Параграф 28. Комбинированные процессы ХТС.
Практически каждый из используемых в настоящее время в химической и родственных ей отраслях промышленности гидромеханических, тепловых, массообменных и реакционных процессов имеет ограниченные области технически возможного или экономически целесообразного применения. Большая часть этих ограничений связана со специфицескими свойствами перерабатываемых веществ. Например, для массообменных процессов такие ограничения часто связаны с наличием на диаграммах фазового равновесия особых точек (азеотропных, эвтектических и др.), а также особых областей (ограничеснной растворимости, термической устойчивости и др.).
Возможности успешного решения возникающих задач в производстве тех или иных продуктов существенно расширяются при комбинировании нескольких технологических процессов. Такое сочетание весьма часто позволяет одновременно более полно использовать исходное сырье, увеличить выход целевых продуктов, снизить энергетические и капитальные затраты, а также упростить аппаратурно-технологическое оформление производства.
Однако это же сочетание порождает несколько возможных вариантов решения поставленной задачи. А поскольку многие технологические процессы могут осуществляться несколькими различными способами, то число возможных вариантов комбинированных процессов может быть весьма значительным. При этом появляется возможность использования в единой технологической схеме целого ряда процессов, тесно связанных прямыми и обратными потоками. В этих условиях выбор оптимального варианта комбинированного процесса представляет собой весьма сложную проблему, решить которую на основании одной интуиции разработчиков нельзя.
Применительно к процессам разделения веществ целесообразна следующая методика выбора оптимального варианта комбинированного процесса и его технологических (режимных) параметров:
‒ на основе диаграмм фазового равновесия, данных об исходном составе смеси, а также данных о требуемых составах продуктов разделения устанавливаются возможные варианты сочетания различных процессов разделения данной смеси;
‒ выясняют факторы, ограничивающие или делающие вообще невозможным использование тех или иных вариантов процесса разделения;
‒ выбирают критерий или критерии, на основании которых будут сравниваться рассматриваемые варианты процесса разделения и производиться их оптимизация;
‒ устанавливают для всех рассматриваемых вариантов функциональные зависимости между внутренними и промежуточными параметрами процесса и выбранным критерием оптимизации;
‒ на основании анализа полученных функциональных зависимостей находят оптимальные значения критерия для всех рассматриваемых вариантов;
‒ сравнивают между собой оптимальные значения критерия и выбирают оптимальный вариант процесса разделения и его параметры.
Из всех критериев оптимизации наиболее универсальными являются приведенные затраты на единицу продукции или удельные энергетические затраты.
Известно, что технологические параметры процессов разделения сильно влияют на их общую эффективность. Поэтому при решении технологической задаче необходимо представление о диапазонах изменения (варьирования) этих параметров. Такие диапазоны зависят, с одной стороны, от физико-химических свойств разделяемой смеси, а с другой ‒ от технических возможностей реализации тех или иных процессов в конкретных рассматриваемых условиях.
Условно все технологические параметры можно разделить на две группы: внутренние и переходные (промежуточные). Внутренние параметры характерны для отдельных стадий комбинированного процесса. Они определяют ход процесса на рассматриваемой стадии и его показатели. К переходным относят параметры потоков, рециркулирующие между аппаратами (стадиями). В качестве последних часто выступают промежуточные концентрации, температуры потоков и их расходы.
Эффективность комбинированных процессов разделения может быть существенно увеличина при правильной организации рекуперации теплоты между потоками. Расчеты показывают, что указанная рекуперация в ряде случаев позволяет снизить затраты энергии на 20÷30% и более.
При разработке сопряженных и совмещенных процессов обычно приходится выполнять большой объем повторяющихся расчетных операций, поэтому разработку возможных вариантов разделения, их анализ и оптимизацию рационально проводить на ЭВМ с использованием соответствующих программ.
Все комбинированные процессы условно можно разделить на три группы: последовательные, сопряженные и совмещенные.
