Лекция 9, Устюгов А.В

1.

ДИСЦИПЛИНА Общая химическая технология
(полное наименование дисциплины без сокращений)
ИНСТИТУТ Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова
КАФЕДРА Кафедра физической химии имени Я.К. Сыркина
полное наименование кафедры
ВИД УЧЕБНОГО Лекция
МАТЕРИАЛА (в соответствии с пп.1-11)
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ Устюгов Александр Викторович
(фамилия, имя, отчество)
СЕМЕСТР Весенний семестр, 2025-2026 учебный год
(указать семестр обучения, учебный год)

2.

Лекция 9
Принцип наилучшего использования
сырья
Аспекты:
• Ресурсосберегающий
• Экологический
• Экономический

3.

Сырьё
Различают три вида сырья:
Рудное
Нерудное
(сульфиды или (соли непереходных металлов,
оксиды
асбест, глина, песок)
переходных
металлов)
Горючее ископаемое
(Нефть, природный
газ, сланцы, уголь)

4.

Причины, по которым сырьё не используется
полностью или расходуется зря
Сырьё не полностью превращается в целевые
продукты
Сырьё превращается в побочные продукты
Сырьё имеет сложный состав

5.

Три направления повышения степени
эффективности использования сырья
Добиваться более полного превращения сырья
в целевые продукты
Повышение селективности процесса
Комплексное использование сырья

6.

Причины неполного использования сырья
Термодинамические причины
обратимая экзотермическая реакция, для проведения которой необходим
катализатор, работающий при высоких температурах
Кинетические причины
• скорость процесса мала (сырьё не успевает полностью превратиться за время своего
пребывания в реакционной зоне)
• мы намеренно работаем при низкой степени превращения сырья для поддержания
высокой концентрации реагента в зоне реакции (скорость реакции пропорциональна
концентрации реагента)
• поддержание высокой селективности (последовательную реакцию А1→А2→А3, где А2
– целевой продукт, выгодно проводить при низкой степени превращения. При этом
будет мала концентрация А2 и мала скорость его расходования в побочной реакции)

7. Приёмы для решения этих проблем

При термодинамических причинах:
1. Работа по ЛОТ (по мере увеличения степени превращения
понижаем температуру)
2. Применение рецикла реагентов
Проблема рециклов:
У газовых рециклов необходимо организовывать отдувку части рецикла во
избежание накопления инертных примесей. Отдувка содержит газообразные
исходные вещества, которые сложно и дорого отделять от газообразных инертных
примесей (например, низкотемпературная ректификация), возникают потери сырья
• Для жидкофазных рециклов организуют процесс разделения (проще, чем для
газов) и возвращают в процесс практически чистые вещества
3. Селективный вывод продукта реакции (например, сырьё
газообразное (низкокипящие вещества), а продукты – сравнительно
высококипящие вещества, тогда при охлаждении продукты
практически полностью конденсируются и происходит разделение)

8.

Приёмы для решения этих проблем
При кинетических причинах:
Оптимизация условий для увеличения
скорости процесса
Поиск более активного и селективного
катализатора

9.

Приёмы для повышения степени
эффективности использования сырья
Использование одного из реагентов в избытке
При этом увеличивается равновесный выход на реагент, находящийся в
недостатке (но, естественно, уменьшается равновесный выход на реагент,
находящийся в избытке). Избыток реагента подразумевает его
рециркуляцию.
Требования, предъявляемые к реагенту, используемому в избытке:
Дешёвый
Не вступает в побочные реакции
Легко отделить от продуктов и вернуть в процесс

10.

Приёмы для повышения степени
эффективности использования сырья
«Закалка» системы – резкое понижение температуры
«Закалка» применяется:
• Большие концентрации целевого продукта достигаются в состоянии равновесия
при высокой температуре. При медленном охлаждении послереакционной
смеси реакция проходит в обратном направлении, и из целевого продукта
снова образуются исходные вещества.
• Образуется лабильный продукт, способный подвергаться последующим
превращениям

11.

Приёмы для повышения степени
эффективности использования сырья
Комплексное использование сырья
• Чаще всего сырье, добываемое в природе, имеет достаточно сложный состав и, в идеале,
необходимо использовать все его компоненты. В этом смысле, например, переработка
нефти почти совершенный процесс. Практически все фракции нефти, включая попутные
газы, бензин, керосин, лигроин, мазут и т.д., а также твердый остаток, находят свое
применение.
• Рудные полезные ископаемые тоже необходимо использовать в максимальной степени.
Например, свинцово-цинковые руды содержат 25 элементов, и на их основе производится
около 40 товарных продуктов. В медно-никелевых рудах содержатся 18 компонентов, и
они тоже в основном используются. Но зачастую из руды выделяют не более 1-2 %
наиболее ценных компонентов, а все остальное выбрасывают в отвалы или до «лучших»
времен [1].
1. Шварц А.Л., Брук Л.Г. Основы термодинамики и кинетики гомогенных процессов. – М.: ИПЦ МИТХТ
имени М.В. Ломоносова, 2012. – 56 с.: ил.

