книги / Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза

торые направлены на выпуск целевых продуктов из определенного исходного сырья. Производство может осуществляться в цехе или на заводе.

Для обозначения наименьшей технологической единицы, в которой, как правило, получается определенный полупродукт или заканчивается часть технологического процесса, часто используется термин «установка». Каждая такая единица характеризуется произ­ водительностью —количеством вырабатываемого продукта или пе­ рерабатываемого сырья, отнесенным к единице времени. Кроме того, каждая установка характеризуется проектной (максимально возмож­ ной или допустимой) производительностью, которая называется про­ изводственной мощностью или просто мощностью.

Промышленное предприятие (завод, комбинат) состоит из ряда производств, объединенных однотипностью химических и физи­ ко-химических процессов, общностью источников сырья и энер­ гии, возможностью использования целевых продуктов одного про­ изводства в качестве сырья на другом.

Подотраслью называется группа предприятий, объединенных общностью сырьевых источников, технологией получения и видом выпускаемой продукции.

В отрасль входят подотрасли и, как правило, крупные объе­ динения, характеризуемые едиными принципами получения про­ дукции. В частности, отрасль ОО и НХС характеризуется полу­ чением преимущ ественно многотоннажных органических продуктов, применяемых непосредственно в народном хозяйстве (растворители, поверхностно-активные вещества, составные ча­ сти топлива, средства защиты растений и др.) или являющихся полупродуктами в других отраслях органической технологии (мо­ номеры для полимерной промышленности, полупродукты для ле­ карственной промышленности и т.д.).

Технологические объекты часто называются производственными комплексами. Под производственным комплексом понимается от­ дельное производство, завод, комбинат и даже отрасль.

При изучении производств основного органического и неф­ техимического синтеза, как связанных систем, можно установить, что в них регулярно повторяются простые элементы системы и определенные технологические связи (коммуникации, соедине­ ния, включения) этих элементов. Причем от связи элементов между собой зависят капитальные и энергетические затраты на получение целевых продуктов. Кроме того, исследование тех­

22 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

нологических связей должно показать, какое действие на количе­ ство и качество продуктов оказывает способ соединения простых элементов технологического процесса.

К числу отдельных элементов могут быть отнесены не только отдельные аппараты (реактор, ректификационная колонна, теп­ лообменник и т.д.), но и некоторые комплексы аппаратов. При изучении сложного технологического объекта целесообразно его разделение на отдельные звенья, в которых протекают химичес­ кие, физико-химические или другие процессы. По характеру ма­ териальных и энергетических связей все многообразные процес­ сы химической технологии можно разделить на следующие основные классы:

химические, диффузионные или массообменные;

тепловые;

гидро- и аэродинамические и механические.

Каждый из этих классов подразделяется на типовые процессы. Так, массообменные процессы делятся на ректификационные, экс­ тракционные, абсорбционные, адсорбционные и др.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Основная задача технолога-исследователя, изучающего мето­ ды создания технологии производств 0 0 и НХС, заключается преж­ де всего в нахождении взаимосвязи между входными и выходными параметрами как отдельных элементов, так и системы в целом с учетом многофакторности и возмущающих воздействий (часто слу­ чайного характера). При этом необходимо иметь в виду, что на од­ них производствах основные параметры сохраняются постоянны­ ми во времени и они (по подаче исходных материалов и получе­ нию товарных продуктов) относятся к непрерывным, а на других производствах параметры меняются во времени и они называются периодическими.

Как правило, в производствах основного органического и неф­ техимического синтеза применяются непрерывные технологические процессы. Но, вместе с тем, на вспомогательных производствах мо­ гут применяться и периодические технологические процессы. К не­ прерывным технологическим процессам относятся такие, в кото­ рых сохраняется практически неизменным режим работы установок во времени, т. е. постоянны технологические параметры (давление,

расход, температура и т. д.), поступление сырья, отвод целевых про­ дуктов.

Впериодических процессах при переходе от одной стадии про­ цесса к другой, а часто и на одной стадии, наблюдается изменение режима работы аппаратов, проводится периодическая загрузка сы­ рья и выгрузка реакционной массы.

