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.

Технологическая подсистема - часть производства, где осуществляется собственно переработка сырья в продукты, химико-технологический процесс.

Энергетическая подсистема - часть производства для обеспечения энергией химико-технологического процесса. В зависимости от вида энергии: тепловая, силовая, электрическая, - 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. Напомним, что в зависимости от цели исследований, каждая из них в своюочередь может представлена несколькими видами. Совокупность функциональных подсистем образует состав ХТС. (См.1-ю лекцию)

Масштабные подсистемы выполняют определенные функции в последовательности процессов переработки сырья в продукты как отдельные части химико-технологического процесса. Эти масштабные подсистемы ХТС можно систематизировать в виде иерархической последовательности - иерархической структуры ХТС (рис. 1).

Рис.1.Иерархическая структура ХТС или схема построения математической модели ХТС

В структуре ХТС простейший элемент - отдельный аппарат (реактор, абсорбер, ректификационная колонна, насос и прочее). Это - низший масштабный уровень I. Несколько аппаратов, выполняющих вместе какое-то преобразование потока, - элементы подсистемы II-го масштабного уровня (реакционный узел, система разделения многокомпонентной смеси и так далее). Совокупность подсистем второго уровня как элементы образуют подсистему III-го 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. Совокупность отделений, участков образуют ХТС производства в целом.

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.

Элементы хтс

Классификация элементов ХТС проводится по их назначению.

Механические и гидромеханические элементы производят изменение формы и размера материала и его перемещение, объединение и разделение потоков. Эти операции осуществляются дробилками, грануляторами, смесителями, сепараторами, фильтрами, циклонами, компрессорами, насосами.

Теплообменные элементы изменяют температуру потока, его теплосодержание, переводят вещества в другое фазовое состояние. Эти операции осуществляются в теплообменниках, испарителях, конденсаторах.

Массообменные элементы осуществляют межфазный перенос компонентов, изменение компонентного состава потоков без появления новых веществ. Эти операции проводят в дистилляторах, абсорберах, адсорберах, ректификационных колоннах, экстракторах, кристаллизаторах, сушилках.

Реакционные элементы осуществляют химические превращения, кардинально меняют компонентный состав потоков и материала. Эти процессы происходят в химических реакторах.

Энергетические элементы осуществляют преобразование энергии и получение энергоносителей. К ним относят турбины, генераторы, приводы для выработки механической энергии, котлы-утилизаторы для выработки энергетического пара.

Элементы контроля и управления 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.

В зависимости 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.

Классификация связей (потоков). Потоки между аппаратами (связи между элементами) классифицируют по их содержанию:

Материальные потоки переносят вещества и материалы по трубопроводам различного назначения, транспортерами и другими механическими устройствами.

Энергетические потоки 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.

Информационные потоки используются в системах контроля и управления процессами и производством. Используются электрические провода и тонкие, капиллярные, трубки в пневматических системах.

Структура связей. 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.

Последовательная связь(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.

Параллельная связь(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.

Обводная связь, или байпас(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 теплообменника. Величину байпаса  определяют как доля основного потока, проходящего мимо аппарата:  = V_Б/V₀

Обратная связь (6,7,9) Часть потока после одного из аппаратов (элемента ХТС) возвращается в предыдущий. Через аппарат, в который направляется рецикл V_Р, проходит поток V больший, чем основной V₀, так что V = V₀ + V_Р. Отношение величин потоков, проходящего через аппарат и основного, называют кратностью циркуляции:

К_Р = V/V₀.

Рецикл называется полным, если составы рецикла и потока, из которого он вышел, одинаковы. Он используется, например, 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. Применяется для более полного использования сырья.

Перекрёстная связь (схема 8) используется только для энергетических потоков.

Рис. 2. Виды технологических связей: V₀ – объёмный расход исходного вещества, V_Р – объёмный расход рецикла, V_Б – объёмный расход байпаса, V – объёмный расход реагентов на входе в реактор, Р – разделитель.

Для выполнения п.4.»основных этапов при исследовании и анализе ХТС» т.е. для определения количественных показателей функционирования системы нужны также математические описания происходящих в ней процессов (об этом чуть ниже).

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.

Здесь перечислены не все виды моделей, применяемых при исследовании ХТС, - только те, которые будут использованы далее.

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)

СО + Н₂O = СО₂ + Н₂.

После этого процесса достигается максимально возможное извлечение водорода из исходного сырья - метана СН₄ и воды Н₂O.

4) Получение азота N₂ - второго исходного компонента для синтеза аммиака. В современных схемах его получают их воздуха "выжиганием" из него кислорода

3О₂ + 2СН₄ = 2СО + 4Н₂O.

