Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Экзамен ХП шпора

.docx
Скачиваний:
174
Добавлен:
11.01.2018
Размер:
2.09 Mб
Скачать

1.Химическое производство. Определение. Состав, компоненты и структура химического производства.

Химическое производство- совокупность процессов и операций, осуществляемых в машинах и аппаратах и предназначенных для переработки сырья путем химических превращений в необходимые продукты. Компоненты: Переменные – потребляются или образуются в производстве (сырье, поступающее на переработку; вспомогательные материалы; продукты - основной и дополнительный - как результат переработки сырья; отходы производства; энергия, обеспечивающая функционирование производства). Постоянные компоненты закладываются в производство или участвуют в нем: аппаратура (машины, аппараты, емкости, трубопроводы, арматура); устройства контроля и управления; строительные конструкции (здания); обслуживающий персонал. Состав: химическое производство; хранилища сырья, продуктов и других материалов; транспортировка сырья, продуктов, промеж. веществ, отходов; обслуживающий персонал производственного подразделения; система управления, обеспечения и безопасности.

1-подготовка сырья.2-переработка сырья.3-выделение основного продукта.4-санитарная очистка и утилизация отходов.5-энергетическая система.6-подготовка вспомогательных материалов и водоподготовка.7-система управления

2.Показатели химического производства: технические, экономические, эксплуатационные, социальные.

Технические показатели определяют качество химико-технологического процесса.

Производительность (мощность) производства – количество получаемого продукта или количество перерабатываемого сырья в единицу времени: П=G/t

Расходный коэффициент показывает количество затраченного сырья, материалов или энергии на производство единицы продукта.

Выход продукта – отношение полученного количества продукта к максимальному количеству, которое теоретически можно получить из того же сырья.

Интенсивность процесса – количество перерабатываемого сырья или получающегося продукта в единице объёма аппарата. Характеризует совершенство организации процесса.

Удельные капитальные затраты – затраты на оборудование, отнесенные к единице его производительности.

Качество продукта определяет его потребительские свойства и товарную ценность. Определяется ГОСТом, ТУ, сертификатом качества.

Экономические показатели определяют экономическую эффективность пр-ва.

Себестоимость продукции – суммарные затраты на получение единицы продукта.(сырье, энергия, оплата труда, капитальные затраты на ремонт)

Производительность труда – количество продукции, произведённой в ед.времени на рабочего. Хар-ет эффективность производства относительно затрат труда.

Эксплуатационные показатели хар-ют изменения, возникающие в х-т процессе и производстве во время их эксплуатации при появлении отклонений от регламент. условий и состояний.

Надёжность хар-ют средним временем безаварийной работы либо числом аварийных остановок оборудования или произв-ва в целом за определённый отрезок времени. Безопасность функционирования – вероятность нарушений, приводящих к нанесению вреда или ущерба обсл. персоналу, оборудованию, окр. среде, населению. Чувствительность к нарушениям режима и изменению условий эксплуатации – определяется отношением изменения показателей процесса к этим отклонениям. Управляемость и регулируемость хар—ют возможность поддерживать показатели процесса в допустимых пределах, опр-ют величину допустимых изменений условий процесса, управляющие пар-ры и их взаимовлияние (сложность управления).

Социальные показатели определяют комфортность работы на данном производстве и его влияние на окружающую среду.

Безвредность обслуживания следует из сопоставления сан-гигиен условий для обслуживающего персонала с соответствующими нормами по загазованности, запыленности, уровню шума.

Экологическая безопасность – степень воздействия производства на окр среду и экол обстановку в районе.

3.Химическое производство как химико-технологическая система. Элементы и связи в ХТС и их назначение.

Химическое производство - совокупность процессов и операций, осуществляемых в машинах и аппаратах и предназначенных для переработки сырья путем химических превращений в необходимые продукты.

Система – совокупность элементов и связей между ними, функционирующих как единое целое.

Элемент изменяет свойства и состояние входящих в него потоков. Выходящие потоки передаются по связям в другие элементы, в которых происходят их последующие изменения. Система элементов, перерабатывая входящие и выходящие из нее потоки, функционирует как единое целое.

В химическом производстве элементы образуют машины и аппараты; связями являются трубо, газо- и паропроводы. В элементах происходит разделение, смешение, сжатие, нагрев, химические превращения и прочее, а по связям материальные, тепловые, энергетические потоки передаются из одного элемента в другой. Это позволяет представлять химическое производство как химико-технологическую систему.

Химико-технологическая система (ХТС) – совокупность устройств (элементов) и 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, смесителем, абсорбером, теплообменником, турбиной и т.д.) или их совокупностью.

4.Функциональные и масштабные подсистемы.

Функциональные подсистемы обеспечивают выполнение функций производства и его функционирование в целом.

Технологическая подсистема – часть производства, где осуществляется переработка сырья в продукты – химико-технологический процесс.

Энергетическая подсистема – часть производства, служащая для обеспечения энергией химико-технологического процесса.

Подсистема управления – часть производства, с помощью которой осуществляется получение информации о его функц-ии и упр-ии. Обычно это автомат система упр техн процессом (АСУТП).

