Другие совмещенные процессы

Совмещенные процессы часто используются в химической технологии для разделения смесей и при переработке различных продуктов. В этом случае в одном аппарате одновременно проводят несколько массообменных процессов. Совмещение массообменных процессов, как правило, позволяет существенно повысить эффективность разделения, а также снизить энергетические затраты.

Так, известен процесс экстрактивной кристаллизации, сущность которого заключается в добавлении к разделяемой смеси вспомогательного вещества, которое образует с ней жидкую гетерогенную систему. Вспомогательное вещество (экстрагент) диспергируют в исходной смеси перед ее охлаждением или в процессе охлаждения. При кристаллизации образуется трехфазная система, состоящая из кристаллической фазы, маточного раствора и экстракта. Так как растворимость примесей в экстрагенте выше, чем в маточном растворе, то в процессе кристаллизации они переходят из маточного раствора в экстрагент. Это влечет за собой снижение содержания примесей в твердой (кристаллической) фазе, а значит, и повышение эффективности разделения. Можно сказать, что экстрагент в данном случае играет роль своеобразного буфера для стока примесей. По окончании кристаллизации маточный раствор и экстракт отделяют от кристаллической фазы, а жидкую гетерогенную смесь, состоящую из маточного раствора и экстракта, разделяют различными способами, основанными на разности плотностей жидкостей. Процессы гранулирования часто совмещаются с сушкой и кристаллизацией. При гранулировании растворы обычно распыляются в псевдоожиженном слое растущих гранул. Мельчайшие капли раствора попадают на поверхность гранул, с которой растворитель испаряется за счет подвода теплоты с псевдоожижающим агентом. В результате раствор достигает пересыщенного состояния и начинается процесс кристаллизации, сопровождающийся ростом гранул.

При разделении многих продуктов органического и нефтехимического синтеза используют такие известные процессы, как экстрактивная и азеотропная ректификация, которые также можно отнести к совмещенным процессам.

В первом разделе отмечалась огромная роль каталитических процессов в химической технологии, реализация которых позволяет рационально использовать энергию и материалы. На примере широко известного РЕВЕРС-ПРОЦЕССА [5] можно рассмотреть направленное совмещение в одном аппарате каталитической реакции и процесса рекуперации тепла. Схема реверс-процесса представлена на рис.17.

Идея процесса состоит в следующем. В ходе каталитической реакции (в зоне 1) происходит выделение тепла. Тепловую энергию можно эффективно использовать для нагревания исходной смеси, применяя инертную насадку 2 в качестве регенеративного теплообменника, периодически изменяя на противоположное направление движения исходной газовой смеси, т.е. на катализаторе происходит превращение токсических примесей в безвредные, а выделяющееся в ходе реакции тепло служит для нагревания очищаемого газа, что обеспечивает автотермичность процесса. Периодический реверс газового потока позволяет создать в центре слоя катализатора высокотемпературную зону реакции (300-600⁰С), а торцевым слоям инертной насадки отводится роль регенераторов тепловой энергии. Такой режим работы обеспечивает не только низкую энергоемкость процесса, но и его стабильность при колебаниях входных параметров (концентрации реагентов, температуры, объема).

I II

1 2

Рис.17. Схема реверс-процесса:

1 - слой катализатора; 2 - инертная насадка; 3 - вентили;

I - исходная (очищаемая смесь); II - продукт

На основе идеи периодического реверса потока газа в слое катализатора разработан ряд промышленных процессов, таких как:

· окисление диоксида серы в триоксид с последующей абсорбцией и получением товарной серной кислоты. Для осуществления процесса используются промышленные ванадийсодержащие катализаторы. Наибольшая эффективность достигается при переработке газов с низкой концентрацией SO₂ (от 1 до 7-8%), что позволяет утилизировать диоксид серы, например, на предприятиях цветной металлургии;

· очистка газов от токсичных органических примесей и аммиака путем их окисления до углекислого газа, паров воды и азота. Для осуществления процесса используются оксидные катализаторы, не содержащие драгоценных металлов.

Для удаления из газов летучих органических соединений (стирол, фенол, уксусная кислота, формальдегид и др.) с содержанием менее 500 мг/м³ разработан вариант адсорбционно-каталитического реверс-процесса [5]. Этот метод представляет собой направленное совмещение в одном аппарате адсорбции, каталитической реакции и процесса регенерации тепла. Указанный способ очистки газов с очень малым содержанием примесей основан на адсорбции органических примесей в слое адсорбента-катализатора с периодическим окислением сорбированных соединений до нетоксичных (углекислый газ и пары воды) за счет разогрева катализатора в режиме с реверсом потока.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем заключается системный подход к задаче рационального использования материальных и энергетических ресурсов в химической технологии?

