![](/user_photo/_userpic.png)
III. хтс
.pdfХИМИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО КАК ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Структура и описание химико-технологической системы
Химическое производство (ХП)- совокупность операций, осуществляемых в машинах и аппаратах, связанных между собой технологическими, энергетическими, информационными потоками и предназначенных для переработки сырья в продукты.
Все части ХП взаимосвязаны, функционируют вместе, обеспечивая получение продукции и выполняя другие функции производства (такие, как управление, снабжение водой, теплом, энергией). (см. 1-ю лекцию)
Такой объект называется также системой.
Система - совокупность элементов и связей между ними, функционирующая как единое целое.
Элемент изменяет входящие в него потоки – их свойства и состояние. Выходящие потоки передаются по связям в другие элементы, в которых происходят последующие изменения потоков. Такая система функционирует как единое целое, перерабатывая входящие в нее потоки в выходящие из нее. Для исследования таких объектов, их свойств, особенностей функционирования развита теория систем.
В химическом производстве элементы - машины, аппараты и другие устройства; связи - трубо-, газо-, паропроводы, которые соединяют машины, аппараты, устройства. В элементах происходит превращение потоков (изменение их состояния - разделение, смешение, сжатие, нагрев, химические превращения и прочее). По связям потоки (материальные, тепловые, энергетические) передаются из одного элемента в другой. Это позволяет представить химическое производство как химико-технологическую систему (в дальнейшем будем также использовать сокращение ХТС).
Химико-технологическая система (ХТС) - совокупность аппаратов, машин
идругих устройств (элементов) и материальных, тепловых, энергетических и других потоков (связей) между ними, функционирующая как единое целое и предназначенная для переработки исходных веществ (сырья) в продукты.
Элемент изменяет состояние потока. Он может быть представлен отдельным аппаратом (реактором, смесителем, абсорбером, теплообменником, турбиной и т.д.) или их совокупностью, производящей какое-то изменение состояние потока. Например, реактор с теплообменником производит изменение химического состава
именяет теплосодержание потока. Степень детализации элемента: один аппарат или совокупность нескольких аппаратов; состав такой совокупности, - зависит от задачи исследований.
В зависимости от цели исследований не все аппараты будут влиять на интересующие свойства ХТС. Если цель исследований - определение производительности, выхода продукта и другие материальные показатели, то теплообменники, насосы и другое оборудование, не изменяющие состав потоков, можно не включать в ХТС. В этом случае говорят, что рассматривается технологическая подсистема производства. Если цель исследований - обеспечение производства энергией, то в ХТС включают энергетическое оборудование как ее элементы, и рассматривают энергетическую подсистему.
Характерные признаки ХТС
1)определенная целенаправленность, т.е. наличие общей цели функционирования всех элементов: системы работает на выпуск определенной продукции;
2)большое количество и ассортимент элементов (аппаратов), связанных материальными, энергетическими, информационными потоками, отсюда и большое число параметров, характеризующих работу ХТС;
3)сложность поведения системы, выражающаяся в том, что изменение режима одного из них отражается на работе других элементов или ХТС в целом, при этом оптимальный режим работы какого-либо элемента не гарантирует наилучшие условия функционирования ХТС;
4)высокая степень автоматизации и компьютеризации процессов
Таким образом, химико-технологическая система представляет собой обобщенную модель химического производства, отображающая его структуру и позволяющую предсказывать те или иные свойства и показатели химического производства. Представив химическое производство как химико-технологическую систему, можно использовать системный анализ для его исследованию, т.е. иметь научный метод его изучения.
Методы исследования ХТ- экспериментальный, моделирование и системный анализ.
Системный анализ - совокупность методов и средств изучения сложныхХТС. Методы:
1)строгие математические, которые основаны на ф/х сущности протекающих явлений в этих процессах и аппаратах - сис-ма управления.
