Файл: Пинаев Г.Ф. Основы теории химико-технологических процессов учеб. пособие.pdf

В некоторых случаях использование оборудования при максимальной производительности нецелесообразно ввиду возможности быстрого износа или поломки, и тогда указы­ вается производительность, превышать которую не рекомен­ дуется. Такую производительность называют номинальной или паспортной.

Поскольку производительность оборудования влияет на экономические показатели процесса, то существует произво­ дительность, при которой экономический эффект от исполь­ зования оборудования наибольший. Такую производитель­ ность называют оптимальной. Как правило, номинальная про­ изводительность должна совпадать с оптимальной.

§1.5. Периодические и непрерывные химико-технологические процессы

Всоответствии с кинематикой потоков химико-технологи­ ческие процессы подразделяют на периодические и непре­ рывные.

Входные и выходные потоки реактора периодического дей­ ствия, а также любая локальная интенсивная характеристика самого процесса (например, температура или концентрация определенного компонента в фиксированной точке внутренне­

Для непрерывного процесса (рис. 1.2, б) характерно, что входные и выходные потоки после запуска реактора на про­ тяжении длительного времени не обращаются в нуль, а в идеальном случае — постоянны во времени, т. е. являются стационарными потоками. Такое состояние непрерывного про­ цесса называют стационарным или установившимся состоя­ нием.

Отрасли химической промышленности, производящие мно­ готоннажную продукцию, характеризуются все более широ-. ким распространением непрерывных процессов, основным преимуществом которых является возможность длительного поддержания стационарного состояния во всех аппаратах, обеспечивающего максимальную производительность системы при минимальных затратах на средства автоматизации. Не­ достаток периодически действующих реакторов состоит в том, что они фактически простаивают во время загрузки, выгрузки

13

и подготовки реактора к новому циклу. Кроме того, темпера­ тура и другие интенсивные параметры внутри реактора пе­ риодического действия должны изменяться по сложному за­ кону и для их регулирования требуется либо ручной труд,

2' ,

г/

и

/ — п о т о к и с х о д н о г о в е щ е ­ с т в а ; 2 — и н т е н с и в н ы й п а ­ р а м е т р п р о ц е с с а ( т е м п е р а т у ­ р а в а п п а р а т е ) ; 3 — п о т о к

многих случаях уровень механизации и автоматизации перио­ дических процессов ниже, чем процессов непрерывных.

Для осуществления непрерывного процесса требуются сле­ дующие условия: 1) пространственная (конструктивная) разделенность входа и выхода реактора; 2) непрерывная и по возможности стационарная загрузка и выгрузка реактора; 3) осуществление непрерывного транспорта реактантов внут­ ри реактора.

Почти всегда сложные химико-технологические процессы в целях осуществления их непрерывным способом необходимо

14

расчленять на несколько стадий, что в свою очередь требует предварительного всестороннего изучения механизма и кине­ тики технологических процессов.

Соблюдение второго и третьего условия обычно не вызы­ вает трудностей, если реакции осуществляются между газа­ ми или жидкостями, но могут встретиться серьезные трудно­ сти при работе с твердыми веществами, вязкими, загусте­ вающими жидкостями и т. д. В таких случаях осуществляют непрерывную реакцию и непрерывный транспорт реактантов через реакционную зону реактора при периодической его за­ грузке и выгрузке, частично используя реактор как буферную емкость или накопитель.

При рассмотрении реакторов непрерывного действия с периодическими входом и выходом возникает вопрос о рас­ чете емкости накопителя, необходимого для стыковки кинема­ тически несогласованных потоков одной системы, т. е. о со­ четании в одной системе потоков с различной кинематикой — потока периодического и непрерывного, потока периодическо­ го с одной величиной периода и потока периодического с дру­ гой величиной периода и т. д.

Предположим, что два кинематически несогласованных потока P\(t) и Л>(т) образуют вход и выход накопителя. За­ пасаемый поток Р(х) можно определить следующим неравен­ ством:

Р (т) = Рг(х) — Р2 (т) = dq/dx > 0.

