Мысли о чтении «Проектирование химических процессов». Часть третья: разделение

Thread Content

Мысли о чтении «Проектирование химических процессов». Часть третья — Разделение. Разделение, как часть химического процесса, играет чрезвычайно важную роль; оно оказывает значительное влияние на реакции, качество продукции, энергопотребление и инвестиции. Особенно когда рынок того или иного продукта находится в состоянии насыщения или перенасыщения, способность компании выживать во многом зависит от затрат на производство. Затраты на производство, в свою очередь, во многом определяются уровнем энергопотребления, а качество проектирования систем разделения напрямую влияет на уровень этого энергопотребления. С точки зрения последовательности процесса, разделение обычно включает в себя очистку сырья и разделение продуктов реакции; оба этих этапа имеют чрезвычайно важное значение. В общем случае, чем выше чистота сырья, тем лучше для процесса реакции. Нечистоты, присутствующие в сырье, оказывают негативное влияние на систему по следующим причинам: 1) они могут привести к отравлению катализатора; например, при большинстве гидридационных реакций предъявляются строгие требования к содержанию серы, хлора, арсена, фосфора и т. д. в водороде-сырье ； 2. Оказывает тормозящее воздействие на основную реакцию, увеличивает количество побочных реакций и затрудняет разделение продуктов ； 3. При подаче с газофазы увеличивается объем отходящих газов, а при подаче с жидкостной фазы — объем выбрасываемой жидкости, что приводит к увеличению расхода сырья и затрат на последующую обработку. Конечно, с учетом безопасности системы в некоторых реакциях специально добавляют инертные компоненты для разбавления концентрации исходных веществ и обеспечения безопасности и надежности реакции, например, при синтезе метилнитрита. Некоторые способы решения проблемы учитывают необходимость инвестиций и простоту процесса; в таких случаях используется метод разбавления концентрации сырья. Например, в процессе восстановления серы используется каталитическое окисление. Если концентрация H2S в сырье высока, использование адиабатического реактора может привести к перегреву реактора, что делает невозможным использование катализатора. Однако при использовании изотермического реактора затраты на оборудование возрастают, а сам процесс становится более сложным. В таких случаях можно применить метод разбавления концентрации сырья, сохраняя при этом использование адиабатического реактора – это действительно жизнеспособный вариант. Здесь тоже нельзя говорить общего правила: необходимо, исходя из концентрации сырья, объема газа и прочих факторов, провести экономический анализ обоих вариантов, чтобы определить, какой из них лучше использовать. Что касается разделения продуктов реакции, то есть получения сырья, качество этого процесса напрямую влияет на качество готового продукта, его выход и энергозатраты. Особенно когда в сыром продукте много компонентов, присутствуют вещества, склонные к полимеризации или окислению, а температуры кипения компонентов сильно схожи или наблюдается абсорбционный эффект; при этом отсутствуют параметры взаимодействия между компонентами, что требует проведения большого количества экспериментов и фитtingа данных, в результате чего весь процесс разделения становится чрезвычайно сложным. Одним из наиболее типичных примеров является дистилляция для производства этилэнгликоля из синтез-газа. Материалы, подлежащие разделению, делятся на гомогенные и неоднородные. Поскольку разделение фаз происходит легче, в процессе сначала осуществляется разделение неоднородных смесей, а затем — гомогенных смесей. Неоднородные смеси можно разделять на основе различий в плотности отдельных фаз. Для разделения однородных смесей необходимо добавить или сформировать новую фазу, чтобы выполнить задачу разделения. Если в смешанный газ добавить растворитель, этот растворитель может растворять один или несколько компонентов смеси; после дальнейшей сепарации растворитель можно использовать снова. Если в результате реакции образуется смесь газов, то можно добиться разделения путем частичного конденсирования, в результате чего возникает новая фаза — жидкая. В газовой фазе после конденсирования остаются легкокипящие компоненты, а в жидкой фазе — труднокипящие. Таким образом достигается цель разделения. Разделение неоднородных смесей 1. Осаждение: в процессе осаждения частицы под действием силы тяжести отделяются от жидкости. Под частицами здесь подразумеваются твердые частицы или капли, а под жидкостью — жидкости или газы. Например, в оборудовании для флэш-дистилляции, используемом в процессе разделения газо-жидкостной смеси, требуется, чтобы скорость испарения газа была меньше скорости оседания капель ； Фазовый разделитель, используемый для разделения