Thread Content
Второе впечатление после прочтения «Проектирование химических процессов» - Реакция Liutaize Реакция – это душа всей системы химического процесса. Благодаря своему глубокому механизму и множеству влияющих факторов, оно покрыто таинственной завесой. Особенно большинство инженерно-технического персонала испытывают к нему глубокий трепет и чувствуют, что не могут его контролировать. Фактически, для большинства реакций все еще существуют правила, которым нужно следовать и которые можно усвоить. Общая практика в технике заключается в том, что, когда в реакции участвует катализатор, все данные, связанные с реакцией, предоставляются производителем катализатора. Инженерно-технический персонал рассматривает только такие вопросы, как сепарация и теплообмен. Это осуществимый метод, но глубоко оптимизировать работу всей системы сложно, и нет возможности найти лучший процесс. Потому что когда реакция включена во всю систему, она неразрывно связана со всей системой. Это уже не просто изолированная реакция, и ее необходимо всесторонне взвесить и рассмотреть. Чем сильнее способность инженерно-технического персонала управлять реакциями, тем лучше будет проведена оптимизация всей системы и тем больше вероятность поиска оптимального процесса. Конечно, механизмы некоторых реакций тоже очень сложны. Хотя они были продемонстрированы в промышленной практике, в их реакциях все еще остается много загадок, которые еще не решены, например:: Реакция сжигания, реакция гидрирования каменноугольной смолы, реакция газификации угля и т. д. при извлечении серы. Когда в цикле участвует больше реакций и больше компонентов, а в состав компонентов входит больше опасных веществ и отходов, которые могут вызвать загрязнение окружающей среды, необходимо учитывать как рациональность процесса (низкое энергопотребление, короткий процесс), так и его безопасность и экологическую безопасность. В настоящее время трудно найти лучший процесс и параметры. * * Например, типичным примером является система цикла этерификации и сочетания в технологии синтез-газа с этиленгликолем. По реакциям все остается по-прежнему. Давайте последуем за автором оригинальной книги, чтобы понять влияние различных факторов на разные реакции одну за другой, расширить возможности управления реакциями, выбирать реакции и связанные с ними параметры с глобальной точки зрения и, в конечном итоге, добиться оптимизации и улучшения всей системы. 1. Путь реакции В соответствии с требованиями к продукту обычно существует несколько путей производства продукта, например:: Продукты серной кислоты могут быть изготовлены из кислого газа, серной пасты или жидкости для десульфурации. ； Продукты этиленгликоля можно производить по этиленовому маршруту или по маршруту синтез-газа. ； Симптоматический кокс можно получить нефтяным методом или методом каменноугольной смолы. Выбор различных путей в основном учитывает следующие аспекты:: 1. Надежен ли технический маршрут. Хотя индустриализация каждого технического маршрута требует первого человека, который его опробует, надежность основной работы, особенно наличие узких мест в реакционной части, требует тщательной проверки. Трудность в разработке новых маршрутов реакций часто заключается в отсутствии подходящих катализаторов, таких как преобразование диоксида углерода в метанол. ； 2. Экономика, то есть расчет экономических счетов и сравнение затрат. ； 3. Поставка сырья. Различные маршруты поставок сырья для одного и того же продукта также будут иметь большое влияние, например, из коксового газа в метанол, газификации угля в метанол, из природного газа в метанол и т. д. Стабильность сырья, простота очистки, будущие колебания цен, а также соответствие передних и задних устройств - все это будет иметь существенное влияние на продукт. ； 4. Безопасность, безопасен ли он и надежен в эксплуатации. Короче говоря, лучший путь реакции — это тот, при котором реакцию легко осуществить, сырье дешево и легко доступно, а побочных продуктов образуется наименьшее. 