ДАВЛЕНИЕ КАК ФАКТОР ИНТЕНСИФИКАЦИИ ГАЗООБРАЗНЫХ ПРОЦЕССОВ

Для процессов, протекающих в газовой фазе, приме­нение повышенного давления иногда целесообразно по той причине, что при сжатии газов они занимают мень­ший объем, в результате чего возрастает их концентра­ция. Скорость же химической реакции пропорциональна концентрации реагентов. Из этого следует, например, что превращение азотоводородной смеси в аммиак либо ок­сида углерода и водорода в метанол может быть ускоре­но увеличением концентрации исходных газовых компо­нентов за счет высокого давления.

Для гомогенных газовых реакций, протекающих в со­стоянии, далеком от равновесия, их скорость оказывается пропорциональной фактическому давлению. Но так как с ростом давления может меняться порядок реакции и уменьшаться константа ее скорости, то в каждом кон­кретном случае необходима оптимизация условий ее про­текания. Это особенно относится к производству крупно­тоннажных продуктов (аммиаку, метанолу, карбамиду и др.).

Гомогенные газовые реакции, как известно, могут со­провождаться уменьшением или увеличением объема. Например, в производстве аммиака из азотоводородной смеси по схеме N₂ + 3H₂ 2NH₃ + Q из 1 + 3 моль ис­ходного вещества получают 2 моль конечного продукта. Здесь процесс идет с уменьшением объема (4 моль à 2 моль). В таких реакциях выход продукта и скорость его образования увеличиваются с повышением давления вна­чале очень быстро (кривая 1 на рис. 8.1), а затем все мед­леннее и медленнее. Это объясняется тем, что в результа­те сжатия происходит своеобразное «сгущение», т. е. концентрирование газа, сдвиг равновесия в сторону конечного продукта при одновременном накоплении балласта в виде нежелательных инертных при­месей. В результате этого повы­шение давления оказывается эффективным лишь до некото­рого предела (точка А на кри­вой 1), после которого сжатие становится невыгодным, так как газ, оказавшийся под высоким давлением, приобретает все меньшую и меньшую сжимаемость. В результате энергозатраты начинают воз­растать быстрее прироста продукта. Экономически ра­циональное давление определяется технико-экономиче­скими исследованиями и обычно колеблется от десятка до нескольких сотен МПа.

В производстве аммиака выбор давления обусловли­вается его содержанием в равновесной смеси, энергетиче­скими затратами на сжатие газа, временем и температу­рой контактирования на катализаторе, требованиями к аппаратурному оформлению и т. д.

Влияние некоторых из этих факторов отражено в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Из таблицы видно, что низкие температуры и высокие давления смещают равновесие в сторону образования аммиака и увеличения его выхода. Содержание аммиака в равновесной смеси указывает на целесообразность про­ведения процесса при высоком давлении. В этом случае в результате конденсации аммиака облегчается его отде­ление от непрореагировавшей азотоводородной смеси. Однако значительно увеличивается расход энергии на ее сжатие, ужесточаются требования к качеству и надежно­сти оборудования. При понижении же давления упро­щается аппаратурное оформление процесса, хотя габа­риты аппаратов растут. Одновременно снижается расход энергии на сжатие, но увеличиваются энергозатраты на циркуляцию газа и выделение аммиака; повышаются требования к чистоте исходной азотоводородной смеси. Оптимизацией технико-экономических показателей про­цесса было выявлено, что наивыгоднейшее значение да­вления равно 32 МПа.

Поиск оптимального давления несколько упрощается в случае обратимых газовых реакций, протекающих с увеличением объема. Примером такой реакции может

быть конверсия метана водяным паром*[7] для получения водорода:

газ пар газ газ

СН₄ + H2O CO2 + 4H2 – Q

Для подобных газовых реакций графическая зависи­мость выхода продукта от давления характеризуется точ­кой перегиба В на кривой 2 (рис. 8.1). В начальный мо­мент, когда система находится вдали от состояния равновесия, выход продукта с повышением давления уве­личивается. При приближении к равновесию его значение проходит через максимум и затем снижается. Экстремум на кривой позволяет по координатам точки В определить оптимальные значения давления и выхода продукта. Обычно значение оптимального давления для большин­ства подобных реакций колеблется от нескольких де­сятков до сотых и тысячных долей МПа.

Рассмотренные газовые реакции часто завершаются переходом газового компонента в жидкую или твердую фазу в результате его конденсации либо улавливания твердым или жидким поглотителем. Скорость процессов адсорбции, растворения, абсорбции и конденсации газо­вого компонента всегда пропорциональна давлению, под которым этот компонент находится. Поэтому в промыш­ленности для ускорения перехода газа в другое агрегат­ное состояние часто применяют давление выше атмо­сферного. Так, в холодильных установках сжижение аммиака при плюсовых температурах достигается ис­пользованием давления 1,5 — 5 МПа. Обеззараживание воды хлором и насыщение ее кислородом также форси­руются применением избыточного давления. И наоборот, для перевода компонентов в газообразное состояние по­сле их поглощения жидкостью или твердым телом, а так­же для ускорения этих процессов применяют вакуум. Удаление газов и паров из различных материалов при низкой температуре в вакууме позволяет получить особо чистые химические вещества, электротехнические и полу­проводниковые материалы, фармацевтические препараты, а также очень чистые от адсорбированных газов поверх­ности. На такие поверхности напыляются тонкие пленки в производстве микроминиатюрных радиоэлектронных изделий.

В металлургии с помощью вакуума из жидкого ме­талла удаляются растворенные в нем газы (О₂, N₂, H₂), неметаллические включения, летучие — олово, висмут, сурьму, свинец. Одновременно с этим вакуум повышает плотность слитков.

В строительстве вакуумирование провибрированного бетона увеличивает его прочность у поверхности на 20 — 40%, повышает морозостойкость и износостойкость за счет снижения водоцементного отношения. Это эконо­мит время бетонирования, так как дает возможность ис­пользовать покрытие вскоре после его вакуумной обра­ботки.