Скачать презентацию Химико Технологический процесс 1 Российский Химико-Технологический Университет им Скачать презентацию Химико Технологический процесс 1 Российский Химико-Технологический Университет им

описание ХТС (схемы)2.ppt

  • Количество слайдов: 48

Химико. Технологический процесс. 1 Российский Химико-Технологический Университет им. Д. И. Менделеева г. Москва Химико. Технологический процесс. 1 Российский Химико-Технологический Университет им. Д. И. Менделеева г. Москва

Объектом исследования химической технологии является химическое производство. Химическое производство совокупность процессов, операций, осуществляемых в Объектом исследования химической технологии является химическое производство. Химическое производство совокупность процессов, операций, осуществляемых в машинах и аппаратах и предназначенных для переработки сырья с использованием химических превращений в полезные и нужные продукты.

Собственно совокупность операций и процессов переработки сырья в продукты называют технологическим процессом. Химико-технологический процесс Собственно совокупность операций и процессов переработки сырья в продукты называют технологическим процессом. Химико-технологический процесс последовательность процессов целенаправленной переработки исходных веществ в продукт химических и физико-химических процессов и их сочетаний.

Сформулируем общие требования к химическому производству: - получение в производстве необходимого продукта; - экологическая Сформулируем общие требования к химическому производству: - получение в производстве необходимого продукта; - экологическая безопасность; - безопасность и надежность эксплуатации; - максимальное использование сырья и энергии; - максимальная производительность труда.

Основное назначение химического производства - получение продукта, при этом химическое производство является многофункциональным, обеспечивающим Основное назначение химического производства - получение продукта, при этом химическое производство является многофункциональным, обеспечивающим выполнение указанных выше требований к нему. Общая структура химического производства включает в себя функциональные части:

Сырьё Материалы 1 2 5 6 Энергия Вода Продукт основной 3 7 Управление 4 Сырьё Материалы 1 2 5 6 Энергия Вода Продукт основной 3 7 Управление 4 Отходы основного производства Отходы Структура и функциональные элементы химического производства: 1 - подготовка сырья; 2 - переработка сырья, 3 - выделение основного продукта, 4 - санитарная очистка и утилизация отходов, 5 - энергетическая система, 6 - подготовка вспомогательных материалов и водоподготовка, 7 - система управления

1 -3 - собственно химическое производство, в котором сырье перерабатывается в продукт. Подготовка сырья 1 -3 - собственно химическое производство, в котором сырье перерабатывается в продукт. Подготовка сырья (поз. 1) включает его предварительную обработку - измельчение, очистку от примесей, смешивание компонентов, нагревание и т. д. Процессы подготовки сырья зависят от вида сырья и условий превращения. Подготовленное сырье проходит ряд превращений – его переработку (поз. 2), в результате чего образуется основной продукт производства. Поскольку исходное природное сырье, как правило, содержит примеси, превращение может быть неполным и могут образовываться другие вещества, поэтому приходится выделять основной продукт из образовавшейся смеси, очищать его от примесей (поз. 3 ).

Отходы производства или невостребованные продукты переработки сырья могут содержать как вредные вещества, которые опасно Отходы производства или невостребованные продукты переработки сырья могут содержать как вредные вещества, которые опасно выбрасывать в окружающую среду, так и полезные, выбрасывать. Поэтому которые нецелесообразно существенным элементом химического производства является санитарная очистка и утилизация отходов производства (поз. 4). Энергетическая система - важный и сложный элемент химического производства (поз. 5). Энергия не столько потребляется непосредственно для получения продукта, сколько обеспечивает условия его производства.

Особое место занимает вода - она используется для охлаждения технологических потоков, выработки пара, растворения Особое место занимает вода - она используется для охлаждения технологических потоков, выработки пара, растворения и разбавления веществ. Подготовка вспомогательных материалов и особенно водоподготовка (поз. 6) - также очень важная и сложная часть химического производства. Сложное химическое производство невозможно эксплуатировать без системы управления (поз. 7). Она обеспечивает контроль состояния производства, проведение процессов при наилучших условиях, защиту от нежелательных (аварийных) ситуаций, пуск и остановку сложной системы. Этот элемент представляет собой автоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУТП).

