ХИМИКо –ТЕХНОЛОГические сИсТЕМы Структура и функциональные элементы химического

ХИМИКо –ТЕХНОЛОГические сИсТЕМы

Структура и функциональные элементы химического производства 1 – подготовка сырья; 2 – химическая переработка сырья; 3 – выделение целевого продукта; 4 – обезвреживание и переработка побочных продуктов; 5 – энергетическая подсистема; 6 – подготовка вспомогательных материалов и водоподготовка; 7 – подсистема управления Продукт дополнительный

ХИМИКо –ТЕХНОЛОГические сИсТЕМы ХТС можно систематизировать в виде их иерархической последовательности – иерархической структуры ХТС В структуре ХТС минимальный элемент – отдельный аппарат (реактор, абсорбер, ректификационная колонна, насос и прочее). Это – низший масштабный уровень IV. Несколько аппаратов, выполняющих вместе какое-то преобразование потока, – элементы подсистемы III масштабного уровня (реакционный узел, система разделения многокомпонентной смеси и т.д.). Совокупность подсистем второго уровня как элементы образуют подсистему II уровня (отделения или участки производства). Совокупность отделений, участков образует ХТС производства в целом (I уровень).

ХИМИКо –ТЕХНОЛОГические сИсТЕМы Модели ХТС Модели ХТС можно разделить на две группы: описательные (формулы, уравнения) и графические (схемы и другие графические изображения). Описательные: химическая, операционная, математическая модели; Графические: функциональная, технологическая, структурная, специальные модели. Химическая модель (схема) представлена основными реакциями (химическими уравнениями), описывающими осуществление переработки сырья в продукт. Эти уравнения – химическая схема – показывают 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. МОДЕЛИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

ХИМИКо –ТЕХНОЛОГические сИсТЕМы Модели ХТС Химическая модель получения кальцинированной соды аммиачным способом

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 С02 из-за равновесных ограничений): СО + Н2О = СО2 + Н2. После этого процесса достигается максимально возможное извлечение водорода из исходного сырья – метана СН4 и воды Н2О.

Получение азота N2 – второго исходного компонента для синтеза аммиака. В современных схемах его получают из воздуха «выжиганием» из него кислорода: 302 + 2СН4 = 2СО + 4Н20. Это – наиболее простой способ освободить азот воздуха от кислорода, тем более, что сжигане части природного газа все равно необходимо для обеспечения теплотой всего процесса. Продукты горения – СО и Н20 – участники получения водорода. 5. Абсорбция диоксида углерода – удаление С02, полученного при получении водорода. Его поглощают раствором моноэтаноламина: С02 + 2RNH2 + Н2О = (RNH3)2C03. 6. Очистка газа от оксида углерода СО. После конверсии СО небольшое количество СО остается, и он мешает дальнейшим превращениям. Освобождаются от него, превращая в 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.

ХИМИКо –ТЕХНОЛОГические сИсТЕМы Модели ХТС 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. функциональная схема производства аммиака, соответствующая приведенной выше операционной модели. Цифры на схеме соответствуют стадиям операционной модели Функциональная схема синтеза аммиака: А – синтез NH3; Б – выделение NH3; В – компрессия и рециркуляция

ХИМИКо –ТЕХНОЛОГические сИсТЕМы Модели ХТС 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. 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

ХИМИКо –ТЕХНОЛОГические сИсТЕМы Модели ХТС функциональная схема производства кальцинированной соды, построенная на основе ее химического описания

ХИМИКо –ТЕХНОЛОГические сИсТЕМы Модели ХТС Технологическая схема производства кальцинированной соды

ХИМИКо –ТЕХНОЛОГические сИсТЕМы «технологический оператор» В операторной схеме каждый элемент представлен специальным обозначением, называемым «технологический оператор». Технологические операторы: а – химического превращения; б – массообмена; в-смешения; г – разделения; д – теплообмена; е – сжатия, расширения; ж – изменения агрегатного состояния Каждый элемент ХТС выполняет определенные функции по преобразованию параметров входящих в него потоков в параметры выходящих потоков. Параметрами состояния технологических потоков являются расход, температура, концентрации компонентов, давление и другие характеристики. Величину, равную числу параметров технологического потока, называют параметричностью потока.

ХИМИКо –ТЕХНОЛОГические сИсТЕМы «технологический оператор» Конструкционные и технологические параметры элементов ХТС позволяют управлять процессом. Поэтому их называют также управляющими параметрами. Связи между аппаратами внутри ХТС называют внутренними связями, связи между аппаратами различных ХТС и внешней средой — внешними связями. От характеристик элементов ХТС и характера технологических связей зависит качество функционирования химико-технологической системы. Эффективность работы ХТС можно повысить: путем изменения технологических связей между существующими в системе технологическими операторами; путем улучшения функционирования основных элементов ХТС (за счет изменения технологических параметров их работы или изменения типа аппаратов); введением в ХТС дополнительных операторов или образованием новых внешних связей.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ ЭЛЕМЕНТАМИ ХТС Связи между аппаратами бывают различных типов: последовательная, разветвленная, параллельная, последовательно-обводная (байпасная), обратная (рециркуляционная), перекрестная. В существующих ХТС характер технологических связей представляет собой сложную комбинацию типовых связей. Связи в химико-технологической системе: 1— последовательная; 2— разветвленная; 3 — параллельная; 4, 5— обводная (байпас) простая (4) и сложная (5); 6—9— обратная (рециркуляционная): рецикл полный (6, 9) и фракционный (7, 8); простой (6) и сложный (9); Р - система разделения

