шпаргалка по охт. 1. Технологические показатели и их роль в управлении технологическим процессом
 Скачать 0.82 Mb.
|
|
1.Технологические показатели и их роль в управлении технологическим процессом. В основе любого ХТП лежит процесс химического взаимодействия, т.е. химическая реакция. Известно, что теоретически большинство реакций обратимы, т.е. в зависимости от условий они могут проходить как в прямом, так и в обратном направлении. Если скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции, то результирующая скорость равна «0». В результате чего соотношение компонентов во взаимодействующих системах остается неизменным до тех пор, пока не изменяются условия протекания процесса. При изменении технологических параметров: температуры (  ), давления ( ), концентрации реагирующих веществ ( ), - равновесие нарушается, и процесс может сместиться влево или вправо до момента наступления нового равновесия.Если смена подачи сырья (увеличение или уменьшение) изменяет конверсию (т.е. степень превращения его в новый целевой продукт), значит система находится в состоянии равновесном, если не изменяет – то в кинетическом (т.е. на пути к достижению равновесного состояния). Основная задача производства – выбор таких аппаратов и условий ХТП ( , , катализатор), когда бы достигалось состояние, близкое к равновесному в аппарате возможно меньших размеров.При организации производства на стадии проектирования очень важны термодинамические расчеты химических реакций. Они позволяют сделать вывод о принципиальной возможности данного химического превращения; предварительно выбрать условия проведения процесса, определить равновесный состав продуктов, рассчитать теоретическое достижение степени превращения исходных веществ и выходы продуктов, а также энергетические эффекты (теплоты реакции, теплоты изменения агрегатного состояния и пр.). Величины, характеризующие состояние термодинамической системы, называют термодинамическими параметрами. Это - температура, давление, концентрация реагентов, удельный объем, плотность, молярный объем и др. Обобщая, можно определить, что: термодинамика – это выбор условий ХТС, т.е., что возможно или невозможно, и при каких условиях (данные показатели не зависят от конструкции аппарата, его гидродинамики, катализатора); кинетика – наука, которая позволяет расчетно показать, как достичь желаемого (возможного термодинамически) с предельно выгодными показателями (через выбор конструкции аппарата, катализатора). 2.Возобновляемые и невозобновляемые сырье и энергоресурсы. Сырьевые ресурсы (сырье) – природные материалы, используемые в производстве промышленных продуктов. Промышленное сырье классифицируют: по происхождению – минеральное, растительное и животное; по запасам – невозобновимые и возобновимые; по химическому составу – неорганическое и органическое; по агрегатному состоянию – твердое, жидкое и газообразное. Горючее минеральное сырье содержит в своем составе углерод, поэтому его также называют углеродсодержащим. К этому виду сырья относят угли, нефть, горючие сланцы, природный газ. Они способны сгорать в кислородсодержащей среде и потому служат источниками тепловой энергии. Из-за этого их также называют топливным сырьем. Воздух и вода – крупнотоннажное сырье для химической промышленности. Воздух атмосферы и вода гидросферы также являются сырьем химической промышленности. Азот воздуха (его содержание около 79 %) используют для производства аммиака, кислород (около 21 %) – во многих окислительных процессах. Вода служит источником получения водорода и кислорода, реагентом во многих химических процессах, при получении кислот и щелочей. Невозобновимое сырье не восстанавливается совсем или восстанавливается значительно медленнее, чем идет его использование человеком в обозримый период времени. К нему принадлежат полезные ископаемые. Использование этого сырья неизбежно приводит к его исчерпанию. Уже сейчас очевидна ограниченность ресурсов природной нефти несколькими десятилетиями ее потребления современными темпами. Практически исчерпаны природные запасы селитры как источника связанного азота, и с началом нынешнего столетия его получают из свободного азота воздуха в виде аммиака. Возобновимое сырье – это растительное и животное, некоторое минеральное (например, соли, осаждающиеся в озерах и морских лагунах). Растениями земного шара методом фотосинтеза ежегодно связывается 2·1011 т углерода. Восстановление возобновимого сырья идет с разной скоростью. Темпы расхода возобновимого сырья должны соответствовать темпам его потребления. Иначе оно станет невозобновимым. К невозобновляющимся первичным источникам энергии относятся ископаемые горючие вещества (уголь, нефть, природный газ, сланцы); к возобновляющимся – все источники энергии, являющиеся продуктами деятельности Солнца и природных явлений и процессов на поверхности Земли: ветер, энергия воды рек, морей, океанов, растительные продукты биологической деятельности (древесина и другие растительные продукты), а также Солнце. 3.Водооборотная система промышленного производства. Оборотная система это система, в которой отработанная вода подвергается охлаждению, очистке и возвращается для последующего использования в этом же производстве, т.е. замыкается в цикле (от первичного источника только для восполнения потерь). Схема производственного оборотного водоснабжения предприятия включает в себя комплекс сооружений, обеспечивающих прием воды из водоема (водозабор), подачу ее потребителям в необходимом количестве под требуемым давлением (насосная и водопровод), очистку, обработку и охлаждение (очистные сооружения). Системы оборотного водоснабжения подразделяют на замкнутые (закрытые теплообменники и радиаторные градирни), полузамкнутые (закрытые теплообменники и градирни) и комбинированные (если требуется обессоленная или умягченная вода, то в этом случае применяют комбинированную систему, в которой обессоленная или умягченная вода охлаждается оборотной водой в закрытых теплообменниках, а оборотная вода – в градирне). К бессточным относятся производства, в которых функционируют замкнутые системы водоснабжения без сброса сточных вод в водоемы, с коэффициентом использования свежей воды, равным единице. На этих заводах очистка нефтепродуктов от сернистых соединений осуществляется регенерируемыми реагентами. Сернисто-щелочные сточные воды после обезвреживания на установке карбонизации подаются совместно со стоками ЭЛОУ (электрообессоливающая установка) на термическое обессоливание. На всех стадиях нефтепереработки используется вода. При этом большая часть воды циркулирует в водооборотной системе и только часть сбрасывается в поверхностные водоемы после предварительной очистки. Объем потребляемой и сбрасываемой воды зависит от технологии производства, вида производимого продукта, технической оснащенности установок основного производства и сооружений очистки. До 97-98 % воды потребляется для конденсации и охлаждения нефтепродуктов, поэтому удельный расход охлаждающей воды зависит от глубины переработки сырья, температуры охлаждающей воды и степени ее подготовки. Оборотная вода, пройдя через технологические аппараты (теплообменники), нагревается и отчасти загрязняется. После определенной очистки (осветление, стабилизация, хлорирование, фторирование и пр.) вода охлаждается (градирни), откуда с температурой 20-25 °С вновь поступает в технологические аппараты. Периодически часть этой воды сбрасывается на очистные сооружения (продувка), а пополнение воды в водообороте идет за счет чистой воды из водного источника(либо биологически очищенной). 4.Водоподготовка и ее роль в эксплуатации теплообменного оборудования. Водоподготовка используется для придания воде определенных качеств и свойств, которые диктуются требованиями того производства, где она применяется. Водоочистка применяется в отношении сточных вод и вод, образующихся в процессе использования воды в различных сферах. Свойства воды в значительной степени характеризуются углекислотным равновесием. От наличия и соотношения концентрации форм  зависит стабильность воды, т.