Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Главная страница


В интеграцию основных процессов химической технологии




страница1/4
Дата01.07.2017
Размер0.51 Mb.
  1   2   3   4
федеральное агентство по образованию Российский химико-технологический университет им.Д.И. Менделеева Е.А. Дмитриев, И.К. Кузнецова ВВЕДЕНИЕ В ИНТЕГРАЦИЮ ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ Утверждено Редакционным советом университета в качестве учебного пособия Москва 2005 оглавление 1. 2. Введение…………………………………………………………………... Рациональное использование материальных и энергетических ресурсов в химической технологии……………………………………... 1.1. Взаимосвязь энерго- и ресурсосбережения ………………………... 1.2. Принципиальные пути рационального использования ресурсов… Интеграция процессов…………………………………………………… Основные способы интеграции процессов………………………. Сопряженные процессы…………………………………………… Процессы с рекуперацией механической и тепловой энергии…………………………………………………………….... Массообменные сопряженные процессы……………………… Ректификация азеотропных смесей в двух колоннах, работающих под разным давлением……………………………… Дистилляция-кристаллизация…………………………………….. Экстракция-кристаллизация………………………………………. Совмещенные процессы………………………………………….. Принцип совмещения…………………………………………... Классификация совмещенных процессов…………………….. Реакционно-массообменные процессы……………………….. Реакционно-ректификационный процесс………………………… Реакционно-сорбционный процесс……………………………….. Реакционно-мембранный процесс………………………………... 2.3.4. Другие совмещенные процессы……………………………..…. Контрольные вопросы……………………………………………………. Заключение………………………………………………………………... Биографический список………………………………………………….. 4 5 5 6 14 15 19 19 24 24 26 28 31 31 32 36 36 48 50 54 58 59 59 Введение Освоение курса процессов и аппаратов химической технологии по действующим образовательным стандартам подразумевает изучение гидромеханических, тепловых и массообменных процессов. Как известно, каждому процессу свойственны определенные ограничения, связанные с техническими возможностями, экономической и экологической целесообразностью. Причем основная часть технических ограничений обусловлена специфическими свойствами перерабатываемых веществ. Например, для широко распространенных в нефтехимии и химической технологии массообменных процессов характерны физико-химические ограничения (наличие на диаграммах фазового равновесия особых точек: азеотропных, эвтектических, а также особых областей -ограниченной растворимости, термической устойчивости, химического взаимодействия компонентов смеси и других). Реакционным (химическим) процессам свойственны, как правило, термодинамические и кинетические ограничения (протекание обратимых реакций и низкие скорости реакций). Преодоление этих ограничений представляет собой очень сложную задачу, одним из способов решения которой является интеграция процессов. Объединение процессов, особенно на принципе одновременного протекания в рамках одного аппарата, приводит к созданию новых энерго- и ресурсосберегающих технологий. В настоящем учебном пособии описаны способы интеграции основных процессов химической технологии, связанные с их сопряжением и совмещением (гибридизацией). Существенное внимание уделяется сопряженным массообменным и совмещенным реакционно-массообменным процессам. 1. рациональное использование материальных и энергетических ресурсов в химической технологии 1.1. Взаимосвязь энерго- и ресурсосбережения Проблема рационального использования сырья и энергии имеет двоякий аспект: экологический и экономический. В соответствии с фундаментальными законами природы материалы и энергия, используемые людьми, не исчезают. Переработка материалов, являющихся сырьем для многих отраслей промышленности, приводит к появлению большого количества отходов, а энергия рассеивается, превращаясь из высоко- в низкопотенциальную – тепловую. Существует постоянный поток материалов и энергии от планетарных источников через экономику к планетарным стокам, где накапливаются отходы и загрязнения [1]. Очевидно, пределы темпов использования материалов и энергии должны соответствовать пределам темпов приема отходов планетарными стоками без ущерба природным процессам поглощения, регенерации и регулирования. Энергетика играет решающую роль в нашем обществе, внося существенный вклад в социальное развитие и экономический рост. Можно констатировать [2], «что за истекшие без малого три десятилетия потребление энергии на душу населения существенно выросло, и одновременно произошла резкая дифференциация стран по эффективности использования энергии». «Проанализировав закономерности энергопотребления в различных странах земного шара, можно сделать два вывода: в последние десятилетия большинство развитых стран увеличивали не только количество потребляемой энергии, но и