Синтез хтс Концепции синтеза хтс (обязательные требования)

1. Наиболее полное использование сырьевых ресурсов

-коэф расход по сырью-мин значение

2. Наиболее полное использование топливно-энергоресурсов

-коэф расх по топливу (мин знач)

3. Минимизация отходов (эко безопас)

4. Эффективное использование оборудования

Приемы (эврестики)

1. Наиболее полное использование сырьевых ресурсов

• Выбор сырьевой базы

С-уголь

• Использование избытка одного из реагентов

• Использование фракционного рецикла для повышения степени переработки вещества

См синтез аммиака

• Использование противотока в массобменных процессах «Г-Ж»

• Регенерация с рециклом (экономия вспомогательных материалов)

ХТС производства аммиака

• Утилизация отходов

• Совмещение процессов

2. наиболее полное использование топливно-энергоресурсов

классификация

Использование ВЭР

• регенерация тепла

Регенерация энергии изб давления

• утилизация тепла и энергии

• альтернативные источники энергии

солнечная энергия, энергия ветра, биотопливо, ядерная энергетика, гидротермальные воды

• энерготехнические схемы

2. минимизация отходов

классификация отходов

КПД

Безотходное производство-форма организации производства при которой не наблюдается негативного последствий его деят для окружающей среды (методы контроля не позволяют их обнаружить)

Выбросы вред в-в<<ПДК

Малоотходное производство-имеются негативные последствия но они носят обратимый характер

Вред выбросы<ПДК

Приемы(эвристики)

• см приемы 1 и 2 концеп

• санитарная очистка (см производство

• замена водяных теплообменников на воздушные

• создание водооборотных рециклов

2. эффективное использование оборудования

I-интенсивность

Приемы:

• внедрение(переход) новых технологий

термический крегингкаталитический крекинг

гетероген процгомоген проукаталитич

• переход от периодических процессов к непрерывным

• повышение производительности

-удельн затраты(на оборуд) (руб/т)

Удвоение производ приводит к снижению удельных затрат примерно на 20%

• создание гибких производ систем

• оптимизация режимов аппаратуры (реакторов)

окисление

• совмещение процессов ХТС

производства

р/р окисления аммиака

• использование радиальных аппар вместо аксиальных

• оптимальные схемы реакторов РИС и РИВ

показатели:

для простой реакции

для сложной реакции

Выбор оптимальной схемы РИС и РИВ (парал и послед соед)

РИС

2. Селективность

R

A

S

-каскад

- параллельная реакция

РИВ

Материальные и тепловые балансы ХТС

Мат баланс-общая масса в-в, поступивших в систему равна общей массе в-в, вышедших их нее

– по общей массе

- по i-ному компоненту

По реакции

j- источники (потребители) в-ва

Тепловой баланс- приход тепла или энергии в дальнейшем процессе или сиситеме равен его расходу в той же системе/проц.

-частная степ прев в-ва

Правила составления балансовых уравнений

1. Балансы составл и для элементов реак ур и для системы в целом

После суммирования

-степ окисл

S необх взять больше

2. Выбор базисной системы линейно независимых уравнений реакции

3. Балансовые стехиометрические уравнения

4. Задаться :

1-необратимая реакция

- обратимая

Формы представления балансов

1. Графическая форма

2. Диаграмма баланса

Ширина полосы пропорциональна количеству тепла/энергии

3. Табличная форма

Свойства ХТС

Как известно, ХТС представляет собой совокупность технологических операторов – ХТП, взаимосвязанных технологическими связями. Так как каждый ХТП имеет собственную рабочую характеристику, определяющуюся сложностью элемента, то объединение элементов в ХТС будет сопровождаться взаимным наложением рабочих характеристик элементов. Ситуация будет усугубляться при усложнении технологических связей между элементами. Таким образом, благодаря объединению элементов в систему, она приобретает новые качества, которыми не обладают элементы в отдельности. Простейший пример наложения характеристик элементов при их объединении в ХТС представлен на Рис.1.5.

Рис.1.5. Иллюстрация рабочей характеристики ХТС

На рисунке видно, что рабочие характеристики аппаратов, образующих ХТС, имеют монотонный характер без экстремумов, однако рабочая характеристика ХТС в значительной степени отличается от характеристик ее элементов.

