Механическая технология

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 1. Предмет и содержание курса «ОХТ»

Слово «технология» греческого происхождения и имеет дословный перевод «наука о мастерстве». С современной точки зрения мы можем определить технологию как науку, изучающую способы и процессы массовой переработки сырья в продукты потребления с максимальным экономическим эффектом.

Технологии бывают механические и химические. Механическая технология изучает процессы, связанные с изменением формы и физических свойств перерабатываемого сырья главным образом, путем механических операций. Например, изготовление изделий из древесины - деревообрабатывающие технологии, изготовление изделий из металла - машиностроение и т.д. Химическая технология изучает процессы, связанные с изменением состава и химических свойств перерабатываемого сырья за счет протекания химических реакций.

Существует великое множество частных химических технологий, которые можно объединить в две большие группы:



химические технологии
неорганические	органические
1) основной неорганический синтез - производство кислот щелочей, солей и минеральных удобрений; 2) тонкий неорганический синтез - производство препаратов, реактивов, лекарственных препаратов, редких металлов и т.д.; 3) металлургия - производство черных и цветных металлов; 4) силикатные производства - производство вяжущих веществ, керамики и стекла; 5)ядерно-химическая технология.	1) основной органический синтез - крупнотоннажное производство органических продуктов; 2) тонкий органический синтез - производство реактивов, лекарств, средств защиты растений и т.д.; 3) переработка нефти и газов; 4) нефтехимический синтез - производство органических продуктов на основе углеводородного сырья; 5) переработка растительного и животного сырья; 6) высокомолекулярные технологии - производство синтетического каучука, пластмасс, химических волокон и других высокомолекулярных соединений; 7) биотехнологии - производство кормовых дрожжей, аминокислот, ферментов, антибиотиков и т.д.

При разработке любой частной технологии нужно знать три общеинженерные дисциплины: общую химическую технологию (ОХТ), процессы и аппараты химической технологии (ПАХТ) и промышленную теплотехнику (ПТ), которые вместе составляют основу промышленной химии.

частные химические технологии
Промышленная химия
ОХТ	ПАХТ	ПТ

Общая химическая технология - наука, изучающая теоретические основы разработки технологий для различных классов химических реакций.

Предмет изучения ОХТ - закономерности, лежащие в основе функционирования химического производства.

Задачи ОХТ как науки:

1) отыскание общих закономерностей протекания химико-технологических процессов;

2) на основе знания общих закономерностей нахождение оптимальных условий ведения химико-технологических процессов;

3) изучение химических превращений с учетом массо- и теплообменных процессов;

4) повышение эффективности использования сырья, энергии, снижение количества отходов и выбросов в окружающую среду; повышение качества выпускаемой продукции.

Методы ОХТ:

- экспериментальный;

- моделирование.

Основные понятия химической технологии

Химическое производство - совокупность процессов и операций, осуществляемых в машинах и аппаратах и предназначенных для переработки сырья путем химических превращений в необходимый продукт.

Химико-технологический процесс (ХТП) - часть химического производства, состоящая из трех основных стадий:

Целевой продукт - продукт, ради которого организован данный ХТП. Все остальные продукты называют побочными. Побочные продукты могут получаться как в целевой, так и в побочных реакциях. Если побочный продукт не находит применения, его называют отбросом; если он используется, то его называют отходом или вторичным сырьем. Если целевой продукт используется в качестве исходного материала в другом производстве, то он называется полупродуктом.

Исходный материал, поступающий на переработку и обладающий стоимостью, называют сырьем. Вещество, принимающее непосредственное участие в целевой химической реакции, называется реагентом. Реагент - это главный, но не единственный компонент сырья. Все компоненты сырья, которые не участвуют в целевой реакции, называют, обычно, примесями.

В технологии часто пользуются понятиями «превращенный» и «непревращенный» реагент. Превращенный реагент - это то количество реагента, которое вступило в реакции (как целевые, так и побочные). Непревращенный реагент - это то количество реагента, которое выходит из реактора в непревращенном, первоначальном состоянии. Сумма масс превращенного и непревращенного реагента равна массе поданного в реактор реагента.

Вспомогательные материалы - химические вещества, которые обеспечивают нормальное протекание ХТП (катализаторы, растворители и др.).

Исходная смесь - смесь веществ, поступающих в реактор, на стадию химического превращения. Реакционная смесь - смесь веществ, находящихся в реакторе или выгружаемых из него. Ее состав меняется в процессе реакции. Мы можем говорить о составе реакционной смеси в определенный момент времени от начала реакции.

Пример:

4NH3 + 5O2 > 4NO + 6H2O

4NH3 + 3O2 > 2N2 + 6H2O

4NH3 + 4O2 > 2N2O + 6H2O

Первая реакция является целевой, две другие - побочные. Оксид азота (II) - NO -целевой продукт на стадии окисления аммиака и полупродукт в производстве азотной кислоты. Вода, азот и оксид азота (I) - побочные продукты. Реагентами в этом процессе являются аммиак и кислород; сырьем - аммиак, содержащий некоторое количество примесей, и воздух, в котором примесями являются азот и другие газы. Вспомогательным материалом является платина, используемая в процессе в качестве селективного катализатора, ускоряющего только первую реакцию. Исходная смесь представляет собой аммиачно-воздушную смесь с содержанием аммиака 9,5 - 11,5 % об. Реакционная смесь - нитрозные газы, содержащие NO, N2O, N2, пары H2O, а также непревращенные О2 и NН3.

Анализ эффективности проведения ХТП

Для оценки эффективности проведения ХТП служат ряд показателей, которые можно объединить в четыре группы.

