Классификация энергетических ресурсов 3 страница

превращения исходных веществ Циркуляционные схемы используют в производствах, в основе которых

лежат обратимые процессы, т.е. в которых при существующем режиме и значениях параметров

(температура, давление, катализатор) по условиям равновесия не может быть достигнута за один проход

через аппарат достаточно высокая степень превращения сырья (например, производство аммиака,

метанола).

Циклическая схема

А, В, R

А

1 4 1 2

В А+В

АВ

, 3

R

1 – смешение реагентов, 2-химические превращения, 3- разделение продуктов реакции,

4- теплообмен между продуктами реакции и исходными реагентами, А и В – исходные реагенты, R

– целевой продукт.

9.3.2 Выбор параметров процесса

Параметры ХТП выбираются так, чтобы обеспечить максимально высокую экономическую

эффективность не отдельной его операции, а всего производства в целом. Так, например, для

рассмотренного выше производства фосфорной кислоты сернокислотным разложением фторапатита, на

себестоимость получаемой кислоты оказывает влияние более 13 различных факторов:

– на стадии подготовки сырья: степень измельчения и флотации фторапатита и конструкция

аппаратов;

– на стадии выделения продукта: число операций фильтрации, температура промывки фосфогипса

конструкция аппаратов;

– на производстве в целом: регион строительства предприятия, вид используемой энергии,

источник водоснабжения и др.

Во многих случаях различные параметры процесса влияют на конечный результат его

противоположным образом. Поэтому возникает необходимость определить оптимальные значения их,

которые обеспечат минимальную себестоимость получаемого продукта. Так, для того же производства

фосфорной кислоты, на стадии измельчения сырья при увеличении размеров частиц производительность

мельницы возрастает, а стоимость операции измельчения падает. Однако при этом замедляется

последующий процесс разложения измельченного сырья, уменьшается производительность реактора и,

как следствие, стоимость этой операции возрастает.

Стоимость себестоимость

Диаметр частиц диаметр частиц

Стоимость измельчения(1) и разложения (2) себестоимость фосфорной кислоты в

фторапатита зависимости от степени измельчения

Очевидно, что минимальные затраты на проведение обеих стадий, определяющие себестоимость

фосфорной кислоты, будут достигнуты при некоторой оптимальной степени измельчения сырья, чему

отвечает минимум на кривой.

9.4 Управление химическим производством

Сложность химического производства как многофакторной и многоуровневой системы, приводит к

необходимости использовать в нем разнообразные системы управления отдельными производственными

процессами, агрегатами, цехами и предприятиями в целом. На химических предприятиях внедрены

автоматизированные системы управления АСУ.

АСУ называют системы управления предприятием на различных уровнях, в которых передача

переработка и хранение информации о состоянии объекта выполняется автоматически с помощью

экономико-математических методов с использованием компьютеров. В АСУ объединены своей

деятельностью люди и технические средства.

В зависимости от уровня иерархии систем химической технологии различают следующие уровни

управления:

1 Системы автоматического регулирования отдельными процессами химической технологии (САР).

Они функционируют без участия человека и используются для управления отдельными аппаратами как

средства автоматического регулирования.

2 Автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП).

3 Автоматизированные системы оперативного управления химическим предприятием (АСУП).

САР и АСУТП созданы для автоматического регулирования входных параметров и для достижения

определенных характеристик процесса на выходе. АСУТП тесно связана с технологией и аппаратурным

оформлением ХТП и включает датчики величин, преобразователи, аппаратуру передачи информации,

устройство контроля регулирования и регистрации информации.

АСУП выполняет функции совершенствования управления химическим производством и

повышения его эффективности. АСУП предназначена для сбора, передачи и обработки производственно-

экономической и социальной информации с целью подготовки и принятия управленческих решений по

совершенствованию управления производства и повышению его эффективности.

В целом, система автоматического управления позволяет выбрать критерии эффективности

управления всеми звеньями химико-технологической системы, разработать алгоритмы управления ими,

рассмотреть способы сбора передачи и переработки информации, проанализировать надежность

управления и взаимодействия человека с техникой в системе управления.