Масштабные подсистемы выполняют определенные функции в последовательности процессов переработки сырья в продукты как отдельные части химико-технологического процесса. Их можно систематизировать в виде их иерархической последовательности.

5.Элементы ХТС. Их классификация.

Элементы и классификация:

1)Механические и гидромеханические: подготовка сырья (измельчение, флотация), объединение (разделение) потоков: дробилки, грануляторы, смесители, насосы, фильтры и т.д.

2)Теплообменные: изменяют температуру и теплосодержание потоков: теплообменники, испарители, конденсаторы.

3) Массообменные: изменяют состав потока: адсорберы, абсорберы, ректификационные колонны.

4) Энергетические: преобразование энергии в энергоносители: газовые, тепловые турбины, котлы.

5) Элементы контроля и управления: предназначены для управления на производстве: датчики, выключатели, вентили.

7.Модели ХТС. Описательные модели ХТС на примере производства аммиака.

Описательные модели: 1) химическая схема; 2) операционная схема; 3) математическая модель.

Химическая схема – последовательность превращений исходных веществ в продукты; описывается стехиометрическими уравнениями.

Синтез аммиака из водорода и азота представлен одним химическим уравнением: 3H2+N2=2NH3

Производство аммиака из природного газа (метана) требует проведения нескольких химических реакций:

СH4 + H2О = CO + 3H2 –конверсия метана с водяным паром,

CO + H2О = CO2 + H2 – конверсия оксида углерода,

3H2 + N2 = 2NH3 – синтез аммиака.

Операционная – описывает основные стадии переработки сырья.

1) Очистка природного газа от серосодержащих соединений адсорбцией сероводорода. H2S+ZnO=ZnS+H2O

2) Конверсия метана с водяным паром.

3) Конверсия оксида углерода с водяным паром.

4) Получение азота. 3O2+2CH4=2CO+4H2O

5) Абсорбция диоксида углерода.

CO2+2RNH2+H2O=(RNH3)2CO3

6) Очистка газа после конверсии от оксида углерода СО. CO+3H2=CH4+H2O

7) Синтез аммиака

3. Математическая модель – показывает количественные характеристики ХТС. Система алгебраических и дифференциальных уравнений, которые решаются одновременно. Устанавливает зависимость параметров выходящих потоков от входящих, а также параметров аппаратов.

YВЫХ = f(xВХ; параметры ап.)

Удобно использовать те математические модели, которые основываются на законах сохранения массы и энергии.

6.Классификация связей ХТС. Структура связей ХТС и их назначение.

Классификация: потоки между аппаратами (связи между элементами) классифицируют по их содержанию.

Материальные потоки переносят вещества и материалы по трубопроводам различного назначения, транспортерами и др механическими устройствами.

Энергетические потоки переносят энергию в любом ее проявлении – тепловую и топливо (пар, горячие потоки, горючие газы и жидкости по трубопроводам), механическую (газы под давлением через трубопровод), электрическую (провода, силовые кабели).

Информационные потоки используются в системах контроля и управления процессами и производством. Используются эл провода и тонкие капиллярные трубки в пневматических системах.

Структура связей. Последовательность прохождения потоков через элементы ХТС определяет стр-ру связей и обеспечивает необходимые условия работы элементов системы

Последовательная связь (рис 1) поток проходит аппараты поочерёдно. Применение: последовательная переработка сырья в различных операциях, более полная переработка сырья последовательными воздействиями

Разветвлённая (рис 2). После некоторой операции поток разветвляется и далее отдельные потоки перерабатываются различными способами. Используется для получения разных продуктов

Параллельная (рис 3). Поток разветвляется, проходят через разные аппараты, после чего объединяются. Исп-ют для периодических стадий в непрерывном. Еще одно назначение – резервирование на случай выхода из строя одного из аппаратов («холодное» резервирование).

Обводная связь, или байпас (рис 4 - простой и 5 - сложный). Часть потока, не поступая в аппарат, обходит его. Поддерживают необходимые t потоков байпасированием их мимо теплообменника. Байпас β опр-ют как долю основного потока. Проходящего мимо аппарата: β=Vб/V0.

Обратная связь, или рецикл (рис 6-9).часть потока после одного из аппаратов возвращается в предыдущий. Такую схему исп-ют для повышения интенсивности радикально – цепной реакции подачей на вход части исходного потока, содержащего активные радикалы.

8.Графические модели ХТС на примере производства аммиака.

Функциональная модель (схема) строится на основе химической и операционной и наглядно отражает основные стадии химико-технологического процесса и их взаимосвязь.

Представление основных операций химико-технологического процесса в виде функциональной схемы весьма удобно для его понимания. Она дает общее представление о функционировании ХТС и служит предпосылкой для аппаратурного оформления и более детальной разработки ХТС.

Приведем еще пример функциональной схемы – синтез аммиака, т.е. рассмотрим подсистему 7 в производстве аммиака как ХТС. Реакция водорода с азотом вследствие обратимости протекает не полностью, поэтому синтез аммиака включает три стадии и представлен следующей операционной моделью.

А. Синтез аммиака

Б. Выделение аммиака.

В. Возврат (рецикл) непрореагировавших водорода и азота в реактор ( на стадию А).

