Основные этапы создания химико-технологических систем. Типы технологических систем ХТС. Способы изображения схем ХТС

Первым уровнем создания ХТС является построение математической модели основных элементов и на их основе – полной математической модели ХТС. Математическая модель должна отражать сущность функционирования ХТС как единого целого. Создав мат.модель, переходят к решению задач анализа, синтеза и оптимизации ХСТ, что составляет второй уровень создания ХТС. Анализ ХТС состоит в изучении свойств и эффективности существования ХТС в целом на основе ее математической модели. Задачи анализа ХТС подразделяются на анализ структуры ХТС и анализ качества функционирования ХТС.

Основная цель анализа структуры ХТС заключается в выявлении ее структурных особенностей и нахождения оптимальной последовательности расчета элементов, а цель анализа качества функционирования ХТС – получение количественных оценке основных свойств: чувствительности, надежности, устойчивости и т.д.

Синтез и построение ХТС заключается в определении основных технологических операций и последовательности их проведения, выборе аппаратов и установление связей между ними. При этом стремятся выбрать такой режим работы, который обеспечивал бы получение наилучших показателей функционирования ХТС.

Задача оптимизации ХТС является комплексной, т.к. она включает в себя как оптимизацию структуры, так и оптимизацию режимов функционирования элементов. Основной целью является обеспечение наиболее высоких технико-экономических показателей.

Состояние ХТС зависит от конструкционных параметров ХТС и технологического режима. К конструкционным параметрам относятся геометрические характеристик элементов системы (V, Н, ∆ стенок). Параметры технологического режима ХТС – совокупность параметров внутри элемента, влияющих на скорость технологического процесса, выход продукта и т.д. к ним относятся t, р, концентрация, активность катализатора и т.д.

Типы технологических схем ХТС:

Технологическая схема ХТС – последовательное изображение процессов и соответствующих им аппаратов. Технологические схемы принято делить на два основных типа: с открытой цепью и циклическую (циркуляционная, круговая, замкнутая).

Схема с открытой цепью состоит из аппаратов, через кого реагируют компоненты или одна из взаимодействующих фаз проходят лишь один раз. Если степень превращения в одном аппарате не велика, то включают последовательно несколько однотипных аппаратов, например, батарею реакторов. Примером схемы с открытой цепью по газовой фазе может служить схема отделения абсорбции нитрозных газов в производстве разбавленной азотной кислоты.

В каждой башне степень абсорбции оксидов азота относительно невелика, но после шести последовательно соединенных башен суммарная степень извлечения оксидов азота достигает 92 %. Подобные схемы используют в производстве серной и соляной кислот и многих органических продуктов. По открытой схеме строят производства, которые используют обратимые и необратимые процессы и идут с достаточно большим выходом продукта.

Если выход одного продукта в аппарате составляет 4-5 % (синтез спиртов) или до 20 % (синтез аммиака), и реагирующая смесь содержит небольшое количество примесей, то более целесообразно строить производство по циклической схеме. Циклическая схема предусматривает многократное возвращение в один и тот же аппарат всех реагирующих веществ, или одной их фаз в гетерогенном процессе вкладов до полного превращения. Типичными примерами такой схемы могут служить синтез аммиака, спиртов, моторных топлив и т.д.

1-колонна синтеза; 2-водяной холодильник; 3-сепаратор; 4-циркуляционный компрессор; 5-фильтр; 6-конденсационная колонна; 7-испаритель.

В гетерогенных процессах часто применяют комбинированные схемы, в которых одна из реагирующих фаз проходит последовательно ряд аппаратов, и оставшаяся ее часть выбрасывается, а другая фаза циркулирует через некоторые аппараты схемы.

Способы изображения схем ХТС:

Существует несколько способов изображения: функциональная, технологическая, структурная, операторная.

Функциональная схема показывает технологические связи между основными подсистемами, каждая из которых выполняет определенную технологическую операцию. Например, дл производства соды химизм процесса складывается из следующих реакций:

Функциональная схема:

Технологическая схема ХТС показывает тип и способы содержания элементов, последовательности технологических операций. Для этого в технологической схеме каждый аппарат имеет общепринятое изображение, связи между ними изображаются в виде стрелок.

Также на технологической схеме могут быть данные о веществах и параметрах процесса. Структурная схема ХТС включает элементы ХТС в виде блоков, которые имеют входы и выходы. Она наглядно показывает технологические связи между блоками.

