61.06 ЗХТ лекції

Операторна схема призначена для того, щоб відтворити фізико-хімічну сутність всіх технологічних процесів, які відбуваються у ХТС, що проектується або оптимізується. Сутність будь-якого фізико-хімічного процесу відтворюється певним технологічним оператором - умовним графічним зображенням цього процесу, який означає зміну відповідного параметра технологічного потоку.

Рис.6.3. Елементи операторної схеми.

Технологічні оператори поділяють на основні та допоміжні За допомогою технологічних операторів можна зобразити або перебіг

лише основного процесу, який реалізується в елементі ХТС, або ж показати всі фізико-хімічні процеси, які відбуваються в ньому. Тому операторні схеми

можна поділити на скорочені та повні.

У скорочених операторних схемах кожному елементу відповідає лише один технологічний оператор. Ним зображають основний технологічний процес. Наприклад, у реакторі відбувається екзотермічна реакція, внаслідок якої один з компонентів реакційного середовища випаровується і при цьому зростає тиск Незважаючи на те, що в реакторі відбувається низка різних за сутністю процесів, цей елемент у скороченій операторній схемі зображають лише оператором хімічного перетворення.

Скорочена операторна схема дає чітку уяву про тип елемента (реактор, теплообмінник, сепаратор тощо), який слід застосувати у ХТС, і є підставою для розроблення повної операторної моделі.

Повні операторні схеми передбачають зображення елемента ХТС системою технологічних операторів, які відображають фізико-хімічні процеси, що відбуваються в цьому елементі.

Отже, якщо в реактор надходять два матеріальні потоки (реагенти), які взаємодіють з виділенням газу як одного з продуктів реакції (інший продукт - розчин), внаслідок чого зростає тиск, а з апарата продукти виходять окремими потоками (рідкота газофазовим), то такий елемент ХТС зображатиметься такою системою операторів:

Детальний якісний та кількісний аналіз повної операторної схеми разом з іншими моделями ХТС, зокрема, математичною, дає змогу вибрати

81

існуюче або сконструювати нове обладнання. Отже, повні операторні схеми є надзвичайно важливим етапом у створенні ХТС.

Технологічна схема — це графічне зображення елементів ХТС стандартними умовними загальноприйнятими позначенями, які з’єднані між собою технологічними потоками із зазначенням їх напрямків стрілками. Зображення кожного елемента дає уявлення про його загальну конструкцію або принцип дії, а вхід чи вихід технологічного потоку, зазначається в точці, яка реально відповідає діючому апарату. За умовними позначеннями матеріальних потоків легко уявити, в якому фазовому стані вони знаходяться. Наприклад, зачорнена стрілка означає, що це потік конденсованої речовини (твердої або рідини), незачорнена - відповідає потоку газу. Для наочності основні елементи (апарати) часто зображають із дотриманням масштабу.

Технологічна схема, порівняно з наведеними вище, дає значно більше інформації про функціонування всієї системи як виробничого процесу. Окрім того, вона містить дані про основне та допоміжне обладнання, яке використовується в цьому виробництві. Характеристика апаратів може наводитись частково на технологічній схемі, а частково - у специфікації, яка є обов’язковим додатком до графічного зображення.

Як і операторні, технологічні схеми можна розділити на скорочені (принципові) та повні.

Рис.6.4. Типова технологічна схема.

6.3. Технологічні зв’язки та їх види

Існуючі промислові виробництва як ХТС можуть бути надзвичайно складними й різноманітними за структурою. Але, незважаючи на це, у кожній з них можна чітко виділити групи елементів або підсистем, зв’язаних між собою у певній послідовності, яка називається технологічним зв’язком. Отже,

технологічний зв’язок (ТЗ) - це спосіб сполучення окремих елементів (або підсистем) за допомогою технологічних потоків з утворенням підсистем та систем.

Розрізняють такі види технологічних зв’язків:

•послідовний;

82

•послідовно-обвідний (байпас);

•паралельний;

•зворотний (рециркуляційний);

•перехресний.

