Материал: основы проектирования хим произв дворецкий

ОБЩИЕПРИНЦИПЫАНАЛИЗА, РАСЧЕТАИВЫБОРАТЕХНОЛОГИЧЕСКОГООБОРУДОВАНИЯ… 51

Рис. 3.7. Классификация механических процессов

По третьему признаку в основу классификации закладывается режим движения агентов в аппарате. В зависимости от гидродинамических условий аппараты для осуществления химических реакций разделяют на реакторы смешения (аппараты с мешалками), вытеснения (трубчатые) и промежуточного типа.

По четвертому признаку учитываются тепловые эффекты процессов и рассматриваются реакторы адиабатические (без теплообмена с окружающей средой), автотермические (необходимая для процесса температура поддерживается без внешних источников тепла), изотермические (постоянная температура в аппарате поддерживается за счет внешних источников теплоты) и с промежуточными тепловыми режимами.

По пятому признаку в реакторах могут быть реализованы стационарные (статические) и нестационарные (динамические) режимы работы.

По шестому признаку – конструктивному различают реакторы емкостные (аппараты с мешалкой, автоклавы, барботажные и пр.), колонные (с насадкой или тарелками); организация теплообмена (трубчатые, пленочные и пр.); со взвешенным, движущимся и неподвижным слоем катализатора; аппараты высокого давления и температуры, электролизеры и прочее.

Классификация химических аппаратов по седьмому признаку – агрегатному состоянию основной фазы в реакторе перекликается с классификацией по второму признаку: различают аппараты с газовой, жидкой и твердой фазой. Первые в свою очередь разделяют на контактные (с неподвижным и движущимся слоем катализатора) и высокотемпературные; вторые делят по конструктивным признакам на емкостные (вертикальные и горизонтальные), колонные (насадочные, тарельчатые и пустотелые) и змеевиковые; третьи – на камерные, барабанные, лопастные и с псевдоожиженным слоем.

Анализ технологического процесса начинается с определения условий равновесия системы в соответствии с законами гидродинамики и термодинамики. Наибольшее число N переменных (параметров), которое можно изменять, не нарушая равновесия, определяют с помощью правила фаз Гиббса для различных систем:

N = K + 2 − Ф ,

где Ф – число фаз; K – число компонентов системы; N – число степеней свободы, т.е. число независимых переменных, значения которых можно произвольно изменять без изменения числа или вида (состава) фаз в системе.

Итак, для расчета аппарата, в соответствии с уравнениями, приведенными выше, необходимо знать материальные и тепловые потоки, движущую силу процесса, кинетические коэффициенты. Последовательность расчета такова:

1. На основании закона сохранения материи составляют материальный баланс процесса:

∑M н = ∑Мк ,

где ∑Мн, ∑Мк – количество исходных и конечных веществ соответственно.

ОБЩИЕПРИНЦИПЫАНАЛИЗА, РАСЧЕТАИВЫБОРАТЕХНОЛОГИЧЕСКОГООБОРУДОВАНИЯ… 53

2. На основании закона сохранения энергии составляют тепловой баланс процесса:

∑Qн + ∑Qр = ∑Qк + ∑Qпот ,

где ∑Qн, ∑Qк – теплота, поступающая в аппарат с исходными материалами,

итеплота, отводимая из аппарата с конечными продуктами, соответственно;

∑Qр – тепловой эффект процесса; ∑Qпот – потери теплоты в окружающую

среду.

3.Используя законы термодинамики, определяют направление процесса и условия равновесия.

4.Исходя из условий равновесия и заданной технологии, выбирают начальные и конечные рабочие параметры процесса.

5.На основании равновесных и рабочих параметров определяют движущую силу процесса.

6.Используя законы химической, тепловой или диффузионной кинетики находят коэффициент скорости процесса.

7.Исходя из полученных выше данных, рассчитывают основной размер аппарата (емкость, площадь поперечного сечения, поверхность теплообмена, высоту), используя зависимости (3.12) – (3.15). Методики по расчету и конструированию оборудования даны в специальной литературе [13 – 16].

После определения основного размера выбирают стандартное оборудование или разрабатывают нестандартное оборудование. При выборе технологического оборудования проектировщику иногда приходится возвращаться на стадию выбора типа аппаратурного оформления процессов, осуществляемых на различных стадиях химического производства.

Нахождение численных значений движущей силы и коэффициента скорости химико-технологического процесса является самой сложной частью методики расчета технологической аппаратуры. При этом необходимо обоснованно решать вопросы масштабного перехода – распространения данных, полученных в лабораторных исследованиях, на промышленные объекты.

При разработке новых химико-технологических процессов и аппаратов применяют физическое и математическое моделирование. К физическому моделированию прибегают, когда натурные испытания трудно осуществить вследствие очень больших или очень малых размеров технологического объекта. Физическое моделирование заключается в замене изучения какого-либо объекта опытным изучением его физической модели, отличающейся от оригинала масштабом. Оно сводится к воспроизведению постоянства определяющих критериев подобия

вфизической модели и объекте. Практически это означает, что надо в несколько этапов воспроизводить исследуемый технологический процесс, т.е. переходить от меньших масштабов его осуществления к большим (масштабный переход).

