Значения коэффициентов эффективности использования сырья для ряда процессов разделения химической технологии

Процесс	Значение коэффициента	Примечание
Отстаивание (гравитационное)	0,95 – 0,98
Отстаивание (центробежное)	0,980 – 098	Обеспечивает высокую скорость процесса
Фильтрование
Фильтрование (центробежное)		Обеспечивает высокую скорость процесса
Сушка	0,9 – 0,99
Ректификация, перегонка	0,85 – 0,95	В зависимости от условий разделения
Абсорбция	0,85 - 0,95	В зависимости от условий разделения
Размол, дробление классификация	0,99
Упаковка, фасовка	0,995

Производительность по продукту, сырьё (ассортимент) и параметры (давление, концентрация и др.)- основные величины технологического процесса- обычно полагаются известными. В технологической схеме преобладает последовательная передача перерабатываемых веществ с одной стадии на другую. Поэтому при оценке затрат материальных ресурсов ограничимся рассмотрением последовательной неразветвленной цепи. Это несколько упрощает расчет, не изменяя методологии процедуры. Определение количества необходимого сырья можно вести, начиная с хвоста технологической цепочки. Каждый процесс и оборудование, используемое для осуществления процесса, характеризуется определенным коэффициентом использования перерабатываемых веществ . Производительность всей технологической цепочки по целевому продукту равна . На стадиях подготовки и выделения используются физические процессы, и поэтому расчет можно вести в массовых единицах. В этом случае на входе на стадию выделения целевого продукта из реактора должно поступать следующее его количество:

(3)

Определим количество реагента, которое надо подавать в химический реактор. В химическом процессе происходит образование новых веществ. Молекулярная масса их разная, и поэтому расчет ведется в мольных количествах. Для определения количества реагента, подаваемого в реактор, используется стехиометрическое уравнение химической реакции. В реакторе осуществляется химическая реакция:

(4)

Из уравнения химической реакции следует, что для получения моля продукта необходимо затратить молей реагента .

Ни одна химическая реакция не идет до конца. Химическая реакция характеризуется интегральными показателями степенью превращения, селективностью, выходом продукта. Выход образовавшегося продукта (его выход) связан со степенью превращения и селективностью процесса соотношением:

(5)

В этом случае количество сырья, подаваемого на вход реактора, будет равно:

(6)

На входе в технологическую цепочку должно поступать следующее количество реагента:

(7)

На вход технологической цепочки возвращается следующее количество регенерированного из отходов стадии выделения, не прореагировавшего реагента:

(8)

На участке подготовки сырья в отходы может попасть следующее количество сырья:

(9)

Из отходов стадии подготовки возвращается на использование следующее количество реагента (сырья):

(10)

Количество свежего реагента, поступающего на вход технологической цепочки:

(11)

Удельный расход реагента на единицу массы произведенного продукта:

(12)

Аналогично можно рассчитать расход других реагентов, подаваемых в технологическую линию.

Кроме реагентов, принимающих участие в химическом превращении, в технологическую линию подаются различные вещества, не принимающие участие в химическом превращении, но обязательные для нормального ведения технологических процессов. Например, растворители, разбавители и т.д.

Расход инертных веществ может быть рассчитан аналогичным образом, с учетом того, что эти вещества не принимают участия в химическом превращении и могут поступать в технологическую линию не с первой стадии и выводиться из технологической линии не с последней стадии.

Количество подаваемого в технологическую цепочку инертного вещества будет равно:

Расходная норма по инертам:

. (13)

Сомножитель характеризует теоретический расход реагентов, при степени превращения и селективности в реакции, равным единице. Вторая часть уравнения характеризует химическую реакцию с точки зрения получения продукта и технологическую линию с точки зрения совершенства использованных процессов и оборудования для их реализации.

Предложенная процедура определения затрат материальных ресурсов не отражает все возможные варианты исполнения технологической схемы, но позволяет продемонстрировать методику расчета потребного количества материальных ресурсов и сформулировать основные требования к оформлению технологической схемы.

Необходимо использовать технологические схемы с малым количеством процессов разделения и по возможности короткую. Химическая реакция должна обладать высокой селективностью и проходить до глубоких степеней превращения; используемые процессы и оборудование для их реализации должны обладать высоким коэффициентом использования сырья.

Расчет потребного количества энергоресурсов.

Любое химическое производство состоит из основной технологической цепи (основного производства), в которой осуществляется получение продукта, и вспомогательных служб, деятельность которых обеспечивает функционирование основного производства. Остановимся на определении энергетических затрат на основное производство. Основные виды энергии, которые потребляет современное химическое предприятие:

1) электрическая,

2) механическая (чаще всего получается за счет преобразования электрической энергии),

3) тепловая (в том числе и получение холода, используемого для охлаждения технологического оборудования и создания искусственного климата в производственных помещениях).

Поэтому в качестве основных видов энергии можно рассматривать электрическую и тепловую. Эти виды энергии предприятие получает либо от расположенной поблизости тепловой электрической станции (ТЭЦ), либо от ТЭЦ, имеющейся в структуре самого химического предприятия. Источником тепловой энергии, при нагреве перерабатываемых веществ до высоких температур, может служить топливо.