жидкостей в двух фазах; он требует, чтобы скорость потока жидкости была достаточно низкой, чтобы капли с низкой плотностью могли подниматься от дна контейнера к поверхности раздела, а капли с высокой плотностью опускались к этой поверхности и сливались вместе ； Устройство для гравитационной сепарации газа и твердых частиц или жидкости и твердых частиц; отношение его вертикальной высоты к скорости оседания частиц должно быть меньше времени пребывания воздуха в устройстве. Оборудование для осаждения находит применение в большинстве химических установок, таких как используемые в широком распространении резервуары/башни для разделения газов, устройства для получения аммиака из углерода или серы, а также цеха для осаждения в установках по газификации угля. 2. Флотация – это процесс разделения смесей на основе различий в свойствах поверхности частиц. Благодаря пузырькам, образующимся в жидкости, происходит взаимодействие с поверхностью частиц или капель, не растворимых друг в друге; это позволяет некоторым частицам или каплям подниматься на поверхность, тем самым достигая цели разделения. Часто используется для разделения твердотельных и твердотельно-жидких смесей, особенно в процессе обработки минералов для разделения различных минералов. 3. Центрифугирование: когда плотность частиц близка к плотности жидкости, размеры частиц слишком малы или образуется стабильная эмульсия, использование метода гравитационного разделения зачастую приводит к очень медленной скорости разделения. Когда тело вращается вокруг оси с постоянным радиусом, возникает центробежная сила. Эта сила усиливает действие на частицы, и многие из тех частиц, которые невозможно разделить с помощью гравитационного осаждения, могут быть разделены с помощью центробежной силы. Такие устройства, как циклонные сепараторы и центрифуги, относятся к оборудованию для центробежной сепарации. 4. Фильтрация — это процесс, используемый для разделения твердых частиц, находящихся в растворе или газе. Суспензия проходит через пористое вещество; пористое вещество позволяет пройти только жидкости, а твердые частицы не могут пройти через него. Если твердые частицы остаются на поверхности вещества, это называется фильтрацией с образованием осадка ； Если твердые частицы остаются внутри пористого материала, это называется глубокой фильтрацией. Фильтрующий материал может устанавливаться в фильтрующее оборудование в различных формах. Дистилляция как важный метод разделения находит широкое применение. Она подходит для обработки потоков с большой скоростью, при различных концентрациях исходного сырья, позволяет получать продукт высокой чистоты. С развитием технологий, особенно в нефтехимической промышленности, диаметр таких колонн достигает десяти метров и более. Но в некоторых случаях дистилляция не применима, например: 1. разделение веществ с низкой молекулярной массой ； 2. Разделение термочувствительных веществ с высокой молекулярной массой ； 3. Разделение компонентов с низкой концентрацией ； 4. Разделение по категориям компонентов ； 5. Разделение с низкой относительной летучестью ； 6. Выделение летучих веществ из нелетучих. Обычно на начальном этапе проектирования необходимо выбрать процесс и оборудование для разделения, однако оценка единицы разделения должна осуществляться с учетом всей системы в целом. Раздельные устройства обычно потребляют много энергии, но когда происходит тепловое соединение самих устройств и их интеграция с другими устройствами, энергия может использоваться более эффективно. Таким образом, в тех местах, где раньше требовалось подавление извне тепла или холода, его можно получать самостоятельно, без необходимости во внешнем подавлении или при его частичном использовании. При проектировании системы разделения необходимо сначала определить её параметры. Среди важных параметров можно выделить следующие: при снижении давления происходят следующие изменения: 1) увеличивается относительная летучесть, что снижает сложность процесса разделения; при этом уменьшается количество ступеней колонны и коэффициент рециркуляции ； 2. Потенциальная теплота испарения увеличивается, что приводит к повышению тепловой нагрузки на конденсатор и реэвапоратор в верхней части колонны ； 3. Плотность газа снижается, диаметр колонны увеличивается ； 4. Температура ревербератора и конденсатора снижается. При увеличении давления ситуация меняется на противоположную. Однако следует по возможности избегать использования вакуумных процессов, а для охлаждения конденсаторов — использования холодной воды, поскольку это приведет к **увеличению затрат на оборудование и эксплуатацию**. Кроме того, это увеличивает сложность процесса. При наличии возможности давление в системе должно быть не меньше атмосферного; конденсаторы следует оснащать системами водяного или