химическая технология. 1. Химическая технология научная основа химического производства
 Скачать 6.08 Mb.
|
|
18.Моделирование химико-технологических систем. Проблема масштабного перехода от лабораторного эксперимента к промышленному производству при проектировании последнего решается методом моделирования. Моделированием называется метод исследования объектов различной природы на их аналогах с целью определения и уточнения характеристик вновь создаваемых объектов и процессов. Моделирование включает следующие стадии: создание модели, исследование модели, масштабный перенос результата исследования модели на оригинал. В химическом производстве оригинал представляет производственный химико-технологический процесс с большим количеством связей между многочисленными элементами. Существующие методы моделирования ХТП делятся на три группы: 1.Эмпирическое моделирование, при котором производство создается на основе лабораторных экспериментальных данных с последующей доработкой химико-технологического процесса в укрупненных лабораторных и заводских условиях. При эмпирическом моделировании моделями являются лабораторная, пилотная установка и опытное производство. 2.Физическое моделирование, основанное на использовании принципа подобия. Принцип подобия позволяет путем использования набора безразмерных критериев выделить из определенного класса явлений группу взаимно подобных явлений. Эти критерии связывают различные параметры процессов, протекающих как в лабораторных, так и производственных условиях. Процессы считаются подобными, если равны их критерии. При этом становиться возможным количественное перенесение результатов лабораторного эксперимента на производственный процесс. 3.Математическое моделирование - наиболее эффективный метод. При математическом моделировании вместо физических вещественных объектов используются математические величины и функциональные зависимости, а сама модель выражена в форме математических уравнений. Сущность математического моделирования заключена в математической интерпретации процесса переработки. Математическое моделирование позволяет исследовать объект, не поддающийся другим видам моделирования. Метод математического моделирования используется при исследовании, проектировании и создании новых химических производств, перестройке существующих ХТП, расчетов материального и энергетического балансов химического производства. 19.Выбор схемы и параметров химико-технологического процесса. Подготовка и организация ХТП начинается с выбора химической схемы процесса, т.е. схемы превращения сырья в целевой продукт, представленной в виде уравнений соответствующих химических реакций. Химические схемы разрабатываются на основе анализа возможных направлений синтеза с учетом свойств сырья, требований к качеству продукта, наличия энергетических ресурсов и т.п. Решающим критерием при выборе схемы является экономичность производства по тому или иному методу. Например, фосфорная кислота может быть получена из фторапатита тремя возможными схемами: разложением сырья серной кислотой, разложение сырья азотной кислотой, электротермическим методом через пятиокись фосфора. На основании выбранной химической схемы составляется принципиальная схема ХТП. Принципиальная схема выражает связь между основными химическими, физическими и механическими операциями, представленными в условном изображении. Принципиальная схема позволяет оценить целесообразность и экономичность ХТП. Структурная схема позволяет в первом приближении оценить целесообразность и экономичность выбранного ХТП. Технологической схемой называется совокупность всех стадий ХТП, материально выраженных в аппаратах, машинах, коммуникациях. Она представляет, следовательно, последовательное изображение или описание процессов и аппаратов, составляющих химико-технологическую систему. Схемы с открытой цепью представляют ряд аппаратов, через которые все реагирующие вещества проходят лишь однократно (проточная схема). Они используются в производствах, в основе которых лежат необратимые или обратимые, но идущие с высоким выходом продукта, процессы, в которых по условиям равновесия может быть достигнута высокая степень превращения сырья без выделения целевого продукта из реакционной смеси, (например, производство ацетилена, суперфосфатов). Если степень превращения в одном аппарате невелика, то приходится последовательно включать в схему несколько однотипных аппаратов. Циклическая схема предусматривает многократное возвращение в один и тот же аппарат всех реагирующих масс или одной из фаз в гетерогенном процессе вплоть до достижения заданной степени превращения исходных веществ. 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 его конечный результат противоположным образом, поэтому возникает необходимость определить оптимальные значения которые обеспечат минимальную себестоимость получаемого продукта. 20.Общая характеристика и классификация процессов химической технологии. 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 химикотехнологического 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 = / где - продолжительность процесса, т.