Технологические связи и их виды

Существующие промышленные производства как ХТС могут быть чрезвычайно сложными и разнообразными по структуре. Но, несмотря на это, в каждой из них можно четко выделить группы элементов или подсистем, связанных между собой в определенной последовательности, которая называется технологической связью. Итак, технологическая связь (ТС) - это способ соединения отдельных элементов (или подсистем) с помощью технологических потоков с образованием подсистем и систем.

Различают такие виды технологических связей:

- последовательный;

- последовательно-обводный (байпас);

- параллельный;

- обратный (рециркуляционный);

- перекрестный.

Рис. 7. Схемы последовательных ТС для процессов: с высокой степенью превращения в одном элементе; б –многостадийного; в- с использованием каскада реакторов; г-с постадийной переработкой многокомпонентного сырья А, В, С- компоненты сырья; D,E,F - реагенты; R,S- целевые и побочные продукты.

I,II,III- типы основных элементов ХГС

Последовательный ТC заключается в том, что технологический поток последовательно проходит все элементы ХТС только один раз (рис. 4.7). Он есть наиболее распространенным ТС. Применяется последовательная технологическая связь в случаях, когда:

а) в элементе системы достигается высокая степень превращения, а его производительность обеспечивает необходимую производительность всей ХТС (рис.7,а);

б) получение целевого продукта происходит в несколько стадий с
образованием полупродуктов (например, в производстве серной кислоты из
серы сначала получают серы (IV) оксид, потом серы (VI) оксид и лишь на
третьей стадии целевой продукт - Н₂SО₄) (рис. 7,6);

в) степень превращения в одном элементе ХТС мала, но есть
возможность использовать каскад реакторов (рис. 7,в);

г) сырье многокомпонентное, т.е. содержит несколько ценных
ингредиентов, которые последовательно извлекают с помощью определенных реагентов или при определенных условиях реализации технологического процесса (например, переработка полиметаллических или полиминеральных руд) (рис. 7,г).

Последовательно-обводная ТС (байпас) заключается в том, что технологический поток перед первым элементом системы последовательно соединенных элементов ХТС (реакторов) разделяется на два потока: основной и обводный (байпасный). Основной поток последовательно проходит все элементы ХТС, а байпасный обходит определенные элементы и вводится полностью или частично в основной после того или другого элемента (рис. 8).

Рис. 8. Схема последовательно-обводной ТС

Используется такая ТС для осуществления сильно экзотермических процессов, которые проходят в отдельных элементах в адиабатическом режиме Вследствие хода химической реакции резко возрастает температура реакционной среды. Дальнейший ход процесса может привести к смещению равновесия в сторону исходных веществ и уменьшению степени превращения. Если в горячий технологический поток ввести холодный байпасный поток, то равновесие процесса сместится в сторону конечных продуктов вследствие влияния двух факторов: во-первых, уменьшения температуры, а, во-вторых, увеличения концентрации реагента. Итак, степень превращения при применении байпасной ТС возрастает.

Кроме того, эта ТС дает возможность увеличить степень превращения за счет увеличениям времени пребывания реагентов в реакторе (элементе): часть начального потока перед реактором отводится байпасом, поэтому, расход потока через этот элемент будет меньшим, а продолжительность реакции - большей. Затем степень превращения и производительность элемента возрастают.

Примером применения последовательно-обводной ТС является контактный аппарат, в котором происходит окисление SО₂ до SО₃. На входе в последний слой катализатора в основной технологический поток вводится холодный газ, который поступает байпасом.

Параллельная ТС характеризуется тем, что технологические процессы в ХТС осуществляются одновременно в нескольких элементах, через которые технологические потоки проходят параллельно (рис, 9).

Рис. 9. Схемы параллельных технологических связей: а - производительность элемента значительно ниже производительности ХТС, или работа каждого элемента периодическая, а всей ХТС ~ непрерывная; б - из одного вида сырья получают разные продукты; в - целевой продукт образовывается взаимодействием полупродуктов, которые получают параллельно

Применяется параллельная ТС в таких случаях:

а) для увеличения производительности производства, т.е. если производительность одного элемента значительно меньше, чем производительность всей ХТС (рис. 9,а). В этой ТС производительность всех элементов, которые работают параллельно, одинакова как по сырью (G_A1=G_A2=G_A3),так и по целевому продукту (G_R1=G_R2=G_R3), а общая производительность системы равняется сумме продуктивностей отдельных элементов (G_R= G_R1+G_R2+G_R3). В этом случае каждый из параллельных потоков и элементы, которые он проходит, называют технологической нитью. Перечень элементов в технологических нитях, их размеры, конструкции и технические характеристики являются одинаковыми. Это дает возможность легче организовать производство (приобрести однотипное оборудование); упростить реализацию технологического процесса, обслуживание и ремонт оборудования;