воздушного охлаждения. При определении давления следует учитывать необходимость того, чтобы температура точки пены продукта на верхней части колонны была на 10°C выше температуры охлаждающей воды летом. Конечно, в таких особых случаях, когда материал, подлежащий разделению, представляет собой вещества с высокой молекулярной массой, чувствительные к теплу или способные к полимеризации, при необходимости используется вакуумная среда. Это позволяет снизить температуру кипения материала, тем самым предотвращая его разложение или полимеризацию, что, в свою очередь, способствует улучшению качества процесса разделения и качества готового продукта. Например, в процессе разделения этилэнгликоля почти все реакторы работают в вакуумных условиях. При одинаковых требованиях к разделению с увеличением коэффициента рециркуляции уменьшается количество ступеней колонны, то есть: энергозатраты возрастают, а затраты на оборудование снижаются. Поэтому необходимо с помощью экономического анализа найти оптимальную точку эффективности между ними. Как правило, на начальном этапе проектирования коэффициент обратного потока выбирается в размере 1,1 от минимально допустимого значения; в обычных инженерных проектах он принимается больше чем 1,1, чтобы обеспечить эффективное разделение компонентов и избежать ситуаций, когда из-за колебаний в производстве или ошибок в проектировании и производстве невозможно достичь требуемого уровня разделения. Оптимизация одной башни имеет ограниченное значение; для максимизации эффективности необходимо оптимизировать этот показатель на более позднем этапе проектирования с учетом системной интеграции. При проектировании условий подачи обычно используется подача на уровне точки кипения, то есть подача насыщенной жидкости, что позволяет сделать скорость потока газа выше и ниже точки подачи одинаковой. При использовании переохлажденного сырья уменьшается количество ступеней в секции дистилляции, увеличивается количество ступеней в секции ректификации; при этом увеличивается тепловая нагрузка на ректификатор, а объем холода, необходимый для охлаждения, снижается. По мере углубления проектирования процесса параметры, такие как вышеупомянутое давление, коэффициент обратного потока и условия подачи сырья, постоянно меняются. Поэтому перед интеграцией системы нет необходимости в их оптимизации. Разделение компонентов систем с близкой температурой кипения или абсолютных смесей гораздо сложнее по сравнению с простым дистилляцией, если легкие и тяжелые компоненты могут образовывать абсолютные смеси. Во-первых, необходимо оценить чувствительность состава абсолютных смесей к изменению давления. Если изменение давления приводит к изменению состава абсолютной смеси более чем на 5%, то следует рассмотреть возможность использования дистилляции при переменном давлении для её разделения. Согласно тому, является ли образовавшийся абсорбционный смесью наименьшей или наибольшей абсорбционной смесью, производится настройка процесса для определения потока в цикле. Чем меньше изменяется состав абсолютного смеси при изменении давления, тем больше объем потока в циклической системе. В то же время в качестве предварительного решения рассматривается возможность теплового соединения; окончательное решение будет принято после интеграции тепловых потоков во всей системе. Однако, исходя из личного опыта автора, при интеграции тепловых потоков во всей системе необходимо максимально соблюдать независимость отдельных единиц, чтобы избежать ситуаций, когда процесс не может функционировать из-за использования минимальных значений расхода, рассчитанных на основе чисто теоретических данных. Трансформационная дистилляция широко применяется в химических установках; типичным примером является разделение метанола и диметилкарбоната. Когда абсолютные составы при абсциссе кипения нечувствительны к давлению или речь идет о системах с трудноотделяемыми компонентами, необходимо добавить другое вещество для изменения относительной летучести ключевых компонентов с целью достижения цели разделения. Этот метод обычно делится на: абсорбционную дистилляцию, экстракционную дистилляцию. В процессе абсорбционной дистилляции в качестве абсорбента обычно используются легколетучие вещества, которые образуют абсорбционные смеси с ключевыми компонентами, тем самым способствуя их разделению ； В процессе экстракционной дистилляции в качестве экстрагента обычно используется компонент с низкой летучестью; он извлекается из нижней части колонны и не образует абсолютных смесей с какими-либо другими компонентами. Это позволяет использовать более широкий спектр возможностей для выбора подходящего экстрагента. Обычно экстрактант имеет структуру, схожую со структурой тяжелых компонентов-ключевых элементов, и способен образовывать с ними практически идеальную