Косинцев В.И. и др. Основы проектирования химических производств

Подождите немного. Документ загружается.

151

В первом примере предпочтение следует отдать реактору периодическо-

го действия, или РВНД, поскольку средняя концентрация в них выше, чем в

РСПД, при тех же условиях питания.

Если имеются все основания для выбора РСПД, то выход в последнем

может быть повышен, хотя и не до уровня, достигаемого в РПД за счет уве-

личения числа последовательно соединенных ступеней, а при заданном числе

ступеней - за счет последовательного увеличения объема каждой последую-

щей ступени, как показано на рисунке 6.8.

Рис. 6.8. Выбор оптимального РСНД с заданным числом ступеней

в случае проведения параллельных реакций:

а – основная реакция имеет более низкий порядок по сравнению с побочной;

б – основная реакция имеет низкий порядок по сравнению с побочной

Рис. 6.9. Схема, поясняющая способ поддержания низкой концентрации

реагента А путем ступенчатого добавления его в реактор вытеснения (а)

или смешения (б)

В том случае, когда порядок основной реакции ниже порядка побочной,

концентрация реагента должна быть по возможности минимальной.

Во многих процессах этого достигают простым уменьшением концен-

трации реагентов на входе в реактор. Однако в других случаях некоторые со-

ображения (например, стоимость регенерации растворителя) могут воспре-

пятствовать использованию столь простого метода.

В этих условиях РСНД имеет преимущество перед РПД, поскольку в

нем низкая концентрация реагента обеспечивается автоматически, особенно

в случае небольшого числа последовательно расположенных ступеней и

сравнительно большой первой ступени (рис. 6.9).

152

6.2.4. Комбинация реактора смешения

с реактором вытеснения

В этом разделе будут рассмотрены обстоятельства, благоприятствующие

использованию определенных типов комбинированных реакторов, а именно:

1) одноступенчатого РСНД, соединенного последовательно с РВНД;

2) РВНД, соединенного с одноступенчатым или многоступенчатым

реактором смешения.

Такая компоновка может оказаться полезной не только по кинетическим

соображениям. Например, первая схема соединения реакторов целесообразна

в тех случаях, когда важно добиться хорошей степени перемешивания двух

или более реагентов в начале реакции. В этом частном случае реактор сме-

шения является не столько реактором, сколько смесителем.

Вторая схема (рис. 6.9, б) целесообразна тогда, когда реактор вытесне-

ния является оптимальным с точки зрения химической кинетики, причем

применение одного или более аппаратов с мешалкой, позволяющих прово-

дить реакцию полнее, дает возможность сократить капиталовложения по

сравнению с затратами, связанными с созданием реактора вытеснения экви-

валентного объема.

Таблица 6.2. Влияние кинетики процесса на относительный объем реактора при

конверсии, равной 90 %

Тип реактора

Порядок реакции по мономеру

Объем реактора

РВНД

РСНД

РВПД

РСПД

Каскад из 2-х РСНД

Примером более желательного использования первой схемы по кинети-

ческим соображениям является реакция нитрования гексамина. В этом случае

мгновенный выход проходит через максимум. Таким образом, оптимальный

вариант для данной реакции (и, действительно, лучший, чем любой другой из

рассмотренных ранее) сводится к использованию одноступенчатого реактора

смешения, работающего при постоянном составе реагентов, определяющем

максимальный выход целевого продукта, к которому последовательно при-

соединяется реактор вытеснения, доводящий реакционную смесь до требуе-

мого отношения

путем монотонного, а не ступенчатого перемещения на-

право вниз по кривой. Интересно сравнить относительные объемы реакторов

рассматриваемых типов для получения полимеров. При одинаковых произ-

водительности, расходе реагентов и температурах соответствующие данные

приведены в табл. 6.2.

