Зміст
Вступ
1. Поняттяхіміко-технологічної системи
2. Задачі аналізу ХТС
3. Принципи складання матеріальних і теплових балансів
4. Ентальпійний,енергетичний і ексергічний показники, їх використання в аналізі ХТС
Висновок
Література
Вступ
Темареферату «Хімічне виробництво – хіміко-технологічна система» з дисципліни«Загальна хімічна технологія».
Дисципліна«Загальна хімічна технологія» відноситься до циклу загальнопрофесійних дисциплін. Вивчення даної дисципліни базується на курсах: загальноїнеорганічної, органічної і фізичної хімії, фізики, математики, обчислювальноїматематики, процесів й апаратів хімічної технології і повинно передуватививченню фахових дисциплін.
Вивченнядисципліни передбачає розгляд загальних проблем аналізу і синтезу хімічнихвиробництв. У задачу курсу входить загальне знайомство з хімічним виробництвом,його структурою і компонентами; вивчення основ хімічних процесів і реакторів;освоєння загальних методів аналізу і синтезу хімічного виробництва як ХТС;ознайомлення з окремими хімічними виробництвами на прикладі яких предметнодемонструються теоретичні положення курсу.
Мета роботи –ознайомитися з відповідними темами, а саме:
- поняттям про ХТС, моделями ХТС;
- графічними моделями ХТС –функціональною, структурною, операторною та технологічною схемами;
- задачами аналізу ХТС. Принципамискладання матеріального і теплового балансів;
- ексергічним показником, йоговикористанням в аналізі ХТС.
1Поняття хіміко-технологічної системи
Хімічневиробництво – це система, а точніше, хіміко-технологічна система (ХТС) — сукупність апаратів, зв'язаних між собою потоками і функціонуючих як єдинеціле. У кожнім апараті чи елементі по термінології теорії систем, відбуваєтьсяперетворення потоку (змішування, поділ, подрібнення, нагрівання, перетворенняенергії, стиск, розширення, хімічне перетворення, випаровування і т.д.). Потокияк зв'язки за термінологією систем, забезпечують передачу речовини або енергіїміж апаратами (елементами системи) і можуть бути матеріальними, тепловими,енергетичними та інформаційними.
ТомуХТС – представлення хімічного виробництва у виді системи. Вивчення систем (утому числі ХТС) проводиться методами теорії систем. Конкретна реалізація ідодаток цієї теорії виражається у виді системного аналізу – сукупність методіві засобів вивчення складних систем.
Методививчення систем включають евристичні або неформалізовані методи і формалізованіабо строгі математичні прийоми.
ФункціонуванняХТС характеризують станом ХТС, тобто показниками всіх потоків і апаратів.Показники потоків називають параметрами, які розділяються на параметри стану іпараметри властивостей. До першого належать витрати і концентрації компонентіву потоці, температура, тиск та ін., до других – теплоємність, щільність,густина. Показниками апарата (елемента) є параметри вихідних і вхідних потоків,показники керуючих впливів, деякі параметри стану цього елемента, що визначаютьйого функціонування в даний момент часу, наприклад — активність каталізатора,максимальна температура в апараті та ін.
Дляпобудови і аналізу XTС необхідно мати її опис чи модель, що дозволяє якісно ікількісно визначити стан ХТС.
Моделіхіміко-технологічних систем
Приймаютьсятри види моделей XTС – хімічна, графічна і математична.
Хімічнамодель, в основу якої покладені хімічні реакції, що протікають у системі,передається хімічною схемою.
Хімічнасхема показує основні і побічні хімічні реакції, що протікають при переробцісировини про одержання необхідного продукту.
Прикладомможе служити хімічна схема виробництва соди (рис.1).
