Комбинирование производств возможно по нескольким принципам.
Первый случай комбинирования - на основе комплексного использования
сырья, то есть когда сырье имеет сложный состав и необходимо выделить и использовать максимальное количество его компонентов. В этом случае параллельно на одной производственной площадке должно быть развернуто
производство целого ряда продуктов. Пример: цвет.мет в наст.время при переработке свинцово-цинковых руд извлекают 18 элементов и производят 40 видов продукции. При переработке медно-никелевых руд извлекаются 25 элементов.
Второй случай комбинирования – последовательное комбинирование, когда при производстве какого-либо продукта на данном производстве из него производятся другие продукты (товары). Обычно на одном комбинате соединяют производства нескольких продуктов. Например, при производстве синтез-газа паровой конверсией метана в дальнейшем получают как аммиак, так и мочевину (карбамид):
Реакции:
CH 4 +2H2О = CО2 + 4H2
N2 + 3H2 = 2NH3 (1.8)
CО2 + 2NH3 = (NH2)2CО + Н2О
Из синтез-газа также можно получить метанол и уксусную кислоту. Из аммиака - азотную кислоту и азотные удобрения и т.п.
Это прием, когда получающийся химический продукт перерабатывается в другие продукты на данном предприятии, позволяет исключить значительные расходы на транспортные операции, на хранение, на погрузку и выгрузку. Такой набор производств реализовался в производственных объединениях «Азот» в советское.
Третий случай комбинирования – переработка побочных продуктов.
Реализация комплексного использования сырья препятствует наличие большого количества трудностей:
Необход. Больших исходных капиталовложений
Наличиемежотраслевых проблем
Интенсивность любого единичного элемента, входящего в химико-технологическую систему (ХТС), является составляющей производительности всей системы и, следовательно, будет определять экономическую эффективность ее функционирования. Интенсивность определяется скоростью данного процесса. Изменение интенсивных*) параметров с целью увеличения скорости процесса называется интенсификацией. В обобщенном виде скорость любого процесса может быть представлена как отношение:
Скорость = К(движущая сила/ сопротивление), (3.1)
где К - коэффициент пропорциональности (коэффициент интенсивности).
Движущая сила представляет собой разность потенциалов, характерных для данного процесса, и выражает степень удаленности системы от состояния равновесия. Для массообмена в пределах одной фазы движущей силой будет разность концентраций вещества, которая выравнивается, в процессе. В случае теплообменных процессов - разность температур. Разность давлений может служить движущей силой для производства механической работы двигателя или турбины.
Сопротивление в уравнении (3.1) также является характеристической величиной для данного процесса. Это могут быть пленки, через которые происходит диффузия; слой образовавшегося продукта.
Для химической реакции с сопротивлением связана величина энергии активации.
Таким образом, составляющие уравнения (3.1 ) будут определяться характером протекающего процесса. Это могут быть: химическое взаимодействие, массопередача, теплопередача и Т.д.
Эти процессы протекают и параллельно, и последовательно.
Предполагается, что в стационарном состоянии скорость процесса будет определяться наиболее медленной стадией. Рассмотрим несколько примеров:
а) в процессе синтеза аммиака скорость будет лимитироваться
хемосорбцией азота на активных центрах катализатора (кинетическая область);(катализатор )
б) на стадии окисления аммиака до NO - диффузией аммиака из объема потока к поверхности платинового катализатора (внешняя диффузия увеличение объемной скорости);
В) в процессе обжига серного колчедана - диффузией кислорода через слой образовавшегося оксида железа (внутридиффузионная область-дробление);
при конверсии метана водяным паром - подводом тепла к поверхности расположенного в трубках катализатора, Т. Е теплопередачей
Способы интенсификации перечисленных процессов будут определяться лимитирующей стадией. При этом необходимо увеличивать движущую силу процесса и уменьшать сопротивление. Большая часть процессов химической технологии являются гетерогенными.
Скорость (r) любого гетерогенного процесса может быть описана
уравнением:
r ==KF·(C - С*), (3.2)
где К - константа скорости гетерогенного процесса, определяемая
соотношением коэффициентов интенсивности кинетических
и диффузионных стадий; F - поверхность контактафаз;
С и С* - текущая и равновесная концентрации.
Для увеличения движущей силы процесса используются следующие приемы:
1. Увеличение концентрации реагирующих веществ. При этом
возрастает скорость и химических, и диффузионных стадий.
2. Повышение давления в процессах с участием газовой фазы.
3. Вывод продуктов из сферы реакции.
4. Применение противотока веществ.
5. Проведение процесса вдали от состояния равновесия, Т.е. с
большими объемными скоростями (малым временем контактирования).
Проиллюстрируем сказанное выше на примере производства
аммиака: N 2 + 3Н2 =2NНз .