эффективность ее использования; наличие в стране сырьевых, а также ресурсо- и энергоемких отраслей промышленности (металлургия, химия и др.) снижает эффективность использования энергии. Эти выводы подтверждены не только примерами стран, ориентированных на производство и продажу сырья, но и высокоразвитыми странами (США, Канада, Великобритания)» [2]. Системообразующим стержнем всей промышленности является химическая и сопряженные с ней отрасли (нефтехимическая промышленность, черная и цветная металлургия и др.), связанные с использованием химических процессов. Без широкого ассортимента продукции химических отраслей современная промышленность практически не может существовать. Но, как известно, продукция химического комплекса характеризуется повышенным сырьевым и энергетическим индексом, причем доля материальной компоненты в структуре затрат на производство достигает 70 . Табл. 1 дает представление о потреблении сырья и энергии в химической и нефтехимической промышленности [3]. Таким образом, проблема рационального использования материальных и энергетических ресурсов оказывается особенно важной в химической и смежной с ней отраслях промышленности. 1.2. Принципиальные пути рационального использования ресурсов Энерго- и ресурсосбережение можно рассматривать в узком смысле как оптимизацию материальных и энергетических потоков существующих технологических процессов. В то же время эту задачу можно понимать и более широко как поиск новых путей рационального использования сырья и энергии для получения необходимых продуктов. Такой взгляд на проблему приводит к рассмотрению задачи рационального использования Таблица 1. Технико-экономические показатели по энерго- и ресурсопотреблению некоторых производств базовых химических продуктов (по данным НИИТЭХИМ в отраслевых организациях) [3] Наименование Россия Зарубежье , Энергопотребление (Гкал т) 1. Аммиак (удобрение, полупродукт) 2. Метанол 3. Карбамид 4. Сода каустическая 5. Сода кальцинированная 6. Тарное стекло (ккалкг) 7. Первичная переработка нефти, вакуумная перегонка мазута 8. Каталитический крекинг 9. Гидрокрекинг 10.Коксование 9,6 – 10,3 11,2 – 12,6 1,3 – 1,8 1,3 – 1,8 1,0 – 1,5  2000 34,1 1 поколение 73,0 2 поколение 70,3 147 73 6,7 – 7,0 7,0 – 7,5  1,0 1,08 1,0 1250 19 – 21 21,8 67 46,9 32,5 30,0 35,5 30,3 20,0 37,5 40 60 54 37 5,0 6,2 2,7 50 30 5-10 50 - Потребление сырья, т т Винилхлорид (для ПВХ) Этилен (ПЭ) высокого давления Этилен (ПЭ) низкого давления 1,05 1,78 1,1 1,00 1,67 1,07 Коэффициент выхода бензина. Каталитический крекинг Гидрокрекинг 1 поколение 25 2 поколение 34,2 3 поколение 44,6 Бензин – 24 Диз.топливо - 66 45 – 50 47 39 Данные на 2000 год. сырьевых и энергетических ресурсов на различных иерархических уровнях, начиная от молекулярного и кончая окружающей средой и рынком [3, 4]. В табл. 2 представлены принципиальные пути энерго- и ресурсосбережения на различных иерархических уровнях, условно названных как нано-, микро-, мезо-, макро- и мегамасштаб Наномасштаб (молекулярный уровень) Здесь речь идет о поиске химических реакций или их последовательности, обеспечивающих в идеальном случае безотходную технологию. При этом атомная эффективность, характеризующая степень использования атомов исходных реагентов, должна приближаться к 100 . Это означает, что все компоненты, получающиеся в результате химической реакции (основы технологического процесса), должны являться используемыми продуктами. Наличие отходов неизбежно уже из-за химизма некоторых реакций, положенных в основу производства ряда химических продуктов. Так, производство серной кислоты из железного колчедана сопровождается образованием отходов в виде так называемого «огарка» (Fe2O3): 4 FeS2 11O2  2Fe2O3 8SO2 0,5 О2 Н2О SO2  SO3  H2 SO4 4 FeS2 15O2 8H2O  2Fe2O3 8H2 SO4 (1) Применяя понятие атомной эффективности к реакции (1), можно рассчитать ее величину (71 ). Но при получении серной кислоты можно перейти на другое сырье и использовать вместо серного колчедана элементарную серу, окисляя ее до SO2, или использовать SO2, образующийся в качестве отхода на других предприятиях. Путь замены реакций с низкой атомной эффективностью на новые каталитические процессы с полным использованием всех атомов исходных реагентов оказывается очень плодотворным для сокращения отходов (прямая экономия сырья за счет практического отсутствия побочных продуктов). Наномасштаб охватывает и перспективное решение таких задач, как разделение смесей, например, парамагнитных (О2) и диамагнитных (N2) молекул при продувании воздуха через пористый сверхпроводник. На уровне наномасштаба огромное значение имеет катализ, в том числе и биокатализ, как радикальный прием снижения энергетических затрат и получения новых продуктов. Следует отметить, что катализ уже на данном этапе является основой химических