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

Подождите немного. Документ загружается.

151

Рис. 37. План-графиканализатехнологическойсхемы

152

Рис. 38. Блок-схемаанализатехнологическогопроцесса

Заключение

Задачасозданиятехнологическойсхемыбезотходногопроизводст-

вазаключаетсявразработкекомплексавзаимосвязанныхпроцессов,

обеспечивающихполучениетребуемыхпродуктовзаданногокачества

при минимальной себестоимости. Технологическая схема является

главнымдокументом, наоснованиикоторогоосуществляетсядальней-

шеепроектирование.

Принципиальнаятехнологическаясхемадаетобщеепредставление

охарактерепроектируемогоБОП. Наследующемэтапепроектирования

детальнопрорабатываютсяотдельныетехнологическиеузлы. Этоодин

изважнейшихмоментовпроектированияБОП, вомногомопределяю-

щийтехническийуровеньикачествовсегопроекта.

153

Глава3. Выборирасчетреакторов

Ключевым вопросомприразработкепринципиальнойтехнологи-

ческойсхемыБОПявляетсятипреактора. Основаниемдляразработки

проекта реактора служит задание соответствующего механико-

технологическогоотдела. Заданиесостоитизэскизаобщеговидааппа-

ратаиегократкойтехническойхарактеристики.

Исходнымиданнымидляразработкиэскизареактораслужат:

расчетныйобъем;

рабочиетемператураидавление;

физическиеихимическиесвойствасреды (необходимообяза-

тельноуказать, являютсялиониагрессивнымипоотношению кпред-

полагаемомуконструкционномуматериалуит. п.);

назначениереактора.

Разработкаэскизареакторасостоитизследующихэтапов:

определениеформыаппарата;

выборконструкционногоматериала;

определениенеобходимого количестваштуцерови устройств

дляподдержаниязаданногорежима;

разработкавспомогательныхустройствидеталей;

оформлениезаданиянаразработкутехническогопроектареак-

тора.

3.1. Определениеформыреактора

Впромышленнойпрактикеприменяютсяреакторысамыхразнооб-

разныхформиконструкций. Однакопогидродинамическойхарактери-

стике, определяющейвзначительнойстепенирежимпроцесса, реакто-

рыделятсявсегонанесколькоосновныхтипов:

реакторыпериодическогодействия;

реакторынепрерывногодействия;

реакторысмешения;

реакторывытеснения.

Реакторпериодическогодействия(РПД)

Аппаратэтоготипапредставляетсобойобычновертикальныйци-

линдрсвыпуклымднищем, мешалкойиповерхностью теплообмена.

Втакомреакторевсеотдельныестадиипроцессапротекаютпоследова-

тельно, вразноевремя. ОснованиемдлявыбораРПДмогутбыть:

154

малыймасштабпроизводства;

специфическиесвойствареакционнойсмеси, затрудняющиене-

прерывныйеетранспорт;

малаяскоростьхимическойреакции.

Реакторвытеснениянепрерывногодействия(РВНД)

Прототипомтакогореактораявляетсятруба, вкоторойдвижется

реагентвсмесисобразующимсяпродуктом. Реакторполноговытесне-

нияхарактеризуетсяпеременнойконцентрациейреагирующихвеществ

подлинеаппарата, наибольшейразницейконцентрацийнавходеивы-

ходеизреактораи, следовательно, наибольшейсреднейдвижущейси-

лойпроцесса.

Реакторполногосмешения(РПС) обычноснабженкаким-либо

перемешивающим устройством ихарактеризуетсяпостоянством кон-

центрацииреагирующихвеществвовсемобъемереакторавданный

моментвременивследствиепрактическимгновенногосмешенияреаги-

рующихвеществвреакционномобъеме. Поэтомуизменениеконцен-

трацииреагирующихвеществнавходевреакторноситскачкообразный

характер. Средняядвижущаясилапроцессавтаком аппаратебудет

меньше, чемваппаратеполноговытеснения. Реакторыэтоготипанаи-

болеечастоприменяютсядляпроведениятакихпроцессов, какнитро-

вание, сульфирование, полимеризацияидр.

