книги / Физико-химические основы технологических процессов

ре, а в другом подобном аппарате протекает регенерация. Затем от­ работанный фильтр отключают, и поток подается на фильтр с реге­ нерированным сорбентом. Далее процесс повторяется.

Рис. 4.3. Параллельная связь в ХТС

4. Обводная связь или байпас (рис. 4.4, а, б). Схема используется для управления процессом. Часть потока, не поступая в аппарат, по­ дается на выход из аппарата. Например, такая схема применяется для поддержания необходимой температуры при эксплуатации теплооб­ менной аппаратуры. Величину байпаса ф) определяют по соотноше­ нию Р = V^/VQ. Различают простой и сложный байпас.

Рис. 4.4. Обводная простая (а) и сложная (б) связь в ХТС

5. Обратная связь ши рецикл. Часть потока после одного из ап­ паратов возвращается в предыдущий. Схема применяется для более полного использования сырья или вспомогательных материалов. На­ пример, непрореагировавшие компоненты после отделения основно­ го продукта повторно возвращаются на стадию синтеза.

Количественно величину рецикла характеризуют кратностью ре­ циркуляции -К= V/VQи отношением рециркуляции - R=Vp/V=(K-l)/K.

Рис. 4.5. Рециркуляционная связь в ХТС: а - рецикл полный; б - рецикл фракционный

Пример расчета схемы реакторов с рециклом. Процесс описы­ вается реакцией типа А —►2В и проводится в установке, состоящей из смесителя (С), реактора ИВ и делительного устройства (Д), где проис­ ходит отделение продукта В и возвращение непрореагировавшей час­ ти компонента А в производство (смеситель С) (рис. 4.6).

С°А,У° С°А,У°

Са рещ ^рец

Рис. 4.6. Схема реакторов с рециклом

Константа скорости реакции - 0,025 с"1 Концентрация вещества А на выходе из реактора - 0,36 моль/л, степень превращения - 0,4. Объем реактора - 75 л. Концентрация вещества А в исходном пото­ ке - 0,8 моль/л. Определить производительность по продукту В и объем рецикла.

Решение. Потоки ХТС - 1, 2, 3, 4, 5. Уравнение материального

Уравнения материального баланса по веществу А для смесителя, РИВ и делителя:

VrCAt+ ¥4-0 *4 = VrCu,

VI 'C A2 ~ Уз'Саз + Уг С аз'Ха ,

Уз'Саз “ У4'Са4 =У2‘Сл2(1 ~ * а )-

Материальный баланс по веществу В:

Уг Са2-ха= 2 У уСвъ= 2У 5Съ5-

Материальный баланс по потокам:

Vx+ У4=У2, У2=Уз, Уз=У4+У5-

Базовое расчетное уравнение первого порядка для РИВ:

Концентрация вещества А на входе в РИВ (после смесителя): Сд2= Саз/( 1 - Та) = 0,36/(1-0,4) = 0,6 (моль/л),

К4 СА4=К2Са2(1 ~ ха) = 3,7 0,6-(1-0,4)=1,33 (моль/с),

V\'CA]—V'2'Cfij —К4‘Са4—3,7'0,6 —1,33 = 0,89 (моль/с),

К,- 0,89/ 0,8=1,11 (л/с).

Объем рецикла

VA=V2- К, = 3,7-1,11= 2,59 (л/с). Производительность по продукту В

NB= K5*(7g5= 2K2*(7A2-^A ~ 2*3,7*0,6*0,4 =1,77 (моль/с).

2. Модели химико-технологической системы

Для исследования ХТС целесообразно преДставить ее в виде моде­ ли. Используются описательные и графический (схемы) модели ХТС.

К описательным моделям можно отнес"Си химическую модель, представляющую собой химические реакции, на основе которых про­ исходит переработка сырья в продукт, операционную модель, описы­ вающую стадии и операции переработки сырь» и математические мо­ дели - математические уравнения и формулы для расчета и анализа ХТС. К графическим моделям можно отнести функциональные, тех­ нологические, структурные и др.