е. время необходимое для завершения всех стадий процесса; - период процесса, т.е. время, протекающее от начала загрузки сырья данной партии до начала загрузки следующей партии сырья. Для периодического процесса >0, следовательно, Хн. 21.Гидромеханические процессы химической технологии и аппаратура для них. Гидромеханика – наука, изучающая равновесие и движение жидкости и газа, взаимодействие между жидкостью и твердыми частицами, погруженными в жидкость полностью или частично. К гидромеханическим процессам относятся: - процессы перемещения потоков в трубопроводах и аппаратах - процессы разделения неоднородных систем (осаждение, фильтрование и центрифугирование) - процессы перемешивания и псевдоожижения.Гидромеханические процессы: осаждение, фильтрование, перемещение, перемешивание жидкостей, псевдоожижение. Осаждение – процесс разделения дисперсных систем путём выделения твёрдых или жидких частиц дисперсной фазы. Процесс осаждения может происходить под действием различных сил. В соответствие с этим к осаждению относятся: отстаивание – осаждение под действием сил тяжести; циклонирование и центрифугирование – осаждение под действие центробежных сил. электроосаждение – под действием электрического поля. Фильтрование – процесс разделения однородных смесей путём пропускания их черз пористую перегородку, способную задерживать частицы дисперсной фазы. Движущей силой процесса фильтрования служит разность давлений или центробежная сила. Соответственно, процессы фильтрования могут быть двух типов: фильтрование под действием перепада давления до и после фильтрующей перегородки; центрифугирование, протекающее под действием центробежной силы в фильтрующей центрифуге. Перемещение жидкостей и газов осуществляется по трубопроводам под действием разности давления на концах трубопроводов. В случае перемешивания жидкостей разность давления создаётся насосами, в случае перемешивания газов – компрессорами. Перемешивание жидких материалов широко применяется в химической промышленности для интенсификации химических, тепловых и массообменных процессов, а также для приготовления растворов, эмульсий, суспензий. Различают два основных способа перемешивания в жидких средах – механическое перемешивание с помощью мешалок различных конструкций и пневматическое перемешивание сжатым воздухом или инертным газом. Псевдоожижение – процесс приведения твёрдого зернистого материала в состояние, при котором его свойства приближаются к свойствам жидкости. 22.Тепловые процессы химической технологии и аппаратура для них. Химическое производство требует больших затрат тепловой энергии. Для подвода и отвода тепла используются тепловые процессы. В химической промышленности они характеризуются широким диапазоном температур и количеством передаваемого тепла. К тепловым процессам относятся: нагревание, охлаждение, испарение, конденсация и выпаривание. Нагревание – процесс повышения температуры перерабатываемых материалов путём подвода к ним тепла. Применяется в химической технологии для ускорения массообенных и химических процессов. По природе используемого для нагревания теплоносителя различают нагревание: острым водяным паром через барботер или глухим водяным паром через змеевик или рубашку; топочными газами через стенку аппарата или непосредственным контактом; горячей водой; высокотемпературными теплоносителями (растворы солей, минеральные масла); электрическим током в электрических печах различного типа. Охлаждение – процесс понижения температуры перерабатываемых материалов путём отвода от них тепла. В качестве хладагентов для охлаждения применяются: вода, воздух, холодильные растворы. Для охлаждения применяют аппараты: косвенного контакта охлаждаемого материала с хладоносителем через стенку (холодильники); непосредственного контакта охлаждаемого материала с хладагентом (холодильные башни или скрубберы). Испарение – процесс получения паров жидкостей путём подвода к ним тепла при постоянной температуре (температура испарения). Конденсация – процесс сжижения паров жидкостей путём отвода от них тепла при постоянной температуре (температура конденсации). По принципу контакта хладагента с конденсируемым паром различают следующие виды конденсации: -поверхностная конденсация, при которой сжижения паров происходит на поверхности охлаждаемой водой стенки аппарата; -конденсация смешением, при которой охлаждение и сжижение паров происходят при их непосредственном контакте с охлаждающей водой. Аппараты первого типа называются поверхностными конденсаторами, аппараты второго типа – конденсаторами смешения и барометрическими конденсаторами. Выпаривание – процесс концентрирования растворов твёрдых нелетучих веществ путём удаления из них летучего растворителя в виде пара. Выпаривание представляет собой разновидность теплового процесса испарения. Условием протекания процесса выпаривания является равенство значений давления пара над раствором и давления пара в рабочем объёме выпарного аппарата. 23.Массообменные процессы химической технологии и аппаратура для них. Массообменными называются процессы, скорость которых определяется скоростью переноса вещества из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия (скоростью массопередачи). К массообменным процессам относятся: абсорбция, ректификация, экстракция, адсорбция, сушка. 