2015-02-24
13460
Эффективность технологического процесса оценивают по ряду показателей, которые подразделяют на следующие группы: технологические, экономические и экологические.
К технологическим показателям относятся: мощность, или производительность, выход целевого продукта, селективность, степень конверсии, расходные коэффициенты по сырью и энергии.
Мощность – это максимальная производительность аппарата. Обычно при проектировании процесса указывается мощность аппарата или технологической линии. Мощность характеризует степень совершенства применяемой технологии.
Производительность – это количество полученного целевого продукта или расход сырья в единицу времени. Она рассчитывается по формуле
П=G/τ,
где П – производительность; G – количество целевого продукта (сырья); τ – время.
Количество целевого продукта определяют в единицах массы (кг, т) или объема (м3). В качестве единицы времени используют час или сутки, реже месяц или год. Существенно, что производительность относят к целевому продукту или основному компоненту сырья.
При анализе практической работы процесса применяют показатель «производительность» (как правило, производительность меньше мощности).
Выход продукта – один из основных критериев совершенства технологического процесса. Различают абсолютный и относительный выход.
Для процессов, протекание которых не может быть выражено уравнением реакции, выход продукта рассчитывают на единицу массы или на 100 масс. ч. основного сырья.
Относительный выход, или выход целевого продукта – это отношение количества полученного продукта к количеству этого же вещества, рассчитанному по уравнению реакции.
Выход целевого продукта η выражают в процентах или долях единицы и рассчитывают по формуле
η = (Gτ-Gнач)/G теор
где Gτ – количество продукта в реакционной смеси в данный момент времени; Gнач – начальное количество продукта в реакционной смеси; Gтеор – максимально возможное количество продукта.
Если реакция является обратимой, то за максимально возможное количество принимают то количество вещества, которое образовалось в момент равновесия. Такой выход продукта называется равновесным и обозначается ηр.
Конверсия исходных веществ характеризует полноту превращения исходных веществ в конечный целевой продукт. Конверсия, как и выход, выражается в процентах или долях единицы.
Общая конверсия это отношение количества одного из исходных веществ, прореагировавшего по всем возможным направлениям, к массовому количеству того же вещества, прошедшего через реакционный аппарат.
Степень конверсии К вычисляют по формуле
К=Gреаг.сырья/G,
где Gреаг.сырья – количество прореагировавшего сырья; G – количество сырья, прошедшее через реактор.
Для определения степени полезного использования сырья рассчитывают полезную конверсию.
Полезная конверсия К* – это отношение массового количества вещества G*cыp превратившегося в целевой продукт, к количеству исходного вещества G, пропущенного через реактор:
K*=G*cыp/G.
В тех случаях, когда в процессе участвуют несколько исходных веществ, то выход и конверсию рассчитывают по наиболее ценному компоненту сырья.
Для сложных процессов, в которых одновременно с основным процессом протекают другие процессы, приводящие к получению побочных продуктов, вводят понятие селективности.
Селективность – одна из важнейших характеристик промышленных производств.
Селективность S определяют по уравнению
S=G*сыр/Gреаг.сыр,
где G*cыp – количество сырья, превратившегося в целевой продукт; Gреаг.сырья – количество сырья, прореагировавшего по всем реакциям.
Расходные коэффициенты показывают количество затраченного сырья или энергии на единицу произведенной продукции.
Между коэффициентом расхода по сырью, выходом продукта и конверсией, рассчитанных на 100 масс. ч. сырья, существует следующая зависимость:
b=Mсыр(Мпр Кηр)п/т,
где b – расходный коэффициент; MCbip – молекулярная масса сырьевого продукта; Мпр – молекулярная масса целевого продукта; К– общая степень конверсии; ηр – равновесный выход; п/т – стехиометрические коэффициенты реакции.
Значения расходных коэффициентов сырья и других материалов включают в отчетную документацию.
Экономические показатели определяют экономическую эффективность производства. Важнейшими среди них являются себестоимость продукции и производительность труда.
Экологические критерии производства широко используются в промышленности для оценки состояния окружающей среды и совершенства технологических процессов.
Различают экологические показатели, определяемые опытным путем, и показатели, которые получают расчетом.