10 Процессы и аппараты химического производства

10.1 Общая характеристика и классификация процессов

Процессы, используемые в химической промышленности для производства продукции, весьма

разнообразны и многочисленны.

В них применяется сырье различного агрегатного состояния, разнообразные виды энергии,

агрессивные и коррозионно-активные вещества. Управление этими процессами требует высокой степени

точности в выборе параметров процесса и автоматизации управления им. Все эти условия определили с

одной стороны – многообразие используемых в химическом производстве процессов и аппаратов, а

другой – тенденцию к их унификации и общие требования независимо от конкретного химико-

технологического процесса.

Процессы химической технологии, в зависимости от кинетических закономерностей,

характеризующих их протекание, делятся на 5 групп:

– гидромеханические процессы, скорость которых определяется только законами гидравлики;

– тепловые процессы, скорость которых определяется законами теплопередач;

–массообменные (диффузионные) процессы, скорость которых определяется законами

массопередач;

– механические процессы;

– химические процессы, скорость которых определяется законами химической кинетики. Среди

последних особую группу составляют процессы, протекающие под воздействием катализаторов.

По организационно-технической структуре процессы химической технологии делятся на

периодические и непрерывные.

Для периодических процессов присуще единство места протекания всех стадий процесса, т.е. в них

операции загрузки сырья, проведение процесса и выгрузки готового продукта осуществляются в одном

аппарате, но в разное время.

Для непрерывных процессов присуще единство времени протекания всех стадий процесса, т.е. в

них перечисленные выше операции осуществляются одновременно, но в различных аппаратах.

Характеристикой процесса, позволяющего отнести его к той или иной группе, является степень

непрерывности процесса.

Хн = τ /Δτ, (10.1)

где τ - продолжительность процесса, т.е. время необходимое для завершения всех стадий процесса.

Δτ - период процесса, т.е. время, протекающее от начала загрузки сырья данной партии до начала

загрузки сырья следующей партии.

Для периодического процесса Δτ > 0, следовательно, Хн< 1; для непрерывного процесса Δτ→0,

следовательно, Хн→∞.

Химическая аппаратура, используемая в ХТП, подразделяется на основную – химические

реакторы и вспомогательную, назначение которой является подготовка, перемещение и разделение

веществ, участвующих в процессе.

Устройство аппаратов зависит от типа осуществляемых в них процессов, но при всем

многообразии химической аппаратуры, к ней предъявляется ряд общих требований: простота и

дешевизна конструкции; возможность реализации процесса при оптимальных условиях; применение

конструкционных материалов, обладающих необходимой коррозионной, термической стойкостью и

механической прочностью; возможность контролировать и регулировать параметры процесса.

Для обеспечения стабильности необходимо постоянное поддержание параметров ХТП на

заданном уровне, или управление процессом. При этом различают: контроль процесса, т.е.

своевременное обнаружение отклонений от режима и быстрое устранение их, и регулирование

процессов, т.е. поддержание заданного оптимального режима на каждой стадии процесса.

10.2 Основные процессы химической технологии и аппаратура для них

10.2.1 Гидромеханические процессы

Гидромеханическими процессами называются процессы, протекающие в гетерогенных, минимум

двухфазных системах и подчиняющихся законам гидродинамики. Подобные системы состоят из

дисперсной фазы, находящейся в раздробленном состоянии, и дисперсной среды. В зависимости от

агрегатного состояния дисперсионной среды и размеров частиц дисперсной фазы различают:

– для газовой среды: пыль(5-10мкм), дым(0.3-5мкм), туман (0.3-3мкм);

– для жидкой среды: суспензии (0.1-100мкм), коллоидные растворы (менее 0.1мкм), эмульсии и

пены.

К гидромеханическим процессам относятся: осаждение, фильтрование, псевдоожижение,

перемешивание в жидкой фазе.

Осаждение – процесс разделения жидких или газовых неоднородных систем путем выделения из

жидкой или газовой фазы твердых или жидких частиц дисперсной фазы. Скорость осаждения их

подчиняется закону Стокса:

U = d2* (ρt -ρж) / К*ν, (10.2)

где: К - постоянная, равная для частиц сферической формы, d-диаметр частицы,

ρт и ρж – плотность частиц и дисперсионной среды, соответственно, ν - вязкость дисперсионной

среды.