153

Различие в объемах растет с увеличением конверсии и порядка реакции

по мономеру. Из данных, приведенных в табл. 6.2, следует, что применение

каскада реакторов смешения позволяет уменьшить суммарный реакционный

объем. В пределе бесконечности последовательность реакторов смешения

превращается в РВНД.

При расчете числа ступеней в каскаде следует учитывать экономические

факторы. На практике при некотором числе ступеней капитальные затраты

проходят через минимум и снова начинают возрастать. Поэтому при

проектировании каскада обычно сравнивают затраты при различном числе

степеней.

6.3. ЭСКИЗНАЯ КОНСТРУКТИВНАЯ РАЗРАБОТКА

ОСНОВНОЙ ХИМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ

6.3.1. Общие положения

Химическое оборудование условно разделяется на две основные группы:

не стандартизованную аппаратуру, представляющую собой главным образом

конструкции котельно-сварного типа, и стандартизованное оборудование –

компрессоры, насосы, центрифуги, фильтры, машины для переработки пла-

стмасс и т. д.

При подборе оборудования для оснащения нового производства следует

стремиться к максимальному использованию типового, стандартизованного,

серийно выпускаемого оборудования.

Большое разнообразие химических процессов, различные условия их

протекания, разная производительность проектируемых установок делают

целесообразной разработку аппаратов, специально приспособленных для ра-

боты в конкретном производстве. К такому оборудованию в основном отно-

сятся: емкостная аппаратура, реакторы, некоторые теплообменники, колон-

ные аппараты.

Рабочие чертежи этих аппаратов и оснастка для их изготовления разра-

батываются в конструкторских бюро машиностроительных заводов, полу-

чивших заказ на изготовление оборудования. Основанием для разработки

служит технический проект аппаратов, предлагаемых для заказа и состоящих

из расчетов и чертежей общего вида и наиболее ответственных узлов.

Технический проект нестандартизованного аппарата выпускается либо

конструкторским отделом института, разрабатывающего проект всего произ-

водства, либо специализированной проектной организацией. Основанием для

разработки технического проекта служит задание соответствующего механо-

технологического отдела.

Задание состоит из эскиза общего вида аппарата и его краткой техниче-

ской характеристики. В процессе эскизной проработки конструкции аппарата

механики совместно с технологами выполняют следующую работу:

разрабатывают мероприятия, обеспечивающие заданный технологиче-

154

ский режим;

определяют материал аппарата и его отдельных узлов;

выясняют возможность применения типовых узлов и целых агрегатов;

проверяют соответствие основных размеров аппаратов, определенных

в процессе технологического расчета, действующим ГОСТ и стандартам;

разрабатывают детали и приспособления, облегчающие транспорти-

ровку аппарата, его монтаж, обслуживание в процессе эксплуатации и де-

монтаж;

разрабатывают мероприятия по безопасной эксплуатации проектируе-

мого оборудования.

До начала эскизного проектирования механик-проектировщик должен

получить полное представление о месте разрабатываемого аппарата в техно-

логической схеме производства и его назначении, а также определить его ме-

стоположение в производственном помещении, т. е. ознакомиться с распо-

ложением оборудования. Затем следует собрать все исходные данные, в чис-

ло которых входят:

рабочие параметры процесса (давление и температура);

физические и химические свойства перерабатываемых веществ, осо-

бенно агрессивность при рабочих условиях;

максимальные расходы через различные элементы аппарата;

основные размеры аппарата, определяемые в процессе технологиче-

ского расчета оборудования (например, диаметр ректификационной колонны,

количество тарелок, расстояние между ними и т. п.);

характеристика помещения в соответствии с правилами устройства

электропривода;

сведения о характере технологического процесса (непрерывный или

периодический);

способы эксплуатации аппарата;

опыт эксплуатации аналогичных аппаратов;

особенности строительных конструкций, на которых предполагается

установить аппарат.

Рассмотрим теперь особенности эскизного конструирования различных

групп аппаратов.

6.3.2. Реакторы

При эскизном конструировании реактора учитываются нижеследующие

факторы.