Послідовний ТЗ полягає в тому, що технологічний потік послідовно проходить всі елементи ХТС тільки один раз. Він є найпоширенішим ТЗ. Застосовується послідовний технологічний зв’язок у випадках, коли:

а) в елементі системи досягається високий ступінь перетворення, а його продуктивність забезпечує необхідну продуктивність всієї ХТС;

б) одержання цільового продукту відбувається у декілька стадій з утворенням напівпродуктів (наприклад, у виробництві сульфатної кислоти із сірки спочатку отримують сірки (IV) оксид, потім сірки (VI) оксид і лише на третій стадії цільовий продукт - Н2SO4);

в) ступінь перетворення в одному елементі ХТС є низьким, але є можливість використати каскад реакторів ;

г) сировина є багатокомпонентною, тобто містить декілька цінних інгредієнтів, які послідовно вилучають за допомогою певних реагентів або за певних умов реалізації технологічного процесу (наприклад, перероблення поліметалевих або полімінеральних руд).

Послідовно-обвідний ТЗ (байпас) полягає в тому, що технологічний потік перед першим елементом системи послідовно з’єднаних елементів ХТС (реакторів) розділяється на два потоки: основний та обвідний (байпасний). Основний потік послідовно проходить всі елементи ХТС, а байпасний обходить певні елементи і вводиться повністю або частково в основний після того чи іншого елемента.

Використовується такий ТЗ для здійснення сильно екзотермічних процесів, які відбуваються в окремих елементах у адіабатичному режимі.

Унаслідок перебігу хімічної реакції різко зростає температура реакційного середовища. Подальший перебіг процесу може призвести до зміщення рівноваги у бік вихідних речовин та зменшення ступеня перетворення.

Якщо в гарячий технологічний потік ввести холодний байпасний потік, то рівновага процесу зміститься у бік кінцевих продуктів унаслідок впливу двох чинників:

по-перше, зменшення температури, а, по-друге, збільшення концентрації реагенту.

Отже, ступінь перетворення при застосуванні байпасного ТЗ зростає Окрім того, цей ТЗ дає змогу збільшити ступінь перетворення за

рахунок збільшенням часу перебування реагентів у реакторі (елементі):

частина початкового потоку перед реактором відводиться байпасом, отже, витрата потоку через цей елемент буде меншою, а тривалість реакції - більшою. Відтак ступінь перетворення й продуктивність елемента зростають.

83

Паралельний ТЗ характеризується тим, що технологічні процеси в ХТС здійснюються одночасно в декількох елементах, через які технологічні потоки проходять паралельно.

а) для збільшення продуктивності виробництва, тобто якщо продуктивність одного елемента є значно меншою, ніж продуктивність всієї ХТС. У цьому ТЗ продуктивність всіх елементів, які працюють паралельно, є однаковою як за сировиною (G1A=СА2=САз), так і за цільовим продуктом

(GR1=GR2=GR3), а загальна продуктивність системи дорівнює сумі продуктивностей окремих елементів (GR= GR1+GR2+GR3). У цьому випадку

кожен з паралельних потоків та елементи, які він проходить, називають технологічною ниткою.

б) для випуску різних видів продукції із одного виду сировини. У цьому випадку кожен з паралельних технологічних потоків називають технологічною лінією. Переважно потреба у різних продуктах є неоднаковою, тобто продуктивності паралельних технологічних ліній зазвичай відрізняються. Тому початковий технологічний потік (сировина) розділяється на окремі потоки з різними витратами, які повинні забезпечити необхідні продуктивності за відповідними продуктами.

в) якщо одержання цільового продукту відбувається внаслідок взаємодії проміжних напівпродуктів, кожен з яких отримують одночасно в окремих технологічних процесах (паралельно). Наприклад, одержанню натрію гідрокарбонату передує здійснення двох паралельних процесів: перший - це отримання амонізованого розчину натрію хлориду, другий - виробництво вуглекислого газу термічним розкладом вапняку

г) якщо назагал ХТС працює у безперервному режимі, а окремі елементи у періодичному. У цьому випадку зазначені елементи працюють паралельно, але зі зміщенням циклу роботи одного щодо іншого в часі. Кількість елементів розраховується так, щоб технологічний потік на виході з паралельного ТЗ був постійним, тобто вивантаження елементів (реакторів, масообмінних апаратів) відбувалось одне за одним без пауз між ними. Наприклад, паралельний ТЗ використовується при виплавленні сірки із сірчаного концентрату в автоклавах, які працюють періодично, а потік сірки із автоклавного цеху в цех виробництва сульфатної кислоти є практично сталим.

