Лекция №2. Химическое производство как многофункциональная химико-технологическая система

Химическое производство как многофункциональная химико-технологическая система.

1. Химико-технологический процесс

2. Структура и состав химического производства

3. Показатели химического производства и химико-технологического процесса

4. Сырьевая и энергетическая подсистемы химико-технологической системы

(тема для самостоятельного изучения)

5. Общие принципы разработки и создания химико-технологических систем

(Основные этапы создания химико-технологических процессов. Классификация моделей химико-технологических систем. Функциональная, структурная, операторная, технологическая схемы. Типы технологических связей.).

Химическое производство – это совокупность функциональных подсистем, связанных между собой технологическими, электрическими, транспортными и телекоммуникационными (для информации и управления) линиями связи для совместного функционирования и обеспечивающих эффективное использование материальных, энергетических ресурсов при химическом превращении реагентов в целевой продукт заданного качества, высокую производительность, управление процессами, охрану труда и окружающей среды.

Все они взаимосвязаны и функционируют вместе, обеспечивая получение продукции и выполняя другие функции производства. Такой объект называется системой.

Система – совокупность элементов и связей между ними, функционирующая как единое целое.

Химико-технологический процесс – последовательность химических и физико-химических процессов целенаправленной переработки исходных веществ в продукт.

В совокупном химико-технологическом процессе выделяются следующие отдельных процессов и операций, классифицированных по их основному назначению, и соответствующие аппараты и машины в которых они осуществляются.

1. Механические и гидромеханические процессы – перемещение материалов, изменение их формы и размеров, сжатие и расширение, смешение и разделение потоков. Все они протекают без изменения химического и фазового состава обрабатываемого материала. Для проведения этих процессов предназначены транспортеры, питатели, дробилки, диспергаторы,формователи, компрессоры, насосы, смесители, фильтры и т.д.

2. Теплообменные процессы – нагрев, охлаждение, изменение фазового состояния. Химический и фазовый состав в них не меняется. Они протекают в теплообменниках, кондансаторах, кипятильниках, плавислках, сублиматорах.

3. Массообменные процессы – межфазный обмен, в результате которого меняется компонентный состав контактирующих фаз без коренного изменения химического состава, т.е. химических превращений. К ним относятся растворение, кристаллизация, сушка, дистилляция, ректификация, абсорбция, экстракция, десорбция, осуществляемые в соответствующих аппаратах – сушилках, дистилляторах, ректификаторах, абсорберах, экстракторах, десорберах.

4. Химические процессы – процессы, связанные с изменением химического состава веществ; данные процессы проводятся в химических реакторах.

2. Структура и состав химического производства

Химическое производство можно представить как систему. Система – совокупность элементов и связей между ними, функционирующих как единое целое. Элемент системы изменяет свойства и состояние входящих в него потоков. Выходящие потоки передаются по связям в другие элементы, в которых происходят их последующие изменения. Система элементов, перерабатывая входящие и выходящие из нее потоки, функционирует взаимосвязано. Для исследования таких объектов, их свойств и особенностей функционирования используется теория систем [1, 2].

В химическом производстве элементы – это машины, аппараты, реакторы; связями являются трубо-, газо- и паропроводы. В элементах происходит превращение потоков – изменение их состояния – разделение, смешение, сжатие, нагрев, химическое превращение и прочее, а по связям материальные, тепловые, энергетические потоки передаются из одного элемента в другой. Это позволяет представлять химическое производство как химико-технологическую систему.

Химико-технологическая система (ХТС) – совокупность аппаратов, машин, реакторов, других устройств (элементов), а также материальных, тепловых, энергетических и других потоков (связей) между ними, функционирующая как единое целое и предназначенная для переработки исходных веществ (сырья) в продукты.

Элемент ХТС может быть представлен отдельным аппаратом (реактором, смесителем, абсорбером, теплообменником, турбиной и т. д.) или их совокупностью. Например, каскад реакторов с теплообменниками и смесителями потоков, расположенных между ними, изменяет химический состав, и эту совокупность аппаратов можно представить как элемент ХТС. Степень детализации элемента (один аппарат или совокупность нескольких) зависит от задачи исследований (установить те или иные показатели химико-технологического процесса, определить особенности функционирования и т. д.).

Совокупность элементов можно представить как химико-техноло-гическую систему. Например, реакционный узел, состоящий из нескольких реакторов, теплообменников, смесителей (элементов) и потоков между ними (связей) и функционирующих как единое целое, является системой. В то же время его можно рассматривать как подсистему, входящую в большую систему.

Подсистемы могут быть выделены как по масштабу, так и функционально. Реакционный узел – малая по масштабу, но значимая во всем технологическом процессе переработки сырья в продукт подсистема. В этом случае рассматривается технологическая подсистема производства. Энергетическая подсистема включает энергетическое оборудование как ее элемент, по масштабу охватывает все производство, но ее роль сводится к выполнению определенной функции – обеспечению производства энергией.

Таким образом, химико-технологическая система представляет собой модель химического производства или химико-технологического процесса, отображающую его структуру и позволяющую прогнозировать те или иные свойства и показатели [1].

Общая структура химического производства или ХТС включает в себя функ­циональные элементы подсистем, представленные на рис. 1, согласно которому 1 – 3 – технологическая подсистема или собственно химико-технологический процесс, в ко­тором сырье перерабатывается в продукт. ХТП включает подготовку сырья 1, т. е. его предварительную обработку: измельчение, очистку от примесей, смешение компо­нентов, нагревание и т. д. Подготовленное сырье проходит ряд физико-химических и химических превращений – его перера­ботку 2, в результате чего образуются целевой и, как правило, побочный продукты. Образование побочных продуктов может осуществляться как при протекании целевой, так и побочных реакций. Кроме того, побочные продукты могут образовываться и за счет наличия в сырье примесей. Поскольку степень превращения исходных реагентов в промышленном ХТП меньше 1, то после химического превращения 2 в образовавшейся смеси продуктов присутствуют и компоненты сырья. выделение целевого продукта из образовавшейся смеси, а иногда и его очистка от примесей, осуществляются на стадии 3.