Для увеличения движущей силы процесса необходимо также уменьшать равновесную концентрацию компонентов. С этой целью используют все существующие способы смещения равновесия:
а) понижение температуры в экзотермических процессах, а в эндотермических - ее повышение;
б) увеличение давления в процессах, протекающих с уменьшением числа молей, и, наоборот, его понижение при возрастании числа молей по мере протекания реакции;
В) вывод продуктов из сферы реакции.
Для снижения сопротивления в процессах массопередачи проводят турбулизацию газового потока, повышают линейную скорость, про водят измельчение твердой фазы.
Однако, существует целый ряд процессов, для которых высокая интенсивность приводит к нежелательным явлениям. Так, в сильно
экзотермических процессах она может привести к тепловому взрыву, как и для некоторых цепных реакций. Например, в реакциях с большой скоростью полимеризации значительное увеличение концентрации не позволит остановить процесс на получении полимера с определенной молекулярной массой. Для процессов абсорбции с одновременно протекающей экзотермической реакцией увеличение поверхности контакта приведет к резкому увеличению температуры, и,
соответственно, росту равновесного парциального давления р* поглощаемого компонента. При этом уменьшится движущая сила процесса: д= р - р*. Отсюда возникает необходимость поиска компромиссного решения, т.е. технологической соразмерности.
При организации ХТС энергетические проблемы имеют ресурсосберегающий, экологический и экономический характер. Проблема энергосбережения связана с все возрастающим количеством населения земного шара и опережающим потреблением энергетических ресурсов (рис. 2.1). При этом в основном потребляются углеводородные ресурсы: уголь, нефть, газ, которые являются невозобновляемыми. Степень их использования не превышает 45% - отсюда возникают тепловые выбросы, приводящие к нарушению функционирования природных экосистем, изменению климата и Т.п.
Экономический аспект энергетической проблемы связан с тем,
что в себестоимости химической продукции доля энергии составляет
до 60% от затрат на сырье. Поэтому одной из основных задача энергосберегающих технологий является снижение затрат энергии на единицу продукта и уменьшение тепловыделение в окружающую среду. Эти задачи должны решаться за счет внутренних энергетических ресурсов, которыми обладают многие хтс.
Следует отметить, что химическая технология обладает следующими источниками энергии:
- многие химические процессы протекают с выделением большого количества тепла, которое отводится для поддержания оптимальных температур в реакторе, для регулирования качества продукта или для безопасных условий ведения процесса;
- эндотермические процессы про водятся при высоких температурах, которые затем могут являться дополнительным источником тепла;
- в производствах органического синтеза в качестве отходов образуются вещества, способные служить топливом при определенных условиях.
Однако использование энергоресурсов в химических производствах связано с трудностями, основными из которых являются:
- рассредоточенность источников энергии в пространстве, особенно для малотоннажных производств;
- рассредоточенность источников энергии во времени (при периодических проuессах);
- малое количество энергоресурсов на единицу оборудования и в единицу времени;
- значительные потери тепла в окружающую среду;
- трудности использования тепла экзотермических низкотемпературных процессов.
Основным направлением в повышении энергетической эффективности химических производств является снижение их энергоемкости. Этому способствует:
- перевод производства на непрерывную технологию;
- использование топливного потенциала горючих отходов;
- создание агрегатов большой единичной мощности, позволяющих концентрировать энергию;
- рациональная организация энерготехнологических агрегатов.
В результате анализа эффективности разрабатываемой ХТС путем термодинамического анализа и расчета теплового баланса становятся ясными потенциальные энергетические возможности системы и следующим этапом, в соответствии с этим, является рациональное инженерное оформление данного химико-энергетического элемента или системы в целом. Задача этого этапа - снизить затраты энергии на единицу выпускаемого целевого продукта и сократить потери теп
ла в окружающую среду.
В зависимости от типа реализуемого процесса для этой цели используют ряд приемов:
1). Регенерация теплоты - использование тепла отходящих продуктов реакции для нагрева входящих потоков. Для этой цели применяют три основных способа:
- непосредственный теплообмен;
- теплопередача через теплообменную поверхность;
- перенос тепла при помощи тепловых агентов.
Непосредственный теплообмен используется в тех случаях, когда теплообменивающиеся вещества находятся в разных фазах. По этому принципу работает большинство непрерывно действующих печей: твердый материал, загружаемый в печь, подогревается отходящими газами, а входящие газы нагреваются теплотой материала, сгоревшего или обожженного в печи. Теплопередача соприкосновением осуществляется также при упарке раствора в аппарате погружного горения (рис. 2.2): горючие газы сгорают в камере сгорания под слоем раствора, который подвергается концентрированию.
Теплопередачу соприкосновением нельзя использовать, если теплопередающие потоки находятся в одинаковых хорошо смешивающихся фазах или если между их составляющими возможно химическое взаимодействие. В этих случаях теплопередачу осушествляют через теплообменную поверхность. Это наиболее распространенный случай в химической промышленности и поэтому его применение отличается большим разнообразием инженерных приемов.
теплопередача через стенку невозможна при очень высоких температурах процесса и сильном коррозионном воздействии теплообменивающихся потоков на оборудование, так как трудно подобрать материалы. Кроме того, теплопередача через стенку экономически невыгодна, если необходимо устанавливать большие и, следовательно, дорогостоящие теплообменные поверхности. В этих случаях возможно использование твердых тепловых агентов. Их применение может быть осуществлено в аппарата,"'( периодического или непрерывного действия. Наиболее прогрессивными являются аппараты непрерывного действия.
В качестве теплоносителя используют твердый материал небольшого
зернения, движущийся в системе и периодически нагреваемый или
отдающий приобретенную теплоту. Материал представляет собой
гранулы диаметром 8-15 мм, которые нагреваются в верхней камере
непосредственным соприкосновением с горячим газом, свободно па
дают в нижнюю камеру, передавая здесь тепло газам, которые необходимо нагреть, и, охлажденные, снова подаются подъемником в верхнюю камеру.
Если гранулы сделать из материала, способного быть катализатором, то появляется возможность проведения в нижней камере эндотермических химических реакций. Подобным образом оформлены процессы каталитического крекинга нефтепродуктов, пиролиза этана ит. п.
Количество отдаваемого тепла от нагретого вещества к
нагреваемому определяется направлением относительного движения
тепловых потоков. Тепловые потоки, как и в случае массообмена, могут двигаться или в одном направлении (прямоток), или противоположном (противоток). Эти виды движения применяют при любых способах теплообмена.
При прямотоке можно, в конечном счете, достигнуть такой
температуры, которая получается при их смешении.
.
При противотоке из-за высокой интенсивности процесса появляется возможность превысить среднюю температуру. Однако применение противотока не всегда возможно, так как большая интенсивность процесса может повлиять на качество продукта, например, способствуя его разложению или спеканию. Иногда трудно организовать противоток из-за конструктивных особенностей аппарата. Тогда используют смешанный ток. Эффект, получаемый при этом, будет
средним, который достигается при использовании прямотока и противотока.
Многие процессы химической технологии про водятся при высоких температурах. Это весьма энергоемкие процессы, поэтому их энергетическому оформлению следует уделять наибольшее внимание. При их реализации часто применяется ряд приёмов.
а) Снижение тепловых потерь. Для этой цели используют внешнюю изоляцию или подачу исходных веществ через пространство, прилегающее к стенкам аппарата.
б) Подогрев газов, поступающих в контактный аппарат, теплом продуктов реакции.
в) Использование тепла для получения пара в котлеутилизаторе. Этот прием широко используется при организации энерготехнологических систем. Например, в схеме оформления контактного узла окисления аммиака. Процесс окисления аммиака проводится на катализаторе (платиновых сетках) при температуре 900 Q C.
Тепло реакционной смеси используется для получения пара в котле-утилизаторе, что позволяет одновременно про извести «закалку» системы и предотвратить разложение оксида азота. В производстве серной кислоты при обжиге серосодержащего
сырья и переработке сернистого ангидрида в серную кислоту выделяется
от 138·104 до 192·104 ккал тепла на 1 т H 2 S04 (в зависимости
от вида исходного сырья). Около 60% общего количества тепла выделяется при обжиге серосодержащего сырья. Температура газов на выходе из печей обжига 800-1000 0 с. Это тепло используется для получения пара в котлах-утилизаторах. В дальнейшем пар применяется качестве теплоносителя или его энергию используют в турбинах (турбокомпрессоры, электрогенераторы).
г) Рациональное оформление технологического процесса предполагает использование тепла отходящих газов для различных этапов данного процесса. Наиболее наглядно это можно показать на оформлении эндотермического процесса конверсии метана водяным паром .Процесс проводят на никелевом катализаторе при температуре
800-900 0 с в трубчатой печи. Учитывая, что процесс протекает с поглощением тепла и катализатор обладает низкой теплопроводностью, для его осуществления катали
затор помещают в длинные узкие трубки, расположенные между газовыми горелками в топочной печи. Выходящие из камеры горячие газы поступают в конвективную камеру печи, где помещен блок теплоиспользующего оборудования. Блок включает в себя подогреватели парогазовой смеси, воздуха, топливного газа, пароперегреватель
д). Регулирование нагрузки реактора. Если в системе, состоящей из теплообменника и реактора, полное количество тепла, необходимое для нагревания газов до заданной температуры перед входом в реактор, поставляются газом, по кидающим реакционное пространство, то такая система будет работать автотермично. Это наиболее выгодный режим работы. Его осуществляют в
процессах синтеза аммиака, метанола, конверсии СО и т. п. Интенсивность потока газа на входе или нагрузка реактора позволяет регулировать температурный режим процесса.