2. Характеристики и тип реакции. Эффективность реакции обычно выражается тремя параметрами.: Скорость конверсии, селективность, выход. Для описания производительности реактора селективность часто более важна, чем выход. Последний основан на реагентах в сырье, а первый — на израсходованных реагентах. Очевидно, что в реагентах может содержаться некоторое количество переработанного материала, а не свежего сырья. Следовательно, выход реакции не учитывает разделение и переработку непрореагировавших материалов. Выход реакции имеет значение только в том случае, если по какой-то причине непрореагировавший материал больше не возвращается обратно на вход в реактор. При описании всего предприятия очень важным параметром является общий выход процесса. Автор глубоко это понимает. В определенной технологии кислотообразования выход использованного автором реактора конверсии диоксида серы составляет около 96 %, тогда как выход реактора в аналогичных технологиях составляет около 99,5 %. Для обоих решений, если прямые выбросы выхлопных газов не могут соответствовать стандартам, необходимо увеличить промывку выхлопных газов. После стирки можно добиться сверхчистых выбросов, используя соответствующие группы моющих средств и моющих жидкостей. В составе сырьевого состава автор использует жидкофазную циркуляцию (количество промывочной жидкости относительно меньше количества сырьевой жидкости), а выход всего процесса достигает около 99,99%. По сравнению с аналогичными технологиями он имеет значительные преимущества в реакторе конверсии диоксида серы. Из-за низких требований к выходу за один проход и небольшого объема загрузки катализатора реактор не нуждается в оборудовании сепарационного охлаждения и абсорбции в средней секции. Весь процесс * * Упрощенное, низкое энергопотребление, низкие инвестиции в оборудование и простое управление. Поскольку непреобразованные материалы обычно необходимо отделять и перерабатывать, скорость конверсии реакции не может быть определена при выборе реактора. Конечная скорость конверсии реакции должна определяться последующим процессом проектирования. Но чтобы приступить к проектированию, сначала необходимо сделать некоторые предположения. Конечно, выбранную таким образом скорость конверсии реакции, вероятно, придется многократно пересматривать. Побочные продукты, образующиеся в результате реакции, часто невозможно преобразовать в продукты или сырье. Побочные продукты увеличивают расход сырья. Хотя некоторые побочные продукты могут иметь определенную экономическую ценность, они требуют повышенных затрат на разделение и очистку и не приносят экономической выгоды. Большинство побочных продуктов увеличивают затраты на охрану окружающей среды и затрудняют последующую переработку. Поэтому скорость конверсии выбранной реакции должна иметь максимальную селективность. Единичная реакция Для одиночной реакции целью проектирования является выбранная скорость конверсии реакции, позволяющая минимизировать затраты на оборудование в реакторе. Чтобы увеличить скорость конверсии реакции, необходимо увеличить объем реактора, тем самым увеличивая стоимость реактора, но это может снизить другие затраты в процессе, такие как затраты на последующее разделение, теплообмен и переработку побочных продуктов. Следовательно, для одной необратимой реакции степень конверсии реакции сначала следует выбрать на уровне около 95%. ； Для одной обратимой реакции скорость конверсии составляет около 95% от равновесной скорости конверсии. Параллельные реакции. Целью разработки параллельных реакций является минимизация образования побочных продуктов для выбранной скорости конверсии, то есть реакция имеет максимальную селективность. При выборе условий реакции следует различать кинетику и характеристики равновесия основной и побочных реакций так, чтобы реакция способствовала образованию продуктов, а образование побочных продуктов было минимальным, то есть повышалась селективность реакции. Поскольку для этого типа реакции факторы, влияющие на скорость конверсии реакции, также влияют на селективность реакции, определить скорость конверсии реакции сложно. Если порядок реакции побочной реакции превышает порядок реакции основной реакции, селективность реакции увеличивается по мере увеличения скорости конверсии. Если порядок реакции побочной реакции меньше порядка реакции основной реакции, селективность реакции снижается по мере увеличения скорости конверсии. Если селективность увеличивается по мере увеличения степени конверсии, то степень конверсии реакции следует первоначально установить на уровне около 95%. Для обратимых реакций скорость конверсии выбирают равной примерно 95% от равновесной скорости конверсии. Если селективность снижается по мере увеличения конверсии реакции, сделать выбор будет сложно. Для необратимых реакций выбранная скорость конверсии составляет около 50%, а для обратимых реакций выбранная скорость конверсии составляет около 50% от равновесной скорости конверсии. Конечно, это лишь предварительные варианты. Скорость