Сырьевая и энергетическая подсистема ХТС

Методология исследование химико-технологических систем.

Исследование сложных химико-технологических производств с использованием методов и средств теории систем получило название системного анализа.

Системный анализ –результат успешного применения к исследованию и разработке ХТС опыта изучения, создания и эксплуатации химических производств с привлечением методов, используемых в химических, физических и математических науках, моделировании, вычислительной математике, автоматическом управлении и других разделах науки, практикуемых в инженерно-химических исследованиях и разработках.

Обобщая опыт использования системного анализа, можно установить примерную последовательность этапов исследования и анализа ХТС в рамках системного анализа.

1. Выделение элементов, которые определяют свойства ХТС.

2. Установление зависимостей показателей выходных потоков от входных для каждого элемента, т.е. получение математического описания работы элемента и определение его свойств и особенностей. Поскольку в элементах ХТС происходит превращение потоков, то их описание основывается, главным образом, на физико-химических и физических закономерностях протекающих в них процессов.

3. Выделение связей между элементами, ответственными за проявление интересующих свойств ХТС.

Таким образом, определяется структура ХТС – совокупность элементов и связей между ними. Математическое описание элементов создает основу количественных расчетов при исследовании системы. Эти этапы требуют знаний о процессах и практического опыта.

4. Исследование ХТС – расчет показателей определения свойств, изучение эволюции (развития, изменения) ХТС для улучшения ее показателей и свойств. Здесь используются принципы и методы различных областей науки – кибернетики, топологии, теорий информатики, игр, решений, катастроф, факторного анализа.

Большое значение в исследовании сложных систем имеет накопленный опыт исследования химических производств – так называемые "эвристические исследования".

Описание системы, состоящей из сотен элементов и связей, представляет собой совокупность алгебраических, дифференциальных и интегральных уравнений. Поэтому основное средство системного анализа – компьютеры и суперкомпьютеры.

Сырьевую основу соответствующих отраслей химических производств составляют:

- в неорганической ХТ

1. Атмосферный азот и в очень ограниченной степени натриевая селитра, запасы которой (Чили, Южная Африка) быстро истощаются;

2. Водород. В промышленности производится:

- конверсией метана

СН₄ + 2Н₂О_(пар) → СО₂ + 4Н₂

- неполным окислением метана, который является комбинацией следующих реакций

с последующим взаимодействием СО с водяным паром

- конверсией твёрдого углеродного топлива

- электролиз воды или водных растворов NaCl.

3. Кислород или воздух. Если необходимо иметь чистый кислород, то его сжижают при высоких давлениях и пониженной температуре, а затем подвергают фракционной перегонке;

4. Источником получения серной кислоты и других продуктов на её основе является элементарная сера, пирит FeS₂ и сульфиды цветных металлов;

5. Источником получения фосфорной кислоты и фосфат-содержащих удобрений являются фосфатные руды: апатиты и фосфориты. В этих рудах фосфор находится в нерастворимой форме, главным образом в виде фторапатита Ca₅F(PO₄)₃ и трикальцийфосфата Ca₃(PO₄)₂;

Апатит – минерал, входящий в состав изверженных пород. В России на Кольском полуострове имеются крупнейшие залежи апатитонефелиновой руды. Нефелин (K,Na)₂O×Al₂O₃×2SiO₂×2H₂O – сырьё алюминиевой промышленности. Апатитонефелиновую породу, содержащую до 70% апатита и до 25% нефелина разделяют флотацией на апатитовый концентрат, в состав которого входит до 40% Р₂О₅ и нефелиновую фракцию, которая после повторного обогащения содержит до 30% Al₂O₃.

Фосфориты – породы осадочного происхождения. Содержание Р₂О₅ в фосфоритах колеблется от 20 до 30%.

6. Первичным сырьём для производства органических веществ являются природный газ, нефть, каменный уголь, в меньшей степени горючие сланцы и торф.

