химическая технология. 1. Химическая технология научная основа химического производства
 Скачать 6.08 Mb.
|
|
10.Технико-экономические показатели химического производства. Технико-экономический уровень производства определяется совокупностью технико-экономических показателей: • расходный коэффициент по сырью и энергии, • выход готового продукта и степень превращения сырья, • селективность процесса, • производительность, • интенсивность работы аппарата, • качество продукта, • себестоимость продукта. Технико-экономические показатели зависят от ряда факторов, характеризующих состояние производства: • возраст предприятия (физический и моральный износ), • техническое состояние оборудования, • степень автоматизации производства, • квалификация кадров, • уровень организации труда, • прогрессивность используемой технологии. Технико-экономические показатели отражают возможности предприятия выпускать продукцию заданного качества и в заданном количестве. Они являются критериями, позволяющими установить экономическую целесообразность данного производства и его рентабельность. ТЭП используется для оценки текущего состояния производства, его планирования и обновления техники. 11.Структура экономики химического производства. Важное значение для оценки экономической эффективности имеют и такие показатели как капитальные затраты, себестоимость продукции и производительность труда. Эти показатели зависят от структуры экономики химического производства, в частности от удельного веса в ней основных и оборотных фондов и фонда заработной платы. Основные фонды являются материально-вещественным выражением средств труда. Они представляют часть средств производства, которая целиком участвует в процессе производства, но потребляются в течение многих производственных циклов, перенося свою стоимость на готовый продукт по частям. Основные фонды делятся на основные производственные и основные непроизводственные фонды. К основным производственным фондам относятся здания производственного и вспомогательного назначения, сооружения, аппараты, машины, оборудование, транспортные средства и т. п. К основным непроизводственным фондам относятся объекты, предназначенные для обслуживания населения и непроизводственной сферы деятельности ( жилые дома, больницы и т. д.). Оборотные фонды являются материально-вещественным выражением предметов труда. Они представляют часть средств производства в каждом производственном цикле, перенося свою стоимость сразу на готовую продукцию. Оборотные производственные фонды подразделяются на оборотные производственные фонды и фонды обращения. Оборотные производственные фонды - это предметы труда, обращенные в сфере производства. Это сырье, основные и вспомогательные материалы и т. п. Оборотные производственные фонды, выраженные в денежной форме, составляют оборотные средства предприятия. 12.Материальные и энергетические балансы химического производства. Материальным потоком называется графическое отображение движения и изменения веществ, участвующих в химическом процессе. Материальный поток выражается в виде материально-потокового графа (МПГ) процесса, т.е. графической схемы, в которой отражены природа вещества, направления его перемещения, изменения агрегатного состояния и химического состава. Материальный баланс – вещественное выражение закона сохранения массы: масса веществ, поступивших на технологическую операцию (приход) равна массе веществ, получившихся в результате этой операции (расход). В основу энергетического баланса положен закон сохранения энергии: в замкнутой системе сумма энергий всех видов постоянна. Наиболее распространенным видом энергетического баланса является тепловой баланс. Статьями прихода и расхода в тепловом балансе являются тепловые эффекты реакций ∆Н, теплоты фазовых переходов (Q1), теплосодержание веществ, участвующих в процессе (Q2), теплота, подводимая в аппарат извне (Q3), тепловые потери. ∆Н + Q1 + Q2 + Q3 = ∆Н + Q1’ + Q2’ + Q3’ + Qпотерь где индекс ' относится к статьям расхода 13.Понятие о химико-технологическом процессе. Процессы в химическом реакторе. Химико-технологическим процессом (ХТП) называется сочетание связанных друг с другом и проводимых в определенной последовательности химических, физико-химических, физических и механических операций с целью получения из сырья готового продукта. В общем случае ХТП состоит из трех взаимосвязанных элементарных процессов: 1. Подготовка сырья к химической переработке. 