12.

Принцип наилучшего использования
энергии
Аспекты:
Ресурсосберегающий
(примерно
половина
производится из невозобновляемого сырья)
Экологический (доля полезного использования энергии
составляет примерно 40%, то есть 60% производимой энергии
попадает в окружающую среду, что приводит к тепловому
загрязнению)
Экономический (вклад энергии в себестоимость продукта
составляет до 60%)
энергии

13.

Источники энергии в ХТС
• Тепло экзотермических реакций
• Тепло отходящих потоков высокотемпературных
процессов
(эндотермические
реакции,
проводимые при высоких температурах)
• Горючие побочные продукты

14.

Рациональное использование энергии
Применяемые приёмы связаны с
эффективным теплообменом
Существует три вида теплообмена:
• Непосредственный теплообмен
• Теплообмен через стенку
• Перенос тепла при помощи тепловых агентов

15.

Непосредственный теплообмен
Непосредственный теплообмен используется в тех случаях, когда теплообменивающиеся
вещества находятся в разных фазах:
Реакционный узел одностадийного
дегидрирования парафинов в диены:
1 - реакторы; 2 – котлы-утилизаторы
В ходе процесса дегидрирования происходит
сильное отложение кокса на катализаторе,
что требует его частой pегeнepaции.
Регенерация катализатора проводится горячим воздухом (до 600 °С). При этом
катализатор нагревается и отдаёт тепло в
ходе процесса дегидрирования.

16.

Непосредственный теплообмен
Теплопередача соприкосновением осуществляется
также при упарке раствора в аппарате погружного
горения: горючие газы сгорают в камере сгорания
под слоем раствора, который подвергается
концентрированию

17.

Теплообмен через стенку
Это наиболее распространенный случай в химической промышленности
Тепловой поток: Q = K·F·ΔT = [Дж/с], где
K – коэффициент теплопередачи, Дж/с·м2·град
F – поверхность теплопередачи, м2
ΔT – температурный напор (разность температур) – движущая сила
процесса теплопередачи, градусы
Следовательно, для осуществления эффективного теплообмена нужно увеличивать
коэффициент теплопередачи, повышать поверхность теплопередачи и иметь большую
движущую силу процесса.
Теплопередача через стенку невозможна при очень высоких температурах процесса и
сильном коррозионном воздействии теплообменивающихся потоков на оборудование,
так как трудно подобрать материалы. Кроме того, теплопередача через стенку экономически невыгодна, если необходимо устанавливать большие и, следовательно,
дорогостоящие теплообменные поверхности.

18.

Теплообмен через стенку
Эффективность теплообмена зависит от направления потоков
Схема направления тепловых потоков и распределение температур при
m1Ср1 << m2Сp2 (m1 и m2 - массы потоков, Ср1 и Сp2 - теплоёмкости потоков

19.

Теплообмен через стенку
При прямотоке можно, в конечном счете, достигнуть такой температуры,
которая получается при их смешении. После окончания теплообмена всегда
устанавливается температура, средняя (tcp) между tн1 и tн2 и более холодный
поток не может ее превысить. При противотоке из-за высокой интенсивности
процесса появляется возможность превысить среднюю температуру. Однако
применение противотока не всегда возможно, так как большая интенсивность
процесса может повлиять на качество продукта, например, способствуя его
разложению или спеканию.

20.

Перенос тепла при помощи тепловых
агентов
Схема
регенерации
теплоты
с
помощью твердых теплоносителей
непрерывного действия

21.

Перенос тепла при помощи тепловых
агентов
В качестве теплоносителя используют твердый материал небольшого
зернения, движущийся в системе и периодически нагреваемый или отдающий
приобретенную теплоту. Материал представляет собой гранулы диаметром 815 мм, которые нагреваются в верхней камере непосредственным
соприкосновением с горячим газом, свободно падают в нижнюю камеру,
передавая здесь тепло газам, которые необходимо нагреть, и, охлажденные,
снова подаются подъемником в верхнюю камеру. Если гранулы сделать из
материала, способного быть катализатором, то появляется возможность
проведения в нижней камере эндотермических химических реакций.
Подобным образом оформлены процессы каталитического крекинга
нефтепродуктов, пиролиза этана и т. п.

22.

