Модели химико-технологической системы
жүктеу/скачать 135.74 Kb.
|
1 2
модели ХТС| Операционная модель представляет основные стадии (операции) переработки сырья в продукт, в том числе обеспечивающие протекание основных превращений. Производство аммиака будет описано следующей операционной моделью.
1) Очистка природного газа от серосодержащих соединений адсорбцией сероводорода, который мешает дальнейшим превращениям: Н2S + ZnО = ZnS + Н2O (почему сера в природном газе оказалась в виде только сероводорода, будет объяснено при рассмотрении производства аммиака). 2) Конверсия метана с водяным паром. И природный газ (СН4), и вода (Н2O) являются сырьем для получения одного из компонентов для синтеза аммиака - водорода Н2. В этом превращении протекают одновременно две реакции: СН4 + Н2O = СО + 3Н2; СО + Н2O = СO2 + Н2. 3) Конверсия оксида углерода с водяным паром (в предыдущем процессе оксид углерода СО не полностью превращается в СO2 из-за равновесных ограничений): СО + Н2О = СО2 + Н2 После этого процесса достигается максимально возможное извлечение водорода из исходного сырья - метана СН4 и воды Н2О. 4) Получение азота N2 - второго исходного компонента для синтеза аммиака. В современных схемах его получают из воздуха "выжиганием" из него кислорода: 3O2 + 2СН4 = 2СО + 4Н2O. Это наиболее простой способ освободить азот воздуха от кислорода, тем более, что сжигание части природного газа все равно необходимо для обеспечения теплом всего процесса. Продукты горения - СО и Н2O - участники получения водорода. 5) Абсорбция диоксида углерода - удаление СO2, полученного при получении водорода. Его поглощают раствором моноэта- ноламина: СO2 + 2RNH2 + Н2O = (RNH3)2СO3. 6) Очистка газа от оксида углерода СО. После конверсии СО небольшое количество СО остается, и он мешает дальнейшим превращениям. Освобождаются от него, превращая в метан: СО + 3Н2 = СН4 + Н2О. 7) Синтез аммиака (после всех стадий получена чистая азото- водородная смесь; примесь СН4, полученная в предыдушей ста- дии, мала): ЗН2 + N2 = 2NH3 Химическая и операционная схемы дают первое описание и представление о производстве и его основных стадиях. Для дальнейшего рассмотрения ХТС удобнее использовать графические модели. Функциональная модель (схема) строится на основе химической и операционной и наглядно отражает основные стадии химико-технологического процесса и их взаимосвязи. Каждая из них представлена прямоугольником, линии между ними - связи. На рис. 3.3 показана функциональная схема производства аммиака, соответствующая приведенной выше операционной модели. Рис. 3.3. Функционапьная схема производства аммиака. Цифры на схеме соответствуют стадиям операционной модели (см. текст) Цифры на схеме соответствуют стадиям операционной модели (стадии 2 и 4 совмещены, что будет объяснено при рассмотрении производства). Элементы функциональной схемы соединены последовательно. На рис. 3.4 показана функциональная схема производства соды, построенная на основе ее химического описания. Она сложнее предьщущей, с параллельной и обратными связями. Представление основных операций химико-технологического процесса в виде функциональной схемы весьма удобно для его понимания. Она дает общее представление о функционировании ХТС и служит предпосылкой для аппаратурного оформления и более детальной разработки ХТС. Рис 3.4. Функциональная схема производства соды 187 Рис. 3.5. Функциональная схема синтеза аммиака: А - синтез КН3; Б - выделение N>[3; В - комгірессия и рециркуляция Приведем еще одну функциональную схему - синтеза аммиака, т.