Материал: III. хтс
М а л о о т х о д н ы м п р о и з в о д с т в о м считается такое, при котором вредное воздействие на окружающую среду не превышает уровня, допустимого санитарногигиеническими нормами.
Надо иметь в виду, что производство воздействует на окружающую среду не только выбросами, но и своим присутствием.
4. Концепция эффективного использования оборудования
Концепция направлена на минимизацию капитальных затрат на технологическое оборудование путем создания условий протекания в нем процессов с максимально возможной интенсивностью.
1)Внедрение новых технологий, более интенсивных, протекающих с большей скоростью. Типичным примером является переход от замедленных гетерогенных процессов к гомогенным и далее к каталитическим. Так замена термического гомогенного крекинга углеводородов на каталитический позволила увеличить скорость процесса более, чем в 300 раз!
2)Оптимизация процесса H2SO4 - очевидный прием увеличения его
интенсивности (см. оптимизация контактного аппарата для окисления диоксида серы).
3)Организация процесса в аппарате. H2SO4 Почти всегда возможно разными способами провести один и тот же процесс: теплообмен и контакт фаз - в противотоке или прямотоке, гетерогенно-каталитическую реакцию - в неподвижном или кипящем слое катализатора, разделение жидкостей - ректификацией или дистилляцией и так далее. Примеры сокращения затрат рассмотрены выше: теплообменник или массобменный аппарат (абсорбер)- использование противотока. Еще пример. Скорость превращения в процессе "газтвердое" сильно зависит от размера частиц. Однородные условия протекания процесса создает псевдоожиженный слой. В производстве серной кислоты из колчедана переход от обжига крупно кускового сырья в полочных печах к обжигу
впсевдоожиженном слое позволил увеличить интенсивность превращения в единице объема аппарата в 20 раз.
4)Организация технологического процесса в подсистеме ХТС. H2SO4
Здесь использовано свойство ХТС - усовершенствование одного элемента дает выигрыш в эффективности процесса в системе в целом. Некоторые решения общеизвестны. Например, замена периодического процесса на непрерывный. В первом случае требуются дополнительная аппаратура для накопления исходных компонентов и продуктов, очистка периодических аппаратов, временные затраты, связанные с пусками и остановками. В непрерывном процессе таких неудобств нет.
Сокращает расходы на аппараты схема регенерация теплоты реакции, вместо нагрева потока перед реактором и последующее охлаждение его в отдельных теплообменниках (см., например, реакционный узел окисления диоксида серы)
5)Увеличение единичной мощности. Оценим изменение затрат на оборудование
ваппарате при изменении мощности производства. Интенсивность процесса это количество продукта, получаемое в единицу времени и единице объема оборудования. Производительность П (мощность аппарата, установки) пропорциональна его объему V. Объем аппарата V в свою
очередь примерно пропорционален кубу его линейного размера l: П V l3. Затраты на аппарат З, расход материала на его изготовление, примерно пропорциональны квадрату его линейного размера, поверхности корпуса, перегородок: З l2. Из этих соотношений получим: З П2/3, - затраты, естественно, увеличиваются с ростом производительности. Удельные затраты Зуд (на единицу производительности) уменьшаются с увеличением производительности:
Зуд = З/П П-1/3. Можно оценить уменьшение затрат при удвоении мощности: Зуд 2П 0,8
- уменьшаются примерно на 20%. Реальная цифра меньше и составляет 8-13% поскольку с увеличением размера стенки делают толще для обеспечения жесткости конструкции, появляются дополнительные элементы конструкции.
Уменьшение удельных капитальных затрат составляют примерно 11% при удвоении производительности. Но бесконечно наращивать мощность невозможно. Появляются ограничения машиностроительных предприятий, транспортировки крупногабаритного оборудования. Временная остановка крупнотоннажного производства приводит к большим потерям продукции и затратам на восстановление режима. Крупное производство вносит значительное возмущение в экологическое равновесие региона.
Увеличение мощности до разумных пределов рационально для сокращения затрат на оборудование.
6) Совмещение процессов HNO3
Совмещение процессов - осуществление разного типа химико-
технологических процессов в одном аппарате.