Последовательные процессы. Последовательные процессы состоят из последовательно осуществляемых стадий, которые связаны в основном прямыми потоками. Такого рода процессы не всегда обладают высокой эффективностью. При их разработке технологические режимы последующих стадий обычно приходится устанавливать исходя из физико-химических свойств и расходов потоков на предшествующих стадидиях.
Сопряженные процессы. К сопряженным относят комбинированные процессы, состоящие из отдельных стадий, связанных между собой как прямыми, так и обратными потоками. При этом отдельные стадии процесса могут осуществляться одновременно в различных аппаратах. В сопряженных процессах технологические режимы предшествующих стадий могут зависеть от режимов проведения последующих стадий, что объясняется влиянием характеристик обратных потоков на ход предшествующих стадий.
Таблица 28.1 ‒ Примеры сопряжения (●) технологических процессов
| Названия технологических процессов | Десорбция | Дистилляция | Кристаллизация | Ректификация | Экстракция | Выпаривание | Сублимация | Десублимация | Сорбция | Классификация |
| Абсорбция | ● | |||||||||
| Адсорбция | ● | ● | ● | ● | ||||||
| Кристаллизация | ● | × | ● | ● | ● | |||||
| Ректификация | ● | × | ● | ● | ● | |||||
| Экстракция | ● | ● | ● | × | ● | ● | ||||
| Выщелачивание | ● | ● | ||||||||
| Сушка | ● | |||||||||
| Сублимация | ● | ● | × | ● | ||||||
| Мембранное разделение | ● | ● | ● | ● | ||||||
| Измельчение | ● | |||||||||
| Гранулирование | ● |
Осуществление сопряженных процессов чаще всего связано либо с преодолением физико-химических ограничений, либо с рекуперацией переносимой субстанции ‒ импульса, теплоты, вещества. При сопряжении отдельных стадий требуется согласование промежуточных потоков и параметров. В таблице 28.1 приведены примеры сопряжения некоторых технологических процессов.
Совмещенные процессы. В совмещенных процессах две или несколько стадий осуществляются одновременно в одном аппарате. Иногда эти стадии проводятся в отдельных секциях одного и того же аппарата. Известные в настоящее время совмещенные процессы можно разделить на три основные группы.
1. Реакционно-массообменные процессы. Реализация таких процессов часто позволяет повысить эффективность не только химических превращений, но и массообмена, что создает перспективу для более широкого их применения в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. В ряде случаев в одном аппарате одновременно может протекать несколько химических реакций. При этом особенно выгодно совмещать две реакции, одна из которых является экзотермической, а другая ‒ эндотермической. В этом случае режим процесса в целом может приближаться к адиабатическому, в результате чего значительно повышается степень конверсии реагентов, увеличивается выход продукта, сокращаются энергетические затраты и становится более компактной технологическая схема.
Совмещенные реакционно-массообменные процессы весьма разнообразны из-за того, что реакционные процессы могут совмещаться практически со всеми массообменными. Их можно разделить на самопроизвольно-совмещенные, в которых реакционный процесс самопроизвольно сопровождается тем или иным массообменным (например, за счет теплоты реакции происходит испарение продуктов реакции), и направленно-совмещенные процессы, для проведения которых требуется специальная организация.
2. Массообменно-масообменные процессы. Совмещение массообменных процессов позволяет существенно повысить эффективность разделения, а также снизить энергетические и другие затраты на производство.
Примерами таких процессов могут являться экстракционно-кристаллизационные процессы (процессы экстрактивной кристаллизации), сушильно-грануляционные процессы, а также экстрактивная, автоэкстрактивная и азеотропно-экстрактивная ректификация.
3. Совмещенные гидромеханические и механические процессы. Массобменные процессы часто совмещают с механическими и гидромеханическими. Например, полное или частичное фракционное растворение твердых продуктов совмещают с дроблением. Такое совмещение существенно ускоряет процесс растворения, а при фракионном растворении оно позволяет заметно увеличить степень извлечения целевых компонентов из исходной смеси. Еще одним примером может служить совмещение в размольной машине процессов измельчения и классификации измельченных дисперсных материалов.