Федора Максимовича Черномурова отличали глубокая преданность науке, творческая энергия, завидная работоспособность. Он был крупным спе циалистом в области теплофизики и металлургической теплотехники. Особый вклад внес в решение
 Скачать 3.68 Mb.
|
|
4.4 . Материальный и энергетический балансы Учет расхода материальных и энергетических ресурсов осуществляются разными методами. Общим является то, что на основании проведенных изме- рений составляется материальный и (или) энергетический баланс. Без составле- ния энергетического и материального баланса нельзя приступать к решению проблем энерго- и ресурсосбережения. 65 Материальный и энергетический (тепловой) балансы разрабатываются на основании законов сохранения материи и энергии. Движение – форма суще- ствования материи. Количественной мерой движения является энергия. Мате- рия, также как и энергия, не может бесследно исчезнуть. Переход из одного со- стояния в другое сопровождается изменением количества энергии и материи так, что при отсутствии потерь в окружающее пространство (для изолирован- ных термодинамических систем) количество и энергии, и вещества остается по- стоянным. При составлении материального и энергетического балансов исходят из того, что если вещество и энергия не накапливаются в термодинамической си- стеме (аккумулирующий эффект отсутствует) и если в рассматриваемой систе- ме отсутствуют стоки и источники вещества и энергии, то приходная часть ве- щества и (или) энергии должна быть равна расходной. Материальный и энергетический баланс отдельно взятого объекта, агре- гата, цеха, предприятия, муниципального образования, региона, страны, био- сферы обеспечивает надежную основу для принятия обоснованных решений по дальнейшему совершенствованию технологических процессов в любой отрасли народного хозяйства и целесообразности проведения мероприятий по охране окружающей среды. С целью определения структуры приходной и расходной частей матери- ального и теплового балансов, степени замкнутости материальных и энергети- ческих потоков в рамках изучаемого объекта (здания, аппарата, цеха, группы цехов, предприятий, организаций, района, города, региона, страны) проводят энергетический и экологический мониторинг. 66 5. ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС КАК СИСТЕМА Химико-технологический процесс (ХТП) – сложная система, состоящая из подсистем, каждая из которых развивается по своим законам. В качестве та- ких подсистем необходимо выделить следующие: − тепло- и массообменные процессы; − процессы гидродинамики; − процессы, протекающие с изменением агрегатного состояния ве- ществ – участников ХТП; − процессы разделения продуктов и полупродуктов; − механические процессы и др. 5.1. Оборудование химического производства Процессы в химическом производстве протекают в определенных устройствах – машинах и аппаратах. Потоки между ними передаются по трубо- проводам и другими средствами. Потоки регулируются запорной арматурой (вентилями, задвижками) и другими устройствами. Контроль и управление осуществляются с помощью датчиков, приборов и другой аппаратуры. Все это размещается на строительных конструкциях – в зданиях, на опорных устрой- ствах, эстакадах. Названные устройства и конструкции определяются в процес- се проектирования производства, рассчитаны на весь срок его существования и создаются за счет единовременных затрат – «капитальных вложений». По целевому назначению капитальные вложения классифицируются сле- дующим образом. Оборудование, предназначенное для осуществления химико- технологического процесса: − технологические аппараты для осуществления отдельных процессов – реакторы, ректификационные колонны, абсорберы, теплообменники, выпарные аппараты, фильтры, емкости и т. д. Аппараты в большинстве своем не содержат подвижных элементов, если не считать мешалок и других встроенных механи- ческих приспособлений, обеспечивающих необходимый режим протекания процесса в аппаратах; 67 − технологические машины для обеспечения технологического процесса (основной рабочий орган у них, как правило, подвижный) – насосы, вентилято- ры, турбины, компрессоры, транспортеры и др. с соответствующими привода- ми – устройствами, приводящими в действие рабочие органы машин (турбины, электромоторы, двигатели); − трубопроводы для передачи потоков газа, жидкости и их смесей между аппаратами и машинами. По трубопроводам могут передаваться и твердые ве- щества, обычно в виде взвесей (пневмо- и гидротранспорт); − регулирующая и запорная арматура – краны, вентили, задвижки, заслонки; − аппаратура контроля и управления включает в себя датчики состояния потоков, первичные преобразователи, показывающие приборы, системы управ- ления, исполнительные механизмы; Строительно-монтажные конструкции для размещения оборудования: − здания и сооружения для размещения оборудования и рабочего персонала; − опорные конструкции вне зданий, фиксирующие и поддерживающие оборудование производства, в основном аппараты и машины; − эстакады – опорные конструкции для трубопроводов при значительной их протяженности. Капитальные вложения довольно значительны, и уменьшение их является одной из задач при разработке и проектировании производства. Целенаправ- ленные технологические решения – организация процессов в отдельных аппа- ратах и агрегатах, а также в ХТС в целом могут изначально уменьшить расходы на оборудование. Концепция эффективного использования оборудования хи- мического производства направлена на минимизацию капитальных затрат на технологическое оборудование путем создания условий протекания в нем про- цессов с максимально возможной интенсивностью. Выбор процесса Для минимизации капитальных затрат следует выбирать процесс более интенсивный, протекающий с большей скоростью. Одним из наиболее ярких примеров является переход от алюмосиликатного катализатора гидрокрекинга 68 углеводородов к цеолитному – скорость процесса была увеличена в результате этого более чем в 300 раз. Вместо процесса в реакторе большого объема с псев- досжиженным слоем организован процесс в режиме вертикального пневмо- транспорта катализатора реакционной смесью (процесс в восходящем слое ка- тализатора). Реактор представляет собой трубу диаметром 250 мм и высотой несколько десятков метров. Оптимизация химико-технологического процесса – за счет увеличения его интенсивности. Организация процесса в аппарате Почти всегда возможно один и тот же процесс провести разными способами: − теплообмен и контакт фаз – в противотоке или прямотоке; − гетерогенно-каталитическую реакцию – в неподвижном или движу- щемся слое катализатора; − разделение жидкостей – ректификацией или дистилляцией и т. д. Один из примеров был приведен выше. Переход на цеолитный катализа- тор гидрокрекинга углеводородов был осуществлен одновременно с новой ор- ганизацией процесса во взвешенном слое в виде восходящего потока катализа- тора. Традиционный пример сокращения затрат на работу теплообменника – использование противотока теплоносителей в нем. Контактирование газа с жидкостью может осуществляться различными способами. Для газожидкостных процессов, скорость которых лимитируется массообменом между фазами, способ их контакта небезразличен для процесса. Максимальные объемные коэффициенты массообмена (р): − в барботажном слое р = 0,1…0,2 с -1 ; − в насадочном аппарате – до 0,5 с -1 ; − в газожидкостном потоке – до 1,2 с -1 Если скорость реакции большая (константа скорости первого порядка бо- лее 2 с -1 ), то реактор с газожидкостным потоком будет более компактным. Если сама реакция небольшая, то интенсивный массообмен не увеличит общей ин- тенсивности процесса. 69 Скорость превращения в процессе «газ – твердое» сильно зависит от раз- мера частиц. Поэтому дробление твердого реагента всегда благоприятно будет сказываться на интенсивности его превращения. Но мелкие частицы нельзя ис- пользовать в неподвижном слое из-за большого сопротивления потоку, спека- ния и слипания частиц, неоднородности течения газообразных компонентов че- рез слой. Однородные условия протекания процесса создает псевдоожиженный слой. В производстве серной кислоты из колчедана переход от обжига крупно- кускового сырья в полочных печах к обжигу в псевдоожиженном слое позволил увеличить интенсивность превращения в единице объема аппарата в 20 раз. Организация технологического процесса Здесь использовано свойство ХТС, заключающееся в том, что усовершен- ствование одного элемента дает выигрыш в эффективности процесса, протека- ющего в системе в целом. Некоторые решения общеизвестны. Например, заме- на периодического процесса на непрерывный. В первом случае требуется до- полнительная аппаратура для накопления исходных компонентов и продуктов, очистки периодических аппаратов, их циклического пуска и остановки. В не- прерывном процессе такие обслуживающие подсистемы не нужны. Конструктивные решения аппаратов, позволяющие уменьшить объем его непроизводительных частей Последние создают необходимые условия протекания процесса: распре- деление потоков, обеспечение жесткости конструкции, удобство монтажа и т. д. Совмещение процессов – осуществление разного типа химико- технологических процессов в одном аппарате. Например, многослойный реак- тор с адиабатическими слоями катализатора и промежуточным теплообменом. В одном корпусе расположены реакторы (слои катализатора), теплообменники и смеситель потоков. Такой аппарат можно рассматривать и как реакционный узел (многоэлементный реактор), и как пример конструктивного совмещения элементов – объединения в одном корпусе разных элементов ХТС. Очевидно уменьшение затрат на такой аппарат по сравнению с реакционным узлом, со- стоящим из отдельных аппаратов. 