ОХТ 3 КР теория

1. Химико-технологическая система – определение. Функциональные подсистемы ХТС. Иерархическая структура ХТС (масштабные подсистемы ХТС). стр. 227-228, 230-232 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 для переработки исходных веществ (сырья) в продукты.

Функциональные подсистемы (отделения) обеспечивают выполнение заданных функций и функционирование производства в целом - технологическая подсистема - часть производства, где осуществляется переработка сырья в продукты, это химико-технологический процесс (ХТП) - энергетическая подсистема - часть производства для обеспечения энергией химико-технологического процесса. - подсистема управления - часть производства для получения информации о его функционировании и управления им. Обычно это - автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП). - подсистема водоподготовки и водоснабжения Масштабные подсистемы - определяет последовательность или логику научного подхода к изучению или формализации химического производства, они также выполняют определенные функции в последовательности процессов переработки сырья в продукты. Масштабные подсистемы ХТС можно систематизировать в виде иерархической последовательности: Простейший элемент - отдельный аппарат (реактор, абсорбер, ректификационная колонна, насос и прочее). Это - низший масштабный уровень I. Несколько аппаратов, выполняющих вместе какое-то преобразование потока – образуют подсистемы II-го масштабного уровня (реакционный узел, система разделения многокомпонентной смеси и рптак далее). Совокупность подсистем второго уровня образуют подсистему III-го уровня подобно отделениям или участкам производства (в производстве серной кислоты: отделения обжига серосодержащего сырья, очистки и осушки сернистого газа, контактное, абсорбционное, очистки отходящих газов). К этим же подсистемам могут относиться водоподготовка, регенерация отработанных вспомогательных материалов, утилизации отходов. Совокупность отделений, участков образуют ХТС производства в целом.

2. Химико-технологическая система – определение. Элементы ХТС. Типы и структура связей элементов ХТС. стр. 232-236 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 для переработки исходных веществ (сырья) в продукты. Элемент ХТС может быть представлен отдельным аппаратом (реактором, теплообменником и т.д.) или их совокупностью. Например, каскад реакторов с теплообменниками и смесителями потоков, расположенных между ними, изменяет химический состав, и эту совокупность аппаратов можно представить как элемент ХТС. Степень детализации элемента зависит от задачи исследований. Классификация элементов ХТС проводится по их назначению. Механические и гидромеханические элементы - производят изменение формы и размера материала и его перемещение, объединение и разделение потоков. Теплообменные элементы - изменяют температуру потока, его теплосодержание, переводят вещества в другое фазовое состояние. Массообменные элементы - осуществляют межфазный перенос компонентов, изменение компонентного состава потоков без появления новых веществ. Реакционные элементы - осуществляют химические превращения, кардинально меняют компонентный состав потоков. Энергетические элементы - осуществляют преобразование энергии и получение энергоносителей. Элементы контроля и управления - позволяют измерить состояние потоков, контролировать состояние аппаратов и машин, а также управлять процессами, меняя условия их протекания. Классификация связей - связи между элементами классифицируют по их содержанию: Материальные связи - переносят в-ва и материалы по трубопроводам, транспортерами и другими мех. устройствами. Энергетические связи - переносят или передают энергию в любом ее проявлении - тепловую, силовую, электрическую, топливную. Тепловая энергия и топливо по трубопроводам (пар, горячие потоки, горючие газы и жидкости). Силовая энергия - также по трубопроводам (в виде газов под давлением) или механически через вал двигателей и другие приводы. Провода, силовые кабели передают электрическую энергию. Информационные связи - используются в системах контроля и управления процессами и производством. Используются электрические провода и тонкие, капиллярные трубки в пневматических системах. Структура связей последовательная связь - поток проходит поочередно аппараты. Применение: для реакторов - увеличение степени превращения сырья; управление процессом путем оказания управляющего воздействия на каждый элемент. для теплообменников- повышение степени нагрева или охлаждения потока; достижения необходимой степени сжатия потока в случае многоступенчатого компрессора; для аппаратов разделения - обеспечивается ступенчатое разделение сложной смеси по фракциям. параллельная связь - поток разветвляется, отдельные части его проходят через разные аппараты, после чего потоки объединяются. Применение: увеличение производительности системы, снижение энергозатрат на транспортировку потоков по сравнению с последовательной схемой. обводная связь или байпас - часть потока перед аппаратом проходит мимо него, "обходит" его. Такая схема используется в основном для управления процессом. Например, управление процессом с обратимой экзотермической реакцией – приближение к ЛОТ. обратная связь - часть потока после одного из аппаратов возвращается в предыдущий. Через аппарат, в который направляется рецикл VРец, проходит поток V больший, чем прямой V0, так что V = V0 + VРец. Применяется для более полного использования сырья (например, синтез аммиака); перекрестная связь - используется для регенерации энергетических потоков ВЭР (теплота выходного потока идет на подогрев входного потока).

