Материал: III. хтс

Классификация связей (потоков). Потоки между аппаратами (связи между элементами) классифицируют по их содержанию:

М а т е р и а л ь н ы е п о т о к и переносят вещества и материалы по трубопроводам различного назначения, транспортерами и другими механическими устройствами.

Э н е р г е т и ч е с к и е п о т о к и переносят энергию в любом ее проявлении - тепловую, силовую, электрическую, топливную. Тепловая энергия и топливо для энергетических элементов передается обычно по трубопроводам (пар, горячие потоки, горючие газы и жидкости). Силовая энергия - также по трубопроводам (в виде газов под давлением) или механически через вал двигателей и другие приводы. Провода, силовые кабели передают электрическую энергию.

И н ф о р м а ц и о н н ы е п о т о к и используются в системах контроля и управления процессами и производством. Используются электрические провода и тонкие, капиллярные, трубки в пневматических системах.

Структура связей (технологические связи). Последовательность прохождения потоков через элементы ХТС определяет структуру связей и обеспечивает определенные условия работы элементов системы. Основные типы структуры связей показаны на рис. 2. Здесь прямоугольники представляют элементы, линии со стрелками - связи и направления потоков.

П о с л е д о в а т е л ь н а я с в я з ь ( 1 ) Поток проходит поочередно аппараты. Применение: последовательная переработка сырья в разных операциях, более полная переработка сырья последовательными воздействиями на него, управление процессом путем необходимого управляющего воздействия на каждый элемент.

(Пример: в производстве серной кислоты из серы сначала получают серы (IV) оксид, потом серы (VI) оксид и лишь на третьей стадии целевой продукт - Н2SО4.)

П а р а л л е л ь н а я с в я з ь ( 2 и 3 ) Поток разветвляется, отдельные части его проходят через разные аппараты, после чего потоки объединяются. Если мощность некоторых аппаратов ограничена, то несколько их ставят параллельно, обеспечивая суммарно производительность всей системы. (Применение: для повышения мощности, для получения на базе одного исходного вещества двух или нескольких продуктов, при переработке побочных продуктов на базе одного вещества.

(Пример: из природного газа в результате его переработки получают аммиак и диоксид углерода Аммиак может быть использован для производства нитрата аммония (аммиачной селитры), а диоксид углерода совместно с аммиаком – для производства карбамида.)

О б в о д н а я с в я з ь , и л и б а й п а с ( 4 и 5 ) Часть потока перед аппаратом проходит мимо него, "обходит" его. Такая схема используется в основном для управления процессом. Например, условия передачи тепла в теплообменника меняются со временем (загрязнения поверхности, изменение нагрузки). Необходимые температуры потоков поддерживают байпасированием их мимо

теплообменника. Величину байпаса определяют как доля основного потока, проходящего мимо аппарата: = VБ/V0 . (Применение: в основном для управления процессом, например, в случае проведения обратимых экзотермических реакций в

режиме, близком к ЛОТ. (Пример: подача азотоводородной смеси в колонну при синтезе аммиака (байпас), (для регулирования температуры на выходе из теплообменного узла; контактный аппарат, в котором происходит окисление SО2 до SО3. На входе в последний слой катализатора в основной технологический поток вводится холодный газ, который поступает байпасом.)

О б р а т н а я с в я з ь ( р е ц и к л ) ( 6 , 7 , 9 ) Часть потока после одного из аппаратов (элемента ХТС) возвращается в предыдущий. Через аппарат, в который направляется рецикл VР, проходит поток V больший, чем основной V0, так что V = V0 + VР. Отношение величин потоков, проходящего через аппарат и основного, называют кратностью циркуляции:

КР = V/V0.

Рецикл называется полным , если составы рецикла и потока, из которого он вышел, одинаковы. Применение: для регенерации тепловой энергии выходного горячего потока или для интенсификации автокаталитических реакций, для которых скорость превращения возрастает по мере накопления продукта.

Рецикл называется фракционным , если выходной поток подвергается разделению и составы рецикла и потока, из которого он вышел, неодинаковы. Применение: для более полного использования сырья.

кислоты по циклической схеме, в которой окисление SО2 до SO3 осуществляют техническим кислородом, который содержит незначительное количество азота.)

Перекрёстная связь (схема 8). Применение: только для энергетических потоков.

1

Рис. 2. Виды технологических связей: V0 – объёмный расход исходного вещества, VР – объёмный расход рецикла, VБ – объёмный расход байпаса, V – объёмный расход реагентов на входе в реактор, Р – разделитель.

Модели ХТС

Для всестороннего исследования ХТС как обобщенной модели химического производства, целесообразно выделить ряд моделей которые можно разделить на две группы: описательные А (в виде формул, уравнений) и графические (в виде схем и других графических изображений) Б. В каждой из названных групп также можно выделить несколько видов моделей, различающихся по форме и назначению:

А: Описательные модели: химическая, операционная, математическая; Б: Графические модели: функциональная, технологическая, структурная,

специальные.

А: Химическая модель (схема) представлена основными реакциями (химическими уравнениями), которые осуществляют переработку сырья в продукт. Примеры:

1) Синтез аммиака из водорода и азота представлен одним химическим уравнением

Приведенные химические схемы в виде стехиометрических уравнений, отражают последовательную связь в системе превращения сырья в продукт. На этапе составления химической схемы можно также рассчитать из термодинамических данных тепловые эффекты реакций, выяснить, будет ли реакция обратимой и какие можно обеспечить максимальные (равновесные) степени превращения. Зная кинетику реакций, можно предложить условия, при которых быстро достигаются эти максимальные значения.

Эти уравнения - химическая схема - показывают генеральный путь превращения сырья в продукт. Но реализация этих превращений не ограничивается только ими - необходимы еще стадии, обеспечивающие эти химические преобразования или детализирующие их, что представлено в другом описании процесса.

А: Операционная модель представляет основные стадии (операции) переработки сырья в продукт, в том числе обеспечивающие протекание основных превращений. Производство аммиака будет описано следующей операционной моделью.

1) Очистка природного газа от нежелательных серосодержащих соединений (ядов) адсорбцией сероводорода

Н2S + ZnO = ZnS +Н2O

2) Конверсия метана с водяным паром. И природный газ (СН4), и вода (Н2O) являются сырьем для получения одного из компонентов для синтеза аммиака - водорода Н2. В этом превращении на самом деле протекают одновременно две реакции

СН4 + Н2O = СО + 3Н2

СО + Н2O = СО2 + Н2.

3) Конверсия оксида углерода с водяным паром (в предыдущем процессе оксид углерода СО не полностью превращается в СО2 из-за равновесных ограничений)