Компоненты химического производства q q q сырье, поступающее на переработку; (источники и виды сырья Компоненты химического производства q q q сырье, поступающее на переработку; (источники и виды сырья ) вспомогательные материалы, обеспечивающие технологический процесс; продукты - основной и дополнительный - как результат переработки сырья; продукты производства могут далее использоваться как продукт потребления, после чего он теряет первоначальные свойства и превращается в отходы, и как полупродукт для дальнейшей его переработки в другие продукты отходы производства – не подлежащие дальнейшей переработке вещества и материалы и удаляемые в окружающую среду; энергия, обеспечивающая функционирование производства; виды и источники энергии.

Постоянные компоненты закладываются в производство (оборудование, конструкции) или участвуют в нем (персонал) на весь Постоянные компоненты закладываются в производство (оборудование, конструкции) или участвуют в нем (персонал) на весь или почти весь срок его существования: аппаратура (машины, аппараты, емкости, трубопроводы, арматура); - устройства контроля и управления; строительные конструкции (здания, сооружения); - обслуживающий персонал (рабочие, аппаратчики, инженеры и другие работники производства). -

Рассмотрим состав химического производства, обеспечивающий его функционирование как производственной единицы: - собственно химическое производство; Рассмотрим состав химического производства, обеспечивающий его функционирование как производственной единицы: - собственно химическое производство; - хранилища сырья, продуктов и других материалов; - транспортировка сырья, продуктов, промежуточных веществ, отходов; - дополнительные здания, сооружения; - обслуживающий персонал производственного подразделения; - система управления, обеспечения и безопасности.

Способы организации процессов: Периодический процесс. Все компоненты одновременно загружают в него. Реакция протекает при Способы организации процессов: Периодический процесс. Все компоненты одновременно загружают в него. Реакция протекает при интенсивном перемешивании, так что можно считать концентрации и температуру в каждый момент времени одинаковыми по всему объему. Поэтому элементарным будет весь объем vp реакционной зоны (далее реактора). Возможен теплообмен с теплоносителем, имеющим температуру ТX. Поверхность теплообмена - FT и коэффициент теплообмена - КT.

Описание химико-технологического процесса. 12. 3. 6. 1 Химико-технологического процесс – это сложная система, состоящая Описание химико-технологического процесса. 12. 3. 6. 1 Химико-технологического процесс – это сложная система, состоящая из единично связанных между собой элементов (процессов) и взаимодействующих с окрашенной средой. Элементами химико-технологического системы являются процессы химические, гидромеханические, тепло- и массообмена и т. д. , их рассмотрим как отдельный процессы химической технологии.

12. 3. 6. 1 Классификация основных процессов химической технологии 12. 3. 6. 1 Классификация основных процессов химической технологии

12. 3. 6. 1 Периодические и непрерывные процессы В периодическом процессе отдельные стадии, операции 12. 3. 6. 1 Периодические и непрерывные процессы В периодическом процессе отдельные стадии, операции осуществляются в одном аппарате, но в разное время. д Реактор с мешалкой е в а 1 2 3 б г а – исходный материал б – готовый продукт в – пар г – конденсат д - охлажденная вода е – нагретая вода 1 - реактор 2 - рубашка 3 - мешалка

12. 3. 6. 1 непрерывные процессы Непрерывные процессы происходят одновременно в разных аппаратах (машинах). 12. 3. 6. 1 непрерывные процессы Непрерывные процессы происходят одновременно в разных аппаратах (машинах). Реактор с мешалкой б 3 г 2 4 1 в д а е 1 2 3 4 - реактор - нагреватель – мешалка – холодильник а – исходный материал б – готовый продукт в – пар г – конденсат д - охлажденная вода е – нагретая вода

12. 3. 6. 1 Периодические и непрерывные процессы Продолжительность процесса Для периодической Для непрерывной 12. 3. 6. 1 Периодические и непрерывные процессы Продолжительность процесса Для периодической Для непрерывной Условное время пребывания Vp – объем расходной зоны Vo – объемный расход - период процесса -время от загрузки исх. мат-ла до выгрузки конеч. продукта

