Материал: OKhT_lektsii

Последовательно-обводная связь (байпас) является усложненным вариантом последовательной связи: поток разделяется и часть его проходит мимо аппарата (или группы аппаратов).

Следует подчеркнуть, что направления главного и побочного (байпасного) потоков совпадают, что позволяет отнести системы с байпасом к разомкнутым.

Основное применение байпасов - регулирование температуры

н адиабатических реакторах с экзoтeрмической реакцией (синтез метанола, аммиака), а также могут использоваться для повышения гибкости хтс.

Следует иметь в виду, что разделение потока приводит к увеличению времени пребывания реагентов в элементе 2, а также росту интенсивности процесса в элементе З. это может привести как к увеличению выхода продукта, так и к снижению селективности процесса.

Параллельная связь - поток распределяется по двум или нескольким параллельным аппаратам (или группам аппаратов). К этому типу связей относятся все возможные типы разветвленных потоков: разветвление в начале процесса (получение продукции из нескольких видов сырья); разветвление в конце процесса (переработка комплексного сырья с раздельным получением полезного продукта); разветвление в середине системы (например, резервирование мощностей).

Технологические звенья, составляющие параллельную структуры, имеют объединенные входы и выходы . При этом общий вход равен сумме отдельных цепочек, выход - сумме выходов. Параллельная связь применяется для повышения производительности и мощности ХТС, для повышения ее надежности и гибкости

Перекрестная связь представляет собой совокупность двух пересекающихся одно направленных потоков

Примером ее может служить серия экстракционных ячеек, когда одна фаза проходит через ячейки последовательно, а вторая вводится не одним потоком, а потоком, соответствующим числу ступеней (процесс разделения редкоземельных элементов экстракцией органическими растворителями из водных растворов).

К перекрестным связям относят прием, используемый для утилизации тепла путем нагрева в теплообменнике входящего в реактор потока отходящими газами .

Иногда эту систему относят к одноконтурным рециклам.

Обратная связь (рецикл) характеризуется наличием обратного потока, связывающего выход одною из последующих элементов с входом одного из предыдущих. Рецикл может быть между элементами, подсистемами, вокруг одного элемента. В глобальном варианте существуют рециклы и между системами различной сложности.

Элементы, связанные между собой обратным технологиче­ским потоком, образуют замкнутую (или контypную) подсистему

Потоки, входящие в замкнyтyю систему или выходящие из нее, называются прямыми потоками .Они определяют выход продукта и расходные коэффициенты по сырью.

Внутренний технологический поток, соединяющий между собой элементы системы, направление которого совпадает с направлением прямых технологических потоков является главным технологическим потоком

Главный и прямой технологические потоки образуют основной технологический поток системы, от расхода которого зависит качество функционирования замкнутой хтс.

Внутренний технологический поток замкнутой подсистемы, направление которого противоположно направлению основного потока, называется обратным потоком или рециклом.

На входе к нему добавляется входной прямой поток, в котором столько свежих

исходных компонентов, сколько их затрачено на образование продукта за один цикл (с учетом различных потерь).

Рециклы классифицируются по структуре и составу потоков.

В зависимости от структуры замкнутых подсистем различают простые и сопряженные рециклы. В случае простого рецикла возврат осуществляется в одну точку или образуется в разных точках подсистемы.

По составу рецикл может быть полный, если состав прямого выходного и обратного потока совпадают или фракционным, когда возвращается поток, по составу отличный от прямого потока.

Процессы с рециклом характеризуются:

1)коэффициент циркуляции (кратность рециркуляции) показывает, во сколько раз главный поток больше прямого:r=x1/x0

2)Степень рециркуляции показывает, какая часть главного потока возвращается в процесс:

R= X цикл/х1 х1=х0+х цикл.

Последовательное, параллельное, бaйпасное и перекрестное соединение элементов относятся к «разомкнутым» системам («с открытой цепью»). Технологические потоки проходят через любой элемент системы один раз.

Наличие обратной связи делает систему «зaмкнyтoй», т. к. элемент охваченный обратной связью образует замкнутую подсистему ХТС.

3,5Рециклы в хтс и характеристические функции.

В ХТС циркулировать могут исходные, конечныe и промежуточныe вещества, а так же вода (охлаждающие или нагревающие агенты).

Циркуляция исходных веществ, связана с неполной степенью их превращения. После выделения продуктов исходные вещества вновь возвращаются в процесс. Основными причинами неполноты использования сырья является наличие термодинамических ограничений, малая скорость протекания основного взаимодействия, ограничение времени контактирования и избыток реагента.