Процесс осаждения может происходить под действием различных сил. В соответствии с этим к

осаждению относятся следующие процессы:

– отстаивание, т.е. осаждение под действием силы земного тяготения;

– циклонирование и центрифугирование, т.е. осаждение под действием центробежной силы;

– электроосаждение, т. е. осаждение под действием сил электрического поля.

Для осаждения используют аппараты различной конструкции, которые должны удовлетворять

двум требованиям: время пребывания частицы в аппарате должно быть равно или больше времени ее

осаждения, и линейная скорость потока в аппарате должна быть значительно меньше скорости

осаждения.

Для отстаивания применяются отстойники различного типа периодического и непрерывного

действия, снабженные в ряде случаев гребками для удаления твердого осадка.

Циклонирование применяется для разделения пылей и реже для разделения суспензий

(гидроциклонирование). Для этой цели применяют аппараты – циклоны, в которых центробежная сила

возникает за счет вращения потока газа или жидкости. Из выражения:

Gц = m*w2 /r. (10.3)

G ц – центробежная сила, m- масса частицы, r-радиус циклона, w-окружная скорость частицы в

циклоне.

Из формулы следует, что производительность аппарата возрастает с уменьшением его диаметра.

На этом основано использование серии параллельно работающих аппаратов малого диаметра, но с той

же поверхностью осаждения, что и одного большого циклона.

Центрифугирование применяется для разделения суспензий и эмульсий и осуществляется в

центрифугах, в которых центробежная сила создается за счет вращения самого аппарата. Процесс

центрифугирования подчиняется тем же законам, что и циклонирование. Центрифуги для разделения

эмульсий называются сепараторами.

Электроосаждение применяется для осаждения взвешенных в газе твердых (пыль) или жидких

(туман) частиц под действием электрического тока и осуществляется в аппаратах называемых сухими и

мокрыми электрофильтрами. Процесс электроосаждения состоит из последовательных стадий:

– ионизация молекул за счет потоков электронов излучаемых катодом при создании в аппарате

высокой разности потенциалов:

К → nе, М + е →Мn

– адсорбция образовавшихся ионов на частицах пыли или каплях:

П +mМ-n→П(М-n)m,

– перемещение заряженных частиц к аноду, их разряд на нем и осаждение:

П(М-n)m–mnе →П +mМ

В этой схеме: М- молекулы газа, П – частица (пылинка, капля)

Метод электроосаждения обеспечивает высокую степень разделения и применяется для систем,

содержащих частицы малого размера.

Фильтрование – процесс разделения суспензий, пылей или туманов путем пропускания их через

пористую перегородку (фильтр), способную задерживать взвешенные в дисперсионной среде частицы. В

качестве материала фильтров используются зернистые материалы (гравий, песок), ткань, сетки из

металлических и полимерных нитей, пористые керамика и пластмассы.

Движущей силой процесса фильтрования служит разность давлений перед фильтром и после него

или центробежная сила, оказывающая давление на фильтр. В соответствии с этим процессы

фильтрования подразделяются на:

-фильтрование под действием перепада давления или собственно фильтрование за счет разности

давления перед фильтром и за ним,

-фильтрующее центрифугирование, протекающее под действием центробежной силы, возникающей

в фильтрующей центрифуге.

Разновидность процесса фильтрования – вакуум – фильтрование, в котором движущая сила

процесса возрастает за счет создания разряжения за фильтром.

Конструкции фильтрующих аппаратов весьма разнообразны. Они подразделяются на газовые и

жидкостные фильтры, фильтры непрерывного и периодического действия, фильтрующие центрифуги.

Наиболее распространены ленточные и барабанные вакуум-фильтры, обладающие максимальной

производительностью.

Псевдоожижение – процесс приведения твердого зернистого материала в состояние, при котором

его свойства приближаются к свойствам жидкости. Псевдоожиженные системы способны принимать

форму аппарата, перемещаться по трубопроводу, выталкивать тела меньшей плотности, обладают

свойствами вязкости и текучести. Режим псевдоожижения (режим кипящего слоя) достигается при таком

состоянии системы, когда вес зернистого материала, приходящийся на единицу площади сечения

аппарата, уравновешивается силой гидравлического сопротивления слоя.

ΔР =mсл: S

Для проведения процессов в кипящем слое используются аппараты различной конструкции, в

которых по всей высоте аппарата обеспечивается стабильный и одинаковый гидродинамический режим.

Это достигается регулированием подачи газообразного агента, применением мешалок, использованием

центробежной силы. Эти аппараты широко используются для проведения химических (обжиг руд,

крекинг углеводорода), физических, физико-химических (сушка, адсорбционная очистка газов) и

механических (обогащение, транспортировка сыпучих материалов) процессов.

10.2.2. Тепловые процессы

Тепловыми называются процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода

или отвода тепла. В тепловых процессах принимают участие минимум две среды с различными

температурами, причем теплота передается самопроизвольно (без затраты работы) от среды с более

высокой температурой Τ1 к среде с более низкой температурой Т2, т.е. если соблюдается неравенство

Т1>Т2.

При этом среда с температурой Т1 называется теплоносителем, а среда с температурой Т2 –

хладагентом. Для тепловых процессов, используемых в химическом производстве, эти температуры

колеблются в весьма широких пределах – от близких к 0К до тысяч градусов.

Основная характеристика теплового процесса – количество передаваемого тепла, по которому

рассчитывается теплопередающая поверхность аппарата. Для установившегося процесса количество

передаваемого тепла в единицу времени определяется по формуле:

Q = KΔT*F, (10.4)

К – коэффициент теплопередачи, Т – средняя разность температур между средами,

F – поверхность теплообмена.

Движущей силой тепловых процессов является градиент температуры

ΔТ = Т1 – Т2. (10.5)

К тепловым процессам относятся: нагревание, охлаждение, конденсация, испарение и

выпаривание, теплообмен.

1. Нагревание – процесс повышения температуры перерабатываемых материалов путем подвода

к ним тепла. Нагревание применяется в химической технологии для ускорения массообменных и

химических процессов. По природе применяемого для нагревания теплоносителя различают:

– нагревание острым водяным паром через барботер или глухим водяным паром через змеевик или

рубашку;

– нагревание топочными газами через стенку аппарата ил непосредственным контактом;

– нагревание предварительно нагретыми промежуточными теплоносителями водой: минеральными

маслами, расплавами солей;

– нагревание электрическим током в электрических печах различного типа (индукционных,

дуговых, сопротивления);

– нагревание твердым зернистым теплоносителем, в т.ч., катализатором в потоке газа.

Схема нагрева зернистым теплоносителем теплоноситель

2 топочные

газы

3 нагретый

компонент

газ

холодный компонент транспортирующий

1 – топка, 2 – аппарата для нагрева зернистого материала, 3 – аппарат для нагрева газа, 4 –

загрузочное устройство, 5 – сепаратор зернистого материала

2.Охлаждение – процесс понижения температуры перерабатываемых материалов путем отвода от

них тепла. В качестве хладоагентов для охлаждения применяются: вода, воздух, холодильные агенты.

Аппараты для охлаждения подразделяются на:

– аппараты косвенного контакта охлаждаемого материала с хладоносителем через стенку

(холодильники) и

– аппараты непосредственного контакта охлаждаемого материала с хладоагентом (холодильные

башни или скрубберы).

Выбор конструкции аппарата определяется природой охлаждаемого материала и хладоагента.

3.Конденсация – процесс сжижения паров вещества путем отвода от них тепла. По принципу

контакта хладоагента с конденсируемым паром различают следующие виды конденсации:

– поверхностная конденсация, при которой сжижение паров происходит на поверхности

охлаждаемой водой стенки аппарата, и

– конденсация смешением, при которой охлаждение и сжижение паров происходит при

непосредственном контакте их с охлаждающей водой. Аппараты первого типа называются

поверхностными конденсаторами, аппараты второго типа – конденсаторами смешения и

барометрическими конденсаторами. Конденсация смешением применяется в тех случаях, когда

испаренная жидкость не смешивается с водой.

4.Выпаривание – процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаления

из них летучего растворителя в виде пере. Выпаривание представляет собой разновидность теплового

процесса испарения. Условием протекания процесса выпаривания является равенство давления пара над

раствором давлению пара в рабочем объеме выпарного аппарата.

При соблюдении этого условия температура вторичного пара, образующегося над кипящим

растворителем, теоретически равна температуре насыщенного пара растворителя. Выпаривание может

производиться под давлением или в вакууме, что позволяет снизить температуру процесса. Выпаривание

может проводиться в двух вариантах: многократное выпаривание и выпаривание с тепловым насосом.

Многократным выпариванием называется процесс выпаривание с использованием в качестве

греющего пара вторичного пара. Для этого выпаривание проводится в вакууме или с применением

греющего пара высокого давления.

Число корпусов установки определяется экономическими соображениями, в частности,

затратами на производство пара и на обслуживание и зависит от начальной и конечной концентрации

упариваемого раствора.

Процесс выпаривания с тепловым насосом основан на том, что вторичный пар нагревается до

температуры греющего пара путем сжатия его в турбокомпрессоре или инжекторе и затем вновь

используется для испарения растворителя в том же выпарном аппарате.

Схема многократного выпаривания.

Ргр2

Раствор

1 2

раствор

ргр1

ргр2

конденсат конденсат

1 – первый выпарной аппарат, 2 – второй выпарной аппарат, ргр1 – давление греющего пара первого

аппарата (свежего пара), р ат1 –давление вторичного пара из первого аппарата, равное ргр2 – давлению

греющего пара второго аппарата, р ат2 – давление вторичного пара из второго аппарата.

Схема выпаривания с тепловым насосом.

упариваемая жидкость

пар пар

упаренная жидкость

1 – выпарной аппарат, 2 – устройство для нагрева вторичного пара.

10.2.3 Массообменные процессы

Массообменными называются процессы, скорость которых определяется скоростью переноса

вещества из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия (скоростью массопередачи). В

процессе массообмена принимают участие три компонента: распределяющее вещество, составляющее

первую фазу, распределяющее вещество, составляющее вторую фазу и распределяемое вещество,

переходящее из первой фазы во вторую.

Движущей силой процесса массообмена является градиент концентрации распределяемого

вещества:

ΔС = С- С р (10.6)

где: С - фактическая концентрация вещества в данной фазе;

Ср – равновесная концентрация его.

Процесс массопередачи выражается основным уравнением ее для единицы времени:

Δm = KΔC F (10.7)

где Δm – количество вещества, перешедшее из одной фазы в другую,

F- поверхность раздела фаз; ΔС – движущая сила процесса массообмена.

К массообменным процессам относятся: абсорбция, ректификация, экстракция, адсорбция, сушка.

1.Абсорбция – процесс поглощения газов или паров из газовых или паровых смесей жидкими

поглотителями (абсорбентами). В основе процесса абсорбции лежит закон Рауля, согласно которому

парциальное давление абсорбента над раствором равно давлению пара чистого абсорбента,

умноженному на его мольную долю в растворе:

раб = Раб (1-Х), (10.8)

где: раб – давление паров абсорбента над раствором,

Раб - давление паров чистого абсорбента,

Х - мольная доля абсорбированного газа в растворе.

Абсорбция – процесс избирательный и обратимый. Поэтому в сочетании с обратным процессом

десорбции он используется для разделения газовых и паровых смесей на отдельные компоненты.

Аппараты для проведения абсорбции (абсорберы) делятся на три типа:

– абсорберы, в которых контакт фаз между жидкостью и газом (паром) осуществляется в слое

жидкости, растекающейся по насадке;

– абсорберы, в которых контакт фаз создается между потоками газа и жидкости (абсорбционные

колонны);

– абсорберы, в которых контакт фаз создается за счет разбрызгивания жидкости в газе с помощью

форсунок.

Во всех случаях с помощью этих приемов достигается увеличение поверхности контакта фаз и

движущей силы процесса массообмена.

2.Адсорбция – процесс поглощения газов или паров твердыми поглотителями или поверхностным

слоем жидких поглотителей.

3.Ректификация - процесс разделения жидких однородных смесей на составляющие их

компоненты или группы компонентов (фракции) в результате взаимодействия паровой и жидкой фаз.

Процесс ректификации основан на различии состава пара над жидкостью и самой жидкости в условиях

равновесия между паровой и жидкой фазами. Это равновесие в системе «жидкость – пар» описывается

уравнением

у = х *α / [1 + (α +1) *х,] (10.9)

где: у – мольная доля компонента в паровой фазе,

х – мольная доля компонента в жидкой фазе,

α - относительная летучесть компонента.

По закону Коновалова пар по сравнению с находящейся с ним в равновесии жидкостью,

относительно более богат тем компонентом, прибавление которого к смеси понижает температуру ее

кипения. При ректификации происходит многократное испарение жидкости и конденсации паров,

движущихся противотоком, в результате чего осуществляется непрерывный массо - и теплообмен между

ними. При этом на нижней ступени из жидкой смеси извлекается низкокипящий компонент, который

переходит на верхнюю ступень, а высококипящий компонент переходит из паровой фазы в жидкую. В

результате после конденсирования паров смесь разделяется на дистиллят и остаток.

Схема ректификации

ИСХОДНАЯ СМЕСЬ

m1Х1

Процесс ректификации

ДИСТИЛЛЯТ ОСТАТОК m3 Х3

m2Х2

m1, m2, m3 –количество поступившей на ректификацию смеси, образовавшегося дистиллята и

остающегося остатка, х1, х2, х3 –содержание легколетучего компонента в них, соответственно

Из общего баланса m1= m2 + m3 и баланса летучего компонента m1X1 = m2X2 + m3X3 содержание

последнего и дистиллята равно:

m2 = m1 *[(X1-X3)/ (X2 – X3)], (10.10)

По своей конструкции аппараты для ректификации аналогичны абсорберам и называются

ректификационными колоннами. По типу контакта паровой и жидкой фаз они подразделяются на

колонны с насадкой и колонны тарельчатые. В колоннах первого типа увеличение поверхности контакта

паровой и жидкой фаз обеспечивается применением насадки в форме различных элементов и устройства,

распределяющего жидкость по насадке. Эффективность насадки обратно пропорциональна «

эевивалентному диаметру» ее, определяемую по формуле:

dэкв = 4f /S

где: f – сечение кагалов между элементами насадки, S – суммарный периметр каналов.

В колоннах второго типа для увеличения поверхности контакта фаз используются тарелки

различного типа.

Разделяющая способность ректификационной колонны определяется числом теоретических

тарелок в ней. Теоретической тарелкой называется единица высоты ректификационной колонны, на

которой достигается обогащение пара низкокипящим компонентом смеси, отвечающее равновесию

между паром и жидкостью. Число теоретических тарелок зависит от заданной полноты разделения и

летучести (практически – температуры кипения) компонентов ректификационной смеси. Эти величины

связаны зависимостью:

уп /(1-уп) = х1/ (1-х1) * αп, (10.11)

где: n – число теоретических тарелок, хп – число теоретических тарелок,

х1 – мольная доля низкокипящего компонента в жидкой фазе,

уп - мольная доля этого же компонента в паровой фазе,

α - относительная летучесть компонентов, равная отношению парциальных давлений

компонентов в паровой фазе.

4.Экстракция – это процесс извлечения одного или нескольких растворенных веществ из одной

жидкой фазы другой фазой, практически несмешивающейся с первой. Процесс экстракции основан на

законе распределения, согласно которому отношение равновесных концентраций вещества,

распределенного между двумя жидкими фазами, при постоянной температуру есть величина

постоянная., называемая коэффициентом распределения:

ηр = С1/С2, (10.12)

где: ηр – коэффициент распределения,

С1 –равновесная концентрация распределяемого вещества в первой распределяющей фазе,

С2 –то же во второй фазе.

Экстракция осуществляется в аппаратах- экстракторах, которые конструктивно делятся на:

– смесительно-отстойные, в которых последовательно проводятся две стадии процесса экстракции:

перемешивание жидкостей и их отстаивание для разделения жидких фаз;

– колонные, в которых поверхность раздела фаз увеличивается путем диспергирования капель