Рециклы в ХТС и характеристические функции

В ХТС циркулировать могут исходные, конечныe и промежуточныe вещества, а так же вода (охлаждающие или нагревающие агенты).

Циркуляция исходных веществ, связана с неполной степенью их превращения. После выделения продуктов исходные вещества вновь возвращаются в процесс. Основными причинами неполноты использования сырья является наличие термодинамических ограничений, малая скорость протекания основного взаимодействия, ограничение времени контактирования и избыток реагента.

Типичным примером неполноты использования сырья из-за термодинамических ограничений является синтез аммиака.

Реакция синтeза аммиака обратимая, экзотермическая, протекает с увеличением объема. Поэтому для ее смещения в сторону образования продукта необходимо понижать температуру и повышать давление. Но при низкой температуре скорость реакции ничтожно мала из-за большой величины энергии активации (Е). для снижения Е вводят катализатор - активированное железо, который активен при температуре около 500 ⁰ с. При этой температуре и давлении 98,1 МПа равновесный выход аммиака составляет 57,47%. В промышленных условиях процесс ведут при давлении 30 МПа, при котором равновесный выход составляет 26,44%. Это

предельные возможности химической системы синтеза аммиака в указанных условиях.

Для достижения этого выхода требуется очень большая продолжительность процесса Поэтому, его проводят вдали от состояния равновесия, применяя большие объемные скорости (малое время контактирования).

В результате интенсивность (производительность) процесса возрастает.

Как видно из этих данных, увеличение объемной скорости в

три раза приводит к снижению мольной доли аммиака в 1,4 раза.

Производительностъ при этом возрастает в 2,1 раза. Поэтому увеличение объемной скорости - способ интенсификации циркуляционных процессов.

Выбор объемной скорости должен обеспечитъ определенное

время контактирования сырья с катализатором, минимальный

"проскок" сырья, а в сложных процессах - оптимальную селективность. Кроме того, следует иметь ввиду, что после стадии синтеза следует стадия разделения, (например, конденсации) и, чем больше объемная скорость, тем больше останется неконденсированного продукта.

В экзотермических процессах увеличение объемной скорости должно быть согласовано с количеством выделяющегося тепла,с целью организации автотермического процесса, при котором количество теплоты, отводимое из системы, должно быть равно количеству теплоты, выделяющегoся в результате реакции.

При определенной температуре количество отводимой теплоты постоянно; количество же выделяющейся теплоты возрастает пpопорционально пpоизводительности аппарата. При слишком малой пpоизводительности количество отводимой теплоты может быть выше количества выделяемой теплоты, в результате чего система

будет охлаждаться. Если пpоизводительность слишком высока, то количество отводимой теплоты может быть меньше выделяющейся, что приведет к перегpеву системы.

Возврат непрореагировавшиx исходных веществ также применяется и в случае использования избытка реагента. Типичными примерами являются процессы получения хлорбензола и этилбензола, которые проводятся в избытке бензола как вешества, не участвующего в побочных реакциях. В случае этилбензола в процесс

возвращается не только исходный продукт - бензол, но и получаемые побочные продукты - полиалкилбензолы с целью их превращения в целевой продукт - алкилбензол.

Помимо непрореагировавших исходных веществ, в ХТС могут организовываться рециклы и по конечным веществам. В основном, это вызывается необходимостью снижения интeнсивности процесса, например, в сильно экзотермических реакциях,для

предотвращения неуправляемого тепловыделения. Например, при сжигании серы рецикл организуется по полученному газу: после котла­утилизатора часть потока возвращается в печь для сжигания серы, что приводит к снижению скорости реакции и регулирует выделение тепла.

Аналогично организуются рециклы по серной кислоте в абсорбционном отделении в производстве серной кислоты с целью регулирования скорости тепловыделения.

В автокатaлитических процессах конечные продукты возвращаются для интенсификации начальных стадий. Например, кислота, образующаяся при гидролизе эфиров, катализирует процесс гидролиза.

Помимо химических процессов, рециркуляция продуктов осуществляется в физических процессах, что позволяет регулировать качество продукта. При кристаллизации твердых веществ возвращается часть кристализата для получения более крупных кристаллов; после дробления и рассева твердых продуктов мелкая

фракция возвращается в процесс на cтaдию грануляции порошкообразных материалов, а крупная снова на дробление и т.д

Большое количество рециркуляционных включений организуется в хтс по промежуточным веществам: катализаторам (см. каталитический крекинг), растворителям, экстрагентам. для направленного действия хТс в систему вводятся кросс-агенты: например, аммиак в технологии соды по методу Сольве. Эти вещества также должны возвращаться в процесс.

Особенно следует отметить необходимость организации рециклов по воде в ХТС с целью создания;замкнутых систем водооборота, что позволяет решить ряд экономических и экологических проблем.

Рециpкуляция энергетических потоков позволяет организовать современные многотоннажные хтс как химико-энергетические системы, производящие, наряду с химическим продуктом, энергию, которая может использоваться в самом процессе или передаваться на сторону. К таким системам относятся современные производства аммиака, метанола, азотной и серной кислот и Т. Д.

Таким образом, применение рециклов в хтс позволяет

увеличит степень использования сырья;

повысить качество продуктов;

создавать благоприятные условия функционирования хтс;

повышать экологическую безопасность производства;

в некоторых случаях экономить энергию.

При организации замкнутых ХТС следует иметь в виду наличие примесей (В том числе и инертных), которые могут накапливаться в подобных системах.

Присутствие инертных примесей понижает парциальное

давление (концентрацию) реагируюших веществ, что приводит к уменьшению выхода продукта (для процессов, протекающих с уменьшением числа молей) и снижает интенсивность процесса.

Кроме того, при организации рецикла примеси накапливаются в системе, что нарушает стационарность процесса. Поэтому они должны непрерывно выводиться из системы. Для этой цели, при участии газов в качестве реагирующих веществ, применяется отдувка - отвод части потока из системы. Образующиеся продувочные газы должны утилизироваться

Следовательно, объем продувки и соответствующие ему потери сырья тем больше, чем больше примесей в исходном сырье.

В условиях растворения (распределения) примесей в продукте и побочных веществах в балансе инертных примесей необходимоучитывать и эти величины.