- •Содержание
- •1. Введение.
- •1.1 Общие закономерности химических процессов. Классификация процессов общей химико-технологических процессов
- •Требования к химическим производствам
- •Компоненты химического производства
- •Разделение на две твердые фазы:
- •Разделение жидкости и твердого вещества:
- •1.2 Промышленный катализ
- •Основные положения теории катализа.
- •1.3. Сырьевая база химической промышленности.
- •Классификация сырья
- •Характеристика минерального сырья
- •Химическое сырье
- •Растительное и животное сырье
- •Характеристика разработок минерального сырья
- •Качество сырья и методы его обработки
- •Способы сортировки:
- •Способы обогащения:
- •Сырьевая база химических производств
- •1.4 Энергетическая база химических производств
- •1.5 Критерии оценки эффективности производства
- •1.5.1. Интегральные уравнения баланса материальных потоков в технологических процессах. Понятие о расходных коэффициентах. Относительный выход продукта
- •1.5.2. Балансы производства
- •1. Материальный баланс
- •2. Энергетический (тепловой) баланс
- •3. Экономический баланс
- •1.5.3. Технологические параметры химико-технологических процессов.
- •1.6.Принципы создания ресурсосберегающих технологий
- •2. Теоретические основы химической технологии
- •2.1. Энергия в химическом производстве. Тепловой эффект реакции в технологических расчетах. Направленность реакции в технологических расчетах
- •2.2 Массообменные процессы. Основные принципы массообменных процессов. Моделирование процессов теплообмена.
- •Молекулярная диффузия. Первый закон Фика
- •Турбулентная диффузия
- •Уравнение массоотдачи
- •Уравнение массопередачи
- •Связь коэффициента массопередачи и коэффициентов массоотдачи (или уравнение аддитивности фазовых сопротивлений)
- •Подобие массобменных процессов
- •3. Химическое производство как сложная система. Иерархическая организация процессов в химическом производстве
- •3.1. Химико-технологические системы (хтс). Элементы хтс. Структура и описание хтс. Методология исследования хтс, синтез и анализ хтс.
- •Методология исследование химико-технологических систем.
- •3.2. Сырьевая и энергетическая подсистема хтс
- •1. Классификация химических реакторов по гидродинамической обстановке.
- •2. Классификация химических реакторов по условиям теплообмена.
- •3. Классификация химических реакторов по фазовому составу реакционной массы.
- •4. Классификация по способу организации процесса.
- •5. Классификация по характеру изменения параметров процесса во времени.
- •6. Классификация по конструктивным характеристикам.
- •3.4. Промышленные химические реакторы. Реакторы для гомогенных процессов, гетерогенных процессов с твердой фазой, гетерогенно-каталитических процессов, гетерофазных процессов.
- •Реакторы для гетерогенных процессов с твердой фазой.
- •Реакторы для гетерогенно-каталитических процессов.
- •4. Основные математические модели процессов в химических реакторах
- •4.1. Идеальные химические реакторы. Непрерывный реактор идеального вытеснения. Непрерывный реактор идеального смешения
- •4.2. Сравнение эффективности проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения. Обоснование использования каскада реакторов.
- •Каскад реакторов смешения.
- •Влияние степени конверсии.
- •Влияние температуры.
- •5. Применение кинетических моделей для выбора и оптимизации условий проведения процессов
- •5.1. Экономические критерии оптимизации и их применение для оптимизации реакционных узлов.
- •Оптимальные концентрации инициатора и температуры в радикально-цепных реакциях
- •Оптимизация степени конверсии.
- •7. Важнейшие промышленные химические производства
- •7.1 Проблема фиксации атмосферного азота. Синтез аммиака, Физико-химические основы производства и обоснование выбора параметров и типа реакционного узла. Технологическая схема процесса.
- •Синтез аммиака
- •Сырье для синтеза аммиака.
- •Технология процесса.
- •Основные направления в развитии производства аммиака.
- •7.2. Получение азотной кислоты. Физико-химические основы химических стадий процесса, обоснование выбора параметров и типа реакторов. Технологическая схема процесса.
- •Физико-химические основы процесса.
- •Контактное окисление аммиака.
- •Обоснование роли параметров и их выбор.
- •Окисление оксида азота (II) до диоксида.
- •Абсорбция диоксида азота.
- •Технология процесса.
- •7.3. Производство минеральных удобрений. Классификация минеральных удобрений
- •Классификация минеральных удобрений.