Об эффективности химического производства в целом судят, прежде всего, по экономическим показателям. Одним из самых значимых экономических показателей является себестоимость, то есть затраты предприятия в денежном выражении, связанные с производством единицы химического продукта. Разница между ценой и себестоимостью продукта, умноженная на объем производства составляет прибыль производителя. Снижение себестоимости продукции является чрезвычайно важной задачей для химика-технолога как производителя химического продукта. Для оценки целесообразности и эффективности различных путей снижения себестоимости продукта оценим вклад затрат различного вида в общую сумму затрат на его производство.

№	Вид затрат	% от себестоимости
1	Сырье и материалы	70
2	Энергия	10 - 20
3	Амортизационные отчисления	3 - 4
4	Заплата основных и вспомогательных рабочих	3 - 4
5	Цеховые расходы	1
6	Общезаводские расходы	1
7	Транспортные расходы	1

Из проведенного сравнения можно сделать вывод, что наиболее эффективными путями снижения себестоимости является рациональное использование сырья и уменьшение энергоемкости производства.

При оценке эффективности химического производства большое значение имеют также социальные критерии, показывающие степень безопасности производства для людей и окружающей природы.

При определении эффективности отдельных этапов процесса производства химического продукта пользуются технологическими и технико-экономическими показателями.

Конверсия, выход целевого продукта и селективность с разных сторон характеризуют эффективность проведения конкретной химической реакции:

величина « б » показывает полноту использования сырья;

величина « в » характеризует полученное количество целевого продукта, как долю от максимально возможного в этих условиях проведения реакции;

величина « S » оценивает долю реагента, пошедшего на целевую реакцию.

Наиболее обобщенным показателем является выход целевого продукта. Его величина зависит от «б» и «S».

Для простых реакций S = 100% и б = в.

Для сложных реакций, когда наряду с целевой реакцией протекают побочные реакции, S < 100% и б ? в.

Производительность и интенсивность характеризуют эффективность работы отдельных аппаратов. Величина этих показателей определяется эффективностью использования возможностей, как самой химической реакции, так и реактора, в котором она проводится. Производительность и интенсивность в обобщенном виде содержат величины выхода целевого продукта и средней скорости процесса.

Конверсия (степень превращения) реагента рассчитывается по формуле:

, (1)

где Nпод., Nпрев., Nнепревр. - соответственно количество поданного, превращенного и непревращенного реагента. Эти величины можно задавать в единицах количества вещества (моль, кмоль) или в единицах массы (г, кг и др.). Степень превращения выражают в долях или в процентах; в последнем случае выражение (1) для расчета умножают на 100.

Часто, особенно в непрерывных процессах, конверсию рассчитывают через концентрацию реагента в исходной и реакционной смеси:

, (2)

где С0 -концентрация реагента в исходной смеси, С - концентрация реагента в реакционной смеси. Выражение (2) справедливо лишь в том случае, когда реакция протекает без изменения объема реакционной смеси.

Изменение объема реакционной смеси в процессе реакции можно учесть с помощью коэффициента изменения объема е.

, (3)

где V0 - начальный объем, V- объем реакционной смеси к определенному моменту времени. Величина е является положительной при увеличении объема смеси во время реакции и отрицательной при его уменьшении.

Изменение объема при жидкофазных процессах происходит, например, при поглощении какого-либо газа жидкостью или при разложении жидкого вещества с образованием летучих продуктов. Для газофазных процессов изменение объема обычно происходит из-за изменения числа молей веществ во время реакции. В последнем случае е зависит от начального и конечного числа молей смеси.

. (4)

Если реагенты взяты в стехиометрическом соотношении и в реакционной смеси отсутствует разбавитель, то для реакции aA + bB > rR +sS коэффициент изменения объема «е» равен



. (5)

При избытке одного из реагентов или при наличии в реакционной смеси разбавителя (инертного газа) «е» рассчитывается по формуле:

, (6)

где k - доля стехиометрической смеси исходных реагентов в реакционной смеси. Для стехиометрической смеси k = 1.

С учетом коэффициента изменения объема реакционной смеси конверсия реагентов рассчитывается по формуле (7).

(7)

Степень превращения реагентов в реакторе изменяется во времени от нуля до некоторой максимальной величины. В необратимых процессах максимальное значение конверсии равно 100%, т.е. все количество реагентов может превратиться в продукты. Пределом протекания обратимой реакции является достижение равновесного состояния системы, при котором скорость прямой и обратной реакции равны, а состав реакционной смеси остается постоянным во времени. Степень превращения реагентов, достигаемая к этому моменту, называется равновесной конверсией (*) и является максимальной для данного процесса при определенных условиях его проведения.

Селективность (избирательность, избирательная конверсия) используется для характеристики сложных процессов, в которых наряду с целевой реакцией протекают побочные реакции.

Полная (интегральная) селективность , (8)

где - количество реагента, пошедшее на образование целевого продукта; Nпрев. - общее количество превращенного реагента.

Эти величины можно задавать в единицах количества вещества (моль, кмоль) или в единицах массы (г, кг и др.). Полную селективность выражают в долях или процентах; в последнем случае выражение (8) умножают на 100.

Мгновенная (дифференциальная) селективность

, (4)

где rцел.р. - скорость расходования реагента по целевой реакции; rобщ. - суммарная скорость расходования реагента. Понятие мгновенной селективности имеет смысл только для сложных параллельных реакций.

Если в процессе химической реакции объем реакционной смеси не изменяется (V=const), то селективность можно рассчитывать, используя концентрацию реагента и целевого продукта в реакционной смеси. Например, для реакции aA + bB > rR +sS , где R - целевой продукт

, (9)

где М(А), М(R) - молярные массы, и СА - начальная и текущая концентрация реагента, СR - концентрация целевого продукта.

Выход целевого продукта - это отношение реально полученного количества продукта (Nфакт.) к максимально возможному его количеству (Nmax), которое могло быть получено при данных условиях осуществления химической реакции.

