Ascold_Asice все записи автора

Производственные процессы в химической промышленности и сходных ей областях характеризуются большим разнообразием выпускаемой продукции и большой сложностью. Условия протекания отдельных стадий могут быть весьма различными: от высоких темпера-тур (1500 0С) в случае электрокрекинга углеводородов до очень низких температур при раз-делении воздуха, от высоких давлений при производстве аммиака и метанола до низких в процессах вакуумной перегонки. Одни процессы проводят в водной фазе, в других даже сле-довые количества воды могут полностью дезорганизовать процесс. Технологические схемы получения того или иного продукта могут быть более или менее компактными.
Несмотря на существенные качественные и количественные различия отдельных тех-нологических процессов, разнообразие комбинаций аппаратов, используемых для их реали-зации, различные мощности и условия протекания, все они имеют общие свойства.
Каждое производство в соответствии с общей теорией систем является сложной сис-темой, которая называется химико-технологической системой.
Химико-технологические системы (ХТС) представляют собой совокупность физико-химических процессов и средств их осуществления с целью получения продукта заданного количества и в требуемом количестве.
ХТС состоит из элементов, т.е. из отдельных аппаратов, в которых протекают техно-логические операции, необходимые для достижения цели, поставленной перед ХТС.
Элементы, составляющие ХТС, являются функционально взаимосвязанными. Напри-мер, в системе, представленной на рисунке, исходный поток сырья нагревается за счет тепло-ты реакционной смеси, причем количество теплоты, выделившейся в реакторе, зависит от температуры потока на входе в реактор. Аналогично существует связь между абсорбером и ректификационной колонной в системе разделения продуктов. Более интенсивно работаю-щий абсорбер определяет меньшие требования к ректификации. Более того, система может приобретать новые свойства, которые отличаются от свойств отдельных элементов. Так, изображенная на рисунке система может работать в неустойчивом режиме, если уровень тепловыделений в реакторе достигнет определенного значения.
Наиболее часто под элементами ХТС подразумевают аппарат, в котором протекает химико-технологический процесс, качественно и (или) количественно преобразующий физи-ческие переменные входных материальных и энергетических потоков x1, x2, … xm в физиче-ские переменные выходных материальных и энергетических потоков y1, y2, … yn. Например, в реакторе синтеза аммиака протекает качественное (на выходе реактора присутствует новый компонент – аммиак) и количественные (изменяются концентрации реагентов, температура) преобразования физических параметров потока. Кроме входных и выходных переменных различают конструктивные и технологические параметры. Конструктивными параметрами являются геометрические характеристики аппарата, объем катализатора в реакторе, число та-релок в ректификационной колонке, площадь теплообменной поверхности и расположение труб в теплообменнике. Технологические параметры – это константы скоростей химических реакций, флегмовое число, место ввода питающей жидкости в ректификационной колонке, плотность орошения в абсорбере, время реакции и т.д.
Таким образом, каждый элемент ХТС осуществляет преобразование, которое может быть представлено функциональной зависимостью
Y=F(X, U) ( )
где X и Y – векторы параметров состояния входных и выходных потоков, U – вектор конст-руктивных и технологических переменных. Вид зависимости ( ) определяется физико-химической природой процессов, протекающих в данном аппарате.
Процессы, протекающие в аппаратах, представляют на схемах в виде типовых техно-логических операторов (ТО), которые подразделяют на основные и вспомогательные. С по-мощью таких операторов можно строить различные структуры ХТС, соединяя операторы различными технологическими связями. На приведенной ниже схеме дана классификация типовых технологических операторов и их обозначения.
Отдельные аппараты, входящие в состав ХТС, могут выполнять функции нескольких типов ТО. Например, химический реактор может одновременно выполнять функции химиче-ского превращения и массообмена. Поэтому на схеме такой реактор может быть представлен в виде совокупности двух ТО, как показано ниже на рисунке.