12. 3. 6. 1 Функциональные подсистемы: Технологическая подсистема Энергетическая подсистема Подсистема управления 12. 3. 6. 1 Функциональные подсистемы: Технологическая подсистема Энергетическая подсистема Подсистема управления

12. 3. 6. 1 Масштабные подсистемы выполняют определенные функции в последовательности процессов переработки сырья 12. 3. 6. 1 Масштабные подсистемы выполняют определенные функции в последовательности процессов переработки сырья в продукты как отдельные части химико-технологического процесса. иерархическая структура ХТС

12. 3. 6. 1 Классификация связей (потоков): Потоки между аппаратами (связи между элементами) классифицируют 12. 3. 6. 1 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, силовую, электрическую, топливную. Тепловая энергия и топливо для энергетических элементов передается обычно по трубопроводам (пар, горячие потоки, горючие газы и жидкости). Силовая энергия - также по трубопроводам (в виде газов под давлением) или механически через вал двигателей и другие приводы. Провода, силовые кабели передают электрическую энергию.

q. Информационные потоки используются в системах контроля и управления процессами и производством. Используются электрические q. Информационные потоки используются в системах контроля и управления процессами и производством. Используются электрические провода и тонкие, капиллярные, трубки в пневматических системах.

12. 3. 6. 1 Структура связей: последовательность прохождения потоков через элементы ХТС определяет структуру 12. 3. 6. 1 Структура связей: последовательность прохождения потоков через элементы ХТС определяет структуру связей и обеспечивает определенные условия работы элементов системы. Основные типы структуры связей: 1. Последовательная связь 2. Разветвленная связь 3. Параллельная связь 4. Простая Обводная связь(байпас) 5. Сложная Обводная связь(байпас) 6. Полный рецикл 7. Фракционный рецикл 8. Перекрестная связь 9. Сложный рецикл

12. 3. 6. 1 Модели ХТС Описательные модели: химическая операционная математическая Графические модели: функциональная 12. 3. 6. 1 Модели ХТС Описательные модели: химическая операционная математическая Графические модели: функциональная технологическая структурная специальные

12. 3. 6. 1 Химическая модель (схема) представлена основными реакциями (химическими уравнениями), которые осуществляют 12. 3. 6. 1 Химическая модель (схема) представлена основными реакциями (химическими уравнениями), которые осуществляют переработку сырья в продукт. Синтез аммиака из водорода и азота представлен одним химическим уравнением 3 H 2 + N 2 = 2 NH 3 Производство аммиака из природного газа (метана) требует провести несколько химических реакций: СН 4 + Н 2 О = СО + 3 Н 2 - конверсия метана с водяным паром, СО + Н 2 О = СО 2 + Н 2 конверсия оксида углерода, 3 H 2 + N 2 = 2 NH 3 синтез аммиака. Получение серной кислоты из серы протекает через следующие превращения: S 2 + 2 О 2 = 2 SО 2 сжигание серы, 2 SО 2 + О 2 = 2 SО 3 окисление диоксида серы, SО 3 + Н 2 О = Н 2 SО 4 хемосорбция триоксида серы.

12. 3. 6. 1 Химическая схема прозводства соды Na. Cl + NH 3 + 12. 3. 6. 1 Химическая схема прозводства соды Na. Cl + NH 3 + СО 2 + Н 2 О = Na. HСО 3 + NH 4 Cl 2 Na. HСО 3 = Na 2 CO 3 + СО 2 + Н 2 О 2 NH 4 Cl + Са(ОH)2 = Са. Cl 2 + 2 NH 3 + 2 Н 2 О Са. O + Н 2 О = Са(ОH) Са. СО 3 = Са. O + СО 2

химическая схема - показывает генеральный путь превращения сырья в продукт. Но реализация этих превращений химическая схема - показывает генеральный путь превращения сырья в продукт. Но реализация этих превращений не ограничивается только ими - необходимы еще стадии, обеспечивающие эти химические преобразования или детализирующие их, что представлено в другом описании процесса.

