Уровни анализа, описания и расчета ХТП
Тема 1.3 Основные характеристики химико-технологических процессов.
Процессы переработкисырья в химические продукты стремятся вести в экономически выгодных (оптимальных) условиях, обеспечивающих малый расход сырья на единицу готовой продукции, получение дешевого и высококачественного продукта, большую скорость течения технологического процесса. Без знания закономерностей, которым подчиняются химические процессы, невозможно управлять современным технологическим производством, экономически выгодно производить химическую продукцию.
При строительстве новых заводов эти знания помогают выбрать рациональную схему технологического процесса: т.е. наметить последовательность отдельных стадий производства, определить конструкции аппаратов и рассчитать их основные размеры, установить режим работы и методы контроля и т.д.
Понятие о химико-технологическом процессе
В процессе химического производства исходные вещества (сырье) перерабатываются в целевой продукт. Для этого необходимо осуществить ряд операций, включающих подготовку сырья для перевода его в реакционно-способное состояние, собственно химическое взаимодействие компонентов сырья и заключительную обработку полученной реакционной смеси. При этом используются помимо основных химических процессов различные физические процессы: перемешивание, смешение, разделение, измельчение и т.д.
Химико-технологическим процессом (ХТП) называется сочетание связанных друг с другом и проводимых в определенной последовательности химических, физико-химических, физических и механических операций с целью получения из сырья готового продукта. В общем случае ХТП состоит из трех взаимосвязанных элементарных процессов:
1. Подготовка сырья к химической переработке.
А ¢® А
2. Химическое превращение подготовленного сырья в продукты реакции по двум схемам:
А® В , А® Д , или ↕В
А®
↕ Д
В реакционной смеси обычно происходит несколько последовательных реакций, приводящих к образованию основного (целевого) продукта и ряд побочных реакций, приводящих к образованию побочных продуктов. Обычно при анализе производственных процессов учитываются не все реакции, а те, которые имеют влияние на количество и качество основных продуктов.
3. Выделение целевого продукта из реакционной смеси и его очистка.
В® В¢ и Д® Д¢
| 3 СТАДИЯ |
| 2 СТАДИЯ |
| 1СТАДИЯ |
А' А¢ ®
Д¢
Рис.1.3.1 Принципиальная схема ХТП
А¢ – сырье до подготовки, А – подготовленное сырье, В+Д – реакционная смесь, В¢ – выделенный целевой продукт, Д¢ – побочный продукт,
Таким образом, из трех стадий ХТП первая и третья представляют физические процессы, вторая – химический процесс. Общая скорость технологического процесса может лимитироваться скоростью одной из трех стадий. Как правило, эти элементарные процессы протекают с различной скоростью. Поэтому общая скорость процесса лимитируется скоростью наиболее медленной стадии.
Эффективность осуществления ХТП требует соблюдения некоторых условий. Поэтому для каждого ХТП разрабатывается технологический режим.
Технологическим режимом называется совокупность параметров, обеспечивающих устойчивое и максимально эффективное проведение ХТП.
Параметром технологического режима называют величину, характеризующую какое-либо устройство или режим работы аппарата, используемую в качестве основного показателя их действия. Параметр – величина количественная и используется для количественной оценки процесса. К основным параметрам ХТП относятся: температура, давление, концентрация реагентов, интенсивность катализатора, время контактирования реагентов, объемная скорость потока реагента, сила тока и т.д. Оптимальные условия проведения ХТП достигаются таким сочетанием его основных параметров, при котором обеспечивается наибольший выход целевого продукта с высокой скоростью и наименьшей себестоимостью. Параметры технологического процесса определяют принципы конструирования соответствующих реакторов. Характер и значения параметров технологического режима положены в основу классификации ХТП.
Однако все параметры взаимосвязаны. Значительное изменение одного из них влечет за собой резкое изменение других. Поэтому выбираются параметры, оказывающие решающее влияние.