К основным достоинствам реакторов непрерывного действия

впервуюочередьможноотнести:

высокуюстепеньиспользованияаппаратуры;

возможностьавтоматизациитехнологическогопроцесса;

болеестабильныйрежимреактора.

Указанныеособенноститакихреакторовоблегчаютсозданиевысо-

копроизводительной аппаратуры и производственныхсхем большой

мощности.

Выборорганизационногопринципаработыреакционнойаппарату-

рытребуеттщательногоанализавсехособенностейкаждогоизсравни-

ваемыхвариантоввконкретныхусловиях.

Втабл. 7 приведенаклассификацияреакторовпоконструктивным

формам.

155

Таблица7

Классификацияреакционныхаппаратовпоконструктивнымформам

Поверхностьтеплообмена

Типреактора

Конструктивная

форма

Гидродинамиче-

скийрежимдви-

женияреагентов

Агрегатное

состояние

реагентов

безпо-

верхно-

стите-

плооб-

мена

сна-

ружной

поверх-

ностью

свнут-

ренней

поверх-

ностью

Пример

технологиче-

ского

применения

1 2 3 4 5 6 7 8

ПВ Г



Крекингбензи-

нов, полимери-

зацияэтилена

ПВ Ж



Алкилирование

низших

парафинов

Трубчатые

ПВ

ЖЖ 



Гидролиз

хлорбензола

ПВ

ГЖ



+ Окислениеуг-

леводородов

ПВ

ГЖ

 

Нейтрализация

аммиака

ПВдля

газа,

ПСдля

жид-

кости

ГЖ

+ + + Окисление

п-ксилола

ПВ ГЖ +

 

Получение

сульфата

аммония

Колонные

ПВ

ГГ/Т

 

Дегидрогениза-

цияэтилбензо-

ла, пиролиз

бутана

ПВ

ГГ/Т 



Окисление

этилена

ПВ

ГТ

 

Обжиг

известняка

ПВ

ЖТ

 

Ионныйобмен

ПВ

ГТ

 

Газификация

твердыхтоплив

ПВдля

газа,

ПСдля

твер-

дой

фазы

ГТ

 

Обжигпирита

156

Окончаниетабл. 7

1 2 3 4 5 6 7 8

ПС Ж + + + Диазотирование

ПС

ГЖ

+ + + Хлорирование

производных

этилена

ПС

ЖЖ

+ + + Сульфирование

бензола

Реакционнаякамера

сперемешиванием

ПС

ЖГ

+ + + Получение

суперфосфата

ГТ

+ +



Окислениеруд

ГТ



+ Обжигпирита

ЖТ

Разложение

карбидакаль-

цияводоюв

ацетилен

Печи

ГГ



+ Парциальное

окисление

углеводородов

волефин

идиолефин

Примечание: ПВполноевытеснение; ПСполноесмешение; Ггазоваяфаза;

Жжидкаяфаза;Ттвердаяфаза

К важнейшим изфакторов, определяющихустройствореактора,

можноотнестиследующие:

агрегатноесостояниеисходныхвеществипродуктовреакции,

атакжеиххимическиесвойства;

температуруидавление, прикоторыхпротекаетпроцесс;

тепловойэффектпроцессаискоростьтеплообмена;

интенсивностьперемешиванияреагентов;

непрерывностьилипериодичностьпроцесса;

удобствомонтажаиремонтааппарата,простотуегоизготовления;

доступностьконструкционныхматериаловидр.

Следуетзаметить, чтоневсясовокупностьфактороввравнойсте-

пенивлияетнаконструкциюкаждогоизвновьпроектируемыхреакто-

ров. Обычноучетдвухилитрехизнихсовершеннонеобходим, аос-

тальныеучитываютсятолькочастичноинеусложняютконструкцию

157

аппарата. Удельноезначениекаждогоизперечисленныхфакторовзави-

ситотконкретногохимическогопроцесса. Извсехперечисленныхвы-

шефакторовагрегатноесостояниевеществаоказываетсамоебольшое

влияниенапринципдействияреактораивцеломдолжноопределять

конструктивныйтипреакционногоустройства. Крометого, взависимо-

стиотэтогофакторанаходитсявыборнекоторыхосновныхивспомога-

тельныхдеталейаппарата, таких, какперемешивающееустройство, по-

верхностьтеплообменаит. д.