70 Более характерен для конструктивного совмещения следующий пример. Окисление аммиака осуществляется на платиноидном катализаторе в виде не- скольких сеток, после чего реакционные газы охлаждаются в котле- утилизаторе. Для равномерного распределения потока по сечению тонкого слоя катализатора реактор должен иметь конусные объемы перед слоем катализато- ра и после него. Поставив реактор непосредственно на котел-утилизатор, мож- но уменьшить расходы на аппараты, что и используется в современных произ- водствах азотной кислоты. Функциональное совмещение – совместное проведение двух типов про- цессов, один из которых существенно влияет на физико-химические показатели другого. Такое совмещение процессов осуществляется, например, в реакторе- ректификаторе, реакторе-абсорбере. Совмещаемые в них процессы очевидны из названий аппаратов. Непрерывное удаление ректификацией или абсорбцией одного из компонентов реакционной смеси благоприятно влияет на протекание реакции. Можно выделить три фактора, обусловливающих этот эффект: 1) кинетический фактор: удаление продукта реакции повышает концен- трацию исходного реагента в реакторе и тем самым увеличивает скорость пре- вращения; 2) термодинамический фактор: если протекает обратимая реакция, то непрерывное удаление продукта сдвигает равновесие в сторону большей кон- версии исходных реагентов. Максимальное превращение, которого можно до- стичь в реакционном аппарате, лишь близко к равновесному при достаточно большом объеме реактора. В реакторе-ректификаторе при непрерывном удале- нии продукта протекает только прямая реакция. Реально полное разделение не достигается, но эффект совмещения процессов весьма велик; 3) фактор разделения: рассмотрим его на примере синтеза метилметак- рилата. В процессе образуются примеси, ухудшающие качество продукта. Сов- мещение реакции с ректификацией позволяет выводить из такого аппарата примеси в виде сернокислотного маточника. Одновременно выводится чистый продукт в большем количестве. 71 Как видим, совмещенные процессы представляют интерес благодаря воз- можности более эффективно использовать оборудование и провести процесс, который в иной системе не позволяет получить желаемое превращение. 5.2. Перестраиваемые химико-технологические системы На заре развития химической промышленности создавались и затем ин- тенсивно развивались жизненно важные производства удобрений, продуктов переработки нефти и угля, моторного топлива, синтетического каучука, пла- стических масс. Все они являются крупнотоннажными, и номенклатура их про- дукции меняется незначительно. В последние десятилетия число наименований необходимых продуктов химической промышленности многократно увеличилось. Материалы, облада- ющие особыми свойствами, выпускаются в небольших количествах. Их произ- водство, как правило, малотоннажное, а номенклатура обновляется примерно каждые 5 лет. Срок службы современной химической аппаратуры больше и со- ставляет 10–15 лет. Создание для каждого продукта отдельного производства становится невыгодным – после наработки необходимого количества материала технологическое оборудование становится ненужным. Поэтому и возникли пе- рестраиваемые производственные системы. Перестраиваемая химико-технологическая система позволяет на одном и том же оборудовании после его перенастройки (изменения некоторых связей и режима процессов в аппаратах) реализовывать различные химико- технологические процессы и перерабатывать несколько видов сырья, произво- дить различные продукты. Такие системы сначала возникли в металлообработке. Меняя последова- тельность прохождения заготовок через различные станки и режимы их работы, получали в одном станочном парке различные детали. Технологические режи- мы обработки устанавливали и поддерживали автоматически. За такими систе- мами закрепилось название «гибкие автоматизированные производственные системы» (ГАПС). Естественно было идею гибких производственных систем применить в химической технологии. 72 Под «гибкими ХТС» понимаются однопродуктовые системы, устойчивые к изменению качества сырья, характеристик аппаратов и других параметров процесса, т. е. гибко реагирующие на изменение условий и требований к хими- ко-технологическому процессу. Понятие «перестраиваемая ХТС» будем относить к многономенклатур- ному производству, как это определено выше. Ее представим следующим обра- зом. Имеется система аппаратов, соединенных различными связями. Для опре- деленного химико-технологического процесса одни связи открывают, другие – перекрывают. В результате задействуют одни и отключают другие аппараты, устанавливают режимы аппаратов (температуры хладагентов, подача вспомога- тельных материалов и др.). Таким образом, создают ХТС для заданного хими- ко-технологического процесса. После прекращения выпуска одного продукта всю систему промывают и «настраивают» на выпуск другого. Эффективность перестраиваемой ХТС оценивают из соотношения затрат на систему и выиг- рыша от ее эксплуатации. К основным затратам относят: − дополнительные условно-постоянные расходы на излишек оборудо- вания (не вся технологическая