е. склонность к образованию карбонатных отложений, коррозии и растворению бетона в системах водоснабжения и водоочистки. Таким образом, любое нарушение углекислотного равновесия в оборотной системе сопровождается образованием на внутренней поверхности теплообменников и трубопроводов сложных накипных образований ( ,  ), ржавчины (кристаллической или аморфной структуры), на поверхности которых сорбируются и развиваются животные и растительные микроорганизмы, а также загрязнения, проникающие через неплотности арматуры в оборотную воду из охлаждаемых потоков. Живые организмы в анаэробных условиях провоцируют коррозию металла. Помимо того, что данный процесс разрушителен для металлов теплообменного оборудования, основное – это значительное ухудшение процессов охлаждения оборотной водой тепловых процессов нефтепереработки. Коэффициент теплопроводности (Вт/м·К) стали – 46,5, а накипного образования и ржавчины – 1,16-3,49, т.е. постепенно (по мере эксплуатации) развивается на внутренней поверхности теплообменного оборудования теплоизоляционный слой. Это снижает коэффициент теплопередачи ( , где  - тепловая нагрузка, ккал/ч;  - площадь теплообмена, м2;  - расчетная величина, отражающая разницу температур греющего и охлаждающего потока на входе и выходе, °С).Приведенный пример иллюстрирует значение качества воды (химического состава) на уменьшение потерь углеводородов нефти, поэтому очевидна роль и значение процессов водоподготовки вод для оборотных систем. Сравнительный анализ данных показывает, что основная проблема водоподготовки очищенной сточный воды (1 системы водоочистки) связана со значительным содержанием в ней растворенных органических соединений (БПК). Это может спровоцировать биообрастания теплообменного оборудования и все остальные негативные последствия. Проблематично содержание в воде коллоидных органических соединений, коагулирующих на нагретых поверхностях и создающих изоляционную пленку. 5. Материальный баланс ХТП. Задачи, решаемые на основе баланса. Материальный баланс – зеркало технологического процесса. Чем подробнее изучен процесс, тем более полно можно составить материальный баланс. Он составляется по уравнению основной суммарной реакции с учетом параллельных и побочных реакций, может быть составлен поэлементно и покомпонентно. Практически чаще используется для расчета вспомогательных потоков, например, не рассчитанных в технологическом регламенте; расчета производственных (материальных и тепловых) потерь. Материальный баланс служит основой для расчета теплового баланса. Может выполняться как для основного оборудования, так и вспомогательного, как для элементов ХТС, так и ХТС в целом, может выполняться для процессов идущих с химическими, физическими (фазовыми) превращениями и без них. Материальный баланс отражает закон сохранения массы вещества: во всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, получившихся в результате реакции. Балансы ХТС (и ее отдельных элементов) составляются, как правило, для стационарных процессов. При составлении материального баланса обычно задаются степени превращения исходных веществ в стехиометрических уравнениях, как результат химического превращения в реакционном элементе. Этим однозначно определяются количества выходящих из элемента всех компонентов и далее можно определить другие показатели процесса (селективность, выход продукта) и параметры потока (его количество, концентрации). Но могут быть заданы и другие показатели химического превращения – количество продуктов, концентрации компонентов или их выход, селективность. Их можно пересчитать в степени превращения и затем рассчитывать материальный баланс. Стехиометрические коэффициенты в химических уравнениях показывают количество компонентов, вступающих в химическое взаимодействие. В ряде случаев необходимо выполнить материальный баланс подсистемы или всей системы ХТС, где протекает последовательно ряд превращений. Материальный баланс можно выполнить покомпонентно, поэлементно. Кроме того, с его помощью можно решить ряд задач: - определить реальные производительные потери (по разнице «прихода» и «расхода» реального технологического процесса); - определить состав продуктовых смесей в различных фазах; - рассчитать реальные расходные коэффициенты, сопоставить их с теоретическими и оценить эффективность организации химико-технологического процесса (ХТП); определить основные технологические показатели процесса. Для замкнутых систем при составлении балансов учитывается наличие рециркуляции технологических потоков. Значительно облегчают расчеты справочные данные специальных химико-технологических процессов (справочник сернокислотчика, азотчика, нефтепереработчика, продуктов органического синтеза и т.