Непрерывное производство рассчитано на выпуск одного вида продукции. В периодическом производстве на одних и тех же ус­ тановках возможен выпуск различных продуктов.

Втом случае если на технологической установке, работающей по непрерывному принципу, предусматривается возможность сме­ ны продукции через какой-то промежуток времени, то такие про­ изводства называют полунепрерывными.

Режим работы отдельных аппаратов или целого технологи­ ческого комплекса может быть статическим или динамическим,

аобъекты химической технологии могут быть описаны статичес­ кими и динамическими характеристиками, отражающими взаимо­ связь между входными и выходными параметрами.

Статические характеристики определяют для установившегося во времени режима работы объекта. Они необходимы для правиль­ ного проектирования объекта, определения нормальных режимов работы оборудования, оптимизации технологических процессов.

Вобщем случае статические характеристики объекта зависят от фи­ зико-химических свойств перерабатываемых исходных веществ, сте­ пени достижения стационарности процессов, конструкции аппа­ ратов и определяются из материальных и энергетических балансов объекта для стационарных состояний.

Под динамической характеристикой понимается взаимосвязь изменения во времени выходных параметров под действием вход­ ных возмущающих параметров.

Впромышленных объектах возмущения являются либо мед­ ленно изменяющимися во времени, либо скачкообразными.

Для определения динамических характеристик объекта и воз­ можности их сравнения друг с другом приняты типовые законы из­ менения входных параметров, близкие к законам, которые наблю­ даются в реальных условиях работы объектов. Динамические характеристики объекта в зависимости от вида входного возмуще­ ния имеют различную графическую интерпретацию.

Объекты химической технологии характеризуются опреде­ ленной инерционностью, которая может быть определена как вре­

24 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

мя, которое проходит от начала мгновенного изменения входной переменной до начала изменения выходной переменной.

Изменение режима работы любого технологического под­ разделения определяется изменением параметров входных и выход­ ных потоков.

Передаточные характеристики установок могут быть ста­ тическими или динамическими. К статическим передаточным ха­ рактеристикам относятся такие, при которых в каждый момент вре­ мени параметры выходных потоков полностью определяются параметрами входных потоков в тот же момент времени. Если же значения параметров выходных потоков установки существенно за­ висят также от предшествующих значений параметров входных по­ токов, то считается, что установка имеет динамические передаточ­ ные характеристики. Наличие динамических характеристик установки обусловлено тем, что материальные и энергетические по­ токи проходят через нее за какое-то конечное время.

Для описания статических свойств и режима работы установки или технологического процесса с распределенными по простран­ ственной переменной / координатами (переменными) использует­ ся обычно векторное дифференциальное уравнение:

1.1

где х ,z ,и —векторы выходных возмущающих и управляющих коорди­ нат; а —вектор параметров; / - вектор-функция.

Математическая модель статики объектов с сосредоточенными координатами чаще всего имеет следующий вид:

1.2

Неустановившиеся во времени t процессы в объектах с со­ средоточенными координатами описываются уравнениями типа:

1.3

Системы уравнений 1.1—1.2 применяются для описания так на­ зываемых стационарных объектов, свойства которых остаются не­ изменными во времени.

В математических моделях нестационарных объектов векторфункция должна явно или косвенно зависеть от времени. Чаще все­

го в моделях нестационарных объектов параметр а рассматривает­ ся как функция времени. Тогда уравнения статики и динамики бу­ дут иметь вид:

Статика отдельных технологических аппаратов чаще всего характеризуется уравнениями типа 1.1 и реже 1.2. Для описания ста­ тических режимов технологических процессов, установок, произ­ водств, предприятий и отрасли применяют, как правило, уравне­ ние вида 1.2. Математические модели, описывающие динамику процесса вида 1.3, используются для характеристики неустановившихся явлений в отдельных аппаратах и реже для технологических процессов.

Математические модели статики типа 1.2 широко применяют при решении задач планирования (оптимального планирования) работы объекта, а также для оптимизации статических режимов.

