книги / Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза
..pdfТехнологическое оформление произволств ОО и НХС |
21 |
торые направлены на выпуск целевых продуктов из определенного исходного сырья. Производство может осуществляться в цехе или на заводе.
Для обозначения наименьшей технологической единицы, в которой, как правило, получается определенный полупродукт или заканчивается часть технологического процесса, часто используется термин «установка». Каждая такая единица характеризуется произ водительностью —количеством вырабатываемого продукта или пе рерабатываемого сырья, отнесенным к единице времени. Кроме того, каждая установка характеризуется проектной (максимально возмож ной или допустимой) производительностью, которая называется про изводственной мощностью или просто мощностью.
Промышленное предприятие (завод, комбинат) состоит из ряда производств, объединенных однотипностью химических и физи ко-химических процессов, общностью источников сырья и энер гии, возможностью использования целевых продуктов одного про изводства в качестве сырья на другом.
Подотраслью называется группа предприятий, объединенных общностью сырьевых источников, технологией получения и видом выпускаемой продукции.
В отрасль входят подотрасли и, как правило, крупные объе динения, характеризуемые едиными принципами получения про дукции. В частности, отрасль ОО и НХС характеризуется полу чением преимущ ественно многотоннажных органических продуктов, применяемых непосредственно в народном хозяйстве (растворители, поверхностно-активные вещества, составные ча сти топлива, средства защиты растений и др.) или являющихся полупродуктами в других отраслях органической технологии (мо номеры для полимерной промышленности, полупродукты для ле карственной промышленности и т.д.).
Технологические объекты часто называются производственными комплексами. Под производственным комплексом понимается от дельное производство, завод, комбинат и даже отрасль.
При изучении производств основного органического и неф техимического синтеза, как связанных систем, можно установить, что в них регулярно повторяются простые элементы системы и определенные технологические связи (коммуникации, соедине ния, включения) этих элементов. Причем от связи элементов между собой зависят капитальные и энергетические затраты на получение целевых продуктов. Кроме того, исследование тех
22 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...
нологических связей должно показать, какое действие на количе ство и качество продуктов оказывает способ соединения простых элементов технологического процесса.
К числу отдельных элементов могут быть отнесены не только отдельные аппараты (реактор, ректификационная колонна, теп лообменник и т.д.), но и некоторые комплексы аппаратов. При изучении сложного технологического объекта целесообразно его разделение на отдельные звенья, в которых протекают химичес кие, физико-химические или другие процессы. По характеру ма териальных и энергетических связей все многообразные процес сы химической технологии можно разделить на следующие основные классы:
химические, диффузионные или массообменные;
тепловые;
гидро- и аэродинамические и механические.
Каждый из этих классов подразделяется на типовые процессы. Так, массообменные процессы делятся на ректификационные, экс тракционные, абсорбционные, адсорбционные и др.
РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Основная задача технолога-исследователя, изучающего мето ды создания технологии производств 0 0 и НХС, заключается преж де всего в нахождении взаимосвязи между входными и выходными параметрами как отдельных элементов, так и системы в целом с учетом многофакторности и возмущающих воздействий (часто слу чайного характера). При этом необходимо иметь в виду, что на од них производствах основные параметры сохраняются постоянны ми во времени и они (по подаче исходных материалов и получе нию товарных продуктов) относятся к непрерывным, а на других производствах параметры меняются во времени и они называются периодическими.
Как правило, в производствах основного органического и неф техимического синтеза применяются непрерывные технологические процессы. Но, вместе с тем, на вспомогательных производствах мо гут применяться и периодические технологические процессы. К не прерывным технологическим процессам относятся такие, в кото рых сохраняется практически неизменным режим работы установок во времени, т. е. постоянны технологические параметры (давление,
Технологическое оформление произвоаств 0 0 и НХС |
23 |
расход, температура и т. д.), поступление сырья, отвод целевых про дуктов.
Впериодических процессах при переходе от одной стадии про цесса к другой, а часто и на одной стадии, наблюдается изменение режима работы аппаратов, проводится периодическая загрузка сы рья и выгрузка реакционной массы.
