лекции / лекция 9
.pdfЛЕКЦИЯ 9
ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ЭФФЕКТИВНЫХ ХТС
ЛЕКЦИЯ 11 ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ЭФФЕКТИВНЫХ ХТС
Основу разработки (построения) составляют синтез и анализ ХТС
Задачи синтеза и анализа ХТС
Синтез ХТС |
Анализ ХТС |
Дано: сырье, материалы, виды
энергии и топлива, набор оборудования, заданы входные потоки , К =1,2….
Известно также, какие продукты, отходы будут получены, т.е. , l =1,2…
Надо:
определить основные технологические операции и выбрать главные элементы (аппараты);
выбрать на основе принципов (концепций ХТС) наилучшие технологические связи между элементами, которые формируют структуру ХТС;
выбрать и обосновать значения режимных параметров функционирования этих элементов
Дано: структура ХТС (промежуточный вариант),
входные потоки , главные элементы (аппараты);
Надо:
путем составления и решения материальных и энергетических балансов провести технологический анализ работы ХТС т.е. получить количественную информацию о параметрах потоков и состоянии элементов; Определить т.о.
значения выходных параметров и показателей работы ХТС (расходные коэффициенты по сырью, энергии,
тепловой и другие к.п.д., оценить материальные затраты, возможный
ущерб окружающей среде и т.д.
Исследовать свойства ХТС (надежность, чувствительность, устойчивость и др.) которые могут появиться при синтезе ХТС
Выбрав критерий эффективности (как правило, один из экономических показателей), провести технико-экономический анализ ХТС и ее оптимизацию. При невыполнении заданного критерия эффективности - вернуться на стадию синтеза
ХТС.
Т.о. в процессе разработки ХТС происходит постоянная циркуляция от синтеза к анализу ХТС и наоборот, до получения в итоге желаемого варианта ее организации и функционирования.
АНАЛИЗ ХТС
Чтобы судить о свойствах ХТС, показателях ее функционирования, необходимо определить состояние ХТС.
Состояние, или режим, ХТС определяется параметрами (показателями) потоков (связей) и аппаратов (элементов).
•Параметры потоков - химические, физико-химические и физические данные о потоке. К ним относятся:
•параметры состояния: количество потока в единицу времени (расход), фазовый состав, химический состав, температура, давление, теплосодержание; параметры свойств: теплоемкость, плотность, вязкость и другие.
•Параметры элемента (аппарата, машины, агрегата) включают данные, от которых зависит его функционирование: режимные характеристики (температура, давление, гидродинамическая обстановка…), регулирующие воздействия, например температура хладагента, отводящее тепло из реактора, или подача пара в паровую турбину; возмущения, возникающие при эксплуатации аппарата, например, изменение условий процесса в реакторе вследствие дезактивации катализатора или в теплообменнике из-за загрязнения его поверхности.
Количественную информацию о параметрах потоков и элементов, а также о значениях выходных параметров и показатели работы ХТС получают
при решении материальных и энергетических балансов. Расчеты балансов главная задача технологического анализа ХТС.
Основы расчёта материального баланса ХТС
•. 1. Общий вид уравнений материального баланса
•Материальный баланс в реагирующей системе
рассчитывают на основе стехиометрических уравнений с учётом состава исходного сырья, степени превращения, селективности, потерь сырья
и готового продукта.
•Материальный баланс основан на законе сохранения массы веществ и рассчитывается между входными и выходными потоками технологической системы с учётом протекающих в ней процессов. В соответствии с законом сохранения массы для каждого элемента ХТС, подсистемы или системы в целом в стационарном состоянии масса всех веществ, вошедших в систему, равна массе всех веществ, выходящих из неё:
K |
|
L |
|
G |
G |
||
k |
k , вх |
l |
l, вых |
(1)
•где Gj, вх, Gk, вых – массы соответственно входных и выходных потоков; K, L – их количества; j, k – нумерация потоков.
•Кроме баланса по всем потокам веществам, используют баланс по отдельным компонентам. Для i-го вещества
|
K |
|
L |
|
|
|
|
|
|
G |
G |
|
G |
(2) |
|||
|
k |
i,k,вх |
l |
|
i, l,вых |
i,ист |
||
• где Gi,ист |
|
|
|
|
|
|
||
изменение количества i-го вещества в элементе в |
||||||||
результате протекания химических реакций. Если вещество |
|
|||||||
образуется, то Gi,ист > 0. Если |
Gi,ист < 0, то вещество |
|
||||||
расходуется. Если в элементе происходит ряд превращений |
|
|||||||
вещества, то |
|
|
|
|
У |
|
|
|
|
|
G |
|
|
G |
(3) |
||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|||||
|
|
i,ист |
|
|
i,j |
|
||
|
|
|
|
|
j |
|
|
|
•где Gi,j изменения количества i го вещества в j-м превращении; У общее число стехиометрически независимых уравнений химических
реакций).
•Химические превращения протекают в реакционном элементе (реактор, реакторный узел). Изменение химического состава реагирующей смеси описывается стехиометрическими уравнениями. Они должны быть стехиометрически независимыми; их количество строго определяется (У= В – Э), При этом целесообразно выбирать такие уравнения, чтобы в левой части их стояло одно и то же исходное вещество, ключевое; тогда изменения количеств всех веществ в химическом превращении определяют через степени превращения ключевого вещества в стехиометрических уравнениях (см. радел «стехиометрические соотношения»).
2.РАСЧЁТНАЯ СХЕМА ХТС
•Химико-технологическая система представляет собой совокупность аппаратов и потоков между ними. Например, на рис. показана схема ХТС, состоящая из двух реакторов Р1 и Р2 и устройства разделения Д продуктов превращения.
•В системе можно выделить совокупность аппаратов подсистему, например, реакторный узел (обведен пунктирной линией a). Отдельный аппарат или подсистему будем называть "расчётным элементом ХТС" или просто элементом. В элемент входят потоки ("входные потоки") и выходят их него ("выходные потоки"). Расчётным элементом может быть ХТС в целом (обведён пунктирной линией b). В выделенном элементе входные потоки преобразуются в выходные в результате протекания химических превращений, массообменных и других процессов.
•Материальный баланс может быть составлен для любого элемента - каждого аппарата,
•подсистемы или ХТС в целом.