Традиционные способы их первичной переработки – пиролиз (нагрев без доступа воздуха). Последние годы всё большее значение приобретает синтез-газ (СО и 3Н₂), получаемый из всех перечисленных видов сырья путём парокислородной конверсии. Это особенно важно для твёрдых горючих ископаемых, залежей которых должно хватить на несколько сотен лет. Синтез-газ является основой для получения небольшой группы базовых продуктов органического синтеза, которые в сырьевом балансе промышленных органических продуктов составляют 90%. Сюда относятся этилен, пропилен, 1,3-бутадиен, бензол, толуол и ксилолы.

7. Источником получения металлов в технически чистом виде являются природные минералы, содержащие, как правило, часть пустой породы. Минералы руд представляют в основном оксиды и сульфиды некоторых металлов (Fe₃O₄, Fe₂O₃, Cu₂S, CuS, FeCuS₂, ZnS и др.), содержащие оксиды соединений, составляющих пустую породу. В чёрной металлургии к ним относятся Al₂O₃, SiO₂, CrO, MgO и т.п. В то же время некоторые из этих оксидов могут служить рудами цветных металлов (например, Al₂O₃ в производстве алюминия). Обобщая данные по минералам руд их можно подразделить на оксидные, сульфидные и самородные. Руды, в состав которых входят соединения разных металлов называют полиметаллическими. Типичными примерами таких руд являются медно-никелевые (содержат сульфиды свинца и цинка), свинцово-молибденовые и др.

Химическая промышленность и смежные с ней отрасли основанные на химических превращениях (нефтепереработка, нефтехимия, металлургия, целлюлозно-бумажная промышленность) являются крупнейшими потребителями энергии. Химическая промышленность и нефтеперерабатывающие производства потребляют около 20% от энергопотребления всей промышленности. По расходу тепловой энергии химическая промышленность занимает второе место среди других отраслей хозяйственной деятельности, а по расходу электроэнергии – третье.

Химические процессы подразделяются на экзо- и эндотермические. Проведение эндотермических процессов требует дополнительного подвода тепла из вне и поэтому, как правило, характеризуется гораздо большим энергопотреблением. В экзотермических процессах такого подвода обычно не требуется, так как тепло реакции может быть использовано для поддержания необходимого температурного режима. В высокоэкзотермических процессах протекающих при высоких температурах (400-600⁰С) часть избыточного тепла реакции может быть преобразовано в механическую энергию для транспортировки реагентов или создания повышенных давлений. Это даёт существенную экономию энергии на производстве. Помимо затрат или экономии энергии, связанной с эндо- и экзотермичностью реакций реализация любого химического производства связана с расходом энергии на проведение вспомогательных операций, таких как подготовка и транспортировка сырья, отвод продуктов, физические операции дробления, фильтрации, перемешивания, дистилляции и др.

В химической технологии используются почти все виды энергии: электрическая, тепловая, ядерная, химическая, световая и др. Наиболее широко используются тепловая и электрическая энергия.

3.3 Химические реакторы – основные элементы ХТС. Типы классификации химических реакторов. Классификация химических реакторов по гидродинамической обстановке, условиям теплообмена, фазовому составу реакционной массы, способу организации процессов, характеру изменения параметров процессов во времени, конструктивным характеристикам. Изотермические и неизотермические процессы в химических реакторах

Химические реактора для проведения различных процессов отличаются друг от друга конструктивными особенностями, размерами, внешним видом. Однако, несмотря на существующие различия, можно видеть общие признаки классификации реакторов, облегчающие систематизацию сведений о них, составление математического описания и выбор математического расчета.

Наиболее употребимы следующие признаки классификации химических реакторов и режимов их работы: 1) режим движения реакционной среды (гидродинамическая обстановка в реакторе); 2) условия теплообмена в реакторе; 3) фазовый состав реакционной смеси; 4) способ организации процесса; 5) характер изменения параметров процесса во времени; 6) конструктивные характеристики.