный по структуре и составу объект реакторы классифицируют по нескольким признакам. Выберем только те, которые позволят систематизировать изучение процессов в химических реакторах в рамках этого учебного курса.
Анализ процесса в химическом реакторе - исследование влияния условий процесса и характеристик (свойств) его составляющих на показатели работы реактора, а также выявление особенностей процесса и режима.
Интерпретация решения (2.138) уравнений математической модели (2.137) для процессов в режимах идеального смешения и вытеснения такова. В режиме ИС-п процесс протекает нестационарно, т = t, со временем t концентрация исходного вещества С уменьшается в соответствии с зависимостью (2.138) (рис. 2.42, а). Но в каждый момент времени концентрация во всех точках реактора одинакова. Если взять любое линейное измерение / внутри объема реактора, то зависимости С(Г) в разные моменты времени будут иметь вид, представленный на рис. 2.42, 6 - каждая из них есть C(l) = const. В режиме ИВ процесс протекает стационарно. Концентрация С меняется по длине реактора /, которая пропорциональна т(/ = ты), как показано на рис. 2.42, г. Но в каждом сечении / реактора C(t) = const (рис. 2.42, в). Таким образом, анализ зависимостей С(т) или х(т) покажет влияние условий процесса на изменение С и х во времени в режиме ИС-п и распределение С и х по длине реактора в режиме ИВ.
Аналитическое решение (2.150) относительно С для реакций не первого порядка ограничено (разве только для и = 0,5 или 2). Удобнее определять т = ЩС)/(С- Со).Характер влияния Т, Со, и на С(т) будет такой же, как и в рассмотренном выше процессе в режиме идеального вытеснения. Как пример на рис. 2.52,а показано влияние температуры, а на рис. 2.52,6 - порядка реакции на зависимость С(т).
Из приведенных данных видно, что при х < 0,1 интенсивности процессов в режимах идеального смешения и вытеснения одинаковы (разница менее 5%). С увеличением х различие резко возрастает. Режим ИВ интенсивнее режима ИС почти в 4 раза при х = 0,9 и более чем в 20 раз - при х = 0,99. Соответственно будут различаться и объемы реакторов.
Организовать идеальный режим - смешения или вытеснения -практически затруднительно. Реально всегда имеют место отклонения от идеальных режимов, которые вызываются рядом причин.Причины отклонений от идеального режима, встречающиеся наиболее часто, следующие.
Химическое превращение всегда связано с изменением энтальпии реагентов, выделением или поглощением тепла, что изменяет температуру реагирующей смеси. Возможен теплообмен с окружающей средой. К ней относится и теплоноситель, с помощью которого можно поддерживать желаемые температурные условия в зоне протекания реакции.
Здесь использованы: Со - начальная концентрация исходного компонента в непрореагировавшей смеси; Сн - концентрация этого же компонента на входе в реактор, которая может отличаться от Со, если в реактор подается частично прореагировавшая смесь (тогда хн ф 0).
Разделив второе уравнение на первое, получим линейную связь между х и Т. Т - Тн = Д7’ад(х - хн), совпадающую с уравнением (2.160) для режима идеального вытеснения. В обоих режимах величина разогрева совпадает при одинаковой степени превращения, т. е. конечный результат не зависит от пути процесса.
Математические модели химических процессов и реакторов включают приведенные переменные (степень превращения, условное время, относительный размер) и коэффициенты в виде комбинации констант, параметров и условий процесса. Показатели и условия процесса, работы реактора определяются измеряемыми величинами - производительностью, нагрузкой, концентрацией, температурой, размерами и объемом реактора. При расчетах процесса в реакторе постоянно приходится переходить от показателей процесса к параметрам и переменным модели и обратно. От аккуратности этих переходов зависит и достоверность расчетов.
