книги из ГПНТБ / Пинаев Г.Ф. Основы теории химико-технологических процессов учеб. пособие

Потоки Ртт (появляющиеся іпри k = m или l=tri) назы­ вают зацикливающими потоками или простыми рециркулята-

кой, направленной от исходных материалов к конечным тро-

подсистемы. Аналогичные уравнения процесса могут быть написаны для всех узлов системы, и в результате получаем возможность аналитического описания структуры процесса.

Используя теорию графов, структуру системы можно представить с помощью матриц инцидентности, строки кото­ рых образованы узлами системы, а столбцы — коммуника­

то на пересечении /-го столбца и т - й строки матрицы поме­ щаем ± 1 .

Химически различимые вещества, входящие в технологи­ ческие потоки узлов системы, называют химическими .компо­ нентами. Поскольку компоненты потоков т - го узла участвуют в одном физико-химическом процессе, то они находятся в хи­ мическом контакте и образуют m-ю физико-химическую сис­ тему. Таким образом, структуру функциональных систем можно устанавливать согласно правилу: каждому химическо­ му контакту потоков системы отвечает ее узел.

Вход и выход т - й подсистемы независимо от их развет­ вленное™ можно рассматривать как объединения потоков индивидуальных компонентов.

Важной характеристикой технологических потоков явля­ ется кинематика, т. е. зависимость величины потока от вре­ мени. Потоки считают непрерывными, если в течение дли­ тельного времени их величины не обращаются в нуль.

10

Особым случаем непрерывных потоков являются потоки ста­ ционарные, величина которых постоянна и не зависит от вре­ мени. Потоки называют периодическими, если они периодиче­ ски (прерываются, т. е. когда величина их время от времени обращается в нуль. Различают технологические потоки и по их практическому назначению. Так, исходные материалы под­ разделяют на сырье, вспомогательные материалы, энергети­ ческие материалы и т. д. В некоторых случаях следует учи­ тывать неконтролируемые исходные материалы (попадающие в аппаратуру примеси, продукты коррозии, влагу и воздух, проникающие в результате подсосов и т. д.).

Конечные продукты химического производства классифи­ цируют следующим образом: целевые продукты*, побочные продукты, отходы, промышленные выбросы (последние — неконтролируемые потоки).

Существуют различные единицы для выражения величин потоков. Обычно величины потоков получают как отношения объемов веществ, перенесенных потоком, ко времени и изме­ ряют кубическими метрами в секунду, час или сутки, метра­ ми или кубическими сантиметрами в секунду и т. д. Такие величины называют объемными потоками и с помощью их характеризуют потоки жидкостей или газов.

Наряду с перечисленными используют величины потоков, которые представляют отношение масс веществ ко времени (тонны в секунду, час или сутки; килограммы или граммы в секунду и т. д.).-Такие величины называют массовыми или весовыми потоками; с их помощью характеризуют потоки веществ независимо от агрегатного состояния. В некоторых случаях используют мольные (молярные) потоки, измеряемые числом молей в единицу времени.

§ 1.4. Химическое оборудование

Для осуществления химико-технологических процессов используют следующие типы оборудования.

1. Реакторы — аппараты для проведения химических ре­ акций или физико-химических превращений. Примеры реак­ торов — колонны синтеза в производстве аммиака, обжиго­ вые печи и контактные аппараты в производстве серной кис­ лоты, печи крекинга в нефтехимической промышленности, доменные печи в металлургии и т. д.

2. Транспортирующие устройства и коммуникации — устройства для перемещения технологических материалов и изоляции их от внешней среды. Примеры коммуникаций — трубопроводы, газопроводы, желоба, транспортные галереи и т. д.; транспортирующие устройства — компрессоры, насо­ сы, транспортеры и т. д.

11

3.Приводы и машины — электродвигатели, краны, элек­ трокары и т. д.