Аммиачно-воздушная смесь (АВС) при поступлении в реактор, проходя и контактируя с нагретой конусной частью реактора, нагревается за счет теплового излучения, исходящего от слоя катализатора. Окисление аммиака осуществляется на платиноидном катализаторе, выполненном в виде нескольких сеток, после чего реакционные газы охлаждаются в котле-утилизаторе. Для равномерного распределения потока по сечению тонкого слоя катализатора реактор должен иметь распределительную решетку в конусной части реактора.
Рис.3. Схема реактора окисления аммиака
Кроме того, под слоем катализатора установлен слой из пористого материала, способного улавливать частицы дорогостоящих платиноидов, уносимые реакционным газом с катализатора. Реактор установлен непосредственно на котел утилизатор, т.е. на одной площадке, что уменьшает расходы на аппараты. Итак, в одном аппарате совмещены 5 процессов: окисление аммиака, распределение реакционного потока по сечению реактора, улавливание частиц платиноидов, регенерация тепла реакции и образование энергоносителя – водяного пара (рис.3).
7) Перестраиваемые (гибкие) химико-технологические системы
Перестраиваемая химико-технологическая система позволяют на одном и том же оборудовании после его перенастройки (изменения некоторых связей и режима процессов в аппаратах) реализовать различные химико-технологические процессы и перерабатывать несколько видов сырья, производить различные продукты запрашиваемые рынком.
ОПТИМАЛЬНЫЕ СХЕМЫ РЕАКТОРОВ ИВ И ИС
В ХТС можно существуют подсистемы, состоящие из однородных элементов (аппаратов) и предназначенные для проведения определенной химикотехнологической операции. К ним можно, например, отнести реакторный узел, системы разделения, теплообмена. В них протекает химическое превращение, или разделение многокомпонентной смеси, или теплообмен между многими потоками. Каждая из них состоит из однородных аппаратов: реакторов, или ректификационных колонн, или теплообменников. Для выбора системы однородных элементов установлены некоторые общие подходы, позволяющие реализовать концепции синтеза ХТС. Рассмотрим на примере реакторных схем.
5.6.1.Система химических реакторов
Реакторный узел - соединение нескольких реакторов – часто используют для
оптимизации режима процесса, или увеличения общей степени превращения. Рассмотрим параллельное и последовательное соединение реакторов и сопоставим их по интенсивности (общему объему, необходимому для достижения одинаковой степени превращения хк или конечной концентрации Ск) и селективности процесса в них (при протекании сложной реакции).
Системы n реакторов идеального вытеснения (рис. 1).
Математически процесс в реакторе описывается уравнением dx/d = r(x).
В системе последовательно соединенных реакторов их общий объем Vрi
пропорционален сумме времен контакта i |
в |
них: |
Vрi = V0 i. Из описания |
||
процесса в реакторе |
|
|
|
|
|
|
x1 |
x2 |
|
xn |
xn |
i |
dx r x |
dx r x ... |
|
dx r x dx r x |
|
|
xo |
x1 |
|
xn 1 |
xo |
или |
|
|
|
|
|
|
|
Vрi V0 |
xn |
|
|
|
|
dx r x |
(1) |
||
xo
Из (1) также следует, что Vрi не зависит от того, как распределены объемы реакторов между собой.
В системе параллельно соединенных реакторов полагаем на выходе каждого из них будет одинаковая степень превращения, равная хк. Следовательно, все
xn
i dx
r x одинаковые и
xo
xn |
|
Vрi Vi i Vi V0 dx r x |
(2) |
xo
Если в каком-то реакторе уменьшить степень превращения, то в другом ее надо увеличить. Выигрыш в первом из них будет меньше, чем его увеличение во втором: зависимость х( ) - нелинейная затухающая растущая функция (см. рис.2). Поэтому равные i дают максимальную интенсивность.
Как видим из (1) и (2), в обеих схемах реакторов интенсивность процесса в них одинакова (равные Vрi ) и такая же, как в одном реакторе идеального
вытеснения ив. Действительно, рассмотренные схемы реакторов идеального вытеснения сводятся к одному большому РИВ и по интенсивности одинаковые. Соответственно, и по показателю селективности для сложных реакций в этих условиях не будет разницы. Но в параллельной схеме поток распределен между реакторами, его скорость в каждом из аппаратов меньше, чем в их последовательности. Поэтому меньше гидравлическое сопротивление и энергетические затраты в параллельной схеме.
Системы n реакторов идеального смешения (рис. 3).