книги из ГПНТБ / Кафаров, В. В. Принципы математического моделирования химико-технологических систем (введение в системотехнику химических производств) учеб. пособие

Для повышения эффективности функционирования ХТС с парал­ лельными технологическими связями важно обеспечить правильное распределение нагрузок на параллельно включенные элементы, технологические параметры которых в процессе эксплуатации, как

технологического потока, связывающего выход какого-либо /-го последующего элемента с входом г-го предыдущего элемента ХТС, которые соединены последовательно между собой. Таким образом, обратная технологическая связь предусматривает многократное возвращение в один и тот же элемент системы технологических пото­

ками. Прямой поток имеет решающее значение для выхода материаль­ ной продукции подсистемы ХТС.

Внутренний технологический поток {Wß и Wc)-, который сое­ диняет между собой элементы подсистемы и направление которого совпадает с направлением прямых технологических потоков, явля­ ется г л а в н ы м технологическим потоком ХТС. Главный и пря­

функционирования замкнутой ХТС.

На входе простой замкнутой или контурной ХТС к обратному по­ току добавляется входной главный технологический поток. Последний

27

содержит такое количество свежих исходных компонентов, ко­ торое равно их расходу на получение заданного продукта или про­ межуточного продукта за один цикл в выходном главном техноло­

гическом потоке с учетом различных потерь этих компонентов в

хтс.

Необходимо отметить, что для характеристики простых замкну­ тых ХТС используют либо к о э ф ф и ц и е н т о т н о ш е н и я р е ц и р к у л я ц и и

Между коэффициентом отношения рециркуляции и коэффициен­

Обратная технологическая связь применяется в ХТС для реше­ ния важных задач. К числу основных технологических задач отно­ сятся:

1. Наиболее полное использование сырья (для реакторов с не­ полным его превращением).

3. Создание благоприятных технологических режимов ХТС (ин­ тенсификация начальных стадий автокаталитических реакций; со­ здание избытка одного из химических компонентов для сдвига равновесных реакций в желаемом направлении; подавление побоч­ ных и интенсификация основных химических реакций; создание желаемого температурного режима).

4. Применение побочных продуктов химической реакции для получения исходного продукта; наиболее полное использование катализаторов и инертных растворителей, в присутствии которых протекает химическое превращение. Например, обратную техно­ логическую связь применяют в том случае, когда в технологическом операторе химического превращения лишь сравнительно небольшая часть исходного продукта превращается в выходной целевой про­ дукт ХТС (см. рис. 1-8, г). Выделив целевой продукт в технологи­ ческом операторе разделения, непрореагировавшие химические ком­ поненты сырья через оператор смешения возвращают в оператор химического превращения. Как правило, с увеличением нагрузки производительность данного оператора возрастает, однако при

28

этом затрудняется работа оператора разделения и увеличиваются затраты энергии на транспортировку обратного технологического потока. Для обеспечения наиболее эффективного функционирования простых замкнутых XTG нужно правильно выбирать массовый рас­ ход указанного потока.

Типичными примерами ХТС с обратными технологическими связями являются ХТС синтеза аммиака, синтезов метилового спирта из окиси углерода и водорода, этилового спирта каталитиче­ ской гидратацией этилена в паровой фазе; ХТС производства ацет­ альдегида гидратацией ацетилена в жидкой фазе; ХТС производства

Примером может служить ХТС с так называемым агрегатом дви­ гатель — насос — турбина (рис. 1-10). Газ под давлепием иоступает- в нижнюю часть колонны и контактирует с орошающей ее жидко­ стью. При этом газ выходит из колонны сверху, а жидкость снизу. Рядом с колонной расположен агрегат двигатель — насос — тур­ бина, в котором двигатель, колесо турбины и рабочие колеса много­ ступенчатого насоса имеют общий вал. Насос подает жидкость на орошение колонны. Жидкость, вытекающая из нее и находящаяся под давлением, попадает на лопатки турбины, вращает колесо тур­ бины и теряет энергию. Поскольку колеса турбины и насоса находятся на одном валу, энергия жидкости используется для работы насоса, т. е. для подачи жидкости на орошение колонны. Потери энергии компенсируются питанием электрической энергией двигателя. Ана­ логично используется энергия сжатых газов.

Рассмотренные типовые технологические связи между элемен­ тами и подсистемами позволяют практически решать задачу созда­ ния сложных ХТС производства любого химического продукта. Существуют ХТС, структура технологических связей которых пред­ ставляет собой простую комбинацию рассмотренных типовых свя­ зей. Так, возможно последовательно-параллельное и параллельно­

29

последовательное соединения элементов (рис. 1-11, а, б), последо­ вательное соединение нескольких простых замкнутых XTG (рис. 1-12,

меняют комбинированные технологические связи, в которых одна из реагирующих фаз проходит последовательно ряд элементов и остав­ шаяся часть ее выбрасывается, а вторая фаза циркулирует через

Рис. 1-11. Структурные схемы сложных ХТС:

некоторые элементы ХТС. Приведем следующие примеры. При переработке коксового газа парогазовая фаза проходит через все аппараты по схеме последовательной технологической связи, а охлаждающие и поглотительные растворы циркулируют в отдельных аппаратах. К циркулирующим растворам относятся надсмолыіая

вода, маточный раствор (серная кислота) в аппаратах улавливания аммиака из газа, поглотительное масло в аппаратах абсорбции — десорбции сырого бензола. По схеме последовательной связи в от­ ношении газовой фазы и замкнутой связи и по жидкой фазе работают системы очистки газовых смесей от сероводорода, сернистого ан­ гидрида, двуокиси и окиси углерода. При крекинге в кипящем слое катализатора или с движущимся катализатором парогазовая смесь проходит через аппараты один раз, а твердая фаза (катализатор) циркулирует через него многократно.