4.Преобразователи разветвленности — устройства или

многокомпонентного потока на несколько различающихся по составу потоков. Первые называют смесителями, вторые — разделителями. В смесителях не только объединяются пото­ ки, но и равномерно распределяются вещества внутри объе­ диненного потока. Чаще смесители бывают механическими аппаратами, а иногда диффузионными или массообменными (например, насытители, сатураторы). Разделители по кон­ струкции могут быть простыми (сепараторы, циклоны и т. д.), сложными механическими устройствами (центрифуги, ваку­ ум-фильтры и т. д.) или аппаратами; работа которых основы­ вается на физических явлениях (электрофильтры, электро­

тогда как разделение гомогенного потока на компоненты — процесс несамопроизвольный.

5. Преобразователи кинематики потоков —• накопители (бункеры, емкости, баки, газгольдеры), питатели, дозаторы, вентили и т. д.

6.Устройства для воздействия на форму и размер частиц веществ —• дробильно-размольное, брикетно-прессовое обору­ дование, грануляторы и т. д.

7.Тепловое и энергетическое оборудование — теплообмен­ ники, топки, электронагреватели, паропроводы и т. д.

8.Кибернетическое оборудование — оборудование для управления производством (автоматика, вычислительные и информационные машины).

Основной характеристикой большинства видов оборудова­ ния является их пропускная способность, измеряемая величи­ ной проходящего через аппарат или машину суммарного тех­ нологического потока. Для определения пропускной способ­ ности оборудования употребляются в качестве синонимов термины производительность и мощность. Исключение со­ ставляют реакторы, производительность которых измеряют величиной прироста потока целевого продукта или величиной убыли потока сырья при прохождении через реактор.

Величины потоков зависят не только от пропускной спо­ собности оборудования, но и от загруженности системы, т. е. от того, загружена ли система нацело или нет. Поэтому раз­ личают максимально возможную и реальную пропускную способность оборудования.

12

В некоторых случаях использование оборудования при максимальной производительности нецелесообразно ввиду возможности быстрого износа или поломки, и тогда указы­ вается производительность, превышать которую не рекомен­ дуется. Такую производительность называют номинальной или паспортной.

Поскольку производительность оборудования влияет на экономические показатели процесса, то существует произво­ дительность, при которой экономический эффект от исполь­ зования оборудования наибольший. Такую производитель­ ность называют оптимальной. Как правило, номинальная про­ изводительность должна совпадать с оптимальной.

§1.5. Периодические и непрерывные химико-технологические процессы

Всоответствии с кинематикой потоков химико-технологи­ ческие процессы подразделяют на периодические и непре­ рывные.

Входные и выходные потоки реактора периодического дей­ ствия, а также любая локальная интенсивная характеристика самого процесса (например, температура или концентрация определенного компонента в фиксированной точке внутренне­

Для непрерывного процесса (рис. 1.2, б) характерно, что входные и выходные потоки после запуска реактора на про­ тяжении длительного времени не обращаются в нуль, а в идеальном случае — постоянны во времени, т. е. являются стационарными потоками. Такое состояние непрерывного про­ цесса называют стационарным или установившимся состоя­ нием.

Отрасли химической промышленности, производящие мно­ готоннажную продукцию, характеризуются все более широ-. ким распространением непрерывных процессов, основным преимуществом которых является возможность длительного поддержания стационарного состояния во всех аппаратах, обеспечивающего максимальную производительность системы при минимальных затратах на средства автоматизации. Не­ достаток периодически действующих реакторов состоит в том, что они фактически простаивают во время загрузки, выгрузки

13

и подготовки реактора к новому циклу. Кроме того, темпера­ тура и другие интенсивные параметры внутри реактора пе­ риодического действия должны изменяться по сложному за­ кону и для их регулирования требуется либо ручной труд,

2' ,

г/

и

/ — п о т о к и с х о д н о г о в е щ е ­ с т в а ; 2 — и н т е н с и в н ы й п а ­ р а м е т р п р о ц е с с а ( т е м п е р а т у ­ р а в а п п а р а т е ) ; 3 — п о т о к

многих случаях уровень механизации и автоматизации перио­ дических процессов ниже, чем процессов непрерывных.

