2. Химико-технологические системы

2 1. Понятие химико-технологической системы

Выше было дано определение химического производства, из которого следует, что химическое производство - это система, а точнее, химико-технологическая система (ХТС) - совокупность аппаратов, связанных между собой потоками и функционирующих как единое целое. В каждом аппарате, или элементе по терминологии теории систем, происходит преобразование потока (смешение, разделение, измельчение, нагрев, преобразование энергии, сжатие, расширение, химическое превращение, испарение и т.д.). Потоки, или связи по терминологии систем, обеспечивают передачу вещества или энергии между аппаратами (элементами системы) и могут быть материальными, тепловыми, энергетическими.

Поэтому ХТС - представление химического производства в виде системы, как она определена выше. Изучение систем (в том числе ХТС) проводится методами теории систем. Конкретная реализация и приложение этой теории выражается в виде системного анализа - совокупности методов и средств изучения сложных систем. Универсальным средством изучения являются современные ЭВМ. Методы изучения систем включают эвристические или неформализованные методы и формализованные или строгие математические приемы, машинные алгоритмы - расчета, анализа и построения схем, совокупность приемов, вырабатываемых в практической работе исследователей, инженеров.

Функционирование ХТС характеризуют состоянием ХТС, т.е. показателями всех потоков и аппаратов. Показатели потоков называют параметрами, которые разделяются на параметры состояния и параметры свойств. К первым относятся расход и концентрация компонентов в потоке температура, давление и др., ко вторым - теплоемкость, вязкость, плотность.

Показателями аппарата (элемента являются параметры выходящих и входящих потоков, показатели управляющих воздействий, некоторые параметры состояния этого элемента, определяющие его функционирование в данный момент времени и существование для оценки состояния ХТС в целом (активность катализатора, максимальная температура в аппарате и др.).

Для построения и анализа ХТС необходимо иметь ее описание, или модель, позволяющую качественно и количественно определить состояние ХТС.

2.2. Модели химико-технологических систем.

Принимаются три вида моделей ХТС - химическая, графическая и математическая.

Химическая модель, в основу которой положены химические реакции, протекающие в системе, передается химической схемой.

Химическая схема показывает основные и побочные химические реакции, протекающие при переработке сырья с получением необходимого продукта.

Примером может служить химическая схема производства соды:

NaCl+NH₃+CO₂+H₂O=NaHCO₃+NH₄Cl

2NaHCO₃ = Na₂CO₃+CO₂+H₂O

2NH₄Cl+Ca(OH)₂=CaCl₂+2NH₃+2H₂O (2.1.)

CaO+H₂O=Ca(OH)₂

CaCO₃=CaO+CO₂

Сравнение различных вариантов химических схем, например, схем получения одного и того же продукта на базе различного сырья, позволяет выбрать из них наиболее эффективную. При сравнении химических схем получения продуктов учитываются не только стоимость и доступность сырья, но и возможные побочные реакции снижающие выход целевого продукта и селективность, обуславливающие образование отходов, увеличение расхода энергии на переработку сырья ит.д. Рассмотрение химических схем позволяет предусмотреть аппаратурное оформление процессов, выбор конструкционных материалов, возможность автоматизации и др.

Химические схемы широко используются при разработке, модернизации и проектирования технологических процессов.

Графические модели позволяют получать наглядное представление о способе взаимодействия между отдельными элементами системы, что представляется в виде схем - функциональной, технологической, структурной, основой которых являются химические схемы.

Функциональная схема (ХTС) (рис.2.1.) строится на основе химической системы. Она показывает технологические связи между процессами, протекающими на всех стадиях производства продукта, а именно - подготовка сырья, химических превращений, выделения и очистки продуктов.

Таким образом, эта схема дает общее представление о функционировании ХТС и служит предпосылкой для аппаратурного оформления и разработки технологической и структурной схем процесса.

Технологическая схема ХТС показывает элементы системы, способы их соединения и последовательность технологических операций. Для этого в технологической схеме каждый элемент (агрегат, аппарат) имеет общепринятое изображение, соответствующее его конструктивному оформлению. Связи между ними (технологические связи) изображаются в виде стрелок. На технологической схеме кратко могут быть приведены данные о веществах, участвующих в процессе, и о параметрах процесса. В качестве примера на рис. 2.2. приведена технологическая схема ХТС синтеза аммиака.

Известняк Поваренная соль

раствор NH₄Cl

Раствор CaCl₂

сода

Рис.2.1.. Функциональная схема производства соды.

Рис. 2.2.. Технологическая схема ХТС производства аммиака:

1 - колонна синтеза; 2 - водяной холодильник; 3 - сепаратор; 4 - циркуляционный компрессор; 5 - фильтр; 6 - конденсационная колонна; 7 - испаритель.

Технологические схемы получают в результате научной разработки данного способа производства. Следует отметить наглядность представления процессов с помощью технологических схем, что привело к их использованию, как при эксплуатации, так и при проектирований ХТС.