2. Химическое превращение подготовленного сырья в продукты реакции. В реакционной смеси обычно происходит несколько последовательных реакций, приводящих к образованию целевого продукта и ряд побочных реакций, приводящих к образованию побочных продуктов. Обычно при анализе производственных процессов учитываются не все реакции, а только те, которые имеют влияние на количество и качество основных продуктов. 3. Выделение целевого продукта из реакционной смеси и его очистка. Таким образом, из трех стадий ХТП первая и третья представляют физические процессы, вторая - химический процесс. Эффективность осуществления ХТП требует соблюдения некоторых условий. Поэтому для каждого ХТП разрабатывается технологический режим. Технологическим режимом называется совокупность параметров, обеспечивающих устойчивое и максимально эффективное проведение ХТП. Параметром технологического режима называют величину, характеризующую какое-либо устройство или режим работы аппарата, используемую в качестве основного показателя их действия. Химические процессы осуществляются в химическом реакторе, представляющем основной аппарат производственного процесса. От конструкции химического реактора и режима его работы зависит эффективность всего ХТП. В технологической схеме химический реактор сопряжен с другими ее элементами - аппаратами подготовки сырья, аппаратами разделения реакционной смеси и очистки продуктов. Под химическим процессом в реакторе понимают химическую реакцию или совокупность нескольких реакций и сопутствующие ей явления массо - и - теплопереноса. В химическом реакторе условно выделяют три зоны, в каждой из которых протекают процессы, подчиняющиеся разнообразным закономерностям: зону подвода реагирующих веществ в зону химической реакции, зону химических реакций, зону отвода продуктов из зоны химических реакций. В первой и третьей зонах реактора протекают физические процессы, подчиняющиеся общим законам массопередачи. Ускорение этих процессов и интенсификация работы химических реакторов могут быть достигнуты путем перемешивания системы, интенсификации подачи реагентов, увеличения скорости потока. Во второй зоне реактора протекает ряд последовательных или параллельных химических реакций, каждая их которых характеризуется скоростью (кинетический фактор) и состоянием равновесия в системе (термодинамический фактор). Следовательно, для оценки протекающих в этой зоне явлений, необходимо исследовать влияние различных факторов на скорость химических реакций и состояние равновесия в системе. 14.Скорость химической реакции. Общая скорость химического процесса. Скорость химической реакции, протекающей в реакторе, описывается общим уравнением: v = k·L·С где, k – константа, L-параметр, характеризующий состояние реагирующей системы; С – градиент концентраций, представляющий частный случай движущей силы реакции. Движущей силой процесса называется разность между предельным значением параметра процесса (температура, давление, концентрация) и его действительным значением в данный момент времени, т.е. Т, Р, С. Чем больше движущая сила процесса при постоянстве других параметров, тем выше скорость характеризуемого этим параметром процесса. Для реакций, протекающих в гомогенной системе, скорость определяется количеством полученного целевого продукта в единицу времени в единице объема системы: vгом= K·V·C где k - константа скорости химической реакции, V - реакционный объем, величина которого обратно пропорциональна времени контактирования. Для реакций, протекающих в гетерогенной системе, количество получаемого целевого продукта в единицу времени относят к единице поверхности соприкосновения фаз, на которой протекает реакция: vгет. = km·С·F Выражение для движущей силы процесса С зависит от обратимости химической реакции. Для необратимых гомогенных реакций: аА + bB = dD +Н движущая сила равна произведению конечных концентраций реагирующих веществ в степенях их стехиометрических коэффициентов: С=САа ·СВb Для обратимых гомогенных реакций: аА + bВ dD движущая сила представляет произведение разности конечных концентраций реагирующих веществ и их равновесных концентраций: С = (СА – СА’)а · (СВ – Св’)b СА и СВ - концентрации вещества на выходе из реактора; СА’ и СВ’ - равновесные концентрация веществ. Одним из важнейших условий интенсификации ХТП, от которого зависят производительность и размеры аппарата, является повышение скорости химической реакции. Общая скорость химического процесса в реакторе определяется скоростью наиболее медленной его стадии. Здесь возможны два крайних случая: 1. Скорость химической реакции (в зоне 2) меньше скорости физических процессов подвода реагентов и отвода продуктов (в зонах 1 и 3). В этом случае химический процесс лимитируется скоростью химической реакции и ускоряется факторами, влияющими на нее: повышение температуры, увеличение концентрации реагентов, повышение давления (для газообразных систем). Принято говорить, что в этом случае гетерогенный химический процесс протекает в кинетической области. 