- •7.3.1. Азотные удобрения. Физико-химические основы производства нитрата аммония. Устройство реакционного узла. Теоретические основы процесса и его технологическое оформление
- •Производство нитрата аммония.
- •7.3.2. Производство фосфорной кислоты. Физико-химические основы процесса. Технологическая схема
- •Функциональная схема производства эфк.
- •Сернокислотное разложение апатита.
- •7.3.3. Фосфорные удобрения. Физико-химические основы процессов их производства. Типы реакционных узлов.
- •Производство простого суперфосфата.
- •Производство двойного суперфосфата
- •Азотнокислое разложение фосфатов. Получение сложных удобрений
- •Обжиг серосодержащего сырья.
- •Обоснование роли параметров и их выбор.
- •Сжигание серы.
- •Окисление диоксида серы.
- •Обоснование роли параметров и их выбор.
- •Технология контактного окисления so2.
- •Абсорбция триоксида серы.
- •Перспективы развития сернокислотных производств.
- •7.5. Электрохимические производства. Теоретические основы электролиза водных растворов и расплавленных сред. Технология электролиза раствора хлорида натрия.
- •Основные направления применения электрохимических производств
- •Электролиз раствора хлорида натрия
- •Электролиз раствора NaCl с твердым катодом и фильтрующей диафрагмой
- •Электролиз раствора хлорида натрия с ртутным катодом
- •7.6. Промышленный органический синтез
- •Первичная переработка нефти.
- •Каталитический риформинг углеводородов.
- •7.6.2. Производство этилбензола и диэтилбензола. Теоретические основы процесса и обоснование выбора условий процесса. Технология процесса
- •7.6.3. Синтезы на основе оксида углерода. Производство метанола. Теоретические основы процесса.
- •Окисление изопропилбензола (кумола)
- •Технологическая схема получения фенола и ацетона кумольным способом.
- •7.6.5. Биохимические производства. Особенности процессов биотехнологии.
- •7.6.5.1. Производство уксусной кислоты микробиологическим синтезом
- •7.6.5.2. Производство пищевых белков
- •8. Химико-технологические методы защиты окружающей среды
- •8.1. Утилизация и обезвреживание твердых отходов
- •8.2. Утилизация и обезвреживание жидких отходов
- •8.3. Обезвреживание газообразных отходов
5.1. Экономические критерии оптимизации и их применение для оптимизации реакционных узлов.
Ранее указывалось, что расходы на заработную плату, амортизационные отчисления и удельные капитальные вложения растут в дробной степени от величины потоков или объема оборудования. Это же относится и к непроизводственным потерям сырья и продукции. Таким образом, при прочих равных условиях себестоимость снижается при увеличении единичной мощности любого оборудования, в том числе и реактора. Поэтому понятна современная тенденция увеличения мощности установок от 10-60 до 100-600 тыс. т. в год и более по целевым продуктам. Одновременно во избежание роста удельных капитальных вложений устраняются запасные технологические нитки производства и дублируются лишь отдельные виды оборудования, более ответственные, либо требующие более частного ремонта. Все это обусловлено необходимость резкого повышения надежности работы оборудования.
Оптимальные концентрации инициатора и температуры в радикально-цепных реакциях
В радикально-цепных процессах с квадратичным обрывом цепей и химическим инициированием имеется оптимум концентрации инициатора и температуры реакции. Это объясняется тем, что скорость распада инициатора описывается уравнением первого порядка по инициатору , а общая скорость реакции имеет по нему половинный порядок, например
где , k – константа скорости лимитирующей стадии продолжения цепи, kt – константа скорости обрыва цепи.
Делением этих выражений друг на друга получаем дифференциальное уравнение
Это уравнение показывает, что удельный расход инициатора растет с повышением его концентрации и отношения . Обычно энергия активации обрыва цепи равна нулю, для k она невелика и составляет около 20 кДж/моль, а для стадии распада инициатора достигает 100-120 кДж/моль. Следовательно, для комплекса констант энергия активации величина положительная, а значит, удельный расход инициатора растет с повышением температуры. С другой стороны, снижение концентрации инициатора и температуры ведет к снижению интенсивности процесса и росту затрат на капитальные вложения и амортизацию реакционного узла. Противопоставление этих расходов неизбежно приводит к некоторому оптимуму по концентрации инициатора и температуре.
Оптимизация степени конверсии.