Химические реакции составляют основу ХТП. Химические реакции подразделяются:
1) По фазовому (агрегатному) состоянию взаимодействующих веществ: гомогенные (однородные), гетерогенные (неоднородные). Гомогенными системами называются такие системы, в которых все взаимодействующие вещества находятся в одной какой-либо фазе – Г, Ж, Т. Например, окисление NО в NО2 является однородным гомогенным процессом, протекающим в газовой фазе.
NО( г) +О2 (г )↔2 NО2 (г)
Гетерогенные системы включают 2 или большее количество фаз: Г-Ж, Г-Т, Ж-Ж (не смешиваются) Ж-Т. Во всех гетерогенных системах имеется поверхность раздела фаз. Например, поглощение серного ангидрида SО3 водой с образованием серной кислоты Н2SО4 протекает по реакции:
SО3 (г )+Н2О(ж) ↔ Н2SО4 (ж)
В гетерогенных многофазных системах во взаимодействии могут находиться вещества в газообразном, жидком и твердом состоянии.
В гомогенных системах реакции происходят обычно быстрее, чем в гетерогенных; механизм всего процесса проще, управление процессом легче, поэтому технологи стремятся к гомогенным процессам. Гетерогенные процессы более распространены в промышленности.
2) По механизму взаимодействия реагентов: на гомолитические (окислительно-восстановительные) и гетеролитические (кислотно-основные).
3) По протеканию во времени: на обратимые и не обратимые. Обратимыми называются такие реакции, в которых получаемые в результате взаимодействия исходных веществ продукты начинают реагировать между собой, вновь образуя исходные вещества
N2 +Н2 ↔ NН3 +Q
Практически необратимыми называют реакции, в которых равновесие при определенных условиях почти полностью смещается в сторону образования продуктов реакции.
S +О2 →SО2 + Q
4) По знаку теплового эффекта: на экзотермические – реакции, идущие с выделением тепла и эндотермические – реакции, идущие с поглощением тепла. Например, синтез аммиака N2 +Н2 ↔ NН3 +Q –экзотермический процесс; получение окиси азота N2 +О2 ↔2NО – Q – эндотермический процесс.
5) По использованию катализатора: на каталитические и не каталитические.
7)По значению температур: на низкотемпературные и высокотемпературные.
7) По типу контакта реагентов в гетерогенной системе.
8) По виду реакции: на простые (одностадийные) и сложные (многостадийные). Простыми называются реакции для осуществления которых требуется преодоление только одного энергетического барьера. Сложные реакции включают в себя несколько последовательных или параллельных реакций.
®простые А®В
Химические реакции ® ®последовательные А®В®Д
®сложные® ®В
¯®параллельные А®
®Д
Для исследования ХТП наибольшее значение имеет классификация реакций по фазовому состоянию системы, по условиям протекания, по типу контактов и по наличию катализатора. Именно от типа химической реакции зависит выбор конструкции аппаратов и параметры технологического режима.
На конструкцию аппаратов и скорость процессов сильно влияет способ и степень перемешивания реагентов. В свою очередь способ и интенсивность перемешивания реагирующих масс зависит от агрегатного состояния последних. Именно агрегатное состояние реагирующих веществ определяет способы их технологической переработки и принципы конструирования аппаратов. Поэтому принято делить процессы и соответствующие им аппараты, прежде всего, по агрегатному состоянию взаимодействующих веществ. По этому признаку все системы взаимодействующих веществ и соответствующие им технологические процессы делятся на гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные).