производств. Доля каталитических процессов в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности составляет 80-85 и постоянно возрастает. В XXI веке роль катализа в обеспечении устойчивого развития еще более возрастет. Чтобы подчеркнуть особую роль катализа, достаточно упомянуть развитие химических процессов от синтеза аммиака (1910 г.) и метанола (1920 г.) до получения бензина из метанола (1980 г.) и окисления углеводородов оксидом азота (1996 г.) Микромасштаб (уровень частиц, капель, пузырей) На данном уровне задачи энерго- и ресурсосбережения должны сводиться к интенсификации процессов на межфазных поверхностях, образуемых частицами, каплями, пузырями. Эти процессы всегда имеют место в химических реакторах и узлах разделения смесей и сопровождаются переносом импульса, энергии и массы. Задачи переноса импульса, энергии и массы наиболее часто сопряжены друг с другом и поэтому особенно сложны. Существенное внимание необходимо уделять направленному развитию различного рода неустойчивостей при протекании вышеуказанных процессов. Интенсификация возникает и при наложении электрических, магнитных, центробежных полей, использовании ультразвуковых и низкочастотных колебаний. Свой вклад в решение проблемы как на этом уровне, так и на уровне наномасштаба, может внести и интеграция процессов, понимаемая здесь как принцип одновременного химического превращения и разделения продуктов реакции. Напомним, что протекание обратимого химического превращения смещается в сторону прямой реакции, если непрерывно удалять продукты из зоны реакции. Мезомасштаб (уровень реакционного узла и системы разделения). Здесь проблема рационального использования материалов и энергии решается путем создания новых, совершенствования традиционных процессов разделения и реакционного узла. Существенный эффект вносит оптимизация традиционных способов разделения, таких как ректификация, абсорбция, экстракция, кристаллизация. Экономия достигается и созданием новых типов химических реакторов, ориентированных на проведение каталитических процессов. Решение проблем разделения гомогенных смесей энерго- и ресурсосберегающими способами реализуется при интеграции различных методов. Такое сочетание способов разделения позволяет создавать комплексные системы, объединяющие достоинства и компенсирующие недостатки каждого из методов в отдельности. Особенно привлекательной выглядит идея объединения реакционного узла и системы разделения (выделения продуктов) в одном аппарате. Такие процессы получили название направленно совмещенных (гибридных). Уже существуют реакционно-ректификационные, реакционно-сорбционные, реакционно-мембранные и другие совмещенные процессы. На уровне реакционного узла и системы разделения возможно как технологическое, так и энерготехнологическое комбинирование, т.е. сопряжение материальных и энергетических потоков. Макромасштаб (уровень агрегата, завода) На этой стадии решающее значение приобретают интеграция и оптимизация технологических процессов и систем целого завода (химического комбината). При этом сопряжение материальных и энергетических потоков выполняется в масштабах целого предприятия. Интеграция и оптимизация энергетических и материальных потоков крупных химических производств может дать экономию общих энергозатрат (по данным Linhoff March) для нефтехимии, неорганических производств, малотоннажной химии – до 30 , для производств смол – до 25 , пигментов – до 15 , пищевых продуктов – до 25 [3]. Результаты инновационной деятельности, заключающиеся в комплексном подходе к проблеме энерго- и ресурсосбережения, могут быть наглядно продемонстрированы на примере такого важного производства, как синтез аммиака. Удельные затраты энергии при производстве аммиака реально приблизились к теоретически возможным в результате улучшения катализатора (нано- и микромасштаб), внедрения турбокомпрессоров (мезомасштаб) и создания интегральной энерготехнологической схемы (макромасштаб). Мегамасштаб (окружающая среда рынок) Уровень мегамасштаба представлен рынком и окружающей средой. При этом требования рынка, направленные на обеспечение возрастающих потребностей общества в химических продуктах, необходимо удовлетворять при безусловном решении задач, связанных с охраной биосферы от диспропорций. Иными словами, химические процессы должны становиться чище, использовать меньше энергии и поставлять хорошо очищенные продукты. Как уже отмечалось, кардинальное решение этих проблем состоит в поиске новых путей химического (биохимического) синтеза для создания безотходных технологий, «чистых» способов подготовки исходного сырья и очистки продуктов. Но в реальных условиях полностью избавиться от отходов и влияния предприятия на окружающую среду невозможно. Поэтому на данном этапе задачи энерго- и ресурсосбережения, как