3. Химико-технологическая система – определение. Модели ХТС (описательные и графические). стр. 236-245 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 для переработки исходных веществ (сырья) в продукты. Модели ХТС: Описательные модели: химическая, операционная, математическая; Химическая модель представлена основными реакциями, которые осуществляют переработку сырья в продукт: Синтез аммиака из водорода и азота представлен одним химическим уравнением 3H2 + N2 = 2NH3 Производство аммиака из природного газа (метана) требует провести несколько химических реакций: СН4 + Н2О = СО + 3Н2 - конверсия метана с водяным паром,

СО + Н2О = СО2 + Н2 - конверсия оксида углерода, 3H2 + N2 = 2NH3 - синтез аммиака. Эти уравнения, образующие химическую схему, показывают генеральный путь превращения сырья в продукт. Но необходимы еще стадии, обеспечивающие эти химические преобразования или детализирующие их, что представлено в другом описании процесса. Операционная модель представляет основные стадии переработки сырья в продукт, в том числе обеспечивающие протекание основных превращений. Производство аммиака будет описано следующей операционной моделью: 1) Очистка природного газа от нежелательных серосодержащих соединений (ядов) адсорбцией сероводорода Н2S + ZnO = ZnS + Н2O 2) Конверсия метана с водяным паром. И природный газ (СН4), и вода (Н2O) являются сырьем для получения водорода Н2. В этом превращении на самом деле протекают одновременно две реакции СН4 + Н2O = СО + 3Н2 СО + Н2O = СО2 + Н2. 3) Конверсия оксида углерода с водяным паром (в предыдущем процессе оксид углерода СО не полностью превращается в СО2 из-за равновесных ограничений) СО + Н2O = СО2 + Н2. - после этого процесса достигается максимально возможное извлечение водорода из исходного сырья - метана СН4 и воды Н2O. 4) Получение азота N2 - второго исходного компонента для синтеза аммиака. В современных схемах его получают их воздуха "выжиганием" из него кислорода 3О2 + 2СН4 = 2СО + 4Н2O. 5) Абсорбция диоксида углерода - удаление СО2, полученного при получении водорода. Его поглощают раствором селективного растворителя (моноэтаноламин) СО2 + 2RNH2 + Н2О = (RNH3)2СО3 6) Очистка газа от оксида углерода СО. На стадии 3 небольшое количество СО остается, и он мешает синтезу аммиака, отравляя катализатор. Удаляют его, превращая в безвредный метан СО + 3Н2 = СН4 + Н2О 7) Синтез аммиака (после всех стадий получена чистая азотоводородная смесь; примесь СН4, полученная в предыдущей стадии, мала) 3Н2 + N2 = 2NH3 Математическая модель (описание). Для количественных выводов о функционировании ХТС необходимо иметь ее математическую модель, которая будет представлена двумя системами уравнений - для элементов и связей. Графические модели: функциональная, технологическая, структурная, специальные. Функциональная модель (схема) строится на основе химической и операционной в виде связанных между собой блоков операций (отделений или подсистем) и наглядно отражает основные стадии химико-технологического процесса и их взаимосвязи. Технологическая модель (схема) показывает элементы системы, порядок их соединения и последовательность технологических операций. В технологической схеме каждый элемент (агрегат, аппарат, машина) имеет общепринятое изображение, соответствующее его внешнему виду. Расположение аппаратов соответствует их примерной расстановке в цехе. На технологической схеме могут быть приведены краткие данные о параметрах процесса. Схему получают в результате научной разработки данного способа производства. 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. Специальные схемы применяют при анализе и расчетах ХТС, используя специальные математический аппарат и вычислительные методы. Например, операторная схема, где каждый элемент представлен специальным обозначением, называемым "технологический оператор". Они помогают распознать на схеме, какие преобразования, "операции", происходят с потоком в элементе.