1)Абсорбция - процесс поглощения газов или паров из газовых или паровых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). 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. Адсорбция – процесс поглощения газов или паров твердыми поглотителями или поверхностным слоем жидких поглотителей 2)Ректификация – процесс разделения жидких однородных смесей на составляющие их компоненты или группы компонентов (фракции) в результате взаимодействия паровой и жидкой фаз. 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. 3) Экстракция — это процесс извлечения одного или нескольких растворены х 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 температуре есть величина постоянная., называемая коэффициентом распределения: Р = С1/С2 где: Р - 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-отстойны; колонные; центробежные и пульсационные. 4) Сушка - процесс удаления летучего компонента (чаще всего влаги) из твердых материалов путем его испарения и отвода образующегося пара. Аппараты - сушилки различной конструкции: для контактной сушки - сушильные шкафы, сушилки, оборудованные мешалками, вальцовые сушилки; для газовой сушки применяются камерные, туннельные, ленточные, барабанные и распылительные сушилки периодического и непрерывного действия 24.Принципы проектирования химических реакторов. Главная стадия химико-технологического процесса, определяющая его назначение и место в химическом производстве, реализуется в основном аппарате химико-технологической схемы, в котором протекает химический процесс - химическом реакторе. В технологической схеме химический реактор сопряжен с аппаратами подготовки сырья, аппаратами разделения реакционной смеси и очистки целевого продукта. Конструкция и режим работы химического реактора определяет эффективность и экономичность всего химико-технологического процесса. Выбор конструкции и размеров химического реактора определяется скоростями протекающих в них процессов массо-, теплообмена и химических реакций. Так как от интенсивности зависит время, затрачиваемое на производство единицы продукции, то главной задачей при расчете реактора является установление зависимости: = f (, C, U) где: U -скорость химического процесса, - время пребывания реагентов в реакторе, - степень превращения реагентов в целевой продукт, С - начальная концентрация реагентов. Расчет химического реактора состоит из следующих операций: исходя из законов термодинамики и гидродинамики определяется направление химического процесса; выявляют условия равновесия, по которым устанавливаются начальные и конечные значения параметров процесса; составляют материальный и тепловой балансы реактора; по значениям рабочих и равновесных параметров определяют движущую силу процесса и на основе законов кинетики находят коэффициент скорости процесса; по полученным данным определяют основные размеры реактора.Расчет химического реактора ведется по следующей зависимости: А = m/D·К где: А - основной размер реактора, m - количество вещества, перерабатываемого в единицу времени, D - движущая сила процесса, К - коэффициент скорости процесса 25.Классификация химических реакторов. В основу классификации химических реакторов положены три признака: организационно-техническая структура операций, осуществляемых в реакторе, характер теплового режима и режима движения компонентов. По организационно-технической структуре операций химико-технологические реакторы делятся на реакторы периодического действия и ректоры непрерывного действия. Для реакторов периодического действия характерно падение движущей силы процесса во времени вследствие уменьшения концентрации реагентов в ходе процесса. Это приводит к тому, что режим работы реакторов периодического действия нестационарен во времени и требует изменения параметров процесса (Т, Р и др.) для компенсации этого падения и поддержания скорости процесса на заданном уровне. Для реакторов непрерывного действия характерно постоянство движущей силы процесса во времени вследствие постоянства концентраций реагентов в ходе процесса. Поэтому режим работы реакторов непрерывного действия стационарен во времени и не требует корректировки параметров процесса. Эффективность работы химического реактора во многом зависит от его теплового режима, влияющего на кинетику, состояние равновесия и селективность процесса, протекающего в реакторе. По тепловому режиму реакторы подразделяются на: - Реакторы с адиабатическим режимом, в которых действует теплообмен с окружающей средой и тепловой эффект химической реакции полностью затрачивается на изменение температуры в реакторе. - Реакторы с изотермическим режимом, для которых характерно постоянство температуры в реакторе, что обеспечивается подводом тепла из реактора. - Реакторы с политропическим режимом, характеризующиеся подводом или отводом тепла из реактора при изменяющейся температуре в нем. За счет этого в реакторе устанавливается заданный тепловой режим и достигается автотермичность процесса. Реакторы этого типа наиболее распространены в химическом производстве. |