лекции / все лекции по охт
.pdf
Структурная модель (схема) в отличие от технологической схемы включает элементы ХТС в виде простых геометрических фигур (прямоугольников, кругов). Изображение аппаратов обезличено, но значительно упрощается общий вид структуры ХТС. Изображение даже сложной ХТС весьма наглядно, в ней удобно менять положение элементов, "проигрывая" различные варианты разрабатываемой ХТС. Наглядность связей позволяет легко составлять математическое описание, прослеживая связи между элементами, что существенно при автоматизированном проектировании.
Специальные схемы применяют при анализе и расчетах ХТС, используя специальные математический аппарат и вычислительные методы. Упомянем только об одной их них - о п е р а т о р н о й с х е м е . Если в структурной схеме все элементы обезличены, то в операторной каждый элемент представлен специальным обозначением, называемым "технологический оператор". Принятые для них обозначения показаны на рис. 4. Они помогают распознать на схеме, какие преобразования, "операции", происходят с потоком в элементе.
Рис. 4. Виды технологических операторов
ЛЕКЦИЯ 9
ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ЭФФЕКТИВНЫХ ХТС
ЛЕКЦИЯ 11 ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ЭФФЕКТИВНЫХ ХТС
Основу разработки (построения) составляют синтез и анализ ХТС
Задачи синтеза и анализа ХТС
Синтез ХТС |
Анализ ХТС |
Дано: сырье, материалы, виды
энергии и топлива, набор оборудования, 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 и обосновать значения режимных параметров функционирования этих элементов
Дано: структура ХТС (промежуточный 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 показателей работы ХТС (расходные коэффициенты по сырью, энергии,
тепловой и другие к.п.д., оценить материальные затраты, возможный
ущерб окружающей среде и т.д.
Исследовать свойства ХТС (надежность, чувствительность, устойчивость и др.) которые могут появиться при синтезе ХТС
Выбрав критерий эффективности (как правило, один из экономических показателей), провести технико-экономический анализ ХТС и ее оптимизацию. При невыполнении заданного 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.
АНАЛИЗ ХТС
Чтобы судить о свойствах ХТС, показателях ее функционирования, необходимо определить состояние ХТС.
Состояние, или режим, ХТС определяется параметрами (показателями) потоков (связей) и 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.
•Параметры элемента (аппарата, машины, агрегата) включают данные, от которых зависит его функционирование: режимные характеристики (температура, давление, гидродинамическая обстановка…), регулирующие воздействия, например температура хладагента, отводящее тепло из реактора, или подача пара в паровую турбину; возмущения, возникающие при эксплуатации аппарата, например, изменение условий процесса в реакторе вследствие дезактивации катализатора или в теплообменнике из-за загрязнения его поверхности.
Количественную информацию о параметрах потоков и элементов, а также о значениях выходных параметров и показатели работы ХТС получают
при решении материальных и энергетических балансов. Расчеты балансов главная задача технологического анализа ХТС.
Основы расчёта материального баланса ХТС
•. 1. Общий вид уравнений материального баланса
•Материальный баланс в реагирующей системе
рассчитывают на основе стехиометрических уравнений с учётом состава исходного сырья, степени превращения, селективности, потерь сырья
и готового продукта.
•Материальный баланс основан на законе сохранения массы веществ и рассчитывается между входными и выходными потоками технологической системы с учётом протекающих в ней процессов. В соответствии с законом сохранения массы для каждого элемента ХТС, подсистемы или системы в целом в стационарном состоянии масса всех веществ, вошедших в систему, равна массе всех веществ, выходящих из неё:
K |
|
L |
|
G |
G |
||
k |
k , вх |
l |
l, вых |
(1)
•где Gj, вх, Gk, вых – массы соответственно входных и выходных потоков; K, L – их количества; j, k – нумерация потоков.
•Кроме баланса по всем потокам веществам, используют баланс по отдельным компонентам. Для i-го вещества
|
K |
|
L |
|
|
|
|
|
|
G |
G |
|
G |
(2) |
|||
|
k |
i,k,вх |
l |
|
i, l,вых |
i,ист |
||
• где Gi,ист |
|
|
|
|
|
|
||
изменение количества i-го вещества в элементе в |
||||||||
результате протекания химических реакций. Если вещество |
|
|||||||
образуется, то Gi,ист > 0. Если |
Gi,ист < 0, то вещество |
|
||||||
расходуется. Если в элементе происходит ряд превращений |
|
|||||||
вещества, то |
|
|
|
|
У |
|
|
|
|
|
G |
|
|
G |
(3) |
||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|||||
|
|
i,ист |
|
|
i,j |
|
||
|
|
|
|
|
j |
|
|
|
•где Gi,j изменения количества i го вещества в j-м превращении; У общее число стехиометрически независимых уравнений химических
реакций).
•Химические превращения протекают в реакционном элементе (реактор, реакторный узел). Изменение химического состава реагирующей смеси описывается стехиометрическими уравнениями. Они должны быть стехиометрически независимыми; их количество строго определяется (У= В – Э), При этом целесообразно выбирать такие уравнения, чтобы в левой части их стояло одно и то же исходное вещество, ключевое; тогда изменения количеств всех веществ в химическом превращении определяют через степени превращения ключевого вещества в стехиометрических уравнениях (см. радел «стехиометрические соотношения»).
2.РАСЧЁТНАЯ СХЕМА ХТС
•Химико-технологическая система представляет собой совокупность аппаратов и потоков между ними. Например, на рис. показана схема ХТС, состоящая из двух реакторов Р1 и Р2 и устройства разделения Д продуктов превращения.