шпаргалка по охт. 1. Технологические показатели и их роль в управлении технологическим процессом
 Скачать 0.82 Mb.
|
|
52.Элементы и связи ХТС. ХТС представляет собой совокупность операций, позволяющих получить целевой продукт из исходного сырья. ХТС в целом – это сложная система, состоящая из единичных связанных между собой процессов (элементов) и взаимодействующая с окружающей средой, при этом отдельные аппараты соединены в технологическую схему. Классификация элементов ХТС проводится по их назначению. Механические и гидромеханические элементы производят изменение формы и размера материала и его перемещение, объединение и разделение потоков. Эти операции выполняются грануляторами, дробилками, смесителями, сепараторами, фильтрами, циклонами, компрессорами и насосами. Теплообменные элементы изменяют температуру потока, его теплосодержание, переводят вещества в другое фазовое состояние. Эти операции осуществляются в теплообменниках, испарителях, конденсаторах, сублиматорах. Массообменные элементы осуществляют межфазный перенос компонентов, изменение компонентного состава потоков. Эти операции проводят в дистилляторах, абсорберах, адсорберах, ректификационных колоннах, экстракторах, кристаллизаторах, сушилках. Реакционные элементы осуществляют химические превращения, кардинально меняют компонентный состав потоков и материалов. Эти процессы происходят в химических реакторах. Энергетические элементы осуществляют преобразование энергии и получение энергоносителей. К ним относятся турбины, генераторы, приводы для выработки механической энергии, котлы-утилизаторы для выработки пара. Элементы контроля и управления для измерения параметров потоков, контроля состояния аппаратов и машин. Это – датчики (температуры, давления, расхода, состава и т.д.); исполнительные механизмы (вентили, задвижки, выключатели и т.д.). Кроме того, к данной группе элементов относятся приборы выработки и преобразования сигналов, информационные и вычислительные устройства.Каждый из приведенных элементов может менять свое назначение в зависимости от подсистемы его использования. 53.Структура ХТП. ХТП представляет собой совокупность операций, позволяющих получить целевые продукты из исходного сырья. Соответствующим образом подготовленные реагенты подвергают химическому взаимодействию, включающему часто несколько этапов. В результате реакций получают смесь продуктов (целевых, побочных) и непрореагировавших реагентов. Заключительные операции связаны с разделением этой смеси.  Подвод реагирующих компонентов сырья в зону реакции (1); физические превращения и химические реакции (2); отведение продуктов реакции из реакционной зоны (3). Подведение сырья и отведение продуктов реакции совершается путем молекулярной диффузии (проникновение частиц вещества под действием градиента концентраций в сторону меньшей концентрации от большей) или путем конвекции (перемещение макрочастиц под действием приложенных сил: механических, физических). При интенсивном перемешивании компонентов конвективный перенос называется турбулентной диффузией. Химико-технологический процесс включает многофазные системы. Под фазой понимается совокупность однородных частей системы, одинаковых по составу, химическим и физическим свойствам и отграниченных от других частей системы поверхностью раздела. В многофазных системах подвод и отвод сырья и продуктов реакции может совершаться путем абсорбции, адсорбции или десорбции паров или газов, конденсации паров, плавления твердых веществ; растворением твердых соединений в жидкости, испарением или возгонкой. При этом данная стадия, при переходе компонентов из одной фазы в другую, во многих случаях является самой медленной стадией (этапом) ХТП и определяет общую скорость всего процесса ХТП. Межфазный переход при этом является сложным диффузионным процессом. Приемом, ускоряющим этап подведения сырья в ХТП, является предварительная его подготовка (измельчение, плавление, очистка и т.д.), что имеет место на производстве. Как показано на рис центральным моментом ХТП является химическое превращение введенного в процесс сырья, в результате чего образуются целевые продукты. В основе превращения лежат химические реакции. Причем наряду с целевыми реакциями идут побочные (последовательно, параллельно). Однако в производстве учитываются лишь те, которые влияют на количество и качество получаемых основных (целевых) продуктов. Общая скорость ХТП суммирует эти скорости:  54.Классификация химических реакций. - по фазовому состоянию сырья и продуктов различают гомогенные и гетерогенные химические реакции; - по механизму реакции различают простые (одностадийные) и сложные (многостадийные) реакции, в частности параллельные, последовательно-параллельные реакции: пример одностадийной реакции:  (образуются только целевые продукты);сложная (многостадийная) реакция:  образуются не только целевые, но и побочные продукты;по порядку химической реакции, порядок реакции в кинетическом уравнении – n  показывает зависимость скорости реакции (  ) от концентрации ( ) участников реакции, а  - константа скорости реакции (или коэффициент пропорциональности, или удельная скорость).