К первой группе показателей относятся ПДК (предельно допустимая концентрация) и ОБУВ (ориентировочно безопасные уровни воздействия). После разработки и утверждения этих показателей они приобретают законодательную силу и обязательны к применению на всей территории Российской Федерации. В некоторых случаях эти величины могут быть скорректированы (например, в регионах с аномальными природными условиями). Но в любом случае изменения закрепляют в законодательных документах с четким ограничением границ ареала.
К расчетным экологическим критериям относят ПДВ (предельно допустимый выброс) и НДС (нормативно допустимый сброс). Эти критерии учитывают многочисленные факторы, действующие на ограниченной территории региона или предприятия, такие как природные условия, климат, географическое положение, насыщенность региона промышленными предприятиями. Они рассчитываются местными экологическими службами, имеют ограниченную область применения и могут многократно изменяться.
Основными критериями оценки состояния природной среды (атмосферного воздуха, водоемов) являются стандартные нормативные показатели: ПДК химических веществ и ОБУВ.
Контрольные вопросы для самоподготовки студентов:
1. Структура производства. Основные понятия.
2. Иерархическая организация процессов в производстве. Использование иерархической структуры в решении исследовательских задач.
3. Критерии эффективности производства: технологические, экономические, экологические, эксплуатационные, социальные.
4. Характеристика экологических критериев
Тема 3. Технологический процесс. Классификация технологических процессов. Физико-химические основы химических процессов. (Л)
Технологический процесс – это последовательность механических, химических и физико-химических процессов и операций целенаправленной переработки исходных веществ в целевой продукт.
Физико-химическая технология представлена массообменными (растворение, сушка, возгонка, дистилляция и т.д.) и теплообменными (нагрев, охлаждение, изменение фазового состава) процессами. Химический состав веществ при этом не меняется. Массообменные процессы представляют собой перенос вещества внутри фазы или между фазами, обусловленный градиентом концентраций.
При химико-технологическом процессе (ХТП) происходят химические превращения вещества, в ходе которых при использовании различных видов сырья получают разнообразные целевые и побочные продукты. Вещества, участвующие в ХТП, называют технологическими компонентами.
К основным технологическим компонентамотносят:
• сырье;
• целевые, побочные продукты и полупродукты;
• энергетические ресурсы;
• отходы производства.
Технологические параметры (ТП) – измеряемые величины, определяющие состояние исходных веществ и условия проведения процесса. Их выбирают в зависимости от временной характеристики процесса.
Существуют ТП, которые применяют для разработки технологического режима независимо от временной характеристики процесса: температура, давление, концентрации реагирующих веществ, дисперсность и состав твердых материалов, состав катализатора, интенсивность перемешивания.
Контрольные вопросы для самоподготовки студентов:
1. Понятие технологического процесса (ТП).
2. Общие закономерности ТП.
3. Классификация ТП.
4. Основные показатели ТП.
5. Иерархическая организация производственных процессов на примере химического производства.
6. Физико-химические основы ТП.
7. Гомогенный и гетерогенный ТП.
8. Промышленный катализ – основа организации ТП.
Тема 4 Моделирование. Математическое моделирование как метод исследования технологических процессов. Технологическая система. Системный анализ – как метод исследования. Свойства технологической системы.
Моделирование – метод исследования объекта, явления, процесса, устройства на модели.
Моделирование давно используется в различных областях науки и техники.
Суть моделирования в том, что исследование самого объекта заменяют на исследование его модели.
Модель – специально созданный объект любой природы, более простой по сравнению с исследуемым объектом по всем свойствам, кроме тех, которые надо изучить, и способный заменить исследуемый объект так, чтобы получить новую информацию о нем.
Модель специально создают, чтобы исследовать конкретные свойства. Для изучения разных свойств объекта может быть создано и использоваться несколько его моделей, каждая из которых отвечает определенным целям и задачам. Модель и цель – едины. Если модель отражает большее или меньшее число свойств, то ее называют соответственно более широкой или более узкой.
Понятие «общая модель» объекта - бессмысленно по сути.
Чтобы достичь поставленной цели, на изучаемые свойства модели должны оказывать влияние те же факторы, что и на реальный объект. В этом заключается творческий и научный подход к построению модели: учесть именно те явления, которые существенны для изучаемых свойств.
Контрольные вопросы для самоподготовки студентов:
1. Методы исследования объекта (процесса, производства и т.д.) на модели.
