Вопрос №44
.odtВопрос №44: Химико-технологическая система, определение. Синтез ХТС. Концепции синтеза и пути их решения.
Химико-технологическая система (ХТС) - совокупность аппаратов, машин и других устройств (элементов) и материальных, тепловых, энергетических и других потоков (связей) между ними, функционирующая как единое целое и предназначенная да переработки исходных веществ (сырья) в продукты. Представляет собой модель химического производства или химико-технологического процесса, отображающую его структуру и позволяющую предсказывать те или иные свойства и показатели.
Элемент ХТС может быть представлен отдельным аппаратом (реактором, смесителем, абсорбером, теплообменником, турбиной и т.н.) или их совокупностью. Совокупность аппаратов также можно представить как химико-технологическую систему.
Синтез, или построение, ХТС заключается в определении основных технологических операций и их последовательности, выборе аппаратов и установлении связей между ними, определении параметров технологических режимов отдельных аппаратов и системы в целом для обеспечения наилучших условий функционирования ХТС. Синтез ХТС - задача и процесс, требующие поиска лучших решений, уточнения каждого шага в поиске наилучших решений, т.е. синтез ХТС - задача и процесс творческие.
Концепции синтеза и пути их решения
1. Наиболее полное использование сырьевых ресурсов
Выбор процесса
Избыток одного из реагентов - более дешевого и доступного, а также возможность его возвращения в процесс также приводит к улучшению использования сырьевых ресурсов. Используют два фактора влияния избытка реагента на увеличение выхода продукта.
1. Термодинамический фактор, когда избыток одного реагента увеличивает максимальное, равновесное превращение другого. (Пример: паровая конверсии метана СН4 + Н2О -СО + ЗН2)
2. Кинетический фактор связан с особенностями механизма и кинетики протекающего процесса. (Пример: окисление аммиака 4NH3 + 5О2 = 4NO + 6Н2О)
Противоточный контакт фаз - обеспечивает максимальную движущую силу процесса переноса, широко распространенным примером которого является противоточная организация движения теплоносителей в теплообменнике. Пример — абсорбцию оксидов азота.
Фракционный рецикл - используют при неполном превращении исходных реагентов. В системе разделения, расположенной после реактора, непрореагировавшие реагенты выделяют и возвращают на переработку Типичный пример, в котором используется фракционный рецикл, синтез аммиака.
Регенерация с рециклом — зааключается в регенерации вспомогательного материала после его использования с последующим возвращением в процесс. Например, в схеме очистки азотоводородной смеси от СО2 в производстве аммиака используют поглотитель - моноэтаноламин (МЭА). После абсорбции СО2 раствором МЭА последний подогревают направляют в десорбер. В нем выделяется СО2 и регенерированный раствор возвращают на абсорбцию.
Утилизация отходов — позволяет получить дополнительные полезные продукты из побочных продуктов реакции, практически всегда образуемых вместе с целевым продуктом, а также из непрореагировавших исходных веществ и из примесей, имеющихся в сырье.
Альтернативное сырье — использование невозобновимого сырья заставляет не только искать способы более полного использования, но и его замену другими видами сырья, поэтому одним из направлений расширения сырьевых источников является использование отходов других производств, а другим - поиск альтернативных источников первичного сырья.
2. Наиболее полное использование топливно-энергоресурсов.
Регенерация теплоты и энергии — в ряде случаев для проведения процесса необходимо нагреть поток, а после — охладить. Это можно сделать рационально: нагреть входящий поток теплотой выходящего. Наиболее результативным будет достижение такого решения в случае протекания экзотермической реакции. Регенерацию энергии осуществляют в процессах под давлением. Исходный газ сжимается в компрессоре и направляется в технологические аппараты.
Утилизация теплоты и энергии — использование теплоты (энергии) потока для выработки тепловых (пар, горячая вода), электрических и других энергетических ресурсов, используемых не в самом производстве. Оставшуюся и выработанную энергию можно использовать, получая, например, пар в котлах-утилизаторах, а энергию давления используя для привода электрогенератора. Такие потоки, обладающие определенной энергией, являются «вторичными энергетическими ресурсами».
