Анализ ТС

Анализ ТС заключается в получении сведений о состоянии ТС, показателях эффективности ее функционирования, а также о влиянии на эти данные технологической схемы, структуры связей, свойств и состояния элементов и подсистем, условий эксплуатации. Фактический анализ ТС – получение показателей производства и технологического процесса, о которых уже говорилось. Анализ ТС осуществляется при разработке и проектировании нового производства, при эксплуатации действующего производства, для сравнения различных вариантов реализации процесса, при модернизации и реконструкции производства.

Первым шагом в анализе ТС является определение ее состояния, т.е. расчет ТС – определение параметров потоков в ТС заданной структуры и заданного состояния ее элементов.

Очевидно, что при любых изменениях состояния потоков в элементе ТС, ее подсистеме или ТС в целом должны соблюдаться законы сохранения массы и энергии.

Пусть имеется ТС, состоящая из теплообменника, реактора и системы разделения.

В ней пунктирными линиями окружены как оболочкой один элемент – реактор (I), подсистема – реактор с теплообменником (II) и вся ТС (III). В каждую из этих “оболочек” какие-то потоки входят и какие-то выходят. Внутри каждой оболочки происходят изменения входящих потоков в выходящие. Фактически каждая из “оболочек” есть подсистема ТС по масштабному признаку.

В соответствии с законом сохранения массы и энергии для каждой подсистемы должны соблюдаться следующие соотношения:

для всех потоков:

Здесь Мj.вх, Мj.вых - массы j-го входящего в “оболочку” и входящего из нее потоков;

для каждого i-го компонента:

Здесь Мij.вх, Мij.вых - массы i-го компонента в j-ом входящем и выходящем потоках; Мi к,ист. - масса i-го вещества, образовавшегося в результате в основном химических превращений в к - том источнике внутри “оболочки”, для образующихся веществ Мi к,ист. >0, для исчезающих

Мi к,ист. <0; для не реагирующих Мi к,ист. =0.

для тепловой энергии:

Здесь Qj,вх, Qj,вых - теплоты j-ых входящего и входящего потоков; Qк,ист – теплоты, выделившиеся внутри “оболочки” в к – том источнике, которыми могут быть химические реакции, фазовые превращения, расширение или сжатие. Qк,ист может быть >0, или <0.

Приведенные уравнения есть балансы массы и теплоты для каждой “оболочки” (подсистемы), поэтому расчеты ТС называют балансовыми расчетами или просто балансами, различая материальный баланс и тепловой баланс.

В результате расчета ТС должны соблюдаться соответствующие балансы для каждой подсистемы независимо от того, как протекают превращения потоков внутри этих подсистем.

В системах без химических и фазовых превращений (теплообменник, насос, дробилка) ни величина потока, ни количество компонентов в потоке не меняются

Мвх = Мвых; Мi вх = Мi вых.

При рассмотрении только материального баланса такие элементы можно не включать в ТС.

Смеситель объединяет два или несколько потоков:

М1вх + М2вх = Мвых

Мi 1вх + Мi 2вх = Мj вых

Здесь индексы 1 и 2 относятся к двум входным потокам, индекс i – к i – тому компоненту потока.

Делитель простой разделяет поток на два. Полагаем, что один из входящих из делителя потоков составляет долю входного потока, тогда

Соответственно разделяется по потокам все компоненты

В реакционном элементе (подсистеме) протекает химическое превращение. Изменение химического состава реагирующей смеси описывается стехиометрическими уравнениями.

Стехиометрические законы.

При составлении материального баланса обычно задаются степени превращения исходных веществ в стехиометрических уравнениях как результат химического превращения в реакционном элементе. Этим определяются количество выходящих из элемента всех компонентов и далее можно определить другие показатели процесса (расходные коэффициенты, выход продукта) и параметры потока (его количество, концентрации).

В относительно простых процессах материальный баланс можно посчитать по коэффициентам стехиометрического уравнения. Стехиометрические коэффициенты показывают количество компонентов, вступающих в химическое взаимодействие. В обычных уравнениях эти количества измеряют в долях. Но можно стехиометрические коэффициенты выразить в массовых величинах, умножив “мольные” коэффициенты на молярную массу.

Например, при “мольном” выражении стехиометрических коэффициентов окисление диоксида серы выглядит так:

2 SO2 + O2 = 2 SO3.

Молярные массы SO2 - 64; O2 – 32; SO3 – 80; и это же уравнение с “массовыми” стехиометрическими коэффициентами будет выглядит так:

128 SO2 + 32 O2 = 160 SO3.

В такой записи очевиден материальный баланс: суммарная масса исходных веществ равна массе продукта.

В элементах с фазовыми превращениями (конденсатор, испаритель) материальные балансы рассчитываются с использованием соответствующих законов (закон Рауля для парциального давления).

Экологическая стратегия и политика развития производства.

В процессе взаимодействия производства и окружающей среды осуществляется обмен веществ между производственной и природными средами. Он называется антропогенным метаболизмом. Антропогенный метаболизм складывается из двух составляющих: суммы индивидуальных обменов веществ всех людей на Земле (биологическая часть) и суммы технологических обменов веществ от технологических процессов (технологическая часть). Последняя трактуется как обмен веществ и энергии между техносферой и биосферой.

Технологический обмен – явление на Земле принципиально новое и поэтому порождает немало проблем и противоречий в системе общество-природа.

Любой технологический процесс начинается вводом исходных веществ (сырья), затем происходит их энергии и завершается выводом различных готовых изделий и отходов.

Процесс этот, как правило, носит линейный, незамкнутый характер (или конечный характер).