Принцип подобия оправдал себя при анализе детерминированных процессов, описываемых законами классической механики и протекающих в однофазных системах с фиксированными границами (обычно твердые стенки). Для анализа недетерминированных процессов с многозначной стохастической картиной связи между явлениями и, в частности, для анализа двухфазных систем и процессов, осложненных химическими реакциями, использование физического подобия затруднительно.

Вэтом случае для расчета и исследования технологических процессов и аппаратов применяется математическое моделирование.

Следует иметь в виду, что математическое моделирование ни в коей мере не противопоставляется физическому моделированию, а скорее призвано дополнить его имеющимся арсеналом математических методов. Методы физического моделирования в настоящее время приобретают новое качество: их можно использовать для нахождения границ деформации коэффициентов, входящих в уравнение математической модели, т.е. для масштабирования математически описанного процесса и установления адекватности модели изучаемому объекту.

При аппаратурном оформлении технологического процесса необходимо иметь количественную информацию об эффективности той или иной стадии. Эта информация, как правило, выражается в форме критерия эффективности, который используют для сравнительной оценки альтернативных вариантов аппаратурного оформления технологических стадий и для определения оптимальных конструктивных параметров оборудования и технологических режимов функционирования установки.

Чтобы критерий эффективности достаточно полно характеризовал качество функционирования технологического объекта (или отдельной технологической стадии), он должен учитывать основные особенности и свойства оборудования, технологические режимы его функционирования.

Вкачестве критериев эффективности используют как экономические критерии в виде различных технико-экономических показателей (средняя прибыль, приведенный доход, приведенные затраты и т.д.), так и технологические критерии (качественные показатели выпускаемой продукции, выход целевого продукта, термодинамический или эксергетический КПД установки, аппарата и т.д.).

При выборе технологического оборудования в зависимости от поставленных целей (задание на проектирование) необходимо умело использовать как экономические, так и технологические критерии эффективности. Задача расчета экономических критериев эффективности технологической установки зачастую требует реализации достаточно сложного алгоритма и переработки большого количества информации. Расчет технологических критериев эффективности значительно проще, поэтому правильно выбранные технологические критерии не должны противоречить экономическим критериям эффективности.

Практика оптимального выбора технологического оборудования показывает, что использование технологических критериев эффективности позволяет исклю-

ОБЩИЕПРИНЦИПЫАНАЛИЗА, РАСЧЕТАИВЫБОРАТЕХНОЛОГИЧЕСКОГООБОРУДОВАНИЯ… 55

чить на первом этапе из дальнейшего рассмотрения существенную часть альтернативных вариантов оборудования как весьма далеких от оптимальных. Так, например, при выборе типа аппаратурного оформления ступени контакта для массообменного аппарата при прочих равных условиях всегда отдают предпочтение типу ступени контакта с большим коэффициентом массопередачи, который в этом случае представляет собой технологический критерий эффективности элемента аппарата.

Значение критериев эффективности зависит не только от типа выбираемого оборудования, его конструктивных параметров и режимов функционирования, но и от характеристических свойств технологической установки (аппарата), к которым можно отнести: чувствительность, надежность, управляемость и сложность. Существуют методы расчета количественных оценок чувствительности, надежности и управляемости технологического оборудования [17].

Чувствительность технологического объекта (аппарата) – это свойство объекта изменять характеристики своего функционирования под влиянием малых изменений режимных и конструктивных параметров, а также внешних возмущающих воздействий. При проектировании необходимо выбирать технологическое оборудование, малочувствительное к изменению собственных параметров и внешних возмущающих воздействий.

Надежность технологического объекта (аппарата) – это свойство объекта сохранять качество своего функционирования при определенных условиях эксплуатации. Понятие надежности тесно связано со способностью технологического объекта (аппарата) в течение определенного интервала времени сохранять работоспособность (безотказность); приспосабливаться к обнаружению и устранению причин, вызывающих отказы (ремонтопригодность) со способностью объекта (аппарата) к длительной эксплуатации (долговечность). Расчет показателей надежности (наработка на отказ, интенсивность отказов, вероятность безотказной работы за определенное время и др.) технологического оборудования дает возможность осуществить выбор и разработать мероприятия по обеспечению требуемой надежности технологического оборудования.

Управляемость технологического объекта (аппарата) – это свойство объекта достигать определенных техническим заданием целей (заданного состава продуктов, заданной производительности, требуемого качества продуктов и т.д.) при ограниченных ресурсах управления в реальных условиях эксплуатации. При проектировании технологического объекта возникает задача совместного выбора технологического оборудования и соответствующей системы управления режимами функционирования объекта.

Мощность производства представляет годовую производительность, которую должно обеспечить оборудование в условиях нормальной эксплуатации и выражается в единицах массы готового технического продукта или в пересчете на 100%-ное вещество. С учетом затрат времени на капитальный ремонт продолжительность работы оборудования принимают равной 330 суток в течение года.