Синтез и анализ тс
При разработке новых и совершенствовании существующих производств следует выделить задачи синтеза и анализа ТС. Из заданных видов сырья, энергии, технологического оборудования, различных путей химического превращения исходных веществ в целевые продукты необходимо создать ТС, обладающую требуемыми свойствами.
Задача синтеза ХТС заключается в создании химико-технологической системы, работающей с высокой эффективностью. Задача синтеза обычно многовариантна, ибо одни и те же значения выходных параметров ХТС могут быть обеспечены при различной структуре системы и разных режимах функционирования ее элементов. Задача синтеза имеет определенные особенности при проектировании новой и реконструкции существующей ХТС. Так, при создании новой ХТС обычно имеется много возможностей выбора элементов и связей между ними. При реконструкции ХТС приходится сохранять все или часть ее элементов, а также все или часть связей между элементами.
Анализ ХТС состоит в изучении свойств и эффективности функционирования ХТС в целом на основе ее математической модели. Задачи анализа ХТС подразделяют на анализ структуры и качества функционирования. Цель анализа структуры ХТС — выявление ее структурных особенностей и нахождение последовательности расчета элементов, а цель анализа качества функционирования ХТС — получение количественных оценок ее основных свойств: чувствительности, надежности, устойчивости и т. д.
Сырьевая и энергетическая подсистемы тс
Сырье подразделяется на ископаемое, растительное и животное. В химической промышленности доминирует ископаемое сырье, добываемое из земных недр.
Ископаемое сырье делят на рудное минеральное, нерудное минеральное и органическое горючее.
Рудное минеральное сырье, используемое для получения металлов в технически чистом виде, состоит из природных минералов. Минералы руд содержат в основном оксиды и сульфиды некоторых металлов (Fe3O4, Fe2O3, Cu2S, CuS, ZnS и др.) и оксиды соединений, составляющих пустую породу. По составу минералов руды бывают окисленными — состоящими из оксидов, сульфидными и самородными. Руды, в состав которых входят соединения разных металлов, называют полиметаллическими. Например, медно-никелевые (содержат сульфиды меди, никеля и железа), свинцово-цинковые (содержат сульфиды свинца и цинка), свинцово-молибденовые и др.).
Нерудное сырье — горные породы, используемые в производстве химических, строительных и др. материалов, например, породы содержащие серу, фосфаты, природные калийные соли, поваренную соль, песок, глина, слюда, асбест и др.
Горючее минеральное сырье включает бурые и каменные угли, нефть, торф, горючие сланцы, природный и попутный газ и др. Из угля получают сырье для производства красителей, лекарственных препаратов, химических волокон и др. Из нефти — топлива, волокна, каучук и т. д. Природный газ служит сырьем для получения продуктов тяжелого органического синтеза, удобрений, пластмасс.
Растительное и животное сырье подразделяется на пищевое и техническое. К пищевому относятся продукты сельского, лесного и рыбного хозяйства, которые используются для пищевых целей. Химическая и другие отрасли промышленности потребляют техническое растительное и животное сырье, непригодное для пищевых целей — древесина, хлопок, солома, лен, конопля, китовый и тресковый жиры, кости животных и т. д.
Принцип наилучшего использования сырья проводится в направлении:
увеличения полноты переработки сырья;
применение концентрированного сырья;
изыскание и применение более дешевых видов сырья;
комплексного использования сырья;
минимизации отходов производства.
Для этого используют: выбор схемы процесса, применение избытка реагентов, противоточного контакта фаз, введение рецикла, регенерацию реагентов и др.
Принцип рационального использования энергии реализуется с помощью регенерации теплоты, организации оптимального способа теплообмена в реакторах, создание энерготехнологических производств, связанных созданием систем большой единичной мощности, сочетающих максимальное использование сырья и энергии. Отличительной особенностью энерготехнологических систем является строгая сбалансированность производства и потребления энергетического пара, основанная на утилизации вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), в частности теплоты экзотермических реакций.
В связи с увеличением энергетических нагрузок, характерных для больших агрегатов нужно стремиться к созданию ХТС с максимальным использованием энергии технологических потоков внутри системы без подвода тепла извне. Ценность любой энергии определяется не только количеством, и тем, в какой степени она может быть превращена в другие виды энергии.
Мера ресурсов превратимой энергии системы называется эксергией.
Эксергия системы в данном состоянии измеряется количеством механической или другой полностью превратимой энергии, которое может быть получено от данной системы в результате ее обратимого перехода из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой.
Эксергия ХТС остается неизменной только при обратимом проведение всех процессов внутри системы и при взаимодействии с окружающей средой, имеющей постоянные параметры.
Разность общей эксергии, вводимой в систему Евх и выводимой из нее Евых, определяет суммарную величину потерь от необратимости в системе
ΣЕпот=ΣЕвх – ΣЕвых >= 0.
Отношение эксергии, отводимой из системы, к подведенной эксергии, называется эксергическим КПД, который характеризует степень приближения к идеальному:
Для определения η необходимо составить эксергический баланс, для чего необходимо определить эксергию каждого вида энергии. Выражение для определния эксергии суммируется из следующих составляющих:
Е=Еп+Ек+Еф+Ех,
где Еп — потенциальная, Ек — кинетическая, Еф — физическая, Ех — химическая эксергия.
Потенциальная и кинетическая эксергия совпадают по своим значениям с соответствующими видами энергии. Физическая эксергия — это часть эксергии, которая является, которая является результатом несовпадения температуры и давления рассматриваемого вещества с температурой и давлением окружающей среды. Эксергия, возникающая из-за различия составов, называется химической эксергией. Сумма химической и физической эксергии называется термической эксергией.
Эксергия материальных и тепловых потоков определяется по формулам
Ем=Еп+Ек+Ет,
Ет=Q(1-To/T),
где Q — поток теплоты, То — температура окружающей среды, Т — температура источника теплоты.