/>
Рис.1.Хімічна схема виробництва соди
Порівняннярізних варіантів хімічних схем, наприклад, схем одержання того самого продуктуна базі різної сировини, дозволяє вибрати з них найбільш афективну. Припорівнянні хімічних схем одержання продуктів враховуються не тільки вартість ідоступність сировини, але і можливі побічні реакції, що знижують вихідцільового продукту і селективність, та обумовлюють утворення відходів,збільшення витрати енергія на переробку сировини і т.д. Розгляд хімічних схемдозволяє передбачити апаратурне оформлення процесів, вибір конструкційнихматеріалів, можливість автоматизація й ін. Хімічні схеми широко використовуютьсяпри розробці, модернізації і проектування технологічних процесів.
Графічнімоделі дозволяють одержати наглядне уявлення про спосіб взаємодії між окремимиелементами системи, що представляється у виді схем — функціональні,технологічні, структурної, основою яких є хімічні схеми.
Функціональнасхема ХТС будується на базі хімічної схеми. Вона показує технологічні зв'язкиміж процесами, що протікають на всіх стадіях виробництва продукту, а саме –підготовки сировини, хімічних перетворень, виділення й очищення продуктів. Так,наприклад, функціональна схема виробництва соди, у відповідності з приведеноювище хімічною схемою, буде наступна.
/>
Рис.2.Функціональна схема виробництва соди
Такимчином, ця схема дає загальне уявлення про функціонування ХТС і служить передумовоюдля апаратурного оформлення в розробці технологічної і структурної схемпроцесу.
Технологічнасхема ХТС показує елементи системи, способи їхнього з‘єднання і послідовність технологічних операцій. Для цього в технологічній схемі кожний елемент (агрегат,апарат) має загальноприйняте зображення, що відповідає його конструктивномуоформленню. Зв'язки між ними (технологічні зв'язки) зображуються у виглядістрілок. На технологічній схемі коротко можуть бути приведені дані проречовини, що беруть участь у процесі. і про параметри процесу. Як приклад нарис. 4 приведена технологічна схема ХТС виробництва азотної кислоти.
Технологічнісхеми одержують у результаті наукової розробки даного способу виробництва.
Слідзазначити наочність представлення процесів за допомогою технологічних схем, щопривело до їхнього використання як при експлуатації, так і при проектуванні ХТС.
/>
Рис.3. Технологічнасхема виробництва азотної кислоти АК-72
Структурна (блокова) схема ХТС на відміну від технологічної схеми включаєелементи ХТС у вигляді блоків, що мають входи і виходи. Вона показуєтехнологічні зв'язки між блоками, які показують напрямок руху матеріальних іенергетичних потоків системи, лініями зі стрілками. Як і функціональна вона немістить інформації про окремі типи елементів, але на структурній схемі дужечітко простежуються напрямки потоків. Структурна схема ХТС синтезу аміакупредставлена на рис. 4.
/>
Рис.4.Структурна схема синтезу аміаку:
1– компресор; 2 – інжектор; 3 – теплообмінник; 4 – випарювач рідкого аміаку; 5,8– сепаратори; 6 – колона синтезу; 7 – водяний холодильник;
9– циркуляційний компресор.
Простотаоформлення, наочність зображення обумовили широке застосування схем цього типупри розробці і проектуванні ХТС. Якщо є набір «блоків», то стає можливим зміна їх розташування, можна «програвати» різні варіантапроектованої ХТС і вибирати найкращі.
Операторнасхема ХТС заснована на тім, що кожен елемент XTC являє собою сукупністьдекількох типів технологічних операторів або окремих типових технологічнихоператорів.
Технологічнийоператор — це елемент ХТС, у якому відбувається якісне чи кількіснеперетворення фізичних параметрів вхідних матеріальних і енергетичних потоків уфізичні параметри вихідних матеріальних і енергетичних потоків у результатіхімічних або фізичних процесів, які протікають у них. Це може бути, наприклад,зміна температури, щільності, густини або інших параметрів при здійсненні вданому елементі ХТС хімічної реакції, процесів масообміну, розподілу,змішання, нагрівання і та ін.