Математические модели динамики, выражаемые уравнением 1.3, используют для оптимизации переходных режимов работы объ­ екта, например при пуске и остановке аппаратов, а также при вы­ числении текущих значений параметров работы объекта.

ОБЩ ИЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

При получении продуктов основного органического и неф­ техимического синтеза используют различные процессы (химиче­ ские, физико-химические, гидродинамические, диффузионные, тепловые, механические), причем многие из них протекают од­ новременно в одном аппарате. Ход этих процессов, а следователь­ но, и нормальное функционирование всего производства, опре­ деляется их параметрами. Совокупность технологических параметров характеризует технологический режим различных под­ систем химико-технологических систем.

Среди параметров процесса различают экстенсивные, завися­ щие от количества вещества (например, объем), и интенсивные, не зависящие от количества вещества (температура, давление, концен­ трация веществ и др.).

26 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

Наиболее важными в химико-технологических процессах яв­ ляются интенсивные параметры.

Переменные химико-технологических процессов делятся так­ же на независимые, которые могут изменяться независимо друг от друга, и зависимые, численные значения которых определяются зна­ чением независимых переменных (параметров).

Общее число независимых параметров определяет число сте­ пеней свободы или вариантность процесса. На основе числа сте­ пеней свободы всей сложной химико-технологической системы (ХТС) производится выбор технологических связей элементов процесса.

Всоответствии с организацией потоков химико-технологические процессы, а также все системы подразделяются, как было указано ранее, на периодические, непрерывные и полунепрерывные.

Впериодических процессах выходные потоки, а также любые интенсивные характеристики (переменные) различных процессов (температура, концентрации и др.) меняются во времени и явля­ ются периодическими функциями с периодом ти:

xu =xl +x2 +xi +x4,

где хи —продолжительность полного цикла;

tj ,т2,Тз,т4 - время загрузки, выхода на режим, работы и подготовки ап­

парата к новой загрузке соответственно.

Коэффициент использования оборудования г\об = х / х и (где

х —продолжительность основного процесса) для периодического

процесса всегда ниже единицы.

Следовательно, производительность аппаратов периодического действия будет ниже, чем производительность аппаратов непрерыв­ ного действия. Кроме того, первые труднее автоматизировать и в них получается неоднородная по качеству продукция.

Вместе с тем, часто при малых масштабах производства эконо­ мически целесообразно применять аппараты периодического дей­ ствия, в частности из-за компактности их установки.

В связи с тем, что промышленность основного органического синтеза выпускает многотоннажную продукцию, в этой отрасли ис­ пользуются, главным образом, процессы непрерывного действия, так как они обладают рядом преимуществ по сравнению с перио­ дическими.

При осуществлении непрерывных процессов входные и вы­ ходные потоки от запуска до остановки производства в идеальном случае в течение длительного времени являются постоянными или стационарными потоками.

Интенсивные характеристики этих процессов также постоян­ ны во времени. Такое состояние непрерывного процесса называет­ ся стационарным или установившимся.

Установившийся процесс представляет собой предельный слу­ чай непрерывного процесса. Вместе с тем, практически такого со­ стояния добиться невозможно, так как колеблются, правда в допу­ стимых пределах, значения многих технологических параметров: состав и состояние сырья, активность катализатора, температура и давление в аппаратах, атмосферные условия. Многие отклоне­ ния объясняются, главным образом, динамикой процесса.

Следовательно, непрерывный процесс может быть устано­ вившимся, но практически никогда не бывает полностью уста­ новившимся. Вместе с тем, установившийся, или стационарный, процесс всегда является непрерывным.

Таким образом, в непрерывных процессах имеется возможность поддерживать постоянными заранее выбранные технологические параметры ( Т, р и др.) во всех точках ХТС. Это позволяет:

получать полупродукты и продукты постоянного качества;

достигать высокого коэффициента использования оборудова­ ния, который приближается к единице;

механизировать и автоматизировать производство;

легко управлять производством, в том числе с использованием ЭВМ;

обеспечивать высокую производительность труда, значительно облегчать труд обслуживающего персонала, делать его безопас­ нее, чем на предприятиях, использующих периодические про­ цессы.

