ОХТ лекции). Ю. А. Борисов Общая химическая технология

• Название: Ю. А. Борисов Общая химическая технология
• Дата: 05.02.2020
• Размер: 426.88 Kb.
• Имя файла: ОХТ лекции).docx
• Тип: Лекция; #107208
• страница: 7 из 7

Тема 11. Математическое моделирование и оптимизация в химической технологии.
Математическое моделирование в химической технологии. Оптимизация условий проведения процесса. Критерии оптимизации. Влияние параметров процесса на производительность и селективность. Примеры оптимизации химико-технологического процесса с использованием математических моделей (определение максимальной производительности реактора).

-математическое моделирование химических реакторов и протекающих в них химических процессов.

Моделирование – это метод изучения различных объектов, при которых исследования проводят на модели, а результаты количественно распространяют на оригинал. Модель может представлять собой уменьшенную (или увеличенную) копию объекта. Но моделью может быть и система представлений об объекте, выражаемая как совокупность математических систем: уравнений, неравенств, таблиц, графиков. Такую модель называют математической моделью. Классификация моделей ХТС: все модели ХТС можно разделить на два вида: качественные и математические.

Качественные существуют двух видов: операционно-описательные и иконографические.

Операционно-описательные модели – это словесное описание процесса функционирования системы. В нём приводится основные химические реакции, по которым осуществляется получение целевого продукта (технологическая схема процесса), даётся описание процессов, происходящих в аппаратах системы, приводятся сведения о составе сырья, значениях параметров технологического режима. На практике – это различные виды проектно-конструкторской документации, технологические регламенты.

Иконографические модели связаны с графическим (наглядным) изображением, чертежом. Такие обобщенные изображения дают лишь качественные представления о функционировании системы. Существует несколько разновидностей таких схем: функциональная (принципиальная), структурная, операционная (оперативная), технологическая. Примером иконографической схемы является топологическая схема массовых потоков реагентов и воды. Такие схемы иллюстрируют расчёт массовых потоков реагентов и воды. Подобные схемы иллюстрируют тепловые потоки.

Задачи анализа, синтеза и оптимизации ХТС.

Задачи второго уровня разработки химического предприятия – анализ, синтез и оптимизация – тесно связаны друг с другом и на практике решаются комплексно. Трудности, возникающие при этом, вызваны многомерностью ХТС, как по элементам, описываемым большим числом дифференциальных и конечно-разностных уравнений, так и по выполняемым ими функциям. Осложняется дело и высокой степенью взаимосвязанности и взаимовлияния элементов.

Задачи первостепенной важности при создании ХТС является разработка оптимальных алгоритмов расчёта на ЭВМ многомерных систем уравнений математических моделей, оптимальная организация вычислительных процедур, устанавливающая порядок расчёта математических моделей элементов системы для нахождения выходных переменных системы в целом.

Если в символической математической модели связи между параметрами входных и выходных потоков описываются с некоторым приближением линейными уравнениями (так подбирают интервалы варьирования) то модель каждого i – го параметра системы можно представить в следующей матричной форме: [yⁱ_m]=[Rⁱ_mn]*[xⁱ_n], где m – номер выходных переменных, n – номер входных переменных, [xⁱ_n] – вектор входных переменных; [yⁱ_m] – вектор выходных переменных; [Rⁱ_mn] – матрица преобразования, или операционная матрица. Элементы матрицы отражают связь между входными и выходными параметрами. Матрица состоит из столбцов, отвечающих каждой выходной переменной, и из строк, отвечающих каждой входной переменной. Каждый элемент матрицы – это коэффициент функциональной связи между соответствующей входной и выходной переменными. Определение элементов операционных матриц проводится на основе экспериментальных данных, полученных на основе исследований. Получают значения коэффициентов матрицы – коэффициентов регрессии и составляют уравнение регрессии. Затем по линии регрессии, соответствующей этому уравнению, выполняют крутое восхождение, регистрируя экспериментально параметр оптимизации, и определяют, таким образом, оптимальные значения параметров процесса.

Это можно показать на следующем примере. Пусть протекает процесс химического взаимодействия в реакторе некоего компонента А в газовой фазе с компонентом В, находящемся в жидкой фазе. Ход процесса определяют следующие параметры входных потоков: L_A и L_В – массовые расходы соответственно газа и жидкости; t_вх, t_р – температура на входе и внутри реактора соответственно; x_А,вх, y_В,вх – концентрации соответственно компонента A и B; τ_р – время реакции. Выходные параметры: G_С,вых – производительность реактора по продукту реакции C; φ_С – его селективность x_А,вых, x_В,вых – концентрации веществ A и B на выходе из реактора. Описанный процесс изучен экспериментально и получена его экспериментальная модель (найдены коэффициенты регрессии). Матричная модель будет выглядеть:



Слева – столбец выходных переменных, справа – столбец входных переменных, в середине матрица планирования и результаты опытов.

