Тема 1.6. Химико-технологические системы.

Химико-технологический процесс осуществляют с целью преобразования сырья в товарные продукты. Систему аппаратов с различным функциональным назначением, взаимосвязанных материальными и энергетическими потоками и действующих как единое целое с целью выпуска товарной продукции заданного качества, называют химико-технологической системой (ХТС). Число аппаратов, последовательность их участия в производственном процессе, направления материальных и тепловых потоков меду аппаратами характеризует структуру ХТС. Структуру ХТС образуют входящие в ее состав элементы и связи между ними. Элементами ХТС являются отдельные аппараты. Связи между элементами выступают в виде трубопроводов, по которым передаются материальные и тепловые потоки.

Каждый элемент ХТС выполняет определенные функции по преобразованию параметров, входящих в него потоков и параметры выходящих потоков. Параметрами состояния технологических потоков являются расход, температура, давление, концентрации компонентов и др. Величину, равную числу параметров технологического потока называют параметричностью потока.

Конструкционные и технологические параметры элементов ХТС позволяют управлять процессом. Поэтому их называют также управляющими параметрами.

Связи между аппаратами внутри ХТС называют внутренними связями, связи между аппаратами различных ХТС и внешней средой – внешними связями.

От характеристик элементов ХТС и характера технологических связей зависит качество функционирования ХТС. Эффективность работы ХТС можно повысить: 1) путем изменения технологических связей между существующими в системе; 2) путем улучшения функционирования основных элементов ХТС.

Структуру ХТС изображают с помощью различных схем.

Подготовка и организация ХТП начинается с выбора химической схемы процесса, т.е. схемы превращения сырья в целевой продукт, представленной в виде уравнений соответствующих химических реакций. Химические схемы разрабатываются на основе анализа возможных направлений синтеза с учетом свойств сырья, требований к качеству продукта, наличия энергетических ресурсов и т.п. Решающим критерием при выборе схемы является экономичность производства по тому или иному методу. Например, фосфорная кислота может быть получена из фторапатита тремя возможными схемами: разложением сырья серной кислотой, разложением сырья азотной кислотой и электротермическим методом через пятиокись фосфора.

В данном случае наиболее экономичный метод – сернокислотное разложение, т.е. химическая схема:

Са₅F(PO₄)₃ +5H₂SO₄ =3H₃PO₄ + 5CaSO₄ + HF

H₂SO₄

Са₅F(PO₄)₃ HNO₃ H₃PO₄

C

O₂ H₂О

P P₂O₅

Рис. 1.6.1 Возможные схемы производства фосфорной кислоты

На основании выбранной химической схемы составляется структурная схема ХТС. Структурная схема выражает связь между основными химическими, физическими и механическими операциями, представленными в условном изображении. На структурной схеме все элементы ХТС графически представлены в виде блоков, имеющих несколько входов и выходов материальных и тепловых потоков. Технологические связи между блоками обозначены линиями со стрелками, указывающими направление движения потоков. Структурная схема дает общее представление о ХТС и практически не содержит количественной информации ни о потоках, ни об особенностях элементов ХТС.

Так, для рассмотренной выше химической схемы производства фосфорной кислоты структурная схема выглядит так:

8

Часть H₃PO₄

С

1

2

3

4

5

а₅F(PO₄)₃ H₃PO₄

Н₂О

6

7

порода

НF фосфогипс СаSО₄

Рис.1.6.2 Структурная схема производства фосфорной кислоты

Структурная схема позволяет в первом приближении оценить целесообразность и экономичность выбранной ХТС.

Технологической схемой называется совокупность всех стадий ХТП, материально выраженных в аппаратах, машинах, коммуникациях. Она представляет, следовательно, последовательное изображение или описание процессов и аппаратов, составляющих химико-технологическую систему. В отличие от структурной схемы, на основе которой она разрабатывается, в технологической схеме аппараты изображаются в виде рисунков, упрощенно представляющих их внешний вид и реже, внутреннее устройство. Аппараты связаны технологическими потоками, изображаемыми в виде линий со стрелками, указывающими направления потоков. Изображения дополняются краткой информацией о химическом составе исходного сырья и продуктов реакции. При этом параллельно работающие аппараты одного назначения и конструкции (например, батарея выпарных аппаратов) изображают в виде одного аппарата.

В зависимости от назначения технологические схемы выполняются различной степени детальности.