2. Математическое моделирование как метод исследования технологических процессов.
3. Технологическая система.
4. Свойства технологической системы
5. Системный анализ – как метод исследования ТС.
. Тема 5. Состав и структура технологической системы: функциональные и масштабные подсистемы. Иерархическая структура технологических систем. Элементы и связи технологической системы и их классификация. Модели химико-технологической системы и ее состояние (режим
Классификация элементов ТС (по назначению)
Механические и гидромеханические элементы
Производят изменение формы и размера материала и его перемещение, объединение и разделение потоков. Дробилки, грануляторы, смесители, сепараторы, фильтры, циклоны. компрессоры, насосы.
Теплообменные элементы – изменяют температуру потока, его теплосодержание, переводят вещества в другое фазовое состояние. Теплообменники, испарители, конденсаторы, сублиматоры.
Массобменные элементы – осуществляют межфазовый перенос компонентов, изменение компонентного состава потоков без появления новых веществ. Дистилляторы, абсорберы, адсорберы, ректификационные колонны, экстракторы, кристаллизаторы, сушилки.
осуществляют химические превращения, кардинально меняют компонентный состав потоков и материалов. Реактора.
Энергетические элементы осуществляют преобразование энергии и получение энергоносителей. Турбины, генераторы, приводы для выработки механической энергии, котлы-утилизаторы для выработки энергетического пара.
Элементы контроля и управления позволяют измерить параметры состояния потоков, контролировать состояние аппаратов и машин, а также управлять процессами, меняя условия их протекания. Датчики температуры, давления, расхода, уровня, состава; исполнительные механизмы (вентили, задвижки, выключатели…), также приборы для выработки и преобразования сигналов, информационные и вычислительные устройства, АСУТП.
В каждом из перечисленных элементов могут протекать разнообразные процессы. В каждый могут входить как составные части различные по назначению устройства.
В реакционный узел, кроме реактора входят теплообменные аппараты, гидромеханические устройства (смесители, распределители потоков). Классифицируется такой агрегат по основному назначению, как реакционный элемент технологической подсистемы.
Возможен другой вариант. В энергетической подсистеме возможна утилизация теплоты реакции для подогрева воды в общей системе выработки энергетического пара. Тогда в энергетической подсистеме реакционный узел будет теплообменным элементом, источник тепла которого – результат химической реакции.
В зависимости от изучаемой подсистемы один и тот же элемент может иметь разное назначение.
Котел-утилизатор охлаждает поток в технологической подсистеме – это теплообменный элемент.
В энергетической подсистеме котел-утилизатор вырабатывает пар, поэтому он энергетический элемент.
Возможно совмещение элементов по их назначению в одном устройстве. Например, реактор- ректификатор: в нем одновременно происходит и химическое превращение, и компонентное разделение смеси (массообменный элемент).
Признаки назначения элементов относительны, как мы видим. Но тем не менее, используя их, исследование можно проводить более систематично.
Классификация связей (потоков)
Материальные потоки – переносят вещества и материалы по трубопроводам различного назначения, транспортерами и другими механическими устройствами.
Энергетические потоки – переносят тепловую, механическую, электрическую, топливную энергию. Тепловая энергия и топливо обычно передается по трубопроводам (пар, горячие потоки, горючие газы, жидкости). Механическая энергия также переносится по трубопроводам (газы под давлением), через вал двигателя, другие элементы привода. Электрическую энергию передают провода, силовые кабели.
Информационные потоки – используются в системах контроля, управления процессами, производством. Используются электрические провода, тонкие капиллярные трубки в пневматических устройствах, контакты в компьютерных платах.
Структура связей
Это последовательность прохождения потоков через элементы.
Последовательная связь поток проходит через аппараты поочередно. Применяется для последовательной переработки сырья в разных операциях.
Разветвленная связь. После некоторой операции поток разветвляется и далее отдельными потоками перерабатывается различными способами. Используется для получения различных продуктов.
Параллельная связь. Поток разветвляется, отдельные части его проходят через разные аппараты, после этого объединяются. Если мощность некоторых аппаратов ограничена, то устанавливают несколько аппаратов параллельно, обеспечивая суммарную производительность всей системы. Другое применение – использования периодических стадий в непрерывном процессе: поочередно работает один из параллельных аппаратов.
