- •Химико-технологические системы
- •Содержание
- •Введение
- •1. Химико-технологические процессы и химико-технологические системы
- •1. Термины и определения
- •2. Технологические критерии эффективности химико-технологических систем
- •1. 2. 1. Степень превращения
- •1. 2. 2. Выход продукта
- •1. 2. 4. Производительность и интенсивность
- •1. 2. 5. Избирательность
- •1. 3. Структуры химико-технологических систем
- •1. 3. 1. Хтс с последовательной технологической связью
- •1. 3. 2. Параллельная технологическая связь
- •1. 3. 3. Последовательно-обводная технологическая связь (байпас)
- •1. 3. 4. Обратная (рециркуляционная) технологическая связь
- •1. 3. 5. Перекрестная технологическая связь
- •1. 4. Системный декомпозиционный анализ химико-технологических систем
- •4. 1. Молекулярно-кинетический уровень
- •1. 4. 2. Макрокинетический уровень
- •1. 4. 3. Аппаратный уровень
- •1. 4. 4. Уровень химико-технологической системы
- •1. 4. 4. 1. Синтез химико-технологической системы
- •1. 4. 4. 2. Анализ химико-технологической системы в целом
- •1. 4. 4. 3. Оптимизация химико-технологической системы
- •2. Химическая термодинамика
- •2. 1. Основные понятия и определения
- •2. 2. Первое начало термодинамики
- •2. 2. 1. Работа расширения идеального газа
- •2. 2. 2. Теплота процесса в различных условиях
- •2. 2. 3. Закон Гесса. Расчет тепловых эффектов химических реакций с использованием стандартных теплот образования и сгорания.
- •2. 2. 4. Зависимость тепловых эффектов химических реакций от температуры. Закон Кирхгофа
- •2. 3. Второе начало термодинамики
- •2. 3. 1. Термодинамически обратимые и необратимые процессы.
- •2. 3. 2. Математическое выражение второго начала термодинамики. Энтропия.
- •2. 3. 2. 1. Энтропия и термодинамическая вероятность
- •2. 3. 2. 2. Изменение энтропии как критерий направления процессов.
- •2. 3. 2. 3. Изменение энтропии при нагревании
- •2. 3. 2. 4. Изменение энтропии при фазовых превращениях
- •2. 3. 2. 5. Расчет абсолютной энтропии вещества
- •2. 3. 2. 6. Изменение энтропии при химическом превращении
- •2. 3. 3. Применение второго начала термодинамики к химическим процессам.
- •2. 3. 3. 1. Термодинамические потенциалы
- •2. 3. 3. 2. Уравнение Гиббса-Гельмгольца
- •2. 3. 3. 3. Критерии направления процессов в закрытых системах
- •2. 3. 4. Химический потенциал идеального и реального газа. Термодинамическая активность.
- •2. 3. 5. Уравнение изотермы химической реакции
- •3. Химическое равновесие
- •3. 1. Константы равновесия
- •3. 2. Расчет равновесного состава и равновесного выхода продуктов химической реакции
- •3. 3. Влияние температуры и давления на равновесный выход продуктов реакции. Принцип Ле Шателье.
- •3. 3. 1. Зависимость константы равновесия от температуры. Уравнения изобары химической реакции.
- •3. 3. 2. Влияние давления на равновесный выход продуктов химической реакции.
- •4. Фазовые равновесия
- •4. 1. Основные понятия и определения
- •4. 2. Условия равновесного сосуществования фаз
- •4. 3. Правило фаз Гиббса
- •4. 4. Однокомпонентные системы
- •4. 4. 1. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса
- •4. 4. 1. 1. Применение уравнения Клапейрона-Клаузиуса к процессу плавления
- •4. 4. 1. 2. Применение уравнения Клапейрона-Клаузиуса к процессам испарения и возгонки
- •4. 4. 2. Диаграмма состояния однокомпонентной системы
- •4. 5. Метод физико-химического анализа. Диаграммы состав – свойство
- •4. 6. Двухкомпонентные системы
- •4. 6. 1. Бинарные системы взаимно растворимых жидкостей.
