охт (6sem) / методички митхт / хтс

увеличению выхода продукта, так и к снижению селективности

процесса.

Парцллельная связь - поток распределяется по двум или не··

скольким параллельным аппаратам (или группам аппаратов). К

лому типу связей относятся все возможные тилы разветвленных

потоков: разветвление в начале процесса (получение ПРОДУКllИИ из

нескольких видов сырья); разветвление в конце процесса (llерера­

ботка комплексного сырья с раздельным получением полезного

продукта); разветвление в середине системы (например, резервиро­

вание мощностей).

Технологические звенья, составляющие параГUIельную СТРУК­

туру, имеют объединенные входы и выходы (рис. 6.3). При этом

общий вход равен сумме отдельных цепочек, выход - сумме выхо-

дов:

Х1 1_~

хо

X2~ 2

У1 .-

УО

У2

Рис. 6.3. Параллельная связь.

43

www.mitht.ru/e-library

l1араллсJП)Ная связь применяется для повышения производи­

тельности и мощности ХТС, д,lЯ повышения ее надежности и l'иб-

кости.

Перекрестная свюь представляет собой совокупность двух пересекающи:хся однонаправленных потоков (рис. 6.4).

Примером ее может служить серия экстракUИOlПlых ячеек, ко­

гда o.JНa фаза проходит через ячейки l'!Оследовательно, 41 вторая

ВВО1Ulтся не одним потоком, а потоком, соответствующим числу

ступеней (процесс разделения редкоземельных элементов экстрак­

цией органическими растворителями из водных растворов).

Органическая фаза

2-1--

Рис. 6.4. Перекрестная свял в ЭКС1ракционной системе.

Примером ее м()жет сЛ)жить серр.я экстракционных ячеек, ко­

гда ОдНа фаза прохоДfП через ячейки последовательно, а вторая

вводится не одр.им потоком, а потоком, соответствующим числу

ступеней (процесс разделения редкоземельных элементов экстрак­

цией органич~ски:ми растворителями из водных растворов).

44

www.mitht.ru/e-library

к nерекресmnым связям относят прием, используемый ДГIЯ

утилизации тепла пугем нагрева в теплообменнике входящего в ре­

актор потока отходящими газами (рис. 6.5.).

Иногда эту систему относят к одноконтурным рециклам.

Последовательное, параллельное, бaйIIасное и перекрестное

соединение элементов относятся к «разомкнутым» системам (<<с от­

крытой цепью»). Технологические потоки проходят через moбой

элемент системы один раз.

1

Рис. 6.5. Система: реактор (l)-теплообменню< (2).

Иногда эту систему относят к одноконтурным реIUП<Лам.

Последовareльное, параллелъное, бaйIIасное и перекрестное

соединение элементов ОТНОСЯТСЯ к «разомкнутым» системам (<<с от­

крытой цепью»). Технологические потоки проходят через moбой

элемент системы один раз.

Наличие обратной связи делает систему «зaмкнyroй», т. к.

элемент охваченный обратной связью обраlУет замкнугую подсис­

тему (KOlffyp) ХТС.

45

www.mitht.ru/e-library

6.2. Рециркуляция в хтс.

Обратная связь (рецuкл) характеризуется наличием обратно­

го потока, связывающего выход одною из последующих элементов

с входом одного из предыдущих. Рецикл может быть между эле­

ментами, подсистемами, вокруг одного элемента. В глобальном ва­

рианте существуют рециклы и между системами разJlИ1Пiой слож-

ности.

Элементы, связанные между собой обратным технологиче­

ским потоком, образуют замкнутую (или коmypную) подсистему ХТС (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Структура срециклом: х., - ВХОД В систему; УО- выход

из системы.

Потоки, входящие в замкнyryю систему или выходящие из

нее, называются прямыми потоками (Хо,Уо).Они определяют выход продукта и расходные коэффициенты по сырью. ВнyI])еЩIИЙ тех­

нологический поток, соединяющий между собой элементы систе­

мы, направление которого совпадает с направлением прямых тех­

нологических ПО10КОВ является главным технологИческим потоком

(X1,XZ, .• .xj ,Yl,Y2""Y), ГлавНЫЙ и прямой технологические потоки

образуют основной технологический поток системы, ОТ расхода ко­

торого зависит качество функционирования замКlJУТОЙ хтс.

46

www.mitht.ru/e-library

Внутренний технологический поток замкнутой подсистемы,

направление которого противоположно направ.lеншо основного по­

тока, наlывается обратным потоком или рециклом (XR). На входе )(

нему добавляется входной прямой поток, в котором столько свежих

исходных компонентов, сколько их затрачено на образование про­

дукта за один цикл (с учетом различных потерь).

Рециклы классифицируются по структуре и составу потоков.

В зависимости от струюуры замкнутых подсистем различают про­

стые и сопряженные рециклы. В случае простого рсцикла возврат

осуществляется в одну точку (рис. 6.7) или образуется в разных

точках подсистемы.

Рис. 6.7. Сопряженный рецикл.

По составу рецикл может быть nолныJн' если состав прямого

выходного ~ обратного потока совпадают (см. рецикл конечных

продуктов), или фракционным, когда возвращается поток, по соста­

ву отличный от прямого потока.

В качестве примера рассмотрим процесс получения додещи­

бензола.

