1.3. Химико-технологическая система

1.3.1. Химико - технологический процесс как химико - технологическая система

Химическое производство ‑ совокупность машин, аппаратов и других устройств, связанных между собой материальными трубопроводами и паропроводами, линиями электрическими, транспортными и связи (для информации и управления). Все они взаимосвязаны и функционируют вместе, обеспечивая получение продукции и выполняя другие функции производства. Такой объект называется системой.

Система ‑ совокупность элементов и связей между ними, функционирующая как единое целое. Для исследования таких объектов, их свойств, особенностей функционирования развита теория систем.

В химическом производстве элементы ‑ это машины, аппараты и другие устройства; связи ‑ это материальные трубопроводы, паропроводы и проч., которые соединяют машины, аппараты. В элементах происходит превращение потоков (изменение их состояния ‑ разделение, смешение, сжатие, нагрев, химические превращения и т.д.). По связям потоки передаются из одного в другой. Это позволяет представить химическое производство как химико-технологическую систему.

Химико-технологическая система (ХТС) ‑ совокупность аппаратов, машин и других 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.

Реакционный узел также можно представить как систему ‑ совокупность реакторов, теплообменников, смесителей (элементов) и потоков между ними (связей), функционирующую как единое целое. По отношению к ХТС в целом эта подсистема ‑ часть большой системы.

В зависимости от цели исследования не все аппараты будут влиять на интересующие исследователей свойства ХТС. Если цель исследований ‑ определение производительности, выхода продукта и другие материальные показатели, то теплообменники, насосы и другое оборудование, не изменяющее состав потоков, можно не включать в ХТС. Если цель исследований - обеспечение производства энергией, то в систему включают энергетическое оборудование как ее элементы.

Химическое производство состоит из десятков и сотен разнородных аппаратов и устройств, связанных между собой разнообразными потоками. Исследовать его в целом при огромном многообразии его составных частей ‑ задача не только сложная, но и малоэффективная. Фактически исследование сложных ХТС сводится к изучению ее подсистем. Будем выделять подсистемы по двум признакам ‑ функциональному и масштабному.

Реакционный узел ‑ по масштабу малая подсистема во всем технологическом процессе переработки сырья в продукты. Энергетическая подсистема по масштабу охватывает все производство, но выполняет определенную функцию.

Функциональные подсистемы обеспечивают выполнение определенных функций производства и его функционирование в целом.

Технологическая подсистема ‑ часть производства, где осуществляется собственно переработка сырья в продукты химико-технологического процесса.

Энергетическая подсистема ‑ часть производства, служащая для обеспечения тепловой, силовой, электрической энергией химико - технологического процесса. В зависимости от вида энергии может быть представлена соответствующая подсистема.

Подсистема управления ‑ 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. Совокупность функциональных подсистем образует состав ХТС.

Масштабные подсистемы как отдельные части химико - технологического процесса выполняют определенные функции в последовательности процессов переработки сырья в продукты.

Масштабные подсистемы ХТС также можно систематизировать в виде их иерархической последовательности ‑ иерархической структуры ХТС (рис. 7).

В структуре ХТС минимальный элемент ‑ отдельный аппарат (реактор, абсорбер, ректификационная колонна, насос и прочее). Это низший масштабный уровень. Несколько аппаратов, выполняющих вместе какое-то преобразование потока, элементы подсистемы следующего масштабного уровня (реакционный узел, система разделения многокомпонентной смеси и т. д.). Отделения или участки производства, например в производстве серной кислоты - отделения обжига серосодержащего сырья, очистки и осушки сернистого газа, контактное, абсорбционное, очистки отходящих газов образуют следующий масштабный уровень. Совокупность отделений, участков образует ХТС производства в целом. Описанное выделение подсистем условно.

Рис. 7. Иерархическая структура химико-технологической системы

Анализ ХТС заключается в получении сведений о состоянии ХТС, показателях ее эффективности и функционировании системы, а также о влиянии на эти данные химической схемы, структуры технологических связей, свойств и состояния элементов и подсистем, условий эксплуатации.

Фактически анализ ХТС ‑ получение технических (производительность, расходный коэффициент, выход продукта, интенсивность процесса, удельные капитальные затраты, качество продукта), экономических (себестоимость, производительность труда), эксплуатационных (надежность, безопасность функционирования), социальных (безвредность обслуживания, степень автоматизации и экологическая безопасность) показателей химико-технологического процесса.

Анализ ХТС осуществляется при разработке и проектировании нового химического производства, при эксплуатации действующего производства, для сравнения различных вариантов реализации процесса, при модернизации и реконструкции производства.

Первым шагом в анализе ХТС является определение ее состояния, т. е. расчет ХТС. Зная изменение состава и количества потоков, энергетические расходы, можно провести и другие расчеты ‑ эффективности использования сырья и энергии как технологических показателей, экономических показателей, некоторых социальных показателей, определяемых свойствами всех компонентов химико-технологического процесса, в том числе отходов производства. Эксплуатационные показатели определяются в основном из реакции системы на те или иные возмущения в процессе (изменение состава и количества сырья, энергетического обеспечения, состояния аппаратов, включая выход из строя некоторого оборудования, а также воздействия на режимы отдельных аппаратов и узлов). При этом необходимо учитывать, что ХТС обладает свойствами, не присущими отдельным ее элементам, что обусловлено взаимозависимостью их режимов.

Синтез или построение ХТС заключается в определении основных технологических операций и их последовательности, выборе аппаратов и установлении связей между ними, определении параметров технологических режимов отдельных аппаратов и системы в целом, обеспечивающих наилучшие условия функционирования ХТС.