Типичным примером неполноты использования сырья из-за термодинамических ограничений является синтез аммиака.

Реакция синтeза аммиака обратимая, экзотермическая, протекает с увеличением объема. Поэтому для ее смещения в сторону образования продукта необходимо понижать температуру и повышать давление. Но при низкой температуре скорость реакции ничтожно мала из-за большой величины энергии активации (Е). для снижения Е вводят катализатор - активированное железо, который активен при температуре около 500 ⁰ с. При этой температуре и давлении 98,1 МПа равновесный выход аммиака составляет 57,47%. В промышленных условиях процесс ведут при давлении 30 МПа, при котором равновесный выход составляет 26,44%. Это

предельные возможности химической системы синтеза аммиака в указанных условиях.

Для достижения этого выхода требуется очень большая продолжительность процесса Поэтому, его проводят вдали от состояния равновесия, применяя большие объемные скорости (малое время контактирования).

В результате интенсивность (производительность) процесса возрастает.

Как видно из этих данных, увеличение объемной скорости в

три раза приводит к снижению мольной доли аммиака в 1,4 раза.

Производительностъ при этом возрастает в 2,1 раза. Поэтому увеличение объемной скорости - способ интенсификации циркуляционных процессов.

Выбор объемной скорости должен обеспечитъ определенное

время контактирования сырья с катализатором, минимальный

"проскок" сырья, а в сложных процессах - оптимальную селективность. Кроме того, следует иметь ввиду, что после стадии синтеза следует стадия разделения, (например, конденсации) и, чем больше объемная скорость, тем больше останется неконденсированного продукта.

В экзотермических процессах увеличение объемной скорости должно быть согласовано с количеством выделяющегося тепла ,с целью организации автотермического процесса, при котором количество теплоты, отводимое из системы, должно быть равно количеству теплоты, выделяющегoся в результате реакции.

При определенной температуре количество отводимой теплоты постоянно; количество же выделяющейся теплоты возрастает пpопорционально пpоизводительности аппарата. При слишком малой пpоизводительности количество отводимой теплоты может быть выше количества выделяемой теплоты, в результате чего система

будет охлаждаться. Если пpоизводительность слишком высока, то количество отводимой теплоты может быть меньше выделяющейся, что приведет к перегpеву системы.

Возврат непрореагировавшиx исходных веществ также применяется и в случае использования избытка реагента. Типичными примерами являются процессы получения хлорбензола и этилбензола, которые проводятся в избытке бензола как вешества, не участвующего в побочных реакциях. В случае этилбензола в процесс

возвращается не только исходный продукт - бензол, но и получаемые побочные продукты - полиалкилбензолы с целью их превращения в целевой продукт - алкилбензол.

Помимо непрореагировавших исходных веществ, в ХТС могут организовываться рециклы и по конечным веществам. В основном, это вызывается необходимостью снижения интeнсивности процесса, например, в сильно экзотермических реакциях ,для

предотвращения неуправляемого тепловыделения. Например, при сжигании серы рецикл организуется по полученному газу: после котла­утилизатора часть потока возвращается в печь для сжигания серы, что приводит к снижению скорости реакции и регулирует выделение тепла.

Аналогично организуются рециклы по серной кислоте в абсорбционном отделении в производстве серной кислоты с целью регулирования скорости тепловыделения.

В автокатaлитических процессах конечные продукты возвращаются для интенсификации начальных стадий. Например, кислота, образующаяся при гидролизе эфиров, катализирует процесс гидролиза.

Помимо химических процессов, рециркуляция продуктов осуществляется в физических процессах, что позволяет регулировать качество продукта. При кристаллизации твердых веществ возвращается часть кристализата для получения более крупных кристаллов; после дробления и рассева твердых продуктов мелкая

фракция возвращается в процесс на cтaдию грануляции порошкообразных материалов, а крупная снова на дробление и т.д

Большое количество рециркуляционных включений организуется в хтс по промежуточным веществам: катализаторам (см. каталитический крекинг), растворителям, экстрагентам. для направленного действия хТс в систему вводятся кросс-агенты: например, аммиак в технологии соды по методу Сольве. Эти вещества также должны возвращаться в процесс.

Особенно следует отметить необходимость организации рециклов по воде в ХТС с целью создания ;замкнутых систем водооборота, что позволяет решить ряд экономических и экологических проблем.

Рециpкуляция энергетических потоков позволяет организовать современные многотоннажные хтс как химико-энергетические системы, производящие, наряду с химическим продуктом, энергию, которая может использоваться в самом процессе или передаваться на сторону. К таким системам относятся современные производства аммиака, метанола, азотной и серной кислот и Т. Д.

