Лекция №2. Химическое производство как многофункциональная химико-технологическая система
Химическое производство как многофункциональная химико-технологическая система.
1. Химико-технологический процесс
2. Структура и состав химического производства
3. Показатели химического производства и химико-технологического процесса
4. Сырьевая и энергетическая подсистемы химико-технологической системы
(тема для самостоятельного изучения)
5. Общие принципы разработки и создания химико-технологических систем
(Основные этапы создания химико-технологических процессов. Классификация моделей химико-технологических систем. Функциональная, структурная, операторная, технологическая схемы. Типы технологических связей.).
Химическое производство – это совокупность функциональных подсистем, связанных между собой технологическими, электрическими, транспортными и телекоммуникационными (для информации и управления) линиями связи для совместного функционирования и обеспечивающих эффективное использование материальных, энергетических ресурсов при химическом превращении реагентов в целевой продукт заданного качества, высокую производительность, управление процессами, охрану труда и окружающей среды.
Все они взаимосвязаны и функционируют вместе, обеспечивая получение продукции и выполняя другие функции производства. Такой объект называется системой.
Система – совокупность элементов и связей между ними, функционирующая как единое целое.
Химико-технологический процесс – последовательность химических и физико-химических процессов целенаправленной переработки исходных веществ в продукт.
В совокупном химико-технологическом процессе выделяются следующие отдельных процессов и операций, классифицированных по их основному назначению, и соответствующие аппараты и машины в которых они осуществляются.
1. Механические и гидромеханические процессы – перемещение материалов, изменение их формы и размеров, сжатие и расширение, смешение и разделение потоков. Все они протекают без изменения химического и фазового состава обрабатываемого материала. Для проведения этих процессов предназначены транспортеры, питатели, дробилки, диспергаторы,формователи, компрессоры, насосы, смесители, фильтры и т.д.
2. Теплообменные процессы – нагрев, охлаждение, изменение фазового состояния. Химический и фазовый состав в них не меняется. Они протекают в теплообменниках, кондансаторах, кипятильниках, плавислках, сублиматорах.
3. Массообменные процессы – межфазный обмен, в результате которого меняется компонентный состав контактирующих фаз без коренного изменения химического состава, т.е. химических превращений. К ним относятся растворение, кристаллизация, сушка, дистилляция, ректификация, абсорбция, экстракция, десорбция, осуществляемые в соответствующих аппаратах – сушилках, дистилляторах, ректификаторах, абсорберах, экстракторах, десорберах.
4. Химические процессы – процессы, связанные с изменением химического состава веществ; данные процессы проводятся в химических реакторах.
2. Структура и состав химического производства
Химическое производство можно представить как систему. Система – совокупность элементов и связей между ними, функционирующих как единое целое. Элемент системы изменяет свойства и состояние входящих в него потоков. Выходящие потоки передаются по связям в другие элементы, в которых происходят их последующие изменения. Система элементов, перерабатывая входящие и выходящие из нее потоки, функционирует взаимосвязано. Для исследования таких объектов, их свойств и особенностей функционирования используется теория систем [1, 2].
В химическом производстве элементы – это машины, аппараты, реакторы; связями являются трубо-, газо- и паропроводы. В элементах происходит превращение потоков – изменение их состояния – разделение, смешение, сжатие, нагрев, химическое превращение и прочее, а по связям материальные, тепловые, энергетические потоки передаются из одного элемента в другой. Это позволяет представлять химическое производство как химико-технологическую систему.
Химико-технологическая система (ХТС) – совокупность аппаратов, машин, реакторов, других устройств (элементов), а также материальных, тепловых, энергетических и других потоков (связей) между ними, функционирующая как единое целое и предназначенная для переработки исходных веществ (сырья) в продукты.
Элемент ХТС может быть представлен отдельным аппаратом (реактором, смесителем, абсорбером, теплообменником, турбиной и т. д.) или их совокупностью. Например, каскад реакторов с теплообменниками и смесителями потоков, расположенных между ними, изменяет химический состав, и эту совокупность аппаратов можно представить как элемент ХТС. Степень детализации элемента (один аппарат или совокупность нескольких) зависит от задачи исследований (установить те или иные показатели химико-технологического процесса, определить особенности функционирования и т. д.).
Совокупность элементов можно представить как химико-техноло-гическую систему. Например, реакционный узел, состоящий из нескольких реакторов, теплообменников, смесителей (элементов) и потоков между ними (связей) и функционирующих как единое целое, является системой. В то же время его можно рассматривать как подсистему, входящую в большую систему.
Подсистемы могут быть выделены как по масштабу, так и функционально. Реакционный узел – малая по масштабу, но значимая во всем технологическом процессе переработки сырья в продукт подсистема. В этом случае рассматривается технологическая подсистема производства. Энергетическая подсистема включает энергетическое оборудование как ее элемент, по масштабу охватывает все производство, но ее роль сводится к выполнению определенной функции – обеспечению производства энергией.
