Модели ХТС

Целью функционирования любой ХТС есть обеспечение производства определенного продукта необходимого качества и заданного объема. Чтобы синтезировать новую ХТС, т.е. создать новое производство, или улучшить работу существующего, необходимо уметь всесторонне проанализировать эту ХТС. Для того следует описать эту ХТС; такое описание называют моделью ХТС.

В зависимости от способа описания ХТС модели разделяют на три вида:

- описательные;

- графические;

- математические.

К описательным моделям принадлежат такие подвиды: собственно описательные (операционно-описательные) и химические.

Операционно-описательная модель - это текстовое описание производства, которая охватывает характеристику сырья, материалов, полупродуктов и продуктов. В этой модели отмечается последовательность осуществления всех технологических операций вследствие которых сырье превращается в целевой продукт определенного качества Здесь же приводится описание работы элементов системы и особенности процессов, которые происходят в них, отмечаются технологические параметры хода этих процессов.

Преимуществом такой модели есть возможность детально описать конкретное производство как ХТС и при необходимости текстово объяснить нюансы осуществления технологического процесса. Недостаток этой модели заключается в том, что для довольно сложных ХТС описательная модель громоздка, так как текст может быть большого объема. Поэтому довольно тяжело сразу охватить все производство как целостную систему, особенно, если оно предусматривает выпуск нескольких видов продукции, четко разделить ее на отдельные подсистемы. На практике собственно описательные модели применяют для разработки проектно-конструкторской документации, а также для оформления технологического регламента как одного из основных документов, согласно которому функционирует производство.

В химической модели (второй подвид описательных моделей) приводятся лишь уравнение химических реакций, которые проходят в этой ХТС. Эта модель характеризует производство как систему последовательных, параллельно-последовательных химических преобразований. В ней приводят все реакции как целевые, так и побочные, которые проходят на любой из стадий производства.

Преимуществом этой модели есть выделения сущности ХТС, что базируется на системе определенных химических процессов. Главный недостаток модели - отсутствие данных о подготовительных операциях, особенностях осуществления химико- технологических процессов в отдельных элементах.

Химическая модель дает возможность сравнивать разные способы производства определенного продукта: доступность и стоимость сырья, возможность образования побочных продуктов или экологически опасных веществ как отходов производства. Итак, можно приближенно оценить затраты на приобретение сырья, реагентов и материалов, стоимость утилизации или обезвреживания отходов, предварительно определиться с энергетическими затратами, объемами капитальных вложений и т.п..

Приведем химическую схему на примере производства кальцинированной соды (натрия карбоната):

Графические (иконографические модели) подразделяют на:

- функциональные;

- блочные (структурные);

- операторные;

- технологические.

Графические модели, как вытекает с их названия, - это несомненно графическое, т.е. схематическое, изображение ХТС. Поэтому традиционно их еще называют схемами. Каждый из подвидов этих моделей применяется на определенном этапе синтеза химико- технологических систем т.е. имеет конкретное практическое значение на соответствующем этапе разработки и составлении проектно-конструкторской документации.

Основанием для разработки графических моделей есть описательные модели.

Функциональная схема (модель) состоит из отдельных узлов (подсистем), изображенных прямоугольниками с надписью внутри. Каждый узел предназначен для осуществления отдельной технологической операции например, размалывание, растворение, абсорбции газа, термического разложения, нейтрализации, экстракции, ректификации и т.п., причем узел может состоять из одного или нескольких видов оборудования (элементов). Узлы расположены в той последовательности, которая необходима для переработки сырья с получением продукта, и связанные между собой технологическими потоками. Именно поэтому функциональная схема дает наибольшее представление о функционировании производства как химико- технологической системы. Недостатком этой модели есть полное отсутствие сведений о типах оборудования, которое применяется для реализации технологического процесса.