Эта задача часто является одной из важнейших, поскольку степень конверсии сильно влияет на удельную производительность реакторов, и на селективность. При оптимизации степени превращения необходимо рассматривать вместе расходы по реакционному узлу и по смежным стадиям отделения непревращенного реагента и системы его рециркуляции. Последние два включают энергетические затраты (работа колонны разделения, компрессоров, насосов, теплообменников), а также возможные непроизводственные потери сырья, зависящие от величины рециркулирующих потоков. При прочих равных условиях можно принять, что упомянутые энергетические затраты пропорциональны величине рециркулирующего потока. Кроме того в сложных реакциях побочный продукт может иметь определенную ценность и его следует включать в уравнение экономического баланса.
Пример.
Целевой продукт В получают в последовательных реакциях первого порядка в изотермических условиях в реакторе идеального вытеснения объемом 2,5 м3. Из экспериментальных данных известно, что k1 = 0,1 ч-1 и , оптовая цена за катализатор равна ЦА = 20 руб/кмоль. Энергетические затраты на выделение и рециркуляцию непрореагировавшего вещества А составляют 3 руб/кмоль, амортизационные отчисления по реакционному узлу стадии отделения непрореагировавшего вещества А и его рециркуляцию описываются уравнением , где Цоб. = 50000 руб и СА 0 = 2 моль/л. Найти оптимальную степень конверсии в условиях рециркуляции непрореагировавшего иещества А, если 1) побочный продукт является бесполезным отходом; 2) побочный продукт утилизируется и его товарная цена составляет 7 руб/кмоль.
|
Схема потоков при рециркуляции непревращенного реагента.
1 – реакционный узел; 2 – блок отделения непревращенного реагента; 3 – блок рециркуляции. |
Решение.
Из схемы потоков видно, что , откуда , и
В соответствии с кинетикой процесса, получим для реактора идеального вытеснения или и .
Часовой экономический баланс по переменным затратам в общем виде определяется как
откуда сумма переменных слагаемых себестоимости составляет
Подставляя в последнее уравнение выражения , получаем уравнение, связанное со всеми параметрами процесса. По нему при разной степени конверсии ХА находим каждое из слагаемых и СВ, пер..
|
0,10 |
0,20 |
0,30 |
0,40 |
0,50 |
0,60 |
0,70 |
|
0,97 |
0,94 |
0,91 |
0,87 |
0,83 |
0,78 |
0,71 |
|
20,6 |
21,3 |
22,0 |
23,0 |
24,1 |
25,7 |
28,2 |
|
0,22 |
0,45 |
0,69 |
1,05 |
1,44 |
1,98 |
2,86 |
|
0,28 |
0,57 |
0,9 |
1,3 |
1,7 |
2,3 |
3,0 |
|
27,8 |
12,8 |
7,7 |
5,2 |
3,6 |
2,6 |
1,8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
без утилизации |
48,7 |
34,7 |
30,6 |
29,5 |
29,4 |
30,6 |
33,0 |
с утилизацией |
48,5 |
34,3 |
29,9 |
28,5 |
28,0 |
28,6 |
30,1 |
Графическое изображение полученных данных представлено на рисунке
|
Рис. Зависимость переменных слагаемых себестоимости от степени конверсии. 1 – материальные затраты без утилизации побочного продукта; 1' – то же с утилизацией; 2 – энергетические затраты, связанные с выделением и рециркуляцией непрореагировавших реагентов; 3 – амортизационные отчисления; 4 – сумма переменных затрат в себестоимости продукта без утилизации побочных продуктов; 4' – то же с утилизацией. |
Можно видеть, что материальные затраты (1) растут с повышением степени конверсии в связи со снижением селективности, уменьшаясь при утилизации побочных продуктов (1'). Амортизационные отчисления также растут с повышением степени конверсии, но в результате снижения удельной производительности установки. Энергетические затраты увеличиваются при снижении степени конверсии из-за роста рециркулирующего потока. Таким образом, сумма переменных затрат себестоимости имеет минимум при определенных степенях превращения (в рассмотренном примере при ХА = 0,45 без утилизации побочного продукта и при ХА = 0,50 с утилизацией). Оптимальная степень конверсии увеличивается, если отсутствует рецикл непревращенного реагента (в этом случае слагаемое себестоимости превращается в и минимум себестоимости находится близко к степени конверсии, соответствующей максимальному выходу целевого продукта , в данном примере при ХА = 0,75).