Продукт целевой

Сырье 1 2 3

Побочные

продукты

Материалы

4 Продукт

дополни-

тельный

Отходы

5 6 7

Энергия Вода Управление

Рис. 1. Структура и функциональные элементы химического производства [1]:

1 – подготовка сырья; 2 – химическая переработка сырья; 3 – выделение целевого продукта;

4 – обезвреживание и переработка побочных продуктов; 5 – энергетическая подсистема;

6 – подготовка вспомогательных материалов и водоподготовка; 7 – подсистема управления

После выделения целевого продукта оставшиеся побочные продукты направляют на очистку и обезвреживание, либо на переработку в продукт, используемый в химической или других отраслях промышленности 4. Переработка и обезвреживание побочных продуктов необходимы для снижения вредного воздействия производства на окружающую среду и человека.

Отходы производства, или невостребованные продукты переработ­ки сырья, могут содержать как вредные вещества, которые могут за­грязнять окружающую среду, так и полезные, которые целесообраз­но использовать. Поэтому особое внимание необходимо уделять переработке отходов (рис. 1, поз. 4). Наиболее рациональным является превращение отходов основного производства в технические материалы, которые можно использовать в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве. В частности, пигменты, получаемые переработкой железосодержащих отходов (шламов), которые образуются при обезвреживании травильных растворов, могут быть применены для окрашивания строительных, резинотехнических, лакокрасочных и других материалов. В случае, когда невозможна переработка отходов в технические продукты, производится их очистка или обезвреживание. После проведения данных процессов при соблюдении санитарно-гигиенических нормативов твердые отходы складируются на специально подготовленных полигонах, жидкие (сточные воды) сбрасываются в природные водоемы, газообразные выбрасываются в атмосферу.

Предприятия химической промышленности достаточно энергоем­ки: для обеспечения переработки сырья в конечные продукты расхо­дуется около 15% всех вырабатываемых энергоресурсов. Энергетичес­кая подсистема – важный и сложный элемент химического производства (рис. 1, поз. 5). Расход энергии осуществляется на всех стадиях получения целевого продукта, а также очистки, обезвреживания и переработки побочных продуктов. Основная доля расходуемой энергии приходится на тепловую. Нередко химические превращения сопровождаются выделением энергии (экзотермические реакции), и в энергетической системе, кроме обеспечения распределе­ния энергии по стадиям переработки, должна быть предусмотрена воз­можность вторичного использования выделяемой энергии для нужд производства.

Кроме энергии в химическом производстве применяются вспомо­гательные материалы, имеющие различное целевое назначение. К ним относятся, например, сорбенты для очистки и выделения продуктов,катализаторы, ускоряющие химическое превращение реагентов, коагулянты для осветления природной и оборотной воды, рассолов, флокулянты для укрупнения взвешенных частиц и др.

Особое место в химическом производстве занимает вода. Она используется для охлаждения технологических потоков, выработки пара, растворе­ния, разбавления веществ и отмывки осадков как реагент, и ее потребление может быть значитель­ным. Подготовка вспомогательных материалов и особенно водоподготовка (рис. 1, поз. 6) – очень важная и сложная часть хими­ческого производства. Поскольку вспомогательные материалы и вода обеспечивают технологический процесс, но, как правило, не входят в конечные продукты производства, система подготовки должна предусмотреть восстановление их свойств после проведения цикла операций с их участием с последующим возвращением в производство.

Сложное химическое производство невозможно эксплуатировать без системы управления (рис. 1, поз. 7). Она обеспечивает контроль технологического режима, проведение процессов при оптимальных ус­ловиях, защиту от нежелательных или аварийных ситуаций, пуск и остановку сложной системы. Эта подсистема представляет собой автоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУТП).

Компоненты химического производства. Переменные компоненты постоянно потребляются или образуются в производстве. К ним относятся [1, 2]:

1) сырье, поступающее на переработку;

2) вспомогательные материалы, обеспечивающие технологический процесс;

3) продукты (основные и побочные) как результат переработки сырья; продукты производства далее могут быть использованы как целевые продукты потребления и как полупродукты для их дальнейшей переработки в другие продукты;

4) отходы производства – не подлежащие дальнейшей переработке вещества и материалы, удаляемые затем в окружающую среду;

5) энергия, обеспечивающая функционирование производства.

Постоянные компоненты закладываются в производство (оборудо­вание, конструкции) или участвуют в нем (персонал) на весь или поч­ти весь срок его существования. Они включают:

− аппаратуру (машины, аппараты, реакторы, емкости, трубопроводы, арматуру);

− устройства контроля и управления;

− строительные конструкции (здания, сооружения);

− обслуживающий персонал (рабочие, аппаратчики, инженеры и
другие работники производства).

Последний компонент требует особого внимания как социальная составляющая производства.

В компоненты конкретного производства не входят элементы ин­фраструктуры, как не участвующие непосредственно в производстве продукта, но необходимые для его функционирования.

Состав химического производства, обеспечивающий его функционирование как производственной единицы:

1) собственно химико-технологический процесс;

2) хранилища сырья, продуктов и других материалов;

3) система организации транспортировки сырья, продуктов, вспомогательных материалов, промежуточных веществ, отходов;

4) дополнительные здания, сооружения;

5) обслуживающий персонал производственных подразделений;

6) система управления, обеспечения и безопасности.

7)