Оптимальный означает “наилучший”. И когда говорят “оптимальный режим”, “оптимальный реактор”, следует выяснить: в каком смысле наилучший? какой показатель имеет наилучшее значение? Поскольку такими показателями могут быть: объем реактора, степень превращения, выход продукта, селективность процесса и т. д.; задач определения оптимального режима также может быть несколько, в зависимости от того, какой показатель оптимизируют. Задача оптимизации возникает почти на каждом этапе разработки процесса и реактора. Например, при разработке или выборе катализатора определяют оптимальную пористую структуру, обеспечивающую максимальную скорость превращения на зерне катализатора. Выбрав реактор, определяют оптимальные концентрации и температуру, обеспечивающие максимальное превращение или выход продукта в нем. Определяют оптимальные конструктивные размеры, обеспечивающие минимальные общие затраты на реактор, и так далее. Оптимизация химических процессов и реакторов - многовариантная задача.
Конструирование химического реактора направлено на обеспечение необходимых условий протекания процесса в нем. Выбор организации процесса, его режима был обсужден выше. Конструкция реактора должна обеспечить реализацию этих режимов. В реальном аппарате всегда имеются отклонения от устанавливаемых условий процесса.
Промышленные реакторы нужно рассматривать по следующей схеме: общий вид, объяснение его работы, описание процесса в нем (используя полученные модели), распределение концентраций и температуры, особенности и области применения. Процессы, протекающие в реакторах, были рассмотрены ранее. Здесь в основном обратим внимание на принципиальную организацию процессов в реакторах и их особенности.
Химическое производство - совокупность машин, аппаратов и других устройств, связанных между собой материальными трубопроводами и паропроводами, линиями электрическими, транспортными и связи (для информации и управления). Все они взаимосвязаны и функционируют вместе, обеспечивая получение продукции и выполняя другие функции производства. Такой объект называется системой.
Исследование сложных химико-технологических систем с использованием методов и средств теории систем получило название системного анализа ХТС. В литературе используют также и другой термин: (“flow-sheeting”) - метод исследования ХТС, представляющей собой “таблицу (карту) потоков” (flow sheet).
Химическое производство состоит из десятков и сотен разнородных аппаратов и устройств, связанных между собой разнообразными потоками. Исследовать его в целом при огромном многообразии его составных частей - задача не только сложная, но и малоэффективная. Представив химическое производство как химико-технологическую систему, проведем дальнейшую систематизацию частей производства, представленных в структуре ХТС. Цель систематизации - выделить подсистемы ХТС для их исследования и изучения. Будем выделять подсистемы по двум признакам - функциональному и масштабному.
Проведем дальнейшую систематизацию элементов ХТС. В описанной иерархической структуре отдельные аппараты или агрегаты предназначены для определенного изменения состояния потока.Классификация элементов ХТС проводится по их назначению.
Б. Графические модели: функциональная; технологическая; структурная; специальные.Здесь перечислены не все виды моделей, применяемых при исследовании ХТС, а только те, которые будут использованы далее.
Чтобы судить о свойствах ХТС, показателях ее функционирования, эффективности управления процессами в ней, необходимо определить состояние ХТС.Состояние, или режим, ХТС определяется параметрами (показателями) потоков (связей) и состоянием аппаратов (элементов).
Уравнения (3.3)—(3.5) есть балансы массы и теплоты для входящих и выходящих потоков. Поэтому расчеты ХТС называют балансовыми расчетами или просто балансами, различая материальный баланс (3.3)-(3.4) и тепловой баланс (3.5) химикотехнологической системы и ее частей.
Изменение энтальпии в элементе ХТС учитывает все превращения потоков и воздействия на них. Такие расчеты успешно используют для определения состояния потоков ХТС.Практически тепловое состояние потока контролируют температурой, и потому перейдем к “температурной” записи теплового баланса.
После того как определены структура ХТС (элементы и связи между ними), описание элементов (математические модели аппаратов или балансовые соотношения) и их состояние, параметры входных или выходных потоков (какие - зависит от постановки задачи расчета), можно переходить к расчету состояния ХТС (параметров потоков).
Первым шагом в анализе ХТС является определение ее состояния, т. е. расчет ХТС, рассмотренный в предыдущих разделах. Зная изменение состава и количества потоков, энергетические расходы, можно провести и другие расчеты - эффективности использования сырья и энергии как технологических показателей, экономических показателей, некоторых социальных показателей, определяемых свойствами всех компонентов хими-ко-технологического процесса, в том числе отходов производства. Эксплуатационные показатели определяются в основном из реакции системы на те или иные возмущения в процессе (изменение состава и количества сырья, энергетического обеспечения, состояния аппаратов, включая выход из строя некоторого оборудования, а также воздействия на режимы отдельных аппаратов и узлов). При этом необходимо учитывать, что ХТС обладает свойствами, не присущими отдельным ее элементам, что обусловлено взаимозависимостью их режимов.
Апатитовый концентрат содержит 39% фосфора (в пересчете на Р2О5), остальное - минеральные примеси. При степени извлечения фосфора 98% на производство 1 т 100%-й Н3РО4 расходуется 1,9 т концентрата (в пересчете на Р2О5 - 2,6 т).
В этом определении есть внутренние противоречия. Во-первых, если энергетические потоки используются внутри системы, покрывая часть расходов, т. е. С)эи = 0, то г)теш1 = 0. Во-вторых, если энергетические потоки используются полностью для выработки энергии, то в этом случае г]теш1 < 100% (есть другие потоки, выводящие энергию из ХТС). И то, и другое -не логично.
Химико-технологическую систему как отображение химического производства будем характеризовать эффективностью организации процесса в ХТС. Для такой характеристики необходимо выяснить, насколько режим процесса в ХТС приближается к теоретически возможному и насколько рассматриваемая ХТС оправдана экономически. Такой анализ в совокупности с оценками эффективности использования сырья и энергии является частью характеристики химического производства, включающей в себя многие показатели, перечисленные в разд. 1.5.
Синтез, или построение, ХТС заключается в определении основных технологических операций и их последовательности, выборе аппаратов и установлении связей между ними, определении параметров технологических режимов отдельных аппаратов и системы в целом, обеспечивающих наилучшие условия функционирования ХТС. Постановка задачи синтеза ХТС следующая.
Сопоставим два процесса - научный (получение новых знаний) и инженерный (разработка и создание нового производства) (рис. 3.23). По структуре своей они очень похожи, только мотивировки несколько различаются: в первом случае - любознательность, во втором - практическая необходимость. В обоих процессах движущим началом является стремление к прогрессу, развитию. Оба процесса состоят из аналогичных стадий, характерных для творчества: поиск решений на каждом этапе, возврат к предыдущим для нахождения новых, лучших и правильных решений. Конечно, методическая и техническая базы различны в разных объектах исследований, да и время на инженерную разработку ограничено, жестко лимитировано. Но в обоих процессах требуется сочетание науки и искусства - как в открытии, так и в создании нового.
Исходными веществами для производства промышленных продуктов являются 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.
Избирательность каждой из стадий - около 95%, образуется НС1 как отход. Выход винилхлорида по этилену - 90%, а по второму исходному веществу, хлору, - 50%.Избыток одного из реагентов - как правило, более дешевого и доступного, а также возможность вернуть его в процесс. Используют два фактора влияния избытка реагента на увеличение выхода продукта.
Пример утилизации фосфогипса можно было бы отнести к комбинированным производствам, в которых в двух технологических системах получают более одного продукта. Но производство строительных материалов и изделий из фосфогипса связано с производством фосфорной кислоты только одной связью - по ней передается отход одного производства как сырье в другое.
В химических производствах протекают разнообразные процессы, связанные или с выделением энергии, или с ее затратой, или со взаимными превращениями и переходами. Энергия затрачивается на подготовку сырья, осуществление химических превращений, выделение продуктов, транспортировку материалов, сжатие газа и т. д. Потребление разных видов энергии в стоимостном выражении распределяется между процессами химического производства следующим образом: в химических реакциях - 5-40%, в массообменных процессах - 30-80%, в теплообменных процессах - 60-90%.
Концепция полного использования энергетических ресурсов направлена на минимизацию энергетических и тепловых затрат, на полное использование их в процессе.Тепло может быть использовано для получения пара в котле-утилизаторе; пар затем используется как энергоноситель для привода паровых турбин этого же производства (рис. 3.36, а) или как теплоноситель в технологических целях.
Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) - энергетический потенциал продукции, отходов, дополнительных и промежуточных продуктов, образующихся в технологических агрегатах, который не используется в самом агрегате, но может быть частично или полностью использован для энергоснабжения других производств.
Количество энергии, которое необходимо подвести на разных стадиях химико-технологического процесса, определено его режимом. Затраты энергии можно уменьшить путем регенерации энергии между стадиями процесса и использования потенциала потоков в самом процессе. Но компенсировать полностью затраты энергии не всегда удается по нескольким причинам.
Любое производство, в том числе и химическое, имеет отходы. Даже при полном использовании сырья и энергетически замкнутом производстве в нем имеют место необратимые потери, причины которых были обсуждены в предыдущем разделе.
Эта концепция направлена на защиту окружающей среды; она связана с экологической обстановкой в регионе, где расположено производство, и с санитарно-гигиеническими условиями для обслуживающего персонала. Реализация этой концепции в первую очередь связана с улучшением использования сырьевых и энергетических ресурсов (соответствующие приемы были рассмотрены выше), а также включает в себя следующие специальные мероприятия.
Процессы в химическом производстве протекают в определенных устройствах - машинах и аппаратах. Потоки между ними передаются по трубопроводам и другими средствами. Потоки регулируются запорной арматурой (вентилями, задвижками) и другими устройствами. Контроль и управление осуществляются с помощью датчиков, приборов и другой аппаратуры. Все это размещается на строительных конструкциях - в зданиях, на опорных устройствах, эстакадах. Все названные устройства и конструкции создаются при строительстве производства и рассчитаны на весь срок его существования, они называются “капитальными вложениями”. Ремонт, замена изношенных и вышедших из строя частей, конечно, предусмотрены, но затраты на капитальные вложения делаются изначально и единовременно.
Концепция направлена на минимизацию капитальных затрат на технологическое оборудование путем создания условий протекания в нем процессов с максимально возможной интенсивностью.Оптимизация процесса - очевидный прием увеличения его интенсивности.
Этот прием рассматривается отдельно от описанных выше приемов эффективного использования оборудования.Совмещение процессов - осуществление разного типа химикотехнологических процессов в одном аппарате.
На заре развития химической промышленности создавались и затем интенсивно развивались жизненно важные производства -удобрений, продуктов переработки нефти и угля, моторного топлива, синтетического каучука, пластических масс. Все они стали крупнотоннажными, и номенклатура их продуктов меняется незначительно. Но за последние десятилетия число наименований необходимых продуктов химической промышленности многократно увеличилось. Материалы, обладающие особыми свойствами, выпускаются в небольших количествах. Их производство, как правило, малотоннажное, а номенклатура обновляется примерно каждые 5 лет. Срок службы современной химической аппаратуры больше и составляет 10-15 лет. Создание для каждого продукта отдельного производства становится невыгодным - после наработки необходимого количества материала технологическое оборудование становится ненужным. Поэтому и возникли перестриваемые производственные системы.
В ХТС можно выделить подсистемы, состоящие из однородных элементов (аппаратов) и предназначенные для проведения определенной химико-технологической операции. К подсистемам можно, например, отнести реакторный узел системы разделения, теплообмена. В них протекает химическое превращение или разделение многокомпонентной смеси или теплообмен между многими потоками. Каждая из них состоит из однородных аппаратов: реакторов, ректификационных колонн или теплообменников. Синтез систем однородных элементов хорошо разработан, имеется возможность автоматизированного построения их; некоторые общие подходы рассмотрены далее.
Реакторный узел - соединение нескольких реакторов - используют для оптимизации режима процесса (что было рассмотрено в разд. 2.9.2) или ограничения единичного объема одного реактора. Рассмотрим параллельное и последовательное соединения реакторов и сопоставим их по интенсивности (общему объему, необходимому для достижения одинаковой степени превращения хк или конечной концентрации Ск) и селективности процесса в них (при протекании сложной реакции).