Технологическая модель (схема) показывает элементы системы, порядок их соединения и последовательность технологических операций. Нередко расположение аппаратов соответствует их примерной расстановке на цехе. На технологической схеме могут быть приведены краткие данные о параметрах процесса.

Технологическую схему получают в результате научной разработки данного способа производства, технологической и конструктивной проработки схем, узлов и аппаратов. Технологические схемы используют как при эксплуатации производства, так и при его проектировании. Она входит в проектную и техническую документацию каждого производства.

Структурная модель (схема) в отличие от технологической включает элементы ХТС в виде простых геометрических фигур (прямоугольников, кругов). Изображение аппаратов обезличено, но это значительно упрощает общий вид структуры ХТС.

Специальные схемы применяют при анализе и расчетах ХТС, используя специальный математический аппарат и вычислительные методы. В операторной схеме каждый элемент представлен специальным обозначением, называемым «технологический оператор». Они помогают распознать по схеме, какие преобразования (операции) происходят с потоком в элементе.

9.Состояние ХТС. Параметры состояния и параметры свойств потоков, параметры состояния элементов ХТС. Расчет ХТС.

Состояние или режим ХТС определяется параметрами потоков (связей) и состоянием аппаратов (элементов).

Параметры потоков – химические, физико-химические и физические данные о потоке. К ним относятся:

- параметры состояния: количество потока между элементами в единицу времени (расход), фазовый состав, химический состав, Т, Р, теплосодержание;

- параметры свойств: теплоемкость, ,  и др.

Для описания энергетических и информационных потоков используются свои показатели: напряжение, сила тока, интенсивность управляющего сигнала и др.

Состояние элемента включают данные, от которых зависит изменение показателей потока в элементе.

- регулирующие воздействия: температура хладагента, отводящего теплоту из реактора или подача пара в паровую турбину;

- изменяемые при эксплуатации характеристики аппарата и условия процесса в нем: изменение условий процесса в реакторе

Расчет ХТС – определение параметров потоков в ХТС заданной структуры и с заданным состоянием ее элементов. При любых изменениях состояния потоков в элементе, подсистеме или ХТС в целом должны соблюдаться законы сохранения массы и энергии.

Т.о, расчет ХТС представляет собой установление балансов массы и теплоты для всех его элементов с учетом связей между ними. Такой расчет называют балансовым, различая материальный баланс и тепловой.

10. Материальный и тепловой баланс. Последовательность расчета ХТС с различной структурой. Формы представления балансов.

Материальный баланс - выражение закона сохранения массы вещества, согласно которому во всякой замкнутой системе масса вещества, вступившего во взаимодействие, равно массе веществ, образующихся в результате этого взаимодействия, т.е. приход вещества равен его расходу.

Тепловой баланс – составляют по данным материального баланса с учетом тепловых эффектов химических реакций и физических превращений, протекающих в аппарате, а также с учетом подвода тепла извне и отвода ее с продуктами реакций, а также потери в окружающую среду через стенки аппарата.

Последовательность расчета ХТС с различной структурой:

1) Линейная (прямоточная): Расчет состояния системы осуществляется последовательно от элемента к элементу по мере движения потока.

Расчет состояния системы осуществляется последовательно от элемента к элементу по мере движения потока. Разветвленная ХТС, параллельное соединение, байпасировние-обводная линия – рассчитываются также.

Состояние потока «0» на входе в ХТС известно, состояние «1» определяется и затем последовательно считаются состояния потоков по нижней ветви и верхней.

2) Схема с рециклом:

Такую структуру рассчитать последовательно нельзя, так как на поток, входящий в элемент, влияет поток рециркулирующий.

Связь «4» разрывают и представляют такую структуру в виде:

Значение v’’рецзадают и считают схему как последовательную.

Vрец =v’’рец– расчёт сводится к такому условию.

Если значение не совпадают, то задают еще v’’реци повторяют расчет. Решается на ЭВМ.

Формы представления балансов:

1) Табличная 2) Графическая

Gвх=Gвых – условие сходимости балансов

Vвх≠Vвых

Ошибка в 3% при технических расчётах возникает вследствие округления величин.

11.Материальный баланс элемента ХТС без химического превращения. Материальный баланс сложного делителя.

Ни величина потока, проходящего через такой элемент, ни количество компонентов в потоке меняться не будут, и GВХ= GВЫХ, Gi,ВХ= G i,ВЫХ. При рассмотрении только материального баланса такие элементы можно не включать в ХТС. Делитель сложный распределяет компоненты между потоками. Мат баланс фильтра: G1,ТВ= GТВ; G1,Т= gGTB. G2,TВ= 0; G2,T= GT - gGTB (g=кг т/кг тв) αm-коэф.распределения жидкости(кол-во влаги в остатке/кол-во влаги на входе = gGTB/GT)

12. Тепловой баланс ХТС.

