Сутягин В.М., Бондалетов В.Г., Кукурин О.С. Принципы разработки малоотходных и безотходных технологий

Подождите немного. Документ загружается.

101

Этоуравнениепоказывает, чтоселективностьбудеттем больше,

чемвышеконцентрацияисходногореагентаС

исоотношение

1 2

K K

Следовательно, дляпроведенияпоследовательныхреакцийсполучени-

ем высокойселективностипопромежуточномупродуктупредпочти-

тельныреакторидеальноговытесненияиреакторпериодическогодей-

ствияполногосмешения. Внихсредняяконцентрациявеществ, участ-

вующихвреакции, всегдавыше, чемвпроточном реактореполного

смешения.

Давление

Повышениедавленияпозволяетсущественноувеличитьскорость

реакциивгазовойфазе, протекающейсуменьшениемобъема, чтопо-

зволяетснизитьгабаритыаппаратаидиаметрытрубопроводов. Ограни-

чениямаксимальнойвеличиныдавлениямогутбытьцелесообразныпо

экономическим причинам при переработкенизкоконцентрированных

газоввследствиевысокихэнергетическихзатратнасжатиеиперемеще-

ниенеучаствующихвреакциигазовыхфракций, которыевданномслу-

чаеявляютсябалластом.

Концентрацииреагирующихвеществ

Повышениеконцентрацииреагирующихкомпонентовможетбыть

осуществленоврезультатеобогащенияисходногосырья, атакжепри

непрерывномотводепродуктовреакциииззоны взаимодействия(при

использованиивакуума, конденсации, поглощениягазанатвердомпо-

глотителедлягазообразныхпродуктов, кристаллизации, испарения−

дляжидкихсмесейит. д.).

Катализаторы

Широкиевозможности дляинтенсификациихимическихпроиз-

водствсоздаетиспользованиедостижениякаталитическойхимии. На-

пример, разработанныеновыекатализаторыдляпроизводстваметанола,

содержащиеAl, Cu, Zn, даливозможностьуменьшитьрабочеедавление

в3 раза. Созданиедавлениявтехнологическихаппаратахпозволяетиз-

менятьпараметрыведенияпроцесса, применятьменеедорогоеобору-

дование, уменьшать энергоемкость и другие показатели процесса.

Большоераспространениевдальнейшемдолжныполучитьмембранные

катализаторы, которыенетолькоускоряютхимическийпроцесс, но

ипозволяютразделятьобразовавшиесяпродукты реакции. Гетероген-

ныйкатализвпоследнеевремяширокоприменяетсяприосуществлении

102

процессоввпсевдоожиженномслоеиегоразновидностях, чтопозволя-

етпроводитьпроцессыболееинтенсивно, чемприиспользованиине-

подвижныхслоевкатализатора.

Направленноедвижениепотоков

Дляускоренияиповышенияэффективностидиффузионныхпро-

цессовприменяютнаправленноедвижениепотоков. Например, при

противотокедостигаютсябольшиеравномерностьиполнотапротека-

нияпроцессавобъемеаппарата, чтосопровождаетсяиболеевысоким

выходомпродукта. Высокаяинтенсивностьпроцессаможетбытьдос-

тигнутаиваппаратахсперекрестнымтоком, однакотакаяорганизация

движенияпотоковболеесложна, чемприпротивотоке.

3.1.2. Основныезакономерностипроцессов

химическогопревращения

Кинетикахимическихреакцийиграетопределяющую рольвдос-

тижениитребуемыхпоказателейпроцесса. Информацияокинетикеот-

крываетпередисследователемвозможностьсознательногоуправления

химическимипроцессамисцелью ихинтенсификации. Навеличину

константыскоростиреакции

1 2

...

i i

n n

i i

r K C C C K C

       





(66)

оказываютвлияниеразличныефакторы(температура, давление, усло-

вияперемешиванияидр.). Константускоростиреакцииможнопредста-

витьввидеуравненияАррениуса

exp

K K

R T

 

  

 



 

, (67)

где K

предэкспоненциальныймножитель;

энергияактивации;

R универсальнаягазоваяпостоянная;

ТтемпературавградусахКельвина.