б) для выпуска разных видов продукции из одного вида сырья (рис. 9, б).
В этом случае каждый из параллельных технологических потоков называют технологической линией. Преимущественно потребность в разных продуктах неодинакова, т.е. производительности параллельных технологических линий обычно отличаются . Поэтому начальный технологический поток (сырье) разделяется на отдельные потоки с разными расходами, которые должны обеспечить необходимую продуктивность по соответствующим продуктам. Очевидно, что перечень элементов, которые используются в отдельных технологических линиях, их конструкции, принцип работы, технические характеристики и т.п. будут разными. Например, указанный подвид параллельной ТС широко применяется в нефтеперерабатывающей промышленности. В частности, нефть-сырец может одновременно использоваться в процессах прямой перегонки на атмосферно-вакуумных установках (при этом получают бензин, лигроин, керосин, дизельное топливо, мазут, гудрон), термического крекинга (основные продукты: крекинг-газ (олефины), крекинг-бензин с октановым числом около 70, горючий крекинг-остаток), каталитического риформинга (получают: водородный газ, бензин с октановым числом около 95). Как видно из приведенного примера, применение параллельной связи дает возможность обеспечить гибкость ХТС;

в) если получение целевого продукта проходит вследствие взаимодействия промежуточных полупродуктов, каждый из которых получают одновременно в отдельных технологических процессах (параллельно) (рис. 9,в). Например, получению натрия гидрокарбоната NaHCO₃ предшествует осуществление двух параллельных процессов: первый - это получение аммонизированного раствора NaCl, второй - производство углекислого газа термическим разложением известняка.

г) если ХТС работает в непрерывном режиме, а отдельные элементы - в периодическом. В этом случае указанные элементы работают параллельно, но со смещением цикла работы одного относительно другого во времени (рис. 9, а). Количество элементов рассчитывается так, чтобы технологический поток на выходе из параллельной ТС был постоянным, т.е. разгрузка элементов (реакторов, масообменных аппаратов) проходила одна за одной без пауз между ними.
Например, параллельная ТС используется при выплавки серы из серного концентрата в автоклавах, которые работают периодически, а поток серы из автоклавного цеха в цех производства серной кислоты практически постоянен.

Обратная ТС (рецикл) характеризуется наличием обратного технологического потока: не прореагировавшее сырье возвращают в одну или нескольких точек ХТС на повторную переработку для увеличения степени превращения (рис. 10,а). При этом элементы соеденены между собой последовательно и вместе с обратными ТС образуют замкнутую подсистему ХТС. В этой ТС выделяют прямой (G₀), главный или полный (G_п) и обратный или рециркуляционный (G_Р) технологические потоки. Главный поток образуется двумя другими:

(8)

где (G₀- масса свежего сырья (реагента), которая пропорциональна массе образовавшегося в ХТС продукта; G_П - общая масса потока сырья, которая поступает на стадию переработки; G_Р, - масса сырья, которая возвращается на повторную переработку. Используется обратная ТС, если степень превращения сырья за один проход низкая, а количество примесей в сырье незначительно. Она дает возможность создать малоотходную ХТС, существенно улучшить утилизацию теплоты. По количеству не прореагировавшего сырья, которое возвращается на переработку, рециклы делят на полные и фракционные. Полные рецикл заключается в том, что не прореагировавшее сырье полностью возвращается на повторную переработку (рис.10,6).

 

Рис. 10. Схемы обратных ТС: а - общая схема, а также сопряженный рецикл; б – полный рецикл; в – фракционный рецикл; г – сложный рецикл.: А, В -реагенты; R- продукт

Например, степень преобразования азота и водорода во время синтеза аммиака не превышает 20 %; после конденсации образованного NН₃, непрореагировавшую азотоводородную смесь полностью возвращают в колону синтеза.

Фракционный рецикл - на переработку возвращает лишь определенная часть непрореагировавшего сырья (рис. 10,в). Примером фракционного рецикла является производство серной кислоты по циклической схеме, в которой окисление SО₂ до SO₃ осуществляют техническим кислородом, который содержит незначительное количество азота (до 5 %). Поскольку SО₂ окисляется не полностью, то после абсорбции образованного SO₃ с получением товарной Н₂SО₄, непрореагировавший SО₂ возвращают на стадию контактирования. Но газовая смесь содержит балластный газ - азот, возвращение которого в главный технологический поток приводило бы к постоянному уменьшению концентрации SО₂, поэтому скорость и полнота окисления серы (IV) падала бы. Поэтому для поддерживания постоянного содержания балластного азота в реакционной смеси на стадию окисления SО₂ возвращают не весь газовый поток, а лишь его часть, т.е. реализуется фракционный рецикл.