конверсии реакции будет изменена после дальнейшего понимания всего процесса. Тандемные реакции. Для тандемных реакционных систем по мере увеличения скорости конверсии селективность реакции, вероятно, будет снижаться. * * уменьшать. Селективность реакции увеличивается по мере уменьшения концентрации побочных реагентов, а это означает, что работа реактора при низкой концентрации продукта, то есть низкой скорости конверсии, выгодна для повышения селективности. Поэтому трудно определить подходящую скорость конверсии реакции для этой реакционной системы. На предварительном этапе для необратимых реакций степень конверсии селективной реакции составляет около 50%. Для обратимых реакций скорость конверсии селективной реакции составляет около 50% от равновесной скорости конверсии. Когда сырье содержит примеси, иногда возникают побочные реакции, которых следует избегать, насколько это возможно. Эту побочную реакцию обычно ограничивают очисткой сырья, а не изменением условий реакции. Например, в технологии этиленгликоля сырьевой газ угарный газ часто содержит водород, и объемная способность водорода в этой реакции выше, чем у метилнитрита и угарного газа. Следовательно, содержание водорода необходимо контролировать в допустимом диапазоне во входном устройстве. Если на входе используется криогенное разделение, как правило, все могут соответствовать требованиям, но для устройств меньшего масштаба перед очисткой монооксида углерода используется PSA или мембранное разделение, и концентрация часто не может соответствовать требованиям, поэтому оксид углерода необходимо дегидрировать в этом устройстве, иначе это повлияет на реакцию. Кроме того, примеси в сырье часто вызывают отравление катализатора или увеличение объема циркулирующего и продувочного газа и т. д. Неблагоприятные ситуации. Автор неоднократно проводил сравнительный анализ и пришел к выводу, что очистка в сырье является лучшим методом. После первоначального определения скорости конверсии реакции и получения максимальной селективности при этой скорости конверсии следующим шагом является определение типа реактора. 3. Модель идеального реактора Обычно используются три типа моделей идеального реактора.: Первая представляет собой идеальную прерывистую модель. В этой модели вещества находятся в полностью перемешанном состоянии. Продукт экстрагируют после периода реакции. Концентрация в реакторе меняется со временем. Материалы полностью перемешиваются, чтобы обеспечить полную однородность концентрации и температуры в реакторе. Эта модель часто используется в тонком химическом производстве. ； Второй тип — это модель непрерывного полностью смешанного потока, то есть как сырье, так и продукция являются непрерывными. Поскольку материалы полностью смешаны, жидкая единица может вытекать из реактора в тот момент, когда она попадает в реактор, или может оставаться в реакторе в течение определенного периода времени, поэтому время пребывания различных жидких единиц в реакторе сильно различается. ； Третий тип — это модель поршневого потока, в которой потоки реагентов текут равномерно без какого-либо смешивания в направлении потока, и все блоки жидкости имеют одинаковое время пребывания. Вышеуказанные три модели реакторов подходят для различных реакционных систем. Для одной реакции, чем выше концентрация реагентов, тем выше скорость реакции. В реакторе непрерывного действия со смешанным потоком реагенты разбавляются образующимися продуктами сразу после входа в реактор. Концентрация реагентов ниже, равна концентрации на выходе из реактора, поэтому скорость реакции ниже, чем в идеальных реакторах периодического действия и реакторах поршневого типа. Следовательно, для одной реакции следует использовать идеальный реактор периодического действия или реактор идеального поршневого типа. Для параллельных реакций селективность реакции тем выше, чем меньше отношение скорости побочной реакции к скорости основной реакции. Когда стадия основной реакции превышает стадию побочной реакции, чем выше концентрация реагента, тем полезнее это для основной реакции. Следует использовать реактор периодического действия или реактор поршневого типа. ； Когда основная стадия реакции меньше стадии побочной реакции, чем ниже концентрация реагента, тем более выгодна она для основной реакции, и следует выбрать реактор непрерывного действия со смешанным потоком. Если в реакции участвует несколько реагентов, судите по уравнению скорости реакции. Когда концентрации реагентов необходимо поддерживать на низком уровне, выбирают