Химическая подготовка воды

В технологии неорганических веществ газофазные гомогенные процессы осуществляются, например, в производстве серной, азотной и соляной кислот. Так, в парах сжигают серу в печах камерного типа для получения диоксида серы; получают оксид азота из воздуха в условиях низкотемпературной плазмы (10³-10⁵ К) по реакции:

N₂ + O₂ = 2NO, DН = -179,2 кДж

В низкотемпературной плазме осуществляется также электрокрекинг углеводородов, например метана с целью получения ацетилена, синтез озона из кислорода и др.

В производстве азотной кислоты  в газовой фазе идет окисление  оксида азота в диоксид по суммарному уравнению

2NO + O₂ = 2NO₂, DН = -119,3 кДж

В газовой фазе идет синтез хлороводорода из водорода и хлора в производстве соляной кислоты по экзотермической реакции:

Н₂ + Cl₂ = 2HCl

Гомогенные процессы в  жидкой фазе применяют в промышленности чаще, чем газофазные. Скорость химических реакций в жидкой фазе, как правило, в тысячи раз выше, чем в газах (при той же температуре), но скорость диффузии в жидкостях значительно меньше, чем в газах, вследствие высокой вязкости жидкости. Коэффициент диффузии в газах составляет 0,1-1 см²/с, а в жидкостях 10^-4 - 10^-5 см²/с.

К гомогенным процессам в  жидкой фазе относятся, например, реакции  нейтрализации и обменного разложения в технологии минеральных солей. В жидкой фазе осуществляют ряд процессов  в технологии органических веществ: получение простых и сложных  эфиров, полимеризация в растворах  и расплавах, щелочное плавление бензолсульфокислот в производстве фенола, отдельные стадии сернокислотной гидратации этилена в производстве этилового спирта и др.

В гомогенных средах - газовой  и жидкой - многие процессы идут по цепному механизму: окисление, полимеризация и пиролиз углеводородов, галогенирование углеводородов, синтез хлороводорода из элементов и др.

На скорость гомогенных процессов  в газовой и жидкой фазах влияют концентрации реагирующих компонентов, давление, температура и перемешивание.

Влияние концентрации реагирующих  веществ. На скорость химических реакций в общем случае влияние концентрации описывается уравнением:

u = kDc,

причем u может быть выражено через изменение массы продукта D в единице реакционного объема концентрации с или степени превращения х во времени, т.е.

или ,

где Dc определяется различно, в зависимости от порядка реакции и обратимости ее, а также от степени перемешивания.

Влияние давления. Повышение давления ускоряет газовые реакции аналогично повышению концентрации реагентов, так как с ростом давления увеличиваются концентрации компонентов. Следовательно, влияние давления увеличивается с возрастанием порядка реакции.

Всегда благоприятно применение давления для процессов, протекающих  с уменьшением газового объема, так  как, согласно принципу Ле Шателье, повышение давления вызывает увеличение выхода продукта.

Выход продукта газовой реакции  синтеза увеличивается с повышением давления. Повышение давления уменьшает  объем газовой смеси, в результате чего снижаются размеры аппаратов и сечения газопроводов.

Небольшое повышение давления мало влияет на скорость процессов  в жидкой фазе, однако скорости многих реакций в жидкой среде сильно увеличиваются при весьма высоких давлениях. Так, при давлении в несколько сотен мегапаскалей скорость процессов полимеризации некоторых мономеров увеличивается в десятки раз. Установлено, что при нормальной температуре молекулы газов деформируются при давлениях выше 350-500 МПа, а молекулы органических жидкостей - выше 700 МПа. При давлениях, соответствующих деформации молекул, можно проводить такие синтезы, которые трудно или невозможно осуществить при обычных давлениях.

Влияние температуры. Повышение температуры вызывает ускорение гомогенных реакций в соответствии с уравнением Аррениуса.

При повышении температуры  ускоряются и диффузионные процессы. Однако повышение температуры ограничивается условиями равновесия, возникновением побочных реакций и другими причинами. Для всех процессов стремятся установить наиболее рациональную температуру, при которой затраты на нагревание окупаются ускорением процессов.