2. Скорость химической реакции (в зоне 2) больше скорости физических процессов подвода реагентов и отвода продуктов (в зоне 1 и 3). В этом случае химический процесс лимитируется процессом диффузии (масса переноса) компонентов к поверхности раздела фаз и обратно и ускоряется факторами, влияющими на диффузию: повышение давления, перемешивание, гомогенизация системы. Принято говорить, что в этом случае гетерогенный химический процесс протекает в диффузионной области. Очевидно, что зависимость скорости процесса от важного фактора - температуры в этих областях различна  Зависимость скорости химического процесса от температуры. А - кинетическая область; В - переходная область; С - диффузионная область.15.Термодинамические расчеты химико-технологических процессов. При проектировании технологических процессов термодинамические расчеты химических реакций позволяют сделать заключение о принципиальной возможности данного химического превращения, предварительно выбрать условия проведения процесса, определить равновесный состав продукта, что необходимо для составления энергетических балансов. Термодинамические параметры делятся на экстенсивные и интенсивные. Величины, пропорциональные массе термодинамической системы, называются экстенсивными, это - объем, внутренняя энергия, энтропия, энтальпия. Экстенсивные параметры обладают свойством аддитивности (когда значение величины соответствующее целому объекту равно сумме значений величин соответствующих его частям, например: объём системы равен сумме объёмов её частей). Интенсивные величины не зависят от массы термодинамической системы, и только они служат термодинамическими параметрами состояния. Это - температура, давление, а также экстенсивные величины, отнесенные к единице массы, объема или количества вещества. Изменение интенсивных параметров с целью ускорения химико-технологического процесса называется интенсификацией. Расчет константы равновесия и изменения энергии Гиббса позволяет определять равновесный состав реакционной смеси, а также и максимально возможное количество продукта. В основе расчета констант равновесия для идеальных газов лежат уравнения G0 = - RTlnKp G0 = H0 - TS0 где H0 и S0 - стандартные энтальпия и энтропия. Эти уравнения связывают константу равновесия с изменением энергии Гиббса, зависящей от изменения энтальпии и энтропии. При этом, поскольку важно не абсолютное значение термодинамических функций отдельных участников реакции, а лишь их изменение, необходимо иметь какую-либо точку отсчета. 16.Основные положения эксергетического метода анализа. Эксергетический баланс. Сущность эксергетического метода заключается в том, что любые потоки энергоносителей (вода, пар, химические продукты) или энергии (электроэнергия, теплота) оценивают по той максимально полезной работе, которую они могут совершить. Максимальную способность системы к совершению работы с учетом взаимодействия с окружающей средой, параметры которой не зависят от воздействия рассматриваемой системы, называют технической работоспособностью или эксергией. В качестве окружающей среды при этом понимают среду практически неограниченных размеров, характеризующуюся относительно постоянными параметрами - температурой, давлением и химическим составом. Энергия, отведенная в окружающую среду в виде теплоты или работы, становится внутренней энергией окружающей среды. Окружающая среда служит аккумулятором энергии, имеющим большие размеры, параметры состояния окружающей среды, которые несмотря на получение энергии, не меняются. Таким образом, окружающая среда - это источник исходных веществ и приемник продуктов, который обладает минимальной свободной энергией и поэтому не может быть источником работы. Система, находящаяся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, теряет способность совершать полезную работу. Если параметры состояния вещества соответствуют параметрам компонентов окружающей среды, практическая энергетическая пригодность вещества равна нулю. Эксергетический баланс. Для