А. Описательные модели: химическая; операционная; математическая;

Б. Графические модели: функциональная; технологическая; структурная; специальные.

Здесь перечислены не все виды моделей, применяемых при исследовании ХТС, а только те, которые будут использованы далее.

Химическая модель (схема) представлена основными реакциями (химическими уравнениями), которые обеспечивают переработку сырья в продукт.

Синтез аммиака из водорода и азота представлен одним химическим уравнением:

ЗН2 + N2 = 2NH3.

Производство аммиака из природного газа (метана) требует проведения нескольких химических реакций:

СН4 + Н20 = СО + ЗН2 – конверсия метана с водяным паром;

СО + Н20 = С02 + Н2 – конверсия оксида углерода;

ЗН2 + N2 = 2NH3 – синтез аммиака.

Получение серной кислоты из серы протекает через следующие превращения:

S2+ 2O2 = 2S02 – сжигание серы;

2S2 + 02 = 2S03 – окисление диоксида серы;

S03 + Н20 = H2S04 – абсорбция SO3.

Последовательность химических взаимодействий удобно представить и такой схемой, как, например, производство соды Nа2СОз из поваренной соли NaCl и известняка СаС03:

Эти уравнения – химическая схема – показывают генеральный путь превращения сырья в продукт. Но реализация этого превращения не ограничивается только данными уравнениями – необходимы еще стадии, обеспечивающие эти химические преобразования или детализирующие их. Они представлены в других моделях процесса.

Операционная модель представляет основные стадии (операции) переработки сырья в продукт, в том числе обеспечивающие протекание основных превращений. Производство аммиака будет описано следующей операционной моделью.

1) Очистка природного газа от серосодержащих соединений адсорбцией сероводорода, который мешает дальнейшим превращениям:

H2S + ZnO = ZnS + Н20

Конверсия метана с водяным паром. И природный газ (СН4), и вода (Н2О) являются сырьем для получения одного из компонентов для синтеза аммиака – водорода Н2. В этом превращении протекают одновременно две реакции:

СН4 + Н2О = СО + ЗН2;

СО + Н2О = СО2 + Н2.

2) Конверсия оксида углерода с водяным паром (в предыдущем процессе оксид углерода СО не полностью превращается в С02 из-за равновесных ограничений):

СО + Н2О = СО2 + Н2.

После этого процесса достигается максимально возможное извлечение водорода из исходного сырья – метана СН4 и воды Н2О.

3) Получение азота N2 – второго исходного компонента для синтеза аммиака. В современных схемах его получают из воздуха «выжиганием» из него кислорода:

302 + 2СН4 = 2СО + 4Н20.

Это – наиболее простой способ освободить азот воздуха от кислорода, тем более, что сжигание части природного газа все равно необходимо для обеспечения теплом всего процесса. Продукты горения – СО и Н20 – участники получения водорода.

4) Абсорбция диоксида углерода – удаление С02, полученного при получении водорода. Его поглощают раствором моноэта – ноламина:

С02 + 2RNH2 + Н2О = (RNH3)2C03.

5) Очистка газа от оксида углерода СО. После конверсии СО небольшое количество СО остается, и он мешает дальнейшим превращениям. Освобождаются от него, превращая в метан:

СО + ЗН2 = СН4 + Н2О.

6) Синтез аммиака (после всех стадий получена чистая азото – водородная смесь; примесь СН4, полученная в предыдущей стадии, мала):

3Н2 + N2 = 2NH3.

Химическая и операционная схемы дают первое описание и представление о производстве и его основных стадиях. Для дальнейшего рассмотрения ХТС удобнее использовать графические модели.

Функциональная модель (схема) строится на основе химической и операционной и наглядно отражает основные стадии химико-технологического процесса и их взаимосвязи. Каждая из них представлена прямоугольником, линии между ними – связи. На рис. 3.3 показана функциональная схема производства аммиака, соответствующая приведенной выше операционной модели. Цифры на схеме соответствуют стадиям операционной модели (стадии 2 и 4 совмещены, что будет объяснено при рассмотрении производства). Элементы функциональной схемы соединены последовательно. На рис. 3.4 показана функциональная схема производства соды, построенная на основе ее химического описания. Она сложнее предыдущей, с параллельной и обратными связями.