Операционная схема (Операционная 12. 3. 6. 1 модель) представляет основные стадии (операции) переработки сырья Операционная схема (Операционная 12. 3. 6. 1 модель) представляет основные стадии (операции) переработки сырья в продукт, в том числе обеспечивающие протекание основных превращений. Производство аммиака будет описано следующей операционной моделью. 1) Сероочистка природного газа: Н 2 S + Zn. O = Zn. S +Н 2 O 2) Конверсия природного газа (воздушным паром): СН 4 + Н 2 O = СО + 3 Н 2 ; CH 4 +3 O 2 = 2 CO+4 H 2 O 3) Конверсия оксида углерода с водяным паром: СО + Н 2 O = СО 2 + Н 2 4) Абсорбция диоксида углерода - удаление СО 2 : СО 2 + 2 RNH 2 + Н 2 О = (RNH 3)2 СО 3 5) Очистка газа от оксида углерода СО: 1) СО + 3 Н 2 = СН 4 + Н 2 О 2) 6) Синтез аммиака: 3 Н 2 + N 2 = 2 NH 3

Химическая и операционная схемы дают описание и первое представление о производстве и его основных Химическая и операционная схемы дают описание и первое представление о производстве и его основных стадиях. Для дальнейшего рассмотрения ХТС удобней использовать графические модели.

12. 3. 6. 1 Графические схемы (модели) ХТС §Функциональная §Структурная §Технологическая §Операторная 12. 3. 6. 1 Графические схемы (модели) ХТС §Функциональная §Структурная §Технологическая §Операторная

12. 3. 6. 1 Функциональная схема строится на основе химической и операционной и наглядно 12. 3. 6. 1 Функциональная схема строится на основе химической и операционной и наглядно отражает основные стадии химикотехнологического процесса и их взаимосвязи. Синтез Аммиака Синтез аммиака включает три стадии и представлен такой операционной моделью: А. Синтез аммиака 3 Н 2 + N 2 = 2 NH 3, Б. Выделение аммиака, В. Возврат (рецикл) не прореагировавших водорода и азота в реактор (стадию А) Подсистема 7:

 Представление основных операций химико -технологического процесса в виде функциональной схемы удобно для его Представление основных операций химико -технологического процесса в виде функциональной схемы удобно для его понимания. Она дает общее представление о функционировании ХТС и служит предпосылкой для выбора аппаратурного оформления и более детальной разработки ХТС.

12. 3. 6. 1 Функциональная схема Производство Соды 12. 3. 6. 1 Функциональная схема Производство Соды

12. 3. 6. 1 Технологическая схема показывает элементы ХТС, порядок их соединения и последовательность 12. 3. 6. 1 Технологическая схема показывает элементы ХТС, порядок их соединения и последовательность технологических операций. Каждый элемент (агрегат, аппарат, машина) имеет общепринятое изображение, соответствующее его внешнему виду. Связи изображаются линиями со стрелками. Синтез Аммиака 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Колонна синтеза NH 3 Водяной холодильник Теплообменник Воздушный холодильник Сепаратор Сборник NH 3 Циркуляционный компрессор 8. Конденсационная колонка 9. Испаритель NH 3

 Расположение аппаратов на технологической схеме соответствует их примерной расстановке в цехе. На технологической Расположение аппаратов на технологической схеме соответствует их примерной расстановке в цехе. На технологической схеме могут быть приведены краткие данные о параметрах процесса. Технологическая схема - это результат научной разработки данного способа производства, конструкторско-технологического расчета схемы, узлов и аппаратов. Наглядность отображения конкретного производства. Технологические схемы используют как при эксплуатации производства, так и его проектировании. Технологическая схема обязательная составляющая проектной и технической документации каждого производства.

12. 3. 6. 1 Структурная схема • включает элементы ХТС в виде простых геометрических 12. 3. 6. 1 Структурная схема • включает элементы ХТС в виде простых геометрических фигур (прямоугольников, окружностей); • изображение аппаратов обезличено, что значительно упрощает общий вид структуры ХТС; • наглядно показывает соединение аппаратов (связи между элементами ХТС); • используется при проектировании нового производства или реконструкции действующего. Синтез Аммиака

12. 3. 6. 1 Специальные схемы применяют при анализе и расчетах ХТС, используя специальные 12. 3. 6. 1 Специальные схемы применяют при анализе и расчетах ХТС, используя специальные математический аппарат и вычислительные методы. Одна их них - операторная схема. Каждый элемент ХТС представлен специальным значком - "технологическим оператором". Операторная схема используется при автоматизированных расчетах на ЭВМ каждому виду элемента соответствует определенная подпрограмма (или блок) вычислительной системы.

