охт (6sem) / методички митхт / хтс

ствующего в побочных реакциях. В случае этилбеНЗО.1а в процесс

возвращается не только исходный продукт - бензол, но и полу­

чаемые побочные продукты - полиалкилбензолы с целью их пре­

вращения в целевой продукт - алкилбензол.

Помимо непрореагировавших исходных веществ, в ХТС мо­

ryr организовываться рециклы и по конечным веществам. В ос­

новном, это вызывается необходимостью снижения инreнсивно­

сти процесса, например, в сильно экзотермических реaкu.иях ,lU1я

предотвращения неуправляемого тепловыделения. Например, при

сжигании серы

(-362,4 кДж)

рецикл организуется по полученному газу: после котла­ утилизатора часть потока возвращается в печь для сжигания серы,

что приводит К сниженmo скорости реакции и регулирует выделе­ ниетепла.

Аналогично организуются рециклы по серной кислоте в аб­

сорбционном отделении в производстве_.серноЙ кислоты с целью

регулирования скорости тепловыделения.

В автокатaлmических процессах конечные продукты воз­

вращаются для интенсификации начальных стадий. Например, ки­

слота, образующаяся при гидролизе эфиров, катализирует процесс

гидролиза.

Помимо химических процессов, рециркуляция продуктов осуществляется в физических процессах, что позволяет регулиро­ вать качество продукта. При кристаллизации твердьЕХ веществ

возвращается часть криста.11Лизата дlJя получения более крупных

53

www.mitht.ru/e-library

кристаллов; после дробления и рассева твердых продуктов мелкая

фракция возвращается в процесс на cтaдmo грануляции

.порошкообразных материалов, а крупная снова на дробление и т.

Д. Большое количество рециркуляционных включений органи­ зуется в хте по промежуточным веществам: катализаторам (см.

каталитический крекинг), растворителям, экстрагентам. для на­

правленного действия хгс в систему/вводятся кросс-агенгы: на­

пример, амМИaJ< в технологии соды по методу Сольве. Эти веще­

ства также должны возвращаться в процесс.

Особенно следует отметить необходимость организации ре­

циклов по воде в ХТС с целью создания ;JaMKHYТb~~ ~lIcтeM водо­

оборота, что позволяет реlll'ИТЬ ряд экономических и экологиче­

ских проблем.

Реrщpкуляция энергетических потоков позволяет организо­

вать современные многотоннажные хте как химико-'

энергетические системы, производящие, наряду с химическим

продуктом, энерппо, которая может использоваться в самом про­

цессе или передаваться на сторону. К таким системам относятся

современные производства амМИaJ<а, метанола, азОllЮЙ и серной

кислот и Т. Д.

Таким образом, применение рециклов в хте позволяет уве-

3ШЧИТЬ степень использования сырья; повыlать качество продук­

тов; создавать благоприятные условия функционирования хтс;

повышать экологическую безопасность производства; в некото­

рых случаях экономить энергию.

54

www.mitht.ru/e-library

При организации замкнутых ХТС следует иметь в виду на­

личие примесей (В том числе и инертных), которые MOryr накап­

ливаться в подобных системах. Например, при синтезе метанола

синтез-газ получается конверсией метана:

Cf-4 + Н2О ::::: СО + 3Н2,	tlH=206 кДж
СО + 2Н2 := СНзОН.	дН =-103,33 кДж

Исходный метан конвертируется на 99,5%, а оставшийся по­ ступает в систему получения метанола. В производстве метанола

метан не принимает участия в химических превращениях и явля­

ется инерrnой примеси.

Кроме того, метан может образовываться в результате по­

бочной реакции:
СО + 3Н2 = СН4 + Н2О.	дН:= -209,4 кДж

Присутствие инертных примесей понижает парuиальнос

давление (KoHцeHТPaцmo) реагируюших веществ, что приводит К

уменьшению выхода продукта (для процессов, протекающих с

уменьшением числа молей) и снижает шпенсивность процесса.

