Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

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;

3 + Н20 = H24 – 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.

1) 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:

2 + 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)23.

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):

2 + 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.

 

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.







Дата добавления: 2015-04-16; просмотров: 1298. Нарушение авторских прав

codlug.info - Студопедия - 2014-2017 год . (0.009 сек.) русская версия | украинская версия