Нижеприведеныфакторы, обусловливающиевыборхимического

реактораиегоконструктивныеособенности.

Фактор Чтоонопределяет?

1. Температураитепловойэффект

процесса.

1. Конструкциюэлементовповерхности

теплообмена, теплоноситель(хладагент).

2. Давление. 2. Материалитипреактора.

3. Среда(кислотная, нейтральная,

щелочная).

3. Материалреактора,

способзащитыегооткоррозии.

4. Физическоесостояние

реагирующихвеществ

иреакционныхмасс.

4. Способорганизациипроцесса,

интенсивностьперемешивания,

конструкциюмешалки.

5. Кинетикареакции. 5. Способорганизациипроцесса.

6. Способорганизациипроцесса. 6. Типреактора.

Основнымифакторами, определяющимиспособорганизациипроцес-

са, являютсяегопроизводительность, скоростьпротекающейреакции, со-

стояниереагирующихвеществиконсистенцияреакционныхмасс.

ПриподбореоборудованиядляоснащенияновогоБОП следует

стремитьсякмаксимальномуиспользованиютипового, стандартизован-

ного, серийновыпускаемогооборудования. Подробноопреимуществах

такоговыборабудетсказанониже.

Наиболееширокоосвоенсерийныйвыпускследующихвидовхи-

мическогооборудования: емкостнаяаппаратура(сборники, сепараторы,

резервуарыидр.), фильтры, теплообменники, центрифуги, различные

холодильныеаппараты, компрессоры, насосы, дробилкиидр.

Каталогиипроспектытакогооборудованиявыпускаютсясамими

заводами-изготовителями. Длявыборатиповогооборудованиятребуют-

сятежеданные, чтоидляразработкиреактора, основногоаппарата.

Влияниетипареактораирециклов

населективностьсложныхреакций

Нарядустехнологическимиприемамивыбортипареактораитех-

нологическойсхемы процессаможетспособствоватьсозданию БОП.

158

Рассмотрим рядприемов, способствующихсозданию БОП, примени-

тельнокгомогеннымигетерогеннымпроцессам.

Гомогенныепроцессы. Типреактора, какизвестно, позволяетповы-

ситьселективностьсложныхреакций. Припроведениисложныхреак-

цийнеобходимовыбратьтакойтипреактора, прииспользованиикото-

рогополучаласьбыреакционнаясмесь, содержащаямаксимальновоз-

можноеколичествоцелевоговеществаиминимальноеколичествопо-

бочныхпродуктовилиотходов.

Рассмотримпараллельныереакциивида

A B



(основнаяреакция); (82)

A D



(побочнаяреакция). (83)

Селективностьтакихреакцийзависитотсоотношенияскоростей

основнойипобочнойреакцииилиототносительнойскоростиобразова-

ниявеществВиD (

B D

R R

R K C

  



;

R K C

  



Отношение

1 2

n n

R K



  ,

где n

иn

− порядкискоростиреакции.

Предположим, чтоn

> n

иразностьмеждунимиn

−n

= m.

Тогда

R K

 

ДляувеличенияселективностипопродуктуВнеобходимопрово-

дитьпроцесспривысокомзначенииС

. Этодостигаетсяприменением

реакторапериодическогодействия(РПД) илижереакторавытеснения

непрерывногодействия(РВНД), посколькуконцентрацияреагентаА

внихвыше, чемвреакторесмешениянепрерывногодействия(РСНД).

ЕслиотданопредпочтениеРСНД, тоселективностьможетбыть

повышеназасчетустановкикаскадатакихреакторов. Приэтомчем

большечислоступенейвкаскаде, темвышеселективностьреакции.