Непрерывное производство рассчитано на выпуск одного вида продукции. В периодическом производстве на одних и тех же ус тановках возможен выпуск различных продуктов.
Втом случае если на технологической установке, работающей по непрерывному принципу, предусматривается возможность сме ны продукции через какой-то промежуток времени, то такие про изводства называют полунепрерывными.
Режим работы отдельных аппаратов или целого технологи ческого комплекса может быть статическим или динамическим,
аобъекты химической технологии могут быть описаны статичес кими и динамическими характеристиками, отражающими взаимо связь между входными и выходными параметрами.
Статические характеристики определяют для установившегося во времени режима работы объекта. Они необходимы для правиль ного проектирования объекта, определения нормальных режимов работы оборудования, оптимизации технологических процессов.
Вобщем случае статические характеристики объекта зависят от фи зико-химических свойств перерабатываемых исходных веществ, сте пени достижения стационарности процессов, конструкции аппа ратов и определяются из материальных и энергетических балансов объекта для стационарных состояний.
Под динамической характеристикой понимается взаимосвязь изменения во времени выходных параметров под действием вход ных возмущающих параметров.
Впромышленных объектах возмущения являются либо мед ленно изменяющимися во времени, либо скачкообразными.
Для определения динамических характеристик объекта и воз можности их сравнения друг с другом приняты типовые законы из менения входных параметров, близкие к законам, которые наблю даются в реальных условиях работы объектов. Динамические характеристики объекта в зависимости от вида входного возмуще ния имеют различную графическую интерпретацию.
Объекты химической технологии характеризуются опреде ленной инерционностью, которая может быть определена как вре
24 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...
мя, которое проходит от начала мгновенного изменения входной переменной до начала изменения выходной переменной.
Изменение режима работы любого технологического под разделения определяется изменением параметров входных и выход ных потоков.
Передаточные характеристики установок могут быть ста тическими или динамическими. К статическим передаточным ха рактеристикам относятся такие, при которых в каждый момент вре мени параметры выходных потоков полностью определяются параметрами входных потоков в тот же момент времени. Если же значения параметров выходных потоков установки существенно за висят также от предшествующих значений параметров входных по токов, то считается, что установка имеет динамические передаточ ные характеристики. Наличие динамических характеристик установки обусловлено тем, что материальные и энергетические по токи проходят через нее за какое-то конечное время.
Для описания статических свойств и режима работы установки или технологического процесса с распределенными по простран ственной переменной / координатами (переменными) использует ся обычно векторное дифференциальное уравнение:
1.1
где х ,z ,и —векторы выходных возмущающих и управляющих коорди нат; а —вектор параметров; / - вектор-функция.
Математическая модель статики объектов с сосредоточенными координатами чаще всего имеет следующий вид:
1.2
Неустановившиеся во времени t процессы в объектах с со средоточенными координатами описываются уравнениями типа:
1.3
Системы уравнений 1.1—1.2 применяются для описания так на зываемых стационарных объектов, свойства которых остаются не изменными во времени.
В математических моделях нестационарных объектов векторфункция должна явно или косвенно зависеть от времени. Чаще все
Технологическое оформление произволств ОО . и НХС |
25 |
го в моделях нестационарных объектов параметр а рассматривает ся как функция времени. Тогда уравнения статики и динамики бу дут иметь вид:
7[х,?,м,а(/)]=0, |
1.4 |
dx/dt =7[х,?,«,3(/)]. |
1.5 |
Статика отдельных технологических аппаратов чаще всего характеризуется уравнениями типа 1.1 и реже 1.2. Для описания ста тических режимов технологических процессов, установок, произ водств, предприятий и отрасли применяют, как правило, уравне ние вида 1.2. Математические модели, описывающие динамику процесса вида 1.3, используются для характеристики неустановившихся явлений в отдельных аппаратах и реже для технологических процессов.
Математические модели статики типа 1.2 широко применяют при решении задач планирования (оптимального планирования) работы объекта, а также для оптимизации статических режимов.
