
- •Основы проектирования химических производств
- •Предисловие
- •Экологическое и технико-экономическое обоснование проектов химических производств.
- •Общественная экологическая экспертиза
- •Государственная экологическая экспертиза
- •Общественная экологическая экспертиза
- •Государственная экологическая экспертиза
- •Этапы проведения экологической экспертизы
- •Принципы экологической экспертизы
- •Основные этапы и организация проектирования химических производств
- •1.1. Перспективный план и технико-экономическое обоснование
- •1.2. Задание на проектирование
- •1.3. Выбор района размещения предприятия и площадки строительства
- •1.4. Основные принципы проектирования зданий и сооружений химической промышленности
- •1.5. Разработка проектной документации по охране окружающей среды
- •1.5.2. Разработка прогноза загрязнения воздуха
- •1.5.3. Прогнозирование состояния поверхностных и подземных вод
- •1.5.4. Прогноз воздействия объекта при возможных авариях
- •1.6. Технологический процесс как основа промышленного проектирования
- •1.7. Генеральный план химических предприятий
- •1.8. Типы промышленных зданий
- •1.8.1. Одноэтажные промышленные здания
- •1.8.2. Многоэтажные здания
- •1.8.3. Вспомогательные здания и помещения химических предприятий
- •1.8.4. Склады промышленных предприятий
- •1.9. Инженерные сооружения
- •Инженерных сооружений
- •1.10. Специальные вопросы проектирования химических предприятий
- •Состав исходных данных и основные стадии проектирования оборудования и предприятий химической промышленности
- •2.1. Основные стадии проектирования химических производств и оборудования
- •2.2. Виды конструкторских документов
- •2.3. Содержание разделов исходных данных для проектирования промышленного химического производства
- •Раздел 1. Общие сведения и технология
- •Раздел 2. Характеристика выполненных научно-исследователь-ских работ и опытных работ, положенных в основу исходных данных для проектирования
- •Раздел 3. Технико-экономическое обоснование рекомендуемого метода производства. Перспективы производства и потребления
- •Раздел 4. Патентный формуляр
- •Раздел 5. Техническая характеристика исходного сырья, вспомогательных материалов, основных и конечных продуктов. Целевое назначение и области применения основных продуктов
- •Раздел 6. Физико-химические константы и свойства исходных, промежуточных и конечных продуктов
- •Раздел 7. Химизм, физико-химические основы и принципиальная технологическая схема производства
- •Раздел 8. Рабочие и технологические параметры производства
- •Раздел 9. Материальный баланс производства
- •Раздел 10. Технологическая характеристика побочных продуктов и реализуемых отходов производства
- •Раздел 11. Математическое описание технологических процессов и аппаратов
- •Раздел 12. Данные для расчета, конструирования и выбора основного промышленного технологического оборудования и защиты строительных конструкций
- •Раздел 13. Рекомендации для проектирования автоматизации производства
- •Раздел 14. Аналитический контроль производства
- •Раздел 15. Методы и технологические параметры очистки химически и механически загрязненных сточных вод, обезвреживания газовых выбросов и ликвидации вредных отходов
- •Раздел 16. Мероприятия по технике безопасности, промсанитарии и противопожарной профилактике
- •Раздел 17. Указатель отчетов и рекомендуемой литературы по рассматриваемой технологии производства
- •2.4. Проектирование в системе подготовки инженера-химика
- •2.4.1. Курсовое проектирование
- •2.4.2. Дипломное проектирование
- •2.4.3. Пример использования АвтоЛиспа
- •Системы автоматизированного проектирования
- •3.1. История развития сапр
- •3.2. Основные принципы создания сапр
- •3.4. Автоматическое изготовление чертежей
- •3.5. Основные преимущества автоматизации проектирования
- •3.6. Основные требования к сапр
- •3.7. Связь сапр с производством, расширение области применения
- •3.8. Система автоматизированного проектирования цементных заводов
- •3.8.1. Функционирование сапр
- •3.8.2. Основные пакеты прикладных программ (ппп) технологической подсистемы сапрцемент
- •Введение в проектирование
- •4.1. Проектно-сметная документация
- •4.2.1. Исходные положения