Непрерывность исключает простои всех аппаратов и требует меньших их размеров при более высоком коэффициенте ис­ пользования, т. е. непрерывный процесс является более высокой ступенью развития технологии по сравнению с периодическим.

Для осуществления непрерывного процесса требуются сле­ дующие условия:

Опространственная (конструктивная) разделенность входов и вы­ ходов всех аппаратов;

28Часть /. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

©непрерывные и в достаточной степени стационарные подачи исходных веществ (загрузка) и вывод из аппаратов продуктов (выгрузка);

©номенклатура составляющих сырья и целевых продуктов долж­ на быть постоянной на протяжении работы аппаратуры (от пу­ ска до остановки);

Онепрерывное перемещение всех продуктов внутри аппаратов

имежду ними.

Соблюдение этих условий обычно не вызывает трудностей, ес­ ли транспортируемые вещества находятся в жидком или газо­ образном состоянии, но они могут возникать при работе с тверды­ ми веществами или вязкими жидкостями.

Все аппараты, применяемые в технологии основного органиче­ ского синтеза, могут работать по непрерывному принципу. Вместе с тем, организация работы некоторых реакционных и массообмен­ ных аппаратов по непрерывной схеме затруднена. Так, например, для проведения некоторых гомогенных реакций в жидкой фазе с це­ лью организации непрерывного процесса создают батарею из по­ следовательно соединенных реакторов смешения (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Батарея реакторов смешения

Определенная трудность возникает при организации непре­ рывной адсорбции (рис. 1.2). С этой целью применяется:

Окаскад адсорберов, в каждом из которых в различное время цикла выполняются различные операции (адсорбция, сушка

и охлаждение адсорбента, десорбция);

©процесс в движущемся слое адсорбента, в том числе в псевдо­ ожиженном слое адсорбента.

Установки первого типа обладают тем основным недостатком, что требуют относительно частого переключения больших потоков.

Рис. 1.2. Схема непрерывной адсорбции:

1,2 - адсорберы; 3 - конденсатор; 4 - сепаратор; 5 - сборник; 6 - газодувка; 7 - калорифер

Для установок второго типа характерно сильное истирание ад­ сорбента, что приводит к его потерям и усложнению процесса за счет пылеулавливающих установок и перемещения адсорбента.

Эти же трудности возникают при создании установок кри­ сталлизации, фильтрации и др.

Однако и в этих случаях непрерывные процессы являются бо­ лее выгодными.

Глава 2 . С и с т е м н ы е з а к о н о м е р н о с т и

ВТЕХНОЛОГИИ ОСНОВНОГО ОРГАНИЧЕСКОГО

ИНЕФТЕХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА

0 Производство как сложная система.

0Модели технологических установок и комплексов производств.

0Варианты соединения аппаратов и передаточные функции.

0Системный подход к разработке технологии производства.

0Математическое моделирование химико­ технологических объектов.

0 Оптимизация производства.

0Надежность работы отдельных аппаратов и химико-технологических систем.

0 Оценка работоспособности системы.

Одним из главных этапов создания производства основного ор­ ганического и нефтехимического синтеза является разработка и оп­ тимизация его технологической схемы. При этом перед разработ­ чиками новой технологии стоит задача получения целевых продуктов (необходимого количества и качества) при минималь­ ном расходе сырья и энергии, а также без загрязнения окружаю­ щей среды.

Современное промышленное предприятие представляет собой настолько сложный технологический комплекс, что научно обос­ нованный подход к его разработке, проектированию и эксплуата­ ции с целью достижения высокой эффективности производства все настойчивее требует системного подхода. Актуальность при­ менения системного подхода возрастает при разработке техноло­ гии безотходных производств. Для этого производство должно рас­ сматриваться как сложная система. Для реализации системного подхода при создании безотходных производств и их функциони­ ровании получают распространение автоматизированные системы научных исследований (АСНИ), автоматизированные системы про­ ектирования технологических процессов или производств (САПР), автоматизированные системы технологической подготовки про­