(10)

Nфакт. и Nmax можно задавать в единицах количества вещества (моль, кмоль) или в единицах массы (г, кг и др.). Выход выражают в долях или процентах; в последнем случае выражение (10) умножают на 100. Расчет величины в зависит от типа химической реакции.

В случае необратимой реакции величину Nmax (в молях) рассчитывают по уравнению реакции: aA + bB > rR +sS , где R - целевой продукт

(11)

Если NА - количество подаваемого в реактор реагента, полученное значение Nmax является максимально возможным для этой реакции, а рассчитанный по уравнению (10) выход называют выходом на поданный реагент А. Если NА - количество превращенного реагента, то рассчитанная по уравнению (10) величина называется выходом на превращенный реагент А.

В случае обратимой химической реакции пользуются понятием «равновесный выход» - в*.

, (12)

где N* - количество продукта, образовавшегося к моменту достижения химического равновесия; Nmax - максимальное количество продукта, которое может образоваться по данной реакции при условии, что поданный реагент полностью превращается в целевой продукт. Равновесный выход характеризует степень смещения равновесия в сторону образования целевого продукта.

Отношение (13), где Nфакт. - фактически полученное количество продукта, показывает степень достижения равновесия.

Расчет селективности и выхода продукта можно проводить по любому из реагентов; обычно выбирают тот реагент, который взят в недостатке, или наиболее дорогостоящий реагент.

Производительность - количество целевого продукта, производимое в единицу времени.

Интенсивность - количество целевого продукта, производимое в единицу времени с единицы объема реактора или с единицы поверхности катализатора.

Пропускная способность установки - количество сырья, пропускаемое через установку в единицу времени.

Расходный коэффициент по сырью - это масса сырья, которая расходуется на получение единицы массы целевого продукта.

(г/г, кг/кг, т/т и др.) (14)

Расходный коэффициент рассчитывается по таблице материального баланса; он всегда больше теоретического расходного коэффициента, который рассчитывают по уравнению реакции:

(15)

Качество продукции - совокупность свойств целевого продукта, обуславливающих его пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с его назначением.

Качество химического продукта зависит от качества исходного сырья и материалов, уровня развития науки и техники, прогрессивности применяемой технологии, организации труда и производства, квалификации кадров и регулируется различными нормативными документами:

ГОСТ - государственный стандарт,

ОСТ - отраслевой стандарт,

РСТ - республиканский стандарт,

СТП - стандарт предприятия,

ТУ - технические условия.

Лекция 2. Химико-технологическая система, ее состав и структура

Сложность современного химического производства не позволяет смотреть на него как на сумму разработанных и спроектированных в отдельности технологических операций и процессов. Работа каждого отдельного аппарата, включенного в процесс производства химического продукта, зависит от работы других аппаратов, способа соединения их между собой и других факторов. Признание факта взаимного влияния агрегатов привело к рассмотрению технологического процесса в целом и выдвинуло новый подход к проектированию и эксплуатации химических производств - системный метод исследования.

Основные принципы системного подхода

Впервые основные принципы системного подхода были сформулированы в 1937 году американским биологом Лео фон Берталанфи. В то время новый исследовательский подход не привлек особого внимания ученых и только после II мировой войны получил широкое распространение в связи с развитием кибернетики и социальных наук. Основные принципы системного подхода можно сформулировать следующим образом:

- любой объект исследования следует рассматривать как систему, отвлекаясь от его конкретной природы;

- эффективность функционирования этой системы зависит от ее состава и структуры;

- нельзя изучать отдельные элементы системы в отрыве от других элементов;

- полное знание одного элемента системы не означает знание всей системы, и неполная информация может привести к неожиданным последствиям;

- для изучения состава и структуры системы используют метод декомпозиции - расчленение целого на части;

- при изучении отдельных элементов системы исследуются лишь те свойства элемента, которые определяют его взаимодействие с другими элементами или влияют на свойства системы в целом;

- системный подход заключается в определении состава и структуры системы, которые обеспечат полную совместимость элементов внутри системы и совместимость последней с внешней средой при достижении высоких результатов функционирования системы.

С этой точки зрения химическое производство - это искусственная техническая система, предназначенная для выпуска химической продукции требуемого качества с минимальными затратами и минимальным воздействием на окружающую среду. Назовем эту систему химико-технологической системой (ХТС) и рассмотрим ее состав и структуру.

Состав ХТС

Простейшим элементом ХТС является оператор, под которым понимают типовой процесс химической технологии и соответствующую ему технику. Оператор преобразует физические параметры входящих в него потоков в соответствующие параметры выходящих потоков.



Можно выделить несколько классов операторов (типовых технологических процессов):

химические процессы, скорость которых определяется законами химической кинетики;

массообменные (диффузионные) процессы, скорость которых определяется скоростью переноса вещества из одной фазы в другую (растворение, кристаллизация, адсорбция, десорбция, экстракция и др.);

гидродинамические процессы, скорость которых определяется законами механики и гидромеханики (отстаивание, перемешивание, пенообразование и др.);

тепловые процессы, скорость которых определяется законами теплопередачи (нагревание, охлаждение);

энергетические процессы, заключающиеся во взаимном преобразовании различных видов энергии: тепловой, механической, электрической в турбинах, генераторах и моторах;

механические процессы (дробление, прессование, гранулирование, дозирование и др.);

процессы управления - получение и передача информации о состоянии потоков и продуктов и изменении их свойств.

Операторы классов 1-6 часто объединяют под одним названием - технологические операторы.

Более крупной структурной единицей ХТС является подсистема. Подсистемой называют совокупность операторов, объединенных одной технологической схемой. Подсистема - это самостоятельно функционирующая часть системы.

