III. хтс

(например, воды), энергии турбин и электрогенераторов. В таком представлении энергетическую эффективность ХТС характеризуют тепловым коэффициентом

полезного действия - тепловым КПД

Более рационально коэффициент полезного действия - тепловой КПД это отношение полезно затраченной теплоты к суммарному его количеству, введенному в химико-технологическую систему:

где QП - теплота, полезно затраченная на технологические цели и определяемая из условий теоретического расхода для осуществления физических и химических процессов, имеющих место в элементах ХТС; - доли тепла вторичных энергоресурсов, генерированных в элементах ХТС (котлах-утилизаторах) и расходуемых вне и внутри системы; QВЭР - теплота вторичных энергоресурсов, генерированная в энергетическом элементе ХТС; В - расход топлива на технологические цели ХТС; Qт - теплота сгорания топлива; Qэкз,р - теплота, образуемая при экзотермических и физических превращениях в ХТС; Qн - теплота, подведенная в ХТС с энергоносителями (водяной пар различных параметров с ТЭЦ, горячая вода и др.).

Видно, что чем лучше используются вторичные энергоресурсы, чем более экономно расходуется теплота, подведенная в ХТС с энергоносителями, тем выше КПД.

Свойства ХТС

ХТС функционирует как единое целое, представляя совокупность взаимосвязанных элементов. Это приводит к тому, что хтп характеризуют рядом показателей функционирования ХТС в целом, иногда у системы появляются свойства, не присущие ее элементам. Наиболее характерные из них:

Зависимость режима одного аппарата (элемента) от режима других.

Изменение режима одного из аппаратов, т.е. изменение состояния

выходящих из него потоков и входящих в последующий, приводит к изменению условий работы последнего, что двояко сказывается на режиме работы в нем, отражаясь на эксплуатационных свойствах аппарата и на изменении

эффективности процесса. (Пример: в производстве аммиака в реакторе метанирования (СО+3Н2=СН4+Н2О) для очистки азотоводородной смеси(АВС) от остатков оксида углерода по какой-то причине уменьшилась степень гидрирования СО. Соответственно АВС, поступающая в отделение синтеза аммиака, будет содержать больше СО и меньше СН4. Синтез аммиака осуществляется в системе с рециклом и поэтому уменьшение инертного компонента СН4 в исходной смеси приведет к снижению его накопления в цикле синтеза и к увеличению парциального давления азота и водорода. Последнее увеличит скорость реакции и степень превращения АВС в продукт. Эффект благоприятный, но с другой стороны СО-яд для катализатора синтеза аммиака. С увеличением содержания СО дезактивация катализатора будет происходить быстрее, что приведет к ухудшению процесса во времени.)

Режим аппарата может зависеть и от последующего элемента. Это возможно не только при наличии рецикла, когда поток “схемно” передается в предыдущий аппарат. Обратное относитительно направ-я потока воздействие может иметь физ- ю причину. В основ. это связано с изм-ем давл-я, кот. распространяется во всех направлениях, в т.ч и в противоположном движ. потока. Если гидравлическое сопротивление какого-либо узла возрастает, то давление на входе в этот узел увеличивается и повышается в предыдущий узел в аппарате.

Усовершенствование одного узла(элемента) улучшает эффективность ХТС в целом за счет выигрыша в другом узле системы.

Это свойство вытекает из предыдущего и обусловлено взаимозависимостью режимов ХТС. Например, в реакторе заменили старый катализатор на новый, который увеличил селективность сложного химического превращения, т.е выход побочных уменьшил. На общем выходе это скажется незначительно, но в системе очистки произойдет уменьшение затрат, что в конечном итоге уменьшит затраты в системе в целом.

Оптимальные режимы отдельно взятого элемента и функционирующего в системе могут различаться.

