ОХТ в вопросах и ответах Ч2
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева
ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ
Ч. 2
Москва
2015
Составители: В. И. Ванчурин, В. И. Игнатенков, В. В. Игнатенкова, Е. В. Сучкова
УДК 66.01 (076) ББК 74.58:35я7
О-28
Рецензенты:
Доктор технических наук, профессор Российского химико-
технологического университета им. Д. И. Менделеева
Дмитриев Е.А.
Общая химическая технология в вопросах и ответах ч. 2:
О-28 методич. пособие/сост. В. И. Ванчурин, В. И. Игнатенков,
В. В. Игнатенкова, Е. В. Сучкова – М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева,
2014. – 64 с.
ISBN 978-5-7237-1260-7
В пособии освещены теоретические основы курса «Общая химическая технология»
(ОХТ). В основу пособия положен учебник И. С. Бескова «Общая химическая техноло-
гия» – М. : ИКЦ Академкнига, 2005, 452 с., который рекомендован Министерством об-
разования и науки РФ. Удобная форма представления материала в формате «вопрос-
ответ» вызывает у студента интерес к более глубокому пониманию концепции постро-
ения эффективных химико-технологических систем. Характер подачи материала обу-
словливает необходимость анализа, обоснованного выбора технологической схемы и её реализации на уровне химико-технологического производства. Пособие полезно ис-
пользовать при подготовке и зачётам и экзаменам по курсу ОХТ.
Предназначено для студентов химико-технологических и других специальностей.
ISBN 978-5-7237-1260-7
УДК 66.01 (076)
ББК 74.58:35я7
© Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, 2015
2
Оглавление
Список сокращений…………………………………………………….…… 4
1.Общие сведения о химико-технологической системе (ХТС)\...................5
2.ХТС производства серной кислоты……… …………………...………..14
3.ХТС производства аммиака………… ………………………….… ……21
4.ХТС производства азотной кислоты……………………………………. .40
5.ХТС производства стирола………………………………………………..53
Литература ……………………………………………………………………63
3
Список сокращений
ХТС – химико-технологическая система ХТП – химико-технологический процесс ЛОТ – линия оптимальных температур АВС – амиачно-воздушная смесь МЭА – моноэтаноламин
ТЭР – топливно-энергетические ресурсы КОРС – кубовые остатки ректификации стирола ВЭР – вторичные энергетические ресурсы
ДКДА система двойного контактирования и двойной абсорбции
4
1. Общие сведения о химико-технологической системе (ХТС)
Вопрос. Что представляет химико-технологическая система (ХТС)?
Ответ. ХТС представляет собой модель химического производства или химико-технологического процесса, отображающую его структуру и поз-
воляющую предсказывать те или иные свойства и показатели.
Вопрос. Что такое подсистема ХТС?
Ответ. Часть ХТС, позволяющая исследовать ХТС как модель химическо-
го производства по отдельным направлениям.
Вопрос. Какие подсистемы можно выделить из ХТС?
Ответ. Подсистемы можно выделять по двум признакам: функциональ-
ному, который обеспечивает выполнение функции производства и его функционирование в целом, и масштабному, который выполняет функции в последовательности процессов переработки сырья в продукты как от-
дельные части химико-технологического процесса.
Вопрос. Как классифицируются функциональные подсистемы ХТС?
Ответ. Функциональные подсистемы подразделяются на технологические,
энергетические и управленческие.
Вопрос. Что такое технологическая подсистема ХТС?
Ответ. Технологическая подсистема – часть производства, где осуществ-
ляется переработка сырья в продукты.
Вопрос. Что такое энергетическая подсистема ХТС?
Ответ. Энергетическая подсистема – часть производства, служащая для обеспечения энергией химико-технологического процесса
Вопрос. Что такое подсистема управления ХТС?
Ответ. Подсистема управления – часть производства, позволяющая полу-
чать информацию о его функционировании, и управлять химико-
технологическим производством.
Вопрос. Что такое масштабная подсистема ХТС?
Ответ. Часть ХТС, позволяющая изучать отдельные узлы, агрегаты, отде-
ления.
Вопрос. Какие модели характеризуют ХТС?
Ответ. ХТС как модель химико-технологического производства может ха-
рактеризоваться двумя группами моделей: описательными – химической,
операционной, математической моделями; графическими – функциональ-
ными, технологическими, структурными, специальными моделями.
Вопрос. Что такое химическая модель ХТС?
Ответ. Химическая модель ХТС – набор стехиометрических уравнений реакций, которые характеризуют химические превращения сырья в конеч-
ные продукты.
Вопрос. Что такое операционная модель ХТС?
Ответ. Операционная модель ХТС описывает основные стадии переработ-
ки сырья в продукт, в том числе обеспечивающие протекание основных превращений, которые осуществляются при переработке сырья в продукты
Вопрос. Что такое математическая модель ХТС?
Ответ. Математическая модель – совокупность математических уравне-
ний, граничных условий, формул, неравенств и т.д., решение которых поз-
воляет получить информацию о параметрах состояния функционирующего химического производства.
Вопрос. Что представляет собой функциональная модель?
Ответ. Функциональная модель представляет собой графическое отобра-
жение основных стадий химического производства в форме блоков и их взаимосвязи и строится на основе химической и операционной моделей.
Вопрос. Что представляет собой структурная модель?