Порядок реакции может быть равен нолю, единице, двум. Может иметь дробное значение и может меняться в процессе химической реакции. по тепловому эффекту различают экзотермические реакции, идущие с выделением теплоты (  или  ), или эндотермические реакции ( или  ), идущие с поглощением теплоты;по использованию катализатора различают каталитические химические процессы и некаталитические; по состоянию равновесия известны практически необратимые процессы, например,  и обратимые  . Обратимые реакции технологии условно делят на смещенные и несмещенные.55.Водные ресурсы. Развитие промышленности, перевод сельского хозяйства на индустриальную основу, рост городов способствуют постоянному водопотреблению. Основными потребителями воды являются химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная отрасли промышленности, черная и цветная металлургия, энергетика, мелиорация.  Охлаждающая вода служит для охлаждения жидких и газообразных продуктов в теплообменных аппаратах. Вода не соприкасается с материальными потоками.Технологическая вода подразделяется в свою очередь на средообразующую, промывающую и реакционную. Средообразующая вода используется для растворения и образования пульп (суспензий) при обогащении, гидротранспорте продуктов и отходов производства; промывающая вода – для промывки газообразных (абсорбция), жидких (экстракция) и твердых продуктов; реакционная – в качестве реагента, а также при азеотропной отгонке. Технологическая вода непосредственно контактирует с продуктами процесса.Энергетическая вода используется при получении пара (для питания парогенераторов) и как рабочее тело при передаче тепла от источника к потребителю (горячая вода). Основное количество воды применяется в технологических процессах получения продукции, выполняя функции химического реагента, экстрагента, абсорбента, растворителя, реакционной среды, транспортирующего агента, питательной воды в котлах-утилизаторах. На предприятиях нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности основное количество воды (до 90-95 %) используется для охлаждения и конденсации перерабатываемых продуктов в теплообменной аппаратуре, в котлах-утилизаторах. Примерно 5-10 % воды этими предприятиями потребляется в качестве растворителя или для промывки продукции.Источник водных ресурсов – гидросфера, включающая воды мирового океана, атмосферы, рек, озер, грунтовые воды. Объем гидросферы занимает примерно ¾ поверхности земного шара. 56.Диффузионная и кинетическая области протекания ХТП. Подведение сырья и отведение продуктов реакции совершается путем молекулярной диффузии (проникновение частиц вещества под действием градиента концентраций в сторону меньшей концентрации от большей) или путем конвекции (перемещение макрочастиц под действием приложенных сил: механических, физических). При интенсивном перемешивании компонентов конвективный перенос называется турбулентной диффузией. Химико-технологический процесс включает многофазные системы. Под фазой понимается совокупность однородных частей системы, одинаковых по составу, химическим и физическим свойствам и отграниченных от других частей системы поверхностью раздела. В многофазных системах подвод и отвод сырья и продуктов реакции может совершаться путем абсорбции, адсорбции или десорбции паров или газов, конденсации паров, плавления твердых веществ; растворением твердых соединений в жидкости, испарением или возгонкой. При этом данная стадия, при переходе компонентов из одной фазы в другую, во многих случаях является самой медленной стадией (этапом) ХТП и определяет общую скорость всего процесса. Межфазный переход при этом является сложным диффузионным процессом. Приемом, ускоряющим этап подведения сырья в ХТП, является предварительная его подготовка (измельчение, плавление, очистка и т.д.), что имеет место на производстве.Центральным моментом ХТП является химическое превращение введенного в процесс сырья, в результате чего образуются целевые продукты. В основе превращения лежат химические реакции. Причем наряду с целевыми реакциями идут побочные (последовательно, параллельно). Однако в производстве учитываются лишь те, которые влияют на количество и качество получаемых основных (целевых) продуктов.Очевидно, что каждая стадия ХТП имеет определенную скорость (  ), а общая скорость ХТП суммирует эти скорости: .Если наиболее медленными стадиями являются подвод сырья ( ) или отвод продуктовой смеси ( ), то процесс проходит в диффузионной области. Но если самой медленной стадией является сама химическая реакция ( ) и она лимитирует суммарную скорость ХТП ( ), то считается, что процесс протекает в кинетической области.При организации ХТП стремятся устранить (по возможности) диффузионные ограничения (турбулизация реагирующей смеси, ее гомогенизация, перевод многофазной системы в однофазную), после чего целесообразно ускорять собственно химический процесс – увеличением концентрации исходного сырья, температуры (для эндотермического процесса), давления, применением катализаторов.Если скорости всех стадий соизмеримы – считается, что процесс проходит в переходной области. При этом можно ускорять процесс теми факторами, которые увеличивают как диффузию, так и скорость химической реакции, например, повышением температуры. 57.Основные стадии производства серной кислоты – обжиг серного колчедана (термодинамические основы, технология, оборудование). Обжиг колчедана (пирита) является сложным физико-химическим процессом и включает в себя ряд последовательно или одновременно протекающих реакций:
