Вопрос №46

Вопрос №46: Химико-технологическая система, определение. Анализ ХТС. Примерная последовательность этапов системного анализа при исследовании ХТС. Состояние ХТС. Параметры состояния и параметры свойств. Расчет ХТС – материальный и тепловой балансы, формы представления. Материальный и тепловой балансы реакционного элемента ХТС.

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 да переработки исходных веществ (сырья) в продукты. Представляет собой модель химического производства или химико-технологического процесса, отображающую его структуру и позволяющую предсказывать те или иные свойства и показатели.

Элемент ХТС может быть представлен отдельным аппаратом (реактором, смесителем, абсорбером, теплообменником, турбиной и т.н.) или их совокупностью. Совокупность аппаратов также можно представить как химико-технологическую систему.

Анализ 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 для обеспечения наилучших условий функционирования ХТС. Синтез ХТС - задача и процесс, требующие поиска лучших решений, уточнения каждого шага в поиске наилучших решений, т.е. синтез ХТС - задача и процесс творческие.

Анализ ХТС. Примерная последовательность этапов системного анализа при исследовании ХТС.

Системный анализ ХТС— совокупность методов и средств изучения сложных химико-технологических систем; иногда встречается другое название такого исследования - «flow-sheeting» как метод исследования ХТС, представляющий собой таблицу (карту) потоков (flow sheet). Системный анализ - результат успешного применения к исследованию и разработке ХТС опыта изучения, создания и эксплуатации химических производств с привлечением методов, используемых в различных областях науки и техники и в инженерно-химических исследованиях и разработках.

Последовательность его этапов:

1. Выделение элементов, определяющих свойства ХТС, изучаемых на проводимом этапе исследования и разработки технологического процесса.

2. Установление зависимости выходных потоков от входных для каждого элемента, т.е. получение математической модели, и определение ее свойств и особенностей. Поскольку в элементах ХТС происходят превращения потоков, то это описание основывается, главным образом, на физико-химических и физических закономерностях протекающих в них процессов.

3. Выделение связей между элементами, ответственных за проявление необходимых свойств ХТС. Таким образом определяется структура системы (ХТС) совокупность элементов и их связей. Математическое описание элементов создаст основу для количественных расчетов при исследовании системы.

4. Исследование ХТС - расчет показателей, определение свойств (особенностей), изучение эволюции (развития, изменения) ХТС для улучшения ее показателей и свойств. На этом этапе применяют методы различных областей наук - кибернетики, топологии, факторного анализа, теорий информатики, игр, решений, катастроф.

Состояние ХТС

Состояние, или режим, ХТС определяется параметрами (показателями) потоков (связей) и состоянием аппаратов (элементов).

Параметры потоков - химические, физико-химические и физические данные о потоке. К ним относятся:

• параметры состояния: количество потока между элементами в единицу времени (расход), фазовый состав, химический состав, температура, давление, теплосодержание;

• параметры свойств: теплоемкость, плотность, вязкость и др.

Состояние элемента (аппарата, машины, агрегата) включают данные, от которых зависит изменение показателей потока в элементе.

• регулирующие воздействия, например температура хладагента, отводящего теплоту из реактора, или подача пара в паровую турбину;

• изменяемые при эксплуатации характеристики аппарата и условия процесса в нем, например изменение условий процесса в реакторе вследствие дезактивации катализатора или в теплообменнике из-за загрязнения его поверхности.

Расчет ХТС – материальный и тепловой балансы, формы представления.

Расчет ХТС - определение параметров потоков в ХТС заданной структуры и с заданным состоянием ее элементов.

Рассмотрим ХТС, состоящую из теплообменника, реактора и системы разделения (рис. 5.9), в которой штриховыми линиями окружены: один элемент — реактор (/); подсистема реактора с теплообменником (//) вся ХТС (///). В каждую из этих «оболочек» входят и выходят потоки и внутри каждой из них с ними происходят какие-то изменения. Фактически каждая из «оболочек» есть подсистема ХТС. В соответствие с законами сохранения массы и энергии для каждого элемента ХТС или подсистем в стационарном состоянии должны соблюдаться следующие соотношения:

У равнения (5.3)—(5.5) есть балансы, представленные равенством массы или теплоты между входящими и выходящими потоками для каждого элемента или подсистемы ХТС. Связь между элементами не меняет состояние потока, и потому масса и энергия в нем не меняется. Расчет ХТС представляет собой установление балансов массы и теплоты для всех его элементов с учетом связей между ними. Такой расчет называют балансовым расчетом или просто балансом, различая материальный баланс (5.3), (5.4) и тепловой баланс (5.5) химико -технологической системы и ее частей