Структура ХТС

Химико-технологическая система - это совокупность технологических аппаратов, в которых осуществляются физико-химические процессы с целью получения заданного количества определенного продукта необходимого качества. Каждый аппарат в ХТС выполняет определенную функцию. В системном анализе его называют элементом ХТС.

Химико-технологическая система состоит из главной ХТС и подсистем. Главная ХТС предназначается для преобразования сырья в целевой продукт. Она охватывает операции по подготовке сырья к химическому превращению, осуществлению главного технологического процесса - химического превращения (оно может состоять из ряда последовательных или параллельных химических процессов), выделение и очистка образовавшегося целевого продукта. Но для того, чтобы функционировала основная ХТС, к ней необходимо подвести энергию (тепловую, электрическую), воду (как теплоноситель, реагент, растворитель). Кроме того, следует обезвреживать вредные выбросы или перерабатывать отходы, которые образовываются вследствие технологического процесса. Необходимо также руководить работой отдельных аппаратов и всей системы. Поэтому главная ХТС не может работать без вспомогательных подсистем, в частности:

- энергетической;

- водоподготовки и водоснабжения;

- переработки отходов и обезвреживания вредных выбросов;

- управления технологическими процессами и аппаратами.

Все операции по преобразованию сырья в целевые продукты, которые проходят в главной ХТС, и процессы в подсистемах осуществляются в специальных машинах, аппаратах и других устройствах. При их участии:-транспортируется сырье, полупродукты, материалы, энергоносители (для этого предназначены насосы, транспортеры и т.п.);

- осуществляются химические преобразования (это - реакторы);

- происходит массообмен между фазами (для этого, например, используют абсорберы, адсорберы, мембранные аппараты и т.п.);

- вещества нагреваются или охлаждаются (теплообменники);

- изменяется фазовое (агрегатное) состояние веществ (конденсаторы, испарители);

- создается давление или разрежение (компрессоры, вакуум-насосы);

- изменяются геометрические параметры (размеры) веществ (дробилки, мельницы, грануляторы).

Все указанные машины и аппараты есть элементы ХТС. Каждый из них является самостоятельной условно неделимой единицей, в которой происходят определенные типичные процессы (гидродинамические, химические, массообменные, тепловые, физические, механические). Тем не менее следует указать, что порой технологически целесообразным есть объединения двух процессов в одном аппарате, т.е. из двух типичных аппаратов синтезируют один. Например, реактор, в котором происходит химическая реакция, оборудуют теплообменными устройствами для обеспечения определенного температурного режима. В этом случае такой комбинированный аппарат также принадлежит к элементам ХТС. Вместе с тем, отдельный технологический аппарат для удобства анализа его работы можно рассматривать как совокупность нескольких элементов (например, в многополочном контактном аппарате полки считают отдельными элементами).Принципы разработки химических производств или химико- технологических систем

Элементы в химико-технологической системе обязательно соединяются между собой технологическими потоками, которые еще называются технологическими связями.

Различают материальные и энергетические потоки (связи).

Материальный поток - это перемещение веществ в любом фазовом состоянии в пространстве от элемента к элементу в пределах ХТС. Он осуществляется с помощью трубопроводов, газоходов, разнообразных транспортеров и т.п..

Энергетическая связь - это поток энергии (тепловой, электрической, световой, электромагнитной и т.п.), который передается к элементу ХТС соответствующими средствами. Например, тепловая энергия может передаваться трубопроводами, если теплоноситель - газ, пар или жидкость; электрическая - кабелями; электромагнитная- специальными трактами (волноводами).

Кроме технологических, существуют также информационные потоки.

Информационный поток - это сигналы в электрической или пневматической (с помощью сжатого воздуха) форме, которыми передается информация о ходе технологического процесса в отдельном элементе ХТС или его узле, о параметрах материального или энергетического потоков при транспортировке от элемента к элементу, а также команды для управления рабочими (исполнительными) устройствами.

Различают первичный и вторичный (обратный) информационные потоки. Первичный информационный поток (связь) поступает от элементов или потоков в специальный пункт сбора и обработки технологической информации, который на производстве называют операторной комнатой. Здесь происходит его расшифровывание средствами микропроцессорной или аналоговой техники, автоматическое сравнение с нормативными величинами. Здесь же формируется обратный (вторичный) информационный поток, которым регулируются параметры работы отдельного элемента ХТС, согласовывает работа совокупности элементов или подсистем ХТС. Такое регулирование происходит вследствие того, что вторичный поток поступает в определенный исполнительный механизм, который регулирует расход реагентов, теплоносителя, уровни растворов в емкостях и реакторах и т.п.. Например, если температура в реакторе, где происходит обратимая экзотермическая реакция, возрастает, то для обеспечения оптимального температурного режима работы такого реактора необходимо увеличить расход теплоносителя (хладоагента), который поступает в теплообменные устройства реактора. Это осуществляется после того, как под влиянием вторичного информационного потока срабатывает исполнительный механизм -автоматическая задвижка, которая приоткрывается. Вследствие этого поток теплоносителя увеличивается, а температура постепенно приобретает оптимальные значения.

