Файл: Пинаев Г.Ф. Основы теории химико-технологических процессов учеб. пособие.pdf

ных исходных веществ таікже увеличивает скорость твердо­ фазных реакций.

Следует отметить, что, как правило, нельзя достигнуть того, чтобы все факторы интенсификации процесса одновре­ менно имели бы максимальные численные значения. Так, уве­ личения удельной поверхности фаз достигают с помощью их диспергирования, а это затрудняет осуществление противото­ ка и делает невозможным максимизацию движущей силы процесса АхА •

С другой стороны, увеличение АхА при абсорбции газов достигается проведением процесса при возможно более низ­ ких температурах, в пределе — при температуре вблизи точ­ ки плавления растворителя. Однако понижение температуры

(МЭА) — довольно вязкую жидкость. Если сильно .увеличи­

мальные температура сорбции, концентрация хемосорбента, дисперсность фаз, скорость движущихся фаз и т. д.; указан­ ные оптимальные условия обычно не совпадают с экстре­ мальными условиями существования фаз.

Увеличение скорости движения фаз, степени дисперсности фаз, повышение давления, температуры — все это требует материальных затрат. Поэтому иногда оптимальные с точки зрения кинетики процесса условия при учете всех затрат ока­ зываются отнюдь не оптимальными, и их требуется соответ­ ствующим образом скорректировать, учитывая не только стоимость полученных продуктов и израсходованного сырья, но также все эксплуатационные и амортизационные расходы.

§ XII.5. Основные типы реакторов для осуществления гетерогенных реакций

Реакторы с мешалкой, применяемые для осуществления гомогенных реакций (рис. Х.15, Х.17), могут быть использо­ ваны и для гетерогенных реакций, если мощности привода мешалки достаточно для перемешивания суспензии и исклю­ чены такие нежелательные явления, как образование насты­ лей и пробок твердой фазы в ходе реакции. Такие реакторы могут быть реакторами периодического или непрерывного действия, и в них невозможен противоток.

311

Характерным типом реактора, который применяют при операциях выщелачивания полезных компонентов из крупно­ зернистых материалов, является шнековый растворитель, схе­ ма которого показана на рис. XII.6, а. При желании в указан­ ном растворителе можно осуществлять и прямоточное и противоточное движение фаз.

При осуществлении твердофазных реакций или реакций с участием твердой, газообразной и, возможно, жидкой фаз используют два основных типа реакторов: трубчатую и шахт­ ную печь.

Трубчатая, или барабанная, печь (рис. X I 1.6, б) предназна­ чена для тонко размолотых материалов и представляет собой вращающийся цилиндр («барабан»), слегка наклоненный к горизонту (от 1 до 7°) и изнутри футерованный огнеупорным кирпичом. Трубчатые печи применяют для сушки или обжига сыпучих материалов. Наиболее крупные (до 200 м длиной) трубчатые печи применяют в производстве глинозема и порт­ ланд-цемента.

Шахтные печи (рис. ХІІ.6, в) представляют собой верти­ кальную шахту, имеющую в верхней части устройства для за­ грузки сырья (шихты), а в нижней — устройства для вы­ грузки обожженного продукта. Необходимая температура поддерживается за счет подачи дутьевого газа в нижней ча­ сти печи и углеродистого материала (кокса, нефтекокса и

но широкое распространение шахтные печи получили в метал­ лургии; к их разновидностям относятся ватер-жакетная печь для выплавки медного штейна, а также доменная печь. Объ­ ем современных доменных печей достигает 3200 м2 .

Для осуществления хемосорбции газов растворами ис­ пользуют скрубберы и тарельчатые колонны. В скрубберы (рис. X I 1.6, г) жидкость подается сверху аппарата как оро­ шение, проходит аппарат, накапливается в сборнике и снова подается на орошение. С целью увеличения межфазной по­ верхности осуществляется диспергирование жидкости путем ее разбрызгивания или применения насадки. Скрубберы при­ меняют в производстве серной кислоты (промывные башни),

кает с верхней тарелки на нижнюю через переливные трубы. Газ барботирует на каждой тарелке через слой жидкости. В тарельчатых аппаратах осуществляется противоток. Такие

312

Рис. X I 1.6. Конструкции реакторов для осуществления гетерогенных реакций:

а — шнековый растворитель; б — трубчатая печь; в — шахтная печь; г — скруббер; д — тарельчатая колонна; е — печь кипящего слоя .

тификации и др. При необходимости в тарельчатых колоннах можно получать кристаллические вещества, например бикар­

ций и процессов массопередачи широко используются про­ цессы в кипящем слое. Примером реактора в кипящем слое является печь для обжига серного колчедана в производстве серной кислоты (рис. XII.6, е).

Все более широкое распространение в промышленности для получения твердых продуктов из растворов или суспензий (пульп) находят реакторы типа распылительной сушки, пред­ ставляющие собой высокие пустотелые башни, в которые по­ дают горячие топочные газы. В верхней части таких аппара­ тов расположены разбрызгивающие устройства, а в нижней — полки с гребками и выгрузные устройства. Их применяют в производстве удобрений (аммофос, нитрофоска), триполифосфата натрия и других производствах.

