ТЕМА 2 Химикотехнологическая система План лекции- 2
Работа добавлена на сайт samzan.net:
ТЕМА 2. Химико-технологическая система
План лекции:
2.1 Химико-технологическая система.
2.2. Технологические схемы
2.3. Химико-технологические процессы
2.4. Основные технологические показатели химико-технологического процесса
2.1 Химико-технологическая система
Химическое производство состоит из десятков и сотен разнородных аппаратов и устройств, связанных между собой разнообразными потоками. Исследовать его в целом при огромном многообразии его составных частей – задача не только сложная, но и малоэффективная. Представив химическое производство как химико-технологическую систему, проведем дальнейшую систематизацию частей производства, представленных в структуре ХТС. Цель систематизации – выделить подсистемы ХТС для их исследования и изучения. Будем выделять подсистемы по двум признакам – функциональному и масштабному.
Функциональные подсистемы обеспечивают выполнение функций производства и его функционирования в целом.
Технологическая подсистема – часть производства, где осуществляется собственно переработка сырья в продукты, химико-технологический процесс.
Энергетическая подсистема – часть производства, служащая для обеспечения энергией химико-технологического процесса. В зависимости от вида энергии: тепловая, силовая, электрическая – может быть представлена соответствующая подсистема.
Подсистема управления – часть производства для получения информации о его функционировании и для управления им. Обычно это – автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП).
Примерно так же функциональные подсистемы представлены в технической документации по производству. Напомним, что в зависимости от цели исследований каждая из подсистем может быть представлена несколькими видами. Совокупность функциональных подсистем образует состав ХТС.
Масштабные подсистемы выполняют определенные функции в последовательности процессов переработки сырья в продукты как отдельные части химико-технологического процесса. Как и в структуре математической модели процесса в реакторе, масштабные подсистемы ХТС также можно систематизировать в виде их иерархической последовательности – иерархической структуры ХТС (рис.2.1).
Рис. 2.1 Иерархическая структура химико-технологической системы
Элементом минимального масштаба в структуре ХТС является отдельный аппарат (реактор, абсорбер, ректификационная колонна, насос и прочее). Это – низший масштабный уровень I. Несколько аппаратов, выполняющих вместе какое-то преобразование потока, – элементы подсистемы II масштабного уровня (реакционный узел, система разделения многокомпонентной смеси и т.д.). Совокупность подсистем второго уровня как элементы образуют подсистему III уровня (отделения или участки производства, например в производстве серной кислоты – отделения обжига серосодержащего сырья, очистки и осушки сернистого газа, контактное, абсорбционное, очистки отходящих газов). К этим же подсистемам могут относиться водоподготовка, регенерация отработанных вспомогательных материалов, утилизация отходов. Совокупность отделений, участков образует ХТС производства в целом. Описанное выделение подсистем условно. В каких-то задачах выделение подсистем, элементов может быть иным.
Иерархическая структура ХТС позволяет на каждом этапе сократить размерность исследуемой задачи (т.е. число одновременно учитываемых элементов и процессов), а результаты изучения подсистемы одного производства использовать в исследованиях другого. Иерархическую структуру масштабных подсистем можно представить также для функциональных подсистем.
Элементы и связи химико-технологической системы. Рассмотрим элементы, находящиеся на нижней ступени иерархической структуры и предназначенные для определённого изменения состояния потока.
Классификация элементов ХТС проводится по их назначению.
Механические и гидромеханические элементы производят изменение формы и размера материала и его перемещение, объединение и разделение потоков. Эти операции осуществляются дробилками, грануляторами, смесителями, сепараторами, фильтрами, циклонами, компрессорами, насосами.
Теплообменные элементы изменяют температуру потока, его теплосодержание, переводят вещества в другое фазовое состояние. Эти операции осуществляют в теплообменниках, испарителях, конденсаторах, сублиматорах.
Массообменные элементы осуществляют межфазный перенос компонентов, изменение компонентного состава потоков без появления новых веществ. Эти операции проводят в дистилляторах, абсорберах, адсорберах, ректификационных колоннах, экстракторах, кристаллизаторах, сушилках.
Реакционные элементы осуществляют химические превращения, кардинально меняют компонентный состав потоков и материалов. Эти процессы происходят в химических реакторах.
