2 Классификация химико-технологических систем
Все системы условно можно разделить на малые и большие.
Малые системы включают типовые технологические процессы (ТПр) в определенном аппаратурном оформлении.
Большие системы – совокупность малых систем и отличаются от них в количественном и качественном отношениях. Большая система имеет:
- определенную целостность, общие цели и назначение;
- большие размеры, большое число выполняемых функций;
- сложность поведения.
Примером большой системы может служить химический цех или производство.
Любое химическое производство можно разделить на определенное число типовых звеньев, в которых протекают типовые процессы химической технологии (ХТ).
По характеру (идентичности) материальных и энергетических внутренних связей все ХТП можно разделить на
- массообменные (диффузионные);
- гидромеханические;
- тепловые;
- механические;
- химические.
В соответствии с целевым назначением и особенностью функционирования указанные процессы делятся на типовые. Например, диффузионные процессы включают следующие типовые процессы: абсорбцию (десорбцию), ректификацию, экстракцию, адсорбцию, сушку, кристаллизацию и т. д.
Схема классификации типовых технологических процессов представлена на рисунке 5.
По способу функционирования (или по изменению параметров во времени ) ХТС можно разделить на
- непрерывные, в которых параметры процесса и системы в целом остаются неизменными во времени (стационарными). Непрерывные ХТП и ХТС позволяют получать большое количество однородного продукта с единицы объема аппарата; сократить непроизводительные потери топливно-энергетических ресурсов и сырья; обеспечивают возможность полной автоматизации всех ХТП. Примерами таких ХТС являются нефтеперерабатывающие установки, производства синтетических каучуков, фенола, этилена, хлорметанов и др;
- непрерывно – циклические, в которых параметры процесса и системы в целом постоянны во времени. Однако переменные состояния в некоторых подсистемах и структура этих подсистем циклически изменяются во времени. Примером такой системы является установка адсорбции с неподвижным слоем адсорбента, где ХТС в целом работает непрерывно, а подсистемы (адсорберы) могут находиться в различных состояниях (адсорбция, десорбция, сушка, охлаждение). На рисунке 3 представлена схема адсорбционной установки с двумя адсорберами для разделения газовой смеси компонентов. Газовая смесь поступает в один из адсорберов, где извлекаемые компоненты адсорбируются, а сухой газ удаляется из аппарата. В то же время в другой адсорбер, в котором уже завершилась стадия адсорбции, вводится водяной пар для десорбции извлекаемых компонентов, которые направляются далее в конденсатор – холодильник и водоотделитель. Затем подается нагретый воздух для сушки адсорбента, а потом холодный воздух для окончательной подготовки адсорбента к последующему циклу адсорбции.
1, 2 – адсорбер; 3 – нагреватель
Рисунок 3 – Схема адсорбционной установки с двумя адсорберами
Переключение адсорберов осуществляется автоматически регулятором, работающим по заданному графику, приведенному на рисунке 4.
Рисунок 4 – Циклический график работы адсорберов
|
Рисунок 5 – Классификации основных (типовых) технологических процессов
|
Если продолжительность стадии десорбции, сушки и охлаждения превышает продолжительность стадии адсорбции, то для непрерывной работы установки необходимо большее число адсорбентов;
- непрерывно-периодические (дискретные), в которых входные переменные и переменные состояния отдельных ХТП и ХТС в целом периодически изменяются во времени. В структуру таких ХТС входят как непрерывные, так и периодические ХТП. Примером может служить полимеризация винилхлорида из суспензии, где реакторы работают периодически, а технологические блоки демономеризации и сушки поливинилхлорида работают непрерывно. Общая структура системы полимеризации – демономеризации винилхлорида приведена на рисунке 6; в таблице 1 представлены фазы работы рассматриваемой системы;
-ХТС многоцелевого производства (гибкие ХТС - ГХТС), предназначенные для производства малотоннажных продуктов. В соответствии с производственной программой и необходимыми аппаратами каждый раз заново формируется необходимая новая структура системы. В зависимости от этих условий в данном наборе аппаратов возможно получение одного или нескольких продуктов одновременно (рисунок 7). Примером может служить производство эпоксидных смол, красителей и т.д. Как правило, структура системы изменяется после завершения производства каждого продукта. Гибкие ХТС позволяют существенно интенсифицировать и повысить технико-экономические показатели производств малотоннажных продуктов;
- совмещенные многоассортиментные ХТС (СМ – ХТС), которые, используя одни и те же элементы (аппараты) при определенных жестких технологических связях между этими элементами и заданных режимах работы периодических ХТП, в зависимости от видов сырья позволяют выпускать одновременно несколько видов продукта (рисунок 8). Для таких систем характерны высокие значения коэффициентов использования технологического оборудования и возможность применения крупнотоннажных аппаратов.
1, 2 – периодически действующие реакторы; 3 – промежуточный сборник;
4 – узел демономеризации
Рисунок 6 – Структура схемы полимеризации – демономеризации
Следует отметить, что СМ – ХТС имеют ряд недостатков, связанных с необходимостью останова оборудования для промывания и очистки при переходе с выпуска одного ассортимента продуктов на другой,, с возможностью загрязнения одного продукта другим, с некоторыми потерями оборудования при смене ассортимента, с трудностями подбора оптимального ассортимента выпускаемых продуктов, с выбором оборудования из-за различия параметров ХТП при производстве разных продуктов. Несмотря на это использование оптимально организованных СМ – ХТС для производства малотоннажных продуктов является несомненно экономически выгодным, в частности для производства химических реактивов, органических красителей и промежуточных продуктов, пестицидов и др.
Рисунок 7 – ГХТС многоцелевого назначения
Рисунок 8 – ХТС с совмещенной структурой