Q = ∆U + A , где ∆U – изменение внутренней энергии, А – работа против внешних сил

∆ U = U2 – U1

A = = const

Q = U2 – U1 + pV2 – pV1; H = U+ PV

Q = (U2 + pV2) – (U1 + pV1) = H2-H1 = Hвых – Hвх

Энтальпия на входе/ выходе системы считается по всем компонентам потока, учитывая превращения

Запись теплового баланса по температурам

Сp =

Q = HВЫХ – HВХ = HT– HT0 =

Cp – дифференциальная (неудобно)

Cp = a + bT-1 + cT-2–среднеинтегральная (+)

p =

Qнагрева от Т0 до Т: Qнагр =p (T-T0)

Температура потока ХТС изменяется вследствие внутренних источников теплоты (протекание хим. р-ии), при этом Qp (тепловой эффект р-ии) –изменение энтальпии потока за счет изменения состава реакционной смеси. Если при протекании р-ии происходит изменение состава смеси, то выделяющееся тепло идет на нагрев реакционной смеси.

(Qp = Qнагрева)

Cp – величина аддитивная, рассчитывается как сумма ком-ов потока. Для технических расчетов принимают, что в заданных интервалах Т величин Cp = const.

Qвх = Gвх∙Cp∙T0

Qист = Giвх∙Qpxi

Qвых=Gвых∙Cp∙T

∑Qвх - ∑Qвых + ∑Qист = 0

13.Эффективность использования материальных и энергетических ресурсов.

Материальные ресурсы:

Расходный коэффициент – количество затраченного сырья (энергии, вспомогательных материалов) на производство единицы продукции. Различают теор коэф-т, определяемый из стехиометрического уравнения р-ции обр-ия прод-та из исх в-в при полном их превращении, и практический, т.е. реально используемый в производстве. Их отношение показывает степень использования сырья.

Расходный коэффициент = кол-во затраченного сырья/ кол-во продукции; степень использования =теор расходный коэф-т/практ расходный коэф-т

Основные причины различия теоретического и реального расх коэф-тов: неполнота превращения исх в-ва в продукт; обр-ие побочных в-в; неполнота выделения пр-та; потери промежуточных комп-тов и продукта; наличие примесей в сырье, не идущих на обр-ие прод-та; использование части сырья на вспомогательные цели.

Энергетические ресурсы:

Тепловой КПД. Источниками энергии яв-ся входящие потоки, несущие энергию топлива Qтопл, электроэнергию Qэл, тепло сырья Qсыр и вспом мат-лов Qмат, а также экзотермич р-ции Qэкз. Их суммарное потребление – Qзатр. Из системы выводится энергия с потоками пр-тов Qпрод и отходов Qотх, с энергетическими потоками – Qэн, затрачивается на проведение эндотермич р-ций – Qэнд и теряется естественным путём – Qпот. Из выходящих эн потоков полезно используется Qэн в виде пара котлов – утилизаторов, нагреваемых в теплообменниках-утилизаторах внешних потоков, энергии турбин и электрогенераторов. Энергетическую эффективность ХТС хар-ют тепловым КПД: ηтепл= Qэн/Qзатр

Но если эн потоки используются внутри системы, покрывая часть расходов, т.е Qэн=0, то КПД=0 и если эн потоки исп-ся полностью для выработки энергии, то КПД<100% (есть другие потоки, выводящее энергию из ХТС). Это нелогично, поэтому тепловой КПД представляют как отношение полезно затраченного тепла к его суммарному кол-ву, введенному в ХТС.

14. Свойства ХТС:

1)Зависимость режима одного аппарата (элемента) от режима других.

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

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

4) Неоднозначность режимов и их устойчивость

Оптимальные режимы отдельно взятого элемента и функционирующего в системе могут различаться. Рассмотрим ХТС, состоящую из реактора и системы разделения (рис а), для которой заданы производительность П и С0. Величина З слагается из капитальных затрат и расходов на сырье: ,(5.40) где Скап – стоимость капитальных вложений (на оборудование); ЦС - стоимость единицы сырья; V0 – расход сырья; К1 – коэффициент окупаемости, показывающий долю стоимости оборудования. Полагая, что срок службы оборудования 5 лет, К1=0.2

Производительность П определяется: П=V0C0х, откуда V0=П/С0х

Одиночный реактор. Затраты на этот аппарат зависят от его объема. Предположим, что процесс, представляющий реакцию первого порядка, осуществляется в режиме идеального смешения. Тогда из математического описания: , получим и объем реактора

Полагаем, что стоимость реактора пропорциональна его объему: , где α – коэфф пропорц. Подставляя выражения для V0 и vр в выражение (5.40), приведем последнее к зависимости от х. Таким образом, затраты на процесс в одиночном реакторе Зр будут складываться из двух слагаемых: (5.41) Здесь в коэффициенты А и В включены все постоянные (k, α,С0, V0, K1 и др.). Первое слагаемое в уравнении (5.41), включает капитальные затраты на реактор Зк, которые возрастают с увеличением степени превращения: чем больше х, тем больше объем реактора и затраты на него. Второе слагаемое включает затраты на сырье Зс. Чем больше х, тем полнее используется сырье и меньше затраты на него. Зависимости ЗК, ЗС и ЗР от х показаны на рис. б сплошными линиями. Видно существование некой степени превращение хР, при которой затраты на единичный реактор минимальны.

