1. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

МНОГОАССОРТИМЕНТНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Типовая технологическая схема производства химических продуктов состоит из стадий подготовки сырья, химического синтеза, выделения и очистки продуктов.

Примерами стадий подготовки сырья производств химических красителей могут служить растворение, очистное фильтрование; химического синтеза - сульфирование, нитрование, диазотирование, азосочетание; выделения и очистки продуктов - кристаллизация, суспензирование, фильтрование, сушка. Практически все стадии представляют собой совокупность разнообразных технологических процессов: механических, гидромеханических, тепловых, диффузионных, химических, микробиологических.

Совокупность аппаратов, в которых реализуются технологические стадии процессов получения продукции, называются аппаратурными стадиями технологических систем. В многоассортиментных химических производствах очень редко используются специализированные аппараты, сконструированные для реализации конкретных технологических процессов. Большинство технологических стадий реализуется в стандартных аппаратах, выпускаемых предприятиями химического машиностроения, ряды типоразмеров и параметры стандартных аппаратов определяются ГОСТами и содержатся в каталогах.

Оборудование аппаратурных стадий подразделяется на основное, в котором осуществляются химико-технологические процессы, сочетающие химические реакции с массопереносом (диффузией), и вспомогательное. Вспомогательные аппараты, в которых осуществляются подготовительные операции – измельчение, растворение, осушка или увлажнение, нагрев или охлаждение, промывка и т.п., обычно расположены в технологической схеме как до реактора, так и после него. Основное назначение аппаратов, предшествующих реактору, заключается в подготовке сырья к реакции, а аппаратов, расположенных за реактором, - разделении продуктов реакции, концентрировании их или очистки от вредных примесей. Иногда вспомогательные операции (подогрев, измельчение, растворение, испарение, конденсация и т.п.), и собственно химическое превращение могут происходить в одном и том же аппарате. Основное оборудование - это емкостные аппараты с перемешивающими и теплообменными устройствами, колонны, фильтры и центрифуги, сушилки; вспомогательное - мерники, сборники, теплообменники, насосы, компрессоры.

Наиболее распространенный основной аппарат многоассортиментных производств - емкостный аппарат с перемешивающим устройством и системой теплообмена (рис. 1). В аппаратах такого типа осуществляется 90% химических процессов, значительная доля процессов подготовки сырья и выделения продуктов [2]. Многообразие химических и физических явлений, лежащих в основе разнохарактерных технологических процессов, выдвигает самые различные требования к химическим ректорам. Однако все без исключения реакторы должны удовлетворять следующим основным требованиям: 1) обеспечивать наибольшую производительность и интенсивность; 2) давать возможно более высокую степень превращения при максимальной селективности процесса; 3) иметь малые энергетические затраты не траспортировку и перемешивание реагентов; 4) быть достаточно простыми в устройстве и дешевыми; 5) наиболее полно использовать теплоту экзотермических реакций и теплоту, подводимую извне, для осуществления эндотермических процессов; 6) быть надежными в работе, по возможности наиболее полно механизированными и обеспечивать автоматическое регулирование процесса.

Химические реакторы различаются по рабочему объему, конструкционному материалу, способам перемешивания и теплообмена, наличию или отсутствию внутренних устройств.

Конструкционный материал химического реактора в многопродуктовых системах выбирают в соответствии со спецификой его эксплуатации на основе коррозионных свойств реакционных сред всех процессов, которые предполагается осуществлять в реакторе, учитывая при этом возможное изменение исходных физико – химических свойств материалов под воздействием среды, температуры и протекающих химико-технологических процессов. При выборе материалов для аппаратуры необходимо руководствоваться отраслевым стандартом ОСТ 26.291-79. В качестве конструкционных материалов наиболее часто применяют: углеродистую сталь; нержавеющую сталь Х18Н10Т; сталь с эмалевым покрытием; сталь, футерованную керамической плиткой; титан; иногда пластические массы, кислото- и щелочестойкую керамику..

В реакторах, функционирующих в составе многоассортиментных и гибких систем, следует предусмотреть возможность установки механических мешалок любого типа из имеющегося стандартного набора: лопастные, якорные, рамные, пропеллерные, турбинные, -  подачу сырья нескольких видов в различных агрегатных состояниях и выгрузку реакционной массы, обусловленную перепадом давлений в аппаратах (самотеком), насосом или выдавливанием ее сжатым воздухом, паром,  инертным газом.        Рис.1. Емкостный аппарат    1- привод, 2 - стойка привода,     3 -уплотнение вала,     4 - вал мешалки,5 - корпус,  6-опора(лапа),7-гладкаярубашка,  8-отражательная перегородка,  9-мешалка,10-руба ередавливания.