Зворотний ТЗ (рецикл) характеризується наявністю зворотного технологічного потоку: непрореаговану сировину повертають в одну або декілька точок ХТС на повторне перероблення для збільшення ступеня перетворення (рис. 4.10,а). При цьому елементи з’єднані між собою послідовно й разом із зворотним ТЗ утворюють замкнену підсистему ХТС.

84

Використовується зворотний ТЗ, якщо ступінь перетворення сировини за один прохід є низьким, а кількість домішок у сировині є незначною. Він дає змогу створити маловідходну ХТС, істотно покращити утилізацію теплоти.

За кількістю непрореагованої сировини, яка повертається на перероблення, рецикли поділяють на повні та фракційні.

Повний рецикл полягає в тому, що непрореагована сировина повністю повертається на повторне перероблення.

Наприклад, ступінь перетворення азоту й водню під час синтезу аміаку не перевищує 20 %; після конденсації утвореного NHз, непрореаговану азотоводневу суміш повністю повертають у колону синтезу.

Фракційний рецикл - на перероблення повертається лише певна частина непрореагованої сировини (рис. 4.10,в). Прикладом фракційного рециклу є виробництво сульфатної кислоти за циклічною схемою, в якій окиснення SО2 до

SО3 здійснюють технічним киснем, що містить незначну кількість азоту (до 5 %). Оскільки SО2 окиснюється неповністю, то після абсорбції утвореного SО3 з

одержанням продукційної Н2SО4, непрореагований SО2 повертають на стадію

контактування. Але газова суміш містить баластний газ - азот, повернення якого в головний технологічний потік призводило б до постійного зменшення концентрації SО2, відтак швидкість й повнота окиснення сірки (IV) спадала б.

Тому для підтримування сталого вмісту баластного азоту у реакційній суміші на стадію окиснення SО2 повертають не весь газовий потік, а лише його частину,

тобто реалізується фракційний рецикл.

За способом введення зворотного потоку в прямий фракційний рецикл

поділяють на такі підвиди: простий-, спряжений-, складний.

Простий рецикл - непрореагована сировина повертається лише в одну точку технологічного потоку . Такий рецикл використовують, наприклад, у разі синтезу аміаку.

Спряжений фракційний рецикл - непрореагована сировина вводиться в

декілька точок технологічного потоку. Такий підвид ТЗ з рециклом застосовується при термічному крекінгу нафти.

Складний рецикл передбачає використання в одній ХТС декількох рециклів .

Перехресний ТЗ полягає в тому, що через елемент ХТС одночасно проходять два чи більше технологічних потоків, які безпосередньо не контактують, тобто не змішуються. Застосовується цей ТЗ для ефективнішого використання енергії в ХТС, зокрема для утилізації теплоти, акумульованої технологічним потоком.

85

Характерним прикладом такого ТЗ є утилізація теплоти газів, які утворюються при контактному окисненні SО2 до SО3, для нагрівання сірки (IV) оксиду,

що надходить у контактний апарат, до температури запалювання каталізатора. Перехресний ТЗ також дає змогу використати енергію потоків, які

переміщуються під високим тиском.. Використання перехресного ТЗ дає змогу створити замкнену за енергією ХТС.

6.4. Методи та етапи розробки хіміко-технологічних систем. Технологічні концепції створення хіміко-технологічних систем. Аналіз хіміко-технологічних систем

Головна ХТС не може працювати без допоміжних підсистем, зокрема:

1.енергетичної;

2.водопідготовки та водопостачання;

3.перероблення відходів та знешкодження шкідливих викидів;

4.управління технологічними процесами та апаратами.

Усі операції з перетворення сировини в цільові продукти, які відбуваються в головній ХТС, та процеси в підсистемах здійснюються в спеціальних машинах, апаратах та інших пристроях.

За їх участю:

1.транспортується сировина, напівпродукти, матеріали, енергоносії тощо (для цього призначаються насоси, транспортери тощо);

2.здійснюються хімічні перетворення (це - реактори);

3.відбувається масообмін між фазами (для цього, наприклад, використовують абсорбери, адсорбери, мембранні апарати, розчинювачі тощо);

4.речовини нагріваються або охолоджуються (теплообмінники);

5.змінюється фазовий (агрегатний) стан речовин (конденсатори, випарники);

6.створюється тиск або розрідження (компресори, вакуум-насоси);

7.змінюються геометричні параметри (розміри) речовин (дробарки, млини, гранулятори).