Рассмотрим описательные и графические модели на примере описания и анализа технологии получения серной кислоты из серно­ го колчедана.

Химическая модель.

Основные реакции:

• Обжиг серного колчедана:

2FeS2 = 2FeS + S2 - термическая диссоциация серного колчедана; S2 + 202 = 2S02 - газофазное горение серы;

4FeS + 702 = 2Fe20 3 + 4S02 - горение пирротина. Суммарная реакция: 4FeS2 + 1Ю2 = 2Fe20 3 + 8S02.

• каталитическое окисление оксида серы S02 + Уг 0 2 = S03;

• абсорбция триоксида серы S03 + Н20 = H2SO,,.

Операционная модель.

Основные реакции:

•Подготовка сырья.

•Обжиг колчедана FeS2: 4FeS2 + 1Ю2 = 2Fe20 3 + 8S02.

•Очистка и промывка газа после обжига.

•Контактное окисление S02 в S03. Процесс экзотермический. Процесс ведуг с избытком воздуха: S02 -*• Уг 0 2 = S03. В качестве катализатора используют ванадиевую контактную массу, содержа­ щую в среднем 7 % V20 5; активаторами являются оксиды щелочных металлов, обычно применяют активатор К20; носителем катализато-

ра служат пористые алюмосиликаты. В настоящее время катализа­ тор применяется в виде соединений 8Ю2, калия и/или цезия и вана­ дия в различных пропорциях.

• Абсорбция S03: S03+ Н20 = H2S04. Процесс экзотермический. Функциональная модель строится на основе химической и опе­

рационной моделей и представляет собой схематическое изображе­ ние основных стадий ХП и их взаимосвязи.

Функциональная модель производства серной кислоты из колче­

Рис. 4.7. Функциональная модель производства серной кислоты из колчедана: 1 - обжиг колчедана; 2 - очистка и промывка обжигового газа; 3 - окисление S 02; 4 - абсорбция SO3

Цифры на схеме соответствуют стадиям ХП. Представленный процесс протекает последовательно. Схема дает общее представле­ ние о функционировании ХП и создает базу для разработки аппара­ турного оформления ХТС.

Технологическая модель (схема) показывает элементы (аппара­ ты, агрегаты) ХТС и их соединение. Каждый аппарат имеет обще­ принятое изображение, соответствующее его форме и внешнему ви­ ду. Связи ХТС изображаются стрелками. Технологическая схема по­ лучения серной кислоты представлена на рис. 4.8. Процесс обжига колчедана проводится при температуре 1120 -1170 К. Пылеобразный колчедан через тарельчатый питатель I подается в реактор - печь КС с кипящим (псевдоожиженным) слоем 2.

Рис. 4.8. Технологическая схема получения серной кислоты из серного колчедана:

1 - тарельчатый питатель; 2 - печь кипящего слоя; 3 - котел-утилизатор; 4 - циклон; 5 - электрофильтр; 6 ,7 - промывные башни; 8 - мокрый электрофильтр; 9 - сушильная башня; 1 0 - слои катализатора;

11 - промежуточные теплообменники; 1 2 - смеситель; 1 3 - внешний теплообменник; ХГ - холодный газ; 14 - олеумный абсорбер; 15 - моногидратный абсорбер; 1 6 - холодильники;

17 - сборники кислоты

Для управления тепловым режимом и рационального использова­ ния теплоты реакции применяется котел-утилизатор 3. Очистка обжи­ гового газа от мелковзвешенных частиц осуществляется в циклоне 4 и электрофильтре 5. Газы обжига серного колчедана содержа! влагу, ди- и триоксид серы, серу, соединения фтора, мышьяка и других эле­ ментов. Эти примеси приводят к коррозии основного оборудования, что требует их удаления в промывном отделении. В первой промывной башне 6 обжиговый газ охлаждается от 570-770 К до 330-340 К и улавливается оставшаяся пыль. Для поглощения химических приме­ сей газ орошается 50-60 % серной кислотой. Обеспыленный газ про­ мывается дополнигельно 15-20 % серной кислотой от соединений мышьяка, фтора и селена в башне с насадкой 7. При этом возможно образование сернокислотного тумана, который удаляется в мокром электрофильтре 8. Окончательное удаление остатков влаги осуществ­ ляется в сушильной башне Р, орошаемой концентрированной серной кислотой. Очищенный газ поступает во внешний теплообменник 13 и затем в многослойный (5-полочный) контактный аппарат, который содержит слои катализатора 10 и внугренние промежуточные тепло­ обменники 11. Для поддержания оптимальной температуры и степени превращения S02 необходим промежуточный отвод теплоты (см. мо­ дуль 2), что осуществляется с использованием внутренних теплооб­ менников.