п.). По данным материального и теплового балансов определяют также часовые потоки сырья, готовой продукции, побочных материалов и отходов производства; часовые расходы воды, теплоносителей, электроэнергии. 6. Тепловой баланс ХТП. Технологические задачи, решаемые на основе баланса. Обычно в химико-технологических процессах составляется тепловой баланс, в основе которого лежит закон сохранения энергии: в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна. Или - (применительно к тепловому балансу) приход теплоты в данном цикле производства должен быть точно равен расходу ее в этом же цикле. Тепловой баланс, так же как и материальный, выражают в виде формул, таблиц и диаграмм. Общее уравнение теплового баланса, составленное для одновременного протекания процессов с выделением (  ,  ) и поглощением ( ,  ) теплоты, принимает вид:
Физическая теплота сырьевых и продуктовых потоков (приходящих и уходящих из аппарата) рассчитывается отдельно по каждому компоненту в зависимости от его фазового состояния по уравнению:
Тепло, выделяемое (поглощаемое) в результате химических реакций и физических превращений ( , , , ), рассчитывают как произведение количества продукта, участвующего в процессе на тепловой эффект реакции (справочные данные) или тепловой эффект реакции рассчитывается по правилу Гесса (по уравнению реакции).Потери теплоты в окружающее пространство рассчитывается по уравнению
На основе теплового баланса можно решать ряд задач: рассчитывать количество теплоты необходимое для поддержания заданной температуры процесса (подведение или отведение теплоты); рассчитывать реальные теплопотери в производстве; при фиксированных теплопотерях может быть рассчитан тепловой эффект химических и физических процессов; с учетом известного теплового эффекта (справочные данные) может быть рассчитана конверсия сырья в адиабатическом процессе и т.д. Значительно облегчают расчеты справочные данные специальных химико-технологических процессов (справочник сернокислотчика, азотчика, нефтепереработчика, продуктов органического синтеза и т.п.). По данным материального и теплового балансов определяют также часовые потоки сырья, готовой продукции, побочных материалов и отходов производства; часовые расходы воды, теплоносителей, электроэнергии.
1.Производство минеральных удобрений. Они позволяют значительно увеличить производство сельскохозяйственной растительной продукции. 2.Производство серной кислоты. Существенная ее часть используется в производстве минеральных удобрений; в нефтепереработке и нефтехимии; металлургии и т.д. 3.Производство пластмасс, синтетических волокон. Опыт передовых стран показывает, что один из показателей научно-технического прогресса является рост доли химической продукции в общем объеме промышленного производства. Республика Беларусь является индустриально развитым государством и обладает мощным потенциалом в химическом производстве, стремительное развитие которого началось с 1958 г. В республике производятся минеральные удобрения (калийные - в г. Солигорске ПО «Беларуськалий»; мочевина, аммиачная селитра на ОАО «Азот», г. Гродно; аммофос, двойной суперфосфат – Гомельский химический завод; сульфат аммония – г. Новополоцк ОАО «Полимир»). Химические волокна и нити в широком ассортименте вырабатываются Могилевским, Гродненским и Светлогорским производственными объединениями. На химкомбинате ОАО «Полимир» производят помимо волокон (нитрон) полиэтилен в различных модификациях (пленка, гранулы). Порядка 60 % продукции ОАО «Полимир» экспортируется за рубеж, принося около 200 млн. долларов в год прибыли.Крупнотоннажное полимерное производство имеется в г. Могилеве (диметилтерефталат) и г. Гродно (капролактам). Бобруйский гидролизный завод (1936 г.) производит технический гидролизный спирт и кормовые дрожжи; Гродненский стекольный завод - продукты широкого ассортимента.В Республике Беларусь создано мощное нефтеперерабатывающее и нефтехимическое производства. Нефтепереработка осуществляется на Мозырском и Новополоцком заводах, где постоянно обновляется и усовершенствуется оборудование и технология производства. Более 90 % производимой продукции заводов сертифицировано. Это – высокооктановые бензины, масла, дизельное топливо, сырье для нефтехимии. | ||||||||||||||
.
или 
,
,