В общем случае характер технологических связей ХТС, т. е. способ соединения элементов между собой, представляет сложную комбинацию типовых связей. Любая ХТС имеет соответствующую

30

технологическую структуру (технологическую топологию), харак­ теризуемую наличием в системе некоторого числа элементов опре­ деленного типа, числом последовательных, параллельных, пере­ крестных и обратных технологических связей и существованием замкнутых контуров, образованных обратными связями.

С точки зрения особенностей технологической топологии ХТС подразделяют на разомкнутые и замкнутые системы.

Технологическая топология разомкнутых ХТС характеризуется наличием различных комбинаций последовательных, параллельных и последовательно-обводных (байпасных) технологических связей между элементами системы. В разомкнутых ХТС технологические потоки всех химических компонентов проходят через любой элемент системы лишь один раз.

Замкнутыми называют ХТС, содержащие по крайней мере одну обратную технологическую связь по расходам массы или энергии технологических потоков, объединяющих некоторую группу эле­ ментов в замкнутый контур. Замкнутую систему (подсистему) счи­ тают простой, если при обходе контура, образованного главным и обратным технологическими потоками системы, ни один элемент не встречается дважды. Замкнутые многоконтурные ХТС состоят из совокупности нескольких взаимосвязанных простых замкнутых подсистем, которые включают хотя бы один общий элемент или один общий технологический поток.

Примером сложной ХТС, содержащей большое число взаимосвя­ занных элементов и обладающей сложной технологической тополо­ гией, является система производства аммиака из природного газа. В упрощенном виде технологическая схема этого производства представлена на рис. 1-13.

Аппараты схемы соединены между собой различными связями,

втом числе обратными. Так, часть реакционной смеси (около 10%) после первой ступени компрессора 19 направляется в смеситель 1,

вкотором она смешивается с сырьем — природным газом, что обес­ печивает работу реактора 2. Смесь, вышедшая из колонны синтеза аммиака 23, проходит конденсаторы 24 и 25, а также сепаратор 20, где отделяется целевой продукт — жидкий аммиак, и направляется опять в колонну синтеза, т. е. происходит рециркуляция.

Всхеме, приведенной на рис. 1-13, можно выделить участки, соответствующие всем рассмотренным видам технологических свя­ зей. Например, аппараты от конвертора метана до абсорбера 12 соединены последовательно, а два трубчатых конвертора метана 4 — параллельно. Колонна синтеза аммиака 23, водяной конденсатор 24 теплообменник 21, аммиачный конденсатор 25, сепаратор 20 и турбоциркуляционный насос 22 объединены в замкнутую под­ систему.

Для реализации заданной цели функционирования в ХТС могут быть использованы различные типы технологических связей между элементами. В качестве примера рассмотрим два типа технологиче­ ской топологии ХТС изомеризации к-бутана (рис. 1-14, а, б).

31

В ХТС с последовательно-обводной технологической связью (рис. 1-14, а) к-бутан поступает в каталитический реактор 1, где изомеризуется при определенной степени превращения. Продукты

Рис. 1-13. Упрощенная технологическая схема производства аммиака из при­ родного газа:

1 , 6 — смеситель; 2 — реактор гидрирования сероорганических соединений; 3 — серопогло-

двуокиси углерода (метанатор); 16 — холодильник; 17 — влагоотделитель; 19 — компрессор;

в которой разделяются на верхний продукт, состоящий из изобутана требуемой чистоты, и нижний — w-бутан, изомеризующийся в ка-

Рис. 1-14. Операторные схемы ХТС изомеризации к-бутана с последовательно* обводной (а) и с обратной технологическими связями (б):

1 , 3 — каталитические реакторы; 2 — ректификационная колонна; 4 — смеситель.

талитическом реакторе 3. Продукт изомеризации из реактора 3 соединяется с верхним продуктом в смесителе 4 и выходит из него в виде готового продукта.

32

Изомеризацию «-бутана можно осущестшіть в ХТС с обратной технологической связью (рис. 1-14, б). Технологический поток н-бу­ тана поступает в смеситель 4, смешивается с нижним продуктом из колонны 2 и направляется в реактор 1, где изомеризуется при определенной степени превращения. Продукты изомеризации из реактора / подаются в колонну 2, где происходит разделение гото­ вой продукции (верхний продукт) и рециркуляционной смеси (ниж­ ний продукт).