2)эвристические - основаны на опыте эксплуатации установок, на здравом смысле; позволяют сократить размерность задачи
Этапы:
1)выделение элементов, которые определяют интересующие или необходимые свойства ХТС;
2)установление зависимостей выходных потоков от входных для каждого элемента, т.е. получение математического описания его и определение свойств и
![](/html/67787/163/html_jeXpKcCo8c.msET/htmlconvd-IZUYXt3x1.jpg)
особенностей. Поскольку в элементах ХТС происходят превращения потоков, то их описание основывается главным образом на физико-химических и физических закономерностях протекающих в них процессов;
3)выделение связей между элементами, ответственных за проявление интересующих свойств ХТС. Происходит выделение структуры сис-мы (ХТС) - совокупность элементов и их связей.
4)исследование ХТС - расчет показателей, опред-е св-тв(особенностей), изучение эволюции (развития, изменения) ХТС для улучшения ее показателей и свойств. Большое значение здесь имеют эвристические метод.
Моделирование - метод исследования объекта (явления, процесса, устройства) на модели
Модель - специально созданный для изучения объект любой природы, более простой, чем исследуемый, по всем св-вам, кроме тех, которые надо изучить, и способный заменить исследуемый объект так, чтобы получить новую инфу о нем.
физическое, при котором природа модели и исследуемого объекта одинаковы - основано на количественной связи(исследование обтекания самолета воздухом на модели в аэродинамической трубе)
математическое, в котором модель и объект имеют разную физ. природу, но одинаковые св-ва:
реальные (некое физ. устройство)
знаковые (математическое уравнение)
Состав и структура химико-технологической системы
Химическое производство ХТС) состоит из множества аппаратов и устройств, или просто элементов, связанных между собой разнообразными потоками. Исследовать его в целом при всем многообразии его составных частей - задача не только сложная, но и малоэффективная. В этой связи для облегчения изучения структуру ХТС целесообразно в ней выделить 2 типа подсистем, каждая из которых имеет свой отличительный признак: функциональный или масштабный.
Функциональные подсистемы обеспечивают выполнение функций производства и его функционирование в целом.
Т е х н о л о г и ч е с к а я п о д с и с т е м а - часть производства, где осуществляется собственно переработка сырья в продукты, химико-
технологический процесс.
Э н е р г е т и ч е с к а я п о д с и с т е м а - часть производства для обеспечения энергией химико-технологического процесса. В зависимости от вида энергии: тепловая, силовая, электрическая, - может быть представлена соответствующая подсистема.
П о д с и с т е м а уп р а в л е н и я - часть производства для получения информации о его функционировании и управления им. Обычно это - автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП).
Примерно так же функциональные подсистемы представлены в технической документации по производству. Напомним, что в зависимости от цели исследований, каждая из них в свою очередь может представлена несколькими видами. Совокупность функциональных подсистем образует состав ХТС.
Компоненты хим. производства:
Переменные компоненты постоянно потребляются или образуются в производстве:
сырье, поступающее на переработку;
вспомогательные материалы;
продукты (основной и дополнительный) как результат переработки сырья;
отходы производства;
энергия, обеспечивающая функционирование производства.
Постоянные компоненты закладываются в производство (оборудование, конструкции) или участвуют в нем (персонал) на весь или почти весь срок его существования:
аппаратура (машины, аппараты, емкости, трубопроводы, арматура);
устройства контроля и управления;
строительные конструкции (здания, сооружения);
обслуживающий персонал (рабочие, аппаратчики, инженеры и другие
работники производства).
Состав химического производства, обеспечивающий его функционирование как производственной единицы:
собственно химическое производство;
хранилища сырья, продуктов и других материалов;
транспортировка сырья, продуктов, промежуточных веществ, отходов;
дополнительные здания и сооружения;
обслуживающий персонал производственного подразделения;
система управления, обеспечения и безопасности.
