Рециркуляция в химико-технологических системах

Одним из признанных эффективных методов интенсификации химико-технологических процессов (ХТП) является рециркуляция — многократный полный или частичный возврат потока газов, жидкостей или твердых веществ в технологический процесс, установку, аппарат. В настоящее время с рециркуляцией проводятся многие промышленные процессы, такие, как каталитический крекинг, пиролиз, риформинг, синтезы аммиака, карбамида, метанола, получение полиэтилена высокого давления и многие другие.

Рис. 6.1. Типовая одноконтурная ХТС с рециклом: 1 — смеситель; 2 — реактор; 3 — сепаратор Рециклические процессы в химической технологии представляют собой совокупность сложных связей, образованную прямыми и обратными потоками сырья и энергии между технологическими единицами, т. е. наличие рециркуляции придает любому объекту химической технологии характер системы.

Таким образом, очевидно, что реализация системного подхода к исследованию технологических процессов приводит к созданию комплекса математических моделей элементов, взаимосвязь между которыми определяется принятой иерархической структурой. На первой ступени иерархии рассматриваются режимы работы отдельных аппаратов; на второй ступени иерархии (цех, химический завод) исследуется функционирование совокупности аппаратов с учетом их взаимного влияния.

Химико-технологическая система (ХТС) — это упорядоченное множество взаимосвязанных технологическими потоками и действующих как одно целое аппаратов, в которых протекают ХТП, осуществляющие требуемую совокупность трех основных операций: подготовки сырья, собственно химического превращения и выделения целевых продуктов. Элемент ХТС — это аппарат, в котором проводится некоторый процесс.

Все существующие ХТС можно разделить на однородные, т. е. состоящие из однотипных процессов (например, только процессов разделения или теплообмена), и неоднородные, т. е. состоящие из разнотипных процессов.

Типовая одноконтурная ХТС с рециклом (рис. 6.1) состоит из узла смешения, реакторного узла, узла разделения. Состав рециклического потока может быть самым различным: он может состоять из некоторой части всех продуктов реакции, одного или нескольких компонентов. В любом случае питание реактора складывается из свежего сырья и рециркулята, и количество в нем хотя бы одного реагента должно быть при этом больше, чем при загрузке реактора лишь свежим сырьем. Вследствие этого степень превращения за один проход через реакционный объем будет ниже степени превращения, рассчитанной для случая отсутствия рецикла, однако общая степень превращения по целевому продукту увеличивается, например, в производстве этиленоксида с 30−50 до 70%.

Эффективность проведения ХТП при невысоких степенях превращения за один проход через реакционную зону, благодаря достижению более высоких скоростей реакции, была доказана М. Ф. Нагиевым и А. Н. Плановским. Они показали, что, независимо от наличия термодинамических и кинетических ограничений, можно максимально использовать сырье за счет смешения равновесия реакции в сторону образования конечных продуктов при постоянном увеличении концентрации исходных компонентов в зоне реакции, которое обеспечивает рециркуляция непрореагировавшего сырья.

Для многих ХТП, например при синтезе метанола, наряду с основной реакцией происходят побочные превращения. При определенных условиях проведения процесса можно достичь некоторой степени превращения реагирующих веществ, соответствующей максимальному выходу целевых продуктов. Дальнейшая интенсификация процесса с целью увеличения выхода целевых продуктов усилит эффект побочных реакций. Проведением реакции с невысокой степенью превращения за однократный пропуск при удалении продуктов реакции из реакционной зоны по мере образования их с такой скоростью, насколько это представляется возможным, можно исключить побочные превращения и при рециркуляции непрореагировавшего сырья добиться полного его превращения с максимальной селективностью процесса.

Таким образом, условия, обеспечивающие проведение химического процесса с максимальной скоростью, что обусловливает наибольшую производительность единицы реакционного объема, при одновременном полном использовании сырья и высокой селективности процесса, могут быть созданы рециркуляцией непрореагировавших исходных компонентов.

Кроме того, применение рециркуляции дает возможность комплексно использовать не только сырье, но и энергию за счет более полного использования тепла потоков, выходящих из каждого элемента ХТС и имеющих высокую температуру, что дает значительную экономию топлива. Наконец, при помощи рециркуляции можно достичь такой структуры объединения в единый комплекс различных химических производств, которая обеспечит максимальное использование сырьевых и энергетических ресурсов, а также производственного оборудования. Таким образом проведение рециклических процессов при оптимальных условиях открывает дальнейшую возможность увеличения их экономической эффективности, так как позволяет повысить степень превращения по целевым продуктам реакции при меньших затратах сырья и минимальных отходах, уменьшает энергетические затраты, дает возможность наиболее эффективно применять заводское оборудование.

Процессы, проводимые с рециркуляцией, приобретают особое значение и в связи с одной из важных проблем современности — проблемой охраны окружающей среды. Применение замкнутых технологических циклов позволит, наряду с максимально возможной полнотой использования сырья, существенно снизить или даже исключить выбросы во внешнюю среду.

Таким образом, применение рециклических процессов в современной химической технологии дает широкие возможности для создания высокоэффективных безотходных химических производств.

Следует отметить, что в отечественной литературе наряду с термином «рециклический» (процесс, поток и т. д.) используется термин «рециркуляционный». Будем считать оба понятия эквивалентными и совершенно равноправными в применении. Аналогичное замечание относится и к использованию понятий «стационарное» и «установившееся» состояние, которые также являются синонимами.