Обмен веществ в биосфере основан на других принципах. Суммарный процесс движения веществ в биосфере носит замкнутый, цикличный характер, т.е. теоретически бесконечный при постоянном потоке энергии от Солнца.

Современный объем и скорости антропогенного обмена, особенно в его технологической части, достигли уровня, при котором все отчетливее проявляется напряженность и на вводе (сырьевые ресурсы), и на выводе из системы (отходы).

В результате в настоящее время со всей очевидностью выявилось четыре острейшие проблемы глобального характера: 1) охрана окружающей среды от загрязнения; 2) обеспечение растущего населения продуктами питания; 3) обеспечение промышленности минеральным сырьем; и 4) проблемы энергетики.

Масштабы воздействия на окружающую среду огромны. Интенсивному воздействию подвергается все компоненты окружающей среды, из которых наиболее важны для человека атмосферный воздух, пресная вода и почва.

Перечисленные проблемы обуславливают основные принципы или концепции развития экологии чистого производства.

1. Концепция полного использования сырьевых ресурсов.

В большинстве производств затраты на сырье составляют значительную часть

себестоимости продукции. Концепция полного использования сырьевых ресурсов направлена на максимальный выход целевого продукта, максимальное превращение сырья в используемые, полезные продукты.

Некоторые методы достижения этой цели:

- выбор схемы процесса;

- избыток одного реагентов (более дешевого и доступного), а также возможность вернуть его в процесс. Это увеличивает максимальное, равновесное превращение другого (дорогого) компонента;

- противоточный контакт фаз – обеспечивает максимальную силу процесса;

- фракционный рецикл используют при наполнении исходных реагентов; в системе разделения после реактора выделяют не прореагировавшие реагенты и возвращают на переработку.

- регенерация с рециклом: вспомогательный материал после использования регенерируют и возвращают в процесс;

- утилизация отходов позволяет получить дополнительные полезные продукты из побочных продуктов реакции, образующихся вместе с целевым продуктом;

- использование альтернативного сырья.

2. Комбинирование технологических процессов и комплексное использование сырья.

Комбинированное производство, или комбинированная ТС, представляет собой комплекс взаимосвязанных технологических процессов для получения двух и более продуктов.

Наиболее высоким уровнем комбинирования производств является замкнутое производство. В него поступает сырье и выходят только полезные, потребляемые продукты и полупродукты для других производств. Вспомогательные материалы, имеющиеся отходы технологического процесса полностью используются в замкнутых циклах. Однако реализация замкнутого производства затруднено из-за многокомпонентности сырья. Например, в полиметаллических рудах содержится более 50 ценных элементов (олово, медь, кобальт, вольфрам, молибден, серебро, золото, платина). Часто сопутствующие элементы обладают большей ценностью, чем основные, ради которых организовано производство.

Комбинированное производство в рамках одной отрасли не решает до конца проблемы использования всего вещественного потенциала сырья. Полное использование вещественного потенциала сырья возможно при комплексной переработке сырьевых ресурсов, обеспечиваемой многими отраслями промышленности.

Примером комплексного использования большинства составляющих компонентов минерального сырья является переработка нефелиновых руд Кольского полуострова. Оно предусматривает получение апатитового, нефелинового, титаномагниевого и сфенового концентратов и их последующую переработку в фосфорные и бесхлорные калийные удобрения, глинозем, кальцинированную соду, извлечение диоксида титана и соединений редких металлов, портландцемент

3. Концентрация полного использования энергетических ресурсов, направлена на минимизацию энергетических (тепловых) затрат, на полное использование их в процессе.

Методы достижения этой цели:

- регенерация тепла (входящий поток нагревают теплом выходящего)

- утилизация тепла – использование энергии выходящих потоков для непроизводственных целей.

- использование альтернативных источников энергии

- изменение схемы получения продукта – переход к процессу с меньшим числом стадий.

4. Концентрация минимизации отходов.

Реализация этой концентрации в первую очередь связана с улучшением использования сырьевых и энергетических ресурсов (т.е. связана с 1 и 3 пунктами0, а также включает в себя следующие специальные мероприятия:

- санитарная очистка и обезвреживание выбросов

- уменьшение или замена вспомогательных потоков (например, замена водяных холодильников на воздушные)

- замкнутый водооборот (исключаются отходы загрязненной воды). Хотя водооборот- один из примеров регенерации вспомогательного материала с рециклом, он выделен в отдельное мероприятие из-за большой ценности воды для жизнеобеспечения.

- повышение надежности оборудования, позволяющее уменьшить или исключить потери в виде утечек и выбросов.

Вообще говоря кардинальным методом претворения в жизнь концепция минимизации отходов было бы создание безотходного производства (термин широко применяется). Но «безотходное производство» не есть «производство без отходов», т.к. это противоречит второму закону термодинамики: в необратимых процессах всегда имеет место диссипация энергии, да и другие потери практически неизбежны.

Понятие «безотходное производство» связано с понятием экологической безопасности, т.е. безвредности производства для окружающей среды.

Надо иметь в виду, что производство воздействует на окружающею среду, не только выбросами, но и самим присутствием: отчуждение территории для строительства (уже этим нарушается состояние экосферы в регионе); инфраструктура (жилые комплексы, дороги). И если эти возмущения малы, т.е. не имеют заметного распространения за пределы территории и не влекут за собой долговременные жизненно важных последствий, то такое производство можно считать безотходным или малоотходным (граница условна).

5. Концентрация эффективного использования оборудования направлена на минимизацию количественных затрат на технологическое оборудование путем создания условий протекания в нем процессов с максимально возможной интенсивностью.

- выбор процесса;

- оптимизация процесса;

- организация процесса;

- конструктивные решения аппаратов;

- совмещение процессов.

Поиск по сайту: