Материал: Программа

Гибкой называется технологическая система, способная быстро перестраиваться необходимым образом в условиях внутренних и внешних возмущений. Целенаправленное изменение входных (сырье, энергия) и выходных (продукт) потоков при соответствующем изменении внутрисистемных параметров. Чем шире допустимый диапазон изменений, тем более гибкой считается система. Гибкие ХТС могут функционировать как в периодическом, так и в непрерывном режимах. При этом ХТС, наряду с минимальной конструкционной избыточностью (по аппаратуре, коммуникациям, арматуре) должна обеспечивать функциональную избыточность.

При разработке структуры гибких систем осуществляется блочно-модульный подход: каждый модуль предназначается для осуществления соответствующего процесса. В состав модуля входят не только основные, но и вспомогательные элементы, а из модулей, представляющих собой соответствующую подсистему, формируется гибкая, периодическая ХТС. Между модулями не существует жестких связей. Они легко трансформируются, что способствует организации гибкой система. Она может иметь жесткую структуру, когда с помощью одних и тех же модулей получают родственные по свойствам и способам получения продукты (например, соли в технологии реактивов), или элементы модулей остаются теми же самыми, а связи между ними меняются путем переключения через коммуникации.

Типы связей.

Структура ХТС - совокупность элементов и связей между ними. Взаимодействие отдельных элементов и подсистем ХТС или внешней среды, без которых не может происходить целенаправленное функционирование ХТС, осуществляется благодаря наличию между ними определенной системы технологических связей, каждой из которых соответствует некоторый материальный или энергетический поток, называемый технологическим.

Последовательная технологическая связь: выходящий из одного элемента поток является входящим для следующего элемента, а все они проходят через каждый элемент системы не более одного раза.

эта связь применяется для увеличения степени использования сырья (каскад реакторов), для улучшения эффективности массообменных аппаратов.

Последовательно-обводная связь (байпас) является усложненным вариантом последовательной связи: поток разделяется и часть его проходит мимо аппарата (или группы аппаратов).

Следует подчеркнуть, что направления главного и побочного потоков совпадают, что позволяет отнести системы с байпасом к разомкнутым.

Основное применение байпасов - регулирование температуры н адиабатических реакторах с экзотермической реакцией (синтез метанола, аммиака), а также могут использоваться для повышения гибкости ХТС.

Параллельная связь - поток распределяется по двум или нескольким параллельным аппаратам (или группам аппаратов). К лому типу связей относятся все возможные типы разветвленных потоков: разветвление в начале процесса (получение продукции из нескольких видов сырья); разветвление в конце процесса (переработка комплексного сырья с раздельным получением полезного продукта); разветвление в середине системы (например, резервирование мощностей).

Технологические звенья, составляющие параллельную структуру, имеют объединенные входы и выходы. При этом общий вход равен сумме отдельных цепочек, выход - сумме выходов.

Параллельная связь применяется для повышения производительности и мощности ХТС, для повышения ее надежности и гибкости.

Перекрестная связь представляет собой совокупность двух пересекающихся одно направленных потоков. Примером ее может служить серия экстракционных ячеек, когда одна фаза проходит через ячейки последовательно, а вторая вводится не одним потоком, а потоком, соответствующим числу ступеней (процесс разделения редкоземельных элементов экстракцией органическими растворителями из водных растворов).

5. Рециклы в ХТС, их характеристические функции. Анализ причин организации ХТС по замкнутой схеме: наличие термодинамических ограничений (неблагоприятное положение равновесия), ограничение времени контактирования, регулирование технологических параметров. Причины циркуляции конечных продуктов. Интенсификация циркуляционных процессов.

Обратная связь (рецикл) характеризуется наличием обратного потока, связывающего выход одною из последующих элементов с входом одного из предыдущих. Рецикл может быть между элементами, подсистемами, вокруг одного элемента. В глобальном варианте существуют рециклы и между системами разной сложности.

Элементы, связанные между собой обратным технологическим потоком, образуют замкнутую подсистему ХТС.

Потоки, входящие в замкнутую систему или выходящие из нее, называются прямыми потоками (Х_о,У_о).Они определяют выход продукта и расходные коэффициенты по сырью. Внутренний технологический поток, соединяющий между собой элементы системы, направление которого совпадает с направлением прямых технологических потоков является главным технологическим потоком. Главный и прямой технологические потоки образуют основной технологический поток системы, от расхода которого зависит качество функционирования замкнутой ХТС.

Внутренний технологический поток замкнутой подсистемы, направление которого противоположно направлению основного потока, называется обратным потоком или рециклом (X_R). На входе к нему добавляется входной прямой поток, в котором столько свежих исходных компонентов, сколько их затрачено на образование продукта за один цикл (с учетом различных потерь).

Рециклы классифицируются по структуре и составу потоков. В зависимости от структуры замкнутых подсистем различают простые и сопряженные рециклы. В случае простого рецикла возврат осуществляется в одну точку или образуется в разных точках подсистемы.

По составу рецикл может быть полным если состав прямого выходного и обратного потока совпадают, или фракционным, когда возвращается поток, по составу отличный от прямого потока.