Таким образом, химико-технологическая система представляет собой модель химического производства или химико-технологического процесса, отображающую его структуру и позволяющую прогнозировать те или иные свойства и показатели [1].
Общая структура химического производства или ХТС включает в себя функциональные элементы подсистем, представленные на рис. 1, согласно которому 1–3 – технологическая подсистема или собственно химико-технологический процесс, в котором сырье перерабатывается в продукт. ХТП включает подготовку сырья 1, т. е. его предварительную обработку: измельчение, очистку от примесей, смешение компонентов, нагревание и т. д. Подготовленное сырье проходит ряд физико-химических и химических превращений – его переработку 2, в результате чего образуются целевой и, как правило, побочный продукты. Образование побочных продуктов может осуществляться как при протекании целевой, так и побочных реакций. Кроме того, побочные продукты могут образовываться и за счет наличия в сырье примесей. Поскольку степень превращения исходных реагентов в промышленном ХТП меньше 1, то после химического превращения 2 в образовавшейся смеси продуктов присутствуют и компоненты сырья. выделение целевого продукта из образовавшейся смеси, а иногда и его очистка от примесей, осуществляются на стадии 3.
Продукт целевой
Энергия Вода Управление
Рис. 1. Структура и функциональные элементы химического производства [1]:
1 – подготовка сырья; 2 – химическая переработка сырья; 3 – выделение целевого продукта;
4 – обезвреживание и переработка побочных продуктов; 5 – энергетическая подсистема;
6 – подготовка вспомогательных материалов и водоподготовка; 7 – подсистема управления
После выделения целевого продукта оставшиеся побочные продукты направляют на очистку и обезвреживание, либо на переработку в продукт, используемый в химической или других отраслях промышленности 4. Переработка и обезвреживание побочных продуктов необходимы для снижения вредного воздействия производства на окружающую среду и человека.
Отходы производства, или невостребованные продукты переработки сырья, могут содержать как вредные вещества, которые могут загрязнять окружающую среду, так и полезные, которые целесообразно использовать. Поэтому особое внимание необходимо уделять переработке отходов (рис. 1, поз. 4). Наиболее рациональным является превращение отходов основного производства в технические материалы, которые можно использовать в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве. В частности, пигменты, получаемые переработкой железосодержащих отходов (шламов), которые образуются при обезвреживании травильных растворов, могут быть применены для окрашивания строительных, резинотехнических, лакокрасочных и других материалов. В случае, когда невозможна переработка отходов в технические продукты, производится их очистка или обезвреживание. После проведения данных процессов при соблюдении санитарно-гигиенических нормативов твердые отходы складируются на специально подготовленных полигонах, жидкие (сточные воды) сбрасываются в природные водоемы, газообразные выбрасываются в атмосферу.
Предприятия химической промышленности достаточно энергоемки: для обеспечения переработки сырья в конечные продукты расходуется около 15% всех вырабатываемых энергоресурсов. Энергетическая подсистема – важный и сложный элемент химического производства (рис. 1, поз. 5). Расход энергии осуществляется на всех стадиях получения целевого продукта, а также очистки, обезвреживания и переработки побочных продуктов. Основная доля расходуемой энергии приходится на тепловую. Нередко химические превращения сопровождаются выделением энергии (экзотермические реакции), и в энергетической системе, кроме обеспечения распределения энергии по стадиям переработки, должна быть предусмотрена возможность вторичного использования выделяемой энергии для нужд производства.
Кроме энергии в химическом производстве применяются вспомогательные материалы, имеющие различное целевое назначение. К ним относятся, например, сорбенты для очистки и выделения продуктов,катализаторы, ускоряющие химическое превращение реагентов, коагулянты для осветления природной и оборотной воды, рассолов, флокулянты для укрупнения взвешенных частиц и др.
Особое место в химическом производстве занимает вода. Она используется для охлаждения технологических потоков, выработки пара, растворения, разбавления веществ и отмывки осадков как реагент, и ее потребление может быть значительным. Подготовка вспомогательных материалов и особенно водоподготовка (рис. 1, поз. 6) – очень важная и сложная часть химического производства. Поскольку вспомогательные материалы и вода обеспечивают технологический процесс, но, как правило, не входят в конечные продукты производства, система подготовки должна предусмотреть восстановление их свойств после проведения цикла операций с их участием с последующим возвращением в производство.
Сложное химическое производство невозможно эксплуатировать без системы управления (рис. 1, поз. 7). Она обеспечивает контроль технологического режима, проведение процессов при оптимальных условиях, защиту от нежелательных или аварийных ситуаций, пуск и остановку сложной системы. Эта подсистема представляет собой автоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУТП).