Для обратимых реакций  повышение температуры, увеличивая константу скорости химической реакции, одновременно влияет на равновесие. Выше указывалось, что для проведения обратимой экзотермической реакции (Р, Т) требуется определенная оптимальная температура, отвечающая максимальному выходу.

Влияние перемешивания. Перемешивание имеет наибольшее значение для жидкостных процессов, поскольку скорости диффузии в жидкостях в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем в газах. Перемешивание растворов позволяет сильно увеличить общую скорость процесса за счет снятия диффузионных торможений. Перемешивание жидкости наиболее часто проводится в резервуарах с механическими или пневматическими мешалками.

Для газовых реакций перемешивание  необходимо, во-первых, для начального смешения компонентов и, во-вторых, для выравнивания концентраций и температур в ходе процесса. Начальное смешение осуществляется при помощи разнообразных форсунок или сопл, через которые подводятся газы, с таким расчетом, чтобы оня смешались в общем турбулентном потоке.

 

3. Сравнение различных  типов химических реакторов

 

Одним из факторов, используемых для сравнения и выбора реакторов, является влияние концентрации реагентов, точнее, движущей силы процесса на производительность реактора. При этом условно принимается постоянство других параметров технологического режима. Распределение концентрации реагентов в различных моделях реакторов приведено в таблице.

Реакторы идеального вытеснения и полного смешения. При прохождении реакционной смеси через реактор идеального вытеснения уменьшается концентрация исходных реагентов С_а по высоте (длине) реактора и в соответствии с этим снижается движущая сила процесса, а при постоянстве других параметров — и скорость процесса.

Аналогичная картина наблюдается  в реакторах периодического действия.

 

Таблица

Сравнение различных типов  химических реакторов

 

Сравнение реакторов  только по скорости процесса недостаточно. Следует еще учитывать, что постоянство  температуры и концентрации реагентов  по всему объему реактора смешения облегчает управление процессом, автоматизацию  работы реактора. Иногда представляется возможным получение продукта одинакового  качества с большим выходом. Например, для проведения ряда процессов полимеризации  предпочтителен реактор полного  смешения вследствие выравнивания концентрации. Ряд каталитических синтезов проходит с достаточной селективностью лишь в узком интервале температур, легко достижимом в изотермических реакциях полного перемешивания. Характерными примерами таких процессов могут  служить синтезы метанола и высших спиртов, в которых повышение  температуры на 10—20°С от оптимальной вызывает побочные реакции.

В реакторах смешения, как правило, эффективнее, чем при  режиме вытеснения, протекают реакции  с высокими концентрациями реагентов  и при больших тепловых эффектах реакции. Интенсивное перемешивание  улучшает условия теплопередачи; уменьшаются  теплообменные поверхности для  отвода (или подвода) теплоты, от реагирующей  системы.

С другой стороны, перемешивание  может вызвать нежелательное  истирание твердых реагентов, эрозию аппаратуры, усиление уноса из реактора измельченных твердых частиц или  капель жидкости. Энергетические затраты  в реакторах смешения могут быть в несколько раз выше, чем при  режиме вытеснения.

Таким образом, для выбора модели реактора необходимо сопоставить  все положительные и отрицательные  стороны предполагаемых типов реакторов  и остановиться на такой модели, которая обеспечит, в конечном счете наиболее экономическое осуществление процесса.

Единичный реактор и каскад реакторов полного смешения. Сравнение распределения концентраций в единичном реакторе полного смешения и в каскаде, состоящем из реакторов смешения одинакового объема, приведено в таблице.

Движущая сила процесса DС в каскаде будет больше, чем в единичном реакторе. Разница в DС будет тем большей, чем большее число реакторов в каскаде. При бесконечно большом числе реакторов в каскаде DС каскада приближается к DС реактора идеального вытеснения.