Температура процесса и точность ее регулирования, что обусловли-

вает способ обогрева аппарата и выбор теплоносителей. Она колеблется в

весьма широком интервале (от 290 300 С до минус 40 С и ниже). Отсюда

следует, что при конструировании реакторов необходимо руководствоваться

155

требованием, изложенным в нормали МН 72 62 «Сосуды стальные. Техни-

ческие условия» и материалами Госгортехнадзора.

При этом определяется, нужен ли подвод или отвод тепла от реакцион-

ной смеси, а это означает, что нужно ли проектировать рубашки разных ти-

пов для изотермических реакторов. Естественно, это приводит к усложнению

конструкции реактора и ее удорожанию.

1. Давление, влияющее на форму аппарата и его материал. Оно колеб-

лется от 180 200 МПа до глубокого вакуума с остаточным давлением до 10

Па. В некоторых аппаратах сочетается глубокий вакуум с давлением

0,6 1,0 МПа.

2. Интенсивность теплообмена, от которой зависят размеры и вид теп-

лопередающей поверхности, а также конструкция изоляции.

3. Консистенция обрабатываемых материалов, определяющая конст-

руктивное оформление расчетной поверхности теплообмена и конструкцию

приспособления для перемешивания.

4. Интенсивность перемешивания, от степени которой зависит устрой-

ство диффузоров, специальных перегородок, мешалок с большим числом

оборотов.

5. Химические свойства перерабатываемого материала, от которого

зависит выбор материала реактора.

6. Непрерывность или периодичность процесса.

7. Удобство монтажа и ремонта аппарата, простота его изготовления.

8. Доступность конструкционных материалов и вида конструкционно-

го материала.

9. Агрегатное состояние обрабатываемых материалов.

Такое многообразие определяющих факторов приводит к необходимо-

сти создания специального реактора для каждого конкретного процесса. За-

дача несколько упрощается в связи с тем, что не вся совокупность факторов в

равной степени влияет на конструкцию каждого вновь проектируемого реак-

ционного аппарата. Обычно учет двух или трех из них совершенно необхо-

дим, а остальные учитываются только частично и не усложняют конструк-

цию реактора.

Реактор как аппарат, в котором протекает основной процесс химической

технологии – образование нового продукта в результате сложного взаимо-

действия исходных веществ, должен работать эффективно, т. е. обеспечивать

требуемую глубину и избирательность химического превращения. Следова-

тельно, реактор должен удовлетворять целому ряду различных требований:

иметь необходимый реакционный объем, обеспечивать определенный гидро-

динамический режим движения реагентов, создавать требуемую поверхность

контакта взаимодействующих фаз, поддерживать необходимый теплообмен в

процессе, уровень активности катализатора и т. д.

Одна и та же реакция может быть проведена в реакторах различного ти-

па. При обосновании выбора реакционного аппарата для проведения того или

156

иного процесса необходимо учитывать возможность конструктивного осуще-

ствления этого аппарата. Поэтому полезно иметь представление об основных

конструктивных типах реакторов, используемых в промышленности.

Вследствие больших различий в конструкциях реакторов трудно найти

научно-обоснованные критерии для их классификации. Из всех конструктив-

ных характеристик две могут считаться определяющими. Это – режим дви-

жения реакционной массы в аппарате и вид поверхности теплообмена. Такая

классификация приведена в табл. 6.3.

В промышленных условиях важнейшее значение приобретают не только

скорость химического превращения веществ, но и производительность аппа-

ратуры, поэтому выбор типа и конструкции оборудования является одним из

самых главных и ответственных этапов в реализации химико-

технологического процесса.

