3.3. Технологічні зв'язки в хтс

Розгляд схем ХТС показує, що існує визначена взаємодія між окремими елементами ХТС. Ця взаємодія забезпечується наявністю технологічних зв'язків між ними. Розрізняють наступні технологічні зв'язки: послідовні, послідовно-обвідні (байпасні), паралельні, зворотні (рецикл) і перехресні.

Послідовний технологічний зв'язок характерний тим, що вихідний з елемента ХТС потік повністю надходить у наступний елемент, тобто вихідний з даного елемента потік є вхідним для наступного елемента. При цьому всі технологічні потоки прибувають в елемент тільки один раз і, як це показано на рис. 3.7, не повертаючись до нього:

Рис. 3.7. Послідовний технологічний зв'язок

Послідовні зв'язки використовуються для проведення ряду послідовних операцій по переробці сировини в продукт, проведених у різних апаратах. Послідовне з‘єднання апаратів одного типу доцільно у випадку, якщо в одному апараті не можна провести дану операцію з необхідним ступенем перетворення. Наприклад, якщо в одному реакторі ступінь перетворення недостатня, то в послідовно сполучених реакторах можна досягти великого ступеня перетворення.

Послідовно-обвідний технологічний зв'язок (байпасний) зображений на рис. 3.8.

Рис.3.8. Послідовно-обвідний технологічний зв'язок (байпасний)

З рис. 3.8. випливає – елементи хімічного перетворення з'єднані послідовно. Сировина, що надійшла на переробку, розділяється на два потоки. Один потік послідовно проходить через усі ступені. Другий – змішується з продуктами, що виходять з першого ступеню, і таким чином, отримана суміш направляється в наступну ступінь. Подібний зв'язок використовується, наприклад, при проведенні оборотних екзотермічних реакцій в адіабатичних реакторах – синтезу аміаку, метанолу та ін. У цих випадках введення холодного байпасного потоку дозволяє регулювати температуру і тим самим забезпечувати проведення процесу у відповідності з оптимальним температурним режимом.

Рівнобіжні технологічні зв'язки застосовуються в тих випадках, коли ставиться задача збільшення продуктивності і потужності ХТС без збільшення потужності окремих апаратів. Використання рівнобіжного зв'язку для цієї мети, наприклад на стадії хімічного перетворення, наведено на рис. 3.9.

У цьому випадку потік реагентів розподіляється на ряд рівнобіжних потоків, кожний з яких надходить у відповідний реактор. Потоки, що виходять з реакторів, з‘єднуються потім в один загальний потік. Якщо об‘єм окремих реакторів однаковий, то час перебування в них реагентів і відповідні ступені перетворення рівні між собою.

Рис. 3.9. Рівнобіжний технологічний зв'язок

Паралельні технологічні зв'язки реалізуються так само і тоді, коли в ХТС на базі однієї вихідної сировини за її переробки виробляють декілька цільових продуктів. Наприклад, із природного газу в результаті його переробки одержують аміак і оксид вугле-

цю (IV). Аміак використовують для виробництва нітрату амонію (амонійної селітри). Оксид вуглецю (IV) разом з аміаком – для виробництва карбаміду. У даному випадку в ХТС є рівнобіжний зв'язок між виробництвами амонійної селітри і карбаміду і тим самим забезпечується комплексне використання сировини.

Зворотний (рециркуляцiйний) технологічний зв'язок

(рис. 3.10) полягає в тому, що є зворотний технологічний потік (рецикл), який зв'язує вихідний потік якого-небудь наступного елемента ХТС із входом одного з наступних елементів.

Рис. 3.10. Зворотний технологічний зв'язок (рецикл):

а–повний; б – фракційний; в–сполучений

Рецикл називається повним (рис. 3.10 а), коли частина потоку з апарата 2 повертається на вхід одного з попередніх апаратів

(1 на рис. 3.10 а). Склад рециркуляцiйного потоку не відрізняється від складу потоку, з якого утворюється рецикл.

Фракційний рецикл має склад, відмінний від складу потоку, з якого він утворився. На рис. 3.10 б після апарата 1 потік розділяється в апараті 2 на два різних за складом потоки, один із яких повертається на вхід попереднього апарата 1. Крім класифікації рецикла за складом, зворотні технологічні зв'язки можна розділити на прості, сполучені, складні.