Влияниетемпературынаинтенсификацию

химико-технологическихпроцессов

Впоследнеевремянаметиласьтенденцияксочетаниювысокотем-

пературныхпроцессовсэлектрохимическими, ультразвуковыми, плаз-

меннымиидругимиметодамивоздействиянавещество. Вцеломпра-

103

вильныйвыбороптимальноготемпературногоинтервалаведенияпро-

цессапозволяетсущественнымобразомповыситьскоростьпроцессаи

увеличитьвыходпродукции. Основноевлияниетемператураоказывает

натепроцессы, которыепротекаютвкинетическойобласти, причемха-

рактерэтоговлиянияопределяетсявеличинойтепловогоэффектапро-

цесса. Наиболеесильноевоздействиенаскоростьпроцессаимееттем-

ператураэндотермическихреакций, припроведениикоторых(согласно

принципуЛе-Шателье) увеличиваетсяскоростьреакцииисоответст-

венносокращаетсявремя, необходимоедлядостиженияравновесия.

ПрипротеканиихимическойреакциитипаA + B





Q, тре-

бующейподводадополнительногоколичестватеплоты, приповышении

температуры равновесиесмещаетсяслеванаправо, чтоспособствует

увеличению равновеснойстепенипревращенияцелевогокомпонента.

Приповышениитемпературыфактическидостигаемаястепеньпревра-

щениявещества, вследствиеувеличенияскоростипроцесса, приближа-

етсякравновесной.

Обратимыеэкзотермическиереакциитакжеинтенсифицируются

приувеличениискоростипрямойреакциисувеличениемтемпературы

процесса. Вслучаеобратимойэкзотермическойреакции, придостиже-

нииопределенногозначениятемпературы, еескоростьначинаетвозрас-

татьбыстрее, чемскоростьпрямойреакции, чтоприводитксмещению

равновесиявсторонуобразованияисходныхпродуктов. Криваязависи-

мости фактическойскорости превращенияоттемпературы процесса

имеетмаксимум, прикоторомдостигаютсянаибольшиевыходпродук-

циииобщаяскоростьпроцесса. Очевидно, чтоограничениеверхнего

пределатемпературы делаетневозможнымприменениееевкачестве

фактора, интенсифицирующегопроцесс, поэтомудляэкзотермических

процессовиспользуютдругиефакторывоздействия, приводящиекпо-

вышениюскоростиреакцииидостижениютребуемыхтехнологических

показателей(применяюткатализаторы, повышенноедавление).

Увеличениескоростидиффузионныхгетерогенныхпроцессовмо-

жетбытьдостигнутозасчетуменьшениявязкостииплотности, повы-

шениядавленияитемпературы, увеличенияскоростипотоковвзаимо-

действующихфаз, интенсивногоперемешивания, увеличенияповерхно-

стиконтактафазивременивзаимодействия. Повышениетемпературы

позволяетувеличитьподвижностьчастицитемсамымускоритьдиффу-

зионныепроцессы.

104

Влияниедавлениянаинтенсификациюхимическихпроцессов

Великароль примененияповышенного давлениядлясоздания

замкнутыхБОПиэнергосберегающихтехнологическихсхем. Припри-

нятиирешенияонеобходимостииспользованияповышенногодавления

учитывают агрегатное состояниевзаимодействующих веществ, воз-

можностьполучениятребуемойстепенидостиженияравновесияине-

обходимоговыходапродуктаприданномрежиме. Применениеповы-

шенногодавленияпозволяетувеличитьилиуменьшитьконцентрации

взаимодействующих веществ, изменить их объем, теплофизические

свойства, замедлитьилиускоритьпереходвеществизодногоагрегатно-

госостояниявдругоеит. д. Указанныевышефакторыприводятквоз-

можностиполученияоптимальноговыходапродуктаиповышениюего

качества.

Широкоприменяетсятакжеизменениедавленияпроцессавсочета-

ниисувеличениемтемпературы, использованиемкатализаторовит. д.

Дляпроцессовсгазовойфазойприменениедавленияпозволяет

увеличитьконцентрацию газообразногореагентаприуменьшенииего

объема. Повышениеконцентрацииреагентовприводиткускорениюре-

акции. Приувеличениидавленияможетпроисходитьизменениепоряд-

кареакции, атакжеуменьшениеконстантыскоростиреакции.

Приповышениидавления, вслучаеосуществленияреакциитипа

A B C D Q

   

, вначальныймоментвременипроисходитконцен-

трированиегаза, иравновесиесмещаетсявсторонуобразования

C D



донекоторогонакопленияпобочныхпродуктоввзаимодействия.