реактор непрерывного действия со смешанным потоком. ； Когда необходимо поддерживать высокую концентрацию реагентов, выбирают реакторы периодического действия или реакторы поршневого типа. ； Когда необходимо поддерживать высокую концентрацию одного реагента и низкую концентрацию другого реагента, сначала добавляют один реагент, а другой реагент добавляют непрерывно по мере протекания реакции. Для последовательной реакции, когда скорость конверсии реакции постоянна, время пребывания реагентов составляет определенную величину. Для реакторов непрерывного действия со смешанным потоком распределение реагентов и продуктов по времени пребывания очень широкое. Время пребывания реагентов может быть больше заданного времени или короче заданного времени. Селективность реакции низкая. Поэтому для последовательной реакционной системы следует использовать реактор периодического действия или реактор поршневого типа. Для параллельных последовательных смешанных реакций основное внимание здесь уделяется тому, когда основная стадия реакции меньше стадии побочной реакции. Чтобы получить лучшую селективность реакции, целесообразно использовать форму смешивания: реактор непрерывного действия со смешанным потоком и реактор с поршневым потоком. нравиться: Последовательная комбинация нескольких реакторов непрерывного действия со смешанным потоком, реактора идеального вытеснения с циркуляцией, последовательная комбинация реактора идеального вытеснения и реактора непрерывного действия со смешанным потоком и т. д. Для этой реакционной системы, чтобы получить более высокую селективность, реакционная система должна быть строго спроектирована и экономически рассчитана. Таким образом, когда скорость конверсии постоянна, цель выбора реактора состоит в том, чтобы минимизировать реакционный объем одной реакции и максимизировать селективность сложных реакций. 4. Необратимая реакция в одной концентрации. Обычно не возникает проблем с селективностью этой реакционной системы. Доступность, токсичность и сложность последующего разделения сырья в основном учитываются при определении того, какие реагенты являются избыточными. Одиночная обратимая реакция Согласно принципу Ричарда, если изменение определенных условий в равновесной системе разрушает равновесие, новое равновесие перемещается в направлении, которое уменьшает это изменение. Максимальная скорость конверсии обратимой реакции ограничена равновесной скоростью конверсии. Условия реакции обычно выбирают так, чтобы увеличить равновесную скорость конверсии, например:: Изменяйте соотношение подачи, концентрацию инертных веществ, удаляйте продукты в середине реакции и т. д. Процесс абсорбции два к двум в традиционной технологии производства сухой кислоты является классическим случаем. Реакционные системы, содержащие параллельные и последовательные побочные реакции. Для реакционных систем, содержащих параллельные побочные реакции, чтобы улучшить селективность реакции, определите, какие реагенты являются избыточными в соответствии с порядком реакции. Если побочная реакция является обратимой реакцией и количество молей меняется до и после реакции, образование побочных продуктов можно уменьшить за счет увеличения или уменьшения инертных компонентов. Для всех обратимых побочных реакций добавление побочных продуктов в систему может подавить равновесие побочной реакции. Поэтому на некоторых промышленных предприятиях побочные продукты после разделения возвращают в реактор, чтобы подавить образование побочных продуктов. Для реакционных систем, содержащих ряд побочных реакций, с целью уменьшения образования побочных продуктов этого можно достичь за счет снижения концентрации продукта, а именно следующим образом:: Измените молярное соотношение в сырье, настройте промежуточное разделение и т. д. 5. Температура Для одиночной реакции, если реакция является эндотермической обратимой реакцией, повышение температуры реакции может увеличить скорость конверсии и скорость реакции. Следовательно, в этом случае температура реакции должна быть максимально безопасной температурой использования материала и катализатора. Для одиночной реакции, если реакция является необратимой экзотермической реакцией, температура реакции должна быть самой высокой допустимой температурой. ； Если реакция представляет собой обратимую экзотермическую реакцию, более высокую скорость конверсии можно получить при взаимодействии при низкой температуре, но скорость реакции при низкой температуре низкая. Поэтому в начале реакции используют