Термодинамико-топологический анализ фазовых диаграмм как основа синтеза схем разделения (стр. 2 )

 

Рис. 1.1. Подсистемы химико-технологической системы

Первые четыре подсистемы являются внутренними в том смысле, что охватывают различные части химико-технологической системы как единого целого. Пятая и шестая являются внутренними подсистемами любой разрабатываемой технологии, накладывающими ограничения на возможные технологические решения, и одновременно они являются внешними при оценке действующего производства, характеризуя взаимодействие реализуемой технологии с окружающей средой, будь то природа или рынок.

В первой подсистеме представлены элементы триады «состав - структура - свойство», термодинамика химического и гетерогенного равновесия, каталитическая химия, термическая устойчивость химических соединений и другие фундаментальные знания. Доля использования этой подсистемы определяет наукоемкость конкретной технологии, и следовательно, ее конкурентоспособность.

Вторая подсистема изучает особенности процессов, области их возможного применения и виды используемых математических моделей с учетом степени обусловленности разрабатываемой технологии. Следует подчеркнуть, что плохая обусловленность есть следствие, с одной стороны, необычайной сложности процесса, а с другой, - слабой "продвинутости" данной области знаний.

В подсистеме процесса особое значение приобретает свойство устойчивости, которое определяет безопасность технологии. Обычно процесс должен быть устойчив в широком диапазоне эксплуатационных параметров.

В подсистеме аппаратов на первое место выступают эффективность их работы, распределение температуры и вещества в аппаратах, относительная простота конструкции, вопросы надежности и т. д.

Управление химико-технологическими процессами обеспечивает во времени устойчивость каждого процесса конкретной технологии. Особую важность подсистема управления приобретает в случае процессов, для которых характерна множественность стационарных состояний. В этих случаях устойчивость процесса относительно непрерывных изменений параметров должна сочетаться с устойчивостью относительно конечных скачкообразных изменений.

Экономическая подсистема обеспечивает конкурентоспособность технологии на внешнем и внутреннем рынках.

Экологическая подсистема выступает контролирующим и ограничительным фактором качества жизни.

Доминирующую роль при создании технологии играет первая подсистема, поскольку принципиальная возможность разработки конкретной технологии, ограничения на ее реализацию в первую очередь определяются физико-химическими свойствами веществ, их смесей и термодинамическими параметрами.

Тем не менее, каждая из подсистем характеризуется набором специфических ограничений, в конечном счете определяющих конкурентоспособность технологии.

Химико-технологическую систему можно представить в виде так называемой производственной триады (рис. 1.2), включающей:

ü  блок подготовки сырья (I),

ü  блок химического превращения (II)

ü  блок разделения многокомпонентных реакционных смесей (Ш).

Рис 1.2 Производственная триада

Блоки триады соединены как прямыми, так и обратными связями (рециклами), при этом работа предыдущего аппарата определяется работой последующего («будущее определяет прошлое»). Исследование таких объектов (комплексов) характеризуется определенной сложностью.

Технологии основного органического и нефтехимического синтеза обладают следующей спецификой: крупнотоннажностью производств, широким ассортиментом получающихся продуктов, которые используются в том числе в дальнейших синтезах, высокими требованиями к качеству получаемых продуктов. Поэтому при разработке технологий большая роль принадлежит III блоку производственной триады.

Блок разделения является наиболее сложным в ХТС вследствие большого числа различных методов разделения и аппаратов, используемых в нем. Поэтому большая часть энергетических затрат (часто больше 70%) приходится на эту составляющую.

Энергозатраты на разделение зависят от технологической схемы разделения, а выбор той или иной схемы определяется физико-химическими и химическими свойствами как отдельных компонентов, так и разделяемых смесей в целом. На различных стадиях разделения смеси любой сложности выделяются фракции, содержащие разное число компонентов, которые, в свою очередь, также подвергаются разделению. В связи с этим возникает необходимость в исследованиях физико-химических свойств всех смесей, составляющих первоначальную сложную смесь. Число различных r-компонентных составляющих z (где r = 2, 3, 4,…) в n-компонентной смеси можно определить по уравнению:

(1.1)

В производствах основного органического и нефтехимического синтеза в реакционных узлах получаются, как правило, многокомпонентные смеси, состоящие из соединений различных классов, которые обладают различными свойствами (температуры кипения, упругости паров, взаимная растворимость и др.). Многие вещества (мономеры, полупродукты) являются химически активными и термически нестойкими. Как известно, соединения, принадлежащие к разным гомологическим рядам, склонны к образованию азеотропов различного типа, содержащих различное число компонентов (гомогенные азеотропы, гетероазеотропы, седловинные азеотропы, тангенциальные азеотропы и др.).