Энергетические элементы осуществляют преобразование энергии и получение энергоносителей. К ним относят турбины, генераторы, приводы для выработки механической энергии, котлы-утилизаторы для выработки энергетического пара.
Элементы контроля и управления позволяют измерить параметры состояния потоков, контролировать состояние аппаратов и машин, а также управлять процессами, меняя условия их протекания. К ним относятся датчики (температуры, давления, расхода, состава и т.д.), исполнительные механизмы (вентили, задвижки, выключатели и т.д.), а также приборы для выработки и преобразования сигналов, информационные и вычислительные устройства. Как правило, это устройства сигнализации, системы автоматического регулирования, автоматическая система управления химико-технологическим процессом.
В каждом из перечисленных элементов могут протекать разнообразные процессы, и в каждый из них могут входить как составные части различные по назначению устройства. В реакционный узел кроме реактора входят теплообменные аппараты и гидромеханические устройства (смесители, распределители потоков). Классифицировать такой агрегат будем по его основному назначению – реакционный элемент технологической подсистемы. Но в энергетической подсистеме возможна утилизация теплоты реакции для подогрева воды в общей системе выработки энергетического пара. Тогда в энергетической подсистеме реакционный узел будет теплообменным элементом, источник тепла которого – результат химической реакции (сравните: в огневом подогревателе тоже протекает химическая реакция – горение, или окисление, топлива).
Таким образом, в зависимости от изучаемой подсистемы один и тот же элемент может иметь разное назначение. Котел-утилизатор охлаждает поток в технологический подсистеме, он является теплообменным элементом. В энергетической подсистеме котел-утилизатор вырабатывает пар и потому он – энергетический элемент.
Элементы ХТС, классифицированные по их назначению, могут быть совмещены в одном устройстве, например, в реакторе-ректификаторе, где одновременно происходят и химическое превращение (реакционный элемент), и компонентное разделение смеси (массообменный элемент).
Несмотря на относительность признаков назначения элементов ХТС, проведенная классификация элементов позволяет проводить исследования более систематично.
Классификация связей (потоков). Потоки между аппаратами (связи между элементами) классифицируют по их содержанию:
Материальные потоки переносят вещества и материалы по трубопроводам различного назначения, транспортерами и другими механическими устройствами.
Энергетические потоки переносят энергию в любом ее проявлении – тепловую, механическую, электрическую, топливо. Тепловая энергия и топливо для энергетических элементов передаются обычно по трубопроводам (пар, горячие потоки, горючие газы и жидкости), механическая энергия – также по трубопроводам (в виде газов под давлением) или через вал двигателей и другие элементы привода. Провода, силовые кабели передают электрическую энергию.
Информационные потоки используются в системах контроля и управления процессами и производством. Используются электрические провода и тонкие, капиллярные, трубки в пневматических системах.
Структура связей. Последовательность прохождения потоков через элементы ХТС определяет структуру связей и обеспечивает необходимые условия работы элементов системы. Основные типы структуры связей показаны на рис.2. Здесь прямоугольники представляют элементы, линии со стрелками – связи и направления потоков.
Последовательная связь (схема 1 на рис.2). Поток проходит аппараты поочередно. Применение: последовательная переработка сырья в разных операциях, более полная переработка сырья последовательными воздействиями на него, управление процессом путем необходимого управляющего воздействия на каждый элемент.
Рис.2.2 Связи в химико-технологической системе: 1 – последовательная; 2 – разветвленная; 3 – параллельная; 4, 5 – обводная (байпас) простая (4) и сложная (5)\ 6 обратная (рециркуляционная) – рецикл полный (6, 9) и фракционный (7, А), простой (6) и сложный (9)
Разветвленная связь (схема 2 на рис.2.2). После некоторой операции поток разветвляется и далее отдельные потоки перерабатываются различными способами. Используется для получения разных продуктов.
