1.3. Технологическая схема производства

После выбора химической схемы производства необходимо разработать технологическую схему, чтобы иметь общее графическое представление о ХТП.

1.3.1. СПОСОБЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ СХЕМ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

СИСТЕМ

В настоящее время для более детального изучения ХТС и отыскания оптимальных вариантов ее содержания и функционирования целесообразно иметь такую модель ХТС, которая отражала бы технологические связи между элементами системы, сущность химико-технологического процесса и экономику процесса. Для этого рассматривают элементы ХТС на моделях, которые бывают математическими и качественными (обобщенными). Качественные модели существуют двух видов: операционно-описательные и иконографические.

Операционно-описательные модели – это словесное описание процесса функционирования системы. В нем приводятся основные химические реакции, по которым осуществляется получение целевого продукта (т.е. химическая схема процесса), дается описание процессов, происходящих в аппаратах системы, приводятся сведения о составе сырья, о значениях параметров технологического режима и т.п. На практике операционно-описательная модель – это различные виды проектно-конструкторской документации, технологические регламенты и всякие другие "прописи".

Иконографические модели всегда связаны с наглядным графическим изображением, чертежом. Обобщенные иконографические модели дают лишь качественное представление о функционировании системы. Это – различного вида схемы ХТП, выполненные в виде рисунков и чертежей. Существует несколько разновидностей таких схем: функциональная (принципиальная), структурная, операционная (операторная) и технологическая.

Составление различных видов схем покажем на примере синтеза аммиака. Вначале посмотрим химическую схему процесса, т.е. реакции по которым осуществляется процесс.

С целью получения водорода проводят конверсию метана (природного газа) водяным паром (паровая конверсия)

СН₄ + Н₂О (пар) СО + 3Н₂ – Q₁

и кислородом воздуха (кислородная конверсия)

CH₄ + 0,5O₂ CO + 2H₂ + Q_2.

Получаемый оксид углерода в дальнейшем конвертируется водяным паром с получением водорода: CO + H₂O (пар) H₂ + CO₂ + Q₃

Так как конверсия ведется не чистым водяным паром, а в смеси с воздухом, то в продуктах реакции наряду с водородом присутствует азот – получается азотоводородная смесь (авс). Далее идет собственно синтез аммиака: N₂ + 3H₂ 2NH₃ + Q₄

Чтобы показать принцип составления различного вида схем, рассмотрим только один узел производства – цех синтеза аммиака.

Функциональная (принципиальная) схема дает общее представление о процессе функционирования ХТС. На схеме выделяются основные узлы (подсистемы), выполняющие определенную технологическую операцию, показаны технологические связи между ними. По схеме можно определить, какие операции совершаются в производстве и в какой последовательности. Сведений же о типах отдельных элементов функциональная схема не дает.

Функциональная схема производства аммиака выглядит так:

подготовка сырья

Сжатие авс

Охлаждение

Отделение NH₃

от авс

авс

химическое

Сжатие авс

превращение

Синтез аммиака

Разделение NH₃

и авс

Охлаждение

выделение продукта

Структурная схема ХТС дает изображение всех элементов системы в виде блоков, имеющих несколько входов и выходов, показывает технологические связи между блоками. Как и функциональная, структурная схема не содержит информации об отдельных типах элементов, но зато технологические связи в ней указывают направления движения материальных и энергетических потоков системы.

Структурная схема производства аммиака выглядит так:

G

1

2

3

4

5

₁ G₂ G₃ G₄ G₅ G₇

6

L₁ G₆ L₂

G₁₂ G₁₁

8

7

9

G₁₀ G₉ G₈

L₅ L₄ L₃

1 – компрессор, 2 – инжектор (смеситель двух потоков разных давлений), 3 – теплообменник, 4 – испаритель жидкого аммиака, 5,8 – сепараторы, 6 – колонна синтеза аммиака, 7 – водяной холодильник, 9 – циркуляционный компрессор.

G₁ – G₁₂ – потоки газа, L₁ – L₅ – потоки жидкости.