Большая энергоемкость процессов разделения определяет необходимость поиска оптимальной структуры схемы разделения и создания оптимальных условий разделения реакционной смеси на целевые продукты (или фракции, имеющие товарную ценность). Принципиальное решение этих проблем возможно уже на первом этапе при исследовании химических и физико-химических свойств отдельных компонентов, различных составляющих смеси (бинарных, тройных и других смесей), а также разделяемой смеси в целом. Комплекс этих исследований составляет физико-химические основы процессов разделения, которые базируются на термодинамике гетерогенных равновесий. Математическое описание таких процессов основано на качественной теории дифференциальных уравнений, топологии и других разделах математики. Физико-химические основы массообменных процессов являются составной частью теоретических основ химической технологии.

Основная задача физико-химических исследований многокомпонентных смесей заключается в установлении взаимосвязей «состав - структура - свойство».

Рассмотрим вначале некоторые из существующих классификаций свойств.

Гегель предложил деление всех свойств на экстенсивные и интенсивные.

Экстенсивные свойства – свойства, имеющие меру внутри себя, зависящие от массы (функции первой степени), подчиняющиеся правилу аддитивности. К экстенсивным свойствам относятся: длина, площадь, объем, энтропия и др.

Интенсивные свойства – свойства, имеющие меру вне себя, не зависящие от массы (функции нулевой степени), не подчиняющиеся правилу аддитивности. К интенсивным свойствам относятся: температура, давление, химический потенциал и др.

Промежуточное положение занимают удельные свойства – экстенсивные величины, отнесенные к единице массы. Например, концентрации компонентов в смеси зависят от массы вещества и складываются (признак экстенсивного свойства); с другой стороны, концентрации могут не зависеть от массы, если общее количество смеси увеличивается, а соотношение количеств конкретных компонентов остается неизменным.

С математической точки зрения, свойства подразделяются на скалярные, векторные, тензорные.

Скалярные свойства характеризуются одним числом (температура, давление, химический потенциал, концентрация); векторные свойства – кортежем чисел (состав многокомпонентной смеси, градиент скалярного свойства) и направлением. Тензорные свойства характеризуются матрицами и в данном лекционном курсе не используются.

Понятие состава является основным при изучении диаграмм фазовых равновесий. Состав может быть описан вектором, поскольку характеризуется набором чисел, каждое из которых (концентрация) представляет проекцию вектора на соответствующие оси. Для любой n-компонентной системы сумма концентраций равна 1 и состав этой смеси однозначно определяется (n-1)-ой независимыми концентрациями. Для бинарной системы состав можно определить концентрацией одного из компонентов (скалярная природа), или двумя концентрациями (векторная природа).

Для геометрической интерпретации состава используют разные системы координат.

Ортонормированный базис. Система координат содержит n взаимноперпендикулярных осей единичной длины (орты). На концы ортов «натянута» геометрическая фигура. Свойство такой системы координат – сумма проекций любого вектора, расположенного внутри вновь образованной фигуры, равна 1. Поскольку данное условие является условием нормировки, то проекции придается смысл концентрации. Размерность ортонормированного базиса равна n. На рис. 1.3 приведен пример представления вектора состава тройной системы.

Рис.1.3. Вектор состава тройной системы в ортонормированном базисе

Если рассмотреть фигуру, «натянутую» на концы ортов, то вектор состава будет представлен в ней точкой конца вектора, которая является центром тяжести этой фигуры. Такая система координат носит название барицентрические координаты.

Размерность барицентрических координат n-1, и их использование позволяет проводить исследование систем в пространстве меньшей размерности по сравнению с ортонормированным базисом. В барицентрических координатах бинарная смесь представлена прямой линией, трехкомпонентная – треугольником, четырехкомпонентная – тетраэдром и т. д. (табл. 1.1.) Эти фигуры являются симплексами – простыми геометрическими фигурами, лишенными внутренних диагоналей.

Составы фаз могут быть представлены в виде симплексов (фигур), которые называются концентрационными. В любом симплексе вершины фигуры соответствуют чистым компонентам, ребра, соединяющие вершины, — бинарным составляющим, грани — тройным составляющим и т. д.