Модели хтс
Для исследования ХТС выделяют ряд вспомогательных моделей, которые можно разделить на две группы: описательные А (в виде формул, уравнений; позволяют количественно охарактеризовать ХТС) и графические Б (в виде схем и др. 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.
А: Химическая модель (схема) представлена основными р-циями (хим. ур-ниями), которые осуществляют переработку сырья в продукт. Пример: Синтез аммиака из водорода и азота представлен одним химическим уравнением: 3H2 + N2 = 2NH3.
Производство аммиака из природного газа (метана) требует провести
несколько химических реакций:
СН4 + Н2О = СО + 3Н2 - конверсия метана с водяным паром,
СО + Н2О = СО2 + Н2 - конверсия оксида углерода,
3H2 + N2 = 2NH3 - синтез аммиака.
Эти уравнения, образующие химическую схему, показывают
генеральный путь превращения сырья в продукт. Но реализация этих
превращений не ограничивается только ими - необходимы еще стадии,
обеспечивающие эти хим. преобразования или детализирующие их, что представлено в другом описании процесса.
А: 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 нежелательных серосодержащих
соединений (ядов) адсорбцией сероводорода: Н2S + ZnO = ZnS + Н2O
2) Конверсия метана с водяным паром. И природный газ (СН4), и вода 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 = СО2 + Н2.
3) Конверсия оксида углерода с водяным паром (в предыдущем
процессе оксид углерода СО не полностью превращается в СО2 из-за
равновесных ограничений): СО + Н2O = СО2 + Н2.
После этого процесса достигается максимально возможное извлечение
водорода из исходного сырья - метана СН4 и воды Н2O.
4) Получение азота N2 - второго исходного компонента для синтеза аммиака: 3О2 + 2СН4 = 2СО + 4Н2O.
5) Абсорбция диоксида углерода - удаление СО2, полученного при
получении водорода: СО2 + 2RNH2 + Н2О = (RNH3)2СО3
6) Очистка газа от оксида углерода СО. На стадии 3 небольшое количество СО остается, и он мешает синтезу аммиака, отравляя катализатор: СО + 3Н2 = СН4 + Н2О
7) Синтез аммиака: 3Н2 + N2 = 2NH3
Химическая и описательная схемы дают первое описание и представление о производстве и его основных стадиях. Для дальнейшего рассмотрения ХТС удобней использовать графические модели.
А: Математическая модель (описание). Для количественных выводов о функционировании ХТС необходимо иметь ее математическую модель. Она будет представлена двумя системами уравнений - для элементов и связей.
Б: Функциональная модель (схема) строится на основе химической и
операционной в виде связанных между собой блоков операций (отделений или подсистем) и наглядно отражает основные стадии ХТП и их взаимосвязи. Она дает общее представление о функционировании ХТС.
Б: 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 в виде трубопроводов.
На технологической схеме могут быть приведены краткие данные о параметрах процесса.
Технологические схемы используют при эксплуатации производства и его проектировании. Она входит в проектную и техническую документацию каждого производства.
Структурная модель (схема) в отличие от технологической схемы
включает элементы ХТС в виде простых геометрических фигур. Изображение аппаратов обезличено, но упрощается общий вид структуры ХТС. В ней удобно менять положение элементов, "проигрывая" различные варианты разрабатываемой ХТС. Наглядность связей позволяет легко составлять математическое описание, прослеживая связи между элементами, что существенно при автоматизированном проектировании.
Специальные схемы применяют при анализе и расчетах ХТС, используя специальные математический аппарат и вычислительные методы. Упомянем только об одной их них - 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. 4.
Они помогают распознать на схеме, какие преобразования, "операции", происходят с потоком в элементе.
Задачи синтеза и анализа ХТС.
Анализ ХТС− получение данных о состоянии, показателях эффективности и свойствах ХТС.
12. Состояние ХТС − параметры потоков (связей) и состояние аппаратов (элементов). Материальные и тепловые балансы как основа расчета состояния ХТС. Примеры составления балансов для элементов ХТС и ХТС в целом. Энергетический коэффициент полезного действия. Формы представления балансов. Свойства ХТС. Условие существования стационарного режима в системе с фракционным рециклом. Неоднозначность и устойчивость режимов, гистерезис теплового режима (на примере схемы реактора с теплообменником). Показать на примере РИС-Н, что оптимальный режим функционирования элемента ХТС внутри схемы (фракционный рецикл) и вне схемы различен.