Параллельная связь (схема 3 на рис. 2.2). Поток разветвляется, отдельные части его проходят через разные аппараты, после чего потоки объединяются. Если мощность некоторых аппаратов ограничена, то устанавливают несколько аппаратов параллельно, обеспечивая суммарную производительность всей системы. Другое применение такой связи – использование периодических стадий в непрерывном процессе. В этом случае поочередно работает один из параллельных аппаратов. После завершения рабочего цикла одного аппарата поток переключают на другой аппарат, а отключенный подготавливают к очередному рабочему циклу. Так включены адсорберы с коротким сроком службы сорбента. Пока в одном из них происходит поглощение, в другом сорбент регенерируют. Еще одно назначение параллельной схемы – резервирование на случай выхода из строя одного из аппаратов, когда такое нарушение может привести к резкому ухудшению работы всей системы и даже к аварийному состоянию. Такое резервирование называют «холодным» («горячее» резервирование обусловлено периодичностью процесса).
Обводная связь, или байпас (схемы 4 и 5 на рис.2.2). Часть потока, не поступая в аппарат, «обходит» его. Такая схема используется в основном для управления процессом. Например, условия передачи теплоты в теплообменнике со временем меняются (загрязнения поверхности, изменение нагрузки), но необходимые температуры потоков поддерживают байпасирование их мимо теплообменника. Величину байпаса β определяют как долю основного потока, проходящего мимо аппарата: β = Vб/Vо (обозначения потоков показаны на рис.2). Различают простой (схема 4) и сложный (схема 5) байпасы.
Обратная связь, или рецикл (схемы 6–9 на рис.2.2). Часть потока после прохождения очередного элемента ХТС возвращается в него. Через аппарат, в который направляется рецикл Vp, проходит больший поток V, чем основной Vо, так что V = Vo+ Vp. Отношение приращенного и основного потоков называют кратностью циркуляции: Кр= V/Vо.
Если выходящий из аппарата поток разветвляется, и одна его часть образует обратную связь (схема 6), то такая связь совершает полный рецикл – составы выходящего потока и рециклирующего одинаковы. Такую схему используют для управления процессом, создания благоприятных условий для его протекания. Например, в цепных реакциях скорость превращения возрастает по мере накопления промежуточных активных радикалов и, если часть выходного потока, содержащего активные радикалы вернуть на вход реактора, то превращение будет интенсивным с самого начала.
Возврат (рецикл) части компонентов после системы разделения Р (схема 7). Это – фракционный рецикл (возвращается фракция потока), который широко применяется для более полного использования сырья. В синтезе аммиака в реакторе превращается около 20% азотоводородной смеси. После отделения продукта непрореагировавшие азот и водород возвращают в реактор, таким образом достигается полное превращение исходного вещества. Фракционный рецикл используют также для полного использования вспомогательных материалов. В производстве аммиака азотоводородная смесь получается с большим содержанием СO2. Его абсорбируют раствором моноэтаноламина (МЭА), который быстро насыщается диоксидом углерода. Насыщенный раствор МЭА рециркулирует через десорбер, где отделяется СО2, и восстановленный моноэтаноламин возвращается в абсорбер. К фракционному рециклу можно отнести схему 8. Свежая смесь нагревается в теплообменнике теплом выходящего из реактора потока. Рециркулирует тепловая фракция потока (а не компонентная, как в схеме 7).
Схемы 6–8 представляют собой простой рецикл, а схема 9 – сложный.
Приведенные выше типы связей присутствуют практически во всех ХТС, обеспечивая необходимые условия их функционирования.
2.2.Схемы химико-технологической системы
Как было продемонстрировано в предыдущем материале, химико-технологическая система есть модель химического производства, представленная в виде некой графической схемы. Для определения количественных показателей функционирования системы нужны так же математические описания происходящих в ней процессов, которых, учитывая разнообразие процессов и связей между ними, существует несколько видов. Модели ХТС можно разделить на 2 группы: описательные (формулы, уравнения) и графические (схемы и другие графические изображения). В каждой из названных групп также можно выделить несколько видов моделей, различающихся по форме и назначению:
А. Описательные модели: химическая; операционная; математическая;
Б. Графические модели: функциональная; технологическая; структурная; специальные.
Здесь перечислены не все виды моделей, применяемых при исследовании ХТС, а только те, которые будут использованы далее.
Химическая модель (схема) представлена основными реакциями (химическими уравнениями), которые обеспечивают переработку сырья в продукт.
Синтез аммиака из водорода и азота представлен одним химическим уравнением:
ЗН2 + N2 = 2NH3.
