- •Химико-технологические системы
- •Содержание
- •Введение
- •1. Химико-технологические процессы и химико-технологические системы
- •1. Термины и определения
- •2. Технологические критерии эффективности химико-технологических систем
- •1. 2. 1. Степень превращения
- •1. 2. 2. Выход продукта
- •1. 2. 4. Производительность и интенсивность
- •1. 2. 5. Избирательность
- •1. 3. Структуры химико-технологических систем
- •1. 3. 1. Хтс с последовательной технологической связью
- •1. 3. 2. Параллельная технологическая связь
- •1. 3. 3. Последовательно-обводная технологическая связь (байпас)
- •1. 3. 4. Обратная (рециркуляционная) технологическая связь
- •1. 3. 5. Перекрестная технологическая связь
- •1. 4. Системный декомпозиционный анализ химико-технологических систем
- •4. 1. Молекулярно-кинетический уровень
- •1. 4. 2. Макрокинетический уровень
- •1. 4. 3. Аппаратный уровень
- •1. 4. 4. Уровень химико-технологической системы
- •1. 4. 4. 1. Синтез химико-технологической системы
- •1. 4. 4. 2. Анализ химико-технологической системы в целом
- •1. 4. 4. 3. Оптимизация химико-технологической системы
- •2. Химическая термодинамика
- •2. 1. Основные понятия и определения
- •2. 2. Первое начало термодинамики
- •2. 2. 1. Работа расширения идеального газа
- •2. 2. 2. Теплота процесса в различных условиях
- •2. 2. 3. Закон Гесса. Расчет тепловых эффектов химических реакций с использованием стандартных теплот образования и сгорания.
- •2. 2. 4. Зависимость тепловых эффектов химических реакций от температуры. Закон Кирхгофа
- •2. 3. Второе начало термодинамики
- •2. 3. 1. Термодинамически обратимые и необратимые процессы.
- •2. 3. 2. Математическое выражение второго начала термодинамики. Энтропия.
- •2. 3. 2. 1. Энтропия и термодинамическая вероятность
- •2. 3. 2. 2. Изменение энтропии как критерий направления процессов.
- •2. 3. 2. 3. Изменение энтропии при нагревании
- •2. 3. 2. 4. Изменение энтропии при фазовых превращениях
- •2. 3. 2. 5. Расчет абсолютной энтропии вещества
- •2. 3. 2. 6. Изменение энтропии при химическом превращении
- •2. 3. 3. Применение второго начала термодинамики к химическим процессам.
- •2. 3. 3. 1. Термодинамические потенциалы
- •2. 3. 3. 2. Уравнение Гиббса-Гельмгольца
- •2. 3. 3. 3. Критерии направления процессов в закрытых системах
- •2. 3. 4. Химический потенциал идеального и реального газа. Термодинамическая активность.
- •2. 3. 5. Уравнение изотермы химической реакции
- •3. Химическое равновесие
- •3. 1. Константы равновесия
- •3. 2. Расчет равновесного состава и равновесного выхода продуктов химической реакции
- •3. 3. Влияние температуры и давления на равновесный выход продуктов реакции. Принцип Ле Шателье.
- •3. 3. 1. Зависимость константы равновесия от температуры. Уравнения изобары химической реакции.
- •3. 3. 2. Влияние давления на равновесный выход продуктов химической реакции.
- •4. Фазовые равновесия
- •4. 1. Основные понятия и определения
- •4. 2. Условия равновесного сосуществования фаз
- •4. 3. Правило фаз Гиббса
- •4. 4. Однокомпонентные системы
- •4. 4. 1. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса
- •4. 4. 1. 1. Применение уравнения Клапейрона-Клаузиуса к процессу плавления
- •4. 4. 1. 2. Применение уравнения Клапейрона-Клаузиуса к процессам испарения и возгонки
- •4. 4. 2. Диаграмма состояния однокомпонентной системы
- •4. 5. Метод физико-химического анализа. Диаграммы состав – свойство
- •4. 6. Двухкомпонентные системы
- •4. 6. 1. Бинарные системы взаимно растворимых жидкостей.
- •4. 6. 1. 1. Общая характеристика растворов
- •4. 6. 1. 2. Диаграмма состояния температура кипения – состав для идеального жидкого раствора
- •4. 6. 1. 3. Правило рычага
- •4. 6. 1. 4. Диаграммы температура кипения – состав для неидеальных растворов
- •4. 6. 1. 5. Разделение бинарных растворов
- •4. 6. 2. Системы взаимно нерастворимых жидкостей
- •4. 6. 2. 1. Диаграмма температура кипения состав для двух несмешивающихся жидкостей
- •4. 6. 2. 2. Перегонка с водяным паром
- •4. 7. Трехкомпонентные системы
- •4. 7. 1. Закон распределения
- •4. 7. 2. Экстрагирование
- •Библиографический список
1. 3. 4. Обратная (рециркуляционная) технологическая связь
Этот вид связи предусматривает многократное возвращение в один и тот же элемент ХТС непрореагировавшей части одного или всех реагентов. 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 др.
1. 3. 5. Перекрестная технологическая связь
Такой вид связи применяют для обеспечения эффективного использования энергии. В простых случаях теплота продуктов реакции или отходящих газов может быть использована для предварительного нагрева материалов, поступающих в реакционные аппараты.
Обычно в ХТС встречаются комбинации рассмотренных типов связей.
От характеристик элементов ХТС и технологических характера связей зависит качество функционирования химических производств. Эффективность работы ХТС можно повысить изменением технологических связей между существующими в системе аппаратами; улучшением функционирования основных элементов аппаратов ХТС путем изменения технологических режимов их работы (оперативное управление) или изменением типов аппаратов (стратегическое управление); введением в ХТС дополнительных элементов или образованием новых внешних связей.
1. 4. Системный декомпозиционный анализ химико-технологических систем
Химическая технология товарных продуктов определяется совокупностью элементарных физических, физико-химических и химических процессов. В подавляющем большинстве случаев эта структура сложна, включает несколько стадий переработки. При проведении химических процессов каждая реакция характеризуется своим влиянием основных параметров – температуры, давления, концентрации. При этом от выбора технологического режима проведения реакций зависят показатели эффективности производства. Кроме того, реакции сопровождаются физическими процессами массообмена, выделением или поглощением теплоты и соответствующими процессами теплообмена. На протекание сложных химико-технологических процессов сильно влияет характер движения потоков реагирующих веществ, конструктивные особенности реакторов и другие факторы.
Для сложных химико-технологических процессов и систем задачу управления следует решать, используя разработанный для этой цели системный декомпозиционный уровневый метод анализа и управления.
Декомпозиционный уровневый метод заключается в том, что сложная система производства подвергается декомпозиции, и анализ технологических процессов с целью выбора рациональных технологических режимов и управления ими проводят не в сложной совокупности элементарных процессов, а по частям (уровням). Уровень – это простые составляющие протекающего сложного процесса в системе. Именно такой подход дает возможность наиболее правильного и быстрого выбора технологических режимов сложных процессов и управления ими, эффективного использования ресурсов, как с позиции экономии сырья, так и снижения материалоемкости (в том числе металлоемкости) производства. Анализ и описание сложных процессов проводят последовательно с учетом уровня их протекания.
Системный декомпозиционный метод предусматривает проведение анализа последовательно на четырех уровнях: молекулярно-кинетическом, макрокинетическом, аппаратурном, включающем уровень потока и реактора, и на уровне химико-технологической системы (единичного производства). При системном декомпозиционном методе анализа придерживаются двух правил:
1. Выводы, полученные на каждом предшествующем уровне, справедливы для всех последующих;
2. Выводы каждого последующего уровня уточняют выводы, полученные на предыдущих уровнях, или дают информацию о влиянии новых параметров управления.