Типовітехнологічні оператори представляють типові хіміко-технологічні процеси, щовідбуваються в елементах ХТС, при яких якісно або кількісно перетворюютьсяпараметри. потоку: хімічні реакції, масообмін, змішування, розподіл,нагрівання, охолодження, стиснення розширення, зміна агрегатного стану(конденсація, випарювання, розчинення) (рис.5).
/>
Рис.5. Технологічні оператори :
ентальпійний ексергічний тепловий баланс
1-хімічногоперетворення; 2 — масообміну; 3 — змішування; 4 — розподіл; 5 – нагрівання або охолодження; 6 — стиснення або розширення; 7 – змінення агрегатного стануречовини.
Операторнасхема ХТС за допомогою операторів показує взаємозв'язок між окремими елементамисистеми, а також відображає фізико-хімічну суттєвість процесів, що протікають усистемі.
На рис. 6 приведена схема, на якій відображені три стадіїхіміко-технологічного процесу. Кожна стадія може включати декілька типовихтехнологічних операторів
/>
Рис.7. Операторна схема ХТС:
1-стадія підготовки; 2 – стадія хімічного перетворення; 3 – розділення
Операторнісхеми знайшли застосуванняголовним чином як вихідний етап при складанні математичних моделей ХТС.Графічні схеми (моделі) дають структуру ХТС, тобто показують апарати (чи групиапаратів), які виконують деякі операції над потоками, порядок їх з‘єднання інапрямку потоків.
Математичнімоделі дозволяють дати формалізований або строгий кількісний математичний опис ХТС у вигляді системи рівнянь, які передають дію кожного вузла і кожногозв'язку, та провести аналіз ХТС.
2.Задачі аналізу ХТС
Задачіаналізу ХТС полягають в одержанні відомостей про функціонування системи взалежності від прийнятої хімічної схеми, структури технологічних зв'язків міжелементами і підсистемами, а так само від конструкційних і технологічних параметрів, виходячи з заданих властивостей і показників функціонування, щомають оптимальне значення
Дляцього необхідні:
а)технологічний аналіз ХТС – одержання технологічних показників — температури,тиску, розмірів потоків, виходу селективності, кількості відходів і т.д.;
б)техніко-економічний аналіз ХТС – одержання економічних критеріїв оцінкиефективності системи – видаткових коефіцієнтів, витрат на виробництвопродуктів і т.д. і, у кінцевому рахунку, одержання відомостей про собівартістьпродукції;
в)аналіз функціонування системи – сталість, надійність, безпека роботи та ін.
АналізХТС здійснюється при розробці проектування системи для визначення їїефективності, а також для порівняння різних варіантів реалізації процесу зметою вибору з них оптимального. Аналіз використовується і при модернізації іреконструкції діючих ХТС. Показники роботи ХТС визначаються в результатірішення систем рівнянь матеріальних і теплових балансів
3.Принципи складання матеріальних і теплових балансів
Розрахункиматеріальних балансів засновано на законах збереження маси речовин, що можебути інтерпретовано так:
сумамас речовин, що входять в апарат дорівнюється сумі мас речовин, які виходять запарату та виробничих збитків і представлено у вигляді рівняння:
/>
де Gi – сума мас речовин, що надходять до апарату;
Gi'– сума мас речовин, що виходять з апарату;
Gпот– сума мас виробничих збитків.