Как известно, реальные производства содержат многие десятки технологических аппаратов, соединенных различными типами соединений и работающих как единое целое. Таким образом, даже при относительной простоте рабочих характеристик аппаратов, рабочая характеристика ХТС будет достаточно сложна, непредсказуема, и зависеть от топологии ХТС. Следует отметить, что рабочая характеристика ХТС в значительной мере может изменяться даже при неизменном наборе элементов, но при изменении ее топологии (данное свойство ХТС называется эмерджентностью). Определение рабочей характеристики ХТС возможно только в результате расчетов или промышленных испытаний.

Рассмотрим другие свойства ХТС, которые необходимо учитывать при проектировании нового или реконструкции существующего производства, а также при эксплуатации существующего:

1. Чувствительность ХТС к внешним и внутренним возмущениям (воздействиям) – это способность системы реагировать на них, т.е. изменять параметры состояния. Необходимо, чтобы система была малочувствительной к возмущениям;

2. Управляемость ХТС – это свойство достигать цели управления. Обычно целью управления является выпуск заданного количества продукции требуемого качества. Для обеспечения требуемой управляемости, проектирование ХТС производится совместно с проектированием системы управления;

3. Надежность системы – свойство сохранять работоспособность в течение заданного времени функционирования. Данная задача решается на этапе проектирования таким образом, чтобы даже при выходе из строя некоторой части вспомогательного оборудования или части системы управления, система сохраняла свою работоспособность;

4. Устойчивость – способность ХТС возвращаться в исходное стационарное состояние после устранения возмущений, вызвавших выход системы из этого состояния

ХТС производства серной кислоты. Химическая и функциональная схемы. Обоснование режимов и аппаратурное оформление обжига колчедана, окисления диоксида серы и абсорбции триоксида серы. Физико-химическое обоснование технологии “двойного контактирования и двойной абсорбции”.

Химическая схема:

4FeS₂ +11O₂=2Fe₂O₃ + 8SO₂ (обжиг серного колчедана)

S₂ + 2O₂=2SO₂ (Или серы)

SO₂ + 1/2O₂=SO₃(Окисление диоксида серы)

SO₃ + H₂O=H₂SO₄(Абсорбция триоксида серы)

Функциональная схема:

1 – обжиг серосодержащего сырья; 2 – очистка и промывка обжигового газа; 3 – окисление SO₂; 4 – абсорбция SO3

Обжиг серосодержащего сырья.

Обжиг колчедана(пирита) – сложный ф-х процесс, включает в себя ряд последовательно или одновременно протекающих реакций:

Термическая диссоциация: 2FeS₂=2FeS + S₂

Газофазное горение серы: S₂ + 2O₂=2SO₂

Горение пирротина: 4FeS + 7O₂=2Fe₂O₃ + 4SO₂

Cуммарная реакция:

4FeS₂ + 11O₂=2Fe₂O₃+8SO₂

При небольшом недостатке или избытке кислорода:

3FeS₂ + 8O₂=Fe₃O₄ + 6SO₂

Термическое разложение пирита начинается уже при 200⁰С и одновременно воспламеняется сера. При температуре выше 680⁰С интенсивно протекают все три р-ции. В промышленности обжиг ведут при 850-900⁰С. Лимитирующая стадия – процесс массопереноса продуктов разложения в газовую фазу и окислителя к месту реакции. При этих температурах твердый продукт размягчается, что способстыует слипанию его частиц. Эти факторы определяют способ проведение процесса и тип реактора.

Реакторы обжига кочедана:

а-полочный(1 – корпус; 2 – полки; 3 – скребки; 4 – ось привода скребков); б-печь кипящего слоя( 1-корпус; 2-теплоообменник). Давление движения твёрдого колчедана указано стрелками внутри аппаратов

Сначала использовали полочный реактор (а).Кусковой колчедан (тонко измельченный создает значительное гидравлическое сопротивление и слипается, что приводит к неоднородному горению) располагается на полках и воздух проходит через неподвижные слои. Для непрерывности процесса обжига твердый мат-л передвигается специальными гребками, вращающмися на оси, проходящим по оси аппарата. Лопатки гребков перемещают куски колчедана по тарелкам поочередно от оси аппарата к его стенкам и обратно как показано на рисунке стрелками, такое перемешивание от оси аппарата к стенкам предотвращает слипание. Свежий колчедан подается на верхнюю полку, огарок выводится снизу. Кол-во колчедана, проходящее ч/з единицу сечения реактора – не более 200 кг/(м2*ч). Скребки усложняют конструкцию, создается неоднородный температурный режим по полкам, трудный отвод тепла из зоны р-ции. Трудности теплосъёма не позволяют получить обжиговый газ с конц SO2 8-9%. Ограничение – нельзя исп-ть мелкие частицы, когда основной способ увеличения скорости превращения-дробление.