Дальнейшееувеличениедавлениябудетневыгоднымвсвязистем,

чтодлясжатиягазатребуетсявсебольшийрасходэнергии, агаз, нахо-

дящийсяподвысокимдавлением, сжимаетсявсехужеихуже, вследст-

виечегоэнергозатратывозрастаютбыстрееприростапродукта.

Проведениепроцессапринизкомдавленииупрощаетаппаратурное

оформление, ноувеличиваетобъемреактораиэнергозатратынатранс-

портировкуреагентов, повышаютсятребованиякисходномусоставу

реагентов. Вслучаекогдапроцесссопровождаетсяпротеканиемобра-

тимыхреакцийсувеличениемобъема, вначальныйпериодвыходпро-

дуктавозрастаетприповышениидавлениядомоментаприближения

кравновесномусостоянию, апотомснижается, проходячерезмакси-

мум. Есливрезультатепротеканияреакцийпродуктывзаимодействия

переходятвдругоеагрегатноесостояние(жидкую илитвердуюфазу),

топовышениедавленияширокоиспользуетсясцельюускоренияэтого

перехода. Дляпереводавеществавгазообразноесостояниеиспользует-

сявакуумпринизкихтемпературах, чтопозволяетвыделятьособочис-

тыевещества.

105

Дляжидкофазныхпроцессоввозможноповышениедавлениявпре-

делах200÷300 МПа, чтодаетвозможностьполучитьболееплотный

продукт, повыситьстепеньпревращениявеществаиулучшитькачество

конечныхпродуктов.

Процессы, протекающиевсистеме«жидкостьжидкость», сопро-

вождаютсяпреимущественноростоммолекулярныхцепочексобразо-

ванием малого числакороткихбоковых ответвлений; длясистемы

«газжидкостьтвердоетело» эточисловозрастает, причемувеличи-

ваютсяиразмерывбоковыхответвлениях, чтобываетнежелательным

припроведениирядатехнологическихпроцессов. Всвязисэтимпри

выборефазовогосостоянияреакционнойсмесиобязательноучитывают

еевлияниенакачествополучаемогопродуктаиизменяютфазовоесо-

стояниесистемывходепроцессасучетомполученияпродуктавысоко-

гокачестваипредотвращениянежелательныхпроцессов.

Применениеперемешиваниядляинтенсификациипроцессов

химическойтехнологии

Приосуществлениипроцессаперемешиваниячастицы жидкости

или сыпучего материала в результате многократного перемещения

вобъемеаппаратаподдействиемимпульса, передаваемогосредеотме-

ханическоймешалкилибоструижидкости, пара, газа, смешиваются

другсдругом. Приперемешиваниипотоковфазпреследуютсяследую-

щиецели:

ускорениетеченияхимическихреакций, атакжерастворения

твердыхвеществ;

равномерноераспределениечастицвобъемежидкостииравно-

мерноераспределениеидиспергированиегазаилижидкостивпотоке;

интенсификацияпроцессовохлажденияинагревания.

Такимобразом, основнойзадачейпроцессаперемешиванияявляется

получениеоднородныхрастворовилисмесей, эмульсийилисуспензий.

Дляреализациипроцессаперемешиванияприменяютсямеханические

мешалки, газ, пар, перемешиваниециркуляциейжидкости, вибрационное

ипульсационноеперемешивание. Дляхарактеристикипроцессапереме-

шиванияиспользуютсяследующиепоказатели: степеньперемешивания,

интенсивностьперемешивания, эффективностьперемешивания. Степень

перемешивания– взаимноераспределениекомпонентовпослезавершения

процессаперемешиваниявсейсистемы. Онахарактеризуетстепеньодно-

родностисистемы, аследовательно, можетширокоприменятьсядляоцен-

киэффективностииинтенсивностиперемешивания.

106

Использование перемешивания для интенсификации процессов

можетбытьпроиллюстрированоследующимипримерами:

смешениевзаимнорастворимыхжидкостей;

выравниваниетемпературвобъемеперемешиваемойсреды;

распределениевзвешенныхчастицвобъемежидкостиилипре-

дотвращениеихоседания;

диспергированиекапельилипузырьковгаза;

улучшениетеплообмена;

улучшениемассообмена.

Выборрежимаперемешиванияиконструкцииаппаратасцелью

интенсификациипроцессаосуществляют, исходянетолькоизфизико-

химическихособенностейперемешиваемойсистемы, ноисучетомтех-

нико-экономическойоценкипроцесса.

