Материал: III. хтс

Неустойчивые режимы могут возникнуть в нелинейных системах с обратными связями

Существование режимов.

Обратная связь в ХТС может быть причиной неосуществимости в некоторых системах устойчивых режимов. Это свойство ХТС характерно для схемы с фракционным рециклом, состоящим из реактора и аппарата выделения продукта (см. рис)

Колебательный режим

Он может возникнуть в системе с двумя обратными связями, примером которой может послужить производство азотной кислоты( см. рис)

Конструктивно тут турбина и компрессор установлены на одном валу, так что вырабатываемая турбиной энергия используется для сжатия и подачи в систему воздуха. Это первая обратная связь. Выходящие из турбины горячие газы подогревают поток, направляемый в нее. Это-вторая обратная связь. Допустим, что по каким-либо причинам поток отходящих газов стал больше. Что приведет к возрастанию мощности турбины и увеличению подачи воздуха в систему. Однако объем газов будет меньше прогреваться в теплообменнике мощность турбины уменьшится. Таким образом, две обратные связи влияют на мощность компрессора в противоположных направлениях.

Рассмотрим ХТС, состоящую из реактора и системы разделения (рис. 6, а). В реакторе протекает реакция 1-го порядка, А R. Заданы производительность ПR и состав сырья – содержание основного компонента А С0. Определим - при какой степени превращения х затраты З на процесс будут минимальны. Они складываются из капитальных затрат (на реактор) и расходов на сырье:

где Скап - стоимость капитальных вложений (затраты на оборудование Зоб); К1 - коэффициент окупаемости, показывающий долю стоимости оборудования, входящую в затраты на производство продукции за определенное время (амортизация), обычно 1 год (затраты также рассчитывают на 1 год). Полагая, например, срок службы оборудования 5 лет, коэффициент К1 = 0,2. ЗС -затраты на сырье, Цс - стоимость единицы расхода сырья. V0 = ПR/С0х – расход сырья.

Производительность ПR определена как доля переработанного основного компонент ПR = V0С0х, откуда

V0 = ПR /С0х.

О д и н о ч н ы й р е а к т о р . Затраты на него зависят от его объема. Для простоты рассматриваем вариант режима идеального смешения.

х/ = k(1 - х)

получим = х /[k(1 - х)] и объем реактора

Полагаем, что стоимость реактора пропорциональна его объему: Скап = Vр. ( - коэффициент пропорциональности). Подставляя выражения для V0 и Vр в (32), приведем его к зависимости от х. Затраты на процесс в одиночном реакторе З

Коэффициенты А и В включают все постоянные - k, , С0, V0, К1 и другие. Первое слагаемое в (33) - капитальные затраты на реактор Зоб - возрастает с увеличением степени превращения: чем больше х, тем больше должен быть объем реактора и затраты на него. Второе слагаемое - затраты на сырье ЗС. Чем больше х, тем полнее используется сырье и его надо меньше. Зависимости ЗК, ЗС и общих затрат на процесс в единичном реакторе З показаны на рис. 6 сплошными линиями. Видно существование некой степени превращение хР, при которой достигаются минимальные затраты на единичный реактор.

Рис.6 Определение оптимальной степени превращения для одиночного реактора (х р) и реактора в системе (х ХТС).

Р е а к т о р в с и с т е м е . К затратам на процесс в реакторе (32) надо добавить затраты на разделение Зразд. Считаем, что они пропорциональны содержанию примесей, т.е. количеству непрореагировавшего сырья V0С0(1 х). Не усложняя расчетную формулу, примем простейший вариант: З разд = D(1 х),- где D включает постоянные в расчете З разд . Затраты на систему станут

пунктирная линия на рис. 6, и оптимальная степень превращения хХТС становится отличной от х Р. В данном случае хХТС > хР.

Рассмотренное свойство ХТС также обусловлено взаимодействием ее элементов.

СИНТЕЗ ХТС HNO3 H2SO4

Синтез, или построение, ХТС заключается в определении основных технологических операций и их последовательности, выбор рс аппаратов и установлении связей между ними, определении параметров технологических режимов отдельных аппаратов и системы в целом для обеспечения наилучших условий функционирования ХТС. решить следующие задачи:

1)выбрать основные операции, составить химическую, функциональную и другие схемы (о них уже говорили);

2)выбрать главные элементы ХТС из имеющегося набора оборудования, подобрать и обосновать режимы протекающих в них процессов;

3)очень важно предложить наилучшие технологические связи между элементами, т.е. как говорят, определить структуру ХТС.

Концепции синтеза ХТС

1)максимальное использование сырьевых ресурсов, т.е. разработка производств с минимальными расходными коэффициентами по сырью и материалам, то, что называется ресурсосбережение.

2)максимальное использование энергетических ресурсов, разработка производств с минимальными расходными коэффициентами по энергии и топливу, то, что называется энергосбережение.

3)минимизация отходов, создание малоотходных и безотходных производств;

4)эффективное использование оборудования, т.е. создание условий для максимальной отдачи от оборудования при минимальных капитальных вложениях.

Концепций синтеза ХТС – четыре, а приемов (или как говорят эвристик), которые позволяют найти относительно быстрые решения для их реализации, значительно больще.

Рассмотрим концепции синтеза ХТС и приемы для их реализации.

1. Концепция полного использования сырьевых ресурсов

Направлена на максимальный выход целевого продукта, максимальное превращение сырья в используемые, полезные продукты.

1) Выбор химической схемы производства процесса H2SO4 - важнейший способ улучшения использования сырьевых ресурсов. Производство серной кислоты можно строить на основе серы или коочедана?