Мелкие ч-цы можно перерабатывать в кипящем слое(б). Пылевидный коолчедан подается через питатель в реактор. Окислитель (воздух) подается снизу через распределительную решётку со скоростью, достаточной для витания, что предотвращает слипание и улучшает контакт с газом, выравнивает температуру, обеспечивает подвижность тв мат-ла. Коэфт-т теплоотдачи от ПО слоя сравним с коэф-том от кипящей жидкости, тем самым обеспечен эффективный теплоотвод из зоны р-ции, управление температурным режимом и использование тепла р-ции. Интенсивность процесса – 1000 кг/(м2*ч), конц-ия SO2 в обжиговом газе – 13-15%. Недостаток – запыленность обжигового газа из-за мех эрозии подвижных тв ч-ц. требуется очистка газа от пыти в циклоне или электрофильтре.

Состав обживого газа определяется из стехиометрического уравнения 4FeS₂ + 11O₂=2Fe₂O₃+8SO₂

Выразим исходный и конечный объем компонентов через степень превращения кислорода :

Где -исходная концентрация кислорода (в воздухе

-соотношение стехиометрических коэффициентов перед в уравнении реакции окисл (для реакции выше Исходный и конечный объем компонентов в газе составляет 1 и соответвенно

Подсистема обжига колчедана

1-тарельчатый питатель 2 – реактор кипящего слоя 3 – котел-утилизатор 4 – циклон 5 – электрофильтр.

Концентрация диоксида серы в обживогом газе равна

Откуда

И можно получить связь конценрвций кислорода и диоксида серы :

При обжиге колчеда в избытке кислорода :

(балансовое уравнеиние)

В действительности содержаниее кислорода, определённое по балансовому уравнение, несколько меньше, поскольку часть его расходуются на окисление примесей в сырье, а также имеет место частичное окисления серы до , который затем удаляется при очистке газа. Практически можно использовать уравнение :

Содержание высокой концентрации в обжигом в газе печи КС способствует лучшему использования теплового потенциала реакции горения. Добавление воздуха после обжига позволяет снизить температуру газа и получить необходимое концентрация и перед реактором окисления.

Промывка газа после обжига

Промывка газа после обжига. Газы обжига колчедана содержат примеси соединений фтора, селена, теллура, мышьяка и некоторые другие элементов. Естественная влага сырья также переходит в газ. При горении образуется некоторое количество SO2, возможно, и оксиды азота. Эти примеси приводят или к коррозии аппаратуры, или к отравлению катализатора, а также сказываются на качестве продукта -- серной кис- лоты, поэтому их удаляют в промывном отделении, упрощенная схема которого приведена на рис. 6.27. В первой промывной башни 1 обжиговый газ охлаждается от 570+770 К до 3330-340 К, здесь же улавлива- ются остатки пыли. Во избежание забивания насадки твердым осад- ком (пылью) башня сконструирована полой. Для частичного поглоще- ния химических примесей газ орошается 50-60%-ной серной кислотой. Разбавленная кислота образует в башне сернокислотный туман с развитой поверхностью,что способствует лучшему впитыванию при нанесении. Беспыльный газ промывают 15-20% - ной кислотой из соединений As, F, Se во второй моечной башне 2, оснащенной соплом. Частицы тумана увеличиваются, что облегчает их удаление вместе с конденсированной влагой в последующем мокром электрофильтре 3. Эта операция необходима, поскольку капли тумана содержат растворенные примеси и вызывают сильную коррозию оборудования. Окончательное удаление остатков влаги осуществляется в сушильной башне 4, орошаемой концентрированной серной кислотой-хорошо известным сушильным агентом. Очищенный газ подается в турбодувку, которая обеспечивает его транспортировку по системе. Такое расположение нагнетателя рационально вдвойне: во-первых, в него не попадают разъедающие вещества и, во-вторых, ступени обжига и промывки находятся под небольшим разрядом, что способствует более интенсивному всасыванию воздуха в систему, предотвращая выброс грязных и токсичных газов в атмосферу.