Подсистемы могут быть выделены по любому, удобному для изучения системы признаку. Например, химическое производство можно представить как иерархическую структуру, состоящую из 3 - 4 уровней или ступеней иерархии (соподчинения):

1 (низшая) ступень - типовые ХТП и соответствующая техника;

2 ступень - совокупность типовых технологических процессов, осуществляющих определенную операцию. Чаще всего, это цехи или их отдельные участки;

3 ступень - химические производства, состоящие из нескольких цехов, где получают целевые продукты;

4 ступень - химическое предприятие в целом.

По функциональному признаку, наиболее часто используемому технологами, выделяют следующие подсистемы ХТС:

- подсистема подготовки сырья;

- подсистема химического превращения;

- подсистема выделения целевого продукта;

- подсистема обработки технического продукта;

- энергетическая подсистема;

- экологическая подсистема.

Подсистема химического превращения является главной подсистемой ХТС, здесь происходит получение целевого продукта.

Подсистему подготовки сырья вводят в том случае, если сырье по своим характеристикам не соответствует требованиям главной подсистемы. Операторами этой подсистемы являются хранение и транспортировка сырья, нагрев и охлаждение, испарение, плавление, растворение, сушка, измельчение и др.

Подсистема выделения целевого продукта предназначена для разделения реакционной смеси на отдельные компоненты. Операторы подсистемы - ректификация, экстракция, фильтрация и др.

Подсистема обработки технического продукта имеет целью доведение целевого продукта до заданного уровня качества и придания ему товарного вида. В эту подсистему могут быть включены операторы расфасовки, укупорки, маркировки, транспорта, хранения и др.

Энергетическая подсистема включает в себя подсистемы производства энергии, рекуперации энергии и водоподготовки.

Экологическая подсистема предназначена для рекуперации сырья, очистки сточных вод и газовых выбросов.

В состав ХТС кроме элементов включаются еще связи. Связь - это физический канал, по которому происходит обмен веществом, энергией или информацией между элементами (внутренние связи) и между отдельными системами (внешние связи). По физическому смыслу связи бывают материальные, энергетические и информационные.

Материальные связи - потоки сырья, вспомогательных материалов, продуктов и отходов.

Энергетические связи - потоки топлива, хладоагентов и теплоносителей.

Материальные и энергетические связи называют технологическими.

Информационные связи - это связи, обеспечивающие управление системой.

Структура ХТС

Структура ХТС - это способ соединения элементов в единую систему. Можно выделить 4 основные структуры:

последовательное соединение операторов;

параллельное соединение операторов;

обводное (байпасное) соединение операторов;

обратное соединение операторов (рецикл).

При последовательном соединении аппаратов весь технологический поток, выходящий из предыдущего элемента поступает полностью в последующий элемент; при этом через каждый элемент схемы поток проходит лишь один раз.

При параллельном соединении технологический поток разделяется на несколько более мелких потоков, поступающих в различные элементы системы. Выходящие из этих элементов потоки могут объединяться в один поток или выходить из системы раздельно. Через каждый элемент поток проходит один раз.

Обводное соединение элементов - это ряд последовательно соединенных аппаратов, через которые проходит лишь часть технологического потока. Другая часть потока обходит один или несколько аппаратов и затем соединяется с основной частью потока. При байпасном соединении направление главного и побочного потоков совпадают; каждый проходит через какой-либо элемент только один раз.



1 - прямой поток (m1), 2 - главный поток (m2), 3 - побочный поток (m3).

m1 = m2 + m3

Рецикл характеризуется наличием в цепи последовательно соединенных элементов хотя бы одного обратного потока. В отличие от ранее рассмотренных схем это замкнутая система.

m2 = m1 + m3

Такие системы характеризуются степенью рециркуляции, показывающей, какая для главного потока после его разветвления возвращается в процесс , и коэффициентом рециркуляции, который показывает, во сколько раз главный поток больше прямого .

Все остальные структуры ХТС являются комбинацией этих четырех основных способов соединения элементов. Комбинированные структуры весьма многообразны; их можно разделить на две большие группы: разветвленные



и перекрестные

Рассмотренные четыре структуры используется в производстве при соединении в технологическую цепочку любых аппаратов, в том числе и химических реакторов. Рассмотрим, какие технологические задачи решаются при использовании различных вариантов соединения реакторов.

Последовательное и параллельное соединение реакторов осуществляют при необходимости увеличения производительности установки. При заданной скорости химической реакции производительность установки, работающей в непрерывном режиме, можно увеличить

при достижении более высокой степени превращения реагента за счет увеличения времени пребывания реагентов в реакционной зоне;

путем увеличения количества перерабатываемого сырья в единицу времени при сохранении б = const.

В обоих случаях это приводит к увеличению объема реакционной зоны (объема реактора).

,

Vp - объем реактора (м3); vоб. - объемная скорость подачи сырья (м3/час); ф - время пребывания реагентов в реакционной зоне (час).

В случае повышения производительности за счет повышения времени пребывания реагентов в реакторе (ф ) используют последовательное соединение реакторов; для повышения объемной скорости подачи сырья (vоб.) применяют параллельную схему соединения реакторов.

Последовательное включение реакторов используют также при оптимизации условий проведения отдельных стадий технологического процесса; параллельное соединение удобно для оптимальной организации производства (попеременное включение реакторов).

Обвод широко применяется для создания оптимального температурного и концентрационного режима.

Рецикл находит применение при использовании избытка одного из реагентов или невозможности достижения высоких степеней превращения реагента; в этом случае непревращенный реагент выделяют и возвращают в реактор.

Лекция 3. Основные этапы создания ХТС

Проектирование эффективно работающей ХТС является одной из самых сложных задач, стоящих перед химиком-технологом.

