Химико-технологическая система

Синтез аммиака из водорода и азота представлен  одним химическим уравнением:

 

ЗН₂ + N₂ = 2NH₃.

 

Производство аммиака  из природного газа (метана) требует  проведения нескольких химических реакций:

СН₄ + Н₂0 = СО + ЗН₂ – конверсия метана с водяным паром;

СО + Н₂0 = С0₂ + Н₂ – конверсия оксида углерода;

ЗН₂ + N₂ = 2NH₃ – синтез аммиака.

Получение серной кислоты из серы протекает через следующие превращения:

S₂+ 2O₂ = 2S0₂ – сжигание серы;

2S₂ + 0₂ = 2S0₃ – окисление диоксида серы;

S0₃ + Н₂0 = H₂S0₄ – абсорбция SO₃.

Последовательность химических взаимодействий удобно представить  и такой схемой, как, например, производство соды Nа₂СОз из поваренной соли NaCl и известняка СаС0₃:

 

Эти уравнения – химическая схема – показывают генеральный  путь превращения сырья в продукт. Но реализация этого превращения  не ограничивается только данными уравнениями  – необходимы еще стадии, обеспечивающие эти химические преобразования или детализирующие их. Они представлены в других моделях процесса.

Операционная модель представляет основные стадии (операции) переработки сырья в продукт, в том числе обеспечивающие протекание основных превращений. Производство аммиака будет описано следующей операционной моделью.

1. Очистка природного газа от серосодержащих соединений адсорбцией сероводорода, который мешает дальнейшим превращениям:

 

H₂S + ZnO = ZnS + Н₂0

 

Конверсия метана с водяным паром. И природный газ (СН₄), и вода (Н₂О) являются сырьем для получения одного из компонентов для синтеза аммиака – водорода Н₂. В этом превращении протекают одновременно две реакции:

 

СН₄ + Н₂О = СО + ЗН₂;

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂.

 

2)Конверсия оксида углерода с водяным паром (в предыдущем процессе оксид углерода СО не полностью превращается в С0₂ из-за равновесных ограничений):

 

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂.

 

После этого процесса достигается максимально возможное  извлечение водорода из исходного сырья  – метана СН₄ и воды Н2О.

2. Получение азота N₂ – второго исходного компонента для синтеза аммиака. В современных схемах его получают из воздуха «выжиганием» из него кислорода:

 

30₂ + 2СН₄ = 2СО + 4Н₂0.

 

Это – наиболее простой  способ освободить азот воздуха от кислорода, тем более, что сжигание части природного газа все равно необходимо для обеспечения теплом всего процесса. Продукты горения – СО и Н₂0 – участники получения водорода.

3. Абсорбция диоксида углерода – удаление С0₂, полученного при получении водорода. Его поглощают раствором моноэта – ноламина:

 

С0₂ + 2RNH₂ + Н₂О = (RNH₃)₂C0₃.

 

4. Очистка газа от оксида углерода СО. После конверсии СО небольшое количество СО остается, и он мешает дальнейшим превращениям. Освобождаются от него, превращая в метан:

 

СО + ЗН₂ = СН₄ + Н₂О.

 

 

5)Синтез аммиака (после всех стадий получена чистая азото – водородная смесь; примесь СН4, полученная в предыдущей стадии, мала):

 

3Н₂ + N₂ = 2NH₃.

 

Химическая и операционная схемы дают первое описание и представление  о производстве и его основных стадиях. Для дальнейшего рассмотрения ХТС удобнее использовать графические модели.

Функциональная модель (схема) строится на основе химической и операционной и наглядно отражает основные стадии химико-технологического процесса и их взаимосвязи. Каждая из них представлена прямоугольником, линии между ними – связи. На рис. 3.3 показана функциональная схема производства аммиака, соответствующая приведенной выше операционной модели. Цифры на схеме соответствуют стадиям операционной модели (стадии 2 и 4 совмещены, что будет объяснено при рассмотрении производства). Элементы функциональной схемы соединены последовательно. На рис. 3.4 показана функциональная схема производства соды, построенная на основе ее химического описания. Она сложнее предыдущей, с параллельной и обратными связями.

 

Функциональная схема  производства аммиака. Цифры на схеме  соответствуют стадиям операционной модели

 

Представление основных операций химико-технологического процесса в виде функциональной схемы весьма удобно для его понимания. Она  дает общее представление о функционировании ХТС и служит предпосылкой для аппаратурного оформления и более детальной разработки ХТС.