У простому рециклі зворотний потік увесь подається в одне місце схеми (рис. 3.10 а, б). У сполученому рециклі зворотний потік подається в декілька точок ХТС (рис.3.10в). Декілька рециклiв утворюють складний зворотний технологічний зв'язок. На представленому на рис.3.10, ХТС зі зворотним технологічним зв'язком, потоки, що входять у систему і виходять з неї, складають прямий технологічний потік.

Внутрішні технологічні потоки, що з'єднують між собою елементи системи і мають напрямок, що збігається з напрямком прямих технологічних потоків, складає головний технологічний потік. Прямий і головний технологічні потоки утворюють основний технологічний потік системи. Технологічний потік, напрямок якого протилежний напрямку основного потоку, називається оборотним технологічним потоком (рециклом).

Для характеристики XTС з оборотними зв'язками використовується коефіцієнт рециркуляції – відношення маси сировини m_c, що потрапила в реактор, до маси свіжої сировини m₀:

K_r=m_c/m_o (3.3)

а також коефіцієнт відношення рециркуляції – відношення маси рецикла m_р до маси сировини m_c, що надійшла в реактор

R=m_Р/m_r (3.4)

Зв'язок між коефіцієнтами рециркуляції і відношенням рециркуляції виражається наступними рівняннями:

K_R=1/(1-R) (3.5) R=1-(1/K_R) (3.5)

Оборотний технологічний потік (рецикл), що забезпечує багаторазове повернення реагентів в один і той же елемент системи, створює умови більш повного їх перетворення. У цьому плані особливо необхідна рециркуляція в тому випадку, коли мала ступінь перетворення реагентів за один прохід через реактор .Це дозволяє підвищити концентрацію реагентів, що приводить до прискорення реакцій; у випадку оборотних реакцій – до зміщення рівноваги в сторону утворення цільових продуктів, і в ряді випадків – збільшення селективності. Усе це забезпечує повноту використання сировини.

Рециркуляція дає можливість регулювати температури в елементах XTС і одночасного використовувати теплоти хімічних реакцій для підігріву вихідних речовин, що забезпечує автотермічність процесу і зниження витрати енергії на виробництво того чи іншого продукту.

У XТC із рециклом кількість шкідливих викидів в атмосферу значно нижча в порівнянні з XTС, у яких відсутня рециркуляція. Таким чином, використання оборотних технологічних зв'язків забезпечує ефективне використання сировини й енергії, а також захист навколишнього середовища від шкідливих викидів, що привело до значного їх використання в ХТС. Прикладами можуть служити виробництва аміаку, спиртів і ряду інших продуктів.

Перехресний технологічний зв'язок (рис. 3.11.) здійснюється в ХТС головним чином з метою ефективного використання енергії, зокрема, такого роду зв'язки широко застосовуються для утилізації теплоти газів, що відходять, або продуктів реакції з метою попереднього нагрівання сировини, що надходить, наприклад, при окисненні аміаку, окисненні SО₂ у S0₃, синтезу аміаку та ін.

Рис. 3.11. Перехресний технологічний зв'язок:

1- теплообмінник; 2 - реактор.

Застосування перехресних зв'язків у процесах, що перебігають за високих тисків, дозволяє перетворити енергію стиснених газів або рідин, що знаходяться під тиском, в енергію електричну.

Подібна рекуперація енергії приводить до значної економії енергетичних ресурсів і здешевленню одержуваних продуктів.

У XTС можлива комбінація типових зв'язків, використання в одній і тій ж ХТС .різних зв'язків між елементами, що доповнюють один одного, – послідовних, паралельних, послідовно-обвідних (байпасних), оборотних і перехресних. При цьому наявність оборотних зв'язків приводить до утворення в XTС замкнутих контурів.

З цього погляду ХТС підрозділяються на розімкнені і замкнені.

Розімкнені ХТС, так звані системи з відкритим ланцюгом, характерні тим, що в них є комбінації послідовних, паралельних і байпасних технологічних зв'язків між елементами систем. У такому випадку всі технологічні потоки проходять тільки. один раз через деякий елемент системи.

Замкнені ХТС, циклічні системи містять принаймні один оборотний технологічний зв'язок за потоками маси або енергії, що утворюють замкнений контур, який складається з окремих елементів системи. При цьому, як уже вказувалося, у ХТС може бути не один, а кілька подібних замкнених контурів.