Масштабные подсистемы выполняют определенные функции в последовательности процессов переработки сырья в продукты как отдельные части химико-технологического процесса. Эти масштабные подсистемы ХТС можно
![](/html/67787/163/html_jeXpKcCo8c.msET/htmlconvd-IZUYXt5x1.jpg)
систематизировать в виде иерархической последовательности - иерархической структуры ХТС (рис. 1).
Рис.1.Иерархическая структура ХТС или схема построения математической модели ХТС
1 ступень иерархии – отдельный аппарат – простейший элемент в структуре ХТС (реактор, абсорбер, ректификационная колонна, насос и прочее); (типовые химико-технологические процессы (механические, тепловые, диффузионные, химические) и локальные системы стабилизации);
2 ступень иерархии – несколько аппаратов, выполняющих вместе какое-то преобразование потока - реакционный узел, система разделения многокомпонентной смеси и так далее (ХТС, соответствующие технологическим цехам или участкам, САУ процессами организационного и технологического функционирования цехов или участков и САУ ХТС);
3 ступень иерархии – совокупность подсистем второго уровня подобно отделениям или участкам производства (в производстве серной кислоты: отделения обжига серосодержащего сырья, очистки и осушки сернистого газа, контактное, абсорбционное, очистки отходящих газов. К этим же подсистемам могут относиться водоподготовка, регенерация отработанных вспомогательных материалов, утилизации отходов).(сложные ХТС, отвечающие химическим производствам целевых или промежуточных продуктов, и САУ организационного и технологического функционирования производств);
4 ступень иерархии – химическое предприятие в целом и автоматизированная информационная система организационного управления предприятием
Иерархическая структура ХТС позволяет на каждом этапе сократить размерность исследуемой задачи, а результаты изучения подсистемы одного производства использовать в исследованиях другого. Представление ХТС в виде иерархической структуры следует рассматривать как способ ее изучения от простого к сложному.
Составные части ХТС
Классификация элементов ХТС проводится по их назначению.
М е х а н и ч е с к и е и г и д р о м е х а н и ч е с к и е э л е м е н т ы производят изменение формы и размера материала и его перемещение, объединение и разделение потоков. Эти операции осуществляются дробилками, грануляторами, смесителями, сепараторами, фильтрами, циклонами, компрессорами, насосами.
Т е п л о о б м е н н ы е э л е м е н т ы изменяют температуру потока, его теплосодержание, переводят вещества в другое фазовое состояние. Эти операции осуществляются в теплообменниках, испарителях, конденсаторах.
М а с с о о б м е н н ы е э л е м е н т ы осуществляют межфазный перенос компонентов, изменение компонентного состава потоков без появления новых веществ. Эти операции проводят в дистилляторах, абсорберах, адсорберах, ректификационных колоннах, экстракторах, кристаллизаторах, сушилках.
Р е а к ц и о н н ы е э л е м е н т ы осуществляют химические превращения, кардинально меняют компонентный состав потоков и материала. Эти процессы происходят в химических реакторах.
Э н е р г е т и ч е с к и е э л е м е н т ы осуществляют преобразование энергии и получение энергоносителей. К ним относят турбины, генераторы, приводы для выработки механической энергии, котлы-утилизаторы для выработки энергетического пара.
Э л е м е н т ы к о н т р о л я и уп р а в л е н и я позволяют измерить состояние потоков, контролировать состояние аппаратов и машин, а также управлять процессами, меняя условия его протекания. К ним относятся датчики (температуры, давления, расхода, состава и т.д.), исполнительные механизмы (вентили, задвижки, выключатели и т.д.), а так же приборы для выработки и преобразования сигналов, информационные и вычислительные устройства.
Взависимости от изучаемой подсистемы (часть ХТС) один и тот же элемент может иметь разное назначение. Котел-утилизатор охлаждает поток в технологической подсистеме, он - теплообменный элемент. В энергетической подсистеме котел-утилизатор вырабатывает пар и потому он - энергетический элемент.
Возможно совмещение элементов по их назначению в одном устройстве, например реактор-ректификатор. В нем одновременно происходит и химическое превращение (реакционный элемент), и компонентное разделение смеси (массообменный элемент).