Наиболее полно S03 поглощается 98,3 % серной кислотой (азео­ тропная точка). При использовании кислоты меньшей концентрации образуются трудноулавливаемые пары серной кислоты.

Выходящий из реактора газ, содержащий S03, последовательно проходит олеумный абсорбер 14 и моногидратный абсорбер 15. Вода противотоком подается в моногидратный абсорбер. Для поддержания необходимой концентрации кислоты в абсорбере организована ее циркуляция. Выделяемая теплота отводится в холодильнике 16. Для отделения сернокислотного тумана используется брызгоотделитель

18.

Структурная модель в отличие от технологической схемы включа­ ет в себя элементы ХТС в виде простых геометрических фигур. При этом изображение даже сложной ХТС становится наглядным (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Структурная модель получения серной кислоты из колчедана (см. рис. 4.8)

Математическая модель. Рассмотренные выше модели дают общее представление о ХТС. Для количественного описания ХТС используют математические модели процесса в каждом элементе, уз­ ле ХТС. При создании математической модели устанавливается связь между параметрами выходных и входных потоков. Основные показа­ тели потока: концентрация, температура, давление, теплосодержание и др. Создаются системы уравнений, решение которых возможно с помощью ПЭВМ.

3. Анализ химико-технологической системы

Состояние ХТС определяется параметрами потоков. К ним отно­ сятся:

•параметры состояния: расход, фазовый состав, химический со­ став, Г, Ру АН;

•параметры свойств: теплоемкость, плотность, вязкость и др. Состояние элемента (аппарата, реактора) определяется данными,

от которых зависит изменение параметров потока в элементе. Это могут быть:

•регулирующие воздействия, например, температура хладоагента или количество пара, подающегося в турбину и др.;

•изменяющиеся в процессе эксплуатации характеристики ап­ парата.

Их суммарное количество представляет собой затраты энергии. Энергия выводится из системы с потоками продуктов £?прод> отходов Qovx, с энергетическими потоками 0 ЭШзатрачивается с эндотермическими ре­ акциями Q3HJ, и теряется в окружающей среде g noT.

Коэффициент полезного действия можно представить как отно­ шение полезно затраченной теплоты к суммарному ее количеству в ХТС. Под полезно затраченной теплотой в этом случае понимается теплота полезно затраченная на технологические цели для проведе­ ния химических и физических процессов и теплота экзотермических реакций, утилизированная в котлах-утилизаторах.

4. Определение экономической эффективности ХТС с помощью расчета приведенных затрат, себестоимости, рентабельности ХТС.

Для технологических процессов снижение себестоимости про­ дукции возможно при использовании более дешевых видов сырья и энергии, более полного использования ресурсов за счет повышения степени превращения и селективности процесса, их рекуперации. Со­ кращение капитальных затрат возможно в результате использования более производительного оборудования.

4. Создание химического производства как химико-технологической системы

4.1. Основные задачи синтеза химико-технологической системы

Синтез ХТС или разработка химического производства состоит в определении основных технологических операций и последова­ тельности их проведения, выборе аппаратов и реакторов определении основных технологических параметров отдельных аппаратов и системы в целом.

Рассмотрим основные подходы к синтезу ХТС.

Постановка задачи. Исходные данные:

•вид и качество продукта,

•вид, состав и состояние исходных веществ;

•основные стадии ХТП;

•возможные аппаратурные решения.