После завершения работы одного аппарата поток переключают на другой аппарат, а отключенный готовят для работы. Например, адсорберы с коротким сроком службы сорбента. В одном адсорбере – адсорбция, в другом – регенерация сорбента.
Параллельная связь удобна для резервирования при поломке одного из аппаратов. Это так называемое «холодное» резервирование, в отличие от «горячего» резервирования для пе риодичного процесса.
Обводная связь или байпас. Часть потока, не поступая в аппарат, обходит его. Это удобно в управлении процессом. Например, условия передачи теплоты в теплообменнике изменились (загрязнение поверхности, изменение нагрузки). Для поддержания необходимой температуры потоков осуществляют байпасирование. Величину байпаса ß определяют как долю основного потока, проходящего мимо аппарата:
ß = Vб / V0 , где V0 – объем основного потока
Возможен простой и сложный байпас (стр.183 Б.)
Обратная связь или рецикл. Часть потока после одного из аппаратов возвращается в предыдущий. Через аппарат, таким образом, проходит поток больший, чем основной.
V =V0 + Vр
Количественно величину рецикла характеризуют:
кратностью циркуляции Кр = V / V0
отношение циркуляции R = Vp / V или R = (Kp – 1) / Kp
Рецикл присутствует практически во всех ХТС, обеспечивая необходимые условия их функционирования. Обратная связь или рецикл в зависимости от решаемой задачи может выполняться различно.
Контрольные вопросы для самоподготовки студентов:
1. Состав и структура технологической системы: функциональные и масштабные подсистемы.
2. Иерархическая структура технологических систем.
3. Элементы и связи технологической системы и их классификация.
4. Модели химико-технологической системы и ее состояние (режим, параметры)
Тема 5. Синтез технологических систем. Задачи синтеза. Научный и инженерный подходы к синтезу процесса (производства). Сырье в промышленном производстве. Классификация, виды и требования к сырью. Методы обогащения твердого сырья. Альтернативное сырье
Задачи анализа ТС
Анализ ТС заключается в получении сведений о состоянии ХТС, показателях эффективности ее функционирования, а также о влиянии на эти данные химической схемы, структуры технологических связей, свойств и состояния элементов и подсистем, условий эксплуатации.
Фактически анализ ТС – это получение показателей химического производства и химико-технологического процесса, изучаемых нами ранее.
Разработка ТП или разработка технологии получения какого-либо продукта или процесса – это совокупность трех стадий:
-предварительная подготовка данных;
-синтез ТС;
-проектирование производства.
Синтез ТС может включать не только вопросы разработки и создания ХТС (ХТП), но и вопросы усовершенствования производства.
Синтез или построение ХТС заключается:
в определении основных технологических операций и их последовательности
в выборе аппаратов и установлении связей между ними;
в определении параметров технологических режимов отдельных аппаратов и системы в целом.
Все это делается для подбора условий наилучшего функционирования ХТС в целом.
Для начала синтеза ХТС необходимо поставить задачу – что делать?
Для постановки задачи необходимо знать:
вид и качество продукта, который необходимо производить;
вид, состав и состояние исходных веществ (сырья);
основные стадии химико-технологического процесса переработки сырья в продукты и их характеристики;
Возможные аппаратурные решения для осуществления ХТП.
Для построения (синтеза) необходимо определить:
элементный состав ХТС (аппараты, машины, устройства) для переработки сырья в продукты;
структуру связей между элементами ХТС;
режимы отдельных элементов и системы в целом.
В большинстве химических производств затраты на сырье составляют значительную часть себестоимости продукции. Концепция полного использования сырья направлена на максимальный выход целевого продукта, максимальное превращение сырья в полезные продукты.
Для достижения этой цели применяются следующие решения:
- Выбор схемы процесса
-Избыток одного из реагентов
-Противоточный контакт фаз
-Фракционный цикл
-Регенерация с рециклом
-Утилизация отходов
-Альтернативное сырье
-Комплексное использование сырья
Рассмотрим эти решения более подробно.
Контрольные вопросы для самоподготовки студентов:
1. Синтез технологических систем.
2. Задачи синтеза.
3. Научный и инженерный подходы к синтезу процесса (производства).
4. Сырье в промышленном производстве.
5. Классификация, виды и требования к сырью.
6. Методы обогащения твердого сырья.
7. Альтернативное сырье.