Реактор в системе. К затратам на реактор из выражения (5.41) добавляются затраты на разделение ЗД. Положим, что они пропорциональны количеству примесей к продукту, т.е. количеству непрореагировавшего сырья V0C0(1-x). Не усложняя расчетную формулу, для выражения ЗД примем простейший вариант: ЗД=D(1-х), где D включает постоянные в расчете ЗД. Тогда затраты на систему

К затратам на реактор добавляются затраты на разделение (прямая штриховая линия на рис.б), и оптимальная степень превращения хХТС становится отличной от хР. В данном случае хХТС> хР.

Рассмотренное свойство ХТС также обусловлено взаимодействием ее элементов.

18. Энергия в химической технологии. Виды энергии.

В хим.производствах протекают процессы с выделением энергии или затратой, или с взаимными превращениями и переходами. Энергия затрачивается на подготовку сырья, осуществление хим.превращений, выделение продуктов, транспортировку материалов, сжатие газа и т.д. Виды энергии: Тепловая энергия применяется для осуществления нагрева, плавления, сушки, выпаривания, дистилляции, тепловой десорбции, эндотермических превращений.(энергия получена за счет сжигания твердого, жидкого, газообразного топлива); Электрическая энергия применяется для электрохимических, электротермических, электромагнитных процессов. Широко используется превращение электрической энергии в механическую в электроприводах различных машин и мех.устройств; Световая энергия применяется для превращения в электрическую (фотоэлектрические явления, которые применяют для автоматического контроля и управления технологическими процессами). Энергия Излучения и атомных превращений для проведения радиационно-химических превращений и ядерно-химических реакций.

15. Существование режимов ХТС.

Химико-технологический процесс характеризуют рядом показателей функционирования ХТС в целом и иногда у системы появляются свойства, не присущие ее элементам.

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. Допустим, в систему подается только исходное вещество V0. В РИС протекает реакция первого порядка со степенью превращения исходного вещества х, т.е. концентрация в реакторе и на входе С=С0(1-х). После выхода из реактора продукты полностью отделяются, а непрореагировавшее исходное вещество в количестве Vц возвращается обратно, так что общее количество вещества на входе в реактор Vн=V0+Vц. Процесс в реакторе описывается уравнением . Поскольку на вход реактора подается только исходное вещество, т.е. С0=1, то .После отделения продукта рециркулирующий поток Vц=Vн(1-х) и Vн=V0+Vц=V0+Vн(1-х) или Vн=V0/х. Следовательно.

Обозначим τ0р/V0 как условное время в реакторе для свежей смеси и найдем . Результат будет иметь смысл, т.е. х>0, если kτ0>1. можно выбрать такую температуру, т.е. значение k, или такое τ0, что приведет к kτ0<1, но тогда получится отрицательная (х), что невозможно. Для объяснения этого рассмотрим эту же систему без рецикла. При заданных условиях (k и τ0) в реакторе уст-ся некоторое значение х. добавим к реактору колонну разделения и непрореагировавший компонент вернем в реактор, что приведет к увеличению нагрузки Vн на реактор и уменьшения степени превращения. Т.о, в реактор будет возвращаться все больше и больше исходного вещества, уменьшая дальнейшее превращение. Если kτ0>1, то установится значение х, как и в системе с рециклом. Если kτ0<1, то рецикл будет нарастать, степень превращения будет стремиться к нулю, исходное вещество будет накапливаться в системе и Vн→∞. Стационарного режима достигнуть не удастся.

16. Неоднозначность режимов и их устойчивость.

Объясняется существованием обратных связей по теплу и влиянием выходящих потоков на входящие:

Пусть ТК на выходе из реактора временно повысилась. Исходная смесь дополнительно нагревается, что приведет к увеличению скорости реакции и увеличение Тк (разогрев). Если Тк понизится, то процесс пойдет на затухание.Условия устойчивости системы с обратной положительной связью: (dTВЫХ/dTВХ)P(dTВЫХ/dTВХ)T < 1, где (dTВЫХ/dTВХ)P - чувствительность ТВЫХ к ТВХ в реакторе (dTВЫХ/dTВХ)T - чувствительность Твых к Твх в т/о. Составим тепловой баланс т/о:Fт- площадь; Kt – коэф теплопередачи; Q- кол-во переданной теплоты. Q=Kt*FT*(Tвх-Твых) – на разогрев исх смеси. Q=vo*Cp*(Tвых-Т0)*(Tвых-Т0)=Твх-Твых

Продиф-ем по Твх:

* = 1- => =)*(<1

< 1 + = 1+ = 1+ =

Применяется для всех т/о. Чтобы условие выполнялось необходимо снизить интенсивность обратной связи.

Чтобы избежать попадания в зону неустойчивости, начинать лучше с Т=440С

17. Сырье в химической технологии. Виды сырья.

Сырьё – природные материалы, используемые в производстве пром продуктов. Сырьё классифицируют по происхождению – минеральное, растительное, животное; по запасам – возобновимое и невозобновимое; по хим составу – неорганическое, органическое; по агрегатному состоянию – тв, жид, г/о.

Минеральное сырьё – добываемые из земных недр полезные ископаемые. Рудное мин сырьё – горные породы, из кот получают металлы. Наряду с металлами при переработке руды получают хим пр-ты(получение H2SO4 при пр-ве Cu, Zn). Нерудное мин сырьё – горные породы, исп-ые в произв-ве хим, строительных др неметаллических мат-лов и не являющиеся исх мат-лом для пр-ва металлов (галит-NaCl в производстве каустической соды NaOH и хлора, пирит FeS2 и S2 в п-ве H2SO4 ).