Относительная сложность, а часто и новизна реакторов является причи-

ной того, что, как правило, они полностью разрабатываются специализиро-

ванными организациями, имеющими экспериментальную базу. В проектном

институте разрабатываются лишь простейшие реакторы, причем порядок их

эскизного конструирования (определение штуцеров, основных размеров, вы-

бор материала и т. д.) и оформление задания на разработку технического

проекта мало отличается от принятого при конструировании емкостей и со-

стоит из тех же этапов. Здесь также следует стремиться к максимальному ис-

пользованию стандартных узлов и деталей, выбираемых по каталогам, нор-

малям и стандартам. Это позволяет ограничиться рассмотрением различных

устройств, характерных для каждой из перечисленных групп реакционных

аппаратов. Из всех перечисленных выше факторов агрегатное состояние ве-

щества оказывает самое большое влияние на принцип действия реактора и в

целом должно определять конструкционный тип реакторного устройства.

Кроме того, в зависимости от этого фактора находится выбор некоторых

основных и вспомогательных деталей аппаратов, таких, как, например, пита-

тель, перемешивающее устройство, поверхность теплообмена.

Конструктивная классификация объединяет всю реакционную аппарату-

ру в следующие группы:

а) реакторы типа реакционной камеры;

б) реакторы типа колонны;

в) реакторы типа теплообменника;

г) реакторы типа печи.

В соответствии с этим основа классификации химических реакторов

должна быть дополнена принципом фазового состояния перерабатываемых

веществ, что делает возможным подразделять реакционную аппаратуру на

группы, систематизация которых приведена в табл. 6.4.

157

158

Таблица 6.4. Классификация реакторов по конструктивным формам

Тип реактора

Конструктивная

форма

Гидроди-

намиче-

ский ре-

жим дви-

жения реа-

гентов

Агре-

гатное

состоя-

ние

реаген-

тов

Поверхность теплобмена

Пример тех-

нологическо-

го примене-

ния

без по-

верхно-

сти

тпло-

обмена

с на-

ружной

поверх-

ностью

с внут-

ренней

поверх-

ностью

Трубчатые

ПВ

Крекинг бен-

зинов, поли-

меризация

этилена

ПВ

Алкилирова-

ние низших

парафинов

ПВ

Ж-Ж

Гидролиз

хлорбензола

Колонные

ПВ

Г-Ж

Окисление

углеводоро-

дов

ПВ

Г-Ж

Нейтрализа-

ция аммиака

ПВ для

газа, ПС

для жид-

кости

Г-Ж

Окисление

n-ксилола

ПВ

Г-Ж

Получение

сульфата ам-

мония

ПВ

Г-Г/Т

Дегидрогени-

зация этил-

бензола, пи-

ролиз бутана

ПВ

Г-Г/Т

Окисление

этилена

ПВ

Г-Т

Обжиг ивест-

няка

ПВ

Ж-Т

Ионный

обмен

ПВ

Г-Т

Газификация

твердых топ-

лив

ПВ для

газа, ПС

для твер-

дой фазы

Г-Т

Обжиг

пирита

окончание табл. 4

159

Реакционная камера с

перемешиванием

ПС

Диазотиро-

вание

ПС

Г-Ж

Хлорирова-

ние произ-

водных эти-

лена

ПС

Ж-Ж

Сульфиро-

вание бензо-

ла

ПС

Ж-Г

Получение

суперфосфа-

та

Печи

ПВ

Г-Т

Окисление

руд

Г-Т

Обжиг

пирита

Ж-Т

Разложение

карбида

кальция во-

дою в аце-

тилен

Г-Г

Парциаль-

ное окисле-

ние углево-

дородов в

олефин и

диолефин

Примечание: ПВ – полное вытеснение; ПС – полное смешение; Г – газовая

фаза; Ж – жидкая фаза; Т – твердая фаза.

6.4. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ

ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Оптимизация предполагает достижения наилучших или определение

наиболее благоприятных условий проведения химического процесса.

При оптимизации химико-технологических систем (ХТС) качество

функционирования систем определяют с помощью критериев, или показате-

лей эффективности, под которыми понимают числовые характеристики сис-

темы, оценивающие степень приспособления системы к выполнению постав-

ленных перед ней задач.