5. Классификация технологических связей хтс

Для графического представления (топологии) структуры ХТС могут быть использованы следующие типы технологических связей (материальные и энергетические потоки) между элементами: - последовательное соединение элементов (рисунок 11 а) - основной приём химической технологии, так как оно соответствует многошаговому принципу переработки сырья в качественно различных элементах. Последовательное включение однотипных элементов (реакторов, теплообменников, тарелок колонны, ступеней компрессора) – это важный принцип для повышения выхода целевого продукта, степени превращения, КПД и вообще для уменьшения необратимых потерь в ходе процесса;

- параллельное соединение элементов (рисунок 11 б, с), применяемое, например, в случае отдельной подготовки потоков сырья для проведения химической реакции, с целью увеличения производительности установки и т.д. В зависимости от процесса и специальных требований к нему параллельное соединение элементов может быть в начале, середине или конце системы;

- байпасирование (последовательно-обводная связь) (рисунок 12) широко используют не только для повышения гибкости ХТС, но и в системах переработки с последующим смешением, где для обеспечения заданного состава и качества продукта необходимо переработать (очистить, разделить и т.п.) не весь поток, а лишь его часть. Потоки смешиваются в таком соотношении, чтобы получился продукт заданного качества;

- рециркуляция (обратная технологическая связь), применяемая как способ повышения скорости процесса, например, при синтезе аммиака для поддержания высокой скорости реакции процесс проводят только до 20 % степени превращения, отделяют продукт от реакционной смеси и возвращают её в цикл на смешивание со свежей азото-водородной смесью. Определенная доля циркулирующего газа выводится из цикла для поддержания допустимого количества инертных веществ (рисунок 13). Современная ХТС характеризуется большим числом обратных (рециркулирующих) потоков. Это обусловлено стремлением более полно использовать: сырье путем рециркуляции непревращенной его доли; теплоты или холода технологических потоков в системе для подогрева холодных или охлаждения горячих потоков, то есть для создания безотходных энергозамкнутых ХТС.

В зависимости от типа технологических связей в структуре ХТС выделяют однонаправленные и встречнонаправленные ХТС.

Однонаправленные ХТС – системы, содержащие однонаправленные технологические связи (последовательные, последовательно обводные и параллельные).

Встречнонаправленные (или контурные) ХТС – системы, содержащие противонаправленные и обратные технологические связи.

Рисунок 11- Химико-технологические системы с последовательным (а) и параллельным соединением элементов в конце (б) и в середине (с) ХТС

Рисунок 12 – Химико-технологическая система с байпасом (последовательно - обводная)

1-компрессор; 2- смеситель; 3 – теплообменник; 4- реактор; 5, 8 – холодильники; 6, 9 – сепараторы; 7 - делитель

Рисунок 13 – Использование рециркуляции для повышения эффективности процесса синтеза аммиака

5. Формы представления структуры ХТС

Существует несколько форм представления структуры ХТС: вербальное, графическое (топологическое) и описание в виде матрицы.

Вербальное (словесное) описание используется при документальном оформлении технологической схемы, которое является одним из разделов технологического регламента.

Графические методы наиболее наглядны и информативны. При этом структуру ХТС изображают схематически.

В зависимости от элементного состава, характера связей и предназначения различают функциональные, операторные, структурные и технологические схемы.

Элементами структуры функциональной схемы выступают подсистемы, объединенные единой технологической целью. Подсистемы – это совокупность операторов, реализующих какую- либо стадию производства или технологическую операцию. К основным подсистемам ХТС относят подсистемы подготовки сырья, химического превращения, выделения целевого продукта из реакционной смеси,

обработки технологического продукта, решения экологических вопросов. На функциональной схеме подсистемы изображаются в виде блоков прямоугольной формы, материальные связи между которыми представлены направленными линиями.

Элементами операторной схемы служат технологические операторы в соответствии с их условными изображениями, взаимосвязи между которыми представлены направленными линиями. Операторная схема дает наглядное представление о физико-химической сущности всех технологических процессов системы. Иногда на операторной схеме пунктирными линиями выделяют блоки, объединенные единой технологической целью.

На основе операторной схемы составляется структурная схема, на которой каждый элемент ХТС упрощенно изображают в виде блока, имеющего несколько входов и выходов, а технологические связи между элементами - в виде направленных линий.

Технологическая схема ХТС, дающая детальное представление о принципах работы системы, составляется на основе операторной; при этом каждый элемент системы представляется в виде стандартного графического изображения, а технологические связи даны в виде направленных линий. На технологической схеме приводятся краткие сведения о составе технологических потоков, свойствах веществ, участвующих в технологическом процессе. В приложении А представлены условные графические изображения аппаратов в соответствии с ГОСТом.