Горючее мин сырье содерж в своем составе C – это угли, нефть, горючие сланцы, ПГ. Служат источниками тепловой энергии.

Растительное сырьё – древесина, хлопок, лен, отходы первичной переработки с/х продукции; животное – шерсть, жиры, отходы первич переработки. Растительное перерабатывают так: используют его высокомолекулярные компоненты (пр-во пластмасс, волокон), пиролиз с обр-ем г/о и жид пр-тов (CO, CO2, H2, масляные фракции), каталитическое расщепление полимерных компонентов с обр-ием орг пр-тов (этанол, фурфурол, фенолы)

Также следует выделить воздух и воду. Азот воздуха исп-ют для пр-ва NH3, кислород – в окислительных процессах; вода – для получения к-т и щелочей, для приготовления р-ров, как абсорбент при очистке газов. Невозобновимые – селитра как источник чистого азота, почти исчерпана.

Полупродукты – вещества и мат-лы, являющиеся исходными в производстве продуктов и полученные из природного сырья в другом пр-ве (аммиак в пр-ве азотной к-ты и бензол в синтезе алкилбензолов). Масла из растит сырья исп-ют в пр-ве мыла, лаков и красок.

Вторичное сырьё – используемые в производстве в-ва и мат-лы, являющиеся невостребованными в других производствах. Используют отходы производства и отходы потребления. Пути использования: 1) извлечение, регенерация непрореагировавшего сырья и мат-лов и возврат их в пр-во 2) извлечение ценных комп-тов как продуктов производства 3)выделение компонентов и придание им товарной ценности 4) использование отходов как исх в-в в других производствах и отраслях промышленности.

19. Вторичные энергоресурсы в химической технологии. Виды ВЭР и их использование.

Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) – 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 энергосбережения других производств.

1. Горючие (топливные) ВЭР – это топливные вторичные продукты, отходы, которые в своем составе содержат H2, CO и др. газы. Пример: котельно-печное топливо, которое добавляют к основному в мартеновских печах.

2. Тепловые – это материальные потоки с высокой температурой, которые используют на предприятиях. Энергия отходящих газов, жидкостей, пар из котлов-утилизаторов. (Низкопотенциальные, Высокопотенциальные).

3.Силовые (ВЭР избыточного давления) -газы, жидкости под высоким давлением. Используются для выработки электроэнергии в турбинах для приводов, аппаратов машин.

28. Выбор реактора или системы реакторов при проведении обратимой экзотермической реакции в адиабатическом режиме.

В РИС процесс протекает при конечных условиях (С, Т), а в РИВ условия меняются от начальных до конечных. Поэтому в режиме ИВ средняя концентрация исходных веществ больше, а средняя температура – меньше. Температурное влияние на скорость превращения положительное и более сильное, чем отрицательное влияние концентрации. Пусть ТН=500К, ΔТад=200град, х=0,5. Средние условия протекания процесса в режиме ИВ: х = 0,25, Т=ТН+ ΔТадх=550К. В режиме ИС: х=0,5, Т=600 К. Скорость реакции, пропорциональная 1-х, в режиме ИВ будет в 1,5 раза выше, чем в режиме ИС. Но разница в температурах в 50 градусов дает выигрыш в скорости реакции для режима ИС примерно в 4 раза, что превышает «концентрационные» потери. Режим ИС более интенсивен, чем режим ИВ-для достижения одинаковой степени превращения условное время процесса в реакторе ИС меньше. Только при достаточно больших степенях превращения, когда влияние концентрационного фактора будет превалирующим, процесс в режиме ИС будет менее интенсивен.

20.Синтез ХТС. Концепция полного использования сырьевых ресурсов. Примеры ее реализации.

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 обеспечивающих наилучшие условия функционирования ХТС.

Концепция полного использования сырьевых продуктов направлена на максимальное превращение сырья в используемые, полезные продукты.

1)Выбор процесса – важнейший способ улучшения использования сырьевых ресурсов.

Пример – получение хлорвинила. Хлорвинил получают в две стадии. Сначала хлорируют этилен, а затее проводят пиролиз образовавшегося дихлорэтана: CH2CH2+Cl2=ClCH2CH2Cl = CH2CHCl. Избирательность каждой из стадий около 95%. Образующийся HCl относят к отходам. Выход хлорвинила по этилену составляет 90%.

Перейдя к одностадийной схеме, описываемой уравнением CH2CH2+HCl+O2=CH2CHCl+H2O

с избирательностью 95%, удалось разработать процесс с 95%-ным выходом продукта по обоим исходным компонентам.

2)Избыток одного из реагентов, как правило, более дешевого и доступного, а также возможность его возвращения в процесс также приводит к улучшению использования сырьевых ресурсов. В данном случае используют два фактора влияния избытка реагента на увеличение выхода продукта.

а. Термодинамический фактор, когда избыток одного реагента увеличивает максимальное, равновесное превращение другого. В паровой конверсии метана стехиометрическое соотношение реагентов СH4:H2O = 1:1. В промышленных условиях хр значения 0,58. При соотношении СH4:H2O = 1:4 хр=0,92.