- •4.2.2. Обоснование способа производства химической продукции
- •4.2.3. Экономика строительства предприятия и производства продукции
- •Выбор и разработка технологической схемы производства
- •5.1. Общие положения
- •5.2. Последовательность разработки технологической схемы
- •5.3. Принципиальная технологическая схема
- •5.4. Размещение технологического оборудования
- •Выбор технологического оборудования химических производств
- •6.1. Основные типы химических реакторов
- •6.2. Химические факторы, влияющие на выбор реактора
- •6.2.1. Реакции расщепления
- •6.2.2. Реакции полимеризации
- •6.2.3. Параллельные реакции
- •6.2.4. Комбинация реактора смешения с реактором вытеснения
- •6.3. Эскизная конструктивная разработка основной химической аппаратуры
- •6.3.1. Общие положения
- •6.3.2. Реакторы
- •6.4. Оптимизация процессов химической технологии
- •Уравнения материального баланса технологического процесса
- •7.1. Стехиометрические расчеты
- •7.2. Термодинамический анализ процессов
- •7.2.1. Равновесие химической реакции
- •7.2.2. Расчет состава равновесной смеси
- •7.3. Общее уравнение баланса массы
- •7.4. Практический материальный баланс
- •7.5. Физико-химические основы технологического процесса
- •8. Технологический расчет основной и вспомогательной аппаратуры
- •8.1. Общие положения
- •8.2. Расчет объемов реакторов
- •8.2.1. Основные положения химической кинетики
- •8.2.2. Расчет идеальных реакторов
- •8.3. Определение объемов аппарата
- •Тепловой расчет основного оборудования
- •9.1. Общее уравнение баланса энергии
- •9.2. Практический тепловой баланс
- •9.3. Теплообмен в реакторах
- •9.4. Расчет энтальпий и теплоемкостей
- •9.6. Расчет реактора периодического действия
- •9.7. Степень термодинамического совершенства технологических процессов
- •Гидравлические расчеты
- •10.1. Расчет диаметра трубопровода
- •10.2. Расчет гидравлических сопротивлений в трубопроводе
- •10.3. Гидравлическое сопротивление кожухотрубчатых теплообменников
- •10.4. Подбор насосов
- •Механический расчет
- •11.1. Расчет сварных химических аппаратов
- •11.1.1. Основные расчетные параметры
- •11.1.2. Расчет на механическую прочность
- •11.1.3. Требования к конструированию
- •11.1.4. Расчет цилиндрических обечаек
- •11.1.5. Расчет крышек и днищ
- •11.1.6. Подбор стандартных элементов
- •11.2. Расчет толстостенных аппаратов
- •КонструКционНые материалы в химическом машиностроении
- •12.1. Виды конструкционных материалов
- •12.2. Коррозия металлов и сплавов
- •12.2.1. Виды коррозии
- •12.2.2. Виды коррозионных разрушений
- •12.2.3. Способы борьбы с коррозией
- •12.3. Влияние материала на конструкцию аппарата и способ его изготовления
- •12.3.1. Конструкционные особенности аппаратов из высоколегированных сталей
- •12.3.2. Конструктивные особенности эмалированных аппаратов
- •12.3.3. Конструктивные особенности аппаратов из цветных металлов
- •12.3.4. Конструктивные особенности аппаратов из пластмасс
- •Оформление отдельных элементов химической аппаратуры
- •13.1. Оформление поверхности теплообмена
- •13.2. Перемешивающие устройства
- •13.3. Уплотнения вращающихся деталей
- •Трубопроводы и трубопроводная арматура
- •Вспомогательное оборудование химических заводов
- •15.1. Виды вспомогательного оборудования
- •15.2. Транспортные средства
- •15.2.1. Классификация транспортных средств для твердых материалов
- •15.2.2. Машины для транспортировки жидкостей и газов
- •Технологические схемы и оборудование для гранулирования дисперсных материалов
- •16.1. Классификация методов гранулирования и особенности уплотнения гранул
- •16.2. Теоретические основы и аппаратурное оформление гранулирования методом окатывания
- •16.3. Основные закономерности и аппаратурное оформление метода экструзии
- •16. 4. Закономерности уплотнения материала и аппаратурное оформление метода Прессования
- •16.5. Гранулирование в псевдоожиженном слое
- •16.6. Технологические схемы процессов гранулирования дисперсных материалов
- •Литература
- •Оглавление
9.7. Степень термодинамического совершенства технологических процессов
Применение прогрессивных энергосберегающих технологических схем и повышение энерготехнологической эффективности оборудования являются важными задачами химического производства.