Решение этой задачи начинается с выбора критерия эффективности. Существование множества критериев оценки работы химического производства приводит к необходимости использования понятия «оптимальное функционирование ХТС». Под оптимальным функционированием понимают такую работу химического производства, при которой достигается максимально возможное значение одного из показателей, выбранного нами за главный, при сохранении остальных показателей на определенном, заданном нами уровне.

Определив цель проектирования, выбирают методы достижения этой цели. При создании сложных систем широко используется метод моделирования. Особое место занимают математические модели, которые дают количественное описание системы. При математическом моделировании мы должны иметь уравнение y = f(x1, x2, x3 …) или систему уравнений и неравенств, с помощью которых можно рассчитать интересующий нас показатель - главный критерий эффективности «у», при разных значениях аргумента «х», где «х» - это технологические показатели (температура, давление, состав сырья, конструкция реактора, схема соединения аппаратов, способ разделения реакционной смеси и т.д.). Создание такой математической модели для всего химического производства является очень сложной задачей. Поэтому используют так называемый декомпозиционный принцип, заключающийся в разделении сложной задачи на ряд более простых задач. То есть сначала создаются математические модели отдельных элементов системы, а затем, на основе их - общая модель системы. Математическая модель системы не может быть простым набором математических моделей элементов; в общую модель необходимо ввести математическое описание связей, возникающих между элементами при выбранной структуре системы.

Созданная математическая модель может описывать систему с разной степенью точности. Чем более точно модель описывает систему, тем она более сложна, тем труднее решаются уравнения. Усложнение модели приводит к созданию уравнений, неподдающихся решению. Поэтому при математическом моделировании всегда приходится искать компромисс между точностью модели и возможностью ее практического применения.

Работоспособность любой математической модели проверяется экспериментально.

После выбора цели и методов ее достижения выбирается стратегия и тактика, то есть определяются этапы создания ХТС. Проектирование ХТС заключается в решении задач синтеза, анализа и оптимизации системы.

Синтез ХТС - это выбор состав и структуры системы, то есть числа и типа элементов и способа их соединения. При этом создается математическая модель ХТС. Анализ ХТС - это расчет созданной математической модели. В процессе анализа различных вариантов ХТС по выбранному критерию эффективности производится выбор наиболее оптимальных состав и структуры системы, то есть ее оптимизация.

Из определения задач синтеза, анализа и оптимизации ХТС видно, что все эти этапы органически связаны друг с другом. На практике сначала создается (синтезируется) первоначальный вариант ХТС, определяется тип и количество элементов, связи между ними. Далее создаются (или используются ранее созданные) математические модели элементов и математическая модель всей системы в целом. Производится полный расчет этого варианта (то есть производится анализ) и определяется значение критерия эффективности. Результаты анализа являются основой для принятия решений на втором этапе - при повторном синтезе ХТС. Созданный усовершенствованный вариант вновь анализируется, принимаются новые решения и т.д. Многократное поочередное повторение синтеза и анализа ХТС производится до тех пор, пока не будет получено оптимальное значение критерия эффективности. Такое оптимальное проектирование немыслимо без применения современной компьютерной техники и специальных математических методов решения подобного типа задач и требует определенной специальной подготовки химиков-технологов.

Формы представления ХТС (классификация моделей)

Состав и структуру ХТС можно описать с помощью качественных и математических моделей.



Математические модели дают количественное описание процесса. Их можно разделить на символические и графические модели. Символическая (аналитическая) модель - это математические уравнения или неравенства, описывающие процесс. Графические модели (графы, структурные блок-схемы, сетевые модели) соединяют наглядное графическое отображение системы с ее количественным описанием. Эти модели широко используются при решении задач оптимального проектирования с использованием компьютерной техники.

Остановимся более подробно на качественных моделях ХТС, описательных и графических. Описательная модель - это словесное описание процесса функционирования системы. В нем приводятся основные химические реакции, дается описание процессов, происходящих в аппаратах, приводятся сведения о составе сырья, значениях параметров технологического режима и т.д. Примером описательной модели ХТС является технологический регламент- основной закон и настольная книга инженера-технолога на химическом предприятии. В нем описано, как нужно проводить технологический процесс. Нарушение технологического регламента карается административным, а в некоторых случаях, и уголовным наказанием.

Графические качественные модели ХТС - это различные виды схем технологического процесса. Существует несколько разновидностей таких схем: функциональная (принципиальная), структурная, операторная, технологическая.

Функциональная схема дает общее представление о процессе функционирования ХТС и создается на первом этапе синтеза системы. По этой схеме можно определить, какие операции совершаются в производстве, и в какой последовательности. На основе функциональной схемы составляют материальный баланс процесса. На рисунке представлена функциональная схема производства аммиака.

Из схемы видно, что производство аммиака включает следующие стадии: подговку сырья, заключающуюся в сжатии азотоводородной смеси, ее охлаждении и отделении от сконденсировавшегося аммиака, синтеза аммиака и выделения продукта путем охлаждения и отделения непревращенной азотоводородной смеси от целевого продукта. Схема предусматривает рецикл азотоводородной смеси.

Операторная схема дает наглядное представление о физико-химической сущности технологических процессов системы. Для этого каждый элемент ХТС изображают в виде определенного типового технологического оператора. Каждый оператор имеет свое графическое изображение.

Операторная схема составляется на втором этапе синтеза технологической схемы, на которой осуществляется выбор технологических операторов. На рисунке представлена операторная схема процесса получения аммиака.



1 - компрессор; 2- инжектор: 3-- теплообменник: 4 -- аммиачный холодильник (испаритель жидкого аммиака): 5, 8 -- сепараторы; 6 -- колонна синтеза аммиака (реактор); 7 -- водяной холодильник; 9 -- циркуляционный компрессор; М1--М17 -- физические потоки

На ней показаны типовые технологические процессы, осуществляемые в производстве аммиака, и обозначены все материальные потоки.