Уравнение для параметра G_С – выхода продукта будет:

G_С,вых=a₁₁L_A+a₁₂L_B+a₁₃x_А,вх+a₁₄y_B,вх+a₁₅t_вх+a₁₆t_р+a₁₇τ_р.

Затем выполняют крутое восхождение и определяют оптимальное значение параметров процесса при максимальном значении производительности реактора. Подобным образом определяют максимальное значение селективности.

Лекция 17.

Тема 12. Сырьё химической промышленности.
Виды сырья. Нефть и природный газ. Тенденции развития сырьевой базы. Обогащение сырья (гравитационное, электромагнитное, электростатическое, термическое, флотация, концентрирование). Обогащение газов – конденсация, испарение, абсорбция, десорбция. Комплексное использование сырья. Переработка отходов. Замена пищевого сырья.

Сырьё – один из основных элементов технологического процесса, который определяет в значительной степени экономичность процесса, технику производства и качество продукта. Сырьём называют природные материалы, используемые в производстве промышленных продуктов. Вследствие роста промышленного производства и увеличения ассортимента химической продукции возникает необходимость в новых видах сырья. Сырьевая база химической промышленности непрерывно расширяется. Исходным материалом многих производств является сырьё, уже подвергшееся химической переработке, которое называется полупродуктом (полуфабрикатом). Некоторые химические производства используют в качестве сырья отходы и побочные продукты других производств.

Виды сырья. По происхождению сырьё делят на минеральное, растительное и животное. Преобладает минеральное сырьё, то есть полезные ископаемые, добываемое из земной коры. По агрегатному состоянию различают твёрдое, жидкое (нефть, солевые растворы) и газообразное (воздух, природный газ) сырьё. По составу сырьё делят на органическое и неорганическое.

Минеральное сырьё, в свою очередь, делится на рудное, нерудное и горючее (органическое). Рудным минеральным сырьём называют горные породы или минеральные агрегаты, содержащие металлы, которые могут быть экономически выгодно извлечены в технически чистом виде. Примеси, содержащиеся в руде, называют пустой породой.

Горючее минеральное сырьё, то есть органические ископаемые: уголь, торф, сланец, нефть – используют как энергетическое топливо или как химическое сырьё. Сырая нефть впервые в значительных количествах была добыта в 1880 году. С тех пор её добыча росла экспоненциально и сейчас в мировом масштабе ежегодно составляет 3,2*10⁹ м³. сырая нефть является смесью химических веществ, содержащих сотни компонентов. Основную массу нефти составляют углеводороды – алканы, циклоалканы, арены. Помимо углеводородов в составе нефти находятся смолистые и асфальтовые вещества. Все эти вещества являются нежелательными примесями нефти.

Важнейшими нефтепродуктами, получаемыми в процессе переработки нефти, являются жидкое топливо, газообразное топливо, смазочные масла, индивидуальные углеводороды (предельные, непредельные, парафины, церезины), нефтяные битумы.

Природный газ (ПГ) добывается из пластов, не содержащих нефти. Основным компонентом ПГ является метан (80-98%) и его низкие гомологи С₂-С₄ (0,5-2%). В России запасы ПГ составляют около 40% от мирового объёма разведанных месторождений.

Основные направления использования природного газа являются: I.Бытовое и промышленное топливо II.Производство: 1)кислородосодержащих соединений (формальдегид, уксусная кислота); 2)синтез-газа; 3)водорода, ацетилена, сажи; 4)растворителей и хладагентов (хлор- и фтор- производных метана); 5)нитросоединений (нитрометан, нитроэтан); производство углеводородов; 6)одним из перспективных направлений переработки ПГ является синтез углеводоров (бензина) на цеолитовом катализаторе при 320-410º С и давлении 8 МПа.

Обогащение сырья – совокупность физических и физико-химических методов обработки минерального сырья (руды, угля) для удаления пустой породы и повышения содержания основного компонента в концентрате.

Большая группа методов предназначена для обогащения твердых материалов.

Гравитационный метод – разделение, основанное на разной скорости выпадения частиц разной плотности и крупности в потоке жидкости или газа или на действии центробежной силы. Этот метод широко используется для обогащения сырья в производстве силикатных материалов, минеральных солей и в металлургии.

Электромагнитный – разделение по магнитной проницаемости, например, отделение магнитного железняка, хромистого железняка, рутила и других магнитных материалов от пустой породы.

Электростатический – разделение по электрической проводимости (отделение проводящих руд от диэлектрических пород; например, гипса, известняка, силикатов).