Производство аммиака из природного газа (метана) требует проведения нескольких химических реакций:
СН4 + Н2О = СО + ЗН2 – конверсия метана с водяным паром;
СО + Н2О = СО2 + Н2 – конверсия оксида углерода;
ЗН2 + N2 = 2NH3 – синтез аммиака.
Получение серной кислоты из серы протекает через следующие превращения:
S2+ 2O2 = 2SО2 – сжигание серы;
2S2 + 02 = 2SО3 – окисление диоксида серы;
SО3 + Н20 = H2SО4 – хемосорбция триоксида серы.
Приведённые химические схемы, представленные в виде стехиометрических уравнений, отражают последовательную связь в системе превращения сырья в продукт. Примером более сложной связи между химическими превращениями в ХТС может послужить производство соды Na2CO3 из поваренной соли NaCl и известняка CaCO3, в котором некоторые вещества, образующиеся в отдельных стадиях превращения, направляются в другие стадии:
Данная система уравнений – химическая схема – показывает генеральный путь превращения сырья в продукт. Но реализация этого превращения не ограничивается только данными уравнениями – необходимы еще стадии, обеспечивающие эти химические преобразования или детализирующие их. Они представлены в других моделях процесса.
Операционная модель представляет основные стадии (операции) переработки сырья в продукт, в том числе обеспечивающие протекание основных превращений. Производство аммиака будет описано следующей операционной моделью.
- Очистка природного газа от серосодержащих соединений адсорбцией сероводорода, который мешает дальнейшим превращениям:
H2S + ZnO = ZnS + Н20
2) Конверсия метана с водяным паром. И природный газ (СН4), и вода (Н2О) являются сырьем для получения одного из компонентов для синтеза аммиака – водорода Н2. В этом превращении протекают одновременно две реакции:
СН4 + Н2О = СО + ЗН2;
СО + Н2О = СО2 + Н2.
3) Конверсия оксида углерода с водяным паром (в предыдущем процессе оксид углерода СО не полностью превращается в СО2 из-за равновесных ограничений):
СО + Н2О = СО2 + Н2.
Осуществление перечисленных этапов производства позволяет достигать максимально возможного извлечения водорода из исходного сырья – метана СН4 и воды Н2О.
4) Получение азота N2 – второго исходного компонентна для синтеза аммиака, который в современных схемах получают из водуха путём «выжигания» из него кислорода:
3О2 + 2СН4 = 2СО + 4Н2О.
Это не только наиболее простой способ освобождения азота воздуха от кислорода, но и энергосберегающий, как так сжигание части природного газа всё равно необходимо для обеспечения теплотой всего процесса.
5) Абсорбция диоксида углерода – удаление С02, полученного при получении водорода. Его поглощают раствором моноэтаноламина:
СО2 + 2RNH2 + Н2О = (RNH3)2CО3.
6) Очистка газа от оксида углерода СО. После конверсии СО небольшое количество СО остается, и он мешает дальнейшим превращениям. Освобождаются от него, превращая в безвредный метан:
СО + ЗН2 = СН4 + Н2О.
7) Синтез аммиака (после всех стадий получена чистая азото – водородная смесь; примесь СН4, полученная в предыдущей стадии, мала):
3Н2 + N2 = 2NH3.
Химическая и операционная схемы дают первое описание и представление о производстве и его основных стадиях. Для дальнейшего рассмотрения ХТС удобнее использовать графические модели.
Функциональная модель (схема) строится на основе химической и операционной и наглядно отражает основные стадии химико-технологического процесса и их взаимосвязи. Каждая из них представлена прямоугольником, линии между ними – связи. На рис. 3 показана функциональная схема производства аммиака, соответствующая приведенной выше операционной модели. Цифры на схеме соответствуют стадиям операционной модели (стадии 2 и 4 совмещены, что будет объяснено при рассмотрении производства). Элементы функциональной схемы соединены последовательно. На рис. 4 показана функциональная схема производства соды, построенная на основе ее химического описания. Она сложнее предыдущей, содержит параллельные и обратные связи.
Представление основных операций химико-технологического процесса в виде функциональной схемы весьма удобно для его понимания. Она дает общее представление о функционировании ХТС и служит предпосылкой для аппаратурного оформления и более детальной разработки ХТС.