Проблема создания однородной ХТС или ее подсистемы возникает, когда надо разделить многокомпонентную смесь. Подбор оптимальной схемы, дающей необходимый эффект разделения с минимальными затратами, - задача многоэтапная и достаточно громоздкая. Ведь необходимо выбрать последовательность колонн разделения, технологические связи между ними, сеть тепловых потоков, обеспечивающих режим колонн разделения, а также выбрать сами колонны и рассчитать их оптимальный режим. Прежде всего следует определить последовательность выделения компонентов. Здесь очень удобно использовать некоторые эвристические приемы. Они получены обобщением результатов многочисленных автоматизированных расчетов систем разделения и дают первое приближение структуры технологической схемы. Таких приемов достаточно много, и в автоматизированном построении схемы, ее расчете и оптимизации они позволяют получить желаемый результат достаточно быстро. Рассмотрим некоторые из этих приемов.
Требуется создать систему теплообменников для обмена теплом между потоками, дополнительных нагревателей и холодильников, в которой затраты будут минимальны.Существует большое число эвристических правил для синтеза системы теплообменников. Здесь представим следующие.
Значение критерия эффективности ХТС зависит не только от структуры и параметров системы, но и от эксплуатационных свойств ХТС, к которым можно отнести чувствительность, управляемость, надежность и устойчивость.
Современное химическое производство - сложный комплекс, состоящий из большого числа агрегатов, соединенных многочисленными связями, - сложная химико-технологическая система. Может показаться, что для достижения максимальной эффективности процесса достаточно заранее определить оптимальный режим и строго придерживаться его. В реальных условиях всегда имеют место возмущения условий процесса и изменения его параметров.
Перечень операций и последовательность их выполнения оформляются в виде сетевого графика и строго контролируются. На проведение каждой операции разрабатывается инструкция, учитывающая специфику оборудования, рекомендации завода-изготовителя и проектной организации. В графике может быть предусмотрено параллельное проведение некоторых операций, что сокращает общее время подготовки к пуску производства.
Неполадки и неисправности в ХТС. Химические производства все более укрупняются и усложняются. За последние 30 лет мощности единичных агрегатов возросли в 3-6 раз. В состав современного производства аммиака входит более 200 единиц различного технологического и энергетического оборудования, а протяженность трубопроводов измеряется десятками километров. Тенденция к созданию малотоннажных производств также связана с усложнением процессов и ХТС.
Окружающей средой принято считать все, что нас окружает, с чем мы прямо или косвенно связаны в своей жизни и деятельности. Это целостная система взаимосвязанных природных и созданных человеком объектов и явлений, включая физические, химические, биологические и социальные. В широком смысле слова окружающей средой следует называть нашу планету с ее биосферой и космическое пространство, воздействующее на нас. Однако, учитывая существующий уровень взаимодействия человека и космоса, достаточно целесообразно и обоснованно подразумевать под окружающей средой лишь земную кору и биосферу.
Современный научно-технический прогресс связан с постоянным ускорением темпов потребления природных ресурсов и развития производств.Древнему человеку для удовлетворения всех жизненных потребностей было необходимо 18 химических элементов и их сочетаний, к XVIII веку - 28, в XIX веке - 47, в начале XX века - 59. Сейчас используется около 100 элементов и их соединений.
В процессе взаимодействия производства и окружающей среды осуществляется обмен веществ между производственной и природными сферами. Он называется антропогенным метаболизмом.Антропогенный метаболизм складывается из двух составляющих: суммы индивидуальных обменов веществ всех людей на Земле (биологическая часть) и суммы техногенных обменов веществ от технологических процессов (технологическая часть). Последняя трактуется как обмен веществ и энергии между техносферой и биосферой.
Основной физической характеристикой примесей в атмосфере служит концентрация - количество вещества в единице объема воздуха при нормальных условиях (обычно в мг/м3). Концентрация примесей определяет физическое, химическое и другие виды воздействия их на окружающую среду и является основным параметром при нормировании допустимого содержания примеси в атмосфере и водных объектах.
