Физико-химические основы технологического процесса

Основная цель выполнения этого раздела – дать обоснование норм технологического режима в реакторе (концентраций, температуры, давления, степени превращения и т. д.).

Для обоснования норм технологического режима привлекаются данные по термодинамике, а также сведения по механизму и кинетике основных и побочных реакций.

Термодинамические данные используются для определения области значения параметров, в которой процесс протекает, а также для расчета степеней превращения исходных веществ, если процесс происходит в равновесных условиях.

Кинетические данные (константы скоростей химических реакций, константы равновесия, энергии активации реакций) необходимы как при определении норм технологического режима, так и при расчете размеров реакторов.

Следует напомнить, что нормы технологического режима определяются как кинетическими, так и технико-экономическими показателями. Так, например, повышение температуры ведет к увеличению скорости процесса и к повышению производительности единицы объема реактора, но с ростом температуры может, например, уменьшаться селективность процесса, т. е. увеличиваются затраты сырья. Кроме того, верхний предел температуры может определяться и термической устойчивостью перерабатываемых и получаемых веществ, а также свойствами и стоимостью конструкционных материалов, свойствами энергоносителей и катализаторов.

Давление в аппарате определяется не только исходя из конструкционных зависимостей для скорости процесса или константы равновесия, но и исходя из затрат на создание давления или вакуума, требований техники безопасности и т. п. Например, назначение в аппарате давления меньше атмосферного нецелесообразно там, где перерабатываются огне- или взрывоопасные вещества при температурах выше температур самовоспламенения. Подача воздуха в эти реакторы через фланцевые соединения или при появлении трещин в конструкционном материале за счет эрозии, коррозии и т. п. приводят к взрыву. Целесообразно в этом случае вместо вакуума работать при давлении выше атмосферного или применять инертные разбавители для снижения парциальных давлений перерабатываемых веществ. В аппаратах величина рабочего давления может определяться также гидравлическим сопротивлением в целом. Часто незначительное повышение давления позволяет использовать такие дешевые хладагенты, как промышленная оборотная вода или воздух вместо значительно более дорогого рассола.

Назначение степени превращения сырья, а, следовательно, и величина времени контакта определяется, в основном, зависимостью селективности от степени превращения, поэтому стремление к полному превращению сырья может привести иногда к неоправданному увеличению реакционного объема.

Концентрации реагентов определяются стремлением достичь не только высоких скоростей процесса, но также обеспечением высокой селективности с учетом кинетических порядков основной и побочных реакций. Выбираемые концентрации могут определяться величинами вязкости растворов, стремлением обеспечить требуемые режимы теплообмена и т. д. Иногда целесообразно для поддержания высоких скоростей процесса и больших степеней превращения поддерживать в реакторе избыток одного из реагентов. Обычно выбирают для этого реагент дешевый и легко выделяемый в дальнейшем на стадии очистки. Такой прием при назначении норм технологического режима позволяет добиться более полного использования дорогого и дефицитного сырья за счет рационального соотношения реагентов в реакторе.

Г л а в а 8

_________________________________________________________________

8. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОСНОВНОЙ
И ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ

_________________________________________________________________

Общие положения

Задачей технологического расчета является определение размеров аппарата, обеспечивающих заданную производительность, и количества всех аппаратов, составляющих схему производства.

Принципы расчетов оборудования периодического и непрерывного действия различны, хотя конечная их цель сводится к нахождению, преимущественно, объема аппарата или поверхности теплообмена.

Геометрические размеры, например, реактора – это высота (H) и диаметр (D). При этом диаметр реактора можно определить из соотношения

где V₀ – объемная производительность, м³/с;

w – скорость движения реакционной смеси, м/с;

f – площадь сечения реактора, м².

Длина рабочей зоны реактора равна

где V_p – объем реактора, м³;

t - среднее время пребывания реакционной смеси в аппарате, с.

Объем реактора равен

Исходными данными для технологического расчета химической аппаратуры являются:

- предварительная аппаратурно-технологическая схема, предусматривающая характер выбранных аппаратов и их взаимосвязь в материальном потоке;

- объемы перерабатываемого сырья, полупродуктов и готового продукта на каждой технологической стадии производства (в сутки, в час, в секунду). Количества перерабатываемых продуктов, полученных в материальном расчете, переводятся в соответствующие объемные величины;

- длительность каждой стадии технологического процесса.

При определении оптимального технологического времени студент не должен просто переносить в дипломный проект параметры, указанные в регламенте производства, с которыми он познакомился во время прохождения преддипломной практики. Необходимо учесть возможность длительности отдельных стадий за счет усовершенствования процесса: введение более эффективно действующего инициатора или катализатора, изменение соотношения реагирующих компонентов, повышение эффективности перемешивания, обогрева и т. д.;

- скорость протекания реакционной массы через аппарат в м/с или в других единицах для реакторов непрерывного действия. Эта величина зависит от кинетики химической реакции, длительности аналогичной стадии периодического процесса, вязкости реакционной смеси и, наконец, заданной степени конверсии исходных продуктов;

- возможные соотношения длины (или высоты) аппаратов «идеального» вытеснения к их поперечному сечению. Для аппаратов «идеального» смешения и комбинированных типов необходимо заранее предполагать характер передачи реакционной смеси из одного аппарата (или секции) в другой.

После завершения технологического расчета каждого аппарата необходимо дать обоснованный выбор конструкционного материала для его изготовления. Виды конструкционных материалов рассмотрены в главе 9.