Разработка и построение функциональной схемы.

Графические изображения химико-технологических систем.

Г. Н. Кононова, В. Н. Цыганков

Графические изображения химико-технологических
систем

Учебное пособие

Издание 2-ое, дополненное.

Сдано в печать 2007. Формат 60х90/16

Бум. офсетн. Печать офсетн. Уч. изд. л. 1, 6.

Тир. 100 экз. Заказ № 4 8

117571, Москва, ИПЦ МИ'ГХТ им. М. В. Ломоносова.

Проспект Вернадского, 86.

УДК 66.01: 66.047.6 + 303.732

Кононова Г. Н., Цыганков В. Н. Графические изображения химико-технологических систем. Учебное пособие. – ИПЦ МИТХТ им. М. В. Ломоносова, 2007. – 20 с.

В учебное пособие вошли материалы для самостоятельной работы студентов направления бакалавриата: № 521500 «Менеджмент» по дисциплине «Основы системных закономерностей технологических процессов» и № 657100 «Прикладная математика».

Утверждено Библиотечно-издательской комиссией

МИТХТ им. М. В. Ломоносова в качестве учебного пособия.

© Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова, 2007 г.

Разработка и построение функциональной схемы.

При разработке химико-технологических систем / ХТС / можно выделить два основных уровня:

1. Оценка химического взаимодействия, положенного в основу химико-технологического процесса / ХТП / - химическая концепция метода.

2. Организация ХТП в ХТС - технологическая концепция метода.

Химическая концепция представляет собой обоснование / термодинамическое, кинетическое и физико-химическое / протекающих превращений, дает оценку максимальным возможностям разрабатываемого метода, а также накладывает соответствующие ограничения на параметры процесса, качество сырья и продукта, вспомогательные материалы и т.п. На ее основе рождается химическая схема процесса - схема превращения сырья в целевые продукты. Для реализации этого превращения необходима соответствующая обработка сырья, а для выделения целевого продукта, его очистки, отделения от примесей и т.п. - применение соответствующих приемов и операций.

Для описания последовательности этих действий использу­ются различные графические описания - схемы.

В качестве первого уровня наглядного изображения ХТС после разработки химической концепции метода является функци­ональная схема системы. Она показывает, какие технологические операции и в какой последовательности необходимо осуществить для реализации разработанного химического процесса в промыш­ленном масштабе.

В самом обобщенном виде эта схема может быть представлена в виде классической триады химического производства / рис. 1.1 /.

Она представляет собой совокупность блоков, каждый из которых соответствует необходимой функции^*), которую требуется реализовать. Связи между блоками обозначаются соответствующими стрелками, указывающими направления потоков.

Эта схема детализируется путем представления каждого макро­блока в виде совокупности блоков, отвечающим определенным операциям / т.е. " функциям " - откуда и название

^*) Функция – от латинского слова functio – деятельность, обязанность, назначение.

схемы /. Например подготовка сырья может быть представлена последователь­ными блоками: измельчения, рассева, смешения, нагрева; химическое превращение может включать разложение

руды, экстракцию, синтез; разделение - ректификацию, конденсацию и сепарацию, фильтрацию, центрифугирование и т.п.

Непрореагировавшее сырье

Рис.1.1. Функциональная схема химического производства,

1, 2, 3 - подсистемы ХТС.

Уровень детализации схемы и, соответственно, количество блоков внутри каждой подсистемы определяется степенью отработки каждого этапа к моменту разработки схемы, а также поставленной задачей. На рис.1.2 представлена более детализированная функциональная схема условной ХТС.

Такая схема позволяет получить общее представление о функционировании ХТС и является предпосылкой для аппаратурного оформления системы и разработки технологической схемы.

Рассмотрим построение функциональной схемы на примере производства азотной кислоты. Соответствующая ей химическая схема может быть сведена к четырем основным стадиям:

1. Окисление аммиака

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O ∆ H < 0 (1)

2. Окисление NO в NO₂

2NO + O₂ ↔ 2NO₂ ∆ H < 0 (2)

3. Абсорбция нитрозных газов / смеси оксидов азота / водой

3NO₂ + H₂O→ 2HNO₃ + NO (3)

4. Каталитическая очистка отходящих газов

CH₄ + 4NO → CO₂ + 2N₂ + 2H₂О (4)

Исходное сырье

		Смешение

Продукт Отходы

Рис.1.2. Функциональная схема ХТС.

При разработке химической концепции метода было установ­лено, что процесс окисления аммиака необходимо проводить на платиновом катализаторе при температурах 800-900°С, давлении 0, 8 МПа и мольном соотношении О₂/NH3 = 1, 7.

Следовательно, прежде, чем проводить окисление аммиака, необходимо: смешать аммиак со сжатым воздухом до соответствую­щих параметров; очистить исходные вещества от примесей из-за высокой чувствительности к ним платинового

катализатора; наг­реть исходную смесь до температуры, обеспечивающей проведение реакции в автотермическом режиме.

Окисление NO в NO₂ - гомогенный, экзотермический процесс. Следовательно, полученные после окисления аммиака газы необходимо охладить, а после окисления NO в NO₂ также необходимо охлаждение в соответствии с оптимальными условиями процесса абсорбции. При этом отделяется некоторое количество азотной кислоты, образовавшейся попутно из NO₂ /реакция 2 / и H₂O /реакция I/.

Поскольку абсорбция оксидов азота проходит не на 100 %,

необходимо предусмотреть очистку отходящих газов от оксидов азота перед выбросом их в атмосферу.

На рис.1.3 приведена функциональная схема производства азотной кислоты.

Химическая система получения HNO₃ имеет мощный источ­ник энергии в виде тепловых эффектов реакций окисления аммиака и оксида азота (II). Высокопотенциальное тепло реакции окисления аммиака может быть использовано для производства пара в котле - утилизаторе /парогенераторе /, а пар может использоваться, например, для привода паровой турбины компрессора в цехе синтеза аммиака. Более низкопотенциальное тепло после окисления NO регенерируется путем подогрева входящих потоков /воздуха и газов после абсорбции/ отходящими после окисления NO нитрозными газами.

При очистке отходящих поcле абсорбции газов от оксидов азота температура потока составляет ≈ 700°С. Перед выбросом в атмосферу их тепловая энергия может быть превращена в механическую и использована для привода газовой турбины компрессора сжатия воздуха.

Таким образом, производство азотной кислоты является энерготехнологичес­ким, поскольку в нем наряду с товарной азотной кислотой произ­водится энергия, которая может быть использована в данном производстве или передана в другие цеха.

Рис.1. 3. Функциональная схема получения азотной кислоты.

Функциональная схема энерготехнологической системы производства азотной кислоты представлена на рис. 4.

Сравнивая две схемы / рис 1.3 и рис 1.4 / видно, как меняется функциональная схема по мере углубления степени проработки отдельных этапов процесса.

Рис.1. 4. Функциональная схема энерготехнологического производства HNO₃.