Тема 1. Иерархическая организация процессов в химическом производстве.

Химическое производство – сложная химико-технологическая система (ХТС).

Работы Кафарова В.В.

Четыре ступени в иерархической организации химического производства на предприятии.

Совокупность взаимосвязанных технологическими потоками и действующих как единое целое аппаратов, в которых осуществляется определенная последовательность технологических операций с целью выпуска конкретной продукции – называется химико-технологической системой (ХТС).

Элементом ХТС называется часть ХТС, которая в конкретном рассмотрении является неделимой.

С целью классификации элементов ХТС применяется иерархический принцип. Обычно различают четыре основных уровня иерархии элементов (подсистем) ХТС:

1. Типовые ХТП и их совокупность в масштабах машин и аппаратов;

2. Агрегаты и комплексы, представляющие совокупность типовых процессов в масштабах производств и их отдельных участков;

3. Совокупность производств в масштабе выпуска товарной продукции;

4. Химическое предприятие в целом.

Рассмотрению химического производства как сложной системы посвящены работы В. В. Кафарова, показывающие пути исследования и оптимизации ХТС. Иерархическая структура ХТС приведена на рис. 1.2.

Рис. 1. Иерархическая структура химико-технологической системы

Элементом минимального масштаба в структуре ХТС является отдельный аппарат (реактор, абсорбер, ректификационная колонна, насос и прочее). Это – низший масштабный уровень . Объединение нескольких аппаратов, выполняющих вместе какое-то преобразование потока, образует один элемент подсистемы -го масштабного уровня (реакционный узел, система разделения многокомпонентной смеси и так далее). Совокупность подсистем второго уровня в виде элементов, подобных отделениям или участкам производства, образует подсистему -го уровня (в производстве серной кислоты это отделения обжига серосодержащего сырья, очистки и осушки сернистого газа, окисления и абсорбции). К этим же подсистемам могут относиться водоподготовка, регенерация отработанных вспомогательных материалов, утилизация отходов. Совокупность отделений, участков образует ХТС производства в целом. Как уже говорилось выше, описанное выделение подсистем условно и в каких-то задачах выделение подсистем, элементов может быть иным.

Иерархическая структура ХТС позволяет на каждом этапе сократить размерность исследуемой задачи (т.е. число одновременно учитываемых элементов и процессов), а результаты изучения подсистемы одного производства использовать в исследованиях другого. Иерархическую структуру масштабных подсистем можно представить также для функциональных подсистем.

Зависимость ХТС от конструкционных параметров реакторов и технологического режима проведения процесса.

Технологическая схема ХТС.

Схемы с открытой цепью и циклические (циркуляционные, круговые, замкнутые.) (Мухленов).

Тема 7. Промышленный катализ

Гетерогенный катализ.

Катализатор и реагир вещества (прод реак) находятся в разных фазах, как правило, кат-ры – твердые пористые вещества с высокой удельной внутренней поверхностью (внутрен площадь поверхности достигает десятки и сотни м² , хотя внешняя менее 10^-3 м²).

Схема процесса гет/ген катализа.

Рис. 7.2. Схема и структура гетерогенно-каталитического химического процесса: К - катализатор; П - поры катализатора; Пс - пограничный слой; I, II, III - этапы процесса.

Сначала реагенты диффундируют из газового объема через пограничный слой к наружной поверхности частицы катализатора (этап I), затем проникают в его поры (этап II), при движении в которых на их поверхности протекает реакция (этап III). Продукты удаляются обратным путем.

Свойства катализаторов.

Промышленные кат-ры представляют собой, как правило, смеси, состоящие из 3-х основных компонентов: активных составляющих, активаторов (промоторов) и носителя с развитой внутрен поверхностью (трегера).

Активаторами назыв вещества повышающие активность основного кат-ра. В производстве H₂SO₄ для окисления SO₂ в SO₃ употребл основной кат-р V₂O₅ активированный добавками оксидов щелочных ме (К₂О). Носителями назыв термостойкие прочные пористые вещ-ва, на которых осаждением из раствора или др. способами наносят кат-р (напр., Al₂O₃, SiO₂ и др.).