Структурная схема дает изображение всех элементов ХТС в виде блоков, имеющих несколько входов и выходов, и показывает технологические связи между блоками. В отличие от операторной схемы, на структурной схеме показывают не только материальные, но и энергетические потоки. На рисунке представлена структурная схема производства аммиака.

1 -- компрессор; 2 -- инжектор; 3 -- теплообменник; 4 -- испаритель жидкого аммиака; 5, 8 --сепараторы; 6 -- колонна синтеза: 7 - водяной холодильник; 9 -- циркуляционный компрессор; G1- G12 -- потоки газа; L1- L5 - потоки жидкости

На основе структурной схемы составляются энергетические, эксергетические и тепловые балансы.

Технологическая схема дает наиболее полное представление о процессе. Она составляется на последнем этапе проектирования ХТС на основе операторной схемы. На технологической схеме оператор заменяется на конкретный аппарат, выполняемый в виде эскиза в масштабе 1 : 100 или 1 : 50. Стандартное изображение аппаратов приводится в документах Единой системы конструкторской документации (ЕСКД). На каждый аппарат имеется свой ГОСТ. Для каждого аппарата показывают «обвязку», то есть подвод сырья, пара, воды, сжатых газов и т.д. и отвод продуктов в виде линий с указанием точек размещения основной запорной арматуры. Технологические связи показывают линиями со стрелками. На рисунке 4 представлена упрощенная технологическая схема производства аммиака.

1--компрессор; 2 -- инжектор; 3 -- теплообменник; 4 -- испаритель жидкого аммиака; 5, 6 - сепараторы; 6 -- колонна синтеза; 7 -- водяной холодильник; 9 -- циркуляционный компрессор

Все оборудование схемы нумеруют слева направо в порядке направления сырьевых и продуктовых потоков, используя буквенный индекс оборудования с добавлением через черточку порядкового номера аппарата, например, колонна К-1, теплообменник Т-2 и т.д. Технологическая схема снабжается спецификацией оборудования, технологических линий и привязки основной контрольно-измерительной аппаратуры и регулирующих приборов. Форма представления спецификации также стандартизирована.

Технологическая схема сопровождается описанием. Описание производится по каждой подсистеме, начиная с поступления и подготовки сырья и кончая отгрузкой готового продукта с указанием технологических параметров процесса, характеристикой оборудования, систем регулирования и т.д. со ссылкой на чертеж технологической схемы. Технологическая схема совместно с описанием составляет основу технологического регламента.

Классификация технологических схем

Технологические схемы можно классифицировать по различным признакам.

По организационной структуре различают схемы непрерывные, периодические и комбинированные.

В непрерывных схемах все технологические операции протекают одновременно, каждая в своем аппарате (операции совмещены во времени, но разобщены в пространстве). Такие установки отличаются высокой производительностью, стационарностью процесса и возможностью создания оптимальных условий в каждом аппарате, что обеспечивает высокое качество продукта. Непрерывные схемы легко механизировать и автоматизировать; в этих схемах возможна эффективная рекуперация энергии. Недостатками непрерывных схем является высокая стоимость и малая экономическая гибкость, связанная со сложностью пуска и остановки установок непрерывного действия. Непрерывные схемы используются в случае многотоннажных производств при высокой скорости химической реакции.

В периодических схемах все технологические операции химической стадии протекают в одном аппарате (они совмещены в пространстве, но разобщены во времени). Так как режим работы периодического реактора нестационарный, качество продукции изменяется от партии к партии. Периодические схемы отличаются низкой производительностью; в таких производствах с трудом решаются проблемы автоматизации, безопасности, экологии, энерго- и ресурсосбережения. Преимуществами периодических схем является низкая стоимость и высокая экономическая гибкость. Эти схемы используются в случае необходимости производства широкого ассортимента продуктов в небольшом количестве на одном оборудовании, при низких скорости и селективности химической реакции или в случае, когда технологический процесс мало изучен.

Комбинированные технологические схемы (полупериодические, полунепрерывные) обладают признаками двух описанных выше схем.

По способу движения потоков сырья различают однократные (прямые, с открытой цепью) и циркуляционные схемы.

Однократные схемы используют для процессов с высокой конверсией реагентов. Рецикл (циркуляционные схемы) применяют при низкой степени превращения реагентов или при использовании избытка одного из реагентов. Различают суммарную (общую) и фракционированную рециркуляцию. При суммарной рециркуляции реакционная смесь после выхода из реактора разделяют на два потока, из которых один возвращается снова в реактор, а второй направляют на установку разделения. Суммарную рециркуляцию используют для торможения быстрых экзотермических реакций, если продукты не влияют на ход химического превращения. При фракционной рециркуляции из реакционной смеси отделяют продукты, а непревращенные реагенты возвращают в реактор. Большая часть промышленных процессов оформлена по схеме с фракционной рециркуляцией.

Достоинствами циркуляционных схем является более полное использование сырья, возможность поддержания оптимального температурного и концентрационного режима с помощью рецикла. Недостатки - высокий расход энергии, повышение стоимости установки. Рецикл является единственно возможным технологическим решением при проведении реакций с неблагоприятным положением равновесия.

По числу химических стадий различают одно-, двух- и многостадийные технологические схемы. Стадийность схемы определяется числом химических реакций, способствующих превращению реагентов в целевой продукт. Нельзя смешивать понятия стадийности технологической схемы и стадийного протекания сложно-последовательных химических реакций. Химические стадии многостадийной схемы протекают в разных реакторах, при различных заданных условиях. Сложная многостадийная реакция осуществляется в одном реакторе.

В настоящее время в технологии преобладают многостадийные схемы. Они отличаются сложностью управления, высокой стоимостью, высокой энерго- и материалоемкостью. При разработке новых синтезов химики должны стремиться к сокращению стадийности схем.