3.1.3. Примерыинтенсификации

химико-технологическихпроцессов

Разделениесмесей

Нарис. 24 приведенысхемыразделениясмесейсперечисткамице-

левогопродукта, отходовиспециальновыделяемогопромежуточного

продуктасоответственно.

Технологическиесхемы очистныхоперациймогутбытьтрехос-

новныхразновидностей:

схемасполучениемвосновнойоперациизагрязненногоприме-

сямицелевогопродукта, которыйвдальнейшемподвергаетсяпоследо-

вательнымперечисткамдляудалениятакихпримесей(см. рис. 24, а);

схема, прикоторойвыделяетсявнебольшихколичествахочень

чистыйпосодержанию примесейцелевойпродуктиотходы, подвер-

гающиесязатемповторнымперечисткам, чтобыпредотвратитьпотери

ценногокомпонента(см. рис. 24, б);

схемасвыделениемтрехпродуктов: готовогоцелевогопродукта

снизкимсодержаниемпостороннихпримесей, отходовсмалымипоте-

рямивнихцелевогокомпонентасырьяитакназываемогопромежуточ-

ногопродукта, вкоторомсодержаниеэтогокомпонентанаходитсявин-

тервалезначенийегосодержаниявпродуктеиотходах(см. рис. 24, в).

Выборвариантасхемы зависитпреждевсегооттого, насколько

малымимогутбытьпотоки, поступающиенаперечистныеоперации:

чемонименьше, темвыгоднееприменениерассматриваемоговарианта

схемы. Оптимальнымбудеттотвариантсхемы, прикоторомвосновной

операцииразделениясразуможнобудетполучитьвозможнобольшее

количествоготовых, неподлежащихдальнейшейпереработке, продук-

107

товилицелевогопродукта(экономичнееприменятьпервыйвариант

схемы) илиотходы(выгоднееприменятьвторойвариант). Еслиэтосра-

зунедостижимо, топриходитсяприбегатьктретьемувариантусхемы.

Разделениесмеси

целевой

продукт

отходы1

Очисткапродукта

целевой

продукт

отходы2

Рис. 24 Схемаразделениясмесей:

апродукта; ботходов; впромежуточногопродукта

Первыйвариантобычноприменяетсятогда, когдаисходныйпро-

дуктотносительнобогатцелевымкомпонентом, аожидаемоеколичест-

воотходовотносительноневелико. Второйкогдаразделениюподле-

житбедноецелевымкомпонентомсырье. Третийвариантсхемыхарак-

108

терендляпромежуточныхслучаевитогда, когдатехнологическитруд-

ноожидатьэффективногоразделениякомпонентовсмесей. Крометого,

третийвариантсхемынеобходимвтехслучаях, когдавсырьенеодин,

адваилиболеецелевыхкомпонентаиликогдаприодномцелевомком-

понентевсырьеможетбытьпримесь, вредновлияющаянакачествого-

товойпродукции.

В некоторыхслучаяхиз-заплохого, трудноосуществимогоразде-

ленияприходитсяотказатьсяотпереработкипромежуточногопродукта

ииспользоватьегокаксамостоятельную побочную продукциюпроиз-

водстваили(приоченьдорогомсырье) применятькнемукакую-либо

другуютехнологиюпереработки, болеедорогостоящую, ноиболееэф-

фективную. Висключительныхслучаяхтакойпромежуточныйпродукт

можетскладироватьсянаскладеотходовврасчетенаегопереработку

вдальнейшем, приновых, болееблагоприятныхусловиях(например,

когдабудетнайденановая, болееудачнаятехнологияпроцесса).

Применениетехнологиипереработкипродуктовсповторнымипе-

речисткамисвязаносдвумяотрицательнымипоследствиями:

получениембольшогоколичествасортовконечнойпродукции,

выделяемойнаразныхстадияхперечисток;

увеличениемчислаединицприменяемогооборудования.

Большоечислосортовполучаемыхпродуктовсоздаеттрудности

вихреализации, прихраненииипритранспортировке. Выходизэтого

положенияможнонайти, смешиваяпродуктыразнойсортностииполу-

чаяврезультатеменьшеечислоконечныхпродуктов. Качествопродук-

товприэтомусредняется, и, следовательно, ужеполученнуювысокока-

чественнуюпродукциюприходитсясознательнопортить.