смесь; при этом с легкими компонентами-ключевыми элементами он образует неидеальную смесь, что повышает относительную летучесть ключевых компонентов. Чем выше скорость потока экстрактанта, тем лучше качество разделения, но при этом увеличивается энергопотребление и температура дистилляции. Хотя использование средств для разделения по качеству позволяет решить проблемы разделения, с которыми не может справиться процесс ректификации при изменении давления, это неизбежно приводит к появлению новых веществ. Кроме того, потери в процессе ректификации могут стать причиной загрязнения окружающей среды. Лучшим решением является сокращение объема таких средств на этапе их производства. Однако полностью избежать потерь средств для разделения на этапе производства крайне сложно, а это сопряжено с высокими затратами. Поэтому в обычных инженерных проектах по возможности следует использовать вещества, уже присутствующие в исходной системе, в качестве средств для разделения компонентов; нет необходимости вводить новые вещества. Абсорбция и десорбция являются взаимно обратными процессами; это распространенный метод для разделения веществ с низкой молекулярной массой. Для процесса поглощения необходимо использовать абсорбент; по возможности следует применять в качестве абсорбента вещества, уже имеющиеся в системе. Когда смесь газов проходит через жидкий растворитель, растворитель в первую очередь поглощает один или несколько компонентов. Несколькими важными факторами, влияющими на эффективность поглощения, являются: температура, давление и скорость потока жидкости. В абсорбционной башне растворимое вещество переходит из газовой фазы в жидкую, при этом выделяется тепло, что приводит к повышению температуры от верхней части башни до её нижней части. Если концентрация компонентов низкая, то поглощаемая теплота мала, и прирост температуры по высоте колонны также невелик; в противном случае прирост температуры велик. При снижении температуры растворимость растворяемого вещества увеличивается, а при повышении температуры — наоборот; поэтому следует избегать работ в условиях высоких температур. Кроме того, для предотвращения негативного влияния повышения температуры на процесс поглощения, иногда охлаждается раствор, используемый в абсорбционной башне; обычно для этой цели применяется охлаждающая вода, а при необходимости — хладагент. Этот подход применяется, например, в процессах низкотемпературной обработки метанолом или в колоннах для очистки с использованием этилэнгликоля. Существуют также варианты охлаждения поглощаемой среды или охлаждения поглотителя. Если абсорбент представляет собой легкокипящий компонент, он может быть легко унесен газовой фазой на вершину колонны, что приводит к потере абсорбента или к тому, что продукт не может быть получен на выходе. Поэтому необходимо охлаждать или конденсировать газовую фазу на вершине колонны, как это делается в колоннах для абсорбции эфиров этиленагликоля. При снижении давления растворимость растворяемого вещества уменьшается; при повышении давления растворимость увеличивается, однако для этого требуется больше энергии. Существует проблема выбора оптимального варианта. Степень легкости поглощения компонентов определяется коэффициентом поглощения: чем выше этот коэффициент, тем легче происходит поглощение, и тем меньше требуется количества теоретических плит для достижения необходимого уровня разделения. Но когда коэффициент поглощения велик, влияние увеличения скорости потока жидкости на эту величину будет незначительным. Оптимальный диапазон коэффициента поглощения составляет 1,2–2,0; часто используемое значение — около 1,4. После растворения растворимого вещества в жидкой фазе для его разделения необходимо произвести десорбцию. Абсорбент можно использовать повторно; коэффициент десорбции должен быть достаточно высоким для обеспечения эффективной десорбции. Для колонны десорбции оптимальный диапазон коэффициента десорбции составляет 1,2–2,0; обычно принимается значение около 1,4. В отличие от процесса абсорбции, в процессе десорбции температура снижается от верхней части колонны к нижней. Снижение давления и повышение температуры способствуют процессу десорбции. Количество ступеней испарения определяется с учетом таких факторов, как объем производственных мощностей, экономическая эффективность, ограничения, связанные с сырьем и готовой продукцией. При меньших требуемых объемах производства используется одноэтапная испарение. А многократная испарение позволяет дополнительно восстановить потенциальную теплоту газифицированных веществ. Обычно существует несколько вариантов процесса многократного испарения: 1) процесс испарения с параллельным подачей сырья, при котором сырье и пар движутся в одном направлении; оба потока поступают сначала в первый этап процесса, а