При разработке высокоэффективных и малоэнергоемких технологий и оборудования большое значение имеют вопросы использования вторичных ресурсов и утилизации побочных энергоресурсов, под которыми понимают неиспользованный в технологическом процессе энергетический потенциал всех продуктов и отходов. Например, применение котлов-утилизаторов, которые позволяют использовать теплоту отходящих газов для производства пара или подогрева воды. Другим примером может служить использование теплоты, полученной за счет охлаждения химически очищенной водой элементов, расположенных в высокотемпературной зоне (например, печи). При этом охлаждаемые поверхности используются в качестве испарителей для получения водяного пара.
Первым шагом по пути модернизации любого процесса является анализ степени его совершенства и сопоставление его с другими вариантами процессов, предназначенных для одной цели.
Объективная оценка степени энергетического совершенства любого технологического процесса и агрегата может быть сделана лишь на основе термодинамического анализа.
Простейшим из них является энергетический метод – на основе первого закона термодинамики. Например, энергетический баланс тепловой установки (рис. 9.4) можно записать следующим образом: Q1=Q2+Qn,
где – Qn – это энергия, которая не используется в технологической системе.
|
Рис. 9.4 |
Qn=0, а Q2=Q1,
то тепловой (энергетический) коэффициент полезного действия (КПД)
Известно, что любой процесс, независимо от того, как он будет технологически оформлен, при правильном подсчете всех энергетических потоков имеет коэффициент полезного действия близкий к единице, и нет смысла в его совершенствовании. Кроме того, из данного уравнения энергетического баланса неясно, используется энергия Q2 где-то или нет.
Таким образом, энергетический баланс не дает полной информации, прежде всего о качественных изменениях, происходящих в системе. При составлении энергетического баланса невозможно объективно учесть вторичные энергоресурсы (ВЭР). Если ВЭР вычесть из суммы общих энергозатрат, то расход энергозатрат будет заниженным, а если их вообще не учитывать, то энергозатраты получаются сильно завышенными. Кроме того, при комплексном производстве невозможно правильно распределить затраты энергии на различные виды продукции.
Для оценки степени совершенства технологического процесса следует использовать энергетический анализ на основе второго закона термодинамики и степень совершенства процесса понимать как степень его обратимости.
В обратимом процессе сумма энергии потоков, подведенных к системе, равна сумме потоков энергии, отведенных от нее:
,
тогда коэффициент полезного действия в обратимом процессе равен
.
В любом реальном процессе вследствие его необратимости
и тогда
.
Таким образом, в реальных процессах эксергетический коэффициент полезного действия (е) всегда меньше единицы, на величину эксергетических потерь (D)
.
По существу,
является суммой всех энергетических
затрат на осуществление данного процесса,
а
обобщенная валовая
производительность агрегата.
Таким образом, е отражает степень совершенства любого процесса: будь то производство энергии или другой технологический процесс.
В табл. 9.12 приведены значения энергетических (тепловых) и эксергетических коэффициентов полезного действия электрических машин и тепловых установок.