Структурная (блочная ) схема ХТС, в отличие от технологической схемы, включает элементы ХТС в виде блоков, имеющих входы и выходы. Она показывает технологические связи между блоками, указывающие направление движения материальных и энергетических потоков системы, линиями со стрелками. Структурная схема ХТС синтеза аммиака представлена на рис .2.3.

Рис. 2.3. Структурная схема XTС синтеза аммиака:

1 - колонна синтеза аммиака; 2 - водяной конденсатор; 3 - сепаратор;.4 –циркуляционный компрессор;5 – фильтр; 6 - конденсационная колонна; 7-испаритель.

На структурной схеме очень четко прослеживаются направление потоков. Простота оформления, наглядность изображения обусловили широкое применение схем этого типа при разработке и проектировании ХТС. Если имеется набор "блоков", то представляется возможным изменение их взаимоположения, можно "проигрывать" различные варианты проектируемой ХТС и выбирать наилучшие.

Операторная схема ХТС основана на том, что каждый элемент ХТС представляет, собой совокупность нескольких типов технологических операторов или отдельных типовых технологических операторов.

Технологический оператор ХТС - это элемент ХТС, в котором происходит качественное или .количественное преобразование физических параметров входных материальных и энергетических потоков в физические параметры выходных материальных и энергетических потоков в результате протекающих в нем химических или физических процессов. Это может быть, например, изменение температуры, плотности, вязкости или других параметров, при осушествлении в данном элементе ХТС химической реакции, процессов массообмена, разделения, смешения, нагревания и т.д.

Как было показано выше, существует множество иерархических уровней представления ХТС. Однако, при рассмотрении ХТС с целью ее расчета с составлением теплового и материального балансов, расчета и оптимизации ее элементов, рекомендуется использовать в качестве низшего уровня представления элементов ХТС типовые технологические операторы соответствующие первому уровню представления ХТС.

Типовые технологические операторы представляют типовые химико-технологические процессы, происходящие в элементах ХТС, при которых качественно или количественно преобразуются параметры потока: химические реакции, массообмен, смешение, разделение, нагрев, охлаждение, сжатие, расширение, изменение агрегатного состояния (конденсация, испарение, растворение).

Из всего множества технологических процессов различают только СЕМЬ типовых технологических операторов, с использованием которых возможно синтезировать ХТС любой сложности.

Типовые технологические операторы обычно делят на основные технологические операторы и вспомогательные технологические операторы.

Таблица2.1

Технологические операторы ХТС

Основные технологические операторы		Вспомогательные технологические операторы
	- химическое превращение		- нагрева и охлаждения
	- смешение		- сжатия и расширения
	- разделение		- изменения агрегатного состояния вещества
	- межфазный массообмен

Различия между основными и вспомогательными операторами заключаются в том, что основные технологические операторы обеспечивают функционирование ХТС в требуемом целевом направлении, а вспомогательные – повышают эффективность функционирования системы путем изменения ее энергетического и фазового состояний.

Операторная схема ХТС с помощью операторов показывает взаимосвязь между отдельным элементами системы, а также отражает физико-химическую сущность процессов, протекающих в системе.

На рис.2.4. приведена схема, на которой отражены три стадии химико-технологического процесса. Каждая стадия может включать несколько типовых технологических операторов.

Рис.2.4. Операторная схема некоторой ХТС:

1 - стадия подготовка; 2 - стадия химического превращения; 3 – разделение.

Операторные схемы нашли применение главным образом как исходной этап при составлении математических моделей ХТС. Графические схемы (модели) дают структуру ХТС, т.е. показывают аппараты (или группы аппаратов), производящие некоторые операции над потоками, порядок их соединения и направления потоков.

Следует отметить, что аппараты обычно представляют собой достаточно сложные технологические системы, следовательно, их также можно рассматривать как ХТС. Рассмотрим эти варианты на примере трехполочной колонны синтеза аммиака, являющейся составной частью производства аммиака (Рис. 2.5).

Рис.2.5. Схемы колонны синтеза аммиака

а) Общая схема колонны (аппарата) синтеза аммиака; б) Операторная технологическая схема колонны синтеза аммиака

В одном случае (Рис.2.5,а), колонна синтеза рассматривается как единый вертикальный цилиндрический аппарат, в который, по одним патрубкам входит азотоводородная смесь, а по другим выходит конвертированный газ. Таким образом, если нет необходимости рассматривать процессы, происходящие внутри колонны, то ее можно изобразить как адиабатный стехиометрический реактор с заданной степенью превращения. В случае, если требуется рассмотреть влияние процессов происходящих внутри колонны, например, определить требуемое количество катализатора по слоям, активность катализатора, требуемую поверхность теплообмена и т.п., то необходимо рассматривать колонну с учетом ее элементов, функционально влияющих на работу аппарата, например, на уровне технологических операторов (Рис. 2.5,б). В этом случае она будет состоять из трех слоев катализатора (поз.141, 143 и 145), двух теплообменников (поз. 133 и 139), двух смесителей потоков (поз. 142 и 144) и делителя потока (поз. 140).