4. Химико-технологическая система – определение. Синтез ХТС – в чём он заключается? Концепции синтеза ХТС – перечислить их, дать минимум два примера реализации концепции рационального использования сырьевых ресурсов. стр. 292-299, 299-305, 307-312, 317-319, 319-323 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 для переработки исходных веществ (сырья) в продукты. Синтез 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. Концепции синтеза ХТС: 1. Концепция полного использования сырьевых ресурсов (направлена на максимальное превращение сырья в используемые, полезные продукты.) - 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 невозобновляемого 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.)

- Противоточный контакт фаз (Решение, обеспечивающее максимальную движущую силу процесса переноса, широко распространенным примером которого является противоточная организация движения теплоносителей в теплообменнике.)

2. Концепция полного использования энергетических ресурсов (направлена на минимизацию затрат на энергетические и тепловые ресурсы, максимально возможное их использование в процессе.) 3. Концепция минимизации отходов (направлена на защиту окружающей среды и связана с экологической обстановкой региона, где расположено производство, и с санитарно-гигиеническими условиями для обслуживающего персонала.) 4. Концепция эффективного использования оборудования (направлена на минимизацию капитальных затрат на технологическое оборудование путем создания условий протекания в нем процессов с максимально возможной интенсивностью.)

5. Химико-технологическая система – определение. Синтез ХТС – в чём он заключается? Концепции синтеза ХТС – перечить их, дать минимум два примера реализации концепции рационального использования энергетических ресурсов. стр. 292-299, 299-305, 307-312, 317-319, 319-323 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 для переработки исходных веществ (сырья) в продукты. Синтез 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. Концепции синтеза ХТС: 1. Концепция полного использования сырьевых ресурсов (направлена на максимальное превращение сырья в используемые, полезные продукты.) 2. Концепция полного использования энергетических ресурсов (направлена на минимизацию затрат на энергетические и тепловые ресурсы, максимально возможное их использование в процессе.) - 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.) - Утилизация теплоты и энергии (Заключается в использовании теплоты (энергии) потока для выработки тепловых (пар, горячая вода), электрических и других энергетических ресурсов, используемых не в самом производстве.)

- Вторичные энергетические ресурсы (Энергетический потенциал продукции, отходов, дополнительных и промежуточных продуктов, который образуется в технологических агрегатах и не используется в этом же производстве, но может быть частично или полностью применен для энергоснабжения других производств.) 3. Концепция минимизации отходов (направлена на защиту окружающей среды и связана с экологической обстановкой региона, где расположено производство, и с санитарно-гигиеническими условиями для обслуживающего персонала.) 4. Концепция эффективного использования оборудования (направлена на минимизацию капитальных затрат на технологическое оборудование путем создания условий протекания в нем процессов с максимально возможной интенсивностью.)

6. Химико-технологическая система – определение. Синтез ХТС – в чём он заключается? Концепции синтеза ХТС – перечить их, дать минимум два примера реализации концепции оптимального использования оборудования. стр. 292-299, 299-305, 307-312, 317-319, 319-323 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 для переработки исходных веществ (сырья) в продукты. Синтез 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. Концепции синтеза ХТС: 1. Концепция полного использования сырьевых ресурсов (направлена на максимальное превращение сырья в используемые, полезные продукты.) 2. Концепция полного использования энергетических ресурсов (направлена на минимизацию затрат на энергетические и тепловые ресурсы, максимально возможное их использование в процессе.) 3. Концепция минимизации отходов (направлена на защиту окружающей среды и связана с экологической обстановкой региона, где расположено производство, и с санитарно-гигиеническими условиями для обслуживающего персонала.) 4. Концепция эффективного использования оборудования (направлена на минимизацию капитальных затрат на технологическое оборудование путем создания условий протекания в нем процессов с максимально возможной интенсивностью.) - Организация 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.)

- Совмещение процессов (осуществление различных химико-технологических процессов в одном аппарате.) - Конструктивные решения аппаратов ( Позволяют уменьшить объемы непроизводительных частей аппарата. Например,каталитические реакторы обычно представляют собой полые аппараты с насыпанным одним или несколькими зернистыми слоями катализатора - так называемые аксиальные аппараты. Но входное и выходное пространства занимают значительную долю объема реактора. Расположив слой в виде цилиндра и направив поток через

него в радиальном направлении, можно, во -первых, сократить вышеупомянутые объемы у входа и выхода реактора, создать более компактную конструкцию, и, во-вторых, создать слой большего сечения и меньшей толщины для прохождения потока, что сокращает энергетические расходы.)

