Химико-технологическая система (стр. 2 из 3)
Обводная связь, или байпас (схемы 4 и 5 на рис. 3.2). Часть потока, не поступая в аппарат, «обходит» его. Такая схема используется в основном для управления процессом. Например, в процессе эксплуатации теплообменника условия передачи теплоты в нем меняются (загрязнения поверхности, изменение нагрузки). Поддерживают необходимые температуры потоков байпасированием их мимо теплообменника. Величину байпаса р определяют как долю основного потока, проходящего мимо аппарата: р = Vб/Vо(обозначения потоков показаны на рис. 3.2). Различают простой (схема 4) и сложный (схема 5) байпасы.
Обратная связь, или рецикл (схемы 6–9 на рис. 3.2). Часть потока после одного из аппаратов возвращается в предыдущий. Через аппарат, в который направляется поток Vp,проходит поток V больший, чем основной Vо,так что V = Vo+ Vp. Количественно величину рецикла характеризуют двумя величинами: кратностью циркуляции Кр= V/Vои отношением циркуляции R= Vp/VОчевидно, R= (Кр – 1)/Кр.
Если выходящий из аппарата поток разветвляется, и одна его часть образует обратную связь (схема б), то такая связь образует полный рецикл – составы выходящего потока и рециклирующего одинаковы. Такую схему используют для управления процессом, создания благоприятных условий для его протекания. В цепных реакциях скорость превращения возрастает по мере накопления промежуточных активных радикалов. Если на вход реактора вернуть часть выходного потока, содержащего активные радикалы, то превращение будет интенсивным с самого начала.
Возможен возврат (рецикл) части компонентов после системы разделения Р (схема 7). Это – фракционный рецикл (возвращается фракция потока). Широко применяется для более полного использования сырья. В синтезе аммиака в реакторе превращается около 20% азотоводородной смеси. После отделения продукта – аммиака – непрореагировавшие азот и водород возвращают в реактор. При неполном превращении реакционной смеси в реакторе в схеме с фракционным рециклом достигается полное превращение исходного вещества. Фракционный рецикл используют также для полного использования вспомогательных материалов. В производстве аммиака азотоводородная смесь получается с большим содержанием С02. Его абсорбируют раствором моноэтаноламина (МЭА), который быстро насыщается диоксидом углерода. Насыщенный раствор МЭА рециркулирует через десорбер, где отделяется С02 и восстановленный моноэтаноламин возвращается в абсорбер. К фракционному рециклу можно отнести схему 8. Свежая смесь нагревается в теплообменнике теплом выходящего из реактора потока. Рециркулирует тепловая фракция потока (а не компонентная, как в схеме 7).
Схемы 6–8 представляют собой простой рецикл, а схема 9 – сложный.
Приведенные выше типы связей присутствуют практически во всех ХТС, обеспечивая необходимые условия их функционирования.
Исследование системы, в том числе ХТС, предполагает, что вначале она будет представлена моделью. Уже из определения системы как совокупности элементов и связей между ними представляется целесообразным представить ее в виде схемы, графически. С другой стороны, качественные и количественные показатели ее функционирования могут быть отражены словесным и математическим описаниями (моделями) происходящих в них процессов (здесь понятие модели трактуется несколько шире, чем было строго определено в разделе «Математическое моделирование»: описание процесса, его схема – также модели ХТС). Модели ХТС можно разделить на две группы: описательные (в виде формул, уравнений) и графические (в виде схем и других графических изображений). В каждой из названных групп также можно выделить несколько видов моделей, различающихся по форме и назначению:
А. Описательные модели: химическая; операционная; математическая;
Б. Графические модели: функциональная; технологическая; структурная; специальные.
Здесь перечислены не все виды моделей, применяемых при исследовании ХТС, а только те, которые будут использованы далее.
Химическая модель (схема) представлена основными реакциями (химическими уравнениями), которые обеспечивают переработку сырья в продукт.
Синтез аммиака из водорода и азота представлен одним химическим уравнением:
ЗН2 + N2= 2NH3.
Производство аммиака из природного газа (метана) требует проведения нескольких химических реакций:
СН4 + Н20 = СО + ЗН2 – конверсия метана с водяным паром;
СО + Н20 = С02 + Н2 – конверсия оксида углерода;
ЗН2 + N2= 2NH3– синтез аммиака.
Получение серной кислоты из серы протекает через следующие превращения:
S2+ 2O2 = 2S02– сжигание серы;
2S2+ 02 = 2S03– окисление диоксида серы;
S03+ Н20 = H2S04– абсорбцияSO3.
Последовательность химических взаимодействий удобно представить и такой схемой, как, например, производство соды Nа2СОз из поваренной соли NaClи известняка СаС03:
Эти уравнения – химическая схема – показывают генеральный путь превращения сырья в продукт. Но реализация этого превращения не ограничивается только данными уравнениями – необходимы еще стадии, обеспечивающие эти химические преобразования или детализирующие их. Они представлены в других моделях процесса.
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:
H2S+ ZnO= ZnS+ Н20
Конверсия метана с водяным паром. И природный газ (СН4), и вода (Н2О) являются сырьем для получения одного из компонентов для синтеза аммиака – водорода Н2. В этом превращении протекают одновременно две реакции:
СН4 + Н2О = СО + ЗН2;
СО + Н2О = СО2 + Н2.
2) Конверсия оксида углерода с водяным паром (в предыдущем процессе оксид углерода СО не полностью превращается в С02 из-за равновесных ограничений):
СО + Н2О = СО2 + Н2.
После этого процесса достигается максимально возможное извлечение водорода из исходного сырья – метана СН4 и воды Н2О.
3) Получение азота N2– второго исходного компонента для синтеза аммиака. В современных схемах его получают из воздуха «выжиганием» из него кислорода:
302 + 2СН4 = 2СО + 4Н20.
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 Н20 – участники получения водорода.
4) Абсорбция диоксида углерода – удаление С02, полученного при получении водорода. Его поглощают раствором моноэта – ноламина:
С02 + 2RNH2+ Н2О = (RNH3)2C03.
5) 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 + ЗН2 = СН4 + Н2О.
6) Синтез аммиака (после всех стадий получена чистая азото – водородная смесь; примесь СН4, полученная в предыдущей стадии, мала):
3Н2 + 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. 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 предыдущей, с параллельной и обратными связями.
Функциональная схема производства аммиака. Цифры на схеме соответствуют стадиям операционной модели
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.
Функциональная схема производства соды
Функциональная схема синтеза аммиака: А – синтез NH3; Б – выделение NH3; В – компрессия 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:
7) Синтез аммиака ЗН2 + N2= 2NH3;
Б. Выделение аммиака;
8) Возврат непрореагировавших водорода и азота в реактор (стадию А).
Функциональная схема показана на рис. 3.5. Схема с рециклом.
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 расстановке в цехе. На технологической схеме кратко могут быть приведены данные о параметрах процесса.