Пример функциональной схемы производства кальцинированной соды Na₂CO₃приведен на рис. 4.1. Создается функциональная модель на начальных этапах синтеза ХТС, когда по известной химической модели и видам сырья лишь предусматривают последовательность реализации основных и вспомогательных технологических операций.

 

 

Рис. 1. Функциональная схема производства кальцинированной соды

Структурная (блочная) схема состоит из связанных между собой технологическими потоками блоков, которые отвечают отдельным элементам ХТС. На схеме изображают направление движения технологических потоков, т.е. эта модель дает представление о последовательности осуществления технологических процессов или операций в элементах ХТС. Сравнительно с функциональной моделью блочная схема вообще дает возможность определить количество основных элементов в ХТС или отдельных подсистемах. Однако блочная схема, как и функциональная, не несет информации о типах конкретных элементов и о количественных параметрах их работы. Блочная схема синтеза аммиака показана на рис. 4.2.

Создание структурной модели является следующим после разработки функциональной схемы этапом синтеза ХТС.

Рис. 2. Блочная схема синтеза аммиака: 1- колона синтеза; 2 - холодильник; З - сепаратор; 4 - циркуляционный компрессор; 5 - сепаратор масел;6 - конденсационная колонна; 7 - испаритель аммиака. Материальные потоки:

G _1-11 - газы; L _1-4 -жидкости

Операторная схема предназначена для того, чтобы воссоздать физико-химическую сущность всех технологических процессов, которые происходят в проектируемой ХТС или оптимизируется. Сущность любого физико-химического процесса воспроизводится определенным технологическим оператором - условным графическим изображением этого процесса, который означает изменение соответствующего параметра технологического потока.

Технологические операторы разделяют на основные и вспомогательные (рис. 3).

Рис..3. Технологические операторы: основные: 1 -химического превращения;2 - смешивание; 3 - разделение; 4 - межфазного массообмена; вспомогательные:5 - теплообмена (нагревание или охлаждение); 6 - сжатие или расширение; 7 - изменение агрегатного состояния

Например, оператор химического превращения означает протекание химической реакции, вследствие чего изменяются параметры технологического потока на выходе из оператора по сравнению с входным потоком.

Если газовая смесь сжимается до некоторого давления, например, компрессором, т.е. начальное давление есть значительно меньше конечного, то такой процесс изображают оператором сжатия. С помощью технологических операторов можно изобразить либо ход лишь основного процесса, который реализуется в элементе ХТС, или же показать все физико-химические процессы, которые проходят в нем. Поэтому операторные схемы можно разделить на сокращенные и полные.

В сокращенных операторных схемах каждому элементу отвечает лишь один технологический оператор. Им изображают основной технологический процесс. Например, в реакторе происходит экзотермическая реакция, вследствие которой один из компонентов реакционной среды испаряется и при этом возрастает давление. Несмотря на то, что в реакторе проходит ряд разных по сущности процессов, этот элемент в сокращенной операторной схеме изображают лишь оператором химического превращения.

Сокращенная операторная схема (рис. 4) дает четкое представление о типе элемента (реактор, теплообменник, сепаратор и т.п.), который следует применить в ХТС, и является основанием для разработки полной операторной модели

Полные операторные схемы предусматривают изображение элемента ХТС системой технологических операторов, которые отображают физико-химические процессы, которые происходят в этом элементе.

Рис. 4. Сокращенная операторная схема синтеза аммиака: 1- колонна синтеза;2 - холодильник; 3 - сепаратор; 4 - циркуляционный компрессор; 5 - сепаратор масел;6 - конденсационная колонна; 7- испаритель аммиака

Итак, если в реактор поступают два материальных потока (реагенты), которые взаимодействуют с выделением газа как одного из продуктов реакции (другой продукт -раствор), вследствие чего возрастает давление, а из аппарата продукты выходят отдельными потоками (жидко- и газофазными), то такой элемент ХТС будет изображаться такой системой операторов (рис. 5):

