3.3 Основные параметры химико-технологических процессов
Процессы переработки веществ состоят в среднем из 5 – 25 этапов. Прямую связь между характерными погрешностями изготовления на отдельных этапах процесса переработки входного сырья в конечную продукцию и качеством этой продукции нельзя представить однозначно ввиду множества видов переработки (иногда свыше 50) и её этапов, а также многообразия получаемой продукции (свыше 25000 наименований). Например, волокно типа «дедерон» получают из нефти, и при этом проводят переработку в несколько этапов: дистиллирование (неочищенный бензин) → очистка → рафинирование (бензол, фенол) → гидратация (циклогексанол) → оксидирование (циклогексанон) → дистиллирование (циклогексаноноксим) → получение капролактама → дистиллирование → охлаждение (очищенный капролактам) → полимеризация (полиамид) → разрезание → прядение из расплава.
Каждый производственный процесс характеризуется целым рядом параметров. Эти параметры должны изменяться только в заданных пределах для поддержания технологического процесса в определенном рабочем режиме и обеспечения соответствующего качества продукции. Параметры технологического процесса, полуфабрикатов и готовой продукции должны быть измерены.
Набор измеряемых параметров, включенных в технологические измерения, зависит от отрасли промышленности и характера технологического процесса. Все производства делятся на 2 группы: 1) производства с непрерывным характером технологических процессов (ХТП) – нефтеперерабатывающая, нефтехимическая, газоперерабатывающая. 2) производства с дискретным (штучным) характером технологического процесса – машино- и приборостроение, пищевая. В производствах с непрерывными ХТП исходное сырье непрерывно превращается в аппаратах, соединенных технологическими линиями, при этом изменяются физико-химические свойства состава или физико-химические свойства состояния исходных веществ, следовательно, получаются готовые продукты заданной номенклатуры и качества.
Измерение температуры, давления, расхода и уровня – это теплофизические и механические измерения. Измерения химического состава и физико-химических свойств – это физико-химические измерения. Электрические величины относятся к электрическим измерениям.
На производствах 1-го типа измерение давления, температуры, уровня, расхода и количества вещества составляет порядка 86% от всех измерений, 14% измерений – это измерение химического состава, физико-химических свойств, электрические измерения. На производствах 2-го типа эти соотношения составляют соответственно 75% и 25%.
Получение и обработка измерительной информации предназначены не только для оценки критических параметров производственных процессов и параметров продукции, но и для аварийной сигнализации, организации производства, учета и составления балансов количества вещества и энергии.
3.4. Краткая характеристика методов измерения параметров химико-технологических процессов
А) Методы измерения температуры
Температура – основной параметр хаотического теплового движения. Температура как пассивная величина измеряется косвенно по значению другой физической величины, зависящей от температуры. Измеряют а) значение какой-либо физической величины как функции температуры непосредственно самого тела или среды; б) значение физической величины как функции температуры вспомогательного тела, приведенного в состояние теплового равновесия с телом или средой, температура которых изменяется. Вспомогательное тело является датчиком прибора и называется термометрическим зондом или термоприемником. (Реперные точки – абсолютный ноль и тройная точка воды 273,16 К).
Методы измерения температуры подразделяют на зондовые (контактные и бесконтактные) и беззондовые.
В качестве температурозависимых величин в приборах для измерения температуры используются:
объем жидкости – жидкостной термометр расширения;
вязкость – вискозиметрический термометр (1…1500 К);
изгиб термобиметаллической пружины – термометр биметаллический;
термоэлектродвижущая сила термопары – термоэлектрический термометр;
индуктивность катушки, в которую помещена парамагнитная соль, до 4 К;
вольтамперная характеристика полупроводникового диода или транзистора;
ослабление высокочастотного излучения;
частота тока RC-генератора через измерение сопротивления R или LC-генератора через измерение ёмкости как функций температуры;
скорость распространения звука в газе – акустический термометр;
скорость истечения газа из отверстия;
интенсивность потока термоядерных нейтронов – нейтронный термометр, до 10 К;
ток ионизации в газе при его облучении;
показатель преломления в газе – интерференционный термометр;
изменение цвета краски;
суммарная энергетическая яркость;
интенсивность фосфоресценции предварительно возбужденного фосфора;
длина волны, соответствующая максимальной спектральной плотности энергетической яркости излучений – пирометр (до 10 7 К)..