Компоненты химического производства. Переменные компоненты постоянно потребляются или образуются в производстве. К ним относятся [1, 2]:
1) сырье, поступающее на переработку;
2) вспомогательные материалы, обеспечивающие технологический процесс;
3) продукты (основные и побочные) как результат переработки сырья; продукты производства далее могут быть использованы как целевые продукты потребления и как полупродукты для их дальнейшей переработки в другие продукты;
4) отходы производства – не подлежащие дальнейшей переработке вещества и материалы, удаляемые затем в окружающую среду;
5) энергия, обеспечивающая функционирование производства.
Постоянные компоненты закладываются в производство (оборудование, конструкции) или участвуют в нем (персонал) на весь или почти весь срок его существования. Они включают:
− аппаратуру (машины, аппараты, реакторы, емкости, трубопроводы, арматуру);
− устройства контроля и управления;
− строительные конструкции (здания, сооружения);
− обслуживающий персонал (рабочие, аппаратчики, инженеры и
другие работники производства).
Последний компонент требует особого внимания как социальная составляющая производства.
В компоненты конкретного производства не входят элементы инфраструктуры, как не участвующие непосредственно в производстве продукта, но необходимые для его функционирования.
Состав химического производства, обеспечивающий его функционирование как производственной единицы:
1) собственно химико-технологический процесс;
2) хранилища сырья, продуктов и других материалов;
3) система организации транспортировки сырья, продуктов, вспомогательных материалов, промежуточных веществ, отходов;
4) дополнительные здания, сооружения;
5) обслуживающий персонал производственных подразделений;
6) система управления, обеспечения и безопасности.
Источник
Компоненты химического производства
Переменные компоненты постоянно потребляются или образуются в производстве:
– сырье, поступающее на переработку;
– продукты — основной и дополнительный — как результат переработки сырья;
– энергия, обеспечивающая функционирование производства.
Постоянные компоненты закладываются в производство (оборудование, конструкции) или участвуют в нем (персонал) на весь или почти весь срок его существования:
– аппаратура (машины, аппараты, емкости, трубопроводы, арматура); устройства контроля и управления;
– строительные конструкции (здания, сооружения);
– обслуживающий персонал (рабочие, аппаратчики, инженеры и другие работники производства).
Рассмотрим состав химического производства, обеспечивающий его функционирование как производственной единицы:
– собственно химическое производство;
– хранилища сырья, продуктов и других материалов;
– транспортировка сырья, продуктов, промежуточных веществ, отходов;
– обслуживающий персонал производственного подразделения;
– система управления, обеспечения и безопасности.
В основе химического производства лежит химический процесс
В общем смысле: Технологический процесс – совокупность операций и процессов переработки сырья и материалов в продукты.
Технологический процесс — совокупность технологических операций (химических, механических и физико-химических), выполняемых в определённой последовательности с целью получения того или иного продукта.
Химико-технологический процесс — последовательность процессов целенаправленной переработки исходных веществ в продукт — химических и физико-химических процессов и их сочетаний.
Разделяется на несколько стадий, которые проводятся в различных аппаратах. Стадия, как правило, включает одну реакцию и несколько операций, таких, как нагревание/охлаждение, смешение, перекачка, фильтрование и проч. Сочетание всех этих стадий (тек же и аппаратов) называется технологической схемой производства.
Поясним на примере синтеза аммиака из азота и водорода.
Аммиак образуется в результате протекания химической реакции N2 + 3Н2 = 2NH3. Превращение осуществляют при температуре 700 — 850 К и давлении 30 МПа. Из-за обратимости реакции исходная азотоводородная смесь превращается не полностью. Необходима физико-химическая стадия — конденсация — для выделения образовавшегося аммиака. Непрореагировавшие N2 и Н2 возвращают в реактор. Для повышения давления, а также для циркуляции газов необходимо их сжатие, являющееся механическим процессом. Нагрев и охлаждение потоков, осуществляемые при этом, — теплообменные процессы.
Совокупность указанных операций в их последовательности, реализующих получение аммиака из водорода и азота, есть химико-технологический процесс синтеза аммиака. Чтобы получить азот и водород, надо сначала получить водород из природного газа и воды, а азот выделить из воздуха. Совокупность процессов и операций, осуществляемых для превращения природного газа, воды и воздуха в аммиак, — химико-технологический процесс производства аммиака из природных материалов. Как часть он включает в себя и химико-технологический процесс синтеза аммиака. Из функциональных элементов химического производства, показанных на рис. 1.1, к химико-технологическому процессу можно отнести стадии 1 — 4, на которых происходит собственно переработка сырья в продукты.
В совокупном химико-технологическом процессе выделяются следующие виды отдельных процессов и операций, классифицированных по их основному назначению, и соответствующие аппараты или машины, в которых они осуществляются.
Источник