7. Химико-технологическая система – определение. Синтез ХТС – в чём он заключается? Концепции синтеза ХТС – перечить их, дать минимум два примера реализации концепции малоотходности производства. стр. 292-299, 299-305, 307-312, 317-319, 319-323 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 для переработки исходных веществ (сырья) в продукты. Синтез 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. Концепции синтеза ХТС: 1. Концепция полного использования сырьевых ресурсов (направлена на максимальное превращение сырья в используемые, полезные продукты.) 2. Концепция полного использования энергетических ресурсов (направлена на минимизацию затрат на энергетические и тепловые ресурсы, максимально возможное их использование в процессе.) 3. Концепция минимизации отходов (направлена на защиту окружающей среды и связана с экологической обстановкой региона, где расположено производство, и с санитарно-гигиеническими условиями для обслуживающего персонала.) - 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.)

- Снижение потребления воды как хладоагента (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.) 4. Концепция эффективного использования оборудования (направлена на минимизацию капитальных затрат на технологическое оборудование путем создания условий протекания в нем процессов с максимально возможной интенсивностью.)

8. Химико-технологическая система – определение. Синтез ХТС – в чём он заключается? Сравнение эффективности последовательного и параллельного соединения реакторов идеального смешения (РИС-н) с единичным РИС-н для проведения простых необратимых реакций. стр. 292-299, 330-334 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 для переработки исходных веществ (сырья) в продукты. Синтез 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. Сравнение эффективности Определим объемы параллельно соединенных реакторов с одинаковыми : Такая схема работает так же, как один реактор идеального смешения

с иc=

Необходимое условное время определяется как площадь соответствующего

прямоугольника на графике «1/г- С»

В последовательной схеме:

Определим концентрации после реакторов С1, С2, С3,... Ск. Площадь

прямоугольника в интервале [Со — C1] есть 1, в интервале [С1 — C2] есть 2 и т.д. Площадь под ступенчатой линией равна

Суммарное условное время и объем реакторов в последовательной

схеме меньше, чем в параллельной или в одном реакторе. Чем больше число реакторов в каскаде, тем меньше в нем, и тем больше

оно приближается к ив в режиме идеального вытеснения.

Математически процесс в реакторе при протекании реакции первого

порядка описывается уравнением (Со - C)/ = kС, откуда

В случае реакторов одинакового объема (равных значений ):

, где n - число реакторов. Из этой формулы можно рассчитать , объем каждого реактора и всех реакторов Каскад реакторов занимает промежуточное положение между

крайними режимами - смешения и вытеснения, — не только по интенсивности

процесса, но и по селективности при протекании сложной

реакции.

9. Химико-технологическая система – определение. Синтез ХТС – в чём он заключается? Сравнение эффективности последовательного и параллельного соединения реакторов идеального смешения (РИС-н) с единичным РИС-н для проведения сложных параллельных реакций. стр. 292-299, 330-334, график S’R = f(CA) – стр. 171 № 4.41 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 для переработки исходных веществ (сырья) в продукты. Синтез 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.

Сравнение эффективности Определим объемы параллельно соединенных реакторов с одинаковыми : Такая схема работает так же, как один реактор идеального смешения

с иc=

Необходимое условное время определяется как площадь соответствующего

прямоугольника на графике «1/г- С»

В последовательной схеме:

Определим концентрации после реакторов С1, С2, С3,... Ск. Площадь

прямоугольника в интервале [Со — C1] есть 1, в интервале [С1 — C2] есть 2 и т.д. Площадь под ступенчатой линией равна

Суммарное условное время и объем реакторов в последовательной

схеме меньше, чем в параллельной или в одном реакторе. Чем больше число реакторов в каскаде, тем меньше в нем, и тем больше

оно приближается к ив в режиме идеального вытеснения.

Математически процесс в реакторе при протекании реакции первого

порядка описывается уравнением (Со - C)/ = kС, откуда

В случае реакторов одинакового объема (равных значений ):

, где n - число реакторов. Из этой формулы можно рассчитать , объем каждого реактора и всех реакторов Каскад реакторов занимает промежуточное положение между

крайними режимами - смешения и вытеснения, — не только по интенсивности

процесса, но и по селективности при протекании сложной