аппаратура, входящая в состав перестраи- ваемой ХТС, задействована в данном конкретном процессе); − расходы на подготовку оборудования к смене процесса (промывка), особенно существенные для химических производств, в которых остатки компонентов предыдущего процесса «размазаны» по всей системе и мо- гут повлиять на качество очередного продукта. Выигрыш заключается в следующем: − уменьшение условно-постоянных расходов (амортизационных отчисле- ний) на единицу продукции за счет увеличения срока службы аппаратуры; − уменьшение времени перехода на выпуск нового продукта (аналогич- но сокращению времени строительства); − выигрыш у потребителя за счет более раннего использования продукта; − гибкость производства при меняющейся конъюнктуре на рынке товаров. 73 Создание перестраиваемой ХТС в общих чертах осуществляется с учетом следующих этапов предварительной технологической проработки: − классификация и систематизация методов получения продуктов, кото- рые предполагается производить в создаваемой ХТС. Учитывают схожесть технологических операций и их режимов, взаимную совместимость («неотрав- ляемость») компонентов. По этим признакам объединяют, например, получение хлорпроизводных этилена, солей фосфорной кислоты, определенных видов красителей и т. д.; − систематизация аппаратурного оформления. Для выбранного в преды- дущем этапе набора производств устанавливают частоту появления одинаковых (по назначению, мощности, условиям работы) аппаратов, определяют их набор для реализации выбираемых химико-технологических процессов, избыточность оборудования для каждого из них; − определение связей в ХТС. Оставляют все возможные связи; на со- единениях, не повторяющихся во всех процессах, устанавливают вентили. Полученная ХТС дает возможность ее анализа для дальнейшей разработ- ки с привлечением техноэкономических оценок, маркетинговых исследований. 5.3. Однородные химико-технологические системы В ХТС можно выделить подсистемы, состоящие из однородных элемен- тов (аппаратов) и предназначенные для проведения определенной химико- технологической операции. К подсистемам можно, например, отнести реактор- ный узел, системы разделения, теплообмена. В них протекает химическое пре- вращение или разделение многокомпонентной смеси или теплообмен между многими потоками. Каждая из них состоит из однородных аппаратов – реакто- ров, ректификационных колонн или теплообменников. Синтез систем однород- ных элементов хорошо разработан, имеется возможность их автоматизирован- ного построения; некоторые общие подходы рассмотрены далее. 74 5.3.1 Системы химических реакторов Реакторный узел (соединение нескольких реакторов) используют для оп- тимизации режима процесса или ограничения единичного объема одного реак- тора. Возможны параллельные, последовательные и комбинированные схемы соединения реакторов. Соединение их осуществляется по интенсивности, об- щему объему, необходимому для достижения одинаковой степени превращения ( Х К ) или конечной концентрации ( С К ) и селективности процесса в них (при протекании сложной реакции). 5.3 .2. Системы разделения продуктов Подбор оптимальной схемы, дающей необходимый эффект разделения многокомпонентной смеси с минимальными затратами, – задача многоэтапная и достаточно громоздкая. Ведь необходимо выбрать последовательность ко- лонн разделения, технологические связи между ними, сеть тепловых потоков, обеспечивающих режим колонн разделения, а также выбрать сами колонны и рассчитать их оптимальный режим. Прежде всего, следует определить последо- вательность выделения компонентов. Здесь очень удобно использовать некото- рые эвристические приемы. Они получены обобщением результатов многочис- ленных автоматизированных расчетов систем разделения и дают первое при- ближение структуры технологической схемы. Таких приемов достаточно мно- го, и в автоматизированном построении схемы, ее расчете и оптимизации они позволяют получить желаемый результат достаточно быстро. Рассмотрим неко- торые из этих приемов. Пусть требуется разделить ректификацией смесь N компонентов. Для по- строения системы разделения используют следующие эвристические правила: 1) разделять по порядку температур кипения компонентов. Средние тем- пературы будут либо повышаться, либо понижаться от колонны к колонне, что создает наиболее благоприятные условия для организации температурного ре- жима. В противном случае из-за скачков температур между колоннами потре- буются большие затраты то на нагрев, то на охлаждение; 75 2) отделять, в первую очередь, избыточный компонент – тогда последу- ющие разделения будут с меньшими потоками, с меньшими затратами; 3) трудные разделения (близкие температуры кипения) проводить с ми- нимальными количествами компонентов. При близких температурах кипения требуются многотарельчатые колонны, поэтому лучше предварительно отде- лить остальные компоненты и оставить минимальный поток, только трудно разделяемые компоненты. |