Ниже приведен пример составления разнообразных схем структуры системы изомеризации н-пентана (производство синтетического каучука).

Сырье (пентановая фракция), поступает в ректификационную колонну 1 для отделения от тяжелых углеводородов (С₆ и выше), откачиваемых из куба колонны насосом 5 на склад.

Головной продукт колонны – жидкий н-пентан из сборника 8 подают насосом 9 в рекуперативный теплообменник 11, в котором н-пентан испаряется за счет теплоты газообразной реакционной смеси и её конденсата. Дополнительный нагрев до температуры реакции (450⁰ С) происходит в трубчатой печи 12 за счет радиации пламени. Перед теплообменником н-пентан смешивается с циркулирующим газом, содержащим 85% водорода (водород добавляют для подавления побочных реакций).

Горячая смесь реагентов поступает в реактор 13, где на твердом катализаторе протекает реакция изомеризации

н -С₅Н₁₂ изо - С₅Н₁₂

Реакционный газ охлаждают до 40⁰ С в теплообменнике 11 и конденсаторе 14, после чего в сепараторе 15 разделяют на две фазы – жидкость и неконденсирующийся газ (водород). Газ смешивают со свежим Н₂, сжимают в компрессоре и возвращают на смешение с пентановой фракцией; жидкость, содержащую изопентан и н – пентан подают в емкость 17, где вследствии снижения давления до 15…16 ат происходит дополнительная отдувка газа.

Смесь н-пентана и изопентана подвергают двухступенчатой ректификации в колоннах 18 и 20. В колонне 18 смесь стабилизируют путем отбора из верхней части колонны фракции легких углеводородов С₃ и С₄. Кубовый продукт колонны 18 направляют в колонну 20 на разделение изопентана (целевой продукт) и н-пентана (кубовый продукт). н-Пентан насосом 25 возвращают на изомеризацию, добавляя на входе в колонну 1 к исходному сырью.

Изопентан концентрации 95% через конденсатор 26 поступает в сборник 27, откуда насосом 28 через холодильник 29 его перекачивают на склад товарной продукции.

Для графического представления структуры описанной ХТС составим список операторов в порядке их появления от входа сырья в систему и до выхода готового продут :

1. смешение свежего и возвратного н-пентана;

2. ректификация от тяжелых углеводородов (С₆ и выше);

3. смешение пентана с водородом;

4. нагрев смеси в теплообменнике и трубчатой печи;

5. химическое превращение;

6. охлаждение реакционной системы в рекуперативном теплообменнике;

7. конденсация паров жидких продуктов реакции и непревращенного сырья;

8. сепарация (разделение жидкой и газовой фаз);

9. отдувка газов за счет снижения давления;

10. ректификация конденсата.

Операторы объединим в подсистемы, учитывая цели, достигаемые в операторе или группе операторов рассматриваемого процесса.

Приведенный список операторов позволяет составить три подсистемы:

-подготовки сырья (операторы1-4);

- химического превращения (оператор 5);

- выделение целевого продукт (операторы 6-10).

Соединив подсистемы линиями материальных потоков, получаем функциональную схему синтеза изопентана (рисунок 14).

Побочные продукты (С₃; С₄)

Изопентан на склад

Рисунок 14 – Функциональная схема изомеризации н-пентана

В соответствии с перечнем операторов и описанием процесса синтеза изопентана составляем операторную (рисунок 15) и структурную (рисунок 16) схемы.

Операторная и структурная схемы позволяют создать технологическую схему изомеризации н-пентана (рисунок 17).

В приложении Б приведены описания технологических процессов и технологических схем производства мономеров (дивинила и изопрена) для получения синтетического каучука.

С₆ и выше

Свежий

водород

Рисунок 15– Операторная схема изомеризации н-пентана

1, 18, 20 – ректификационные колонны; 2, 19, 24 – кипятильники; 3, 21 – дефлегматоры;

4, 29 – холодильники; 5, 7, 23, 28 – насосы; 6, 8, 16, 22, 27 – сборники; 9 – насос высокого давления; 10 – компрессор; 11 – теплообменник; 12 – трубчатая печь; 13 – реактор изомеризации;14, 26 – конденсаторы; 15 – сепаратор; 17 – емкость

Рисунок 16 – Структурная схема изомеризации н-пентана

1, 18, 20 – ректификационные колонны; 2, 19, 24 – кипятильники; 3, 21 - дефлегматоры; 4, 29 – холодильники; 5, 7, 23, 28 – насосы; 6, 8, 16, 22, 27 - сборники; 9 – насос высокого давления; 10 – компрессор; 11 – теплообменник; 12 – трубчатая печь; 13 – реактор изомеризации; 14, 26 – конденсаторы; 15 - сепаратор; 17 – емкость

Рисунок 17 – Технологическая схема изомеризации н-пентана