Б) Методы измерения параметров движения жидких и газообразных веществ
Измерение параметров движения жидких и газообразных веществ широко применяется в нефтедобывающих, газодобывающих и транспортирующих системах; при контроле нефтепереработки; в контроле химических, теплотехнических, технологических процессов; в пищевой промышленности и во многих других областях народного хозяйства.
Основным параметром движения потока жидких и газообразных веществ является расход вещества. Расход вещества Qm определяется как количество вещества, протекающее через сечение определенного размера в единицу времени:
массовый расход – 
[кг/с]; объемный расход – 
[м 3 /с]. Может быть определен полный расход как общее количество протекающего вещества за время Т – 
Приборы для измерения расхода называются расходомерами. Измерение расхода производят в широком диапазоне. Диапазоны измерения расхода жидкостей подразделяются на 3 поддиапазона: малые расходы – (0…15∙10 -4 ) м 3 /с; средние – (15∙10 -4 …0.5) м 3 /с; большие расходы – от 0.5 м 3 /с и выше. Обычно измеряются средние значения расхода и скорости потока.
Расход относится к величинам, не поддающимся прямым измерениям с помощью электрических методов. Большинство методов измерения расхода основано на измерении каких-либо параметров потока вещества (развиваемое усилие, перепад давлений, скорость потока, частота завихрений и др.), которые несут информацию о расходе. Наиболее распространенные электрические методы измерения расхода можно разделить на кинематические и на гидродинамические.
Кинематические (скоростные) методы основаны на измерении скорости потока, которая прямо пропорциональна объемному расходу (измеряют вектор скорости и его составляющие). Переход от измерения скорости к расходу легко осуществляется, если известна площадь сечения потока. Кинематические методы относятся к неконтактным методам, для них характерно малое или незначительное взаимодействие средства измерения и потока.
Кинематические методы подразделяются на метод потока, ультразвуковой, индукционный, тепловой, корреляционный, интерферометрический, основанные на эффекте Допплера, и на эффекте Мессбауэра.
Гидродинамические (силовые) методы основаны на использовании явлений, возникающих при силовом взаимодействии потока жидкости или газа с помещенным в него телом. Это возникновение тормозящих или ускоряющих сил, местный перепад давления, образование вихрей, гидродинамических колебаний.
Гидродинамические методы являются контактными, со свойственными им погрешностями из-за энергетического взаимодействия потока и средства измерений. Гидродинамические методы подразделяют на статические, при которых поток взаимодействует с неподвижным телом, и на динамические, когда используется подвижное тело, совершающее поступательное, колебательное или вращательное движение. К статическим методам относятся метод переменного перепада давлений, вихревой, генераторный и др. К динамическим – метод постоянного перепада давлений, вибрационный и др.
Погрешности измерения расхода в производственных условиях составляют более 1%. В ряде отраслей требуется измерять расход с погрешностью 0,2 – 0,5 %.
В химической промышленности для контроля расхода агрессивных кислот применяют индукционные расходомеры. Они также используется для контроля процессов обогащения (измерения расхода пульпы – смеси руда/вода; уголь/вода; песок/вода), расхода сточных вод. При движении электропроводящей жидкости по трубопроводу, расположенному в переменном магнитном поле, между электродами, которые установлены в стенках трубопровода перпендикулярно направлению электромагнитного поля, возникает разность потенциалов, согласно закону электромагнитной индукции пропорциональная индукции магнитного поля и объемному расходу.
Измерение расхода составляет 15 – 20 % всех производимых измерений, а число эксплуатируемых расходомеров составляет несколько млн штук.
Приборы для измерения скорости потока называются анемометрами.