По способу введения обратного потока в прямой фракционный рецикл разделяют на такие подвиды: простой; сопряженный сложный.

Простой рецикл - непрореагировавшее сырье возвращает лишь в одну точку технологического потока (рис. 10,б,в). Такой рецикл используют, например, в случае синтеза аммиака.

Спряжений фракционный рецикл - непрореагировавшее сырье вводится в несколько точек технологического потока (рис, 10,а). Такой подвид ТС с рециклом применяется при термическом крекинге нефти.

Сложный рецикл предусматривает использование в одной ХТС нескольких рециклов (рис. 10,г).

Обратный ТС, кроме традиционных технологических показателей, которыми характеризуется обычный ТС как химико-технологический процесс, имеет еще два, присущие лишь ему, это:

- коэффициент рециркуляции (К_к), который определяется отношением-

(9)

коэффициентом отношения рециркуляции (R)

(10)

Указанные коэффициенты связаны между собой

(11) (12)

Вообще рециркуляция - это единое средство увеличения степени превращения исходного сырья в случае, если все другие известные средства (создание определенного температурного режима, применение давления и катализатора и т.п.) уже использованы. Наглядными примерами таких процессов являются производства метанола, аммиака.

Перекрестный ТС заключается в том, что через элемент ХТС одновременно проходят два или больше технологических потоков, которые непосредственно не контактируют, т.е. не смешиваются. Применяется этот ТС для эффективного использования энергии в ХТС, в частности для утилизации теплоты, аккумулированной технологическим потоком (рис. 11).

Холодное сырье проходит трубным пространством элемента теплообмена (1), где нагревается теплотой горячих продуктов реакции, которые двигаются по межтрубному пространству, а значит, с необходимой температурой поступает в элемент химического превращения (2), в котором проходит экзотермическая реакция. Теплота, которая выделяется при этом, используется для нагревания свежего потока сырья.

Характерным примером такой ТС есть утилизация теплоты газов, которые образовываются при контактном окислении SО₂ до SО₃, для нагревания серы (IV) оксида, который поступает в контактный аппарат, до температуры зажигания катализатора.

Перекрестная ТС также дает возможность использовать энергию потоков, которые перемещаются под высоким давлением (рис. 11,в). Например, в насадочный абсорбер (1), который работает при повышенном давлении, насосом (2) нагнетается жидкость (абсорбент). На выходе из абсорбера (1) жидкость двигается под давлением, но немного меньшим, чем давление в абсорбере, так как часть энергии жидкофазного потока израсходовалась на преодоление сопротивлений насадки, трубопроводов и т.п.. Попадая на колесо турбины (3), жидкость вращает его, а поскольку оно расположено на одном с насосом вале, то приводит последний в действие. Потеря энергии жидкостным потоком компенсируется работой электродвигателя (4). Использование перекрестной ТС дает возможность создать замкнутую по энергии ХТС.

 

Рис.11. Схемы перекрестных ТС: утилизация теплоты (а, б): а - операторная; б ~ технологическая; использование энергии потоков под высоким давлением (в): 1 -реактор; 2 - теплообменник; 3 - абсорбер; 4 - насос; 5 - турбина; 6- двигатель

Приведенные выше типичные технологические связи между элементами или подсистемами дают возможность создать любую ХТС.

Если во время синтеза ХТС использовано несколько типов ТС, то такая система характеризуется сложной (комбинированной) технологической связью. В современных ХТС ТС являются, преимущественно, комбинированными.

Как отмечалось выше, ТС связывают не только элементы, но и подсистемы. В отдельных подсистемах могут быть реализованы параллельные, обратные и другие виды ТС, а между собой подсистемы связаны последовательной технологической связью. Итак, структура ТС современной ХТС очень похожа на компьютерную программу, которая может содержать подпрограммы, созданные по другому принципу объединения команд. Примером комбинированной структуры ТС ХТС есть синтез аммиака. В этой ХТС основной ТС является обратная с полным рециклом, которая охватывает последовательные и перекрестные технологический связи.

По особенностям структуры технологических потоков в ХТС различают разомкнутые (открытые) и замкнутые системы.

Технологическая структура разомкнутых ХТС обеспечивает прохождение технологическими потоками любого элемента лишь один раз. Она образовывается в случае применения отдельной ТС или объединение многих ТС (последовательной, параллельной или последовательно-обводной). Если технологическая структура системы содержит хотя бы одну обратную ТС, то она принадлежит к замкнутым ХТС.

2. СИНТЕЗ ХТС