Таблица 9.12. Сравнение энергетических и эксергетических КПД
Вид установки (машины) |
Энергетический, |
Эксергетический, е |
Электродвигатель |
0,850,95 |
0,90 |
Электрогенератор |
0,960,99 |
0,98 |
Паровой котел |
0,880,92 |
0,49 |
Газовая печь |
0,600,85 |
0,13 |
Печь на жидком топливе |
0,450,70 |
0,11 |
Из табл. 9.12 видно, что менее совершенными являются тепловые процессы, для которых значения эксергетических коэффициентов полезного действия в 25 раз ниже энергетических коэффициентов полезного действия.
Для того, чтобы составить эксергетический баланс типового химико-технологического процесса, необходимо перечислить основные виды эксергии:
эксергия теплового процесса [Eq];
эксергия вещества [Eв];
эксергия химическая [Ex];
эксергия нулевая [E0].
Тогда эксергетический баланс можно изобразить так, как это показано на рис. 9.5.
Рис. 9.5
Для такой системы уравнение эксергетического баланса можно записать в следующем виде:
.
В общем виде эксергетический коэффициент полезного действия равен
.
Если
,
то
,
тогда уравнение эксергетического
баланса запишется следующим образом:
;
;
и
.
Для приближенной оценки степени совершенства процессов можно использовать эксергетические потери.
Эксергетические потери делятся на внутренние и внешние:
внутренние потери эксергии связаны с необратимостью процессов, протекающих внутри системы ( потери при дросселировании, трении, при наличии гидравлических сопротивлений);
внешние потери эксергии связаны с условиями сопряжения системы с окружающей средой (выброс продуктов производства в окружающую среду, плохая изоляция системы и т. д.).
Внутренние потери чаще всего связаны с несовершенством машин и аппаратов, а внешние – с несоответствием между процессом и условиями его проведения.
Практическое значение такого разделения эксергетических потерь связано с различными способами уменьшения внутренних и внешних потерь.
Ниже приводится пример использования эксергетических потерь для оценки степени совершенства типового технологического процесса и его технологического оформления.
Пример 9.8. Условия проведения процесса в реакторе:
сырье поступает в реактор при температуре t1=195 С;
продукты реакции выходят из реактора с температурой t2=185 С;
исходная температура сырья tисх=30 С;
теплоемкость сырья и продуктов реакции не меняется;
тепловыми потерями в окружающую среду пренебрегаем;
конечная температура продуктов реакции tкон=30 С;
температура сухого насыщенного пара tп=200 С;
процесс конденсации пара изотермический;
количество тепла, необходимое для нагревания сырья от tисх до t1, равно 1 МДж;
температура в котле утилизаторе tку=150 С;
потери эксергии в реакторе для всех схем одинаковы.
Решение: Так как потери эксергии в реакторе одинаковы, для оценки технологических схем достаточно определить потери эксергии за счет теплообмена в теплообменниках (DT).
Расчет производится по формулам:
...;
;
где Т0=298К;
Q – теплота, передаваемая от одного теплоносителя со средней температурой Ta к другому – со средней температурой Тб.
Теплота, необходимая для нагревания сырья, по условию равна 1 МДж, теплоту, необходимую для охлаждения продуктов реакции от t2 до tкон, определяют по формуле
где tн и tк температуры теплоносителя на входе и выходе.
Так как
теплоемкость (с) и масса (m)
продуктов реакции равны теплоемкости
и массе сырья, то произведение
можно определить по формуле
откуда
,
МДж/К.
Тогда количество теплоты на охлаждение равно
МДж.
Отметим, что
сумма
МДж сохраняется постоянной во всех
схемах.
Рассчитаем потери эксергии для первого варианта технологической схемы (рис. 9.6).
Потери эксергии в теплообменнике Т1 равны
,
где
МДж,
средняя температура сырья равна
К.
|
Рис. 9.6. Технологическая схема 1: T1 и Т2 – теплообменники |
Температура греющего пара не меняется, так как идет процесс конденсации пара
Тп=tп+273=200+273=473K;
МДж.