 
Хотя конкретные ХТС отличаются большой сложностью и разнообразием структур, практически все конкретные структуры могут быть при помощи декомпозиции и агрегации элементов (объединения нескольких элементов в так называемый суперэлемент) сведены к небольшому числу типовых структур с характерным соотношением направлений соединяю-щих их потоков.
К таким типовым структурам относятся
1.Последовательная технологическая связь – это такая связь, когда поток, выходящий из од-ного элемента, является входящим для следующего и все технологические потоки проходят через каждый элемент системы не более одного раза (а). Последовательное соединение элементов – основной прием в химической технологии, т.к. оно соответствует многочис-ленному принципу переработки сырья в качественно различных элементах.
а)

2.Параллельная технологическая связь – это такая связь, когда выходящий из i-того элемента ХТС поток разбивается на несколько параллельных подпотоков (б). Параллельная техноло-гическая связь используется для повышения мощности, надежности, гибкости ХТС, а так-же при параллельном получении на базе одного исходного вещества двух или нескольких продуктов
б)



3.Последовательно-обводная технологическая связь (байпас, by-pass) – это такая технологи-ческая связь, при реализации которой часть выходного потока из одного элемента минует элементы ХТС в последовательной цепи аппаратов, а затем снова объединяется с основным потоком. Примером такой связи является цепь аппаратов: делитель потоков – теплообмен-ник – смеситель потоков (в) для регулирования температуры на выходе теплообменного узла
 
Кроме того, байпас широко применяется в системах переработки с последующим смещением, где для обеспечения заданного состава и качества продукта необходимо перерабатывать не весь поток, а лишь часть его. Потоки спешиваются в таком соотношении, чтобы получился продукт заданного качества.
Обратная технологическая связь.
Характеризуется наличием рециркуляционного потока, связывающего выходной поток по-следующего элемента ХТС с входным потоком предыдущего элемента (г)
 
Обратная технологическая связь предусматривает многократное возвращение потоков в один и тот же элемент системы. Типичными примерами ХТС с обратной связью является ХТС синтеза метанола, аммиака и др., где большая часть непрореагировавших газов рециркулиру-ется в процесс.
Для характеристики обратных связей используют коэффициент отношения рецирку-ляции
 
или коэффициент рециркуляции
 
Исследование химико-технологических систем.
Исследование сложных химико-технологических производств с использованием мето-дов и средств теории систем получило название системного анализа.
Системный анализ –результат успешного применения к исследованию и разработке ХТС опыта изучения, создания и эксплуатации химических производств с привлечением ме-тодов, используемых в химических, физических и математических науках, моделировании, вычислительной математике, автоматическом управлении и других разделах науки, практи-куемых в инженерно-химических исследованиях и разработках.
Обобщая опыт использования системного анализа, можно установить примерную по-следовательность этапов исследования и анализа ХТС в рамках системного анализа.
1.Выделение элементов, которые определяют свойства ХТС.
2.Установление зависимостей показателей выходных потоков от входных для каждого эле-мента, т.е. получение математического описания работы элемента и определение его свойств и особенностей. Поскольку в элементах ХТС происходит превращение потоков, то их описание основывается, главным образом, на физико-химических и физических зако-номерностях протекающих в них процессов.
3.Выделение связей между элементами , ответственными за проявление интересующих свойств ХТС.
Таким образом, определяется структура ХТС – совокупность элементов и связей между ни-ми. Математическое описание элементов создает основу количественных расчетов при ис-следовании системы. Эти этапы требуют знаний о процессах и практического опыта.
4.Исследование ХТС – расчет показателей определения свойств, изучение эволюции (разви-тия, изменения) ХТС для улучшения ее показателей и свойств. Здесь используются прин-ципы и методы различных областей науки – кибернетики, топологии, теорий информати-ки, игр, решений, катастроф, факторного анализа.
Большое значение в исследовании сложных систем имеет накопленный опыт исследования химических производств – так называемые "эвристические исследования".
Описание системы, состоящей из сотен элементов и связей, представляет собой сово-купность алгебраических, дифференциальных и интегральных уравнений. Поэтому основное средство системного анализа – компьютеры и суперкомпьютеры.