б. Кинетический фактор связан с особенностями механизма и кинетики протекающего процесса. В реакции окисления аммиака 4NH3+5O2 = 4NO+6H2O стехиометрическое соотношение реагентов O2:NH3 = 1,25. смесь аммиака с воздухом будет содержать 14% NH3 и 17,5% О2. СNH3 = 14(1-0,99) = 0,14%, СО2 =17,5 -1,25(14*0,99)= 0,17% и в этих условиях аммиак окисляется в основном до азота. Необходим избыток кислорода, вытесняющий аммиак с поверхности катализатора, тогда окисление будет протекать преимущественно до NO. Если же использовать соотношение O2:NH3 = 1,8, т.е. в аммиачно-воздушной смеси будет содержаться 10% аммиака и 18% кислорода, то концентрации реагентов будут другими: СNH3 = 10(1-0,99) = 0,1%, СО2=18-1,25(10*0,99)= 5,6%. Концентрация кислорода у поверхности на два порядка превысит концентрацию аммиака, что и обеспечит избирательное окисление аммиака. Именно это и определяет 10%-ное содержание аммиака в аммиачно-воздушной смеси.

3)Противоточный контакт фаз – известное решение, обеспечивающее максимальную движущую силу процесса переноса, широко распространенным примером которого является противоточная организация движения теплоносителей в теплообменнике. Другой пример – абсорбция оксидов азота.

4)Фракционный рецикл используют при неполном превращении исходных реагентов. В системе разделения, расположенной после реактора, непрореагировавшие реагенты выделяют и возвращают на переработку.

5)Регенерация с рециклом заключается в регенерации вспомогательного материала после его использования с последующим возвращением в процесс.

6)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 их примесей, имеющихся в сырье.

7) Альтернативное сырье. Одним из направлений расширения сырьевых источников является использование отходов других производств, а другим – поиск альтернативных источников первичного сырья.

Уголь является наиболее распространенным углеродосодержащим полезным ископаемым. Известны методы превращения угля в жидкие углеводороды и топливо.

21. Концепция полного использования энергетических ресурсов. Примеры ее реализации.

Концепция полного использования энергоресурсов направлена на минимизацию энергетических и тепловых затрат, на полное использование их в процессе. Регенерация тепла и энергии. Если необходимо нагреть поток, а потом охладить, можно

Входящий нагреть теплом выходящего. Это вид циркуляционн. схемы распространенный в промышленности. Наиболее эффективна схема при экзотермич р-ции. При гидродеалкилировании толуола с максимальной регенерацией тепла горячее газы после реактора используются в кипятильниках колонн разделения и подогрева реакционной смеси.

Тепло мб использовано для получения пара в котле-утилизаторе; пар затем используется как энергоноситель для привода паровых турбин того же пр-ва (рис1 а) или как теплоноситель в технологических целях.

Регенерацию энергии осущ-ют в процессах под давлением. Исходный газ сжимается в компрессоре и направляется в технологические аппараты. Оставшийся сжатый газ направляется в газовую турбину, находящуюся на одном валу с компрессором (рис 1б). расходы энергии для привода компрссора таким образом уменьшатся.

Утилизация тепла и энергии – тепло или энергия потока исп-ся для выработки тепловых, электрических и др энергоресурсов, применяемых не в самом произв-ве. Большая часть энергии на произв-ве остается в виде энергии технологических потоков, энергия может выделяться при протекани экотермич р-ций. Тепловую энергию потоков можно использовать, вырабатывая пар в котлах-утилизаторах(рис 2 а).энергию давления можно исп-ть для привода эл-генератора (рис 2б)

К – компрессор, Д-основной эектропривод, ГТ и ПТ – газ и пар турбины, КУ-котел-утилизатор, Г-генератор

Альтернативные источники энергии – тепло, вырабатываемое атомными котлами, солнечная энергия

Замена хмической схемы получения продукта – переход к процессу с меньшим числом стадий (сокращает число нагревов/охлаждений потоков, затраты на преодоление гидравлического сопротивления). Пример: бутанбутен-1-бутадиен-1,3 (дивинил). Обе р-ции эндотермические, каталитические, протекают с увеличением объема при высоких t и при атм давлении или вакууме. Двухстадийное получение дивинила дает высокий выход (65%), но необходимо разделять газовые смеси после каждой ступени, капитало- и энергозатратно.

Одностадийное дегидрирование н-бутана: реакции протекают одновременно на катализаторе, который быстро дезактивируется. Дегидриррование проводят под вакуумом при t=580-6000C в адиабатических реакторах регенеративного типа, циклы дегидрирования и регенерации чередуются. Рабочий цикл катализатора – несколько минут. Теплота, выделяемая при регенерации катализавтора, аккумулируется им и используется при дегидрировании. Это экономит тепло. Число циклически работающих реакторов – 5-8. Переключение потоков автоматическое, следоватеьно, поток исх в-в и продуктов непрерывный

22. Концепция минимизации отходов. Примеры ее реализации. Отходы химического производства. Безотходные и малоотходные производства.

Концепция минимизации отходов направлена на защиту окружающей среды и связана с экологической обстановкой региона и с санитарно-гигиеническими условиями для обслуживающего персонала. Основные приемы по реализации данной концепции связаны с полным использованием сырьевых и материальных ресурсов и полным использованием энергетических ресурсов.