Загрязнение окружающей среды обусловливает два вида затрат в народном хозяйстве: затраты на предупреждение воздействия (ущерба) загрязненной среды на отдельные объекты и затраты, вызываемые самим воздействием (ущербом, причиняемым окружающей среде соответствующими выбросами). Сумма этих затрат выражает экономический ущерб, причиняемый народному хозяйству загрязнением окружающей среды.
Рассмотрим основные понятия, которые потребуется использовать при рассмотрении вопросов создания безотходных производств.Отходы производства - остатки сырья, материалов и полупродуктов, образующиеся при получении заданной продукции, которые частично или полностью утратили свои качества и не соответствуют стандартам (техническим условиям). Эти остатки после соответствующей обработки могут быть использованы в сфере производства или потребления.
При проектировании химического производства практический интерес представляет сравнение безотходной технологической схемы с традиционной схемой получения данного продукта. Для проведения такого анализа составляются эталонные проекты, предназначенные для выработки и планирования технической политики в области создания безотходной технологии. Понятие “эталонный проект” подразумевает такую совокупность технологических стадий в цикле “ресурсы - производство - потребление - ресурсы”, при которой обеспечивается замкнутое движение материальных и энергетических потоков.
Химические производства являются одним из основных источников загрязнения биосферы. Неуклонный рост выработки различных химических веществ сопровождается, как правило, соответствующим увеличением количества вредных отходов. В результате в ряде центров химической и нефтехимической промышленности наблюдается катастрофическое загрязнение водоемов, почвы, атмосферы.
Сырьевые и энергетические ресурсы были рассмотрены ранее (разд. 3.6.1 и 3.7.1). Здесь обратим внимание на водные ресурсы, поскольку вода - один из важнейших факторов жизни на Земле, и к ней должно быть самое внимательное отношение.
Химическая промышленность образует огромное количество различных отходов, которые можно классифицировать по агрегатному состоянию.При выборе метода переработки твердых отходов существенную роль играют их состав и количество. Преобладают тенденции, связанные с созданием мощных установок по комплексной переработке больших количеств смесей твердых отходов. Получила развитие утилизация твердых отходов в агрегатах промышленности строительных материалов при получении кирпича, керамзита, цемента и др.
В химической и нефтехимической промышленности образуются многочисленные твердые отходы, различающиеся по своему происхождению и составу. Ввиду большого многообразия этих отходов предложить обобщенную схему их утилизации и обезвреживания не представляется возможным, поэтому рассмотрим основные методы применительно к многотоннажным отходам производства.
Среди многочисленных жидких отходов на химических и нефтехимических предприятиях преобладают сточные воды, различные углеводородные растворители и загрязненные органические вещества.Сточные воды загрязнены неорганическими и органическими соединениями, поступающими с заводов соответствующего профиля - основной химической промышленности, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, органического синтеза, красителей и пигментов, лаков и красок, целлю-лозно-бумажной промышленности и др. Обобщенная схема образования сточных вод на химических предприятиях представлена на рис. 4.16.
В группе газообразных отходов наибольшую долю составляют отходящие технологические газы, продукты сгорания из печей и парогенераторов, выбросы загрязненного воздуха из вентиляционных систем. Газы содержат многочисленные соединения, в состав которых помимо углеводорода и водорода могут входить кислород, сера, азот, галогены.
При хранении в шламонакопителях такие отходы расслаиваются с образованием верхнего слоя (водная эмульсия нефтепродуктов), среднего слоя (загрязненная нефтепродуктами и взвешенными частицами вода) и нижнего слоя (твердая фаза, пропитанная нефтепродуктами).
Особо токсичные отходы. Соединения, составляющие группу особо токсичных отходов, были охарактеризованы выше в разд.Среди методов ликвидации особо токсичных отходов наибольшее распространение получили полигоны захоронения, шламохранилища, захоронение или закачка в глубинные подземные скважины и сжигание.
Химические производства будем рассматривать как примеры реализации основных положений теории химических процессов и реакторов и химико-технологических систем. Выбраны две группы производств: органических и неорганических продуктов. Из всей обширной гаммы органических производств выбрана химическая переработка нефти и прослежены пути получения из сложной природной смеси ряда продуктов. Основное здесь -разделение и химические превращения компонентов сложной смеси. На примере производств этилбензола и стирола показан выбор оптимального реактора. Обоснование и построение оригинальной энерготехнологической схемы продемонстрировано на примере производства стирола. Анализ тепловой эффективности сделан для производства этилена пиролизом бензинов.