правило, связаны с использованием отходов в качестве вторичных источников сырья и энергии. Безусловно, с целью глобальной экономии материальных ресурсов и энергии необходим переход на возобновляемые источники энергии и безотходные производства. Однако реальное положение дел не позволяет обходиться без очистных сооружений, что, естественно, увеличивает себестоимость продукции. Причем, роль инноваций здесь, по-прежнему, очень важна. Так, на основе энергосберегающего способа каталитической очистки газов от токсичных примесей (реверс-процесс) [5] разработаны и успешно применяются промышленные процессы очистки газов от оксидов азота, токсичных органических примесей и аммиака, окисления диоксида серы в триоксид с последующей абсорбцией и получением товарной серной кислоты. В данном пособии не представляется возможным детально изучить все способы рационального использования материальных и энергетических ресурсов в химической технологии, поэтому речь пойдет о более подробном знакомстве с принципами интеграции основных процессов химической технологии, включая химические. 2. ИНТЕГРАЦИЯ процессов В химической и смежных с ней отраслях промышленности широко используются реакционные, гидромеханические, механические, тепловые и массообменные процессы. Причем, каждый из процессов имеет определенные ограничения, связанные с техническими возможностями, экономической и экологической целесообразностью. Большая часть технических ограничений обусловлена специфическими свойствами перерабатываемых веществ. Например, для реакционных процессов характерны термодинамические и кинетические ограничения (протекание обратимых реакций и низкие скорости реакций), для массообменных – физико-химические ограничения (наличие на диаграммах фазового равновесия особых точек: азеотропных, эвтектических, а также особых областей: ограниченной растворимости, термической устойчивости, химического взаимодействия компонентов смеси и других) [6]. Преодоление этих ограничений представляет собой довольно сложную задачу, которая может быть решена интеграцией процессов. При этом на самом высоком уровне интеграции (совмещенные процессы) возможно преодоление термодинамических ограничений, связанных с химической составляющей. Речь идет, например, о совмещении реакционных и массообменных процессов, когда образующиеся продукты принудительно удаляются из зоны реакции (реакционно-ректификационные процессы, мембранные реакторы и др.). Обычно при сочетании процессов инженеры-технологи действовали чаще всего на основе прямых функциональных связей. Если разделением реакционной смеси методом ректификации не удается сразу получить целевой компонент заданной чистоты, то продукты дистилляции последовательно очищали с помощью других массообменных процессов – той же ректификации, экстракции, адсорбции, кристаллизации и др. Сочетание двух или нескольких технологических процессов в единой схеме приводит, как правило, к нескольким возможным вариантам решения задачи. А поскольку многие процессы могут осуществляться несколькими способами, то число возможных вариантов интеграции может быть весьма значительным. 2.1. Основные СПОСОБЫ ИНТЕГРАЦИИ процессов Практически любое химическое производство можно представить в виде последовательного набора процессов. Особенно это характерно для производства органических продуктов [7]. Производственный комплекс, как правило, состоит из блока подготовки и очистки сырья, блока химического превращения и блока очистки и выделения целевых продуктов (рис.1). Каждый из блоков, как правило, связан с остальными блоками прямыми и обратными потоками вещества и энергии. В свою очередь блоки состоят из определенного числа аппаратов, в которых протекают химические, физические, физико-химические процессы. Такое построение отражает прежде всего желание технологов разделить проблему создания технологического процесса на классы химических, физико-химических и физических задач, которые решаются разными специалистами при помощи традиционных методов расчета. Иными словами, в настоящее время действует принцип раздельного осуществления химического превращения в реакторах различного типа и процессов выделения целевых продуктов в аппаратах для разделения смесей [7]. В ряде случаев это оправдано, поскольку одним из принципов технологии является простота решений. Последнее стимулирует декомпозицию сложной системы на более простые подсистемы, что позволяет упростить не только технологические решения, но и управление промышленными процессами. 6 7 1 2 3 4 5 Рис.1. Структура комплекса производства химических продуктов: I – блок подготовки и очистки сырья; II – блок химического превращения; III – блок очистки и выделения целевых продуктов. 