т.е. практически необратима, экзотермична и идет с уменьшением объема. Термическое разложение пирита начинается уже при температуре около 200 °С и одновременно воспламеняется сера. При температурах выше 680 °С интенсивно протекают все три реакции. В промышленности обжиг ведут при 850-900 °С. Лимитирующей стадией процесса становится массоперенос продуктов разложения в газовую фазу и окислителя к месту реакции. При этих же температурах твердый компонент размягчается, что способствует слипанию частиц. Эти факторы определяют способ проведения процесса и тип реактора. Первоначально использовали полочный реактор (камерная печь). Колчедан непрерывно поступает сверху на полки, а воздух снизу проходит через неподвижные слои кускового колчедана. Лопатки гребков перемещают куски колчедана по тарелкам сверху вниз поочередно от оси аппарата к его стенкам и обратно (предотвращает слипание частиц). Основное ограничение – невозможность использования мелких частиц, в то время как для гетерогенного процесса основной способ ускорения скорости превращения – дробление частиц. В циклонные печи колчедан подают вместе с горячим воздухом. В печах пылевидного обжига частицы сгорают во время падения в полой камере. Мелкие частицы можно перерабатывать в кипящем (псевдоожиженном) слое, что реализовано в печах КС – кипящего слоя. Пылевидный колчедан подается через питатель в реактор. Окислитель (воздух) подается снизу через распределительную решетку со скоростью, достаточной для взвешивания твердых частиц. Их витание в слое предотвращает слипание и способствует хорошему контакту их с газом, выравнивает температурное поле по всему слою, обеспечивает подвижность твердого материала и его переток в выходной патрубок для вывода продукта из реактора. В таком слое подвижных частиц можно расположить теплообменные элементы. коэффициент теплоотдачи от псевдоожиженного слоя сравним с коэффициентом теплоотдачи от кипящей жидкости, и тем самым обеспечены эффективные теплоотвод из зоны реакции, управление его температурным режимом и использование тепла реакции. Основной недостаток печей КС – повышенная запыленность обжигового газа. Это требует более тщательной очистки газа от пыли – в циклоне и электрофильтре. Печное отделение помимо печи включает котел-утилизатор и аппараты для очистки обжигового газа от огарковой пыли. Газы обжига колчедана содержат в виде примесей соединения фтора, селена, теллура, мышьяка и некоторые другие, образующиеся из примесей в сырье. Естественная влага сырья также переходит в газ. При горении образуется некоторое количество  и, возможно, оксиды азота. Эти примеси приводят или к коррозии аппаратуры, или к отравлению катализатора, а также сказываются на качестве продукта – серной кислоте. Их удаляют в промывном отделении.58.Основные стадии производства серной кислоты – окисление диоксида серы (термодинамические основы, технология, оборудование). Реакция
является обратимой, экзотермической, протекает на катализаторе с уменьшением объема. Тепловой эффект реакции при температуре 500 °С  кДж/моль. Константа равновесия  [атм-0,5] зависит от температуры и в интервале 400-700 °С равна
Необходимые степени превращения (около 99 %) достигаются при температурах 400-420 °С. Давление не сильно влияет на равновесную степень превращения диоксида серы, поэтому в промышленности процесс проводят при давлении, близком к атмосферному. Скорость реакции повышается с ростом концентрации кислорода, поэтому процесс в промышленности проводят при его избытке.Катализаторы окисления  готовят на основе оксида ванадия ( ) с добавкой щелочных металлов, нанесенных на оксид кремния, платина и в только области высоких температур Fe2O3/ Чаще всего в промышленности используют полочные контактные аппараты с наружным теплообменом. Одним из наиболее рациональных способов увеличения степени превращения диоксида серы, применяемый в сернокислотной промышленности – метод двойного контактирования и двойной абсорбции (ДКДА). Реакционную смесь, в которой степень превращения 90-95%, охлаждают и направляют в промежуточный абсорбер для выделения SO3. Вновь нагретый газ снова подают в контактный аппарат, где на одном-двух слоях катализатора достигают 95% степени превращения оставшегося SO2. На первой стадии контактирования три слоя + один слой на второй (контактное отделение). Температурные границы и значение  в них для разных катализаторов могут различаться. Для катализаторов ИК-1-6 и СВД  кДж/моль при  К. это –низкотемпературные катализаторы. Активность промышленных катализаторов при температуре ниже 680 К весьма мала, а выше 880 К происходит их термическая дезактивация. Поэтому рабочий интервал температур эксплуатации большинства катализаторов – 580-880 К, а степень превращения в реакторе, определяемая нижней границей этого интервала, составляет 98 %.Начальная концентрация перерабатываемого газа выбирается так, чтобы режим процесса находился в пределах рабочих температур катализатора. Большое значение при  К приводит к резкому уменьшению скорости реакции с понижением температуры. Чтобы адиабатический процесс в первом слое мог интенсивно развиваться, начальная температура должна быть не ниже713 К. Ее называют «температурой зажигания» (для низкотемпературных катализаторов она ниже). |
;
;
.
.