Функциональная схема  производства соды

 

Функциональная схема  синтеза аммиака: А – синтез NH₃; Б – выделение NH₃; В – компрессия и рециркуляция

 

Приведем еще одну функциональную схему – синтеза  аммиака, т.е. рассмотрим подсистему 7 в  производстве аммиака как ХТС. Реакция  водорода с азотом протекает не полностью  из-за ограничений по равновесию. Поэтому  синтез аммиака включает три стадии:

5. Синтез аммиака ЗН₂ + N₂ = 2NH₃;

Б. Выделение аммиака;

6. Возврат непрореагировавших водорода и азота в реактор (стадию А).

Функциональная схема  показана на рис. 3.5. Схема с рециклом.

Технологическая модель (схема) показывает элементы системы, порядок их соединения и последовательность технологических операций. В технологической схеме каждый элемент (агрегат, аппарат, машина) имеет общепринятое изображение, соответствующее его внешнему виду. Связи изображены обычно линиями со стрелками или даже в виде трубопроводов. Нередко расположение аппаратов соответствует их примерной расстановке в цехе. На технологической схеме кратко могут быть приведены данные о параметрах процесса.

На рис. 3.6 приведена несколько сокращенная технологическая схема синтеза аммиака. Азотоводородная смесь поступает в реактор 1. Нагретая за счет теплоты экзотермической реакции прореагировавшая реакционная смесь охлаждается в трех теплообменниках. В первом из них 2 газ охлаждается водой – частично используется теплота реакции. В теплообменнике 3 подогревается газ, направляемый в реактор. Окончательное охлаждение происходит в воздушном холодильнике 4. Это наиболее простое и безопасное решение. Если охлаждать водой, вода может загрязняться, и необходимо создать сложную замкнутую систему водооборота, работающую на чуть теплой воде В охлажденном газе конденсируется аммиак (частично), и его отделяют в сепараторе 5. Жидкий аммиак собирается в сборнике 6 как продукт. Охлаждение до температуры окружающей среды недостаточно для полного выделения аммиака, и газ из сепаратора направляется в конденсационную колонну 8. В ней газ охлаждается до – (2+3) °С, так что в нем остается 3–5% аммиака.

Испаритель может быть совмещен конструктивно с конденсационной  колонной. В ней же аммиак отделяют от газа и направляют в сборник. Холодный газ затем подогревают в теплообменнике 3 и возвращают в колонну синтеза 1. Обеспечивают циркуляцию потока циркуляционным компрессором 7. Перед ним добавляют в циркулирующий реакционный газ свежую азотоводородную смесь. На рис. 3.6 пунктиром выделены элементы функциональной схемы на рис. 3.5. Отметим, что элемент В циркуляции газа «встроен» в элемент Б – выделение аммиака происходит перед и после циркуляционного компрессора.

 

Технологическая схема  синтеза аммиака: 1 – колонна (реактор) синтеза NH₃; 2 – водяной холодильник; 3 теплообменник; 4 – воздушный холодильник; 5 – сепаратор; 6 – сборник аммиака, 7 – циркуляционный компрессор; 8 – конденсационная колонна; 9- испаритель

 

Технологическую схему  получают в результате научной разработки данного способа производства, технологической и конструктивной проработки схемы, узлов и аппаратов. Следует отметить наглядность отображения конкретного производства, дающую почти осязаемое представление о нем. Технологические схемы используют как при эксплуатации производства, так и при его проектировании. Они входят в проектную и техническую документацию каждого производства.

Структурная модель (схема) в отличие от технологической включает элементы ХТС в виде простых геометрических фигур (прямоугольников, кругов). Изображение аппаратов обезличено, но значительно упрощается общий вид структуры ХТС. На рис. 3.7, о показана структурная схема синтеза аммиака – та же, что на рис. 3.6. В ней представлен общий характер структуры ХТС, легко прослеживается направленность потоков. Изображение даже сложной ХТС весьма наглядно, в ней удобно менять положение элементов, «проигрывая» различные варианты разрабатываемой ХТС. Наглядность связей позволяет легко составлять математическое описание, прослеживая связи между элементами, что существенно при автоматизированном проектировании.