Реакторы периодического и непрерывного действия. Реакторы периодического действия работают при нестационарном технологическом режиме. При этом независимо от степени перемешивания реагирующих масс изменяются во времени не только концентрации реагентов, но и температура, давление, а соответственно и константа скорости процесса. Если периодический реактор работает в режиме полного смешения, то время, необходимое для достижения заданной степени превращения, рассчитывается по характеристическому уравнению (см. табл.), которое совпадает с характеристическим уравнением реактора идеального вытеснения (см. табл.). Следовательно, если были бы возможны одинаковые условия проведения процесса в реакторах периодического действия и идеального вытеснения, то их объемы были бы равны между собой. Однако, условия протекания процессов в промышленных проточных реакторах, как правило, лучше, чем в периодических.

Кроме того, производительность реактора периодического действия ниже, чем реактора идеального вытеснения, работающего непрерывно, потому что  при использовании периодически действующего реактора затрачивается  некоторое время на загрузку реагентов, после чего в нем происходит химическое превращение. По окончании реакции  производят опорожнение реактора, на что также требуется определенное время. Следовательно, работа такого реактора складывается из чередующихся циклов: загрузка — химическое превращение  — разгрузка. При этом полезным периодом работы реактора является стадия химических превращений.

Таким образом, использование  периодически работающих реакторов  целесообразно для малотоннажных  производств, например реактивов, некоторых  катализаторов, фармацевтических и  лакокрасочных материалов.

 

4. Технологические  связи между элементами ХТС

 

Химико-технологически есистемы представляют совокупность физико-химических процессов и средств для их проведения с целью получения продукта заданного качества и в требуемом количестве.

ХТС состоит из элементов, из отдельных частей, в которых  протекают технологические операции, необходимые для достижения цели, поставленной перед ХТС.

Конкретные ХТС отличаются большой сложностью и разнообразием  структур, практически все конкретные структуры могут быть при помощи декомпозиции и агрегации элементов (объединение нескольких элементов  в так называемый суперэлемент) сведены к небольшому числу типовых структур с характерным соотношением направлений соединяющих их потоков.

Последовательная технологическая  связь - это такая связь (рис.1, а), когда поток, выходящий из одного элемента, является входящим для следующего и все технологические потоки проходят через каждый элемент системы не более одного раза. Последовательное соединение элементов - основной прием в химической технологии, так как оно соответствует многошаговому принципу переработки сырья в качественно различных элементах.

Параллельная технологическая  связь - это такая связь, когда выходящий из i-гo элемента ХТС поток разбивается на несколько параллельных подпотоков (рис. 1, б). Параллельная технологическая связь применяется для повышения мощности, надежности, гибкости ХТС, а также при параллельном получении на базе одного исходного вещества двух или нескольких продуктов.

Последовательно-обводная технологическая  связь (байпас) - это такая технологическая связь, при реализации которой часть выходного потока из одного элемента минует некоторые элементы ХТС в последовательной цепи аппаратов, а затем снова объединяется с основным потоком. Примером такой связи является цепочка аппаратов: делитель потоков, теплообменник, смеситель потоков (рис. 1, 3) для регулирования температуры на выходе теплообменного узла. Кроме того, байпас широко применяется в системах переработки с последующим смешением, где для обеспечения заданного состава и качества продукта необходимо переработать не весь поток, а лишь часть его. Потоки смешиваются в таком соотношении, чтобы получился продукт заданного качества.

Обратная технологическая  связь (рис. 1, г) характеризуется наличием рециркуляционного потока, связывающего выход последующего элемента ХТС с входом предыдущего.

Обратная технологическая  связь предусматривает многократное возвращение потоков в один и  тот же элемент системы. Типичными  примерами ХТС с обратными  связями являются ХТС синтеза  метанола. аммиака и др.

 

а)

б)

в)

г)

 Рис.1. Технологические связи

 

По особенностям технологические  структуры ХТС подразделяют на разомкнутые и замкнутые. В разомкнутых ХТС технологические потоки проходят через любой элемент системы только один раз. Замкнутыми называются ХТС, содержащие, по крайней мере, одну обратную технологическую связь.