Флотационный – разделение взвешенных в жидкости относительно мелких частиц друг от друга (или выделение твёрдых частиц из жидкости) по их способности прилипать к вводимым в суспензию газовым пузырькам с последующим всплыванием их на поверхность жидкости и образованием пены. В суспензию вводят различные реагенты, усиливающие избирательность и прочность прилипания минеральных частиц и пузырькам воздуха. Флотация является наиболее универсальным и совершенным способом обогащения. Этим методом извлекаются из минерального сырья практически все минералы.

Жидкие растворы различных веществ концентрируют упариванием растворителя, вымораживанием, выделением примесей в осадок или газовую фазу.

Газовые смеси разделяют на компоненты последовательной конденсаций газов при их сжатии (компрессии) и понижении температуры.

Дальнейшее совершенствование процесса обогащения сырья связано с решением ряда теоретических вопросов, а также экспериментального изучения физико-химических свойств минералов, ПАВ, их электрических свойств, воздействия различных силовых полей.

Комплексное использование сырья является одной из важнейших народнохозяйственных задач. Раньше из сырья, содержащего несколько ценных компонентов, использовался в данном производстве какой-либо один компонент, остальные же или оставались в продукте балластом, или шли в отходы (отбросы) производства. В настоящее время осуществляют комплексное использование сырья, то есть извлекают каждый ценный продукт отдельно. Это достигается двумя путями: во-первых, разделением породы на составляющие части (минералы), то есть методом обогащения сырья; во-вторых, разнообразной химической переработкой сложного сырья с выделением его составных частей виде ценных продуктов. При этом из одной горной породы можно получить различные металлы. Неметаллические элементы, кислоты, соли, строительные материалы. Например, такой принцип используют при переработке апатитонефелиновой породы. Породу измельчают и разделяют методом флотации на апатит Ca₅F(PO₄)₃ и нефелин (K,Na)₂O·Al₂O₃·2SiO₂. из апатита получают: гипс, цемент, фосфорную кислоту и её соли, фосфорные удобрения. Из нефелина получают: цемент, поташ. Соду, ванадий, алюминий, гелий, титан* (*-содержится в небольших количествах).

Примерами комплексного использования материалов могут служить: коксование угля с сопровождающимся его химическими производствами; переработка нефти; сланца; торфа и древесины.

Проблема комплексного использования сырья тесно связана с важнейшими вопросами экономики химической промышленности – комбинированием предприятий. Это наиболее прогрессивная форма организации производства. В нашем городе таким примером является Марийский ЦБК. Комплексное использование сырья и комбинирование предприятий позволяют решить вопрос переработки отходов производства.

Замена пищевого сырья непищевым. Успехи органической химии позволяют производить ряд ценных органических продуктов из самого разнообразного сырья. Так, например, этиловый спирт, используемый в громадных количествах в производстве синтетического каучука, искусственных волокон, пластмасс, взрывчатых веществ, эфиров, можно получать из пищевых продуктов (зерна, картофеля, сахарной свеклы), гидролизом древесины и гидратацией этилена. Этилен же, в свою очередь, получается при химической переработке природных газов, нефти и других видов топлива. Вначале пищевое сырьё в производстве спирта стала вытеснять древесина. Из одной тонны древесины при гидролизе получается около 160 кг этилового спирта, что заменяет 1,6 тонны картофеля или 0,6 тонны зерна. Производство гидролизного спирта обходится дешевле, чем из пищевого сырья. При комплексной химической переработке древесина используется вместо пищевого сырья также в производстве глицерина, кормового сахара, кормовых дрожжей, уксусной, лимонной и молочной кислот и других продуктов. Особенно быстро развивается производство синтетического спирта гидратацией этилена. Таким образом, растительное сырьё вытесняется неисчерпаемыми запасами минерального сырья. Себестоимость синтетического спирта из нефтяных газов в три раза ниже, чем из пищевого сырья. Значительно развивается также производство синтетического каучука из бутан-бутиленовой фракции попутных нефтяных газов, поэтому этиловый спирт потерял доминирующее значение в производстве синтетического каучука. Из продуктов переработки газов и нефти ныне вырабатывают также уксусную кислоту, глицерин и жиры для производства моющих средств. При этом экономится громадное количество пищевого сырья и получается более дешёвая продукция.

Растительное и животное сырьё уже вытеснено в основном минеральным синтетическим в производстве красителей, лаков, лекарственных веществ, душистых веществ, большинства пластмасс. На очереди стоит получение из непищевых веществ основных продуктов питания: крахмала и сахара, и, наконец, синтез составных частей белков. Ныне уже получают биохимическим превращением продуктов нефтеперерабатывающей промышленности и целлюлозно-бумажной промышленности белковые дрожжи для корма скота.

- -