5) Абсорбция диоксида углерода - удаление СО₂, полученного при получении водорода. Его поглощают раствором селективного растворителя (моноэтаноламин)

СО₂ + 2RNH₂ + Н₂О = (RNH₃)₂СО₃

6) Очистка газа от оксида углерода СО. На стадии 3 небольшое количество СО остается, и он мешает синтезу аммиака, отравляя катализатор. Удаляют его, превращая в безвредный метан

СО + 3Н₂ = СН₄ + Н₂О

7) Синтез аммиака (после всех стадий получена чистая азото-водородная смесь; примесь СН₄, полученная в предыдущей стадии, мала)

3Н₂ + N₂ = 2NH₃

Химическая и описательная схемы дают первое описание и представление о производстве и его основных стадиях. Для дальнейшего рассмотрения ХТС удобней использовать графические модели.

А: Математическая модель (описание). Для количественных выводов о функционировании ХТС необходимо иметь ее математическую модель. Как уже было определено, система - "совокупность элементов и связей...", и ее модель будет представлена двумя системами уравнений - для элементов и связей.

В элементе происходит преобразование потоков. Математическая модель процесса в элементе устанавливает связь параметров выходных потоков Y_K их k-го элемента и входящих в него Х_K. Показатели потока - это его величина, состав (концентрации), температура, давление, теплосодержание и другие параметры. На состояние потока на выходе могут влиять некоторые параметры U_K, которыми управляют процессом или меняются в процессе эксплуатации. В общем виде

.(1)

Черточки над Y_K, Х_K, U_K означают множество параметров (концентрации, температура и другие). В качестве примеров можно математические модели реактора, абсорбера, компрессора и других аппаратов и машин.

Уравнения связей в ХТС определяют из какого элемента в какой передается поток. Эти уравнения в общем виде выглядят так:

, (2)

где _l-k структкрный коэффициент, _l-k = 1 для потока, выходящего из l-го элемента и входящего в k-й элемент; _l-k = 0, если между L-м и К-м элементами нет связи.

Для входящих в ХТС и выходящих из нее потоков используют обычно индекс "0" как обозначение внешней среды.

Учитывая большое количество и ассортимент элементов в ТС система уравнений (1)-(2) довольно громоздка и решается, как правило, с помощью электронных вычислительных машин.

Б: Функциональная модель (схема) строится на основе химической и операционной в виде связанных между собой блоков операций (отделений или подсистем) и наглядно отражает основные стадии химико-технологического процесса и их взаимосвязи. Представление основных операций химико-технологического процесса в виде функциональной схемы весьма удобно для его понимания. Она дает общее представление о функционировании ХТС и служит предпосылкой для аппаратурного оформления и более детальной разработки ХТС.

Приведем пример функциональной схемы – ХТС производства аммиака (рис.3):

Рис.3. Функциональная схема ХТС производства аммиака:

1 – отделение очистки природного газа от серосодержащих соединений; 2 – отделение паровоздушной конверсии метана; 3 – отделение конверсии оксида углерода водяным паром; 4 – отделение очистки азотоводородной смеси от оксидов углерода; 5 – отделение синтеза аммиака

Б: Технологическая модель (схема) показывает элементы системы, порядок их соединения и последовательность технологических операций. В технологической схеме каждый элемент (агрегат, аппарат, машина) имеет общепринятое изображение, соответствующее его внешнему виду. Связи изображены обычно линиями со стрелками или даже в виде трубопроводов. Нередко расположение аппаратов соответствует их примерной расстановке в цехе. На технологической схеме могут быть приведены краткие данные о параметрах процесса.

Технологическую схему получают в результате научной разработки данного способа производства, технологической и конструктивной проработки схемы, узлов и аппаратов. Следует отметить наглядность отображения конкретного производства, дающая почти осязаемое представление о нем. Технологические схемы используют как при эксплуатации производства, так и его проектировании. Она входит в проектную и техническую документацию каждого производства.

Структурная модель (схема) в отличие от технологической схемы включает элементы ХТС в виде простых геометрических фигур (прямоугольников, кругов). Изображение аппаратов обезличено, но значительно упрощается общий вид структуры ХТС. Изображение даже сложной ХТС весьма наглядно, в ней удобно менять положение элементов, "проигрывая" различные варианты разрабатываемой ХТС. Наглядность связей позволяет легко составлять математическое описание, прослеживая связи между элементами, что существенно при автоматизированном проектировании.

Специальные схемы применяют при анализе и расчетах ХТС, используя специальные математический аппарат и вычислительные методы. Упомянем только об одной их них - операторной схеме. Если в структурной схеме все элементы обезличены, то в операторной каждый элемент представлен специальным обозначением, называемым "технологический оператор". Принятые для них обозначения показаны на рис. 4. Они помогают распознать на схеме, какие преобразования, "операции", происходят с потоком в элементе.

Рис. 4. Виды технологических операторов

Зная обозначения элементов, такая схема становится удобной при автоматизированных расчетах на ЭВМ - каждому виду элемента соответствует определенная подпрограмма (или блок) вычислительной системы.