В) Измерение давления, разности давлений и вакуума
Единицы измерения давления:
Способы измерения давления подразделяют на прямые и косвенные. В прямых методах измеряют давление согласно определению /приложенная сила на единицу площади/: 
.
Средства измерений прямых измерений – манометр. Используют поршневые, грузопоршневые и жидкостные манометры. Показания определяются путем измерения линейного размера и массы, поэтому не требуется градуировка по эталонным измерителям давления.
В косвенных методах: измеряют пластические деформации чувствительных элементов, а также электрические, оптические, химические явления, возникающие при определенных давлениях. В свою очередь, измерение давления может быть применено для косвенного определения других физических величин, например, уровня, расхода, плотности, температуры, количества вещества.
Диапазон давлений, который приходится измерять на практике, чрезвычайно широк – Рмакс/Рмин = 10 20 , поэтому средства измерений отличаются принципом действия и конструкцией.
Все манометры подразделяются по типу чувствительного элемента на: жидкостные (1…10 9 Па); пружинные (50…5×10 7 Па); манометры с электрическим датчиком (0…5×10 8 Па); ионизационные, (10 -10 …5×10 -4 Па), радиоактивные, (10 -10 …5×10 -4 Па), магниторазрядные (10 -10 …5×10 -4 Па), вискозиметрические, термомолекулярные, радиометрические (10 -10 …10 Па).
Приборы для измерения давления разреженных газов называют вакуумметрами. Подразделяют на:
компрессионные, основаны на использовании закона Бойля-Мариотта;
радиометрические (10…10 -5 Па), основаны на измерении приращения кинетической энергии молекул газа при молекулярном нагревании радиоактивным излучением;
термомолекулярные (10 -2 …10 -3 Па), основаны на соотношении между давлением газа Р1, Р2 и Р в сообщающихся камерах при температурах Т1 , Т2 и Т;
ионизационные (10 -1 …10 -8 Па);
радиоактивные (10 -5 …10 -2 Па);
В химической промышленности используются, в основном, пружинные манометры с мембраной. Все детали манометра изготовлены из хром-никелевой стали. Принцип действия основан на измерении деформации гофрированной мембраны, односторонне нагруженной контролируемым давлением 0,6 – 25 атм.
Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.
Источник
5. Уровни анализа, описания и расчета хтп.
Анализ и описание ХТП проводят послед-но с учетом уровня протекания пр-са. Всего сущ-ет 6 уровней протекания пр-са.
Протекание ХТП на этих уровнях описывается законами кинетики химической реакции. При описании, анализе и расчете протекания реакции, как элемента ХТП используют известные кинетические закономерности без раскрытия механизма реакции.
1. Молекулярный уровень.
На этом уровне описание ХТП происходит как молекулярное взаимодействие реагирующих в-в. Протекание ХТП опис-ся закономерностями кинетики в хим. р-ции.
При описании, анализе и расчете протекания хим. р-ции как элемента ХТП исп-ют известные кинетические закономерности без раскрытия мех-ма р-ции. Поэтому, говорят, что описание пр-са на этом уровне проводят на языке формальной кинетики. Сущ-ет еще теоретическая кинетика, главная задача к-рой изучение зав-ти протекания ХТП в зав-ти от строения исх в-в. Формальная кинетика изучает скорость р-ции, выход продукта, степень превращения и т.д. В простейшем случае эти закономерности м. изучать для описания гомогенных пр-сов.
2. Уровень малого объема.
Опис-ся протекание гетерогенных пр-сов для малого объема взаимодействующих фаз. Напр., для частицы тв материала, реагирующего с газом или ж-ю; для зерна кат-ра; пузырька газа, поднимающегося в ж-ти; для капли ж-ти, омываемой газом и др.
Необходимость рассмотрения пр-сов на этом уровне связана с тем, что для анализа и расчета гетерогенных пр-сов знания закономерностей протекания только хим. р-ций в большинстве случаев недостаточно. Эти закономерности необходимо дополнить закономерностями протекания физ. пр-сов переноса массы и теплоты.