Рис.2.3 Функциональная схема синтеза аммиака: А – синтез NH3; Б – выделение NH3; В – компрессия и рециркуляция
Рис.2.4 Функциональная схема производства соды
Приведём ещё один пример функциональной схемы – синтез аммиака, т.е. рассмотрим подсистему 7 в производстве аммиака как ХТС. Реакция водорода с азотом протекает не полностью из-за ограничений по равновесию. Поэтому синтез аммиака включает три стадии:
А. Синтез аммиака 3Н2 + N2 = 2NH3.
Б. Выделение аммиака.
В. Возврат (рецикл) непрореагировавших водорода и азота в реактор (на стадию А).
Функциональная схема показана на рис. 2.5.
Рис.2.5 Функциональная схема синтеза аммиака: А – синтез NH3; Б – выделение NH3; В – компрессия и рециркуляция
Технологическая модель (схема) показывает элементы системы, порядок их соединения и последовательность технологических операций. В технологической схеме каждый элемент (агрегат, аппарат, машина) имеет общепринятое изображение, соответствующее его внешнему виду. Связи изображены обычно линиями со стрелками или даже в виде трубопроводов. Нередко расположение аппаратов соответствует их примерной расстановке в цехе. На технологической схеме кратко могут быть приведены данные о параметрах процесса.
На рис. 2.6 приведена несколько сокращенная технологическая схема синтеза аммиака. Азотоводородная смесь поступает в реактор 1. Нагретая за счет теплоты экзотермической реакции прореагировавшая реакционная смесь охлаждается в трех теплообменниках. В первом из них 2 газ охлаждается водой – частично используется теплота реакции. В теплообменнике 3 подогревается газ, направляемый в реактор. Окончательное охлаждение происходит в воздушном холодильнике 4. Это наиболее простое и безопасное решение. Если охлаждать водой, вода может загрязняться, и необходимо создать сложную замкнутую систему водооборота, работающую на чуть теплой воде. В охлажденном газе конденсируется аммиак (частично), и его отделяют в сепараторе 5. Жидкий аммиак собирается в сборнике 6 как продукт. Охлаждение до температуры окружающей среды недостаточно для полного выделения аммиака, и газ из сепаратора направляется в конденсационную колонну 8. В ней газ охлаждается до – (2+3) °С, так что в нем остается 3–5% аммиака.
Рис.2.6 Технологическая схема синтеза аммиака: 1 – колонна (реактор) синтеза NH3; 2 – водяной холодильник; 3 теплообменник; 4 – воздушный холодильник; 5 – сепаратор; 6 – сборник аммиака, 7 – циркуляционный компрессор; 8 – конденсационная колонна; 9- испаритель
Испаритель может быть совмещен конструктивно с конденсационной колонной. В ней же аммиак отделяют от газа и направляют в сборник. Холодный газ затем подогревают в теплообменнике 3 и возвращают в колонну синтеза 1. Обеспечивают циркуляцию потока циркуляционным компрессором 7. Перед ним добавляют в циркулирующий реакционный газ свежую азотоводородную смесь. На рис. 2.6 пунктиром выделены элементы функциональной схемы на рис. 2.5. Отметим, что элемент В циркуляции газа «встроен» в элемент Б – выделение аммиака происходит перед и после циркуляционного компрессора.
Технологическую схему получают в результате научной разработки данного способа производства, технологической и конструктивной проработки схемы, узлов и аппаратов. Следует отметить наглядность отображения конкретного производства, дающую почти осязаемое представление о нем. Технологические схемы используют как при эксплуатации производства, так и при его проектировании. Они входят в проектную и техническую документацию каждого производства.
Структурная модель (схема) в отличие от технологической включает элементы ХТС в виде простых геометрических фигур (прямоугольников, кругов). Изображение аппаратов обезличено, но значительно упрощается общий вид структуры ХТС. На рис.2.7а показана структурная схема синтеза аммиака – та же, что на рис. 2.6. В ней представлен общий характер структуры ХТС, легко прослеживается направленность потоков. Изображение даже сложной ХТС весьма наглядно, в ней удобно менять положение элементов, «проигрывая» различные варианты разрабатываемой ХТС. Наглядность связей позволяет легко составлять математическое описание, прослеживая связи между элементами, что существенно при автоматизированном проектировании.