Из приведенных примеров следует вывод: типы реакторов для осуществления гетерогенных реакций более разнообраз­ ны, чем для гомогенных, классификация их затруднительна, а оптимальный выбор конструкции в настоящее время почти невозможно программировать.

Поэтому при проектировании новых технологических про­ цессов или усовершенствовании конструкций реакторов для осуществления гетерогенных реакций требуется предвари­ тельно испытывать реакторы в условиях, максимально приб­ лиженных к реальным производственным. С целью экономии материалов, затрат на изготовление и эксплуатацию произ­ водственному испытанию обычно подвергают реактор мень­ шей производительности, чем проектируемый. Такой реактор, оснащенный вспомогательным оборудованием и используе­ мый для моделирования проектируемого реактора, называют пилотной установкой, опытно-промышленной установкой или полупромышленной установкой. Перенос результатов, полу­ ченных на аппаратах малой производительности (пилотная установка), на аппараты большей производительности назы­ вают масштабным переходом.

Интенсивность гетерогенных реакций может изменяться при масштабном переходе. Отсюда вытекает необходимость многократного испытания процесса на действующих моделях аппаратов все большей производительности. К сожалению, такой путь замедляет внедрение новых процессов и требует больших материальных затрат. Математическое моделирова­ ние процесса и использование вычислительной техники при оптимизации гетерогенных реакторов сокращает число произ­ водственных испытаний. В истории техники имеются приме­ ры, когда удавалось осуществлять масштабный переход з

314

Г л а в а XIII

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА

ВХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

§XIII.1. Факторы, стимулирующие прогресс

химической технологии

Оптимальное производство предполагает оптимальное размещение предприятия, использование оптимальной техно­ логии и оптимальное управление производством. Из этих трех составляющих наиболее динамичным является требо­

Всякий технологический процесс подвержен моральному износу, т. е. устарению, если не обеспечены условия его не­ прерывного совершенствования или прогресса.

Хотя побудительные причины к осуществлению тех или иных технических усовершенствований в каждом конкретном случае могут быть различны, в целом их можно разбить на группы родственных между собой факторов: 1) медико-физио­ логические и санитарно-гигиенические; 2) эстетические и психологические; 3) геогигиенические; 4) технико-экономиче­ ские факторы.

К числу медико-физиологических и санитарно-гигиениче­ ских относятся факторы, направленные на уменьшение про­ изводственного травматизма, предотвращение аварийных сос­ тояний производства, уменьшение его вредности для рабо­ тающих и для населения, проживающего вблизи химических предприятий.

Эстетические факторы в настоящее время активно втор­ гаются в технику и технологию. Так, многим деталям и устройствам придается форма, улучшающая условия произ­ водственного комфорта, разрабатывается оптимальная рас­ краска деталей и помещений, размещение приборов на пуль­ те и т. д. В этой связи возросла роль инженерной психологии как науки о реакциях человека на те или иные внешние воз­ действия во время работы. Мероприятия технической эстети­ ки и инженерной психологии уменьшают утомляемость рабо­ тающих и повышают их производственную культуру, а следо­ вательно, и производительность труда, что имеет в конечном счете экономическое значение.

316

К геогигиеническим факторам технического прогресса от­ носятся все факторы, направленные на охрану природы, т. е. на уменьшение воздействия работающих предприятий на жи­ вотный и растительный мир, водную среду, атмосферу и ландшафт. Роль геогигиенических факторов все время возра­ стает, чго связано с увеличением размаха производственной деятельности человека, в настоящее время уже достигающей геологического масштаба. Так, если бы все радиоактивные отходы сбрасывали в океан, то уже сейчас уровень радиоак­ тивности в океане достиг бы опасной величины.

ров и выхлопных газов от всех примесей. Указанные требо­ вания могут быть удовлетворены при усовершенствовании способов очистки промышленных выбросов и, следовательно, должны быть отнесены к важным факторам технического прогресса химической промышленности.

Технико-экономические факторы являются наиболее важ­ ными и действенными факторами технического прогресса как в области аппаратуры, технологии производства, так и в об­ ласти управления производством. В 'частности, совершенство­ вание технологии стимулируется необходимостью повышения качества продукции, расширения сырьевой базы производ­ ства, увеличения выпуска и снижения себестоимости про­ дукции.

Основные показатели качества химической продукции — содержание основного вещества и примесей, наличие специ­ фических показателей или свойств, обусловливающих после­ дующее использование веществ по их основному назначению.

Высокие требования к качеству химической продукции предъявляют следующие отрасли народного хозяйства: атом­ ная техника, производство полупроводниковых и радиотех­ нических материалов, производство люминофорных, лазерных и оптических материалов.

Особенно высокие требования к чистоте веществ предъяв­ ляет полупроводниковая техника. Так, электрические свой­ ства германия заметно изменяются при концентрации приме­ сей порядка 1 атома на 1010 атомов. При изготовлении полу­ проводниковых изделий требуется вводить примеси опреде­ ленных элементов в строго определенных концентрациях — порядка 10""°—10_ 3 %. Химическая технология откликнулась на требования полупроводниковой техники созданием и про­ мышленным осуществлением процессов зонной перекристал­ лизации, усовершенствованием ранее известных методов очи­ стки веществ — ректификации, сублимации и других ме­ тодов.

317