Совместное протекание хим. р-ции пр-сов переноса теплоты и массы опис-ся уже закономерностями макрокинетики.
3. Уровень потока.
На этом уровне рассм-ся протекание пр-са на совокупности тв частиц, капель ж-ти, зерен кат-ра и др. разновидностей малого объема, находящихся в потоке реагирующих в-в. Учитываются эффекты, связанные с хар-ром движения потоков, с изм-ем тем-ры и конц-ции в различных участках реакционного объема. Для гетерогенных пр-сов закономерности их протекания в малом объеме дополняются закономерностями изм-ия конц-ции и тем-ры по длине реакционной зоны (lр.з.), ч/з к-рую проходит поток.
4. Уровень реактора.
На этом уровне учитываются конструктивные особенности реакционных зон, их число, взаимное расположение, соотношение технологических показателей пр-са при прохождении потока из одной реакционной зоны в др.
Здесь учитываются взаимные связи м/д реакторами, теплообменниками, смесителями и др. аппаратами и трубопроводами, используемыми для переработки сырья в конечные (целевые) продукты.
6. Уровень предприятия, отрасли или министерства.
В ОХТ это не рассм-ся.
6. Основные показатели хтп: степень превращения, выход продукта
1. Степень превращения – доля одного из реагентов, вступающего в р-цию от нач кол-ва этого реагента.
где mА, mВ, nА, nB, vА, vB – это масса, число молей и объем реагентов А и В в конце пр-са; а с “0” – в начале пр-са.
Если реагенты А и В взяты в стехиометрическом соотношении, то 
.
Степень превращения реагента, взятого с избытком от стехиометрического соотношения, всегда ниже, чем поступающего в недостатке.
Если αВ – коэф-т избытка в-ва В по отношению к стехиом., то
Если р-ция протекает без изм-ия объема (изохорическая), то конц-ции реагентов А и В равны
[об.%]
Из этих ф-л вытекает расчетная ф-ла:
От протекания р-ции с изм-ем объема хi рассчитывают по ф-ле:
где εА – относит. изм-ие объема реакционной смеси при полном превращении реагента А, т.е.
где . – это объем реакционной смеси в конце и начале пр-са.
В общем виде значение 
для р-ции 
равно
где β – доля всей стехиом. смеси в начальный момент времени.
Для пр-сов межфазной массопередачи (испарение, конденсация, абсорбция, десорбция и др.) степень превращения наз-ся степенью межфазного перехода (степень абсорбции и т.д.)
2. Выход продукта – отношение практически полученного продукта к его максимальному, рассчитанному по стехиом. ур-ию р-ции при степени превращения реагентов =1
Обычно, mmax рассчитывают по исх в-ву, находящемуся в недостатке, но иногда для оценки эф-ти исп-ия исх в-ва, взятого с избытком, mmax опр-ют по кол-ву этого в-ва.
В-во В в избытке, то численное значение фактического выхода продукта D по в-ву А (ФD(А)) будет выше, чем по в-ву В, но при этом
Максим-ый выход продукта j по i 
Фmax j(i) при протекании простых необр-ых р-ций в общем случае равен:
Для простых необр-ых р-ций фактический выход продукта по к-либо исходному в-ву численно равен степени превращения этого в-ва, т.е.
Для обр-ых р-ций исходные в-ва превращаются в продукты не полностью, и если в ф-ле (2.7) вместо mф подставить mр, то получим равновесный выход:
Степень превращения, достигаемая при равновесии, наз-ся равновесной степенью превращения (хр, х * ).
Для хар-ки степени превращения обратимого пр-са к равновесию на практике исп-ют, так называемый “выход от теоретического” или “выход от равновесного”, к-рый равен отношению фактически получаемого продукта (mф) к кол-ву его, к-рое получилось бы, если пр-с пришел в состояние равновесия (mр)
Выход продукта во многом опр-ся степенью совершенства ХТП, затраты сырья на ед. продукции и экономические показатели производства.
Источник