Рис.2.7. Структурная (а) и операторная (б) схемы синтеза аммиака (обозначения элементов те же , что и на рис.2.6 .
Специальные модели (схемы) применяют при анализе и расчетах ХТС, используя специальный математический аппарат и вычислительные методы. Поскольку они здесь не используются, не будем их перечислять. Упомянем только об одной из схем – операторной схеме. Если в структурной схеме все элементы обезличены, то в операторной каждый элемент представлен специальным обозначением, называемым «технологический оператор». Принятые для них обозначения показаны на рис.2.8. Они помогают определить по схеме, какие преобразования («операции») происходят с потоком в элементе. Операторная схема синтеза аммиака показана на рис. 2.7б. рядом со структурной. Зная обозначения элементов, такую схему удобно использовать при автоматизированных расчетах на ЭВМ – каждому виду элемента соответствует определенная подпрограмма (или блок) вычислительной системы.
Рис.2.8. Технологические операторы: а – химического превращения; б – массообмена; в-смешения; г – разделения; д – теплообмена; е – сжатия, расширения; ж – изменения агрегатного состояния
Математическая модель (описание). Приведенные выше модели (описания, схемы) дают общее представление о ХТС. Для количественных выводов о ее функционировании необходимо иметь математическую модель.
Как уже было определено, система – «совокупность элементов и связей…», и ее модель будет представлена двумя системами уравнений – для элементов и связей.
В элементе происходит преобразование потоков. Математическая модель процесса в элементе устанавливает связь параметров выходящих потоков Yk и к-го элемента и входящих в него Xk. Показатели потока – это его величина, состав (концентрации), температура, давление, теплосодержание и другие параметры. На состояние потока на выходе могут влиять некоторые параметры Uk которые управляют процессом или меняются в процессе эксплуатации. В общем виде
Yk=F(Xk, Uk). (2.1)
Черточки над Yk, Хк, Uk означают множество параметров (концентрации, температура и другие). Уравнения (2.1) – математические модели реактора, абсорбера, компрессора и других аппаратов и машин. Конечно, можно использовать математические модели, например, реакторов, рассмотренные выше. Но поскольку при расчете ХТС важно знать входные и выходные параметры, то используют и другие модели, которые будут рассмотрены далее.
Связи в ХТС определяют, из какого элемента в какой передается поток. Поскольку передача потока происходит без его изменения, то уравнения связи в общем виде выглядят так:
Хк = бl-kYL, (2.2)
где бl-k=1 для потока, выходящего из L-го элемента и входящего в k-й элемент; ai-k = 0, если между L-м и к-м элементами нет связи.
Для входящих в ХТС и выходящих из нее потоков используют обычно индекс «О» как обозначение внешней среды.
Система уравнений (2.1) – (2.2) довольно громоздка и решается, как правило, с помощью электронно-вычислительных машин.
2.3 Химико-технологический процесс и его содержание
Химико-технологический процесс представляет собой совокупность операций, позволяющих получить целевой продукт из исходного сырья. Некоторые из этих операций необходимы для подготовки исходных реагентов к проведению химической реакции, перевода их в наиболее реакционноспособное состояние. Например, известно, что скорость химических реакций сильно зависит от температуры, поэтому часто реагенты до проведения реакции нагревают. Чтобы устранить побочные явления и получить продукт высокого качества, исходное сырье подвергают очистке от посторонних примесей, пользуясь методами основанными на различии физических свойств (растворимость в различных растворителях, плотность, температуры конденсации и кристаллизации и т.д.). При очистке сырья и реакционных смесей широко применяют явления тепло- и массообмена, гидромеханические процессы. Возможно также использование химических методов очистки, например, химических реакций, в результате которых посторонние примеси превращаются в легкоотделимые вещества.
Соответствующим образом подготовленные реагенты подвергают химическому взаимодействию, включающему часто несколько этапов. В промежутках между этими этапами иногда необходимо вновь использовать тепломассообменные и другие физические процессы. Например, при производстве серной кислоты диоксид серы частично окисляют до триоксида, затем реакционную смесь охлаждают, извлекают из нее путем абсорбции триоксид серы и вновь направляют ее на окисление.