Информационный поток чрезвычайно важен в управлении технологическим процессом, так как он дает возможность не только поддерживать параметры этого процесса в пределах оптимальных значений, и таким образом, обеспечить наилучшие технико-экономические показатели химико-технологического процесса, но и заранее спрогнозировать возникновение и развитие аварийной ситуации, устранить ее причины.

Как уже отмечалось выше, работа и состояние каждого элемента или его отдельных узлов и технологических потоков характеризуются определенными количественными показателями, которые называются параметрами.

Технологический поток характеризуется параметрами состояния и параметрами свойств. Параметрами состояния является температура, давление, концентрация, расход веществ. К параметрам свойств принадлежат плотность, вязкость, теплоемкость, энтальпия, магнитные и электростатические характеристики потока.

Элемент ХТС характеризуют такие параметры:

- входных потоков;

- выходных потоков;

- технологические;

- конструктивные;

- управление.

Физические параметры входных материальных и энергетических потоков характеризуют реакционную среду на входе в элемент ХТС и имеют определенные численные значения х_}, х₂, х₃,..., х_п. Вследствие протекания химико-технологического процесса в этом элементе происходит изменение качественного и количественного состава среды. Например, концентрации исходных веществ уменьшаются (иногда даже до нуля), зато возникают новые соединения - продукты реакции с определенными концентрациями. Вследствие того, что происходят экзо- или эндотермические процессы, температура в элементе может возрастать или уменьшаться; образование газообразных веществ может способствовать увеличению давления и т.п.. Итак, на выходе из элемента ХТС потоки приобретают другие параметрические значения: у_ь в₂, в с,..- у_П- хотя, следует заметить, что некоторые параметры на входе и выходе могут оставаться постоянными (например, температура материального потока при условии осуществления изотермического процесса, или давление, если газофазная реакция происходит без изменения газового объема). Величина разности между значениями исходных и входных параметров зависит от особенностей хода конкретного ХТП а также от величин других параметров: конструктивных, технологических, управления.

Особенности ХТП зависят от природы реагирующих веществ и определяют технологические параметры (константы скоростей реакций и равновесия, степень превращения и селективность, коэффициенты массо- и теплопередачи и т.п.).К конструктивным параметрам принадлежат геометрические характеристики элемента (общий и реакционный объемы, соотношения между диаметром и высотой, объем катализатора, площадь поверхности массо- и теплообмена, наличие и размещение теплообменных поверхностей и т.п.). Выбор этих параметров зависит от необходимой производительности, которую должен обеспечить элемент, теплового эффекта реакции, необходимости применения катализатора, оптимальных условий реализации процесса.

Для того, чтобы эффективность ХТП в элементе была максимальной, необходимо определить условия этого процесса: температуру, давление, гидродинамический режим, потребность в применении катализатора, т.е. следует подобрать параметры управления ХТП, которые еще называют параметрами технологического режима. Значение этих параметров определяют на основании знаний из кинетики и статики для конкретного процесса, области его протекания, сведений о влиянии конкретных факторов на его скорость. Теоретические расчеты проверяют и уточняют экспериментально. Например, если реакция относится к обратимым экзотермическим, то температуры определяют в пределах оптимальных значений; если процесс гетерогенный - определяют область протекания и соответствующие способы его интенсификации.

Вообще в каждом элементе ХТС происходит трансформация входных параметров в выходные, которые зависят от технологических и конструктивных параметров и параметров управления. Такое преобразование можно изобразить функциональной зависимостью

(1)

где X, Y - векторы параметров состояния входного и выходного потоков; Т - технологические параметры; К - конструкционные параметры; U - параметры управления.

Если в системе или подсистеме ХТС есть N элементов (аппаратов), то для каждого из них будет существовать своя функциональная зависимость, например, для i-го компонента:

(2)

Система функциональных зависимостей для отдельных элементов с учетом их взаимосвязей в ХТС будет описывать эту технологическую систему.

По характеру изменения важнейших параметров системы во времени, т.е. по типу функционирования, ХТС разделяют на:

а) ХТС, которые работают непрерывно - они характеризуются постоянными параметрами (температурой, давлением, расходом реагентов, продуктов и т.п.) во времени.

Примером таких ХТС может быть получения метанола из синтеза-газа, производство серной кислоты, синтез аммиака и т.п.;

б) ХТС, которые работают циклически (периодически) - параметры системы изменяются с определенной периодичностью. Примером такой системы есть производство кокса, цикл работы которой состоит из загрузку угля в коксовую печь, коксование, разгрузка кокса. На каждом этапе коксования значения параметров (температуры, состава твердого вещества и газовой фазы) изменяются;

в) ХТС, которые работают полупериодически (периодически) – некоторые параметры такой системы являются постоянными во времени, а другие -переменными. В производстве негашеной извести (СаО) загрузка печи периодическая (затрата известняка изменяется во времени), а разгрузка продукта, т.е. массовый расход СаО, и температура выжигания в зоне реакции являются постоянными;

г) гибкие ХТС — это перспективное направление организации производства, как правило, малотоннажного. Гибкость заключается в том, что в зависимости от потребности потребителя промышленный объект может переходить от выпуска одного вида продукции на другой на этом самом оборудовании, т.е. элементная база гибкая ХТС есть практически постоянна. Очевидно, что в этом случае параметры функционирования системы будут изменяться в зависимости от переориентации производства.