Розрізняють теоретичні та практичніматеріальні баланси. Теоретичний матеріальний баланс розраховується захімічними реакціями, що протікають в апараті а основі закону еквівалентів тазакону сталості складу речовин. Практичні матеріальні баланси виконуються зурахуванням показників ефективності хіміко-технологічних процесів – ступеняперетворення сировини, виходу продукту, селективності, складу та збитківсировини
Оформлюють результати матеріальнихрозрахунків у вигляді таблиці, що містить привхідну та витратну колонки.Стовпчик таблиці «Прихід» повинен містити перелік матеріальнихпотоків речовин, які надходять до апарату, стовпчик таблиці «витрата»– перелік матеріальних потоків речовин, що виходять з апарату. В стовпчиках«КГ» указуються значення мас матеріальних потоків, в стовпчиках"%" склад потоку в відсотках. В разі потреби вводять стовпчики, вяких зазначають кількість сировини в киломолях або м3.
Матеріальнийбаланс лежить в основі конструктивних розрахунків. На основі кількості потоківрозраховуються вхідні і вихідні штуцера апарата, тому в матеріальному балансінеобхідно відбивати окремі потоки, привласнюючи їм номера і вказуючи склад(табл.1). Складання теплового балансу засновано на законі збереження енергії – Сумаенергії, що надходить в апарат повинна дорівнювати сумі енергії, що виходить запарату.
Таблиця1 Матеріальний баланс процесу синтезу аміакуПрихід кг % Витрата кг %
1. Свіжа азотоводнева суміш,
в т.ч. N2
H2
2. Циркулююча азотоводнева суміш,
в т.ч. N2
H2
715,0
153,0
1590,0
342,0
1. Синтез-газ,
в т.ч. NH3
N2
H2
760,0
1678,7
361,1 Разом: 2800 Разом: 2800
Рівняннятеплового балансу виглядає так :
/>
Тепло,що надходить в апарат з реагентами (/>),або виходить з продуктами реакції (/>)обчислюється за рівнянням:
/>,
де ci– теплоємність реагенту (продукту);
mi– кількість реагенту (продукту);
Δt– температура, °С
Прирозрахунку теплових балансів використовуються властивості сумішей (наприклад,теплоємність), для газів і розчинів розраховується за правилом адитивності(складання в частках):
/>/>;
де X – процентний уміст компонента в суміші;
/> — середня теплоємність (довідкове значення для компонентів суміші).
Реакційнетепло розраховується за рівнянням :
/>,
де ΔНреак – тепловий ефект реакції, розрахований за законом Гесса,кДж/моль;
а– стехіометричний коефіцієнт хімічного рівняння для і – го продукту;
ni– кількість молів і –го продукту.
Якщов результаті реакції виділяється тепло, то його записують у прихід. Якщо –поглинається, то – у витрату.
Прискладанні балансу необхідно вказати потоки тепла в апарат, якщо теплоприноситься (несеться) окремими матеріальними потоками, у таблиці тепловогобалансу необхідно вказати кількість тепла внесеного і виноси кожним потоком.
Приоформленні документів у таблицю (або рівняння) теплового балансу записують /> і />, якщо такііснують.
Післярозрахунку теплового балансу можна підібрати теплоносій або холодоагент абовизначити кількість (витрату) теплоносію.
4.Ентальпійний, енергетичний і ексергічний показники, їх використання в аналізіХТС
Длярозрахунку складної системи варто використовувати мінімальну кількість рівняньхімічних реакцій, що відображують кількісні зміни системи або складу реагуючоїсуміші. Виходячи з цього необхідно визначити які з реакцій стехіометричнозалежні і які незалежні.
Стехіометричнозалежними хімічними реакціями називаються такі, стехіометричні рівняння якихможуть бути отримані як лінійні комбінації інших стехіометричних рівнянь зчисла розглянутих рівнянь реакцій.
Стехіометричнонезалежними називають реакції, ніяке з яких стехіометричних рівнянь не можебути отримане шляхом лінійної комбінації інших, і набір цих R рівнянь достатній для повного й однозначного опису матеріального балансу ХТС.