Общий запас накопленного вещества за время т:

ность технологических потоков может быть обусловлена и случайными обстоятельствами, например аварийной останов­ кой аппарата. Поэтому накопители устанавливают и между такими аппаратами, которые в нормальных условиях кине­ матически согласованы. Аналогичные соображения исполь-

15

зуют при проектировании складов сырья и готовой продукции, создании резервов и т. д.

Примером современных периодических процессов могут служить процессы производства химических реактивов. Ти­ повыми операциями таких производств являются (при про­ изводстве солей) растворение металла или окисла в кислоте, , добавление реагентов для осаждения примесей, фильтрация раствора, упарка фильтрата, охлаждение, фильтрация сус­ пензии и сушка кристаллов готовой соли. Все операции, кро­ ме фильтрации и сушки, можно производить в одном аппара­ те — реакторе, причем после завершения производства одной

сального использования оборудования. Однако при необхо­ димости резкого увеличения производства какого-либо реак­ тива целесообразен переход на непрерывную технологию.

Переход от периодического к непрерывному производству требует определенных экономических условий, в частности необходимо, чтобы тоннаж производства (или производитель­ ность системы) превышал некоторую известную величину. Кроме того, вследствие специализации непрерывно действую­ щей аппаратуры требуется, чтобы номенклатура сырья и про­ дуктов, производимых по непрерывной схеме, была постоян­ ной на протяжении периода амортизации (износа) аппарату­ ры. Если предприятие выпускает обширную и изменяющуюся во времени номенклатуру продуктов или рассматриваемые продукты являются малотоннажными, то периодические про­ цессы вполне оправданы. Большинство продуктов, производи­ мых химической промышленностью, бывает крупнотоннаж­ ным и производится непрерывным способом.

При сравнении периодических и непрерывных процессов приходится сталкиваться с ситуацией, когда целесообраз­ ность изменения существующей технологии проверяется эко­ номическим расчетом. Если же имеется несколько вариантов усовершенствований производственного процесса, то реали­ зовать следует тот из них, который экономически наиболее выгоден. О таком варианте говорят, что он оптимальный.

§1.6. Удельная производительность

иинтенсивность технологических процессов

Существенными характеристиками реакторов являются удельная производительность и интенсивность.

Удельной производительностью реактора называют отно­ шение средней производительности аппарата к его полному

16

ства /-го сырья при прохождении через реактор; т, Ат — про­ должительность реакции.

Увеличение интенсивности химических реакций (интенси­ фикация) обычно достигается увеличением давления (для га­ зовых реакций) или температуры процесса, а также исполь­ зованием эффективных катализаторов. Увеличение давления связано с затратами энергии на сжатие газов и затратами материалов на создание механически прочной при высоких давлениях аппаратуры. Увеличение температуры требует рас­ хода энергии на подогрев реагентов и использования жаро­ прочных материалов. Применение катализаторов также со­ пряжено с затратами и, как правило, требует тщательной очистки реагентов, предотвращающей отравление катализато­ ра примесями.

Как в случае перехода от периодических процессов к не­ прерывным, так и при интенсификации технологических про­ цессов необходимо соразмерять положительный результат интенсификации с затратами на ее осуществление, а из не­ скольких возможных вариантов процесса выбирать наилуч­ ший, или оптимальный.

§ 1.7. Проблема оптимизации технологических процессов

Весьма полезной является такая постановка технологиче­ ских задач, при которой решение отыскивается в результате последовательного рассмотрения всевозможных вариантов и выбора наилучшего из них. Этот подход в общем называют оптимизационным или принципом оптимальности, а исполь­ зование его с целью усовершенствования производства — оп­ тимизацией производства. Возможность использования прин­ ципа оптимальности требует соблюдения определенных условий.

1. Технологический процесс должен быть многовариант­ ным, т. е. среди его параметров должны существовать пере­ менные, которые в определенных пределах могут быть зада­ ны произвольно. В этом случае каждый набор независимых параметров определяет вариант процесса, и при любом их допустимом значении технологический процесс технически осуществим.

2. Любому технически осуществимому варианту техноло­ гического процесса может соответствовать некоторая числен­ ная оценка, называемая целевой функцией. Если целевая функция выбрана правильно, то ее максимум или минимум

18