Таким образом, в зависимости от необходимости, ХТС может быть рассмотрена на любом уровне сложности ее элементов.

Элементом ХТС называется часть ХТС, которая в конкретном рассмотрении является неделимой.

В качестве более сложного примера рассмотрим технологическую схему производства аммиака (Рис.2.6 и Рис.2.7.). Как видно на Рис.2.6, элементами ХТС производства аммиака являются элементы, условно называемые ХТС-1, ХТС-2, ХТС-3 и ХТС-4, т.е. в конкретном рассмотрении ХТС нет необходимости их детализации. Иным образом, в конкретном рассмотрении они являются своеобразными "черными ящиками", выполняющих функции преобразования входных параметров в выходные. В случае необходимости, каждый их этих элементов (или все указанные элементы) может быть детализован.

Рис.2.6. Функциональная схема производства аммиака

Например, на Рис.2.7 представлена ХТС оператора ХТС-1 в более детальном – операторном виде. В случае необходимости, элементы схемы, представленной на Рис.2.7 также могут быть детализованы.

Таким образом, в общем виде, как сама технологическая установка, так и каждый ее элемент (который также является технологической системой, но младшего иерархического уровня) могут быть изображены в виде схемы, представленной на Рис.2.8.

Рис 2.7. Операторная схема ХТС-1

Рис.2.8. Принципиальная схема элемента (подсистемы) ХТС

В данном случае, к входным и выходным технологическим параметрам (X, Y) относятся параметры технологических потоков: температура, расход, состав, давление, теплота и т.д., к параметрам управления (U) – степень открытия заслонки, мощность двигателя компрессора и т.д., к параметрам установки (К) – текущую активность катализатора, активную поверхность теплообменника и т.д. Так как входные и выходные технологические параметры характеризуют потоки вещества и энергии, то, как для режима работы всей установки, так и для режима работы каждого ее элемента можно составить материальный и энергетический балансы. Таким образом, выходные технологические параметры будут четко зависеть от входных технологических параметров, параметров управления и параметров установки:

Y = f (X, U, K) (2.2)

В данном уравнении функция "f" характеризует протекающие процессы, которые с достаточной степенью точности могут быть отображены через совокупность физико-химических закономерностей протекающих процессов, и связывающих изменение температуры, давления, объема, концентрации и т.д. в этих процессах. Таким образом, каждый элемент ХТС представляет собой некую подсистему, являющуюся одновременно элементом ХТС.

С целью классификации элементов ХТС применяется иерархический принцип. Обычно различают четыре основных уровня иерархии элементов (подсистем) ХТС:

1. Типовые ХТП и их совокупность в масштабах машин и аппаратов;

2. Агрегаты и комплексы, представляющие совокупность типовых процессов в масштабах производств и их отдельных участков;

3. Совокупность производств в масштабе выпуска товарной продукции;

4. Химическое предприятие в целом.

Как было сказано выше, данное деление по уровням иерархии является условным, следовательно, в зависимости от конкретной задачи может появиться необходимость, например, рассмотреть типовые ХТП на уровнях подсистем их элементов (уровень ниже первого) или рассмотреть совокупность предприятий в региональном масштабе (уровень выше четвертого). Однако при переходе на другие уровни или при одновременном рассмотрении ХТС на различных уровнях одновременно, следует учитывать универсальные принципы построения элементов (подсистем) ХТС и их функционирования.

Математические модели позволяют дать формализованное или строгое количественное математическое описание ХТС в виде системы уравнений, передающих действие каждого узла и каждой связи.

Обозначим Х_к - параметр (состояние) потока на входе в К-й аппарата; Y_к - параметр потока на выходе из К-го аппарата ; Z_k - конструкционный параметр аппарата; U_k - управляющий параметр.

Все эти параметры, вообще говоря, многомерны, т.е. представляют ряд показателей потока.

Математическое описание состоит из двух групп уравнений:

- описание элемента ХТС, т.е. математическое описание процесса в аппарате (элементе) в виде функциональной зависимости:

Y_к = F_k (Х_к, Z_k, U_k) (2.3)

Эта зависимость может быть представлена в виде системы алгебраических, дифференциальных и других уравнений.

- описание технологических связей между аппаратами

Х_к=α _l-k*Y_l (2.4)

где α _l-k =1 для потока, выходящего из l-го аппарата и входящего в К-й аппарат;

α _l-k =0, если между l-м и K-м аппаратами нет технологической связи;

Y_l -параметр состояния потока, выходящего из l-аппарата. Решение системы уравнений (2.3) и (2.4) достаточно сложная задача, решаемая, как правило, с помощью ЭВМ.