Математические модели динамики, выражаемые уравнением 1.3, используют для оптимизации переходных режимов работы объ екта, например при пуске и остановке аппаратов, а также при вы числении текущих значений параметров работы объекта.
ОБЩ ИЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
При получении продуктов основного органического и неф техимического синтеза используют различные процессы (химиче ские, физико-химические, гидродинамические, диффузионные, тепловые, механические), причем многие из них протекают од новременно в одном аппарате. Ход этих процессов, а следователь но, и нормальное функционирование всего производства, опре деляется их параметрами. Совокупность технологических параметров характеризует технологический режим различных под систем химико-технологических систем.
Среди параметров процесса различают экстенсивные, завися щие от количества вещества (например, объем), и интенсивные, не зависящие от количества вещества (температура, давление, концен трация веществ и др.).
26 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...
Наиболее важными в химико-технологических процессах яв ляются интенсивные параметры.
Переменные химико-технологических процессов делятся так же на независимые, которые могут изменяться независимо друг от друга, и зависимые, численные значения которых определяются зна чением независимых переменных (параметров).
Общее число независимых параметров определяет число сте пеней свободы или вариантность процесса. На основе числа сте пеней свободы всей сложной химико-технологической системы (ХТС) производится выбор технологических связей элементов процесса.
Всоответствии с организацией потоков химико-технологические процессы, а также все системы подразделяются, как было указано ранее, на периодические, непрерывные и полунепрерывные.
Впериодических процессах выходные потоки, а также любые интенсивные характеристики (переменные) различных процессов (температура, концентрации и др.) меняются во времени и явля ются периодическими функциями с периодом ти:
xu =xl +x2 +xi +x4,
где хи —продолжительность полного цикла;
tj ,т2,Тз,т4 - время загрузки, выхода на режим, работы и подготовки ап
парата к новой загрузке соответственно.
Коэффициент использования оборудования г\об = х / х и (где
х —продолжительность основного процесса) для периодического
процесса всегда ниже единицы.
Следовательно, производительность аппаратов периодического действия будет ниже, чем производительность аппаратов непрерыв ного действия. Кроме того, первые труднее автоматизировать и в них получается неоднородная по качеству продукция.
Вместе с тем, часто при малых масштабах производства эконо мически целесообразно применять аппараты периодического дей ствия, в частности из-за компактности их установки.
В связи с тем, что промышленность основного органического синтеза выпускает многотоннажную продукцию, в этой отрасли ис пользуются, главным образом, процессы непрерывного действия, так как они обладают рядом преимуществ по сравнению с перио дическими.
Технологическое оформление произволств 0 0 и НХС |
27 |
При осуществлении непрерывных процессов входные и вы ходные потоки от запуска до остановки производства в идеальном случае в течение длительного времени являются постоянными или стационарными потоками.
Интенсивные характеристики этих процессов также постоян ны во времени. Такое состояние непрерывного процесса называет ся стационарным или установившимся.
Установившийся процесс представляет собой предельный слу чай непрерывного процесса. Вместе с тем, практически такого со стояния добиться невозможно, так как колеблются, правда в допу стимых пределах, значения многих технологических параметров: состав и состояние сырья, активность катализатора, температура и давление в аппаратах, атмосферные условия. Многие отклоне ния объясняются, главным образом, динамикой процесса.
Следовательно, непрерывный процесс может быть устано вившимся, но практически никогда не бывает полностью уста новившимся. Вместе с тем, установившийся, или стационарный, процесс всегда является непрерывным.
Таким образом, в непрерывных процессах имеется возможность поддерживать постоянными заранее выбранные технологические параметры ( Т, р и др.) во всех точках ХТС. Это позволяет:
получать полупродукты и продукты постоянного качества;
достигать высокого коэффициента использования оборудова ния, который приближается к единице;
механизировать и автоматизировать производство;
легко управлять производством, в том числе с использованием ЭВМ;
обеспечивать высокую производительность труда, значительно облегчать труд обслуживающего персонала, делать его безопас нее, чем на предприятиях, использующих периодические про цессы.