В результате химических реакций получают смесь продуктов (целевых побочных) и непрореагировавших реагентов. Заключительные операции связаны с разделением этой смеси, для чего вновь применяют гидромеханические, тепло- и массообменные процессы, например, фильтрование, центрифугирование, ректификацию, абсорбцию, экстракцию и т.д. Продукты реакции направляют на склад готовой продукции или на дальнейшую переработку; непрореагировавшее сырье вновь используют в процессе, организуя его рецикл. На заключительных этапах проводят также рекуперацию энергии и очистку промышленных выбросов, чтобы извлечь из отходящих газов и сточных вод все ценные компоненты, а также ликвидировать опасность загрязнения окружающей среды.
Таким образом, химико-технологический процесс в целом это сложная система, состоящая из единичных связанных между собой процессов (элементов) и взаимодействующая с окружающей средой. Элементами химико-технологической системы являются названные процессы тепло- и массообмена, гидромеханические, химические и т.д. Их рассматривают как единичные процессы химической технологии.
Важной подсистемой сложного химико-технологического процесса является химический процесс. Он представляет собой одну или несколько химических реакций, сопровождаемых тепло- и массообменными явлениями.
Анализ единичных процессов, их взаимного влияния позволяет разработать технологический режим.
Технологическим режимом называется совокупность параметров, определяющих условия работы аппарата или системы аппаратов.
Оптимальные условия ведения процесса – это сочетание основных параметров (температуры, давления, состава исходной реакционной смеси, катализатора и т.д.), позволяющее получить наибольший выход продукта с высокой скоростью или обеспечить наименьшую себестоимость.
Единичные процессы протекают в различных аппаратах – химических реакторах, абсорбционных и ректификационных колоннах, теплообменниках и т.д. Отдельные аппараты соединены в технологическую схему процесса. Разработка и построение рациональной технологической схемы – важная задача химической технологии.
Процесс создания химического производства складывается из следующих операций.
1) Разработка химико-технологического процесса.
2) Составление проектной документации.
3) Построение цеха, т.е. сооружение здания, монтаж оборудования, размещение аппаратов и приборов контроля и регулирования.
В курсе "Общая химическая технология" изучаются вопросы, посвященные главным образом решению первых двух задач, которые наиболее тесно связаны с сущностью химического производства. Но прежде следует ознакомиться с основными элементами химико-технологического процесса.
2.4. Основные технологические показатели химико-технологического процесса
Показателем, характеризующим эффективность работы машин, аппаратов, цехов и заводов в целом, служит производительность. Производительность - это количество выработанного продукта или пере-работанного сырья в единицу времени t
, (2.1)
где П – производительность; В – количество продукта; τ – время.
Производительность измеряется в килограммах в час (кг/ч), тоннах в сутки (т/сут), или, кубических метрах в сутки (м3/сут) и т.д. Максимально возможная производительность называется мощностью.
Для сравнения работы аппаратов и установок различного устройства и размеров, в которых протекают одни и те же химические процессы, используется понятие интенсивность.
Интенсивность – это производительность, отнесенная к какой-либо величине, характеризующей размеры аппарата, – к его объему или сечению; она, например, может быть выражена в виде уравнения
, (2.2)
где Vr – объем аппарата (реактора).
Интенсивность может измеряться количеством продукта, получаемого в течение единицы времени с единицы объема аппарата. Например, (кг/ч⋅ м3), или с единицы сечения аппарата (т/сут⋅ м2) и т.д.
Расход сырья, воды, энергии и различных реагентов, отнесенный к единице целевого продукта, называют расходным коэффициентом
(2.3)
где Q – расход сырья реагента и др.
Расходные коэффициенты выражают в тоннах на тонну (т/т), кубических метрах на тонну (м3/т), киловатт-часах на тонну (кВт⋅ч /т) и т.п.
Глубина протекания реакции, от которой зависит степень использования сырья и другие показатели химико-технологического процесса, характеризуется степенью превращения и выходом продукта, а для сложных реакций, кроме того, селективностью.
Степень превращения – это отношение количества реагента, вступившего в реакцию, к его исходному количеству. Например, для простой необратимой реакции типа A → R степень превращения выражается уравнением
, (2.4)
где XA – степень превращение реагента А; NA,0, NA – количество исходного реагента А в начале и в конце процесса.