Необхідновідзначити, для аналізу протікання стехіометрично незалежних реакційвикористовуються термохімічні, термодинамічні і міжфазові балансові співвідношення.Термохімічні балансові співвідношення надають відомості про зміну ентальпії при протікання хімічних реакція в окремих або елементах всієї ХТС в цілому,про кількість теплоти, що виділяється при екзотермічних реакціях іпоглинається при ендотермічних реакціях, що визначає вибір режимівапаратури і структури ХTC.
Термодинамічнібалансові співвідношення, оскільки баланси складаються для стаціонарних станів,дають можливість кількісного визначення рівноважних складів реакційних сумішей.
Дляцього необхідно визначення величину ізобарно-ізотермічного потенціалувідповідно до рівняння Гиббса:
/> ,
де ΔН – ентальпія системи;
Т- температура;
ΔS- ентропія.
Кількісновизначити рівноважний склад реакційної суміші, слід визначати виходячи зконстанти рівноваги реакції, яка може бути знайдена з рівняння:
/> ,
де– ΔG — змінастандартного ізобарно-ізотермічного потенціалу; R–газова константа.
Міжфазовібалансові співвідношення дають відомості про рівновагу в гетерогенних системах.Для цього використовуються правило фаз, закон розподілу речовин між фазами,діаграми фазової рівноваги, що дозволяють знайти склад фаз і їхні властивості:агрегатний стан, температура плавлення, кипіння, пружність пари і ін.
Урезультаті рішення приведених вище балансових співвідношень одержують дані,необхідні для складання матеріальних і теплових балансів окремих елементів уХТС. Такі баланси часто називають ентальпійними, оскільки в них для визначенняскладу реакційних сумішей, кількості поглиненого чи виділеного тепла, у відповідностідо першого закону термодинаміки виходять зі зміни ентальпії системи.
Інформацію,що дозволяє більш повно обґрунтувати вибір процесу і провести його порівняння зіншими, можна одержати при застосуванні поряд з ентальпійним, термодинамічногоаналізу, зокрема, ексергетичного.
Ексергіяхарактеризує корисну роботу, яку може зробити система у відповідності з другимзаконом термодинаміки, відповідно до якого не всі процеси можуть протікати внапрямку, зворотному його природному ходу. Або, що є таким самим, ексергія – цеенергія, що при участі заданого навколишнього середовища, може бути перетворенав іншу форму енергії.
Використанняексергії дає можливість при оцінці в порівнянні ефективності різних процесів,враховувати не тільки кількість потоків енергії, але і їхню якість, тобтоздатність енергії до здійснення корисної роботи.
Питомаексергія потоку речовини, виходячи з другого закону термодинаміки, буде:
/>
де Н, S – ентальпія та ентропія речовини в аналізованому стані. відповідно;
Н0,S0 – ентальпія таентропія речовини в стані термодинамічної рівноваги з навколишнім середовищем.Т – температура навколишнього середовища.
Величинаексергіі знаходиться за допомогою відомих параметрів стану – ентальпії іентропії.
Прицьому втрати ексергії в адіабатній системі визначаються здобутком температуринавколишнього середовища на збільшення. ентропії внаслідок необоротностіпроцесу. Вони будуть дорівнювати
/>
Критеріємтермодинамічної ефективності процесу служить ексергетичний коефіцієнт корисноїдії, що у загальному виді може бути представлений як:
/>
де /> – вироблена ексергія;
/> –витраченаексергія.
Висновок
Отже,ексергетичний аналіз дає можливість оцінки досконалості процесів і показуєграниці їхнього поліпшення. В даний час найбільш ефективно вирішується проблемавикористання енергії в енерготехнологічних системах, для яких характерна суворазбалансованість виробництва і споживання енергії, засновані на використаннітеплоти екзотермічних реакцій і вторинних енергетичних ресурсів.
Література
1. Мухленов И.П. идр. Общая химическая технология. – М.: Высшая школа, 1991.-С. 113-127.
2. Кутепов А.М. идр. Общая химическая технология. – М.: Высшая школа, 1990.-С. 57-59