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ ЭЛЕМЕНТАМИ ХТС 1. Последовательная связь Последовательная связь характеризуется тем, что выходящий из предшествующего элемента поток является входящим для последующего элемента, и все технологические потоки проходят через каждый элемент не более одного раза. Этот тип связи — наиболее распространенный, и в самом общем случае его применяют, когда степень превращения вещества в каждом предшествующем аппарате (или операции) достаточно велика для эффективной переработки полученных продуктов в каждом последующем аппарате (операции). Последовательную связь применяют также, когда необходимо повысить степень превращения, избирательность, скорость процесса за счет секционирования реакционных зон, создать оптимальный температурный режим, обеспечить промежуточный отвод продуктов реакции. Абсорбция нитрозных газов водой в производстве азотной кислоты по схеме с последовательным соединением башен: 1 - абсорбционные башни; 2 – кислотные холодильники

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ ЭЛЕМЕНТАМИ ХТС Разветвленная связь. После некоторой операции поток разветвляется и далее отдельные потоки перерабатываются различными способами. Используется для получения разных продуктов. Параллельная технологическая связь Параллельную технологическую связь применяют для повышения производительности, увеличения ассортимента продуктов, получаемых на основе одного сырья, обеспечения повышенной надежности работы ХТС. Как правило, параллельную технологическую связь используют для улучшения функционирования ХТС, состоящей из последовательно установленных аппаратов, имеющих по условиям масштабирования разную предельную мощность. В этом случае мощность всей системы будет определяться элементом с наименьшей мощностью. Для увеличения мощности ХТС устанавливают два или более одинаковых параллельно работающих элемента, суммарная мощность которых равна мощности наиболее производительного элемента Параллельная технологическая связь: а – при повышенной мощности ХТС ; б – при переработке побочных продуктов

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ ЭЛЕМЕНТАМИ ХТС Обратная (рециркуляционная) технологическая связь Обратная технологическая связь характеризуется наличием обратного технологического потока, связывающего выход какого-либо последующего элемента с входом одного из предыдущих элементов ХТС. Этот вид связи предусматривает многократное возвращение в один и тот же элемент ХТС непрореагировавшей части одного или всех реагентов. Если в ХТС имеется хотя бы одна обратная связь, то систему называют замкнутой. Применение обратной технологической связи позволяет более полно использовать сырье при работе реакторов в условиях термических или термодинамических ограничений по степени превращения. Примерами могут служить ХТС синтеза аммиака, метанола и другие. Степень превращения азото-водородной смеси в колонне синтеза аммиака за один проход через реакционную зону не превышает 20%. Возврат на повторное контактирование непрореагировавшей части смеси обеспечивает общую степень превращения более 99 %. Циркуляционная схема синтеза аммиака: 1— компрессор; 2—колонна синтеза; 3—холодильник-конденсатор аммиака; 4—циркуляционный насос

АНАЛИЗ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Анализ ХТС заключается в получении сведений о состоянии ХТС, показателей эффективности ее функционирования, а также влиянии химической схемы, структуры технологических связей, свойств и состояния элементов и подсистем, условий эксплуатации на эти данные. В задачу анализа ХТС входит получение показателей химического производства и химико-технологического процесса. Анализ ХТС осуществляется при разработке и проектировании нового химического производства, при эксплуатации действующего производства, для сравнения различных вариантов реализации процесса или при модернизации и реконструкции производства. Первым шагом в анализе ХТС является определение ее состояния, т.e. расчет ХТС. Затем, обладая информацией об изменении состава и количества потоков, энергетических расходах, можно провести и другие расчеты, целью которых является получение технологических показателей, к которым относятся эффективность использования сырья и энергии, экономических показателей, некоторых социальных показателей. Эксплуатационные показатели определяются, в основном, из реакции системы на те или иные возмущения в ходе процесса (изменение состава и количества сырья, энергетического обеспечения, состояния аппаратов, включая выход из строя некоторого оборудования, а также воздействия на режимы отдельных аппаратов и узлов).

СИНТЕЗ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Синтез, или построение, ХТС включается в определении основных технологических операций и их последовательности, выборе аппаратов и установлении связей между ними, определении параметров технологических режимов отдельных аппаратов и системы в целом для обеспечения наилучших условий функционировании ХТС Постановка задачи синтеза ХТС. Задано: • вид и качество продукта, который необходимо произвести; • вид, состав и состояние исходных веществ (сырья); • основные стадии химико-технологического процесса переработки сырья в продукты и их характеристики; • возможные аппаратурные решения для осуществления химико-технологического процесса. Определить: • элементный состав ХТС (аппараты, машины, устройства и прочее) для переработки сырья в продукты; • структуру связей между элементами ХТС, реализующую последовательность стадии химико-технологического процесса и функционирование всей системы; • режимы отдельных элементов и системы в целом, обеспечивающих необходимые показатели производства и его эффективное функционирование.

Основная цель инженерного процесса - создание и производство жизненно важных материалов. Генерирование идей и последующая их реализация в производстве, безусловно, предусматривает не только востребование продукции и эффективность его производства, но и обеспечение его экологической безопасности и комфортности в эксплуатации. СИНТЕЗ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

СИНТЕЗ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