Топология химико-технологических систем

При изучении ХТС используются так называемые обобщенные модели, необходимые для получения общего представления о процессе функционирования, об элементах (подсистемах) и химическом составе исходного сырья, промежуточных конечных продуктов и генерируемых энергоносителей. Различают два типа моделей: иконографические и операционно-описательные.

Рис.2.2. Основные подсистемы ХТС

Иконографические обобщенные модели дают общее представление об исследуемой ХТС в виде некоторого графического изображения или чертежа, а операционно-описательные – о процессе функционирования ХТС в форме последовательного словесного описания различных химико-энергетических процессов, происходящих в элементах системы. Последние могут включать спецификацию основного оборудования, сведения о составе сырья, значениях важнейших параметров технологического и энергетического режима, фактическом выпуске продукции. Примером операционно-описательных моделей являются технологические регламенты и различная проектно-эксплуатационная документация.

При изучении ХТС каждый элемент системы рассматривают как технологический оператор, качественно или количественно преобразующий физические параметры входных материальных и энерегетических технологических потоков х₁, х₂,..., х_n в параметры выходных материальных и энергетических потоков y₁, y₂,..., y_m.

Так, например, химический реактор, в котором протекает экзотермическая реакция с тепловым эффектом Q:

А + В → C + Q,

представляет собой технологический оператор, осуществляющий качественное (в составе выходного технологического потока появляется новый химический компонент С) и количественное (температура выходного технологического потока выше температуры входного потока, а концентрация реагентов А и В ниже) преобразования физических параметров входного потока.

Теплообменник является технологическим оператором, где достигается количественное изменение температур входящих технологических потоков. В общем случае количество входных и выходных технологических потоков может быть произвольным, а именно n ≠ m. При любом значении m и n число физических параметров входных (i₁) и выходных (j_m) технологических потоков неодинаково.

Таким образом, каждый элемент ХТС представляет собой многомерный технологический оператор. Любой типовой процесс химической технологии можно считать типовым технологическим оператором. Операторы подразделяются на основные и вспомогательные. К основным относятся технологические операторы химического превращения, межфазного массообмена, смешения и разделения (соответственно рис. 2.3, а, б, в, г). Они обеспечивают функционирование ХТС в требуемом целевом направлении.

Рис. 2.3. Графические символы основных технологических операторов и их функции: а – химического превращения; б – межфазного массообмена;
в – смешения; г – разделения

Кроме основных, для повышения эффективности функционирования системы в ХТС используют вспомогательные типовые операторы, изменяющие энергетическое и фазовое состояние технологических потоков. К ним относятся операторы нагрева или охлаждения, сжатия или расширения и изменения агрегатного (фазового) состояния вещества (соответственно рис. 2.4, а, б, в).

Рис. 2.4. Графические символы вспомогательных технологических операторов ХТС и их функции: а – нагрева или охлаждения; б – сжатия или расширения; в – изменения агрегатного (фазового) состояния вещества

Типовой технологический оператор изменения агрегатного состояния вещества соответствует физическим явлениям конденсации, испарения, растворения и т.п.

Взаимодействие отдельных технологических операторов (элементов, подсистем) ХТС, данной системы и внешней окружающей среды, без которого не может происходить целенаправленное функционирование ХТС в целом, осуществляется благодаря наличию между ними определенных технологических связей, каждой из которых соответствует некоторый материальный или энергетический поток, называемый технологическим.

Эффективность функционирования ХТС можно повысить улучшением показателей качества функционирования основных технологических операторов (элементов) и изменением прежних или создание новых технологических связей между существующими в системе операторами, а также введением дополнительных вспомогательных и основных операторов.

Характер и особенности технологических связей ХТС, т.е. способ соединения элементов между собой наглядно отображают с помощью обобщенных иконографических моделей: технологических, структурных, операторных и функциональных схем.

На технологической схеме ХТС каждый элемент системы представляют в виде условного общепринятого стандартного изображения, а технологические связи – направленными линиями со стрелками. На рис. 2.5а показана технологическая схема ХТС синтеза аммиака при среднем давлении.

На схеме ХТС могут быть приведены краткие, однозначные и ясные технологические указания в виде химических формул, состава и наиболее важных данных о качестве веществ, участвующих в технологическом процессе. Таким образом, технологическая схема ХТС содержит информацию о химическом составе исходного сырья, промежуточных и конечных продуктов, о типах и способе соединения элементов (аппаратов и машин) и о последовательности отдельных технологических процессов.

В ряде случаев на технологической схеме ХТС элементы изображают таким образом, чтобы получить представление об их габаритах и конструкции. Технологическую схему можно использовать для изображения ХТС как на стадии эксплуатации, так и проектирования, чтобы получить первое представление о системе. Однако технологическая схема не содержит исчерпывающей количественной информации ни о функционирующей, ни о проектируемой ХТС.

Структурная схема ХТС – это графическое изображение, которое включает все элементы ХТС в виде блоков, имеющих несколько входов и выходов, и технологические связи между ними, указывающие направление движения материальных и энергетических технологических потоков системы. Принципиальная технологическая и структурная схемы ХТС синтеза аммиака под средним давлением изображены на рис. 2.5а и 2.5б.

Рис. 2.5. Принципиальная технологическая (а) и структурная (б) схемы ХТС
синтеза аммиака под средним давлением: 1 – колонна синтеза;
2 – парогенератор; 3 – холодильник; 4 – сепаратор; 5 – турбоциркуляционный компрессор; 6 – конденсационная колонна; 7 – испаритель

В отличие от структурной на операторной схеме ХЭС каждый элемент изображают как совокупность нескольких типовых технологических операторов, объединенных материальными связями. Операторная схема ХЭС наглядно представляет физико-химическую сущность технологических процессов системы.

Функциональная схема ХЭС показывает технологические (материальные) связи между подсистемами производства, каждая из которых выполняет одну из основных технологических операций (подготовку сырья, собственно химическое превращение, выделение целевых продуктов). Эта схема обобщенно представляет процесс функционирования ХЭС в целом и не содержит информации о типах отдельных элементов системы.

Глава III ЭНЕРГОКОМПЛЕКС ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