Таким образом, применение рециклов в хтс позволяет

увеличит степень использования сырья;

повысить качество продуктов;

создавать благоприятные условия функционирования хтс;

повышать экологическую безопасность производства;

в некоторых случаях экономить энергию.

При организации замкнутых ХТС следует иметь в виду наличие примесей (В том числе и инертных), которые могут накапливаться в подобных системах.

Присутствие инертных примесей понижает парциальное

давление (концентрацию) реагируюших веществ, что приводит к уменьшению выхода продукта (для процессов, протекающих с уменьшением числа молей) и снижает интенсивность процесса.

Кроме того, при организации рецикла примеси накапливаются в системе, что нарушает стационарность процесса. Поэтому они должны непрерывно выводиться из системы. Для этой цели, при участии газов в качестве реагирующих веществ, применяется отдувка - отвод части потока из системы. Образующиеся продувочные газы должны утилизироваться

Следовательно, объем продувки и соответствующие ему потери сырья тем больше, чем больше примесей в исходном сырье.

В условиях растворения (распределения) примесей в продукте и побочных веществах в балансе инертных примесей необходимоучитывать и эти величины.

3.6.Непрерывные,периодические

Периодические системы характеризуются прерываемыми во

времени потоками. Продолжительность цикла функционирования

ХТС складывается из времени: загрузки, работы, выгрузки и подготовки к следующему циклу. Oтсюда ясно, что для периодических процессов характерна существенная нестационарность ХТП и циклический характер работы оборудования. Получение целевого продукта состоит из отдельных, обособленных во времени и пространстве стадий.

Преимуществами периодических систем являются:

- простота сиcтемы

- возможность универсального использования оборудования;

- большая гибкость в плане подбора оптимальных условий и корректировки технологических параметров;

- высокая мобильность систем, благодаря, отсутствию жестких связей, что позволяет организовывать гибкие сиcтeмы

Недостатками периодических систем являются:

- фактические простои во время загрузки, выгрузки и подготовки к следующему циклу;

- низкий коэффициент использования оборудования, т. е. малая производительность;

- в связи с нестационарностью интенсивные параметры процессов меняются по сложным законам, что затрудняет их автоматиизацию и приводит к большому количеству ручногo труда;

Используют в малотоннажном производстве, малоосвоенном, где необходим переменный ассортимент продуктов, высокое качество

(биохимические, фармацевтические производства; коксохимические батареи)

Периодический процесс целесообразен в том случае, если

скорость основного превращения мала и, следовательно, время

для его проведения велико. Тогда продолжительность процессов

загрузки, выгрузки и подготовки к следующему циклу не очень

заметно отражается на производительности системы. Подобная

ситуация наблюдается в некоторых биотехнологических процессах.

Непрерывные ХТС характеризуются непрерывной подачей

реагентов, непрерывным транспортом промежуточных реагентов

внутри системы и непрерывной выдачей продукта. Наиболее характерным вариантом непрерывных процессов является стационарный режим, когда величины потоков постоянны и не зависят от времени. Возможность длительного поддержания стационарного состояния во всех элементах является основным преимуществом непрерывных хтс. Это обеспечивает максимальную производительность системы при минимальных затратах на автоматизацию.

Основными преимуществами непрерывного производства являются:

- большие количества продукта с единицы объема аппарата;

- исключение потерь теплоты на периодические процессы нагревания;

- большая однородность, продукта;

- простота контроля и автоматизации.

Непрерывно-циклическими называют ХТС, в которых постоянны во времени входы и выходы потоков в системе, а также ее структура в целом. Циклически изменяются во времени лишь переменные в некоторых ее подсистемах и структура этих подсистем.

Примером могут служить абсорбционные установки, в которых устанавливаются два последовательных абсорбера. В первом цикле абсорбция протекает в первом абсорбере, в то время, как второй абсорбер регенерируется; во втором цикле первый абсорбер ставится на регенерацию, а абсорбция проводится в отрегенерированном втором абсорбере. Таким образом, каждый абсорбер работает периодически, а система в целом - непрерывно. В непрерывно-циклическом режиме могут быть организованы и производства химических продуктов. Примером может служить процесс получения бутадиена одностадийным дегидрированием бутана

Гибкие хтс. Потребность в организации гибких ХТС появилась в связи с непрерывным ростом количества новых функциональных химических продуктов (про изводимых, как правило, в небольших масштабах) при одновременном увеличении «времени жизни» оборудования на базе современного уровня технического