высокотемпературную реакцию для увеличения скорости реакции. Когда реакция приближается к равновесию, температуру реакции понижают, чтобы увеличить скорость конверсии реакции. Прямо сейчас: Температура реакции постепенно снижается по мере увеличения скорости конверсии реакции. Для сложных реакций повышение селективности часто имеет большее значение, поэтому о нем судят по скорости увеличения константы скорости основной реакции и побочной реакции с температурой. Когда константа скорости основной реакции увеличивается быстрее, чем константа скорости побочной реакции, температуру реакции выбирают как наивысшую допустимую температуру реакции. ； Когда константа скорости основной реакции увеличивается медленнее, чем константа скорости побочной реакции, реакция при низкой температуре может достичь большей селективности. Однако при низкой температуре скорость реакции мала, а объем реактора велик. Следовательно, для определения оптимальной температуры реакции необходим расчет экономического компромисса между увеличением количества продукта и увеличением инвестиций в оборудование. 6. Давление необратимо реагирует с газовой фазой. Увеличение реакционного давления может увеличить скорость реакции и уменьшить объем реактора. Для жидкофазных реакций давление мало влияет. Для обратимых в газовой фазе реакций влияние реакционного давления на реакцию зависит от изменения количества молей во время реакции и от того, является ли реакция простой реакцией или сложной реакцией. Для одной реакции, если количество реакционных молей уменьшается, увеличение реакционного давления может увеличить скорость конверсии реакции, скорость реакции и уменьшить объем реактора. В этом случае в реакции следует использовать реакцию высокого давления. Конечно, это также ограничивается такими факторами, как мощность компрессора, затраты на производство оборудования и безопасность. Для одной реакции, если количество реакционных молей увеличивается, снижение реакционного давления поможет увеличить скорость конверсии реакции. Однако реакция при низком давлении снизит скорость реакции и увеличит объем реактора. Следовательно, в начале реакции реакционное давление должно быть выше. * * Когда реакция достигает равновесия, реакционное давление снижается, чтобы увеличить скорость конверсии реакции. Идеальное реакционное давление должно постепенно снижаться по мере увеличения скорости конверсии. В частности, парциальное давление компонентов-реагентов можно снизить за счет снижения абсолютного давления рабочей системы или добавления разбавителя (обычно инертного газа) в реакционную систему. Для сложных реакций влияние давления на реакцию аналогично влиянию одиночной реакции, но помимо объема реактора более важным является селективность реакции, т.е.: Изменяя давление, соотношение скоростей реакции между побочной реакцией и основной реакцией сводится к минимуму. Для жидкофазных реакций давление мало влияет на скорость конверсии и селективность реакции. При выборе давления в основном учитываются следующие факторы.: 1. Предотвращение испарения продукта ； 2. Испарить жидкость в реакторе, конденсировать ее, а затем вернуть в реактор, чтобы отвести тепло реакции. ； 3. Испарить определенный компонент реакции, чтобы увеличить скорость конверсии обратимой реакции. 7. Катализатор Катализатор может увеличить скорость реакции, но не может изменить химический баланс. Его химический состав и количество не меняются до и после реакции. Для систем, состоящих из нескольких реакций, катализаторы по-разному влияют на скорость различных реакций, что позволяет разработать катализаторы, увеличивающие скорость основной реакции (относительно побочной реакции). Поэтому выбор катализатора оказывает большое влияние на селективность реакции. Катализаторы используются в большинстве химических процессов, и все катализаторы известны. Выбор катализаторов очень важен и во многом зависит от опыта. Каталитический процесс подразделяется на гомогенный катализ и гетерогенный катализ. При гомогенном катализе реакция протекает в одной фазе. Катализатор изменяет механизм реакции, участвуя в реакции, а затем после регенерации возвращается в переработку. Обычно разделение и переработка катализатора затруднены, а потери велики, что приводит к увеличению производственных затрат, загрязнению окружающей среды и т. д. Одним из примеров является процесс мокрого удаления сероводорода, в котором используется комплексное железо в качестве десульфуратора. Гетерогенный катализ означает, что катализатор и реагенты