Классификация технологических схем

Технологические схемы можно классифицировать по различным признакам.

По организационной структуре различают схемы непрерывные, периодические и комбинированные.

В непрерывных схемах все технологические операции протекают одновременно, каждая в своем аппарате (операции совмещены во времени, но разобщены в пространстве). Такие установки отличаются высокой производительностью, стационарностью процесса и возможностью создания оптимальных условий в каждом аппарате, что обеспечивает высокое качество продукта. Непрерывные схемы легко механизировать и автоматизировать; в этих схемах возможна эффективная рекуперация энергии. Недостатками непрерывных схем является высокая стоимость и малая экономическая гибкость, связанная со сложностью пуска и остановки установок непрерывного действия. Непрерывные схемы используются в случае многотоннажных производств при высокой скорости химической реакции.

В периодических схемах все технологические операции химической стадии протекают в одном аппарате (они совмещены в пространстве, но разобщены во времени). Так как режим работы периодического реактора нестационарный, качество продукции изменяется от партии к партии. Периодические схемы отличаются низкой производительностью; в таких производствах с трудом решаются проблемы автоматизации, безопасности, экологии, энерго- и ресурсосбережения. Преимуществами периодических схем является низкая стоимость и высокая экономическая гибкость. Эти схемы используются в случае необходимости производства широкого ассортимента продуктов в небольшом количестве на одном оборудовании, при низких скорости и селективности химической реакции или в случае, когда технологический процесс мало изучен.

Комбинированные технологические схемы (полупериодические, полунепрерывные) обладают признаками двух описанных выше схем.

По способу движения потоков сырья различают однократные (прямые, с открытой цепью) и циркуляционные схемы.

Однократные схемы используют для процессов с высокой конверсией реагентов. Рецикл (циркуляционные схемы) применяют при низкой степени превращения реагентов или при использовании избытка одного из реагентов. Различают суммарную (общую) и фракционированную рециркуляцию. При суммарной рециркуляции реакционная смесь после выхода из реактора разделяют на два потока, из которых один возвращается снова в реактор, а второй направляют на установку разделения. Суммарную рециркуляцию используют для торможения быстрых экзотермических реакций, если продукты не влияют на ход химического превращения. При фракционной рециркуляции из реакционной смеси отделяют продукты, а непревращенные реагенты возвращают в реактор. Большая часть промышленных процессов оформлена по схеме с фракционной рециркуляцией.

Достоинствами циркуляционных схем является более полное использование сырья, возможность поддержания оптимального температурного и концентрационного режима с помощью рецикла. Недостатки – высокий расход энергии, повышение стоимости установки. Рецикл является единственно возможным технологическим решением при проведении реакций с неблагоприятным положением равновесия.

По числу химических стадий различают одно-, двух- и многостадийные технологические схемы. Стадийность схемы определяется числом химических реакций, способствующих превращению реагентов в целевой продукт. Нельзя смешивать понятия стадийности технологической схемы и стадийного протекания сложно-последовательных химических реакций. Химические стадии многостадийной схемы протекают в разных реакторах, при различных заданных условиях. Сложная многостадийная реакция осуществляется в одном реакторе.

В настоящее время в технологии преобладают многостадийные схемы. Они отличаются сложностью управления, высокой стоимостью, высокой энерго- и материалоемкостью. При разработке новых синтезов химики должны стремиться к сокращению стадийности схем.

По характеру размещения оборудования различают вертикальные и горизонтальные технологические схемы. Вертикальные схемы используются при высокой токсичности производства; они обеспечивают минимальную протяженность коммуникаций и возможность перемещения технологических потоков самотеком, однако требуют дорогостоящих многоэтажных зданий.

По номенклатуре выпускаемой продукции различают одно- и многопродуктовые технологические схемы. Непрерывные схемы обычно являются однопродуктовыми; периодические – многопродуктовыми.

По номенклатуре продукции различают также индивидуальные, совмещенные и гибкие технологические схемы.

Индивидуальная схема предназначена для выпуска на данном оборудовании продукции одного наименования. Совмещенная схема предназначена для выпуска на одном и том же оборудовании продукции строго фиксированной номенклатуры. Если на одном и том же оборудовании осуществляют выпуск продукции нефиксированной номенклатуры, технология называется гибкой. Такие схемы обладают изменяющейся структурой и организуются по блочно-модульному принципу. Поэтому такие технологии называют модульными. Индивидуальные схемы обычно являются крупнотоннажными, непрерывными; совмещенные и гибкие схемы используются для производства небольших количеств продуктов широкого ассортимента.

По энерготехнологичекому прнципу различают обычные (энергопотребляющие) и энерготехнологические (энергопроизводящие) технологические схемы. В отличие от обычной схемы, целью функционирования энерготехнологической схемы является не только производство целевого продукта, но и получение товарной энергии в том или ином виде. Такие схемы кроме технологического содержат и энергетическое оборудование.

По экотехнологическому принципу, в основе которого лежит принцип сохранения окружающей среды от вредных выбросов, различают традиционные (ресурсопотребляющие) и экотехнологические (ресурсосберегающие) технологические схемы. В свою очередь экотехнологические схемы можно разделить на три типа:

1) схемы с возвратом отходов природе на переработку;

2) схемы с возвратом природе отходов в природном состоянии;

3) замкнутые, безотходные схемы.

В первом случае используют природные способности растений и других организмов утилизировать биогенные составляющие отходов. Второй тип схем предполагает возврат природе газов, очищенных до состава атмосферного воздуха, воды до состава природных водоемов и твердых отходов – до их безвредного существования в природе. Третий тип схем предусматривает полное использование отходов в качестве сырья на данном предприятии или на других заводах.

Лекция № 4