Рис..5. Изображение элемента ХТС системой технологических операторов

Разработка полной операторной схемы очень важный этап в синтезе ХТС именно с точки зрения системного анализа. Изобразив все физико-химические процессы, необходимые для превращения определенного сырья в целевой продукт, последовательным набором соответствующих операторов, в дальнейшем анализируют, которые из них можно осуществить в отдельном элементе, а какие целесообразно компоновать и реализовать не в отдельных элементах, а в одном. В частности многополочный контактный аппарат с промежуточным охлаждением продукта реакции можно изобразить системой поочередно размещенных реакторов (каждую полку рассматривают как отдельный реактор) и теплообменников. Рассчитав необходимые геометрические размеры и массы катализатора в каждом из них, можно решать конструктивные вопросы, а именно, или целесообразно конструировать отдельные аппараты, или лучше их объединять. Например, полки и наименьшие по габаритами и массе теплообменники целесообразно располагать в одном корпусе аппарата, а громоздкие и тяжелые теплообменники - вне его как выносные.

Детальный качественный и количественный анализ полной операторной схемы вместе с другими моделями ХТС, в частности, математической, дает возможность выбрать существующее или сконструировать новое оборудование. Итак, полные операторные схемы являются чрезвычайно важным этапом в создании ХТС.

Выбранное или разработанное оборудование используют для создания технологической схемы.

Технологическая схема - это графическое изображение элементов ХТС стандартными условными общепринятыми обозначениями, которые соединены между собой технологическими потоками с указанием их направлений стрелками. Изображение каждого элемента дает представление о его общей конструкции или принципе действия, а вход или выход технологического потока, отмечается в точке, которая реально отвечает действующему аппарату. По условным обозначениям материальных потоков легко вообразить, в каком фазовом состоянии они находятся. Например, зачерненная стрелка означает, что это поток конденсированного вещества (твердого или жидкости), не зачерненная - отвечает потоку газа. Для наглядности основные элементы (аппараты) часто изображают с соблюдением масштаба.

Технологическая схема, сравнительно с приведенными выше, дает значительно больше информации о функционировании всей системы как производственного процесса. Кроме того, она содержит данные об основном и вспомогательном оборудованиях, которое используется в этом производстве. Характеристика аппаратов может приводиться частично на технологической схеме, а частично - в спецификации, которая является обязательным приложением к графическому изображению.

Как и операторные, технологические схемы можно разделить на сокращенные (принципиальные) и полные.

Рис. 6. Принципиальная технологическая схема синтеза аммиака: 1- колона синтеза;2 - холодильник; 3 - сепаратор; 4 - циркуляционный компрессор; 5 - сепаратор масел;6 - конденсационная колонна; 7 -испаритель аммиака

На сокращенных технологических схемах, которые разрабатывают на конечных стадиях проектирования ХТС, приводится лишь то минимальное количество оборудования (основного и вспомогательного), без которого производственный процесс происходить не может. Сокращенной технологической схемой изображают производство, в частности, в учебниках, пособиях и т.п.. Пример сокращенной технологической схемы синтеза аммиака приведен на рис. 6.