2. Дайте краткую характеристику основным иерархическим уровням, на которых рассматривается проблема энерго- и ресурсосбережения.

3. В чем состоят особенности уровня наномасштаба? Что определяет атомная эффективность в применении к химическим реакциям?

4. Какие основные ограничения свойственны реакционным и массообменным процессам?

5. Что понимается под интеграцией основных процессов химической технологии?

6. Дайте определение последовательным, сопряженным и совмещенным процессам.

7. Приведите примеры процессов с рекуперацией механической и тепловой энергии. Кратко охарактеризуйте каждый такой процесс.

8. Приведите примеры массообменных сопряженных процессов.

9. С какой целью применяется сопряжение процессов дистилляции и кристаллизации, экстракции и кристаллизации?

10. В чем состоит принцип совмещения процессов. Приведите одну из возможных классификаций совмещенных процессов.

11. Составьте материальный баланс для пространственно-временного контура, соответствующего границе одного аппарата. Разберите три частных случая. Какие ограничения они позволяют преодолеть?

12. Объясните, в чем состоит суть реакционно-массобменных процессов.

13. Приведите альтернативные варианты технологической схемы разделения трехкомпонентной смеси способом обычной ректификации. Сопоставьте их со схемой реакционно- ректификационного аппарата.

14. Проанализируйте основные закономерности реакционно-массообменных процессов на примере открытой системы, где осуществляется обратимая химическая реакция изомеризации.

15. Приведите пример реакционно-сорбционного процесса.

16. В чем заключается сущность реакционно-мембранных процессов? Изобразите принципиальную схему мембранного реактора дегидрирования циклогексана.

17. Опишите принцип действия мембранных биореакторов. Приведите принципиальную схему одного из них.

18. Назовите другие, известные Вам, направленно совмещенные процессы. В чем состоит суть реверс-процесса?

Заключение

Продуктивное развитие отраслей промышленности тесно связано с эффективностью использования материальных и энергетических ресурсов и обеспечением экологической чистоты каждого производства. К решению этих задач всегда существовали два подхода. Первый – дальнейшее совершенствование уже используемых технологий и принципов путем внедрения автоматизированных систем управления, оптимизации энергетических и материальных потоков, т.е. перехода от одного варианта технологической схемы к другому. Этот путь успешно используется и часто дает ощутимые результаты [7], но он не затрагивает основных принципов построения технологического процесса.

Второй, более перспективный подход связан с изменением самих технологических процессов и принципов, позволяет более полно и комплексно перерабатывать исходное сырье. Использование этого подхода обеспечивает коренное изменение технологий, приводящее не только к улучшению качества продукции, но и решению задач создания безотходных и малоотходных энергосберегающих производств. Об этом как раз и идет речь в настоящем пособии.

Библиографический список

1. Медоуз Д.Х., Медоуз Д.Л., Рандерс И. За пределами роста.: Пер. с англ./Под ред. Г.А. Ягодина. М.: Прогресс, Пангея, 1994.-304с.

2. Конторович А.Э., Добрецов Н.Л., Лаверов Н.П. и др. /Энергетическая стратегия России в XXI веке// Вестник Российской академии наук. 1999. Т. 69, №9. C. 771-789.

3. Саркисов П.Д. Проблемы энерго- и ресурсосбережения в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии// Хим. пром-сть. 2000. №1. C.20-27.

4. Саркисов П.Д., Дмитриев Е.А. Энерго- и ресурсосбережение в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии// Энергосбережение в химической технологии: 2000. Материалы науч.-практич. конф. Казань: КГТУ им. А.Н.Туполева, 2000. С.10-13.

5. Катализаторы и каталитические технологии в химическом синтезе, нефтепереработке, энергетике, экологии, медицине: Сб. матер. инс-та катализа им. Г.К. Борескова СО РАН. – Новосибирск: 1999. 82 с.

6. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. В 2 кн., Кн.2./ В.Г.Айнштейн, М.К.Захаров, Г.А.Носов и др. – М.:Химия, 2000 1760 с.

7. Серафимов Л.А., Тимофеев В.С. и др. /Технология основного органического синтеза. Совмещенные процессы. – М.: Химия, 1993. 416 с.

[*] - одна из возможных классификаций.