Связи между аппаратами бывают различных типов. Технологические и структурные схемы могут реализоваться в производстве в нескольких вариантах:

1. Последовательная связь. Характеризуется тем, что выходящий из предшествующего элемента поток является входящим для последующего элемента и все технологические потоки проходят через каждый элемент не более одного раза. Этот тип связи – наиболее распространенный. Это схемы с открытой цепью, представляют ряд аппаратов, через которые все реагирующие вещества проходят лишь однократно (проточная схема). Они используются в производствах, в основе которых лежат необратимые или обратимые, но идущие с высоким выходом продукта, процессы, в которых по условиям равновесия может быть достигнута высокая степень превращения сырья без выделения целевого продукта из реакционной смеси, (например, производство ацетилена, суперфосфатов).

Последовательную связь применяют также, когда необходимо повысить степень превращения, избирательность, скорость процесса за счет секционирования реакционных зон, создать оптимальный температурный режим, обеспечить промежуточный отвод продуктов реакции. Если степень превращения в одном аппарате невелика, то приходится последовательно включать в схему несколько однотипных аппаратов. Характерным примером последовательного соединения является каскад ректоров смешения, обеспечивающий повышение скорости процесса за счет увеличения движущей силы процесса при последовательном секционировании зоны.

Схема с открытой цепью

Схема включает три подобных линии: производства реагента L из А и В, производство реагента М из С и Д и производство конечного продукта R из L и М.

1

2

3

А® А+В АВ А, В, К

В®

1

2

3

L М+L R R

S, L, М

1

2

3

С С+Д СД М

D Д МN N

Рис. 1.6.3 Схема с открытой цепью

1. –смешение реагентов, 2– химические превращения, 3– разделение продуктов реакции,

К, N, S –побочные продукты

Примером гетерогенного процесса с открытой цепью по газовой фазе, проводимого в последовательно соединенных аппаратах, может служить технологическая схема отделения кислотной абсорбции нитрозных газов в производстве разбавленной азотной кислоты. По открытой схеме строят производства, включающие в себя необратимые и обратимые процессы, идущие с большим выходом продукта.

2. Последовательно-обводная технологическая связь.

Этот вид связи, часто называемый байпасом, характеризуется тем, что часть технологического потока минует один или несколько аппаратов по ходу технологической схемы. Байпас позволяет эффективно управлять температурным и концентрационным режимами работы аппаратов. Его используют, например, при адиабатическом проведении экзотермических химических превращений совместно с последовательным соединением элементов химического превращения. Благодаря байпасированию холодного потока сырья, высокая температура потока реагентов на выходе из адиабатического реактора уменьшается, концентрация реагирующего сырья на выходе из адиабатического реактора увеличивается. Байпас можно использовать также для регулирования температуры на выходе из теплообменного узла.

3. Параллельная технологическая связь.

Параллельную технологическую связь применяют для повышения производительности, увеличения ассортимента продуктов, получаемых на основе одного сырья, обеспечения повышенной надежности ХТС. Как правило, параллельную технологическую связь используют для улучшения функционирования ХТС, состоящей из последовательно установленных аппаратов, имеющих по условиям масштабирования разную предельную мощность. В этом случае мощность всей системы будет определяться элементом с наименьшей мощностью. Для увеличения мощности ХТС устанавливают два или боде одинаковых параллельно работающих элемента, суммарная мощность которых равна мощности наиболее производительного элемента.

Если на базе одного исходного вещества получают несколько промежуточных продуктов, которые в дальнейшем можно использовать для производства одного и того же целевого продукта, то параллельно устанавливают несколько различных элементов, работающих при разных режимах.

4. Обратная рециклическая технологическая связь.

Если же выход продукта в одном аппарате составляет 4-5 % (синтез спиртов) или до 20% (синтез аммиака) и реагирующая смесь содержит лишь незначительные количества (инертных) примесей, то целесообразно строить производство по циклической схеме.

Обратная технологическая связь характеризуется наличием обратного технологического потока, связывающего выход какого-либо последующего элемента с входом одного из предыдущих элементов ХТС. Этот вид связи (циклическая схема) предусматривает многократное возвращение в один и тот же аппарат всех реагирующих масс или одной из фаз в гетерогенном процессе вплоть до достижения заданной степени превращения исходных веществ (рис. 4.4). Циркуляционные схемы используют в производствах, в основе которых лежат обратимые процессы, т.е. в которых при существующем режиме и значениях параметров (температура, давление, катализатор) по условиям равновесия не может быть достигнута за один проход через аппарат достаточно высокая степень превращения сырья (например, производство аммиака, метанола). Применение обратной технологической связи позволяет более полно использовать сырье при работе реакторов в условиях термических или термодинамических ограничений по степени превращения.