По характеру размещения оборудования различают вертикальные и горизонтальные технологические схемы. Вертикальные схемы используются при высокой токсичности производства; они обеспечивают минимальную протяженность коммуникаций и возможность перемещения технологических потоков самотеком, однако требуют дорогостоящих многоэтажных зданий.

По номенклатуре выпускаемой продукции различают одно- и многопродуктовые технологические схемы. Непрерывные схемы обычно являются однопродуктовыми; периодические - многопродуктовыми.

По номенклатуре продукции различают также индивидуальные, совмещенные и гибкие технологические схемы.

Индивидуальная схема предназначена для выпуска на данном оборудовании продукции одного наименования. Совмещенная схема предназначена для выпуска на одном и том же оборудовании продукции строго фиксированной номенклатуры. Если на одном и том же оборудовании осуществляют выпуск продукции нефиксированной номенклатуры, технология называется гибкой. Такие схемы обладают изменяющейся структурой и организуются по блочно-модульному принципу. Поэтому такие технологии называют модульными. Индивидуальные схемы обычно являются крупнотоннажными, непрерывными; совмещенные и гибкие схемы используются для производства небольших количеств продуктов широкого ассортимента.

По энерготехнологичекому прнципу различают обычные (энергопотребляющие) и энерготехнологические (энергопроизводящие) технологические схемы. В отличие от обычной схемы, целью функционирования энерготехнологической схемы является не только производство целевого продукта, но и получение товарной энергии в том или ином виде. Такие схемы кроме технологического содержат и энергетическое оборудование.

По экотехнологическому принципу, в основе которого лежит принцип сохранения окружающей среды от вредных выбросов, различают традиционные (ресурсопотребляющие) и экотехнологические (ресурсосберегающие) технологические схемы. В свою очередь экотехнологические схемы можно разделить на три типа:

1) схемы с возвратом отходов природе на переработку;

2) схемы с возвратом природе отходов в природном состоянии;

3) замкнутые, безотходные схемы.

В первом случае используют природные способности растений и других организмов утилизировать биогенные составляющие отходов. Второй тип схем предполагает возврат природе газов, очищенных до состава атмосферного воздуха, воды до состава природных водоемов и твердых отходов - до их безвредного существования в природе. Третий тип схем предусматривает полное использование отходов в качестве сырья на данном предприятии или на других заводах.



Лекция 4. Сырье в химической промышленности

Сырье - исходный материал для производства химического продукта, обладающий стоимостью.

Классификация сырья

По происхождению сырье бывает природное и синтетическое.

Растительное и животное сырье обычно подразделяют на пищевое и техническое.

По запасам сырье бывает возобновляемое (вода, воздух, растительное и животное сырье) и невозобновляемое ( руды, горячие ископаемые).

По химическому составу сырье бывает неорганическое (руды, минералы) и органическое (нефть, уголь, природный газ).

По агрегатному состоянию сырье бывает твердое (руды, уголь, древесина), жидкое (вода, нефть) и газообразное (воздух, природный газ).

Сырье для промышленности органического синтеза

- это углеводороды, получаемые из горючих ископаемых (нефти, угля, природного газа).

Нефть

- это тяжелая маслянистая жидкость, содержащая:

1) парафиновые углеводороды (алканы) газообразные С1 - С4, жидкие С5 - С15 и твердые >С15.;

2) нафтеновые углеводороды (циклоалканы) - моно-, би- и полициклические структуры с боковыми цепями;

3) ароматические углеводороды (арены) - моноциклические (бензол, толуол, ксилолы) и полициклические (нафталин, фенантрен, антрацен и др.);

4) кислородсодержащие соединения (нафтеновые кислоты, фенолы, крезолы и др.);

5) сернистые соединения (сероводород, сульфиды, дисульфиды, меркаптаны, тиофены и др.);

6) азотистые соединения (пиридин, хинолин и их производные);

7) соли минеральных кислот;

8) органические комплексы ванадия, никеля и других металлов;

9) другие соединения.

Переработка нефти осуществляется с использованием физических и химических методов в следующей технологической последовательности:

Промысловая подготовка нефти заключается в удалении из нее минеральных примесей (вода, песок, соли), растворенных газов (попутного газа) и легколетучих жидкостей (газового бензина). Нефть освобождается от примесей в ходе следующих операций:

Прямая гонка нефти предназначена для разделения нефти на отдельные фракции, отличающиеся по температурам выкипания. В зависимости от направления использования полученных дистиллятов различают топливный и топливно-масляный варианты прямой гонки. Нефтеперерабатывающие заводы топливного профиля ориентированы только на производство топлив и используют установки прямой гонки АТ (атмосферная трубчатка). При этом получают следующие фракции:

- прямогонный бензин , t начала кип. = 1400;

- лигроин, tкип. = 140-1800;

- керосин, tкип. = 180-2400;

- дизельное топливо, tкип. =180-3500;

- мазут - > 3500.

Прямогонный бензин имеет низкое октановое число и используется в качестве топлива для автомобильных двигателей внутреннего сгорания (карбюраторное топливо) только после добавки соединений, повышающих детонационную стойкость (тетраэтилсвинца, алкилатов, метил-трет-бутилового эфира и др.). Бензин, содержащий тетраэтилсвинец, называется этилированным; он является экологически опасным и запрещен к применению в странах Европы. Большая часть отечественного бензина А-76 содержит тетраэтилсвинец. Бензины АИ-95, АИ-98 относятся к неэтилированным (около 60% от общего количества отечественного бензина). Кроме автомобильных бензинов нефтеперерабатывающая промышленность выпускает также бензины-растворители и бензины-экстрагенты. Лишь незначительная часть бензиновой фракции используется в качестве нефтехимического сырья.