Технологические операторы а) Химическое превращение б) Массообмен в) Смешение потоков г) Разделение потоков д) Технологические операторы а) Химическое превращение б) Массообмен в) Смешение потоков г) Разделение потоков д) Теплообмен е) Расширение/сжатие ж) Изменение агрегатного состояния

12. 3. 6. 1 Операторная схема Синтез Аммиака 12. 3. 6. 1 Операторная схема Синтез Аммиака

12. 3. 6. 1 Математическая модель (математическое описание) необходима для количественных выводов о функционировании 12. 3. 6. 1 Математическая модель (математическое описание) необходима для количественных выводов о функционировании ХТС. Представлена двумя системами уравнений (1( и (2) - для элементов: (1) YK – вектор параметров выходящего потока из k-го элемента ХK- вектор параметров входящих потоков в k-й элемент UK – параметры управления. и связей: (2) где l-k=1 для потока, выходящего из l-го элемента и входящего в k-й элемент; l-k=0, если между l-м и k-м элементами нет связи.

В элементах ХТС происходят преобразования потоков. Математическая модель процесса в элементе ХТС устанавливает cвязь В элементах ХТС происходят преобразования потоков. Математическая модель процесса в элементе ХТС устанавливает cвязь параметров выходящих потоков из k-го элемента YK и входящих в него ХK Показатели потока: его величина; состав (концентрации); температура, давление, теплосодержание и др. На состояние потока на выходе могут влиять некоторые параметры UK , которые управляют процессом или меняются в процессе эксплуатации.

В общем виде: (1) Где - вектора (множества) параметров (концентрации, температуры и др. ) В общем виде: (1) Где - вектора (множества) параметров (концентрации, температуры и др. ) Уравнения (1) – математические модели реактора, абсорбера, теплообменника, компрессора и т. п.

Связи в ХТС определяют, из какого элемента в какой передается поток Передача потока происходит Связи в ХТС определяют, из какого элемента в какой передается поток Передача потока происходит без его изменения, поэтому уравнения связи в общем виде выглядят так: , (2) где для потока, выходящего из i-го элемента и входящего в k-й элемент , если между i-м и k –м элементами нет связи. Для входящих в ХТС и выходящих из нее потоков используют индекс « 0» – обозначение внешней среды.

Состояние ХТС Состояние, или режим, ХТС определяется: Параметрами (показателями) потоков (связей); Состоянием аппаратов (элементов). Состояние ХТС Состояние, или режим, ХТС определяется: Параметрами (показателями) потоков (связей); Состоянием аппаратов (элементов).

Параметры потоков - данные о химических, физико-химических и физических свойствах потока: Параметры состояния Параметры Параметры потоков - данные о химических, физико-химических и физических свойствах потока: Параметры состояния Параметры свойств

Параметры состояния: ü Расход ü Фазовый состав ü Химический состав ü Температура ü Давление Параметры состояния: ü Расход ü Фазовый состав ü Химический состав ü Температура ü Давление ü Теплосодержание

Параметры свойств ü Теплоемкость ü Плотность ü Вязкость ü И т. п. Параметры свойств Параметры свойств ü Теплоемкость ü Плотность ü Вязкость ü И т. п. Параметры свойств потока могут быть определены из параметров его состояния и свойств индивидуальных компонентов. Для энергетических и информационных потоков – это напряжение, сила тока, интенсивность управляющего сигнала

Состояние элемента данные, от которых зависит изменение показателей потока в элементе: Ø Регулирующие воздействия Состояние элемента данные, от которых зависит изменение показателей потока в элементе: Ø Регулирующие воздействия Ø Изменяющиеся в процессе эксплуатации характеристики аппарата Ø Условия процесса в аппарате