47

www.mitht.ru/e-library

Процесс получения додецилбензола, содержит две основные

подсистемы : полимеризация ПРОllилена с образованием додецена

и аЛКИJlирование бензола до додецилбензола в соотве,ствии со

следующей химической схемой:

Рис. 6.8. Химическая схема получения додецилбеНЗОJl<1..

Пропилен ПОJшмеризуется не полностью на первой стадии и'

образуется в результате деполимеризации додецена на второй

стадик Реuикл по пропилену - сопряженный; реuикл по непрореа­ гировавшему бензолу - простой,

для характеристики обратных связей используют два пока­

зателя: степень реuиркуляuии R и коэффиuиент реuиpкуляuии Кя.

Степень рецuркуляцuu показывает, какая часть главного потока

возвращается в процесс:

R= XR = XR ,

X 1•..n Y1.. n

48

www.mitht.ru/e-library

где X1... n И Y1 .. n - обозначение количества прямого потока через

вход в moбой последовательный элемент замкнутой подсистемы

(Х) или выход из него (У).

Коэффициент рециркуляции (кратность рециркуляцuu) KR по­

казывает, во сколько раз главный поток больше ПРЯМОI"О:

Поскольку X1... n = Хо+ XR = Y1 ...n, связь между показателями

циркуляционного ВКJDOч~ния будет:

	1		1
	R=l --	KR
			= -- .
	КR '		l-R

эти показатели могут быть выражены через количество по­

тока, число молей компонента в потоке, степень превращения сы­

рья и степень вьщеления продукта (если продукт выделяется не

полностью на стадии разделения).

В ХТС циркулировать могут исходные, конечны e и проме­

жуточны e вещества, а тaIO!Ce вода (охлаждающие или нагреваю­

щие агенты).

Циркуляция исходных веществ, связана с неполной степе­

нью их превращения. После въщеления продуктов исходные ве­

щества вновь возвращаются в процесс. Основными причинами

49

www.mitht.ru/e-library

неполноты использования сырья ЯВJlЯЮТС~: наличие термодина­

мических ограничений, малая скорость протекания основного

взаимодействия, ограничение времени КОlПЗКтирования и избыroк

реагента.

Тюшчным примером неполноты использования сырья из-за

термодинамических ограничений является сингез аммиака. Ос-

новные зависимocm, показьmающие невозможность смещения

реакции сшrreзa, приведены на рис. 6.9.

32,0 98,1 Время

Давление, МПа

Рис. 6.9. Зависимос1Ъ выхода аммиака от технологических пара­

метров процесса.

Реакция сmпeза аммиака обратимая, экзотермическая, про­ текает с увеличением объема. Поэтому ДJlЯ ее смещения в сторону

образования продукта необходимо ПОНЮК81Ъ температуру и повы­

шать давление. Но при низкой температуре скорость реакции ни­

чтожно мзла из-за большой величины энергии активации (Е). для

снижения Е вводят катализатор - активированное железо, который

50

www.mitht.ru/e-library

активен при температуре около 5000с. 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 про­

должительность процесса (точка «(11» рис. 6.9). Поэтому, его про­

водят вдали от состояния равновесия, применяя большие объем­

ные скорости (малое время контактирования) (точка «6» рис. 6.9).

В результате интенсивность (производительность) процесса воз­ растает. В табтще 6.1 приведены результатыI ВЛИЯНИЯ повышения объемной скорости на шrreнсивноcrь катализатора.

Табтща 6.1.

Влияние объемной скорости на интенсивность процесса

синтеза аммиака

Объемная скорость	Мольная доля -	Интенснвность 1,
W, м3/м3кат.час	аммиака, а	м3 NНз/м3кат.час
15000	0.216	3240
30000	0.177	3510
45000	0.152	6840

1= a·W.

Как видно из ЭТJIX данных, увеJШЧение объемной скорости в

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

Производителъностъ при этом возрастает в 2,1 раза. Поэтому уве-

51

www.mitht.ru/e-library

личеиие объемиой скорости - способ ицтеисификации цирку­

ляционных процессов.

Выбор объемной скорости должен обеспечmъ определенное

время контактирования сырья с катализатором, минимальный

"проскок" сырья, а в сложных процессах - оптимальную селектив­

ность. Кроме того, следует иметь ввиду, что после стадии синтеза

следует стадия разделения, (например, конденсации) и, чем боль­

ше объемная скорость, тем больше останется неконденсированно­

го продукта.

В экзотермических процессах увеличеЮlе объемной скоро­

сти должно бьrrь согласовано с количесТвом выдляюlцtroсяя теп­

ла с целью организации автотермичеСI<ОГО процесса, при котором

КОЛJiЧество теплоты, отводимое из системы, должно бьпъ равно

количеству теплоты, выделяющеroся в результате реакции. Пр":

определешюй температуре количество отводимой теплоты посто­

янно; количество же выделяющейся теплоты возрастает npопор­

ционалы ю npоюводительности аппарата. При слшnком малой

npоизводкгельноС1И количество отводимой теПЛ<Yq>I может быть

выше количества выделяемой теплоты, в результате чего система

будет охлаждаться. Если npоизводительность СJUШlI<ОМ высока, то

количество отводимой теплоты может быть меньше выделяющей­

ся, что приведет к переrpеву системы.

Возврат непрореагировавmиx исходных веществ также при­

меняется и в случае использования юбытка реагента. ТИllИЧными

примерами являются проп.ессы получения хлорбензола и этилбен­

зола, которые проводятся в юбытке бензола как вешества, не уча-

52

www.mitht.ru/e-library