Длясокращениячислаприменяемыхвпроцессеаппаратовидля

того, чтобы неприменятьаппараты разныхтипоразмеров, можноис-

пользоватьповторныеперечистки, направляясоответствующиепотоки

невспециальноустановленныедляэтогоаппараты, авозвращаяих

впредшествующиестадиидляперечисток, т. е. применяяциркуляцию

технологическогопотока(см.рис. 25).

Особенноэффективны схемы, вкоторыхпроисходитразделение

потоканатрипродукта: промежуточныйпродуктразделениявозвраща-

етсянаперечисткувтотжеаппарат, вкоторомонполучен. Приэтом

сокращаетсянетолькочислоприменяемыхвпроцессеаппаратов, но

ичислотехнологическихопераций.

Напрактикемогутприменятьсясмешанныевариантытехнологи-

ческихсхемперечистныхпроцессовразделениясмесей, когдабедные

целевым компонентом продукты могутсовместно перерабатываться

сотносительнобогатымиотходами(см. рис. 26).

109

Разделениесмеси

смесь

целевой

продукт

отходы1

промежуточный

продукт

Рис. 25. Схемаперечистоксприменениемциркуляции

технологическогопотока

Рис. 26. Смешанныйвариантразделениясмесей

Окончательныйвыборвариантасхемыопределяетсянаосновании

технико-экономическогоанализа(расчета), учитывающегокачествоко-

нечныхпродуктовпроцесса, производственныезатраты и эффектив-

ностьиспользованияосновныхфондовпроизводства.

Такимобразом, применениеинтенсифицирующихфакторовпозво-

ляетизменитьстарыетехнологии, приблизивихкстатусумалоотход-

ныхтехнологий. Счистотехнологическойпозициивыводизэксплуата-

циипредприятия, работающегопостаройтехнологии, котораянеиз-

бежносвязанасозначительнымивыбросами, можетоказатьсяпрежде-

временным.

110

3.2. Оптимизацияхимико-технологическихпроцессов

ЦельюБОПявляетсяегонаилучшаяреализация, егооптимизация.

Оптимизацияэтопроцессдостижениянаилучшихилиопределение

(нахождение) наиболееблагоприятныхусловийпроведениякакого-либо

процесса. Вприложениикхимико-технологическомупроцессуопре-

делениенаилучшихусловийпроведенияпроцесса.

Длясовременногоподходакоптимизациихарактернаформализация

задачи. Наэтапеформулированиязадачиприходитсяучитыватьфизико-

химическиеособенностипроцесса, егоэкономичность, общееразвитие

промышленности, рыночную конъюнктуруимножестводругихобстоя-

тельств. Какправило, формулировказадачиоптимизациивключает:

выборкритерияоптимальности;

установлениеограничений;

выбороптимизирующихфакторов;

записьцелевойфункции.

Критерийоптимальностиэтоглавныйпризнак, покоторомусу-

дятотом, насколькохорошофункционируетданнаясистема, работает

данныйпроцесс, насколькохорошорешеназадачаоптимизации. Ора-

ботесудятпоеерезультатам. Поэтомукритерийоптимальностиявляет-

сяоднимизрезультатов, однимизвыходовсистем.

Чтобы выбранныйкритерийоптимальностиможнобылоэффек-

тивноиспользоватьнаследующемэтапе, ондолженудовлетворятьтрем

основнымтребованиям:

1. Критерийоптимальностидолженбытьединственным. Этосамое

тяжелоетребование. Деловтом, чтонасинтересуетрядвыходовсисте-

мыимыхотим, чтобынакаждомизнихсистемабыланаилучшей. Ино-

гдаговоряттак: оптимальнымявляетсятакоеведениетехнологического

процесса, прикоторомпроизводительностьустановкиикачествопро-

дуктамаксимальны, азатратыипотериминимальны. Такаяпостановка

задачиутопичнаипоэтомуобъективновредна.

Пример. Сопоставлениедвухкритериевоптимальности.

Оптимизируетсяработаректификационнойколонны. Желательно

получитьмаксимальночистыепродукты. Однакоеслистремитьсятоль-

кокулучшениюэтогопоказателя, тооптимальнымокажетсярежимпри

бесконечномфлегмовомчисле, т. е. безпитанияибезотборадистилля-

та. Производительностьвтакомоптимумеравнанулю. Сдругойсторо-

ны, еслимы будемстремитьсякувеличению производительности, то

придемкабсурдномурешению: используяколоннупростокактрубо-

провод, мысможемпропуститьчерезнееогромноеколичествосмеси,

норазделениеокажетсянулевым.