Рециклы в ХТС и характеристические функции

3.5. Рециклы в ХТС и характеристические функции.

В ХТС циркулировать могут исходные, конечныe и промежуточныe вещества, а так же вода (охлаждающие или нагревающие агенты).

Циркуляция исходных веществ, связана с  неполной степенью их превращения. После выделения продуктов исходные вещества вновь  возвращаются  в  процесс.  Основными причинами неполноты использования  сырья является наличие термодинамических  ограничений,  малая  скорость  протекания  основного взаимодействия, ограничение времени контактирования и избыток реагента.

Типичным примером неполноты использования сырья из-за термодинамических ограничений является  синтез  аммиака. 

Реакция синтeза аммиака обратимая, экзотермическая,  протекает с увеличением объема. Поэтому для ее смещения в сторону образования продукта необходимо понижать температуру и повышать давление. Но при низкой температуре скорость реакции ничтожно мала из-за большой величины энергии активации (Е).  для снижения Е вводят катализатор - активированное железо, который активен  при температуре около 500 ⁰ с.  При этой температуре и давлении  98,1 МПа  равновесный  выход  аммиака  составляет 57,47%.  В промышленных условиях процесс ведут при давлении 30 МПа, при котором равновесный выход составляет 26,44%.  Это

предельные возможности химической системы синтеза аммиака в указанных условиях.

Для достижения этого выхода требуется очень большая продолжительность процесса Поэтому, его проводят вдали от состояния равновесия, применяя большие объемные скорости (малое время контактирования).

В результате интенсивность (производительность) процесса возрастает.

Как видно из этих данных, увеличение объемной скорости в

Рекомендуемые материалы

три раза приводит к снижению мольной доли аммиака в  1,4  раза.

Производительностъ при этом возрастает в 2,1  раза. Поэтому увеличение объемной скорости - способ интенсификации циркуляционных процессов.

Выбор объемной скорости должен обеспечитъ определенное

время  контактирования  сырья  с  катализатором,  минимальный

"проскок" сырья, а в сложных процессах - оптимальную селективность. Кроме того, следует иметь ввиду, что после стадии синтеза следует стадия разделения, (например, конденсации) и, чем больше объемная скорость, тем больше останется неконденсированного продукта.

В экзотермических процессах увеличение объемной скорости должно быть согласовано с количеством выделяющегося тепла ,с целью организации автотермического  процесса, при котором  количество теплоты, отводимое из системы, должно быть  равно количеству теплоты, выделяющегoся в  результате реакции. 

При определенной температуре количество отводимой теплоты постоянно; количество же выделяющейся теплоты возрастает пpопорционально пpоизводительности  аппарата.  При  слишком  малой пpоизводительности количество отводимой теплоты может быть выше количества выделяемой теплоты, в результате чего система

будет охлаждаться. Если пpоизводительность слишком высока, то количество отводимой теплоты может быть меньше выделяющейся, что приведет к перегpеву системы.

Возврат непрореагировавшиx исходных веществ также применяется и в случае использования избытка реагента. Типичными примерами являются процессы получения хлорбензола и этилбензола, которые проводятся в избытке бензола как вешества, не участвующего в побочных реакциях. В случае этилбензола в процесс

возвращается не только исходный продукт - бензол,  но и получаемые побочные продукты - полиалкилбензолы с целью их превращения в целевой продукт - алкилбензол.

Помимо непрореагировавших исходных веществ, в ХТС могут организовываться рециклы и по конечным веществам. В основном, это вызывается необходимостью снижения интeнсивности процесса, например, в сильно экзотермических реакциях ,для  

предотвращения неуправляемого тепловыделения. Например, при сжигании серы рецикл  организуется  по  полученному  газу:  после  котла­утилизатора часть потока возвращается в печь для сжигания серы, что приводит к снижению скорости реакции и регулирует выделение тепла.

Аналогично организуются рециклы по серной кислоте в абсорбционном отделении в производстве серной кислоты с целью регулирования скорости тепловыделения.

В автокатaлитических  процессах  конечные  продукты  возвращаются для интенсификации начальных стадий. Например, кислота, образующаяся при гидролизе эфиров, катализирует процесс гидролиза.

Помимо  химических  процессов,  рециркуляция  продуктов осуществляется в физических процессах, что позволяет регулировать  качество  продукта.  При кристаллизации  твердых  веществ возвращается часть кристализата для  получения более крупных кристаллов; после дробления и рассева твердых продуктов мелкая

фракция  возвращается  в  процесс  на  cтaдию грануляции порошкообразных материалов, а крупная снова на дробление и т.д 

Большое количество рециркуляционных включений организуется в хтс по промежуточным веществам: катализаторам (см. каталитический крекинг),  растворителям,  экстрагентам.  для  направленного действия хТс в систему вводятся кросс-агенты: например, аммиак в технологии соды по методу Сольве. Эти вещества также должны возвращаться в процесс.

Особенно следует отметить необходимость организации рециклов по воде в ХТС с целью создания ;замкнутых систем водооборота, что позволяет решить  ряд экономических и экологических проблем.

Рециpкуляция энергетических потоков позволяет организовать  современные  многотоннажные  хтс  как  химико-энергетические  системы,  производящие,  наряду  с  химическим продуктом, энергию, которая может использоваться в самом процессе или передаваться на сторону.  К таким системам относятся современные производства аммиака, метанола, азотной и серной кислот и Т. Д.

Таким образом, применение рециклов в хтс позволяет

увеличит степень использования сырья;

повысить качество продуктов;

 создавать  благоприятные условия функционирования хтс;

повышать экологическую безопасность  производства;

 в  некоторых случаях экономить энергию.

В лекции "7. Организационные структуры управления проектами" также много полезной информации.

При организации замкнутых ХТС следует иметь в  виду наличие примесей (В том числе и инертных), которые могут накапливаться в  подобных системах. 

Присутствие  инертных  примесей  понижает  парциальное

давление (концентрацию) реагируюших веществ, что приводит к уменьшению выхода продукта (для  процессов,  протекающих с уменьшением числа молей) и  снижает интенсивность процесса.

Кроме того,  при организации рецикла примеси накапливаются в системе,  что  нарушает стационарность  процесса.  Поэтому они должны непрерывно выводиться из системы. Для этой цели, при участии газов в качестве реагирующих веществ, применяется отдувка - отвод части потока из системы. Образующиеся продувочные газы  должны утилизироваться

Следовательно, объем продувки и соответствующие ему потери сырья тем больше, чем больше примесей в исходном сырье.

В условиях растворения (распределения) примесей в продукте и побочных веществах в  балансе инертных примесей необходимоучитывать и эти величины.