Санитарная очистка и обезвреживание выбросов предполагают установку подсистем ХТС, цель которых заключается в удалении вредных примесей из выводимых из производства потоков или их переводе в нетоксичное состояние. Отходы можно сбрасывать, если содержание примесей меньше допустимой нормы по их вредному воздействию на окружающую среду.

Уменьшение и замена вспомогательных потоков. Например, водяные холодильники целесообразно заменить на воздушные для охлаждения до температуры окружающей среды, т.к. водяные подвержены коррозии, что может привести к аварийным ситуациям, также нерационально утилизировать теплоту чуть теплой воды.

Замкнутый водооборот позволяет избежать одного из отходов – загрязненной воды.

Повышение надежности оборудования и элементов ХТС помогает исключить потери в виде утечек и выбросов любых компонентов. Основные источники такого рода потерь: разрушение конструктивных элементов путем силового воздействия, коррозионное разрушение, нарушение целостности стыковочных деталей. Предотвращение: использование совершенных конструкций; подбор соответствующих конструкционных материалов, устойчивых к имеющимся воздействиям; технологическая дисциплина процесса; регулярных профилактический осмотр и ремонт; прогнозирование нарушений.

Безотходное и малоотходное производства. Безотходная технология – способ производства продукции, при котором сырье, материалы, энергия используется наиболее рационально и комплексно, и любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее нормальное функционирование. Малоотходным производством считается такое, при котором вредное воздействие на окружающую среду не превышает уровня, допустимого санитарно-гигиеническими нормами.

23. Концепция оптимального использования оборудования. Примеры ее реализации.

Концепция оптимального оборудования направлена на минимизацию капитальных затрат на технологическое оборудование путём создания условий протекания в нём процессов с максимально возможной интенсивностью.

1) Выбор процесса более интенсивного, протекающего с большей скоростью. Например, переход от алюмосиликатного катализатора гидрокрекинга углеводородов на цеолитные, что явилось причиной повышения скорости процесса более чем в 300 раз.

2) Оптимизация процесса- приём увеличения его интенсивности.

3) Организация процесса в аппарате. Почти всегда один и тот же процесс можно провести разными способами. Но какой-то при тех или иных условиях будет выгоднее. Еще одним пример является сокращение затрат на теплообменнике - использование противотока теплоносителя.

4) 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 на замене периодического процесса на непрерывный. В первом случае нужна доп аппаратура для накопления исх компонентов и продуктов

Включим в систему узел сжигания топлива:

Он вносит дополнительные затраты в систему очистки, но дополнительный нагрев позволяет, во-первых, поддерживать постоянную и желаемую разность температур в теплообменнике и, во-вторых, уменьшить затраты на оборудования ХТС.

5) Конструктивные решения аппаратов, позволяющие уменьшить объемы его непроизводительных частей. Последние создают необходимые условия протекания процесса: распределение потоков, обеспечение жёсткости конструкции, удобство монтажа.

6) Увеличение единицы мощности.

24.Однородные ХТС. Каскад РИС. Аналитический метод расчета каскада РИС.

Однородные ХТС – это ХТС, состоящие из элементов одного рода ( смешение, вытеснение) Каскад представляет собой несколько последовательно соединенных проточных реакторов идеального смешения. В единичном реакторе идеального смешения из-за того, что концентрация реагентов мгновенно снижается до конечной величины, скорость реакции при большой степени превращения невелика. Поэтому очень часто применяют ряд последовательно расположенных РИС. Концентрация исходного реагента в такой системе снижается до конечного значения не сразу, а постепенно от реактора к реактору.

Для простых необр.р-ий 1 порядка:

r=kCA , WA=-kCA, τ1i=….=τm

; ;

;;

Для 2-го порядка

25.Графический метод расчета каскада РИС.

В основе расчета лежит уравнение , из которого следует, что для m-го реактора: , где СA,m-1 b СA,m концентрации вещества на входе и на выходе из m-го реактора. τ –условное время пребывания.

Концентрация реагента на входе в m-1 реактор и время пребывания τ –величины постоянные и известные, так как они задаются по условию. Таким образом, зависимость от СА описывается уравнением прямой с углом наклона α, для которого tg α =-1/τ . С другой стороны, скорость реакции описывается уравнением -. Поэтому точка пересечения прямой и кривой характеризует концентрацию исходного реагента в m-ном реакторе. Таким образом, для проведения расчета К-РИС необходимо вначале построить кривую по кинетическому уравнению, затем из точки на оси абсцисс, для которой СА,m-1=CA,0, проводим прямую с тангенсом угла наклона –1/τ до пересечения с кривой в точке М. Опустив перпендикуляр из точки М на ось абсцисс, получают значение концентрации в первом реакторе. Эта же концентрация является исходной для входа во второй реактор. Для нахождения концентрации во втором реакторе операцию повторяют снова, взяв в качестве исходной точку СА,1 и повторяют до тех пор, пока не достигнут заданной степени превращения. Так как время пребывания принимают во всех реакторах одинаковым, то и угол наклона у них один, поэтому они параллельны.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.