Приёмы для увеличения эффективности использования энергии
Энергосбережение (снижение тепловых потерь в окружающую среду):
• Для снижение тепловых потерь используют внешнюю
изоляцию или подачу исходных веществ через пространство,
прилегающее к стенкам аппарата
• Подогрев газов, поступающих в контактный аппарат, теплом
продуктов реакции. Например, колонна синтеза метанола,
работающая при давлении 32 МПа. Исходный синтез-газ,
после очистки в масляном и угольном фильтрах,
смешивается с циркуляционном газом и пройдя между
стенками аппарата и катализаторной коробкой, поступает
снизу в теплообменную часть. В межтрубном пространстве
теплообменника газ нагревается проходящими по трубам
продуктами реакции до 330-340 °С, а затем через центральную трубу попадает в катализаторную коробку. За счёт
размещения теплообменника внутри колонны снижаются
тепловые потери.

23.

Приёмы для увеличения эффективности использования энергии
Рекуперация тепла
Использование тепла отходящих газов для различных этапов данного процесса, то есть по мере
продвижения высокоэнергетического потока меняется объект, которому этот поток отдаёт тепло.
Схема трубчатой печи - конвертора метана
первой ступени: 1 - топливная камера печи
(реакционная зона); 2 - конвективная
камера печи (теплоиспользующая); 3 реакционные трубки с катализатором; 4 горелки; 5 - газоподводящий коллектор; 6 газоотводящий коллектор; 7 - выхлопная
труба; 8 - дымосос; 9 - подогреватель
топлива; 10 - подогреватель парогазовой
смеси; 11 - подогреватель воздуха; 12 пароперегреватель
парового
котлаутилизатора.

24.

Приёмы для увеличения эффективности использования энергии
Наиболее наглядно это можно показать на оформлении эндотермического процесса конверсии
метана водяным паром: CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 – Q; ΔH = 206,4 кДж.
Процесс проводят на никелевом катализаторе при температуре 800-900 °C в трубчатой печи, схема
которой приведена выше. Учитывая, что процесс протекает с поглощением тепла и катализатор
обладает низкой теплопроводностью, для его осуществления катализатор помещают в длинные
узкие трубки, расположенные между газовыми горелками в топочной печи. Выходящие из камеры
горячие газы поступают в конвективную камеру печи, где помещен блок теплоиспользующего
оборудования. Блок включает в себя подогреватели парогазовой смеси, воздуха, топливного газа,
пароперегреватель для получения перегретого пара с параметрами 10 МПа и 440 °С, который
используется для привода газовых компрессоров. Низкопотенциальное тепло газов перед дымовой
трубой используется для нагрева воды в экономайзерах, которая затем поступает на питание
паровых котлов.
Следует отметить, что современная трубчатая печь агрегатов большой единичной мощности имеет
общую высоту 25-30 м, высота реакционной трубы 12-14 м при диаметре 70-130 мм. В одной печи
размещено до 500 реакционных труб.

25.

Приёмы для увеличения эффективности
использования энергии
Автотермические процессы
Процесс происходит за счёт своего тепла
Для экзотермических реакций это наиболее эффективный способ организации теплообмена,
проще аппаратурное оформление, тепло равномерно распределяется по слою катализатора.
Например, процесс получения формальдегида окислительным дегидрированием метанола
(указаны величины тепловых эффектов):
CH3OH + 0,5O2 → CH2O + H2O (147,4 кДж/моль)
CH3OH ↔ CH2O + H2
(-93,4 кДж/моль)
Окисление аммиака (приведено стандартное значение изменения энтальпии реакции):
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O (-946 кДж/моль )
Температура регулируется соотношением реагентов к O2

26.

Приёмы для увеличения эффективности
использования энергии
Совмещение экзо- и эндотермических реакций
Например, процесс получения формальдегида окислительным
дегидрированием метанола (указаны величины тепловых эффектов):
CH3OH + 0,5O2 → CH2O + H2O (147,4 кДж/моль)
CH3OH ↔ CH2O + H2
(-93,4 кДж/моль)
Парокислородная конверсия метана:
СН4 + H2О ↔ СО + 3Н2
- 206,4 кДж
СН4 + 0,5O2 → СО + 2Н2
+ 34,7 кДж

27.

Приёмы для увеличения эффективности использования
энергии
Энерготехнологические ХТС
Системы, в которых протекают сильно экзотермические стадии или образуются высокоэнергетические
потоки могут использоваться для производства энергии.
Энергия может вырабатываться в виде пара высокого давления.
Энергия высокотемпературных потоков может использоваться для работы турбокомпрессоров,
турбогенераторов, вырабатывающих электроэнергию.
Пар может использоваться для обогрева куба ректификационных колонн.
Энерготехнологические ХТС содержат следующие устройства:
• Котлы-утилизаторы
• Экономайзеры
• Турбокомпрессоры
• Турбогенераторы

28.

Оценка энергетического потенциала потока
Эксергия – максимальное количество работы, которое может быть
получено из какого-то количества тепла