Керосин применяют в качестве топлива для авиационных двигателей (реактивное топливо). Дизельное топливо используют для двигателей с воспламенением от сжатия (дизели). Мазут применяют в качестве топлива для паровых котлов, промышленных печей и газовых турбин (котельное топливо, газотурбинное топливо); большая часть его идет на вторичную переработку.

Если нефтеперерабатывающий завод ориентирован на топливно-масляный вариант, то, используя установки АВТ (атмосферно-вакуумная трубчатка), кроме перечисленных продуктов получают вакуумный газойль (tкип. = 350-5000 и из мазута под вакуумом отгоняют масляные дистиллаты (трансформаторный, tкип. = 300-4000, машинный, tкип. = 400-4500 и цилиндровый, tкип. = 450-4900). Эти фракции являются основой для получения высококачественных масел. Нефтяные масла в зависимости от направления использования разделяют на:

- моторные (для карбюраторных, дизельных и авиационных двигателей);

- турбинные;

- компрессорные;

- индустриальные;

- приборные;

- электроизоляционные и др.

Кроме того, на основе масляных дистиллатов изготавливают смазки (консистентные, атифрикционные, фрикционные, протекционные, диспергирующие и др.) и специальные жидкости (охлаждающие, гидравлические, антикоррозионные и др.). Остаток вакуумной перегонки, выкипающий выше 5000 - гудрон, используют для получения битумов (дорожных, строительных, изоляционных), а также в качестве сырья в процессах коксования и деасфальтизации. Из дистиллатов прямой гонки нефти получают такие нефтепродукты как парафин, церезин, нафтеновые кислоты, нафталин и др.

Наиболее ценные компоненты нефти - «светлые» нефтепродукты, выкипающие при температуре ниже 3500 при атмосферном давлении. Они находят наиболее широкое применение. Однако их содержание в нефти невелико, не более 45% (бензин 17%, керосин 10-%, дизельное топливо 17%). Поэтому так называемые «тяжелые» фракции нефти подвергают специальной переработке, заключающейся в уменьшении молекулярной массы и химического состава углеводородов с целью снижения их температур кипения. Применяемые при этом процессы называют вторичными и по своей природе они, в отличие от первичной переработки нефти, являются химическими. В основе всех этих процессов лежат следующие реакции:

- реакции расщепления связи С-С с образованием алканов и алкенов с более короткой цепочкой;

- реакции расщепления связи С-Н с образованием алкенов с той же длиной цепи и молекулярного водорода;

- реакции изомеризации;

- реакции полимеризации, конденсации, алкилирования и др., приводящие к укрупнению молекул.

Все эти реакции являются радикальными; вклад каждого типа реакций зависит от условий проведения процесса и состава нефтяной фракции, подвергающейся переработке. Различают термические и каталитические вторичные процессы.

Назовем самые важные вторичные процессы переработки нефти:

Термокрекинг - расщепление тяжелых углеводородов при их нагревании до 450-5000С без доступа воздуха, под повышенным давлением. Это наиболее старый метод вторичной переработки; разработан в 1890 г. В.Г. Шуховым. В настоящее время термокрекинг имеет ограниченное применение. Его используют для получения котельного топлива из гудрона (висбрекинг) и в некоторых других случаях. В промышленности в зависимости от конкретных условий используют жидкофазный и парофазный крекинг, а также пиролиз как особый вид высокотемпературного крекинга (600-9000С), осуществляемого из различных видов сырья с целью получения олефинов, прежде всего, этилена и пропилена. Коксование - высокотемпературное (600-11000С) разложение гудрона и тяжелых нефтяных остатков с целью получения нефтяного кокса (материал для производства электродов и металлургическое топливо). Коксование проводят в таких условиях, при которых происходит реакция конденсации продуктов термического распада углеводородов.

Использование катализатора меняет механизм реакций разложения на ионный, это в сотни и тысячи раз увеличивает скорость некоторых реакций. Применение катализаторов позволяет снизить температуру процессов распада и менять относительный вклад отдельный реакций, т.е. направлять процесс преимущественно в направлении получения требуемых продуктов.

Углеводородные газы

Углеводородные газы являются более перспективным видом сырья, чем нефть, так как характеризуются лучшими экономическими показателями, более высокой технологичностью, легко транспортируются, содержат меньше примесей и перерабатываются по непрерывным легко автоматизируемым технологическим схемам.

По происхождению углеводные газы делятся на природные, попутные и нефтезаводские.

Природные газы добываются из пластов, не содержащих нефть, и содержат 80-98% метана, 0,5-2% углеводородов С2-С4 и не более 0,7% углеводородов С5, Н2S и СО2. Различают тощие (96-98% метана) и жирные (менее 96% метана) природные газы. В группу природных газов включают также газы газоконденсатных месторождений. При добыче из них выделяется конденсат, содержащий жидкие углеводороды и значительное количество сероводорода. Из природных газов получают формальдегид, уксусную кислоту, синтез-газ, водород, ацетилен, сажу, метанол, растворители и хладоагенты (хлор- и фторпроизводные метана), нитросоединения и др. Большое количество природных газов используется в качестве бытового и промышленного топлива.

Попутные газы добываются вместе с нефтью в количестве порядка 50 м3/т. Они относятся к группе жирных газов, так как содержат значительное количество гомологов метана. Многие попутные газы содержат также благородные газы (гелий и аргон). Из попутных газов получают олефины, диены, благородные газы и используют в качестве топлива. Предварительно попутные газы разделяются на отдельные компоненты и газовый бензин на газофракционирующих установках (ЦГФУ) газобензиновых заводов.

Нефтезаводские газы образуются в процессах вторичной переработки нефти и угля; состав этих газов и направления их использования зависят от их происхождения. В каталитических процессах выход газов составляет 15-20%, в термических - 7-8%.