- •4. 6. 1. 1. Общая характеристика растворов
- •4. 6. 1. 2. Диаграмма состояния температура кипения – состав для идеального жидкого раствора
- •4. 6. 1. 3. Правило рычага
- •4. 6. 1. 4. Диаграммы температура кипения – состав для неидеальных растворов
- •4. 6. 1. 5. Разделение бинарных растворов
- •4. 6. 2. Системы взаимно нерастворимых жидкостей
- •4. 6. 2. 1. Диаграмма температура кипения состав для двух несмешивающихся жидкостей
- •4. 6. 2. 2. Перегонка с водяным паром
- •4. 7. Трехкомпонентные системы
- •4. 7. 1. Закон распределения
- •4. 7. 2. Экстрагирование
- •Библиографический список
1. 4. 3. Аппаратный уровень
Аппаратный уровень включает уровень потока и уровень реактора. На уровне потока рассматривается протекание процесса на совокупности твердых частиц, капель жидкости, зерен катализатора и других разновидностях «малого объема», находящихся в потоке реагирующих веществ. Для получения закономерностей функционирования реакционной зоны необходимо иметь информацию о температурных и концентрационных полях, описываемых математическими уравнениями или другими способами. Температурные и концентрационные поля зависят от характера движения потока, в частности, от интенсивности продольного и радиального перемешивания. Таким образом, анализ процесса на уровне потока сводится к анализу влияния температурных и концентрационных полей на среднюю скорость химико-технологического процесса или соотношение скоростей при протекании процессов со сложными последовательными или параллельными реакциями.
На уровне реактора учитывают конструктивные особенности реакционных зон, их число, взаимное расположение, соотношение технологических показателей процесса при прохождении потока из одной реакционной зоны в другую, а также взаимодействие нескольких потоков с различными фазовыми состояниями, протекающими через одну реакционную зону.
Аппаратный уровень анализа химико-технологических систем изучается в курсе «Процессы и аппараты, их конструирование для химических производств».
1. 4. 4. Уровень химико-технологической системы
Этот уровень является самым важным в системном декомпозиционном анализе. Здесь учитываются взаимные связи между реакторами, теплообменниками, смесителями и другими аппаратами, используемыми для переработки сырья в конечные продукты. От характеристик элементов ХТС и технологических характера связей зависит качество функционирования химических производств.
Эффективность работы ХТС можно повысить изменением технологических связей между существующими в системе аппаратами; улучшением функционирования основных элементов аппаратов ХТС путем изменения технологических режимов их работы (оперативное управление) или изменением типов аппаратов (стратегическое управление); введением в ХТС дополнительных элементов или образованием новых внешних связей.
Химико-технологические системы обладают совокупностью свойств, которые надо учитывать при проектировании нового и реконструкции старого производства.
Чувствительность ХТС к внешним и внутренним возмущениям (воздействиям). Желательно, чтобы система была мало чувствительна к возмущениям.
Управляемость системы. Для обеспечения требуемой управляемости необходимо совместное проектирование ХТС и соответствующей системы управления.
Надежность системы – это свойство сохранять работоспособность в течение заданного времени функционирования.
Помехозащищенность системы – это свойство ХТС эффективно противостоять внутренним и внешним возмущениям.
Устойчивость системы, т.е. способность ХТС возвращаться в исходное состояние стационарное состояние после устранения возмущений, вызвавших выход системы из этого состояния.
Эмерджентность – это свойство системы приобретать новые качества, которыми не обладают элементы в отдельности, благодаря объединению элементов в систему.
Интерэктность системы, т.е. взаимное влияние друг на друга элементов, образующих ХТС.
При исследовании существующих и разработке новых химико-технологических систем выделяют задачи синтеза, анализа и оптимизации.