1 – исходное сырье; 2 – очищенное сырье; 3 – неочищенные продукты реакции; 4 – очищенные продукты; 5 – рециркулирующие побочные продукты реакции; 6 – рециркулирующее очищенное сырье (непрореагировавшее); 7 - примеси после очистки сырья Вместе с тем, принцип раздельного осуществления химического превращения и разделения продуктов реакции является не только не обязательным, но и в ряде случаев неэффективным, создающим тупиковую ситуацию в развитии химической технологии. До настоящего времени нет общепринятой классификации способов интеграции процессов. Однако условно все комбинации процессов можно свести к трем группам: последовательные, сопряженные и совмещенные 6 (гибридные). Последовательные процессы – технологическая комбинация последовательно осуществляемых стадий, которые связаны, в основном, прямыми потоками. В качестве примера можно привести последовательно проводимую комбинацию: выпаривание кристаллизация фильтрование сушка. Такого рода сочетание процессов в настоящее время наиболее распространено в химической технологии, хотя оно, как правило, не является рациональным способом использования энергии и материалов. При расчете таких процессов технологические режимы последующих стадий обычно устанавливают исходя из физико-химических свойств и материальных потоков на предшествующих стадиях. К сопряженным относят процессы, состоящие из отдельных стадий, связанных между собой как прямыми, так и обратными материальными и энергетическими потоками. При этом отдельные стадии процесса могут осуществляться одновременно в различных аппаратах (как правило, в случае непрерывных процессов) или же последовательно в одном аппарате (периодические процессы). Простейшими примерами сопряженных процессов являются: выпаривание с тепловым насосом; процессы с применением регенеративных теплообменников (связь прямыми и обратными энергетическими потоками); сочетание ректификации и кристаллизации, ректификация азеотропообразующих смесей в двух колоннах, работающих под разным давлением (связь прямыми и обратными материальными и энергетическими потоками). В сопряженных процессах технологические режимы предшествующих стадий могут зависеть от режимов проведения последующих стадий, что объясняется влиянием обратных потоков. К совмещенным относятся процессы, где, как минимум, две стадии осуществляются одновременно в одном аппарате. Отметим, что в одном аппарате могут совмещаться как однородные (например, два массообменных процесса), так и разнородные (реакционные и массообменные) процессы. В качестве примеров можно привести: вакуумно-выпарной кристаллизатор, в котором одновременно происходит выпаривание легколетучего компонента и кристаллизация растворенного вещества; мембранный реактор, где продукты удаляются из зоны реакции через полупроницаемые мембраны различного вида. Интеграция процессов отличается многообразием возможных вариантов их проведения; особенно большое число комбинаций характерно для сопряженных процессов, что объясняется многочисленностью прямых и обратных материальных и энергетических потоков. Наличие большого числа вариантов реализации комбинированных процессов ставит проблему поиска оптимальной схемы. Для решения этой задачи необходимо выбрать прежде всего критерии оценки рассматриваемых вариантов. В качестве последних могут выступать 6: приведенные затраты на единицу продукции; удельные затраты энергии; коэффициенты извлечения целевых компонентов; предельные концентрации продуктов разделения (степень очистки); эксергетические и другие критерии оценки эффективности. Отметим, что все эти критерии не являются универсальными. Каждый из них обладает недостатками. Например, степень извлечения не позволяет судить об экономической эффективности, степень очистки продуктов разделения ничего не говорит о том, какой ценой это достигается. Эксергетические критерии позволяют судить лишь о степени использования энергии, но не затрагивают других возможных аспектов этой проблемы. К тому же значимость различных критериев может изменяться с течением времени. Из всех упомянутых выше критериев наиболее приемлемыми являются приведенные затраты, или удельные энергетические затраты. В настоящее время именно они чаще всего используются для анализа эффективности процессов. При этом для адекватной оценки процессов с помощью этих критериев необходимо иметь равными исходные параметры потоков, коэффициенты извлечения целевых компонентов, степень очистки и т.д.
  1   2   3   4

  • 1. рациональное использование материальных и энергетических ресурсов в химической технологии 1.1. Взаимосвязь энерго- и ресурсосбережения
  • 1.2. Принципиальные пути рационального использования ресурсов
  • Технико-экономические показатели по энерго- и ресурсопотреблению некоторых производств базовых химических продуктов (по данным НИИТЭХИМ в отраслевых организациях)
  • 2. ИНТЕГРАЦИЯ процессов
  • 2.1. Основные СПОСОБЫ ИНТЕГРАЦИИ процессов