Структурная схема синтеза аммиака:

1-колонна синтеза аммиака; 2-водяной конденсатор; 3-сепаратов; 4-циркуляционный компрессор; 5-фильтр; 6-конденсационная колонна; 7-испаритель.

Операторная схема ХТС строится т.о., что каждый элемент ХТС представляет собой совокупность нескольких типов технологических операторов. Такая схема используется при моделировании ХТС.

Технологический оператор XTC — это элемент ХТС, в котором происходит качественное или количественное преобразование физических параметров входных материальных и энергетических технологических потоков в физические параметры выходных материальных и энергетических потоков, которые являются результатом протекающих в нем химических или физических процессов.

Это может быть, например, изменение температуры, плотности, вязкости или других параметров при осуществлении в данном элементе химической реакции, процессов массобмена, разделения, смешения, нагревания и т.д.

Тепловым технологическим оператором можно считать каждый типовой ХТ процесс. Типовые технологические процессы подразделяются на основные и вспомогательные.

основные операторы обеспечивают целевое направление ХТС. Вспомогательные оказывают влияние только на энергетические и фазовые системы. Операторная схема не только паказывает взаимосвязь между отдельными элементами ХТС, но и дает сведения о физико-химической сущности процессов, протекающих в системе. Каждая стадия может включать несолько типовых технологических операторов.

Операторная схема с открытой цепью:

а-стадия подготовки; б-стадия химических превращений; в-стадия разделения.

в

29. Замкнутое безотходное производство – основной пусть защиты природы от вредных технологических воздействий.

По определению ООН (европейской экологической политики) безотходное производство – такой способ производства продукции, при котором наиболее рационально и комплексно используется сырье и энергия в цикле, т.о. что любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее функционирование.

Сырьевые ресурсы – производство – потребление – вторичные сырьевые ресурсы.

В соответствии с этим безотходное производство является замкнутой системой, ограниченной по аналогии с природными экологическими системами. В природных системах продукты жизнедеятельности одних организмов используются другими организмами, и в целом осуществляется биологическим и саморегулирующимся круговоротом веществ и энергии.

В определении подчеркивается обязанность рационального использования все компонентов сырья и энергетических ресурсов на всех стадиях переработки и потребления. Кроме того, безотходное производство должно исключать негативное воздействие на окружающую среду и не должно нарушать ее нормальное функционирование. В основе организации безотходного производства лежит принцип:

· Системности (когда каждый отдельный процесс рассматривается как элемент более сложной производственной системы) ТПК, ППС

· Комплексное использование сырьевых и энергетических ресурсов (когда учитывается и возмещается извлечение сопутствующих элементов)

· Цикличности (очистка сточных вод воздушных потоков должна обеспечивать одновременное извлечение ценных компонентов).

Эти процессы являются основными для производства готовой продукции:

· Рациональная организация – когда невосполнение потерь природных ресурсов сводится к минимуму за счет утилизации отходов

· Экологической безопасности – соблюдение предельных экологических нагрузок на окружающую среду

Создание безотходных производств является долгим процессом, поэтому существует малоотходное производство.

Малоотходное производство – такой способ производства продукции, при котором вредное воздействие на окружающую среду не превышает допустимого санитарно-гигиеническими нормами, а часть сырья и материалов по техническим, организационным, экономическим и другим причинам переходит в неиспользованные отходы и направляется в хранение, захоронение.

В основу критериям малоотходных производств положены существующие санитарно-гигиенические нормативы: ПДК, на базе которых устанавливаются нормативы ПДК выбросов сбросов. Но если создание безотходных производств на любом уровне возможно только при условии соблюдения всех перечисленных принципов, то для малоотходной приоритетной задачей является ограничение воздействия на окружающую среду.

Важнейшим условием малоотходного производства является необходимость обезвреживания неиспользованных отходов. Критерием полного использования в производстве материальных и производственных ресурсов является коэффициент безотходности:

Кб=f*Км*Кэ*Кэм, f – коэф.пропорциональности, Км – коэф.исп-ия природных ресурсов, Кэ – коэф.исп-ия энергетических ресурсов, Кэм – коэф.соотв-ия экологическим требовниям.

Если 0,75≤Кб≤0,8, то предприятие малоотходное; 0,9≤Кб≤0,98, предприятие безотходное.