Операторная схема в отличие от двух предыдущих дает наглядное представление о физико-химической сущности технологических процессов системы. Для этого каждый элемент ХТС изображается в виде определенного типового оператора, который качественно или количественно преобразует физические параметры входных материальных и энергетических потоков. Технологические операторы обычно делят на основные и вспомогательные. Основные технологические операторы обеспечивают функционирование ХТС в требуемом целевом направлении. К ним относят технологические операторы химического превращения, межфазного массообмена, смешения и разделения:

химическое смешение разделение

превращение межфазный

массообмен

Вспомогательные технологические операторы используют для повышения эффективности функционирования системы путем изменения ее энергетического и фазового состояния. К ним относят операторы нагрева и охлаждения, сжатия и расширения, изменения агрегатного состояния (конденсация, испарение, растворение):

сжатие или изменение

нагрев или расширение агрегатного состояния

охлаждение вещества

Взаимодействие отдельных технологических операторов осуществляется благодаря технологическим связям между ними. Каждой технологической связи соответствует некоторый материальный или энергетический поток, называемый технологическим потоком.

Операторная схема производства аммиака будет выглядеть так:

М₅

1 2 3 4 5

М₁ М₂ М₃ М₄ М₇ М₉

М₁₅ М₆ М₈ 6

М₁₇ 9 М₁₆ М₁₁

8 М₁₃ 7 М₁₀

М₁₄ М₁₂

1 – компрессор, 2 – инжектор, 3 – теплообменник, 4 – испаритель жидкого аммиака,

5, 8 – сепараторы, 6 – колонна синтеза (реактор), 7 – водяной холодильник, 9 – циркуляционный компрессор. М₁ – М₁₇ – физические потоки.

Наконец, технологическая схема дает наиболее полное качественное представление о процессе. Каждый элемент показан в ней в виде условного общепринятого стандартного изображения, технологические связи показаны направленными линиями со стрелками. По схеме можно судить о типах и способах соединения элементов (аппаратов и машин), о последовательности отдельных технологических процессов. Иногда на схеме приводят краткие указания о химическом составе; приводят наиболее важные данные, которые характеризуют качества исходного сырья. промежуточных и конечных продуктов. В некоторых случаях аппараты изображают с соблюдением масштаба. чтобы получить представление об их габаритах и конструкции, например

компрессор (1) колонна

синтеза

аммиака (6)

Технологическая схема наиболее информативна.

Мы рассмотрели разновидности только одного класса моделей ХТС – качественные (обобщенные). Другая часть моделей ХТС -–математические – дают количественное описание процесса. Они также могут быть представлены в нескольких разновидностях.

1.3.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВЯЗИ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОЦЕССОВ

ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Рассмотрение схем ХТС показывает, что существует определенное взаимодействие между отдельными элементами системы. Это взаимодействие обеспечивается наличием технологических связей между ними. При всей сложности ХТС представляется возможным выделить некоторые типовые технологические связи (т.е. способы соединения простых элементов процесса в схему).

Любое химическое производство может работать либо в непрерывном режиме, либо в периодическом (иногда полунепрерывном). При непрерывном способе производства существуют следующие основные типы соединений элементов процесса в схему: последовательное, последовательно-обводное, параллельное, обратное и перекрестное.

При последовательном соединении весь технологический поток, выходящий из предыдущего аппарата, поступает в последующий элемент, следовательно, при этом через каждый элемент схемы поток проходит лишь один раз

V₁

V₂

V_n

C_A0, X_A0 C_A1, X_A1 C_A2, X_A2 C_An, X_An

….

Этот тип связи – наиболее распространенный, его широко применяют, когда степень превращения вещества в каждом предшествующем аппарате достаточно велика для эффективной переработки полученных продуктов в каждом последующем аппарате. Последовательную связь применяют, когда необходимо повысить степень превращения, создать оптимальный температурный режим, обеспечить промежуточный отвод продуктов реакции. Если степень превращения в одном аппарате невелика, то для ее увеличения на стадии химических превращений устанавливают последовательно несколько реакторов (каскад реакторов), суммарный объем которых будет равен сумме реакторов, или же секционируют аппараты горизонтальными полками (тарелками, решетками). И тогда повышается суммарная степень превращения. Если в первом реакторе изменение степени превращения составит , во втором и т. д., то суммарная степень превращения будет: .

В зависимости от цены на сырье, в зависимости от себестоимости его переработки и с учетом охраны окружающей среды от вредных отходов определяется необходимое число ступеней реактора или же число последовательно установленных реакторов в батарее. По такой схеме, например, осуществляют получение бутадиен-стирольного каучука (СКС) – эмульсионной полимеризацией бутадиена и стирола: смесь мономеров (включая эмульгатор, регулятор, инициатор) поступает в батарею полимеризаторов (последовательно соединенные аппараты с мешалкой). В полимеризаторах смесь перемешивается и проходит все аппараты батареи со скоростью, достаточной для того, чтобы за время нахождения мономеров в реакторах прореагировало примерно 60 % исходного сырья с образованием латекса.