Выбор технологической топологии, обеспечивающей оптималь­ ность показателя эффективности ХТС, является важным этапом проектирования новых химических предприятий.

5. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ХТС

Среди задач, возникающих в связи с исследованиями ХТС, можно выделить задачи двух основных классов: задачи анализа и синтеза.

Задачи анализа ХТС — это задачи изучения свойств и эффектив­ ности функционирования системы в зависимости от структуры тех­ нологических связей между элементами и подсистемами, а также в зависимости от значений конструкционных и технологических параметров системы и от параметров технологических режимов элементов.

Задачи синтеза ХТС состоят в выборе структуры технологиче­ ских связей, значений параметров системы и параметров техноло­ гических режимов элементов, исходя из заданных свойств и показа­ телей эффективности функционирования ХТС, имеющих оптималь­ ные в некотором смысле значения.

Фундаментальная цель задачи анализа ХТС заключается в том, чтобы математически связать характеристики состояния системы (значения выходных переменных) с параметрами и характеристиками состояния элементов (подсистем) в зависимости от структуры тех­ нологических связей между элементами (подсистемами) ХТС. На практике при решении задач проектирования сложных ХТС, их мо­ дернизации, а также при определении оптимальных технологиче­ ских режимов функционирования задачи анализа наиболее часто трактуются как задачи оценки возможных вариантов системы (вы­ бор возможной структуры технологических связей между элемен­ тами, значений параметров ХТС). Для каждого из возможных иссле­ дуемых вариантов ХТС необходимо вычислить совокупность пока­ зателей эффективности функционирования системы. Сопоставляя значения этих показателей эффективности ХТС, можно получить первое представление о недостатках и достоинствах тех или иных вариантов системы.

Необходимо заметить, что при выборе практически подходящего варианта системы нужно обращать внимание не только на то, чтобы показатели, характеризующие ее свойства, имели оптимальные зна­ чения, но также и на стабильность их при изменении в определен­ ных пределах самих параметров системы. Учет этого фактора часто

оказывается решающим при окончательной оценке качества изучае­ мого варианта системы.

Нетрудно видеть, что, начав с рассмотрения задачи анализа сложных ХТС, мы постепенно подошли к решению задач син­ теза ХТС.

Процесс синтеза химико-технологической системы в общем случае связан с решением трех основных задач:

1) при заданных типах и свойствах элементов ХТС необходимо определить структуру технологических связей между этими элемен­ тами, которая обеспечивает оптимальные значения показателей эффективности функционирования системы;

2)при заданных типах элементов и структуре технологических связей между ними нужно выбрать такие параметры и характеристи­ ки элементов, которые обеспечивают оптимальность показателей эффективности ХТС;

3)при заданных типах и свойствах элементов и заданной струк­ туре технологических связей между ними необходимо выбрать такую систему автоматического управления и осуществить некоторую коррекцию структуры технологических связей с введением новых элементов, чтобы обеспечить оптимальность показателей эффектив­

ности функционирования ХТС в условиях эксплуатации (наличие внутренних и внешних возмущающих воздействий, нестабильность параметров элементов и т. п.).

Показатели, характеризующие свойства и процесс функциони­ рования ХТС, можно определить одним из двух способов: а) путем обработки информации, полученной в ходе натурного эксперимента, и б) методом математического моделирования процесса функциони­ рования сложной системы на ЦВМ. Второй метод весьма эффективен для оценки вариантов структуры технологических связей между элементами сложной системы на стадии ее проектирования.

К задачам оценки возможных вариантов структуры технологиче­ ских связей сложных ХТС тесно примыкают задачи, обусловленные выбором таких параметров элементов ХТС, которые обеспечивают согласование элементов между собой по их производительности в процессе функционирования системы. Для этого необходимо по результатам моделирования оценить производительность отдельных элементов, провести расчеты для выбора соответствующих конструк­ ционных и технологических параметров, проверив приемлемость полученных результатов путем комплексного моделирования всей системы в целом.

Важное значение имеют исследования сложных ХТС в связи с вопросами управления. Современная система автоматизированного управления ХТС представляет собой весьма сложный комплекс обо­ рудования, выполняющего функции сбора информации о состояниях элементов оборудования, ее обработки, оптимального планирования и формирования управляющих сигналов. Для расчета систем упра­ вления такого типа нужно решать задачи, связанные с оценкой структуры информационных потоков и законов управления про­

34

цессами, синтезом алгоритмов обработки информации и оптимального управления.

Существенной областью применения метода математического мо­ делирования является сравнительная оценка различных алгоритмов

Рис. 1-15. Блок-схема методики технологического проектирования ХТС:

I — формулирование проблемы; II — синтез решений; III — анализ решений;

'IV — выбор оптимальных решений.

автоматического управления на технологическом и организационном уровнях. Моделирование сложной ХТС и САУ с воспроизведением соответствующего алгоритма управления позволяет обнаружить недостатки алгоритма, выявить случай некачественной его работы, сбоев, отказов или прямых ошибок. Накопленная информация о ра­ ботоспособности алгоритма представляет большой интерес для