Рассмотрим Хтс, состоящую из реактора и системы разделения (см. рис), для которой заданы производительность П и содержание основного компонента Со. Определим зависимость затрат З от степени превращения х. Величина З слагается из капитальных затрат и расходов на сырье:

,

где Скап-стоимость капитальных вложений( на оборудование); Цс- стоимость единицы сырья; Vо - расход сырья; К1 - коэф. окупаемости, показывающий долю стоимости оборудования, входящую в затраты на производство продукции за опред-е время, обычно 1 год, полагая, например, что срок службы оборудования 5

лет( К=0,2)

Одиночный реактор затраты:

В коэф-ты А и В включены все постоянные( Со, Vo…). Первое слагаемое включает капитальные затраты на реактор, которые возрастают с увеличением степени превращения. Второе слагаемое включает затраты на сырье. Чем больше х, тем полнее используется сырье и меньше затраты на него. Зависимости показаны на рисунке. Видно существование некой степени превращения, при которой затраты на единичный реактор минимальны.

Реактор в системе

Кзатратам на разделение добавляются затраты на разделение Зд. Предположим, что они пропорциональны количеству примесей к продукту, тогда затраты на систему:

Кзатратам на реактор добавляются затраты на разделение(прямая штриховая линия на рисунке) и оптимальная степень превращения х(хтс) становится отличной от х(р). В данном случае Ххтс больше.

Рассмотренное свойство ХТС также обусловлено взаимодействием ее элементов.

Неоднозначность режимов и их устойчивость.

Обратные связи, имеющиеся в системе, могут привести к появлению неоднозначности режимов и неустойчивости некоторых из них. Рассмотрим систему - ректор с внешним теплообменником ( см. рис)

Исход. реакц. смесь нагревается в теплообменнике и поступает в реактор. Выходящий из реактора более горячий поток охлаждается за счет отдачи своей теплоты исходной реакционной смеси. В этой системе очевидна связь по теплу между входящими и выходящими потоками. Если температура на входе по какимлибо причинам повысилась, это приводит к увеличению скорости реакции, тепловыделению и дальнейшему увеличению температуры. С охлаждением аналогично. Это обусловлено обратной связью входящего и выходящего потоков, т.е обусловлена внутренней структурой системы и является ее свойством.

Неустойчивые режимы могут возникнуть в нелинейных системах с обратными связями

Существование режимов.

Обратная связь в ХТС может быть причиной неосуществимости в некоторых системах устойчивых режимов. Это свойство ХТС характерно для схемы с фракционным рециклом, состоящим из реактора и аппарата выделения продукта (см. рис)

Колебательный режим

Он может возникнуть в системе с двумя обратными связями, примером которой может послужить производство азотной кислоты( см. рис)

Конструктивно тут турбина и компрессор установлены на одном валу, так что вырабатываемая турбиной энергия используется для сжатия и подачи в систему воздуха. Это первая обратная связь. Выходящие из турбины горячие газы подогревают поток, направляемый в нее. Это-вторая обратная связь. Допустим, что по каким-либо причинам поток отходящих газов стал больше. Что приведет к возрастанию мощности турбины и увеличению подачи воздуха в систему. Однако объем газов будет меньше прогреваться в теплообменнике мощность турбины уменьшится. Таким образом, две обратные связи влияют на мощность компрессора в противоположных направлениях.

Рассмотрим ХТС, состоящую из реактора и системы разделения (рис. 6, а). В реакторе протекает реакция 1-го порядка, А R. Заданы производительность ПR и состав сырья – содержание основного компонента А С0. Определим - при какой степени превращения х затраты З на процесс будут минимальны. Они складываются из капитальных затрат (на реактор) и расходов на сырье:

где Скап - стоимость капитальных вложений (затраты на оборудование Зоб); К1 - коэффициент окупаемости, показывающий долю стоимости оборудования, входящую в затраты на производство продукции за определенное время (амортизация), обычно 1 год (затраты также рассчитывают на 1 год). Полагая, например, срок службы оборудования 5 лет, коэффициент К1 = 0,2. ЗС -затраты на сырье, Цс - стоимость единицы расхода сырья. V0 = ПR/С0х – расход сырья.