затем — в следующий. Температура кипения раствора постепенно снижается, что позволяет использовать его в системах, где происходит разложение продуктов при высоких температурах. Давление в камере испарения постепенно снижается; передача жидкости между ступенями осуществляется за счёт разницы давлений, поэтому не требуется насос для перекачки ； 2. Процесс испарения с обратным потоком: сырой раствор поступает с последнего уровня, а концентрированный продукт — с первого уровня. Этот процесс подходит в тех случаях, когда вязкость концентрата высока. На ранних стадиях высокая температура может снизить вязкость, а коэффициент теплопередачи будет выше. Однако, поскольку направление потока раствора противоположно направлению падения давления, необходимо использовать дополнительные насосы для перекачки раствора между ступенями ； 3. Процесс испарения с параллельным подачей сырья: сырьевая жидкость подается отдельно на каждый уровень, а концентрат извлекается отдельно с дна каждого уровня. Поток пара по-прежнему идет от первого уровня к последнему. Эта процедура применима к растворам, в которых исходная субстанция находится в состоянии близком к насыщенному, особенно к тем растворам, в которых в процессе испарения образуется кристаллы. По мере увеличения количества ступеней испарения растут затраты на оборудование, но снижается энергопотребление; при этом существует минимальная общая стоимость. Следовательно, существует оптимальное количество ступеней, которое необходимо определить после тепловой интеграции всей системы. Максимально допустимая температура испарителя определяется процессами разложения продукта и образованием осадка. Поэтому давление на самом высоком уровне должно быть таким, чтобы температура работы оставалась ниже этой предельной температуры ； А минимальное давление определяется с учетом возможности использования для охлаждения воды или воздуха. Сушка – это процесс удаления влаги или других влажных веществ из влажного материала. В промышленном производстве этот процесс используется для дальнейшего удаления влаги из веществ, полученных в результате других методов разделения (например, дистилляции, испарения, центрифугирования или фильтрации). Обычно влага из твердых или жидких веществ удаляется путем ее нагрева и испарения в атмосферный воздух. Распространенные устройства для сушки включают: туннельные сушилки, вращающиеся сушилки, барабанные сушилки, распылительные сушилки, сушилки с плавающим слоем и т. д. Когда материал не может свободно течь, можно использовать туннельную сушилку ； При условии свободного движения материала можно использовать вращающийся сушилку. Однако время пребывания материала в ней довольно велико, поэтому такой метод не подходит для сушки термочувствительных материалов ； Для обработки небольших количеств пастообразных смесей или твердых суспензий можно использовать барабанный сушитель ； Одним из главных преимуществ аэрозольного сушителя является возможность испарения жидкости при более низкой температуре, без воздействия горячего воздуха. В аэрозольном сушильнике жидкость или слизистые капли в течение короткого времени проходят через горячий воздух; сырье подается в виде распыления под давлением. В результате получаются пористые частицы с низкой плотностью, что делает этот метод особенно подходящим для сушки термочувствительных продуктов. В технологии производства серной кислоты из растворов для десульфуризации и серного камня высокое содержание воды в сырье приводит к тому, что при прямом подаче его в печь для сжигания возникают такие проблемы, как высокое потребление топлива, огромные размеры оборудования, низкое содержание полезного газа, негативное влияние на последующие превращения, невозможность поддержания баланса тепла, а также необходимость использования электропечей, что увеличивает энергопотребление. Учитывая это, в некоторых технологических процессах для обезвоживания сырья и последующей подачи его в процесс используется распылительный сушитель. С точки зрения целостности технологического процесса, это действительно оказало положительное влияние. Но недостатки заключаются в следующем: 1. Проблемы с охраной окружающей среды, вызванные выносом материалов горячим воздухом ； 2. Когда в нижестоящей системе возникают проблемы с приемом материала с выхода устройства для распылительной сушки, необходимо также предотвратить образование комков при хранении этого материала. Выбор оборудования для сушки обычно определяется на основе физических свойств и характеристик материала, который необходимо высушить, степени его чувствительности к нагреву, а также требований к эффективности сушки. Большая часть вышеуказанных мнений и теорий взята из оригинальной книги; также добавлены некоторые собственные идеи и понимания автора для обсуждения и обмена мнениями!