Для осуществления непрерывного процесса требуются сле­ дующие условия: 1) пространственная (конструктивная) разделенность входа и выхода реактора; 2) непрерывная и по возможности стационарная загрузка и выгрузка реактора; 3) осуществление непрерывного транспорта реактантов внут­ ри реактора.

Почти всегда сложные химико-технологические процессы в целях осуществления их непрерывным способом необходимо

14

расчленять на несколько стадий, что в свою очередь требует предварительного всестороннего изучения механизма и кине­ тики технологических процессов.

Соблюдение второго и третьего условия обычно не вызы­ вает трудностей, если реакции осуществляются между газа­ ми или жидкостями, но могут встретиться серьезные трудно­ сти при работе с твердыми веществами, вязкими, загусте­ вающими жидкостями и т. д. В таких случаях осуществляют непрерывную реакцию и непрерывный транспорт реактантов через реакционную зону реактора при периодической его за­ грузке и выгрузке, частично используя реактор как буферную емкость или накопитель.

При рассмотрении реакторов непрерывного действия с периодическими входом и выходом возникает вопрос о рас­ чете емкости накопителя, необходимого для стыковки кинема­ тически несогласованных потоков одной системы, т. е. о со­ четании в одной системе потоков с различной кинематикой — потока периодического и непрерывного, потока периодическо­ го с одной величиной периода и потока периодического с дру­ гой величиной периода и т. д.

Предположим, что два кинематически несогласованных потока P\(t) и Л>(т) образуют вход и выход накопителя. За­ пасаемый поток Р(х) можно определить следующим неравен­ ством:

Р (т) = Рг(х) — Р2 (т) = dq/dx > 0.

Общий запас накопленного вещества за время т:

ность технологических потоков может быть обусловлена и случайными обстоятельствами, например аварийной останов­ кой аппарата. Поэтому накопители устанавливают и между такими аппаратами, которые в нормальных условиях кине­ матически согласованы. Аналогичные соображения исполь-

15

зуют при проектировании складов сырья и готовой продукции, создании резервов и т. д.

Примером современных периодических процессов могут служить процессы производства химических реактивов. Ти­ повыми операциями таких производств являются (при про­ изводстве солей) растворение металла или окисла в кислоте, , добавление реагентов для осаждения примесей, фильтрация раствора, упарка фильтрата, охлаждение, фильтрация сус­ пензии и сушка кристаллов готовой соли. Все операции, кро­ ме фильтрации и сушки, можно производить в одном аппара­ те — реакторе, причем после завершения производства одной

сального использования оборудования. Однако при необхо­ димости резкого увеличения производства какого-либо реак­ тива целесообразен переход на непрерывную технологию.

Переход от периодического к непрерывному производству требует определенных экономических условий, в частности необходимо, чтобы тоннаж производства (или производитель­ ность системы) превышал некоторую известную величину. Кроме того, вследствие специализации непрерывно действую­ щей аппаратуры требуется, чтобы номенклатура сырья и про­ дуктов, производимых по непрерывной схеме, была постоян­ ной на протяжении периода амортизации (износа) аппарату­ ры. Если предприятие выпускает обширную и изменяющуюся во времени номенклатуру продуктов или рассматриваемые продукты являются малотоннажными, то периодические про­ цессы вполне оправданы. Большинство продуктов, производи­ мых химической промышленностью, бывает крупнотоннаж­ ным и производится непрерывным способом.

При сравнении периодических и непрерывных процессов приходится сталкиваться с ситуацией, когда целесообраз­ ность изменения существующей технологии проверяется эко­ номическим расчетом. Если же имеется несколько вариантов усовершенствований производственного процесса, то реали­ зовать следует тот из них, который экономически наиболее выгоден. О таком варианте говорят, что он оптимальный.

§1.6. Удельная производительность

иинтенсивность технологических процессов

Существенными характеристиками реакторов являются удельная производительность и интенсивность.

Удельной производительностью реактора называют отно­ шение средней производительности аппарата к его полному

16

ства /-го сырья при прохождении через реактор; т, Ат — про­ должительность реакции.

