III. хтс

ХИМИЧЕСКОЕ 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

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.

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.

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

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.

1

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

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)