оценки экономической эффективности технологических процессов используют уравнения материального и теплового балансов. При этом следует отметить, что энергетический баланс учитывает только количественные соотношения энергий, на основе которых определяется производительность аппарата, расход теплоносителя и коэффициент полезного действия. Но при этом не дается оценка качественного различия энергоресурсов разной физической природы и разного потенциала. В связи с этим указанные балансовые уравнения, базирующиеся на законах сохранения и превращения массы и энергии, дополняют эксергетическим балансом, основанным на одновременном учете первого и второго начал термодинамики. Уравнение эксергетического баланса в общем, виде имеет следующий вид: E' = E'' + D где E' и E'' - входящие и выходящие потоки эксергии, D - потери эксергии. Термины «потери энергии» и «потери эксергии» имеют принципиальное различное содержание. Как известно, энергия исчезать не может, и потери энергии означают потери не вообще, а потери для данной системы или потери для данной цели, если часть энергии непригодна для нее по своей форме или параметрам. Потери эксергии означают, напротив, ее полное исчезновение, уничтожение, связанное с диссоциацией энергии. Для эксергии неприменим общий закон сохранения. Сумма эксергий всех элементов системы в ходе процесса уменьшается, только при отсутствии потерь, сумма эксергий до и после процесса остается постоянной, в каждом необратимом процессе эксергия преобразуется в энергию. 17.Химическое производство как система. Производственные процессы в химической промышленности могут существенно различаться видами сырья и продукции, условиям их проведения, мощностью аппаратуры и т. д. Однако при всем многообразии конкретных процессов современное химическое производство имеет одно общее: это сложная химико-технологическая система, состоящая из большого числа аппаратов и разнообразного оборудования (узлов) и связей (потоков) между ними. При этом под химико-технологической системой (ХТС) понимается совокупность всех процессов и средств для их проведения с целью получения продукта заданного качества и в требуемом количестве. Особенность химико-технологических процессов (ХТП) в том, что они протекают с высокими скоростями, при высоких температурах и давлениях в многофазных системах. Это определяет их сложность, большое число параметров, многочисленность связей между ними и взаимное влияние параметров друг на друга внутри ХТС. Эффективное функционирование химического производства как ХТС предполагает решение ряда задач, как на стадии проектирования, так и на стадиях строительства предприятия и его эксплуатации. При решении этих задач: определяется характер и порядок размещения и соединения отдельных аппаратов в технологической схеме; определяется значение входных параметров сырья; устанавливаются значения технологических показателей системы; определяются конструкционные характеристики аппаратов системы; выбираются параметры технологического режима во всех аппаратах, влияющих на скорость процесса, выход и качество продукции. В ходе решения этих задач разрабатывается промышленное производство, т.е. осуществляется масштабный переход от лабораторного эксперимента к химическому предприятию. Сложность этой задачи выдвигает необходимость системного подхода при ее решении. При системном подходе любое химическое производство рассматривается как объект, взаимодействующий с внешней средой и обладающий сложным внутренним строением, большим количеством составных частей и элементов, взаимно связанных друг с другом и поэтому действующих как единое целое. В подобной системе различают элемент — самостоятельную и условно неделимую единицу, и подсистему — группу элементов, обладающую определенной целостностью. В химическом производстве элементом считают аппарат, подсистемой - группу аппаратов, технологическую установку. Между элементами и подсистемой существуют различные типы связи: материальные, энергетические, информационные, которые реализуются в форме потоков, переносящих вещество, энергию. Химико-технологическим системам присущи некоторые общие признаки: общая цель функционирования (выпуск химической продукции), многочисленность элементов и связей между ними, большое число параметров, характеризующих работу системы, высокая степень автоматизации процессов управления производством. Химическое производство как ХТС представляет достаточно сложную иерархическую структуру, включающую несколько уровней. |