Несмотря на относительность признаков назначения элементов ХТС, проведенная классификация элементов позволяет проводить исследования более детально.
![](/html/67787/163/html_jeXpKcCo8c.msET/htmlconvd-IZUYXt7x1.jpg)
Классификация связей (потоков). Потоки между аппаратами (связи между элементами) классифицируют по их содержанию:
М а т е р и а л ь н ы е п о т о к и переносят вещества и материалы по трубопроводам различного назначения, транспортерами и другими механическими устройствами.
Э н е р г е т и ч е с к и е п о т о к и переносят энергию в любом ее проявлении - тепловую, силовую, электрическую, топливную. Тепловая энергия и топливо для энергетических элементов передается обычно по трубопроводам (пар, горячие потоки, горючие газы и жидкости). Силовая энергия - также по трубопроводам (в виде газов под давлением) или механически через вал двигателей и другие приводы. Провода, силовые кабели передают электрическую энергию.
И н ф о р м а ц и о н н ы е п о т о к и используются в системах контроля и управления процессами и производством. Используются электрические провода и тонкие, капиллярные, трубки в пневматических системах.
Структура связей (технологические связи). Последовательность прохождения потоков через элементы ХТС определяет структуру связей и обеспечивает определенные условия работы элементов системы. Основные типы структуры связей показаны на рис. 2. Здесь прямоугольники представляют элементы, линии со стрелками - связи и направления потоков.
П о с л е д о в а т е л ь н а я с в я з ь ( 1 ) Поток проходит поочередно аппараты. Применение: последовательная переработка сырья в разных операциях, более полная переработка сырья последовательными воздействиями на него, управление процессом путем необходимого управляющего воздействия на каждый элемент.
(Пример: в производстве серной кислоты из серы сначала получают серы (IV) оксид, потом серы (VI) оксид и лишь на третьей стадии целевой продукт - Н2SО4.)
П а р а л л е л ь н а я с в я з ь ( 2 и 3 ) Поток разветвляется, отдельные части его проходят через разные аппараты, после чего потоки объединяются. Если мощность некоторых аппаратов ограничена, то несколько их ставят параллельно, обеспечивая суммарно производительность всей системы. (Применение: для повышения мощности, для получения на базе одного исходного вещества двух или нескольких продуктов, при переработке побочных продуктов на базе одного вещества.
(Пример: из природного газа в результате его переработки получают аммиак и диоксид углерода Аммиак может быть использован для производства нитрата аммония (аммиачной селитры), а диоксид углерода совместно с аммиаком – для производства карбамида.)
О б в о д н а я с в я з ь , и л и б а й п а с ( 4 и 5 ) Часть потока перед аппаратом проходит мимо него, "обходит" его. Такая схема используется в основном для управления процессом. Например, условия передачи тепла в теплообменника меняются со временем (загрязнения поверхности, изменение нагрузки). Необходимые температуры потоков поддерживают байпасированием их мимо
![](/html/67787/163/html_jeXpKcCo8c.msET/htmlconvd-IZUYXt8x1.jpg)
теплообменника. Величину байпаса определяют как доля основного потока, проходящего мимо аппарата: = VБ/V0 . (Применение: в основном для управления процессом, например, в случае проведения обратимых экзотермических реакций в
режиме, близком к ЛОТ. (Пример: подача азотоводородной смеси в колонну при синтезе аммиака (байпас), (для регулирования температуры на выходе из теплообменного узла; контактный аппарат, в котором происходит окисление SО2 до SО3. На входе в последний слой катализатора в основной технологический поток вводится холодный газ, который поступает байпасом.)
О б р а т н а я с в я з ь ( р е ц и к л ) ( 6 , 7 , 9 ) Часть потока после одного из аппаратов (элемента ХТС) возвращается в предыдущий. Через аппарат, в который направляется рецикл VР, проходит поток V больший, чем основной V0, так что V = V0 + VР. Отношение величин потоков, проходящего через аппарат и основного, называют кратностью циркуляции:
КР = V/V0.