е. рассмотрим подсистему 7 в производстве аммиака как ХТС. Реакция водорода с азотом протекает не полностью из-за ограничений по равновесию. Поэтому синтез аммиака включает три стадии: A. Синтез аммиака ЗН2 + N2 = 2ЫНз; Б. Выделение аммиака; B. Возврат непрореагировавших водорода и азота в реактор (стадию А). Функциональная схема показана на рис. 3.5. Схема с рецик- лом. Технологическая модель (схема) показывает элементы системы, порядок их соединения и последовательность технологических операций. В технологической схеме каждый элемент (агрегат, аппарат, машина) имеет общепринятое изображение, соответствующее его внешнему виду. Связи изображены обычно линиями со стрелками или даже в виде трубопроводов. Нередко расположение аппаратов соответствует их примерной расстанов- ке в цехе. На технологической схеме кратко могут быть приведены данные о параметрах процесса. На рис. 3.6 приведена несколько сокращенная технологическая схема синтеза аммиака. Азотоводородная смесь поступает в реактор 1. Нагретая за счет теплоты экзотермической реакции прореагировавшая реакционная смесь охлаждается в трех теплообменниках. В первом из них 2 газ охлаждается водой - частично используется теплота реакции. В теплообменнике 3 подогревается газ, направляемый в реактор. Окончательное охлаждение происходит в воздушном холодильнике 4. Это наиболее простое и безопасное решение. Если охлаждать водой, вода может загрязняться, и необходимо создать сложную замкнутую систему водооборота, работающую на чуть теплой воде В охлажденном газе конденсируется аммиак (частично), и его отделяют в сепараторе 5. Жидкий аммиак собирается в сборнике 6 как продукт. Охлаждение до температуры окружающей среды недостаточно для полного вьщеления аммиака, и газ из сепаратора направляется в конденсационную колонну 8. В ней газ охлаждается до -(2+3) °С, так что в нем остается 3-5% аммиака. 188 Рис. 3.6. Технологическая схема синтеза аммиака: I - колонна (реактор) синтеза 2 - водяноГі холодильник; 3 теплообменник; 4 - воэдушный холодильник; 5 - сепаратор; 6 - сборник аммиака, 7 - циркуляционный ком- прессор; 8 - конденсационная колонна; 9- испаритель Охлаждение осуществляют за счет испарения жидкого аммиака в испарителе 9 (подобно аммиачному холодильнику). Испаритель может быть совмещен конструктивно с конденсационной колонной. В ней же аммиак отделяют от газа и направляют в сборник. Холодный газ затем подогревают в теплообменнике 3 и возвращают в колонну синтеза 1. Обеспечивают циркуляцию потока циркуляционным компрессором 7. Перед ним добавляют в циркулирую- щий реакционный газ свежую азотоводородную смесь. На рис. 3.6 пунктиром выделены элементы функциональной схемы на рис. 3.5. Отметим, что элемент В циркуляции газа "встроен" в элемент Б - выделение аммиака происходит перед и после циркуляционного компрессора. Технологическую схему получают в результате научной разработки данного способа производства, технологической и кон- структивной проработки схемы, узлов и аппаратов. Следует отметить наглядность отображения конкретного производства, дающую почти осязаемое представление о нем. Технологические схемы используют как при эксплуатации производства, так и при его проектировании. Они входят в проектную и техни- ческую документацию каждого производства. 189 Ч Вода ния - на рис. 3.6 Структурная модель (схема) в отличие от технологической включает элементы ХТС в виде простых геометрических фигур (прямоугольников, кругов). Изображение аппаратов обезличено, но значительно упрощается общий вид структуры ХТС. На рис. 3.7,о показана структурная схема синтеза аммиака - та же, что на рис. 3.6. В ней представлен общий характер структуры ХТС, легко прослеживается направленность потоков. Изображение даже сложной ХТС весьма наглядно, в ней удобно менять поло- жение элементов, "проигрывая" различные варианты разраба- тываемой ХТС. Наглядность связей позволяет легко составлять математическое описание, прослеживая связи между элементами, что существенно при автоматизированном проектировании. Специальные модели (схемы) применяют при анализе и расчетах ХТС, используя специальный математический аппарат и вычислительные методы. Поскольку они здесь не используются, не будем их перечислять. Упомянем только об одной из схем - операторной схеме. Если в структурной схеме все элементы обезличены, то в операторной каждый элемент представлен специальным обозначением, называемым "технологический оператор". Принятые для них обозначения показаны на рис. 3.8. Они помогают определить по схеме, какие преобразования ("операции") происходят с потоком в элементе. Операторная схема синтеза аммиака показана на рис. 3.7,6 рядом со структурной. Зная обозначения элементов, такую схему удобно использовать при автоматизированных расчетах на ЭВМ - каждому виду элемента