находятся в разных фазах. Обычно гетерогенный катализатор является твердым, а реагенты находятся в газовой или жидкой фазе. Реакции обычно проходят семь этапов.: Внешняя диффузия, внутренняя диффузия, адсорбция, реакция, десорбция, внутренняя диффузия, внешняя диффузия. Весь процесс реакции включает этапы контроля скорости. Некоторые реакции контролируются внешней диффузией, некоторые — внутренней диффузией, а некоторые реакции контролируются внутренней кинетикой. Для реакций, контролируемых внешней диффузией, скорость реакции можно улучшить за счет увеличения линейной скорости реагентов. Для реакций, контролируемых внутренней диффузией, скорость реакции можно увеличить за счет уменьшения размера катализатора. Деактивация катализатора Обычно производительность катализатора со временем постепенно снижается. Для данного реактора снижение скорости реакции приведет к снижению производственной мощности, что обычно компенсируется повышением температуры реакции. Однако слишком высокая температура ускорит скорость дезактивации катализатора, одновременно снижая селективность реакции, что приводит к увеличению количества побочных продуктов. Факторы дезактивации катализатора включают следующие аспекты:: 1. Физическая потеря. В основном из-за потерь при сепарации и циркуляции катализатора в гомогенных реакциях и потерь при рециркуляции из-за износа частиц катализатора в псевдоожиженном слое. ； 2. Поверхностное осаждение. Для жидкофазных реакций поверхностные отложения на твердых катализаторах в основном представляют собой нерастворимые побочные продукты реакции. ； В газофазных реакциях поверхностные отложения на твердых катализаторах в основном представляют собой нелетучие побочные продукты реакции. ； Типичным примером является образование углеродных отложений на поверхности катализатора в реакциях углеводородов (тяжелые случаи коксования). Образование кокса можно предотвратить путем соответствующего регулирования состава сырья. Например, примером может служить добавление метанола, продукта реакции, к исходному материалу реакции гидрирования оксалата. После образования кокса катализатор часто регенерируют путем повышения температуры и окисления углеродных отложений воздухом. 3. Спекание. Когда газотвердые реакции проводятся при высоких температурах, может произойти спекание носителя или активного материала. Спекание — это молекулярная перегруппировка, которая происходит ниже температуры плавления активного материала. Это может произойти при температуре, равной половине температуры плавления катализатора, что приведет к уменьшению эффективной площади поверхности катализатора. Если теплопередача в слое катализатора плохая или реагенты не смешаны равномерно, что приводит к образованию локальных горячих точек, явление спекания будет более серьезным. 4. Отравление. Яды обычно возникают из-за примесей или коррозийных продуктов в сырье. Отравление – это химическая реакция между определенными веществами и катализатором или образование прочных химических связей, разрушающая катализатор и снижающая его активность. Помимо учета скорости конверсии, селективности, стоимости сырья и степени извлечения, при выборе катализаторов также учитывается срок службы. Частая регенерация или замена катализаторов доставит немало хлопот. В то же время, поскольку катализатор не может быть полностью переработан, это также может вызвать проблемы загрязнения окружающей среды. В приведенном выше анализе проанализирован выбор реакции и влияние различных факторов на разные реакции. В реальном процессе реакции он часто является результатом совместного действия многих аспектов. Необходимо добавить больше человеческого анализа и суждений, что требует от самого проектировщика глубокого понимания всей системы. нравиться: Реакция гидрирования диметилоксалата представляет собой реакционную систему, содержащую параллельные и последовательные побочные реакции. На реакцию всесторонне влияют соотношение водорода и сложного эфира (молярное соотношение сырья), температура, давление и катализатор. Существуют также такие явления, как узкий диапазон температур реакции, легкое закоксовывание и легкое измельчение катализатора. Стоит задуматься о том, как добиться наилучшего реагирования среди множества влияющих факторов! Большинство из вышеперечисленных теорий взяты из оригинальной книги с соответствующим добавлением личного понимания автора. Критика и исправления от инсайдеров отрасли приветствуются, а заинтересованные коллеги также приглашаются к общению и обсуждению!