Специальные модели (схемы) применяют при анализе и расчетах ХТС, используя специальный математический аппарат и вычислительные методы. Поскольку они здесь не используются, не будем их перечислять. Упомянем только об одной из схем – операторной схеме. Если в структурной схеме все элементы обезличены, то в операторной каждый элемент представлен специальным обозначением, называемым «технологический оператор». Принятые для них обозначения показаны на рис. 3.8. Они помогают определить по схеме, какие преобразования («операции») происходят с потоком в элементе. Операторная схема синтеза аммиака показана на рис. 3. 7,6 рядом со структурной. Зная обозначения элементов, такую схему удобно использовать при автоматизированных расчетах на ЭВМ – каждому виду элемента соответствует определенная подпрограмма (или блок) вычислительной системы.

 

Технологические операторы: а – химического превращения; б – массообмена; в-смешения; г – разделения; д – теплообмена; е – сжатия, расширения; ж – изменения агрегатного состояния

 

Математическая модель (описание). Приведенные выше модели (описания, схемы) дают общее представление о ХТС. Для количественных выводов о ее функционировании необходимо иметь математическую модель. Как уже было определено, система – «совокупность элементов и связей…», и ее модель будет представлена двумя системами уравнений – для элементов и связей.

В элементе происходит преобразование потоков. Математическая модель процесса в элементе устанавливает связь параметров выходящих потоков Y_k и к-го элемента и входящих в него X_k. Показатели потока – это его величина, состав (концентрации), температура, давление, теплосодержание и другие параметры. На состояние потока на выходе могут влиять некоторые параметры U_k которые управляют процессом или меняются в процессе эксплуатации. В общем виде

химический энергия  связь система

Y_k=F(X_k, U_k). (3.1)

 

Черточки над Y_k, Х_к, U_k означают множество параметров (концентрации, температура и другие). Уравнения (3.1) – математические модели реактора, абсорбера, компрессора и других аппаратов и машин. Конечно, можно использовать математические модели, например, реакторов, рассмотренные выше. Но поскольку при расчете ХТС важно знать входные и выходные параметры, то используют и другие модели, которые будут рассмотрены далее.

Связи в ХТС определяют, из какого элемента в какой передается поток. Поскольку передача потока происходит без его изменения, то уравнения  связи в общем виде выглядят так:

 

Х_к = б_l-kY_L, (3.2)

 

где б_l-k=1 для потока, выходящего из L-го элемента и входящего в k-й элемент; a_i-k = 0, если между L-м и к-м элементами нет связи.

Для входящих в ХТС  и выходящих из нее потоков  используют обычно индекс «О» как  обозначение внешней среды.

Система уравнений (3.1) – (3.2) довольно громоздка и решается, как правило, с помощью электронно-вычислительных машин.

 

 

 

Список литературы

 

1. Амелин А.Г. Общая химическая технология. М.: Химия, 1977. 400 с.
2. Бесков В.С., Флокк В. Моделирование каталитических процессов и реакторов. М. Химия, 1991. 253 с.
3. Васильев Б.Т., Отвагина М.И. Технология серной кислоты. М.: Химия, 1985. 385 с.
4. Кафаров В.В., Макаров В.В. Гибкие автоматизированные производственные системы в химической промышленности. М.: Химия, 1990. 320 с.
5. Кутепов A.M., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. Общая химическая технология. М.: Высшая школа, 1990. 520 с.
6. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. М.: Химия, 1981. 605 с.
7. Лейтес И.Л., Сосна М.Х., Семенов В.П. Теория и практика химической энерготехнологии. М.: Химия, 1988. 280 с.
8. Мухленов И.П. Общая химическая технология, ч 1, 2. М.: Высшая школа, 1984. 255 и 263 с.
9. Позин М.Е. Технология минеральных удобрений. Л.: Химия, 1983. 335 с. Расчеты химико-технологических процессов / Под ред. И.П. Мухленова. Л.: Химия, 1982. 247 с.
10. Смирнов Н.И., Волжинский А.И., Плесовских В.А. Химические реакторы в примерах и задачах. СПб.: Химия, 1994. 276 с.
11. Справочник азотчика. М.: Химия, ч. I, 1986. 511 е.; ч. II, 1987. 462 с.
12. Стадницкий Г.В., Родионов А.И. Экология. М.: Высшая школа, 1988. 272 с.
13. Степанов B.C. Анализ энергетического совершенства технологических процессов. Новосибирск: Наука, 1984. 273 с.
14. Фролов Ю.Г., Белик В.В. Физическая химия. М.: Химия, 1993. 464 с. Химико-технологические системы / Под ред. И.П. Мухленова. М.: Химия, 1986. 423 с.
15. Химмельблау Д. Обнаружение и диагностика неполадок в химических и нефтехимических процессах / Пер. с англ. Под ред. Ю.М. Левина. Л.: Химия, 1983.