Ответ. Структурная модель даёт детальное представление ХТС в виде элементов и связей между ними и строится на основе технологической мо-
дели.
6
Вопрос. Что представляет собой операторная модель?
Ответ. Операторная модель представляет собой совокупность элементов в виде специальных значков – операторов и показывает какие физико-
химические превращения осуществляются в элементах ХТС.
Вопрос. Какие технологические операторы используются при построении операторной модели ХТС?
Ответ. При построении модели ХТС используются следующие виды тех-
нологических операторов (рис. 1.1).
|
|
|
|
|
реактор |
|
теплообменник |
|
|
|
|
|
массообменный |
|
делитель |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
аппарат |
|
простой |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
сжатие, нагнета- |
|
смеситель |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
ние |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дросселирующее |
|
изменение агрегатного |
|
|
|
|
|
устройство |
|
состояния |
Рис. 1.1. Виды технологических операторов
Вопрос. Какие связи (потоки) существуют между элементами в ХТС?
Ответ. Элементы ХТС связывают потоки:
–материальные – переносят вещества и материалы;
–энергетические – переносят энергию в любом её проявлении, а
именно тепловую, электрическую, механическую, топливо;
–информационные – используются в системах контроля и управления процессами и производством.
7
Вопрос. Какие структуры связей и области их применения используются в
ХТС?
Ответ. Особенности прохождения потоков через элементы ХТС опреде-
ляют структуру связей и обеспечивают определённые условия работы эле-
ментов системы. Основные типы связей показаны на рис. 1.2. Здесь прямо-
угольники представляют элементы, линии со стрелками – связи и направ-
ления потоков.
1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VБ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
V0 |
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
VР |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
V0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
6 |
|
|
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.2. Виды технологических связей:
V0 – объёмный расход исходного вещества, VР – объёмный расход рецикла,
VБ – объёмный расход байпаса, V – объёмный расход реагентов на входе в реактор,
Р– разделитель.
По с л е д о в а т е л ь н а я с в я з ь (схема 1). Поток проходит последова-
тельно элементы. Применение: более полная и целенаправленная перера-
8
ботка сырья, возможность управления процессом путём оказания управ-
ляющего воздействия на каждый элемент.
П а р а л л е л ь н а я с в я з ь (схема 2 и 3). Поток разветвляется, отдель-
ные части его проходят через разные элементы, после чего потоки объеди-
няются или могут перерабатываться различными способами с получением разных продуктов. Применение: проведение процесса при более низкой потере давления во всей системе, возможность переработки сырья по раз-
ным технологиям, обеспечение бесперебойной работы системы в случае выхода из строя одного из аппаратов.
О б в о д н а я с в я з ь , и л и б а й п а с (схемы 4 и 5). Отбирается часть потока из основного, обходит один или несколько аппаратов, после чего поступает в основной поток. Такая схема используется в основном для управления процессом, например, в случае проведения обратимых экзо-
термических реакций в режиме, близком к ЛОТ.
О б р а т н а я с в я з ь , и л и р е ц и к л (схемы 6, 7, 9). Часть потока по-
сле одного из аппаратов возвращается в предыдущий аппарат. Через аппа-
рат, в который направляется рецикл VР, проходит поток V – больший, чем основной поток V0, так что V = V0 + VР. Отношение величин потоков, про-
ходящего через аппарат и основного, называют кратностью циркуляции:
КР = V .
V0
Рецикл называется полным, если составы потока и рецикла оди-
наковы. Он используется для регенерации тепловой энергии выходного го-
рячего потока или для интенсификации автокаталитических реакций. Ре-
цикл называется фракционным , если выходной поток подвергается разделению и составы рецикла и потока, из которого он вышел, неодина-
ковы. Применяется для более полного использования сырья.
П е р е к р ё с т н а я с в я з ь (схема 8) используется только для энергетических потоков.
9
Вопрос. Что такое состояние ХТС?
Ответ. Состояние или режим ХТС определяется параметрами связей (по-
токов) и состоянием элементов системы.
Вопрос. Какими параметрами характеризуются связи?
Ответ. Связи характеризуются параметрами состояния и параметрами
свойств.
Вопрос. Какими параметрами характеризуется состояние потока?
Ответ. Состояние потока характеризуется массовым или объёмным расхо-
дом, химическим составом, температурой, давлением, теплосодержанием.
Вопрос. Какими параметрами характеризуются свойства потока?
Ответ. Свойства потока характеризуются вязкостью, плотностью,
теплоёмкостью, теплопроводностью и т.д.
Вопрос. Каким образом можно характеризовать состояние элемента ХТС?
Ответ. Состояние элемента характеризуется параметрами и воздействия-
ми, от которых зависит изменение показателей потока в нём. Это могут быть входные и выходные параметры потоков, регулирующие воздействия или возмущения, возникающие при эксплуатации элемента.
Вопрос. В чём заключается синтез ХТС?
Ответ. Синтез ХТС заключается в определении основных технологиче-
ских операций и их последовательности, выборе главных аппаратов и установлении связей между ними, определении параметров состояния по-
токов и технологических режимов отдельных аппаратов и ХТС в целом.
Вопрос. Какие требования (концепции) необходимо учитывать при синтезе ХТС?
Ответ. При синтезе ХТС необходимо обеспечить выполнение следующих концепций:
-более полное использование сырьевых ресурсов;
-более полное использование энергетических ресурсов;
10