Нефти различных месторождений заметно отличаются по фракционному составу - содержанию легких, средних и тяжелых дистиллятов. Большинство нефтей содержит 15-25% бензиновых фракций, выкипающих до 180 °С, и 45-55% фракций, перегоняющихся до 300-350 °С.
Существуют первичные и вторичные методы переработки нефти. Первичными являются процессы разделения нефти на фракции перегонкой, вторичные процессы - это деструктивная (химическая) переработка нефти и очистка нефтепродуктов (фракции перегонки различаются интервалом температур кипения компонентов).
Основные реакции ароматизации в процессе риформинга сопровождаются изомеризацией и гидрокрекингом углеводородов. Теплота реакций изомеризации невелика, а гидрокрекинг протекает с выделением тепла, которое частично компенсирует эндотермический эффект основных реакций риформинга.
Низшие олефины (этилен и пропилен) занимают ведущее место по потреблению в нефтехимическом синтезе. Наиболее многотоннажным является производство этилена, за ним следуют пропилен, бутилены.Производство этилена достигает 30 млн т в год и постоянно растет. На основе этилена производят этиловый спирт, полиэтилен, стирол, винилхлорид, этиленхлорид и др.
Стирол СбН5СН=СН2 - один из важнейших продуктов нефтехимии, сырье для получения полимеров (полистирол, синтетический каучук) и сополимеров (ударопрочный полистирол на основе акрилонитрила и бутадиена). Производство стирола -крупнотоннажное, единичная мощность современных агрегатов составляет 150-300 тыс. т стирола в год. Основным промышленным способом производства стирола является в настоящее время дегидрирование этилбензола. Перспективным может быть получение стирола из фракции Се пиролизной смолы.
Среди выпускаемых промышленностью полимерных материалов большое значение имеют полиолефины - полиэтилен и полипропилен. Удачное сочетание в полиолефинах механической прочности, химической стойкости, хороших диэлектрических показателей, низкой газо- и влагопроницаемости, а также легкость переработки в изделия всеми известными способами, низкая стоимость и доступность сырья позволили полиолефинам занять первое место в мире среди продуктов химической промышленности.
Производство минеральных удобрений - одна из важнейших подотраслей химической промышленности. Во всех странах мира их ежегодно выпускается более 100 млн т. Основные питательные элементы - азот, фосфор и калий. Количество их рассчитывают по действующему веществу - соответственно 1М, Р2О5 и К2О. Их содержание в выпускаемых удобрениях составляет в среднем 38 - 42%. Полноценное питание растений включает также добавки микроэлементов (М£, В, Мп, ¿п и др.).
Производство минеральных удобрений (суперфосфата, сульфата аммония), а также разложение фосфатного сырья являются крупнейшими потребителями серной кислоты. Высокая химическая активность и относительно небольшая стоимость производства обусловили очень широкое применение серной кислоты почти во всех отраслях промышленности (рис. 5.23).
Азот широко распространен в природе, он является одним из основных элементов белковых тел - животных и растений. В основном он находится в атмосфере в виде свободных молекул. Подсчитано, что над 1 га поверхности Земли находится около 80 тыс. т азота. Но растения не могут непосредственно усваивать атмосферный азот. Для их питания необходимы неорганические соединения, растворимые в воде или в слабых кислотах. Минеральное сырье очень ограниченно используется для производства азотных удобрений. Главным сырьевым источником остается азот атмосферы. Перевод азота из свободного (молекулярного) состояния в химически связанную форму определил название области химической технологии - “производство (или технология) связанного азота”.
В 1914 г. разработан и в 1916 г. в г. Юзовка (ныне Донецк) пущен в эксплуатацию цех азотной кислоты на основе аммиака коксового газа. Разработка велась под руководством русского инженера И.И.Андреева. Сейчас получение азотной кислоты из аммиака - основной способ ее производства.