В теплообменнике Т2
,
где
МДж.
Средняя температура продуктов реакции равна
К,
а средняя температура воды
К;
МДж.
Общие потери эксергии по первой схеме равняются:
МДж.
Потери эксергии, отнесенные к сумме теплот на нагревание и охлаждение продуктов реакции (Dе) сырья, равны
.
Второй вариант технологической схемы включает котел-утилизатор и возможность использования теплоты конденсата водяного пара для подогрева исходного сырья (рис. 9.7).
Для расчета потерь эксергии необходимо определить количество передаваемой в каждом теплообменнике теплоты и температуры t3 и t4.
|
Рис. 9.7. Технологическая схема 2 |
Как следует из условий, общее количество теплоты, передаваемой в теплообменниках Т1 и Т2, равно 1 МДж. Принимаем, что распределение теплоты по этим теплообменникам прямо пропорционально количеству теплоты, отдаваемой килограммом конденсирующегося пара при его охлаждении от (tn) до температуры конденсата на выходе из теплообменника
Т1(tк), т.
е.
.
Считая, что теплоносители в теплообменнике Т1 движутся противотоком, примем tк на десять градусов выше, чем температура другого теплоносителя на входе (tисх).
Tк=tисх+10=30+10=40 С.
Для 1 кг пара теплота конденсации, по справочным данным, составляет при 200 С 1938 кДж/кг; теплота охлаждения конденсата
кДж/кг.
Отсюда, количество теплоты, передаваемое в каждом теплообменнике, составит:
в теплообменнике
Т1
кДж/кг;
в теплообменнике
T2
кДж/кг.
Определяем температуру t3 из уравнения:
С.
Потери эксергии в теплообменнике Т1 определяем из уравнения:
,
где
К
усредненная
температура конденсата;
К
усредненная
температура сырья.
Отсюда следует, что
МДж.
Потери эксергии в теплообменнике Т2
,
где
К;
К.
Отсюда следует, что
МДж.
Примем температуру t4 на 20 оС выше, чем температура воды в котле-утилизаторе, т. е. t4=tку+20=170 С. Тогда количество теплоты, передаваемое в каждом теплообменнике Т3 и Т4, будет равно соответственно
МДж;
МДж.
Проверяем общую сумму теплот:
МДж.
Потери эксергии в теплообменнике Т3
,
где
К;
К;
МДж
Потери эксергии в теплообменнике Т4:
,
где
К;
К;
МДж.
Общая сумма потерь эксергии во второй сумме равна
Отношение потерь эксергии во второй схеме
|
Рис. 9.8. Схемы использования тепла реакций: а – с холодным байпасом; б – с отводом тепла реакции в выносном аппарате; в – с отводом тепла непосредственно из реактора; г – с предварительным подогревом реактивов; 1 – реактор; 2 – теплообменник; 3 – холодильник; 4 – аппарат для использования тепла реакции; 5 – подогреватель реагентов |
Как показали расчеты, более совершенной с точки зрения использования энергии является второй вариант технологической схемы.
Необходимо отметить, что реальные схемы утилизации тепла сложнее и могут быть многоступенчатыми.
Существует три группы методов экономии энергетических ресурсов:
Методы, связанные с увеличением поверхностей аппарата, времени протекания реакции, использованием более активных катализаторов, что позволяет приблизиться к равновесному состоянию на выходе из аппарата.
Методы, основанные на изменении технологического режима и не связанные с изменением технологической схемы, что может привести к увеличению габаритов аппарата.
Методы, требующие наряду с приемами, изложенными выше, изменение технологической схемы.
При разработке технологической схемы необходимо производить совместный анализ энергетического и эксергетического балансов с целью установления уровня возврата и возможности использования электрической, тепловой и механической энергии с существенным сокращением потребляемой извне энергии. Кроме того, при выборе относительного варианта технологической схемы должны быть учтены технико-экономические показатели.
Г л а в а 10
__________________________________________________________________