Елементи в хіміко-технолоґічній системі обов’язково з’єднуються між собою технологічними потоками, які ще називаються технологічними зв’язками.

Розрізняють матеріальні та енергетичні потоки (зв’язки).

Матеріальний потік - це переміщення речовин у будь-якому фазовому стані в просторі від елемента до елемента в межах ХТС. Він здійснюється за допомогою трубопроводів, газоходів, різноманітних транспортерів тощо.

Енергетичний зв’язок - це потік енергії (теплової, електричної, світлової, електромагнітної тощо), яка підводиться до елемента ХТС відповідними засобами. Наприклад, теплова енергія може підводитись трубопроводами, якщо теплоносій - газ, пара чи рідина; електрична - кабелями; електромагнітна - спеціальними трактами (хвилеводами).

86

Інформаційний потік - це сигнали в електричній чи пневматичній (за допомогою стисненого повітря) формі, якими передається інформація про перебіг технологічного процесу в окремому елементі ХТС або його вузлі, про параметри матеріального або енергетичного потоків при транспортуванні від елемента до елемента, а також команди для керування робочими (виконавчими) пристроями.

Розрізняють первинний та вторинний (зворотний) інформаційні потоки.

Первинний інформаційний потік (зв’язок) надходить від елементів або потоків у спеціальний пункт збирання та оброблення технологічної інформації, який на виробництві називають операторною кімнатою. Тут відбувається його розшифровування засобами мікропроцесорної чи аналогової техніки, автоматичне порівнювання з нормативними величинами. Тут же

формується зворотний (вторинний) інформаційний потік, яким регулюються параметри роботи окремого елемента ХТС, узгоджується робота сукупності елементів або підсистем ХТС. Таке регулювання відбувається внаслідок того, що вторинний потік надходить до певного виконавчого механізму, який регулює витрати реагентів, теплоносія, рівні розчинів в ємностях і реакторах тощо.

Робота та стан кожного елемента або його окремих вузлів та технологічних потоків характеризуються певними кількісними показниками, які називаються параметрами.

Технологічний потік характеризується параметрами стану й параметрами властивостей.

Параметрами стану є температура, тиск, концентрація, витрата речовин.

До параметрів властивостей належать густина, в’язкість, теплоємність, ентальпія, магнітні та електростатичні характеристики потоку.

Елемент ХТС характеризують такі параметри:

1.вхідних потоків;

2.вихідних потоків;

3.технологічні;

4.конструктивні;

5.управління.

Особливості ХТП залежать від природи реагуючих речовин і визначають технологічні параметри (константи швидкостей реакцій та рівноваги, ступінь перетворення та селективність, коефіцієнти масота теплопередачі тощо).

До конструктивних параметрів належать геометричні характеристики елемента (загальний та реакційний об’єми, співвідношення між діаметром і висотою, об’єм каталізатора, площа поверхні масота теплообміну, наявність та розміщення теплообмінних поверхонь тощо). Вибір цих параметрів залежить

87

від необхідної продуктивності, яку повинен забезпечити елемент, теплового ефекту реакції, необхідності застосування каталізатора, оптимальних умов реалізації процесу.

Для того, щоб ефективність ХТП в елементі була максимальною, необхідно визначити умови цього процесу:

•температуру,

•тиск,

•гідродинамічний режим,

•потребу в застосуванні каталізатора,

тобто слід підібрати параметри управління ХТП, які ще називають параметрами технологічного режиму.

Значення цих параметрів визначають на підставі знань з кінетики та статики для конкретного процесу, областей його перебігу, відомостей про вплив конкретних чинників на його швидкість. Теоретичні розрахунки перевіряють та уточнюють експериментально. Наприклад, якщо реакція належить до оборотних екзотермічних, то температури визначають в межах оптимальних значень; якщо процес гетерогенний - визначають область перебігу та відповідні способи його інтенсифікації.