Требования к катализаторам: высокая активность, селективность, стабильность в работе, стойкость к действию контактных ядов, достаточная термостойкость, механическая прочность, низкая стоимость.

Способы приготовления катализаторов.

1. Метод осаждение гидроксидов (карбонатов) из растворов их солей совместно с носителем или без его с последующим формованием и прокаливанием контактной массы.

2. Смешение и совместное прессование порошков.

3. Сплавление нескольких веществ с последующим восстановлением ме из оксидов водородом или др газами.

4. Делают тончайшие сетки из сплавов разл ме.

5. Пропитка пористого носителя раствором, содерж кат-р и активатор, с последующей сушкой и прокалкой.

Объемная скорость и влияние ее на интенсивность работы катализатора.

Объемная скорость – это расход потока реагентов (м³ /с) отнесенный к объему катализатора (м³):

, с^-1. (7.4)

Интенсивность работы катализатора определяется по формулам:

, (7.5)

, (7.6)

где V_K, V_H - конечная и начальная объемные скорость газа, выраженная в м³ /ч на м³ катализатора, ч^-1; С_ПР, С_ИСХ – концентрация продуктов и исходных веществ, об. доли; Х – степень превращения исход реагента, доли ед.; _ПР – плотность чистого продукта, кг/м³ ;  - коэффициент пересчета начальной объемной скорости в конечную с учетом изменения объема реакцион смеси.

Химико-технологические системы.

Химико-технологические системы (ХТС). Основные определения.

Совокупность взаимосвязанных технологическими потоками и действующих как единое целое аппаратов, в которых осуществляется определенная последовательность технологических операций с целью выпуска конкретной продукции – называется химико-технологической системой (ХТС).

Элементом ХТС называется часть ХТС, которая в конкретном рассмотрении является неделимой.

С целью классификации элементов ХТС применяется иерархический принцип. Обычно различают четыре основных уровня иерархии элементов (подсистем) ХТС:

1. Типовые ХТП и их совокупность в масштабах машин и аппаратов;

2. Агрегаты и комплексы, представляющие совокупность типовых процессов в масштабах производств и их отдельных участков;

3. Совокупность производств в масштабе выпуска товарной продукции;

4. Химическое предприятие в целом.

Рассмотрению химического производства как сложной системы посвящены работы В. В. Кафарова, показывающие пути исследования и оптимизации ХТС. Иерархическая структура ХТС приведена на рис. 1.2.

Рис. 1. Иерархическая структура химико-технологической системы

Элементом минимального масштаба в структуре ХТС является отдельный аппарат (реактор, абсорбер, ректификационная колонна, насос и прочее). Это – низший масштабный уровень . Объединение нескольких аппаратов, выполняющих вместе какое-то преобразование потока, образует один элемент подсистемы -го масштабного уровня (реакционный узел, система разделения многокомпонентной смеси и так далее). Совокупность подсистем второго уровня в виде элементов, подобных отделениям или участкам производства, образует подсистему -го уровня (в производстве серной кислоты это отделения обжига серосодержащего сырья, очистки и осушки сернистого газа, окисления и абсорбции). К этим же подсистемам могут относиться водоподготовка, регенерация отработанных вспомогательных материалов, утилизация отходов. Совокупность отделений, участков образует ХТС производства в целом. Как уже говорилось выше, описанное выделение подсистем условно и в каких-то задачах выделение подсистем, элементов может быть иным.

Иерархическая структура ХТС позволяет на каждом этапе сократить размерность исследуемой задачи (т.е. число одновременно учитываемых элементов и процессов), а результаты изучения подсистемы одного производства использовать в исследованиях другого. Иерархическую структуру масштабных подсистем можно представить также для функциональных подсистем.

Синтез и анализ ХТС. (сам/ст.) Очень подробно у Бескова, у Кутепова 95 год издания.