соответствует определенная подпрограмма (или блок) вычислительной системы. Рис. 3.8. Технологические операторы: а - химического превращения; б - массообмена; в - смешения; г - разделения; д - теп- лообмена; е - сжатия. расширения; ж - измепения агрегатного состояния Математическая модель (описание). Приведенные выше модели (описания, схемы) дают общее представление о ХТС. Для количественных выводов о ее функционировании необходимо иметь математическую модель. Как уже было определено, си- стема - "совокупность элементов и связей...", и ее модель будет представлена двумя системами уравнений - для элементов и связей. В элементе происходит преобразование потоков. Математи- ческая модель процесса в элементе устанавливает связь пара- метров выходящих потоков Үк и к-т элемента и входящих в него Хк. Показатели потока - это его величина, состав (кон- центрации), температура, давление, теплосодержание и другие параметры. На состояние потока на выходе могут влиять неко- торые параметры Ик, которые управляют процессом или меня- ются в процессе эксплуатации. В общем виде үк=ғ(хк,йк). (з.і) Черточки над Үк, Хк, 1/к означают множество параметров (концентрации, температура и другие). Уравнения (3.1) - мате- матические модели реактора, абсорбера, компрессора и других аппаратов и машин. Конечно, можно использовать математиче- ские модели, например, реакторов, рассмотренные выше. Но поскольку при расчете ХТС важно знать входные и выходные параметры, то используют и другие модели, которые будут рас- смотрены далее. Связи в ХТС определяют, из какого элемента в какой пере- дается поток. Поскольку передача потока происходит без его изменения, то уравнения связи в общем виде выглядят так: Хк = а ,_кҮь, (3.2) где а= 1 ддя потока, выходящего из £-го элемента и входящего в А:-й эле- мент; аі-к = 0, если мсжду Ь-м и к-м элементами нет связи. Для входящих в ХТС и выходящих из нее потоков использу- ют обычно индекс "0" как обозначение внешней среды. 191 Система уравнений (3.1)—(3.2) довольно громоздка и решает- ся, как правило, с помощью электронно-вычислительных ма- шин. 3.3. СОСТОЯНИЕ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 3.3.1. Основиые понятия и определения Чтобы судить о свойствах ХТС, показателях ее функционирова- ния, эффективности управления процессами в ней, необходимо определить состояние ХТС. Состояние, или режим, ХТС определяется параметрами (показателями) потоков (связей) и состоянием аппаратов (эле- ментов). Параметры потоков - химические, физико-химические и фи- зические данные о потоке. К ним относятся: параметры состояния: количество потока в единицу времени (расход), фазовый состав, химический состав, температура, дав- ление, теплосодержание; параметры свойств: теплоемкость, плотность, вязкость и другие. Параметры свойств потока могут быть определены из пара- метров его состояния и свойств индивидуальных компонентов. Для энергетических и информационных потоков могут быть свои показатели (напряжение и сила тока, форма и интенсив- ность управляющего сигнала и другие характерные показатели). Для каждой цели исследования и вида ХТС (подсистемы) не- обходимо использовать не все данные. Если интересно распре- деление веществ по системе, то достаточно определить величину потоков, их химический состав и, возможно, фазовый состав, давление. Энергетические потери в ХТС будут зависеть от вели- чины потоков и скорости их движения, их давления, плотности, вязкости и, очевидно, теплосодержания. Состояние элемента (аппарата, машины, агрегата) включает данные, от которых зависит изменение в элементе показателей потока. Это могут быть: регулирующие воздействия, например температура хладагента, отводящего тепло из реактора, или подача пара в паровую тур- бину; изменяющиеся в процессе эксплуатации характеристики аппа- рата и условия процесса в нем, например изменение условий процесса в реакторе вследствие дезактивации катализатора или в теплообменнике из-за загрязнения его поверхности. Соответствующие данные входят в описание элемента (3.1), они были названы управляющими параметрами. Их влияние на 192 жүктеу/скачать 135.74 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|
1 2