Перечень исходных данных для проектирования установок термического обезвреживания промстоков и кубовых остатков химических производств

1. Характер промышленных стоков или кубовых остатков, подаваемых

на обезвреживание:

а) раствор, суспензия и т. д.;

б) нейтральные, кислые, щелочные;

в) склонность к полимеризации;

г) транспортабельность по трубам и рекомендации по выбору насосов;

д) вязкость, теплопроводность, теплоемкость, удельный вес;

е) элементный состав исходных продуктов.

2. Характеристика твердого осадка. Физико-химические свойства: температура плавления, возгонки, кипения, разложения, затвердевания. В случае использования - товарный вид, ГОСТ, ОСТ, ТУ, растворимость в воде.

3. Состав возможных продуктов, образующихся при термическом обезвреживании раствора или кубового остатка.

4. Коррозионные свойства раствора кубового остатка и рекомендации по выбору материала и средств перекачки.

5. Токсичность исходных и вновь образующихся соединений, растворов кубовых остатков и продуктов, полученных в результате термического обезвреживания.

Перечень данных для проектирования процессов электролиза

1. Характеристика электролита, поступающего на электролиз.

Физико-химические свойства раствора (плотность, растворимость, электропроводность, теплоемкость и т. д.).

2. Характеристика продуктов электролиза - жидких и газообразных (токсические свойства, взрывоопасные концентрации, плотность, растворимость, теплоемкость и т. д.).

3. Рекомендуемая конструкция электролизера на основе проведенных комплексных испытаний (сила тока, напряжение, плотность тока, выход по току, конструктивные материалы анодов, катодов, диафрагмы, оптимальный температурный режим, установочный чертеж электролизера).

4. Инструкции по монтажу и эксплуатации электролизера, в том числе пуску, остановке.

5. Основные положения по технике безопасности и электрической безопасности.

6. Удельные расходные коэффициенты.

7. Кривые зависимости показателей электролиза от плотности тока

(вольтаж, выход по току, расходы материалов и т. д.), для возможности выявления оптимального режима в конкретных экономических условиях.

8. Инструкции по ремонту электролизеров и необходимые рекомендации для проектирования ремонтных мастерских (замена диафрагм, анодная мастерская, пропитка, заливка стержней и т. п.).

9. Мероприятия по борьбе с токами утечки при прокладке трубопроводов, отборе проб и т. п.

10. Рекомендуемые материалы для трубопроводов и арматуры.

11. Рекомендуемые приборы контроля, регулирования, дистанционного управления, местные и вынесенные на щит и т. п.

12. Межремонтный пробег электролизера.

Материальный, тепловой, энергетический и эксергетический баланс электролизера при принятых режимных условиях его работы

2. Анализ технологического процесса начинается с определения условий равновесия системы в соответствии с законами гидродинамики и термодинамики. Наибольшее число N переменных (параметров), которое можно изменять не нарушая равновесия, определяют с помощью правила фаз Гиббса для различных систем:

N = K + 2 −Ф,

где Ф – число фаз; K – число компонентов системы; N – число степеней свободы, т.е. число независимых переменных, значения которых можно произвольно изменять без изменения числа или вида (состава) фаз в системе.

Итак, для расчета аппарата, в соответствии с уравнениями приведенными выше, необходимо знать материальные и тепловые потоки, движущую силу процесса, кинетические коэффициенты.

Последовательность расчета такова:

1) на основании закона сохранения материи составляют материальный баланс процесса:

ΣMн =ΣМк,

где ΣМн , ΣМк – количество исходных и конечных веществ, соответственно;

2) на основании закона сохранения энергии составляют тепловой баланс процесса:

ΣQн +ΣQр =ΣQк +ΣQпот,

где ΣQн , ΣQк – теплота, поступающая в аппарат с исходными материалами и теплота, отводимая из аппарата с конечными продуктами, соответственно; ΣQр – тепловой эффект процесса; ΣQпот – потери теплоты в окружающую среду;

3) используя законы термодинамики, определяют направление процесса и условия равновесия;

4) исходя из условий равновесия и заданной технологии, выбирают начальные и конечные рабочие параметры процесса;

5) на основании равновесных и рабочих параметров определяют движущую силу процесса;

6) используя законы химической, тепловой или диффузионной кинетики находят коэффициент скорости процесса;

7) исходя из полученных выше данных, рассчитывают основной размер аппарата (емкость, площадь поперечного сечения, поверхность теплообмена, высоту), используя зависимости.

Конкретные решения по расчету и конструированию оборудования даны в специальной литературе. В качестве примера можно привести один из трех справочников А.С. Тимонина.

Определив основной размер, выбирают стандартное оборудование или разрабатывают его как нестандартное. Ранее отмечалось, что проектирование – итерационный процесс, поэтому при выборе оборудования проектировщику иногда приходится вновь возвращаться на стадию выбора типа аппарата.

Нахождение численных значений движущей силы и коэффициента скорости процесса является самой сложной частью расчета технологической аппаратуры. При этом необходимо обоснованно решать вопросы масштабного перехода – распространения данных, полученных в лабораторных исследованиях, на промышленные объекты.

При разработке новых процессов и аппаратов применяют физическое и математическое моделирование. К физическому моделированию прибегают, когда натурные испытания трудно осуществить вследствие очень больших или очень малых размеров технологического объекта. Физическое моделирование заключается в замене изучения какого-либо объекта опытным изучением его физической модели, отличающейся от оригинала масштабом. Оно сводится к воспроизведению постоянства определяющих критериев подобия в модели и объекте. Практически это означает, что надо в несколько этапов воспроизводить исследуемый технологический процесс, т.е. переходить от меньших масштабов его осуществления к большим.

Принцип подобия оправдал себя при анализе детерминированных процессов, описываемых законами классической механики и протекающих в однофазных системах с фиксированными границами (обычно твердые стенки). Физическое моделирование требует значительных материальных затрат и времени.

Поэтому, в настоящее время широко распространенным методом расчета технологических процессов и аппаратов стал метод математического моделирования. Математическое моделирование включает три взаимосвязанных этапа:

1) составление математического описания изучаемого объекта;

2) выбор метода решения системы уравнений математического описания и его реализация в форме моделирующей программы;

3) определение численных значений коэффициентов математической модели, установление соответствия (адекватности) математической модели технологическому объекту.

В модели должны быть учтены все наиболее существенные факторы, влияющие на процесс, и вместе с тем она не должна быть загромождена множеством мелких, второстепенных факторов.

Термодинамический анализ позволяет оценить:

• энергетическую возможность и направление протекания реакций;

• сопровождающие реакции тепловые изменения, позволяющие рассчитывать тепловые балансы процессов;

• предпочтительность реакций и устойчивость образующихся соединений;

• пути подавления нежелательных реакций и устранения побочных продуктов;

• выбор оптимального режима протекания реакций (температуры, давления и концентрации реагирующих веществ).