Если реагенты перед вступлением в реакцию хорошо перемешать, то скорость гомогенных процессов определяется скоростью непосредственно химического превращения веществ. В гетерогенных процессах химические реакции обычно сопровождаются чисто физическими промежуточными стадиями, которые определят или влияют на наблюдаемую скорость процесса. В простейшем случае при протекании гетерогенного химико-технологического процесса можно выделить два элементарных процесса: диффузию веществ, находящихся водной фазе, к поверхности раздела фаз или от нее и химическую реакцию внутри одной из фаз. В зависимости от того, какой из элементарных процессов – диффузия или реакция– определяет скорость ХТП, последние разделяют по области протекания. Например, если определяющее значение на скорость ХТП оказывает скорость диффузии, то говорят о химико-технологических процессах, протекающих в диффузионной области; если скорость ХТП определяется скоростью химической реакции, то процесс протекает в кинетической области. Методы и приемы интенсификации ХТП, протекающих в диффузионной и кинетической областях, совершенно различны. Знание области протекания процесса особенно важно для анализа гетерогенно-каталитических процессов и управления ими.
Уровни анализа, описания и расчета ХТП.
Сложный химико-технологический процесс представляет собой совокупность элементарных физических, физико-химических и химических процессов. Число элементарных процессов, их характеристики и последовательность определяют структуру ХТП в целом. В подавляющем большинстве практических случаев структура ХТП сложна и очень трудно правильно выбрать технологический режим их проведения. Действительно каждая реакция характеризуется своим типом влияния основных параметров – температуры, давления, концентрации.
Кроме того, реакции сопровождаются массообменом, выделением или поглощение теплоты и соответствующим теплообменом. Изучение ХТП с целью выбора рациональных технологических режимов и управления ими проводят не в сложной совокупности элементарных процессов, а по частям (по уровням). Уровень – это простые составляющие протекающего сложного процесса. Именно уровневый подход дает возможность наиболее правильного и быстрого выбора технологических режимов сложных ХТП и управления ими. Таким образом, анализ и описание ХТП проводят последовательно с учетом уровня протекания процесса.
Молекулярный уровень предполагает описание процессов как молекулярное взаимодействие реагирующих веществ. Принимают, что реагирующие вещества хорошо перемешаны и их молекулы могут беспрепятственно вступать во взаимодействие друг с другом. Протекание ХТП описывается закономерностями кинетики химических реакций. При описании, анализе и расчете протекания химических реакций как элемента ХТП используют известные кинетические закономерности без вскрытия механизма реакции. Поэтому говорят, что протекание процесса проводят на языке формальной кинетики. В простейшем случае эти закономерности можно использовать для описания гомогенных процессов, когда реагенты, вступающие в реакцию, хорошо предварительно перемешаны, а также для гетерогенных процессов, протекающих в кинетической области в аппаратах периодического действия.
На уровне малого объема описывается протекание гетерогенных процессов для малого объема взаимодействующих фаз, например для частицы твердого материала, реагирующего с газом или жидкостью, зерна катализатора, пузырьки газа, поднимающегося в жидкости, капли жидкости, омываемой газом и др. Необходимость рассмотрения процессов на этом уровне связана с тем, что для анализа и расчета гетерогенных процессов знания закономерностей протекания только химических реакций в большинстве случаев недостаточно. Эти закономерности необходимо дополнить закономерностями протекания физических процессов переноса массы и теплоты. Совместное протекание химических реакций и процессов переноса теплоты и массы описывается закономерностями макрокинетики.
Уровень потока рассматривает протекание процесса на совокупности твердых частиц, капель жидкости, зерен катализатора и других разновидностях 2малого объема», находящихся в потоке реагирующих веществ. Учитываются эффекты, связанные с характером движения потоков, изменением температур и концентраций в различных участках реакционного объема. Для гетерогенных процессов закономерности их протекания в малом объеме дополняются закономерностями изменения концентрации и температур по длине реакционной зоны, через которую проходит поток.
Уровень реактора учитывает конструктивные особенности реакционных зон, их число, взаимное расположение, соотношение технологических показателей процесса при прохождении потока из одной реакционной зоны в другую.
Уровень химико-технологической системы (ХТС) учитывает взаимные связи между реакторами, теплообменниками, смесителями и другими аппаратами, используемыми для переработки сырья в конечные продукты.