Кроме :юго, при организации реЩП<Ла примеси накапливаются в системе, что нарушает стационарность процесса. Поэтому они доткны непрерывно вьmодиться из системы. для этой цели, при

участии газов в качестве реагирующих веществ, применяется ОТ­

ДУ8ка - вьтод части потока из системы. Образующиеся проду-

55

www.mitht.ru/e-library

вочные газы должны утилизироваться. На рис. 6.10 приведена

схема организации вывода примесеЙ.

Блоки 1, 2 и 3 соответствуют ПОдГотовке сырья, химическо­

му превращеншо и разделеншо продуктов; со и С/..- КОIЩентраWiЯ

инертных примесей в исходном и продувочном потоках соответ­

ственно; Vo, Vn, VR - объёмы потоков.

Количество посrynающих прим~сей должно быть равно ко­

личеству удаляемых примесей: Vo'Cof = Vn·Cnl . Orсюда объем про-

дувки:

V =Уа *C~

n C~

					Продувочные
y~ 1 11---.~·I					газы
		2
						Продукт
cыpь~
				Побочные продукты

Рис. 6.10. ВЫВОД примесей в системах с реWIКЛОМ.

Следовательно, объем продувки и соответствующие ему по­

тери сырья тем больше, чем больше прнмесе1l в исходном сырье.

В условиях растворения (распределения) примесей в продукте и

побочных веществах в балансе инертных примесей необхо)щмо

учитывть и эти величины.

56

www.mitht.ru/e-library

Глава 7. НАПРАВЛЕНИЕ ПОТОКОВ.

Структурное разнообразие ХТС определяется не только со­

вокупностью основных технологических связей, но и направлени­

ем потоков. Направление потоков может быть прямоточным (по­

токи перемещаются в одном направлении) или противоточным

(потоки перемещаются в противоположном направлении).

Противоток веществ осуществляется в гетерогенных систе­

мах, когда фазы значительно отличаются друг от друга по плотно­

сти, что способствует их быстрому разделению на последующих

стадиях. Он широко npименяется при обжиге руд; выщелачивании

ценного компонента из твердых веществ~ при абсорбции газа

жидкостью; промывке осадIЮВ и Т.д. На рис. 7.1. приведена схема

противотока и распределения КOlщеmpaI1ИЙ по геометрическому

размеру аппарата (длине, высоте и Т. п.).

Рис. 7.1. Схема противотока (а) и распределения конценгра­ ЦИЙ по длине аппарата 1 (в): Ф, и Ф2 - начальное

(<<н») и конечное (<<ю» состояния фаз; С\ и С2 - с()­

ответствующие им концентрации.

57

www.mitht.ru/e-library

Свежая фаза Ф2 встречается с Обедне",ной по целевому КОМ­

поненту фазой Ф•. Идет эффективное извлечение ценного компо­

нента, в результате чего его в фазе Ф. остается очень немного, т. е.

увеличивается степень использования сырья и экологическая чис­

тота потока Ф•.

На протяжении всего процесса сохраняется ДOBOJlЪHO боль­

шая движущая сила процесса массопередачи дС = С - С* (С, С* -

текущая и равновесная концентрации извлекаемого компонента).

Эro способствует интенсивной массопередаче и, соответственно,

большей глубине протекания взаимодействия.

При прямотоке (рис. 7.2.) свежая фаза - Ф2 встрё1.fЗe'FC8 с ис­

ходной насыщенной фазой Ф•. Начииается интенсивное взаимо­

дейqвие: Ф. обедняется целевым компонентом, Ф2 - обогащается.

Затем движущая сила процесса 6.С резко падает, что ведет к

уменьшению степени использования сырья. Однако на первом

этапе появляется возможность получения потока высококонцен­

трированного по целевому компоненту,

				§
---........			К c;j
			Сг~
-----..			сК	:::
			1	g
c~				:::
				о
				:х:
.---- t ----.

Рис. 7.2. Схема прямотока (обозначения - аналогично рис.

7.1.)

58

www.mitht.ru/e-library

Аналогично профиmo изменеlШЯ конuентраций, меняется и

профиль изменения темпераryр в теплообменных процессзх. Это

привоДlff 1< поддержанию относительно большой движущей силы

процесса теплопередачи и, соответствешю, высокой e~ интенсив­

ности В противоточных сиcreмах.