А, В, R

А

1

4

1

2

В А+В

3

АВ

R

Рис. 1.6.4 Циклическая схема

1 – смешение реагентов, 2–химические превращения, 3- разделение продуктов реакции, 4– теплообмен между продуктами реакции и исходными реагентами,

А и В – исходные реагенты, R – целевой продукт.

В н.в. циклические схемы приобретают особое значение, поскольку, с одной стороны, обеспечивают более высокую степень использования сырья, что улучшает экономические показатели процесса, а с другой – в окружающую среду выбрасывается значительно меньшее количество вредных веществ, что очень важно с экологической точки зрения.

Во многих системах, основанных на гетерогенных процессах, применяют комбинированные технологические схемы, в которых одна из фаз последовательно проходит аппараты, а другая совершает многократную циркуляцию через некоторые аппараты системы. Например, абсорбционно-десорбционные системы очистки газовых смесей от сероводорода, диоксида серы и диоксида углерода работают по схеме с открытой цепью (прямоточные) в отношении газовой фазы и циклически – по жидкой фазе.

По организационно-технической структуре, т.е. по характеру введения исходных материалов в аппарат и вывода продукта из него процессы химической технологии делятся на периодические и непрерывные.

Для периодических процессов присуще единство места протекания всех стадий процесса, т.е. в них операции загрузки сырья, проведение процесса и выгрузки готового продукта осуществляются в одном аппарате, но в разное время. В таких процессах, прежде всего, нерационально используется аппарат во времени. При загрузке исходных веществ и выгрузке продукта аппарат не работает. При периодических процессах трудно обеспечивать одинаковое качество продукта, их труднее автоматизировать и механизировать.

Для непрерывных процессов присуще единство времени протекания всех стадий процесса, т.е. в них перечисленные выше операции осуществляются одновременно, но в различных аппаратах. Непрерывные процессы экономически более выгодны, высокопроизводительны, обеспечивают высокий выход и однородное качество продукта, они обеспечивают непрерывность и постоянство условий протекания отдельных стадий сложных процессов.

Характеристикой процесса, позволяющего отнести его к той или иной группе, является степень непрерывности процесса.

Х_н = t /Dt, (1.6.1)

где t – продолжительность процесса, т.е. время необходимое для завершения всех стадий процесса; Dt – период процесса, т.е. время, протекающее от начала загрузки сырья данной партии до начала загрузки сырья следующей партии.

Для периодического процесса Dt>0, следовательно, Х_н<1; для непрерывного процесса Dt®0, следовательно, Х_н®¥.

Смешанными называют процессы, в которых исходные реагирующие вещества подаются непрерывно, а вывод продукта осуществляется периодически. Например, уголь в газогенератор загружается периодически, а воздушный генераторный газ выводится непрерывно.

В зависимости от характера перемещения реагирующих веществ технологические процессы подразделяются на прямоточные, противоточные и перекрестные.

В прямоточных процессах реагирующие вещества движутся в одном направлении, а в противоточных – навстречу друг другу. В перекрестных –потоки реагирующих веществ пересекаются под тем или иным углом друг к другу.

Противоточные процессы обеспечивают большую полноту взаимодействия реагирующих веществ, чем прямоточные. Поэтому при организации технологических процессов стремятся обеспечить взаимодействие фаз системы по принципу противотока. Прямоточные процессы применяют главным образом в тех случаях, когда из-за специфики взаимодействия реагирующих веществ невозможно использовать противоток. Так, прямоточный процесс применяют при сушке нагретым воздухом аммиачной селитры. При сушке аммиачной селитры по принципу противотока нагретый воздух встречался бы с сухой и нагретой аммиачной селитрой, что привело бы к разложению части селитры и увеличило потери продукта. Когда в сушилку вводится влажная аммиачная селитра по принципу прямотока, то на выходе из сушилки сухая аммиачная селитра соприкасается с уже охлажденным воздухом и потери ее в результате разложения уменьшаются.