Рецикл называется полным , если составы рецикла и потока, из которого он вышел, одинаковы. Применение: для регенерации тепловой энергии выходного горячего потока или для интенсификации автокаталитических реакций, для которых скорость превращения возрастает по мере накопления продукта.
Рецикл называется фракционным , если выходной поток подвергается разделению и составы рецикла и потока, из которого он вышел, неодинаковы. Применение: для более полного использования сырья.
кислоты по циклической схеме, в которой окисление SО2 до SO3 осуществляют техническим кислородом, который содержит незначительное количество азота.)
Перекрёстная связь (схема 8). Применение: только для энергетических потоков.
![](/html/67787/163/html_jeXpKcCo8c.msET/htmlconvd-IZUYXt9x1.jpg)
1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VБ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
V0 |
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V0 |
|
|
VР |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
6 |
|
|
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
|
|
|
|
|
|
Рис. 2. Виды технологических связей: V0 – объёмный расход исходного вещества, VР – объёмный расход рецикла, VБ – объёмный расход байпаса, V – объёмный расход реагентов на входе в реактор, Р – разделитель.
Модели ХТС
Для всестороннего исследования ХТС как обобщенной модели химического производства, целесообразно выделить ряд моделей которые можно разделить на две группы: описательные А (в виде формул, уравнений) и графические (в виде схем и других графических изображений) Б. В каждой из названных групп также можно выделить несколько видов моделей, различающихся по форме и назначению:
А: Описательные модели: химическая, операционная, математическая; Б: Графические модели: функциональная, технологическая, структурная,
специальные.
А: Химическая модель (схема) представлена основными реакциями (химическими уравнениями), которые осуществляют переработку сырья в продукт. Примеры:
1) Синтез аммиака из водорода и азота представлен одним химическим уравнением
|
|
3H2 + N2 = 2NH3 |
Производство аммиака |
из природного газа (метана) требует провести |
|
несколько химических реакций: |
|
|
СН4 + Н2О = СО + 3Н2 |
- конверсия метана с водяным паром, |
|
СО + Н2О = СО2 + Н2 |
- |
конверсия оксида углерода, |
3H2 + N2 = 2NH3 |
- |
синтез аммиака. |
2) Получение серной кислоты из серы протекает через следующие |
||
превращения: |
|
|
S2 + 2О2 = 2SО2 |
- |
сжигание серы, |
2SО2 + О2 = 2SО3 |
- |
окисление диоксида серы, |
SО3 + Н2О = Н2SО4 |
- |
хемосорбция триоксида серы. |
Приведенные химические схемы в виде стехиометрических уравнений, отражают последовательную связь в системе превращения сырья в продукт. На этапе составления химической схемы можно также рассчитать из термодинамических данных тепловые эффекты реакций, выяснить, будет ли реакция обратимой и какие можно обеспечить максимальные (равновесные) степени превращения. Зная кинетику реакций, можно предложить условия, при которых быстро достигаются эти максимальные значения.
Эти уравнения - химическая схема - показывают генеральный путь превращения сырья в продукт. Но реализация этих превращений не ограничивается только ими - необходимы еще стадии, обеспечивающие эти химические преобразования или детализирующие их, что представлено в другом описании процесса.
А: 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 нежелательных серосодержащих соединений (ядов) адсорбцией сероводорода
Н2S + ZnO = ZnS +Н2O
2) Конверсия метана с водяным паром. И природный газ (СН4), и вода (Н2O) являются сырьем для получения одного из компонентов для синтеза аммиака - водорода Н2. В этом превращении на самом деле протекают одновременно две реакции
СН4 + Н2O = СО + 3Н2
СО + Н2O = СО2 + Н2.
3) Конверсия оксида углерода с водяным паром (в предыдущем процессе оксид углерода СО не полностью превращается в СО2 из-за равновесных ограничений)