За характером зміни найважливіших параметрів системи в часі, тобто за типом функціонування, ХТС поділяють на:

а) ХТС, що працюють безперервно - вони характеризуються сталими параметрами (температурою, тиском, витратою реагентів, продуктів тощо) у часі. Прикладом таких ХТС може бути одержання метанолу із синтез-газу, виробництво сульфатної кислоти, синтез аміаку тощо;

б) ХТС, що працюють циклічно (періодично) - параметри системи змінюються з певною періодичністю. Прикладом такої системи є виробництво коксу, цикл роботи якої складається із завантаження вугілля у коксову піч; коксування, вивантаження коксу. На кожному етапі коксування значення параметрів (температури, складу твердої речовини та газової фази) змінюються;

в) ХТС, що працюють напівперіодично (безперервно-періодично) - деякі параметри такої системи є сталими в часі, а інші - змінними. У виробництві негашеного вапна (СаО) завантаження печі є періодичним (витрата вапняку змінюється в часі), а вивантаження продукту, тобто масова витрата СаО, і температура випалювання в зоні реакції є сталими;

г) гнучкі ХТС - це перспективний напрямок організації виробництва, як правило, малотоннажного. Гнучкість полягає в тому, що залежно від потреби споживача промисловий об’єкт може переходити з випуску одного виду продукції на інший на цьому самому обладнанні, тобто елементна база гнучкої ХТС є практично сталою. Очевидно, що в цьому випадку параметри функціонування системи будуть змінюватись залежно від переорієнтації виробництва.

88

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1.Для чого призначена головна хіміко-технологічна система?

2.Стуктура підсистем хіміко-технологічної системи.

3.Що таке матеріальні і інформаційні потоки?

4.Наведіть поділ ХТС за типом функціонування.

5.Які є види технологічних зв’язків?

6.Які моделі ХТС відносять до описових, які до графічних, які до математичних?

7.Наведіть елементи операторної схеми.

8.Що таке технологічні зв’язки?

9.Що таке функціональна схема?

10.Що таке операторна схема?

11.Що таке технологічна схема?

12.Що таке структурна схема?

13.Що таке хімічна модель?

14.Що є параметрами стану і параметрами властивостей?

89

ТЕМА 7. СИРОВИННА БАЗА ВИРОБНИЦТВА

Класифікація і характеристики сировини. Принципи збагачення та розділення сировини. Збагачення та розділення твердофазної сировини. Методи розділення рідкофазової сировини та розділення рідин. Розділення газофазових сумішей.

7.1. Класифікація і характеристики сировини

Незважаючи на величезну різноманітність видів сировини, її можна розділити за певними ознаками: походженням, запасами, хімічним складом,

агрегатним станом, генезисом.

За походженням сировину поділяють на мінеральну, рослинну і тваринну, повітря та воду. Коротко охарактеризуємо кожен із видів сировини.

Мінеральна сировина - це корисні копалини, які видобувають із земних надр. У свою чергу мінеральна сировина поділяється на рудну, нерудну, горючу.

Рудна мінеральна сировина - це гірські породи, з яких економічно вигідно одержувати метали та деякі неметали у технічно чистому вигляді Металовмісна мінеральна сировина складається з природних мінералів (переважно це оксиди та сульфіди металів або самородні чисті та супутньої (пустої) породи . До складу деяких руд входять сполуки декількох металів. Такі руди називають поліметалічними, наприклад: мідно-нікелеві, свинцево-цинкові, свинцево-молібденові, вольфрам-молібденові тощо. До рудної мінеральної сировини належать також деякі такі її види, які як головний компонент містять неметал. Наприклад, сірчана руда, що складається з вільної сірки та пустої породи.

Нерудна мінеральна сировина - це гірські породи, які використовуються для виробництва хімічних, будівельних та інших неметалевих матеріалів. Вона є дуже різноманітною за хімічним складом і може застосовуватись як у первісному вигляді (силікати (пісок, глини), азбест, слюда тощо), або зазнавати хімічних перетворень з одержанням відповідних продуктів (з фосфоритів) - одержують фосфатну кислоту, з алюмосилікатів - алюміній, з карбонатів - вапно).

Мінеральна горюча сировина (викопна) - буре та кам’яне вугілля, сланці,

нафта, природний газ, утворена переважно органічними речовинами й використовується як джерело енерії (як енергетичне або технологічне паливо) або сировина у хімічній промисловості (переважно в органічному синтезі та металургії).

Рослинна і тваринна сировина поділяється на харчову і технічну. До харчової належать продукти сільського господарства - пшениця, соняшник, картопля, цукровий буряк, масла, жири, молоко, з яких отримують маргарин, крохмаль, цукор тощо). З технічної сировини отримують продукти побутового та технічного призначення: з деревини - папір, целюлозу, спирти; бавовника - целюлозу, вибухові речовини; рослинних олій та тваринних жирів - мила,

90