Состояние хтс синтез и анализ хтс

Анализ ХТС

Чтобы судить о свойствах ХТС, показателях ее функционирования, эффективности управления процессами в ней, необходимо определить состояние ХТС.

Состояние, или режим, ХТС определяется параметрами (показателями) потоков (связей) и состоянием аппаратов (элементов)

Параметры потоков - химические, физико-химические и физические данные о потоке. К ним относятся:

параметры состояния: количество потока в единицу времени (расход), фазовый состав, химический состав, температура, давление, теплосодержание;

параметры свойств: теплоемкость, плотность, вязкость и другие.

Состояние элемента (аппарата, машины, агрегата) включают данные, от которых зависит изменение в элементе показателей потока. Это могут быть:

регулирующие воздействия, например температура хладагента, отводящего тепло из реактора, или подача пара в паровую турбину;

возмущения, возникающие при эксплуатации характеристики аппарата, например изменение условий процесса в реакторе вследствие дезактивации катализатора или в теплообменнике из-за загрязнения его поверхности.

Основы разработки эффективных хтс

Основу разработки (построения) составляют синтез и анализ ХТС

Задачи синтеза и анализа хтс

Выделим основные задачи синтеза и анализа ХТС

Синтез ХТС Анализ ХТС

Дано: сырье, материалы, виды Энергии и топлива, набор оборудования, т.е. заданы входные потоки , К =1,2…. Известно также, какие продукты, отходы будут получены, т.е. , l=1,2… Надо: определить основные технологические операции и выбрать главные элементы (аппараты); выбрать на основе принципов (концепций ХТС) наилучшие технологические связи между элементами, которые формируют структуру ХТС; выбрать значения режимных параметров функционирования этих элементов

Дано: структура ХТС (первый вариант), входные потоки , главные элементы (аппараты); Надо: путем составления и решения материальных и энергетических балансов провести технологический анализ работы ХТС т.е. получить количественную информацию о параметрах потоков и состоянии элементов; Определить т.о. значения выходных параметров и показатели работы ХТС (расходные коэффициенты по сырью, энергии, тепловой и другие к.п.д., оценить материальные затраты, возможный ущерб окружающей среде и т.д. 2) Исследовать свойства ХТС (надежность, чувствительность, устойчивость и др.) которые могут появиться при синтезе ТТС 3)Выбрав критерий эффективности (как правило, один из экономических показателей) провести технико-экономический анализ ХТС и ее оптимизацию. При невыполнении ааданного критерия эффективности -вернуться на стадию синтеза ХТС.

Т.о. в процессе разработки ХТС происходит постоянная циркуляция от синтеза к анализу ХТС и наоборот, до получения в итоге желаемого варианта ее организации и функционирования.

Расчет ХТС  определение параметров потоков в ХТС заданной структуры и с заданным состоянием ее элементов.

Очевидно, что при любых изменениях состояния потоков в элементе ХТС, ее подсистеме или ХТС в целом должны соблюдаться законы сохранения массы и энергии.

Пусть имеется ХТС, состоящая из теплообменника, реактора и системы разделения (см. слайд) В ней пунктирными линиями выделены как оболочкой один элемент - реактор (I), подсистема реактор с теплообменником (II) и вся ХТС (III). В каждую из этих "оболочек" какие-то потоки входят и какие-то выходят. Внутри каждой оболочки происходят какие-то изменения входящих в нее потоков в выходящие. Фактически каждая из "оболочек" есть подсистема ХТС. В соответствие с законами сохранения массы и энергии в стационарном состоянии должны соблюдаться следующие соотношения для каждого элемента ХТС или подсистем, как они были представлены выше:

сохранение массы для потоков

;

сохранение массы для каждого i-го компонента

;

сохранение энергии

.

Представленные уравнения есть балансы равенства массы и тепла между входящими и выходящими потоками для каждого элемента или подсистемы ХТС. Связь между элементами не меняет состояние потока, и потому масса и энергия в нем не меняется. Таким образом, расчет ХТС представляет собой установление балансов массы и тепла для всех его элементов с учетом связей между ними . Такой расчет называют балансовым расчетом или просто балансом, различая материальный баланс и тепловой баланс химико-технологической системы и ее частей.

Материальный и тепловой балансы должны соблюдаться всегда, не зависимо от того, как протекают превращения потока внутри таких "оболочек"-подсистем. Поскольку изменение состояния потоков меняются в технологических аппаратах, сначала разберем составление материального и теплового балансов между входными и выходными потоками элементов ХТС, а затем – способы расчета балансов ХТС в целом с учетом связей между ее элементами. Химический состав и количество многокомпонентной смеси позволяет определить почти все свойства ее, рассчитать количество каждого компонента и, следовательно, производительность, расход исходной смеси, количество отходов и многое другое. Для расчета тепловых потоков также необходимы состав и количество материальных потоков. Поэтому материальный баланс необходим при любых расчетах ХТС, и с него начнем расчет состояния химико-технологической системы.

Заранее оговорим, что материальный баланс основан на законе сохранения массы веществ, и потому далее количества веществ и величины потоков будем определять, как правило, в массовых величинах, обозначаемых буквой G с необходимыми индексами.

Материальный баланс элемента химико-технологической системы с химическими превращениями

Химические превращения протекают в реакционном элементе (реактор, реакторный узел). Изменение химического состава реагирующей смеси описывается стехиометрическими уравнениями. Ранее были описаны правила и приемы их составления: они должны быть стехиометрически независимыми; их количество строго определяется; методами линейной алгебры можно исключить "лишние" стехиометрические уравнения; Напомним некоторые соотношения, нужные при расчете ХТС:

количество i-го компонента ;

концентрация i-го компонента

парциальное давление компонента p_i = PC_i

селективность по i-му продукту

При составлении материального баланса обычно задаются степени превращения исходного вещества в стехиометрических уравнениях как результат химического превращения в реакционном элементе. Их должно быть столько, сколько есть независимых стехиометрических уравнений. Стехиометрические уравнения с "массовыми" стехиометрическими коэффициентами. В расчетах материального баланса реакционного элемента используют и другие формы записи химических превращений. Стехиометрические коэффициенты в химических уравнениях показывают количества компонентов, вступающих в химическое взаимодействие. Традиционно эти количества измеряют в молях. Но можно стехиометрические коэффициенты выразить в массовых величинах, умножив "мольные" коэффициенты на мольную массу.

Суммарное стехиометрическое уравнение. В ряде случаев необходимо получить материальный баланс подсистемы и даже ХТС в целом, где протекают последовательно ряд превращений. Рассмотрим пример: в производстве азотной кислоты определить количество НNО₃, образующейся из 1 тонны аммиака. В химико-технологическом процессе протекают следующие реакции:

окисление аммиака

4NН₃ + 5О₂ = 4NО + 6Н₂О

окисление оксида азота

2NО + О₂ = 2NО₂

хемосорбция диоксида азота

3NО₂ + Н₂О = 2НNО₃ + NО

В абсорбционную колонну подается кислород, и образующийся оксид азота повторно окисляется до NО_2.

4NН₃ + 8О₂ = 4НNО₃ + 4Н₂О

Конечно, такая реакция неизвестна. Но стехиометрическое уравнение показывает, в каких соотношениях реагенты вступают во взаимодействие друг с другом не зависимо от схемы превращений,