Степень превращения выражают в долях процента, в последнем случае
(2.5)
Из уравнения (2.4) следует, что
NA = NA,0 (1− XA ) . (2.6)
Если реакция протекает без изменения объема, то
, (2.7)
где CA,0, CA – концентрация исходного реагента A в начале и в конце процесса.
Из уравнения (2.7) находим, что
CA = CA,0 (1− XA ) . (2.8)
Выход продукта – это отношение количества полученного целевого продукта к его количеству, которое должно быть получено по стехиометрическому уравнению.
Для необратимой реакция A → R имеем
(2.9)
где ФR – выход целевого продукта; NR – количество продукта R в конце процесса; NR, max – максимально возможное количество продукта R.
Однако в данном случае NR,max = NA,0; NR = NA,0 – NA, поэтому для необратимых процессов
(2.10)
Для обратимых реакций важным понятием является равновесная степень превращения; для реакции A ↔ R она описывается уравнением
, (2.11)
где X*A – равновесная степень превращения; N*A – количество исходного реагента А в состоянии равновесия.
Для обратимых реакций NR, max = N*R , поэтому
, (2.12)
где N*R – количество продукта R в состоянии равновесия.
Но NR = NA,0 − NA , а N*R= NA,O∙X*A, поэтому из уравнения (2.12) следует, что для обратимой реакции
(2.13)
Селективностью называется отношение количества целевого продукта к общему количеству получаемых продуктов. Селективность характеризует процессы, в которых протекают сложные параллельные и последовательные реакции с получением нескольких продуктов, что часто встречается на практике. Например, если в процессе протекают параллельные реакции
R
A
S
и целевым является продукт R, то селективность будет выражаться в виде
, (2.14)
где ϕR – селективность; NR , NS – количество продукта R и S.
Между выходом, степенью превращения и селективностью существуют определенные зависимости. Для простой необратимой реакции (А → R): Ф = Х; простой обратимой реакции (A ↔ R): Ф = Х / Х*; для сложной реакции: Ф = X ∙φ.
В производственных условиях с целью уменьшения расходных коэффициентов сырья стремятся иметь возможно более высокие значения X, φ, Ф.
Вопросы для самоконтроля
- Дайте определения понятиям: химическое производство, химико-технологический процесс, химико-технологическая система и объясните их
- В чём заключается метод системного анализа для исследования химико-технологического процесса?
- Что может служить производственным эквивалентом химико-технологической системы?
- Из каких частей состоит химико-технологическая система?
- Какие подсистемы можно выделить в химико-технологической системе?
- Какие элементы ХТС Вы можете указать? Их назначение и примеры в производстве.
- Что такое связь в химико-технологической системе? Какие типы сязей и их назначения Вы знаете?
- Как отображается ХТС система (виды её модели)?
- Приведите пример химической, операционной и функциональной схем какого-либо производства?
- Чем отличаются технологическая и структурная схемы химического производства? Покажите это на примере производства аммиака.
- Перечислите основные технологические показатели эффективности химико-технологического процесса.
2. Основы бухгалтерского учета предприятия1
3. Варіант 1 На п~яти картках написані 5 букв-АИЛНЯ
4. Юридическая работа на предприяти
5. I Концептуальные основы психологии развития человека ко модифицирует его в рамках приспособления п
6. Фридерик Францишек Шопен Творческий и жизненный путь
7. Организационнотехническое построение УС КНП Организация радиосвязи в МБ Организация проводной связи.html
8. утаенной литературы
9. Об утверждении порядка уведомления федеральными государственными гражданскими служащими Росмолодежи о фак
10. Устный счет как средство повышения интереса к уроку математики
11. Экономическая теория для студентов 2 курса специальности 179 01 01 Лечебное дело лечебного факультета
12. .Для лікування хворого із запаленням легень призначено комбінований препарат з групи сульфаніламідів
13. і Обов~язкова та необов~язкова проводка лоцманом судна
14. Туристические и гостиничные услуги бухгалтерский учет и налогообложение
15. это- для российских организаций полученные доходы уменьшенные на величину произведенных расходов;
16. Мне уделено всё внимание
17. Вестфальский мир
18. Реферат Организация бюджетных процессов на предприятии оптовой торговли
19. .П.Говорухина Е.И.
20. Армия в политической системе