Для нагревания реакционной массы реакторы снабжают греющей рубашкой или (и) встроенным змеевиком, в которые подают горячую воду, насыщенный пар давлением до 0.6 МПа или высокотемпературный органический теплоноситель.

         Охлаждение реакционной массы и                                      отвод  тепла  экзотермических  реакций

осуществляется хладоагентами, подаваемыми в рубашку и змеевик. Наиболее известными хладоагентами являются артезианская  или оборотная вода, охлаждающие рассолы.

Определяющий размер (объем) реактора устанавливают на основании материального баланса реактора, а необходимую поверхность теплообмена - по уравнениям теплового баланса. Выполнив расчет, выбирают реактор из каталога стандартного оборудования.

Вертикальные цилиндрические стальные аппараты без покрытий, с полимерными и другими покрытиями, футерованные, а также аппараты из цветных металлов и сплавов объемом 0.01-100    и внутренним диаметром 250 – 5000 мм с механическими перемешивающими устройствами регламентированы ГОСТ 20680-75. ГОСТ распространяется на аппараты для проведения различных физико –химических процессов в жидких средах с динамической вязкостью не более 500 Па с и плотностью  до 2000 кг/при температуре от –40 до +С при условном давлении: остаточном -  не ниже 0.67 Па и избыточном – не выше 6.4 МПа. Механические перемешивающие устройства для вертикальных аппаратов емкостью 0.01-100   стандартизированы ГОСТ 20680-75. Согласно ГОСТу, мешалки должны располагаться вертикально по оси аппарата, на одном валу могут  быть установлены две мешалки и более.

В настоящее время большое внимание уделяется разработке конструкций комбинированных аппаратов многофункционального назначения, в которых можно одновременно или последовательно проводить различные процессы (химический синтез и выделение продукта, фильтрование и сушку). Совмещение технологических процессов в одном аппарате позволяет сократить число аппаратурных стадий получения продукта и, следовательно, снизить материалоемкость конструкции,  энергетические затраты, число транспортных операций и потери промежуточных продуктов, упростить обслуживание оборудования.

По режиму функционирования различают аппараты периодического, непрерывного и полунепрерывного действия.  Функционирование аппарата периодического действия представляет собой циклический процесс: заполнение, обработка массы, опорожнение, простой в ожидании заполнения и т.д. Упорядоченная последовательность технологических и организационных мероприятий, имеющих конечную продолжительность, образует технологический цикл аппарата, продолжительность которого равна сумме длительностей операций:

                                                                        (1)

Процесс функционирования аппаратов периодического действия изображают в виде графиков, называемых графиками Гантта (рис. 2).

Технологические операции в аппарате периодического действия подразделяются на основные, в результате которых образуется новое вещество или изменяется состав и агрегатное состояние системы, и вспомогательные (загрузка, выгрузка, простой). Основные и вспомогательные операции разделены во времени, т.е. основной технологический процесс в аппарате периодического действия прерывается вспомогательными операциями. Основные параметры процесса в реакторе периодического действия (концентрация реагентов и продуктов реакции, температура, давление и т.п.) изменяются во времени. Среднюю скорость процесса можно измерить производительностью реактора. Истинная же скорость сильно и нелинейно меняется в течение периода работы ректора, во-первых, вследствие понижения концентрации исходных реагентов (по логарифмическому закону); во-вторых, вследствие неизотермичности процесса (обычно повышение температуры в начале периода и понижение в конце его). На скорость превращения часто сказывается также появление новых фаз в процессе работы такого реактора. Реакторы периодического действия работают, как правило, при сильном перемешивании реагентов, близком к полному смешению, и соответственно при одинаковой температуре во всем реакционном объеме в любой момент времени.

Аппараты непрерывного действия от пуска до остановки непрерывно (или систематическими порциями) питают исходными веществами и выводят из них продукты реакции. Величина, обратная времени пребывания (времени контакта), называется объемной скоростью, которую можно определить как отношение расхода материала к полезному реакционному объему. Таким образом, объемная скорость может характеризовать производительность непрерывно действующего аппарата.

Аппараты полунепрерывного  действия характеризуются тем, что сырье поступает в аппарат непрерывно или определенными порциями через равные промежутки времени. А продукты реакции выгружаются периодически. Возможна и непрерывная выгрузка продукта при периодической подаче сырья. Такие реакторы работают в переходном режиме. Основные параметры процесса изменяются во времени.

В многоассортиментных производствах преобладают технологические аппараты периодического действия; в некоторых малотоннажных производствах в периодических режимах работает до 90-95% оборудования