Технологические критерии эффективности работы химического реактора. Степень превращения, селективностью и выходом продукта.

Об эффективности осуществления любого промышленного процесса судят в первую очередь по экономическим показателям: прибыль, себестоимость продукции, приведенные затраты.

Для оценки эффективности отдельных этапов процесса необходимо учитывать также и такие критерии эффективности, которые более полно отражали бы химическую и физико-химическую сущность явлений, происходящих в отдельных аппаратах технологической схемы.

Общепроизводственные критерии:

- производительность – это количество продукта, полученное в единицу времени.

П_R=n_R/τ [кг/ч, т/сут, т/год]

n_R – количество продукта

C_R=n_R/V – концентрация продукта

V – объем

v=V/τ – объемный расход реакционной смеси

П_R=C_R*v

- интенсивность – производительность, отнесенная к какой-либо величине, характеризующей размеры аппарата, - его объему, площади поперечного сечения.

I_R=П_R/V= n_R/Vτ [кг/м³*час]

Технологические критерии эффективности.

A→R

C_A0 – начальная концентрация исходного реагента А

С_А – конечная концентрация исходного реагента А

1 ) степень превращения исходного реагента

x_A=∆C_A/C_A0=C_A0-C_A/C_A0 – доля прореагировавшего исходного реагента.

А+В→R

x_A= C_A0-C_A/C_A0

x_В= C_В0-C_В/C_В0

Уравнение материального баланса-система стехиометрических соотношений (ССС).

aA+bB→rR+sS

C_A0-C_A/a= C_В0-C_В/b=C_R-C_R0/r=C_S-C_S0/s

Если отсутствуют продукты в исходной смеси, тоC_R0=0, C_S0=0.

(С_A0-C_A)C_A0/(a*C_A0)=(С_B0-C_B)C_B0/(b*C_B0)

C_A0*x_A/a=C_B0*x_B/b – уравнение связи двух исходных реагентов

0≤x≤1

Для обратимых реакций предельным является состояние химического равновесия. Этому состоянию соответствует и предельно достижимая при данных условиях равновесная степень превращения:

x_A=∆C_Aе/C_A0=C_A0-C_Aе/C_A0

2) Полная или интегральная селективность – это отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству исходного реагента, пошедшего на все реакции (и целевую и побочные).

φ=С_A→R/C_A0-C_A – интегральная селективность

С_A→R – превращение исходного реагента в целевой продукт

aA→(K1)rR

aA→(K2)sS

ψ_AR=r/a – нормировочный множитель

φ=С_R/ψ_AR(C_Ao-C_A)

ССС

C_A0-C_A/a= C_R-C_R0/r

C_R0=0

C_R= (C_A0-C_A)*r/a= ψ_AR(C_A0-C_A)

3) выход целевого продукта – отношение реально полученного количества продукта к максимально возможному его количеству, которое могло бы быть получено при данных условиях осуществления химической реакции.

Ф_R=C_R/C_Rmax

C_R – получаемое количество целевого продукта

C_Rmax его максимально возможное количество

Уравнения связи критериев эффективности.

Реакции без побочных продуктов.

параметр	A→R	A→R А→S	A↔R	A↔R А↔S
φ= СA→R/CA0-CA		CR/ CA0*xA*ψAR		CR/ CA0*xA*ψAR
CR	CA0*xA*ψAR	CA0*xA*ψAR*φ	CA0*xA*ψAR	CA0*xA*ψAR*φ
CRmax	CA0*ψAR	CA0*ψAR	CA0*xAe*ψAR	CA0*xAe*ψAR
ФR=CR/CRmax	xA	xA*φ	xA/xAe	xA*φ/xAe

(C_A0-C_A)*C_A0/(a*C_A0)=C_R/r, C_R=C_A0*x_A*ψ_AR

x_Ae – равновесная степень превращения (максимально возможная).

3) Стадия очистки природного газа от сернистых соединений при получении технологического газа для синтеза аммиака (стадия сероочистки). Технологический режим и аппаратурное оформление.

Принципиальная схема получения азотоводородной смеси.

1 – очистка СН₄ от сернистых соединений

2 – трубчатая печь, паровая конверсия

3 – кислородная конверсия

4 – конверсия СО

5 – очистка СО и СО₂

Присутствие сернистых соединений в технологических газах нежелательно. Во-первых, они являются сильнодействующими каталитическими ядами, во-вторых, вызывают коррозию аппаратуры.

природный газ ряда месторождений содержит значительное количество соединений серы – неорганических (сероводород) и органических (сульфидоксид углерода COS, сероуглерод CS₂, тиофен, сульфиды, дисульфиды, меркаптаны RCH).

Чем больше молекулярная масса соединения, тем труднее оно удаляется из газа. Самый трудноудаляемый – тиофен.

Допустимое содержание сернистых соединений 1 мг/м³

В современных агрегатах синтеза аммиака применяют двухстадийную сероочистку.

1 стадия. Сераорганические соединения гидрируются с использованием алюмокобальтмолибденового (Al-Co-Mo) или Al-Ni-Mo катализатора при температуре 350-400 ᵒС и давлением 3-4 МПа.

RS+H₂→H₂S

CS₂+4H₂→2H₂S+CH₄

COS+H₂→H₂S+CO

2 стадия. Образовавшийся сероводород при температуре 390-410 ᵒС поглощается сорбентом на основе оксида цинка:

ZnO+H₂S→ZnS+H₂O

При повышенном содержании сернистых соединений в природном газе применяется очистка адсорбционным методом с использованием синтетических цеолитов (молекулярных сит). В их состав входят Na₂O, Al₂O₃, SiO₂. Сорбция осуществляется при температуре, близкой к комнатной. Регенерируют цеолиты при 300-400 ᵒС.

аппараты, применяемые для сероочистки, могут быть радиального, полочного или шахтного типа.

Сероочистка осуществляется в 4, 5 и 6 аппаратах.

Природный газ сжимают в компрессоре 16, смешивают с азотоводородной смесью и подают в подогреватель 4, где реакционная смесь нагревается до 370-400ᵒС. Далее нагретый газ подвергают очистке от сернистых соединений: в реакторе 5 на Al-Co-Mo катализаторе проводится гидрирование сераорганических соединений до сероводорода,, а затем в адсорбере 6 сероводород поглощается сорбентом на основе оксида цинка. обычно устанавливают два адсорбера, соединенные последовательно или параллельно. Один из них может отключаться на загрузку свежего сорбента. Содержание H₂S в очищенном газе не должно превышать 0,5 мг/м³ газа.

Затем производится регенерация и ZnS улетучивается.

Дата добавления: 2015-08-18