Производительность ПR определена как доля переработанного основного компонент ПR = V0С0х, откуда

V0 = ПR /С0х.

О д и н о ч н ы й р е а к т о р . Затраты на него зависят от его объема. Для простоты рассматриваем вариант режима идеального смешения.

х/ = k(1 - х)

получим = х /[k(1 - х)] и объем реактора

Полагаем, что стоимость реактора пропорциональна его объему: Скап = Vр. ( - коэффициент пропорциональности). Подставляя выражения для V0 и Vр в (32), приведем его к зависимости от х. Затраты на процесс в одиночном реакторе З

Коэффициенты А и В включают все постоянные - k, , С0, V0, К1 и другие. Первое слагаемое в (33) - капитальные затраты на реактор Зоб - возрастает с увеличением степени превращения: чем больше х, тем больше должен быть объем реактора и затраты на него. Второе слагаемое - затраты на сырье ЗС. Чем больше х, тем полнее используется сырье и его надо меньше. Зависимости ЗК, ЗС и общих затрат на процесс в единичном реакторе З показаны на рис. 6 сплошными линиями. Видно существование некой степени превращение хР, при которой достигаются минимальные затраты на единичный реактор.

Рис.6 Определение оптимальной степени превращения для одиночного реактора (х р) и реактора в системе (х ХТС).

Р е а к т о р в с и с т е м е . К затратам на процесс в реакторе (32) надо добавить затраты на разделение Зразд. Считаем, что они пропорциональны содержанию примесей, т.е. количеству непрореагировавшего сырья V0С0(1 х). Не усложняя расчетную формулу, примем простейший вариант: З разд = D(1 х),- где D включает постоянные в расчете З разд . Затраты на систему станут

пунктирная линия на рис. 6, и оптимальная степень превращения хХТС становится отличной от х Р. В данном случае хХТС > хР.

Рассмотренное свойство ХТС также обусловлено взаимодействием ее элементов.

СИНТЕЗ ХТС HNO3 H2SO4

Синтез, или построение, ХТС заключается в определении основных технологических операций и их последовательности, выбор рс аппаратов и установлении связей между ними, определении параметров технологических режимов отдельных аппаратов и системы в целом для обеспечения наилучших условий функционирования ХТС. решить следующие задачи:

1)выбрать основные операции, составить химическую, функциональную и другие схемы (о них уже говорили);

2)выбрать главные элементы ХТС из имеющегося набора оборудования, подобрать и обосновать режимы протекающих в них процессов;

3)очень важно предложить наилучшие технологические связи между элементами, т.е. как говорят, определить структуру ХТС.

Концепции синтеза ХТС

1)максимальное использование сырьевых ресурсов, т.е. разработка производств с минимальными расходными коэффициентами по сырью и материалам, то, что называется ресурсосбережение.

2)максимальное использование энергетических ресурсов, разработка производств с минимальными расходными коэффициентами по энергии и топливу, то, что называется энергосбережение.

3)минимизация отходов, создание малоотходных и безотходных производств;

4)эффективное использование оборудования, т.е. создание условий для максимальной отдачи от оборудования при минимальных капитальных вложениях.

Концепций синтеза ХТС – четыре, а приемов (или как говорят эвристик), которые позволяют найти относительно быстрые решения для их реализации, значительно больще.

Рассмотрим концепции синтеза ХТС и приемы для их реализации.

1. Концепция полного использования сырьевых ресурсов

Направлена на максимальный выход целевого продукта, максимальное превращение сырья в используемые, полезные продукты.

1) Выбор химической схемы производства процесса H2SO4 - важнейший способ улучшения использования сырьевых ресурсов. Производство серной кислоты можно строить на основе серы или коочедана?