Азотоводородная смесь (АВС) подается под давлением в колону синтеза аммиака 1 двумя потоками - главным и байпасным, что необходимо для регулирования температурного режима процесса. Вследствие каталитической реакции образовывается аммиак, выход которого не превышает 20 %. Газовая смесь, которая содержит продукт -аммиак, и не прореагировавшие азот и водород, поступает в водяной холодильник 2, где охлаждается до температуры около 30 °С, вследствие чего часть аммиака сжижается. Сконденсированный аммиак отделяется от газового потока в сепараторе 3 и выводится из системы. Газовая смесь, которая осталась, сжимается до рабочего давления циркуляционным компрессором 4, после которого в циркулирующий газовый поток под давлением вводится свежая АВС, количество которой пропорционально количеству образованного аммиака. В сепараторе 5 АВС, которая содержит некоторое количество несконденсированного аммиака, очищается от капель масла, которые попадают в газовый поток во время его сжатия компрессорами. Дальше АВС поступает в верхнюю часть конденсационной колонны 6, выполненную как кожухотрубный теплообменник. Проходя межтрубным пространством, АВС охлаждается и подается в аммиачный испаритель 7, который, по сути, является аммиачным холодильником. Здесь вследствие испарения жидкого аммиака АВС охлаждается, что приводит к конденсации остатков аммиака. Глубокая очистка АВС от аммиака необходима для смещения равновесия реакции синтеза NН₃ В колонне синтеза 1. сжиженный аммиак отделяется от газового потока в нижний - сепарационной - части конденсационной колонны 6. Холодная АВС, очищенная от аммиака, проходит трубным пространством кожухотрубного теплообменника и подается в колону синтеза 1.

Если технологический процесс осуществляется одновременно в нескольких однотипных аппаратах или системах аппаратов (технологических нитях), то приводят лишь один аппарат (технологическую нить). На такой схеме изображают лишь основные технологические потоки.

На последнем этапе проектирования производства составляют полную технологическую схему. На ней изображают абсолютно все оборудование, включая аппараты и технологические нити, которые работают параллельно, резервное оборудование (преимущественно оно используется по необходимости непродолжительного увеличения производительности производства или в случае аварий или неполадок работы того, которое в технологическом процессе используется постоянно), а также оборудование, которое необходимо для запуска и вывода технологического процесса на заданный технологический режим (например, пусковые подогреватели контактных аппаратов для окисления SО₂ до SОз). На полной технологической схеме также изображают все технологические потоки, даже резервные и байпасные, все задвижки, вентили и т.п.. Учет всего оборудования и всех коммуникаций необходим для его компонования и компактного размещения во время выполнения строительно-монтажных чертежей, по которым осуществляют монтаж всего оборудования на производственных площадях. При этом следует обеспечить удобство реализации технологического процесса, доступ к оборудованию для обслуживания, осуществление ремонта, замены отдельных аппаратов, возможность дальнейшей модернизации производства, предусмотреть пути эвакуации производственного персонала в случае аварийных ситуаций и т.п..

Полная технологическая схема является обязательной частью такого документа, как технологический регламент, по которым и осуществляется производственный процесс.

Обычно на производстве используют не один вид моделей ХТС, а их объединение, в котором один дополняет другой. Например, технологический регламент охватывает собственно описательную (операционно-описательную) и химическую модели, а также полную технологическую схему.

Математическая модель используется для количественного описания процессов в ХТС. Она имеет вид системы математических уравнений и неравенств, которыми количественно описываются процессы в отдельных элементах, подсистемах и всей ХТС. Математическую модель создают с целью оптимизации работы ХТС, разработки алгоритма ее управления, предотвращения аварийных ситуаций, которые осуществляется непрерывным автоматическим контролем производственного процесса средствами микропроцессорных технологий.

Составление математической модели ХТС является многоуровневым процессом. Сначала математически моделируют элементарные процессы, которые проходят в основных элементах ХТС: химические реакции, диффузионные и массообменные процессы, теплообмен и т.п.. Для этого следует четко определить перечень физико-химических явлений, которые происходят в конкретном элементе, т.е. использовать полную операторную схему ХТС. Выведенные на этой стадии моделирования математические выражения являются основанием для создания модели элемента как системы уравнений с существующими связями. Например, начальная температура входного потока влияет на равновесие и скорость химической экзотермической реакции, а значит - на показатели химико-технологического процесса вообще. Вследствие этого влияние температуры описывается системой уравнений с обратной связью между функциональными зависимостями.

После создания математических моделей элементов ХТС с учетом технологических связей между ними моделируют подсистемы и всю ХТС.