159

Еслиn

< n

, аn

−n

= m,

тогда

R K

  .

Следовательно, длядостижениявысокойселективностипопродук-

туВконцентрацияреагентаАдолжнабытьвозможноменьшей. Наи-

меньшеезначениеС

можноподдерживать, используяпроточныйреак-

торполногосмешения. ВеличинаС

снижаетсятакжеразбавлением

реагентов, поступающихвреактор.

Еслиосновнаяипобочнаяреакцииимеютодинаковыепорядки

= n

, тогда

R K

 .

Вэтомслучаеселективностьпроцессанезависитоттипареактора.

Влияниетемпературы населективность(наотносительную ско-

ростьреакции) зависитотсоотношенияэнергииактивациипараллель-

ныхреакций. Вкинетическойобластивлияниетемпературынавеличи-

нуконстантыскоростивыражаетсяуравнениемАррениуса. Поэтому

 

1 2

1 1 1 1

2 2 2

E E

R T

R T R T

R T

k A e A A

e e

k A A

A e





  

 





    



, (84)

где А

иА

– предэкспоненциальныемножители;

иЕ

– энергииактивацииосновнойипобочнойреакцийсоответ-

ственно.

Еслиэнергияактивацииосновнойреакциивышеэнергииактива-

циипобочной(Е

> Е

) Е

– Е

= Е= 10000 Дж/мольиА

= А

, тогда

относительнаяскоростьосновнойреакцииравна:

приТ= 300 К

10000

8,314 300





  ;

приТ= 600 К

10000

8,314 600

7,40





  ;

приТ= 900 К

10000

8,314 900

2,72





  .

Приведенныйпримерпоказывает, чтопринизкихтемпературах

скоростьпобочнойреакциизначительновыше, чемосновной. Поэтому

принизкихтемпературахселективностьпопродуктуВневелика. По-

160

вышениетемпературыувеличиваетсоотношениеконстантскоростире-

акцийисоответственноповышаетсяселективностьпроцессапопродук-

туВ.

ЕслиЕ

< Е

, топринизкихтемпературахскоростьосновнойреак-

циивыше, чемпобочной, иселективностьпоцелевомупродуктупри

низкихтемпературахвыше, чем привысоких. Таким образом, при

< Е

повышениетемпературынецелесообразно.

Селективностьпоследовательных(какипараллельных) реакций

зависиттакжеотсоотношенияскоростейпротекающихреакций. На-

пример, последовательнаяреакция

1 2

k k

A B D

 

протекаетбез

измененияобъемасмеси(k

иk

– константыскоростейотдельныхре-

акций). Кинетическиеуравненияреакцийбудутиметьследующийвид:

1 2

;

A A

B A B

D B

R k C

R k C k C

R k C

  

    

  

ЕслицелевымпродуктомявляетсяпромежуточныйпродуктВ, со-

отношениескоростейобразованияпродуктовВиD равно

1 2 1

2 2

B B A B A

D D B B

R dС k C k C k C

R dC k C k C

  

    



Этоуравнениепоказывает, чтоселективностьбудеттем больше,

чемвышеконцентрацияисходногореагентаС

исоотношение

1 2

k k

Следовательно, дляпроведенияпоследовательныхреакцийсполучени-

ем высокойселективностипопромежуточномупродуктупредпочти-

тельны реакторы идеального вытесненияи реактор периодического

действияполногосмешения. Внихсредняяконцентрациявеществ, уча-

ствующихвреакции, всегдавыше, чемвпроточномреактореполного

смешения. Нарис. 39 приведеносравнениеселективностипроцессапо

целевомупродуктуВвреакторахидеальногосмешенияивытеснения

взависимостиотстепенипревращенияисходногореагентаАиразлич-

ногосоотношения

1 2

k k

Дляреакторовидеальноговытеснениясоотношение

дляпо-

следовательныхреакцийприлюбойстепенипревращениявкинетиче-

скойобластивсегдавыше, чемвреакторахполногосмешения.