Для характеристики обратных связей используют два показателя.

Степень рециркуляции показывает, какая часть главного потока возвращается в процесс:

где X_{1 ... n} и Y_{1 ... n} - обозначение количества прямого потока через вход в любой последовательный элемент замкнутой подсистемы (Х) или выход из него (У).

Коэффициент рециркуляции (кратность рециркуляции) K_R показывает, во сколько раз главный поток больше прямого:

Поскольку: , связь между показателями циркуляционного включения будет:

Циркуляция исходных веществ, связана с неполной степенью их превращения. После выделения продуктов исходные вещества вновь возвращаются в процесс. Основными причинами неполноты использования сырья являются: наличие термодинамических ограничений, малая скорость протекания основного взаимодействия, ограничение времени контактирования и избыток реагента.

Поэтому увеличение объёмной скорости - способ интенсификации циркуляционных процессов.

Выбор объемной скорости должен обеспечить определенное время контактирования сырья с катализатором, минимальный "проскок" сырья, а в сложных процессах - оптимальную селективность. Кроме того, следует иметь ввиду, что после стадии синтеза следует стадия разделения, (например, конденсации) и, чем больше объемная скорость, тем больше останется неконденсированного продукта.

Помимо непрореагировавших исходных веществ, в ХТС могут организовываться рециклы и по конечным веществам. В основном, это вызывается необходимостью снижения интенсивности процесса, например, в сильно экзотермических реакциях, для предотвращения неуправляемого тепловыделения.

В автокаталитических процессах конечные продукты возвращаются для интенсификации начальных стадий. Например, кислота, образующаяся при гидролизе эфиров, катализирует процесс гидролиза.

Помимо химических процессов, рециркуляция продуктов осуществляется в физических процессах, что позволяет регулировать качество продукта. При кристаллизации твердых веществ возвращается часть кристаллизатора для получения более крупных кристаллов.

Раздел 4. Основные принципы разработки хтс и способы их реализации.

1. Принцип наилучшего использования сырья.

Классификация природного сырья. Анализ причин неполноты использования сырья в ХТС: термодинамические, кинетические, технологические. Приемы увеличения степени использования сырья: смещение равновесия в обратимых химических процессах, использование реагента в избытке, «закалка» системы вдали от состояния равновесия, подавление побочных реакций, применение противотока, комплексное использования сырья.

Классификация природного сырья.

В настоящее время основная химическая и нефтехимическая промышленности используют, в основном, минеральное сырье, которое делится на рудное, нерудное и горючее (органическое).

Рудное сырье представляет собой твердофазную совокупность минералов, содержащую сульфиды или оксиды металлов и пустую породу. Оно применяется для производства металлов и их соединений. Нерудное сырье содержит в своем составе соли, песок, глину, асбест и используется или в естественном состоянии, или перерабатывается на соли и минеральные удобрения. Горючие минеральные ископаемые представлены нефтью, газом, углем и сланцами и в ХТС используются в качестве источников сырья для производства органических продуктов или в качестве топливно-энергетических ресурсов.

Минеральное сырье относится к практически невозобновляемым ресурсам. В тоже время, используемые в производстве вода и воздух, в соответствии с круговоротом веществ в природе, относятся к числу возобновляемых ресурсов.

Особым видом сырьевых источников для производства химической продукции являются вторичные минеральные ресурсы. Они представляют собой отходы производства и потребления, побочные и промежуточные вещества, образующиеся и не использующиеся в процесс е функционирования данной ХТС.

Анализ причин неполноты использования сырья в ХТС:

• Термодинамические. Состояние равновесия обратимых реакций не позволяет про водить до конца основную реакцию.

• Кинетические. не достигается теоретически возможная степень превращения из-за низких скоростей реакции.

• обусловленным механизмом процесса. Наличие побочных взаимодействий и др.

• на уровне организации производства к ним присоединяются технологические и конструкционные причины.

Основные приемы для увеличения степени использования сырья:

• Использование одного из реагентов в избытке (относительно теоретически необходимого количества).

Для реакции аА + bВ = rR относительный избыток I_B реагента В определяется:

где С_АО и С_ВО - начальные мольные концентрации исходных веществ.

Применение избытка реагентов определяется различными причинами:

1. Избыток реагента приводит к смещению равновесия.

Для реакции: ,

С увеличением парциального давления кислорода Р_О2 возрастает значение знаменателя. А поскольку константа равновесия К_р при данной температуре есть величина постоянная, то возрастает числитель Р_sоз, Т.е. равновесие смещается в сторону образования продуктов реакции.

2. Избыток реагентов ускоряет как химическую, так и диффузионную стадии процессов.

Напомним, что в системе газ - твердое тело скорость r_i химической реакции А +В = R определяется:

а скорость диффузии r_g:

где С_A и С_В - концентрации реагирующих веществ, n₁ и n₂ – порядок реакции по соответствующему компоненту, β – коэффициент массопередачи, C_v и C_F - концентрации компонента в объеме потока и на поверхности твердой фазы соответственно.