Увеличение интенсивности химических реакций (интенси­ фикация) обычно достигается увеличением давления (для га­ зовых реакций) или температуры процесса, а также исполь­ зованием эффективных катализаторов. Увеличение давления связано с затратами энергии на сжатие газов и затратами материалов на создание механически прочной при высоких давлениях аппаратуры. Увеличение температуры требует рас­ хода энергии на подогрев реагентов и использования жаро­ прочных материалов. Применение катализаторов также со­ пряжено с затратами и, как правило, требует тщательной очистки реагентов, предотвращающей отравление катализато­ ра примесями.

Как в случае перехода от периодических процессов к не­ прерывным, так и при интенсификации технологических про­ цессов необходимо соразмерять положительный результат интенсификации с затратами на ее осуществление, а из не­ скольких возможных вариантов процесса выбирать наилуч­ ший, или оптимальный.

§ 1.7. Проблема оптимизации технологических процессов

Весьма полезной является такая постановка технологиче­ ских задач, при которой решение отыскивается в результате последовательного рассмотрения всевозможных вариантов и выбора наилучшего из них. Этот подход в общем называют оптимизационным или принципом оптимальности, а исполь­ зование его с целью усовершенствования производства — оп­ тимизацией производства. Возможность использования прин­ ципа оптимальности требует соблюдения определенных условий.

1. Технологический процесс должен быть многовариант­ ным, т. е. среди его параметров должны существовать пере­ менные, которые в определенных пределах могут быть зада­ ны произвольно. В этом случае каждый набор независимых параметров определяет вариант процесса, и при любом их допустимом значении технологический процесс технически осуществим.

2. Любому технически осуществимому варианту техноло­ гического процесса может соответствовать некоторая числен­ ная оценка, называемая целевой функцией. Если целевая функция выбрана правильно, то ее максимум или минимум

18

будет критерием оптимальности предложенного варианта про­ цесса.

В современных оптимизационных расчетах широко исполь­ зуются ЭВМ (электронные вычислительные машины) с целью задания и оценки различных вариантов производства. Усло­ вием эффективного использования ЭВМ для технологических расчетов является установление связи между технологиче­ скими параметрами и целевой функцией в форме математиче­ ских уравнений. В этом состоит принцип математического моделирования технологических процессов.

При наличии достаточной информации о процессе удается составить его полную математическую модель, на основе ко­ торой можно установить связь между варьируемыми парамет­ рами и целевой функцией и найти оптимальный вариант процесса как экстремум функции.

- При разработке математической модели процесса исполь­ зуют уравнения материального и теплового баланса, условия химического или фазового равновесия, уравнения химической кинетики и гидродинамики. С этой целью применяют резуль­ таты экспериментальных исследований равновесий, кинетики и механизма реакций в соответствующих физико-химических системах. После разработки математической модели процесса для поиска оптимального варианта как экстремума целевой функции используют различные математические приемы, в частности градиентные методы или методы крутого восхож­ дения.

При оптимизации многоступенчатых процессов широкое распространение получила теория динамического программи­ рования, особенностью которой является оптимизация много­ стадийного процесса, начиная с последней по ходу сырья стадии. В результате удается оптимизировать входные пара­ метры последней стадии, являющиеся выходными для пред­ последней стадии. Далее оптимизируются параметры на входе предпоследней стадии и через конечное число стадий — полностью все производство.

К целевой функции предъявляются следующие требова­ ния: во-первых, она должна быть числовой и однозначной; во-вторых, — универсальной, учитывающей адекватно и все затраты (стоимость) производства и все выгоды (прибыль) от осуществления производства. Очевидно, указанным требо­ ваниям в наилучшей мере удовлетворяют лишь категории экономики, основанные на использовании іцен.

Универсальным критерием оптимальности является мак­ симум прибыли, а частными критериями — минимум себе­ стоимости продукции или максимум рентабельности произ­ водства. Критерием максимума прибыли пользуются в условиях неограниченного спроса на продукцию, когда про-