При прямоточном движении обменивающихея теплом пото­

КОВ возможно, В конечном счете, достижение такой температуры,

которая ПОЛУЧИJlась бы при их смешении. Она зависит от расхода,

температуры и средней теплоемкости потока. При противотоке

появляется возможность достижения НЗIpeваемым потоком тем­

пературы, близкой к началъной темпераrypе нагревающего 110т0-

ка.

Помимо процессов массо- и теплопередачи при KOнraктe ПО­

ТОКОВ В гетерогеJПlЫХ системах проводят и химические взаимо­

действия.

На рис. 7.3. приведена схема npomвотока для реакции А+В

- R+S при creХИОМe-Ipической подаче ре!1ГСНТОВ.

Рис. 7.3. Схема химической реакции в противотоке: ХА и ХВ -

степени превращения компонеJПOВ А иВ.

59

www.mitht.ru/e-library

Реакция в противотоке особенно Bыгo~a при высоких сте­

пенях превращения, достигаемых в системе. При этом скорость

химической реакции в противотоке, зависит от конечной степени

превращения исходных веществ, а в прямотоке - нет. На рис.7.4.

приведена зависимость относительного изменения этих скоростей

при коне'ПIОЙ степени превращения для противотока 0,99. Мак-

симальная скорость реакции в начальн:ыIй момент при

. прямо-

токе принята за 1.

~::s: 1,0

~~

~~ 0,8

:;,~.Q~06,

~ ~ 0,4

5f0,2

.0.2 0,4 0.6 .0.8 1,0

Степень превращения

Рис. 7.4. Относительные значения скорости реакции в

зависимости от направления потоков: а - пря­

моток; б - противоток.

в случае прямотока скорость реакции постепенно снижается

до момента достижения коне'ПIОЙ степени превращения.

При противотоке скорость реакции достигает максимального

значения в средней части реактора, поскольку, чем больше рас­

стояние от цетра реактора в направлении входа или выхода, тем

60

www.mitht.ru/e-library

ниже концентрация ОДНОГО из компонентов, которая и оказъшает

решающее влияние.

Таким образом, преимуществами противотока являются:

-увеличение, степени использования сырья;

-большая интенсивность процесса, т. е. высокие скорости

массопередачи и химического взаимодействия;

-улучшение условий теплообмена.

Кего недостаткам следует отнести повышенное сопропmле­

ние фаз, ПРИВОдЯщее к возрастанию энерroзатрат, а также воз­

можность интенсификации побочных процессов.

Основные недостатки противотока связаны с его достоинст­

вами. Так, высокая интенсивность теплопередачи при сушке мо­

жет привести I< разложеншо продукта (например, борную кислоту

- НзВОз - сушат в прямотоке, чтобы избежать её разложения до

<щ						Ф2			Фf
				('4"-1						•
							I
			1				I	2
							I
						~~
Ф~			j				ФI
+ -

Рис. 7.5. Сочетание внепrnего противотока и внутреннего

прямотока.

61

www.mitht.ru/e-library

борного анr·ИДРИJЩ). При высокой дисперсности фаз возможен ин­

тенсивный унос частlЩ материала. При переводе в жидкую фазУ

солей возможно вторичное шламообразование за счет увеличения

Шlтенси:вности высали:вания.

В подобных случаях стараются организовать направления

потоков, используя в системе в целом противоток, а в отдельных

аппаратах - ПРЯМОТОI< (рис. 7.5).

При этом появляется возможность использовать преимуще­

ства прямотока и противотока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В дашюм методическом пособии Вы ознакомились с элемен-:

тами системного подхода к разработке и анализу ХТС фактически только на уровне понятий. Что с ним дальше делать? И следует ли вuобще что-то делать?

На основе изложенного Вы, например, сможете заняться на

качественном уровне вопросами анализа ситуаций.

Возьмите процесс синтеза аммиака с производством азото­ ВОДОРОДНОЙ смеси паровозДУШной конверсией природного газа.

Проведите декомпозицmo ЭТОЙ системы и OT~eтьтe на следующие

вопросы:

- как отразятся сбои в системе сероочистки природного тех­

нологического газа на функционировании подсистемы синтеза

аммиака?

62

www.mitht.ru/e-library