Все виды энергии, которые используются человеком, можно разделить на две группы: упорядоченная (электрическая и механическая); хаотичная, неупорядоченная (тепловая).

Упорядоченная энергия может трансформироваться в другие виды энергии и передаваться при любых внешних условиях. Потенциал этой энергии всегда остается высоким. Хаотичная энергия может передаваться от тела к телу при определенных внешних условиях. Для произвольной передачи тепла обязано соблюдаться условие неравенства температур тела, отдающего тепло и тела тепло воспринимающего.

Основой расчета являются уравнения теплового баланса по каждой стадии технологической схемы. Наиболее часто реализуемыми тепловыми операциями являются операции нагревания (охлаждения), плавления (кристаллизации), испарения (конденсации). Поэтому необходимо напомнить процедуру определения количества тепла, необходимого для осуществления таких операций. Расчетные уравнения приведены в таблице 2. Уравнения записаны без учета потерь энергии через внешнюю поверхность оборудования. В таблице приведены уравнения, по которым определяется количество энергии (для периодического процесса) и величина теплового потока (для непрерывного процесса) перерабатываемых веществ.

Таблица 2

Расчетные уравнения для определения затрат тепловой энергии

Наименование	Непрерывный процесс	Периодический процесс
операции	Тепловой поток, Вт	Количество теплоты, Дж
Нагревание (охлаждение)
Плавление (затвердевание)
Испарение (кондесация)

 

Приведенные выше уравнения позволяют определить минимально необходимое количество тепловой энергии, требуемого для реализации технологии. По этим уравнениям рассчитывают количество энергии, которое необходимо передать перерабатываемым веществам или отвести от них, при выполнении соответствующей тепловой операции.

Тепловые потери, которые сопровождают любой процесс передачи тепла, обычно регламентируются в пределах 3 – 5% от полезного количества тепла, необходимого для реализации процесса.

Электрическая энергия используется для технологических целей (нагрев до высоких температур); для привода различных машин, используемых для перемещения сред по магистралям и через оборудование, создание вакуума, перемешивание и для привода различных технологических машин (центрифуги, валковые и червячные машины др.), освещение производственных помещений.

Затраты электрической энергии на перемещение сред по технологической линии равны (трубопроводный транспорт и движение через технологическое оборудование):

(14)

Сопротивление сети, по которой перемещается перерабатываемая среда, определяется по законам гидравлики, для конкретной геометрии системы.

Затраты электрической энергии на перемешивание сред:

(15)

Затраты на привод различного оборудования определяются по уравнениям, приведенным в литературе, по расчету технологического оборудования химических производств или в каталогах фирм-производителей соответствующего оборудования, где указывается мощность электродвигателей машин и оборудования.

Суммарные затраты энергии по отдельным ее видам определяются как сумма составляющих.

Причины потерь материальных и энергетических ресурсов.

Правила эксплуатации оборудования (по пожаро– и взрывоопасности и токсичности) не допускают возможностей утечки материальных потоков в окружающее пространство в условиях штатного функционирования. С этой точки зрения оборудование можно считать системами закрытыми. С термодинамической точки зрения технологическое оборудование не является закрытой системой. В любом оборудовании осуществляется обмен тепловыми потоками с окружающей средой. Этот обмен приводит к значительному рассеянию тепловой энергии в окружающую среду.

Передача тепловой энергии возможна при наличии разности температур между телом, тепло отдающим, и телом, воспринимающим тепло. Это означает, что тело, воспринимающее тепло, не может быть нагрето до начальной температуры тела, отдающего тепло. Передача тепла всегда сопровождается снижением температуры теплоносителя. В технологическом оборудовании происходит образование вторичных тепловых потоков с температурным потенциалом ниже, чему первичных.

В оборудовании разделения происходит образование двух материальных и тепловых потоков. Один из этих тепловых потоков содержит целевой компонент и поступает на переработку в следующее по технологической схеме оборудование. Второй поток, содержащий незначительное количество целевого компонента и тепловой энергии, в большинстве случаев попадает в отходы. В редких случаях осуществляется процедура извлечения остатков целевого вещества из этого потока, и практически никогда не используется тепловая энергия, содержащаяся в этом потоке. В процессах разделения неизбежно попадание части целевого вещества в поток, который далее попадает в отходы, и в редких случаях- в схему рекуперации. Схемы рекуперации, как правило, содержат в своем составе целый ряд процессов разделения. Поэтому любая схема регенерации не позволяет извлечь целевое вещество полностью. Таким образом, за счет этой причины неизбежны потери перерабатываемых веществ.

Потери материальных и энергетических ресурсов связаны, в значительной степени, с несовершенством используемых в промышленной практике процессов и оборудования. Скорость процессов зависит от величины движущей силы (разности температур или концентрации вещества, концентрации вещества и т.д.). По мере завершения процесса движущая сила его уменьшается, и скорость процесса снижается. В этих условиях эффективность использования оборудования падает. Целесообразность осуществления процессов с экономической точки зрения становится нежелательной. Поэтому ни один из промышленных процессов не проводят до падения движущей силы до нуля. Как следствие, это приводит к неполному использованию сырья.

В таблице 3 приведены основные причины, приводящие к потерям тепловых и материальных ресурсов.

 

Таблица 3