Примером схемы с открытой цепью может быть производство ацетилена:

СаС₂ + 2Н₂О С₂Н₂ + Са(ОН)₂

Функциональная (принципиальная) схема производства ацетилена выглядит так:

СаС₂ Н₂О Н₂О

1

2

3

4

С₂Н₂

сухая известь

известковый ил

1 – дробление карбида кальция, 2 – химическая реакция, 3 – охлаждение и промывка ацетилена, 4 – очистка ацетилена.

Последовательно-обводное (или байпасное) соединение – ряд последовательно соединенных аппаратов, через которые проходит лишь одна часть общего технологического потока, поступающего в систему. Другая часть потока обходит один или несколько аппаратов и затем соединяется с основной частью потока

П одобная связь используется, например, при проведении обратимых экзотермических реакций в адиабатических реакторах. В этих случаях введение холодного байпасного потока позволяет регулировать температуру процесса и тем самым обеспечивать его в соответствии с оптимальным температурным режимом. Кроме того при обводном соединении из-за уменьшения главного потока (идущего через реактор) увеличивается время пребывания реагентов в реакторе и повышается степень их превращения.

При параллельном соединении технологический поток сырья разделяется на несколько более мелких потоков, поступающих в различные элементы системы. Выходящие из этих элементов потоки могут объединяться в один поток, а могут выходить из системы раздельно

Через каждый аппарат поток проходит один раз. Параллельную технологическую связь применяют для повышения производительности, для увеличения ассортимента продуктов, получаемых на основе одного сырья. Для увеличения мощности ХТС устанавливают два или более одинаковых параллельно работающих элемента, суммарная мощность которых равна мощности наиболее производительного элемента. (Удобно ремонтировать отдельные аппараты).

Обратная технологическая связь (рецикл) – характеризуется наличием хотя бы одного обратного технологического потока в системе последовательно соединенных элементов процесса. Наличие обратного потока (рецикла) обеспечивает многократное возвращение в один и тот же элемент системы реагентов, что создает условия для более полного превращения исходного сырья, вплоть до достижения заданной степени превращения

Это особенно важно в том случае, когда в результате однократного химического взаимодействия получают малую степень превращения – это характерно для обратимых экзотермических реакций, проводимых при высоких температурах, например, синтез аммиака или метанола.

В качестве примера можно рассмотреть синтез аммиака. Схема производства аммиака состоит из трех основных операций: смесь газообразных азота и водорода сжимается компрессором и направляется в реактор, где и в присутствии катализатора происходит реакция

N₂ + 3H₂ 2NH₂;

затем газовую смесь направляют в холодильник, где аммиак конденсируется и выводится из цикла (как целевой продукт), а не прореагировавшая часть реакционной смеси (газообразные Н₂ и N₂) возвращается в цикл.

Функциональная (принципиальная) схема производства аммиака выглядит так:

1

2

3

N₂ + 3H₂ NH₃

N₂ + 3H₂

1 – компрессор (сжатие газовой смеси), 2 – реактор (химическая реакция),

3 – конденсатор (выделение аммиака).

В настоящее время циклические схемы приобретают все большее значение, потому что, с одной стороны, они обеспечивают более высокую степень использования сырья (что улучшает экономические показатели), а с другой стороны, они менее загрязняют окружающую среду (что связано с экологией).

Можно еще добавить: степень рециркуляции , где q₃ - побочный поток, q₂ - главный поток; коэффициент рециркуляции , где q₂ - главный поток, q₁ - прямой поток.

,

Перекрестная технологическая связь осуществляется, главным образом с целью эффективного использования энергии в ХТС. Такого типа связи широко применяются для утилизации отходящих газов или горячих продуктов реакции для нагрева поступающего сырья (например, в синтезе и окислении аммиака, при окислении SO₂ в SO₃ и др.);

это значительно экономит энергетические ресурсы и удешевляет получаемые продукты.

Все эти виды соединений аппаратов (последовательное, байпасное, параллельное) относятся к схемам с открытой цепью, т.е. это разомкнутые системы. Рециркуляционное включение относят к замкнутым системам.