Основные критерии для оценки технологических, экологических и экономических хтп.

Технологические критерии:

• Степень превращения;

• Селективность;

• Выход готового продукта;

• Производительность;

• Интенсивность.

Экологические критерии:

• Коэффициент воздействия на окружающую среду;

• Коэффициент эффективности инженерного барьерного сооружения;

• Коэффициент использования воды и т.д.

Экономические критерии:

• Себестоимость продукции;

• Удельные капитальные затраты;

• Удельные приведенные затраты.

Лекция 2.

Технологическая схема синтеза аммиака.

Реакция (1.1) H 0 (экзотермическая реакция) осуществляется в колонне синтеза (Р=30 МПа, Т=600⁰С).

Исходная азотоводородная смесь (abc) проходит рекуперативный теплообменник (движение в трубном пространстве), нагреваясь за счет тепла, подаваемого в циркулирующую abc (движение в межтрубном пространстве) и поступает в колонну синтеза. Реакционная смесь (РС) из колонны синтеза (содержание не более 15 % NH₃) проходит через систему теплообменников, охлаждается и NH₃ конденсируется. В сепараторе сконденсированный NH₃ отделяется от непрореагирующей азотно-водородной смеси. Не прореагировавшаяся abc компрессором дожимается до рабочего давления и возвращается в цикл.

Блок подготовки (БП)

: рекуперативный теплообменник, система теплообменников

Блок химических превращений(БХП)

: колонна синтеза

-

Реактор

это устройство, предназначенное для осуществления химических реакций, сопровождаемых гидродинамическими, тепло – и массообменными процессами.

Блок разделения (БР)

: сепаратор

- совокупность аппаратов (устройств), предназначенных для выделения ЦП

Рис.2.2 Схема колонны синтеза:

Исходная abc поступает в нижнюю часть колонны синтеза, проходит снизу вверх по каналу коаксиальнообразованному внутренней боковой поверхностью корпуса и наружной боковой поверхностью катализаторной коробки, нагревается за счет Q, отходящей из зоны реакции. Затем проходит через рекуперативный теплообменник, поток смеси изменяет направление на 180⁰ и поступает потом на верхний слой катализатора (твердые частицы оксида железа: FeO, Fe₂O₃. На поверхности катализатора протекает реакция (1.1). реакциооная смесь выходит из катализаторной коробки, поднимается по центральной трубе и выходит из колонны синтеза.

Технологические критерии:

1.Степень превращения хj (степень использования сырья)

Характеризует долю прореагирующего исходного реагента.

aA+bB rR+sS (2.1)

A и B – исходные реагенты,

R и S – продукты реагенты,

a, b,r,s - стехиометрические коэффициенты.

Уравнение химической реакции записывается на основе закона сохранения массы.

j – исходный реагент.

х_j степень превращения для продуктов реакции (ПР) не существует.

∆ n_j= n_j,0 −n_j,f (2.3)

где n_j,0 и n_j,f - начальное количество исходного реагента (ИР) и количество не прореагирующего исходного реагента (на выходе из реактора или к определенному моменту τ) в [молях или киломолях], если рассматривается газофазная реакция и не учитывается изменение объема в процессе протекания реакции, то степень превращения х_j(n_j) или х_j(с_j).

n_j [кмоль ]

с_j [кмоль/м³]

с – массовая доля (%)

масс % - количество вещества в 100 граммах смеси.

Объемная доля (%) – количество вещества в общем объеме смеси.

N нормальное количество грамм-эквивалент в единице объема.

Мольная:

V- объем, занимаемый реакционной смесью.

Если при протекании реакции изменением объема можно пренебречь, тогда х_j(n_j) = х_j(с_j) по величине ∆N=(r+s+…) – (a+b+…)

Если ∆N>0, то реакция идет с увеличением объема.

Если ∆N<0, то реакция идет с уменьшением объема.

Для реакции (1.1):

∆N=2-(3+1) <0

∆N=0, отсюда следует х_j(n_j) = х_j(с_j).

х_j – это безразмерная величина, изменяется от 0 до 1.

Примеры расчета:

Пример (2.1): В реакторе синтеза аммиака осуществляется реакция (1.1), причем nН_2,O=5 кмоль, x_sH2=0.15 (на выходе из реактора).Требуется определить количество водорода n_rH2,f в реакционной смеси на выходе из реактора.

Расчеты по уравнению химической реакции осуществляются на основе системы стехиометрических соотношений (ССС).

Для реакции (2.1) ССС:

ССС показывает в каких пропорциях вещества вступают в реакцию и образуются.

Для примера (2.1):

; ;

; ;

=0

Предусматривается, где рассматриваются процессы без рециркуляции реакционной смеси.

Запишем ССС (2.4) через степень превращения, для этого разделим и умножим соответствующие дроби, записанные для исходных реагентов на соответствующее значение начального количества вещества.

A B R

Для реакции (1.1) запишем ССС:

Подставим в (2.6) исходные данные примера (2.1) получим:

Проанализируем пути увеличения n_r,f , т.е. продукта реакции:

Смотри формулу (2.6)

• повышение n_B,0 в исходной смеси abc выше стехиометрического значения.

• Экономические затраты на получение Н₂

• 

• повышение х_{B H2} степени превращения

• x_j,e –равновесная степень превращения(только для исходной реагентов).

(2.7')

x_j,e – равновесная степень превращения (записывается только для исходных реагентов), характеризует долю прореагирующего исходного реагента к моменту равновесия.

Химическое равновесие – это динамическое равновесие, характеризующееся равенством скоростей прямой и обратной реакции в момент равновесия общая скорость процесса.

Лекция 3.

2. Селективность.

Этот критерий используют для оценки эффективности осуществления сложных химических реакций, когда наряду с целевой протекает побочная реакция, т.е. используется в случае сложных химических реакций.

aA+bB→rR+sS

a1A+b1B→pP+sS

Экскурс:

Классификация реакций:

• простые

• сложные

В основе лежит признак: сколько раз преодолевается энергетический барьер при осуществлении химической реакции.

Рис.3.1 К понятию энергетического барьера.

RT=8,31∙(272+420)≈5760 кДж/кмоль=5,760 кДж/моль

Характеризует энергию внутренней системы в начальный момент и в конце процесса.

Из закона Гесса:

∆Н _и.р.- энергия исходных реагентов

Средний уровень энергии молекул в системе.

Энергия активации (Е) – это такой минимальный избыток энергии над средним уровнем энергии молекул системы необходимый для осуществления химической реакции.

Е=(40÷60)кДж/моль

Простые реакции:

- это такие реакции, когда энергетический барьер преодолевается 1 раз (слева → направо), в основном необратимые реакции(реакции горения).

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O

Сложные реакции:

- это такие реакции, когда энергетический барьер преодолевается несколько раз.

Например: обратимые реакции:

N₂ + 3H₂ 2NH₃ (1.1)

A→R→S

(3.2)

Первая стадия получения азотной кислоты.