Непрерывность исключает простои всех аппаратов и требует меньших их размеров при более высоком коэффициенте ис пользования, т. е. непрерывный процесс является более высокой ступенью развития технологии по сравнению с периодическим.
Для осуществления непрерывного процесса требуются сле дующие условия:
Опространственная (конструктивная) разделенность входов и вы ходов всех аппаратов;
28Часть /. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...
©непрерывные и в достаточной степени стационарные подачи исходных веществ (загрузка) и вывод из аппаратов продуктов (выгрузка);
©номенклатура составляющих сырья и целевых продуктов долж на быть постоянной на протяжении работы аппаратуры (от пу ска до остановки);
Онепрерывное перемещение всех продуктов внутри аппаратов
имежду ними.
Соблюдение этих условий обычно не вызывает трудностей, ес ли транспортируемые вещества находятся в жидком или газо образном состоянии, но они могут возникать при работе с тверды ми веществами или вязкими жидкостями.
Все аппараты, применяемые в технологии основного органиче ского синтеза, могут работать по непрерывному принципу. Вместе с тем, организация работы некоторых реакционных и массообмен ных аппаратов по непрерывной схеме затруднена. Так, например, для проведения некоторых гомогенных реакций в жидкой фазе с це лью организации непрерывного процесса создают батарею из по следовательно соединенных реакторов смешения (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Батарея реакторов смешения
Определенная трудность возникает при организации непре рывной адсорбции (рис. 1.2). С этой целью применяется:
Окаскад адсорберов, в каждом из которых в различное время цикла выполняются различные операции (адсорбция, сушка
и охлаждение адсорбента, десорбция);
©процесс в движущемся слое адсорбента, в том числе в псевдо ожиженном слое адсорбента.
Установки первого типа обладают тем основным недостатком, что требуют относительно частого переключения больших потоков.
Технологическое оформление произволств 0 0 . и НХС |
29 |
Рис. 1.2. Схема непрерывной адсорбции:
1,2 - адсорберы; 3 - конденсатор; 4 - сепаратор; 5 - сборник; 6 - газодувка; 7 - калорифер
Для установок второго типа характерно сильное истирание ад сорбента, что приводит к его потерям и усложнению процесса за счет пылеулавливающих установок и перемещения адсорбента.
Эти же трудности возникают при создании установок кри сталлизации, фильтрации и др.
Однако и в этих случаях непрерывные процессы являются бо лее выгодными.
Глава 2 . С и с т е м н ы е з а к о н о м е р н о с т и
ВТЕХНОЛОГИИ ОСНОВНОГО ОРГАНИЧЕСКОГО
ИНЕФТЕХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА
0 Производство как сложная система.
0Модели технологических установок и комплексов производств.
0Варианты соединения аппаратов и передаточные функции.
0Системный подход к разработке технологии производства.
0Математическое моделирование химико технологических объектов.
0 Оптимизация производства.
0Надежность работы отдельных аппаратов и химико-технологических систем.
0 Оценка работоспособности системы.
Одним из главных этапов создания производства основного ор ганического и нефтехимического синтеза является разработка и оп тимизация его технологической схемы. При этом перед разработ чиками новой технологии стоит задача получения целевых продуктов (необходимого количества и качества) при минималь ном расходе сырья и энергии, а также без загрязнения окружаю щей среды.
Современное промышленное предприятие представляет собой настолько сложный технологический комплекс, что научно обос нованный подход к его разработке, проектированию и эксплуата ции с целью достижения высокой эффективности производства все настойчивее требует системного подхода. Актуальность при менения системного подхода возрастает при разработке техноло гии безотходных производств. Для этого производство должно рас сматриваться как сложная система. Для реализации системного подхода при создании безотходных производств и их функциони ровании получают распространение автоматизированные системы научных исследований (АСНИ), автоматизированные системы про ектирования технологических процессов или производств (САПР), автоматизированные системы технологической подготовки про