Альтернативные источники энергии — помимо традиционно используемых источников энергии (пар, горячие теплоносители, электроэнергия), вырабатываемых при потреблении топливных ресурсов, в последнее время перспективу развития получают легко возобновляемые и более дешевые источники, такие, как, например, теплота атомных котлов (несмотря на современную тенденцию к радиофобии), солнечная энергия и др. Их применение очень специфично, но в ряде случаев это может реально привести к уменьшению расхода более дефицитных или дорогих топливных ресурсов.
Замена химической схемы получения продукта при переходе к процессу с меньшим числом стадий, как правило, сокращает число циклов нагрева и охлаждения потоков и уменьшает затраты на преодоление гидравлического сопротивления
3. Минимизация отходов (экологическая безопасность).
Санитарная очистка и обезвреживание выбросов — предполагают установку подсистем ХТС, цель которых заключается в удалении вредных (токсичных) примесей из выводимых из производства потоков (санитарная очистка) или их переводе в нетоксичное состояние (обезвреживание). В этих случаях содержание примесей должно быть меньше допустимой нормы по их вредному воздействию на окружающую среду, лишь в этом случае такие отходы можно сбрасывать.
Уменьшение и замена вспомогательных потоков. Пример: для охлаждения потоков до температуры окружающей среды используют водяные холодильники. Из-за наличия растворенных солей и кислорода воздуха в воде они подвержены коррозии, что может привести к возникновению аварийных ситуаций. Кроме того, для этого охлаждающего агента требуется сложная система очистки и отвода от нее теплоты, так как утилизировать теплоту чуть теплой воды нерационально. Замена водяных холодильников на воздушные значительно упрощает систему охлаждения и тем самым уменьшает вредные выбросы. Замкнутый водооборот. Вода в довольно большом количестве используется как вспомогательный материал в химических производствах. Проходя через технологическую аппаратуру, трубопроводы, она загрязняется и требует дорогостоящей очистки. Организация замкнутого водооборота позволяет избежать образования одного из отходов — загрязненной воды.
Безотходное и малоотходное производства — идеальным решением концепции минимизации отходов было бы создание безотходного производства. Малоотходным производством считается такое, при котором вредное воздействие на окружающую среду не превышает уровня, допустимого санитарно-гигиеническими нормами. Производство воздействует на окружающую среду не только выбросами, но и своим присутствием. Для его строительства отчуждается территория и уже этим нарушается состояние окружающей среды. Вместе с производством создается инфраструктура -жилые комплексы, транспортные дороги и т.п. Если это возмущение на окружающую среду мало, то такое производство можно считать безотходным или малоотходным.
4. Эффективное использование оборудования.
Выбор процесса — более интенсивного, протекающего с большей скоростью.
Оптимизация процесса — прием увеличения его интенсивности.
Организация процесса в аппарате — почти всегда один и тот же процесс возможно провести разными способами: теплообмен и контакт фаз - противотоком или прямотоком, гетерогенно-каталитическую реакцию - в неподвижном или движущемся слое катализатора, разделение жидкостей - ректификацией или дистилляцией и так далее.
Организация технологического процесса в подсистеме ХТС. Такой подход основан на одном из свойств ХТС - усовершенствование одного элемента приводит к выигрышу в эффективности процесса в системе в целом. Это особенно наглядно проявляется на замене периодического процесса на непрерывный.
Конструктивные решения аппаратов, позволяющие уменьшить объемы его непроизводительных частей. Последние создают необходимые условия протекания процесса: распределение потоков, обеспечение жесткости конструкции, удобство монтажа и так далее.
Увеличение единичной мощности. Проведем опенку затрат на оборудование при изменении мощности производства. При неизменной интенсивности процесса, осуществляемого в аппарате, объем последнего пропорционален объему перерабатываемого потока, т.е. его производительности П (мощности).