Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ПРоект 2 / XTC.6.2.doc
Скачиваний:
34
Добавлен:
29.03.2015
Размер:
6.28 Mб
Скачать

9. Задачи, решаемые при проектировании хтс

Среди задач, связанных с разработкой новых и совершенствованием действующих ХТС, следует особо выделить: анализ, синтез и оптимизацию.

Анализ– это мысленное или реальное расчленение (разложение, декомпозиция) объекта (предмет, явление, процесс) на составляющие его части или элементы (признаки, характеристики и т.п.). Задачи анализа ХТС подразделяются на анализ структуры и качества функционирования.

Цель анализа структуры – выявление элементов системы и связей между ними, нахождение последовательности расчета элементов. Цель анализа качества функционирования – получение количественных оценок ее основных свойств: чувствительности, надежности, устойчивости и т.д.

Синтез– это мысленное или реальное объединение в единое целое различных частей объекта, т.е. это операция обратная анализу. Под синтезом также понимают процесс рассуждения или последовательного получения некоторого нового утверждения, которое должно быть доказано на основе ранее уже доказанных утверждений или аксиом.

В общем случае задачу синтеза можно сформулировать следующим образом. Заданы элементы, из которых может быть построена система, а также сырье и целевые продукты. Требуется разработать структуру ХТС для реализации технологического процесса, т.е. необходимо выбрать элементы из числа имеющихся; установить между ними связи; определить конструктивные и технологические параметры элементов ХТС. Задача синтеза обычно многовариантна, т.к. одни и те же значения выходных параметров могут быть обеспечены при различной структуре системы и различных режимах функционирования ее элементов.

Оптимизация ХТС – это целенаправленный поиск наилучших результатов функционирования ХТС при соответствующих условиях и ограничениях.

Задача оптимизации является комплексной. Она включает в себя как оптимизацию структуры, так и оптимизацию режимов функционирования элементов.

Следует отметить, что между задачами анализа, синтеза и оптимизации существует связь. Например, при создании нового оборудования выполняется синтез нескольких альтернативных вариантов ХТС, анализируются их технико-экономические показатели, происходит поиск окончательного оптимального варианта. Для решения задач используются различные методы расчета ХТС рассмотренные ниже.

10. Методы расчета материальных и тепловых балансов хтс

Основной задачей расчета материальных и тепловых балансов (МТБ) ХТС является нахождение параметров состояния потоков технологической схемы: расход, концентрация, температура, энтальпия и т.п. Методы решения этой задачи можно разбить на две группы: интегральные и декомпозиционные.

Суть интегральных методов заключается в объединении систем уравнений, описывающих работу отдельных аппаратов, в общую систему уравнений и решение этой системы. Основной недостаток интегральных методов заключается в сложности решения системы уравнений большой размерности.

Суть декомпозиционных методов заключается в том, что каждый аппарат или группу аппаратов рассчитывают отдельно, а расчёт всей ХТС состоит из последовательного расчета отдельных аппаратов.

В свою очередь обе группы методов подразделяют на итерационные и безитерационные.

В ХТС выделяют физические потоки двух видов: технологические и условные. Технологические потоки обеспечивают взаимосвязь элементов между собой и взаимодействие между системой и окружающей средой. Условные потоки это потери вещества или энергии в окружающую среду, а также внутренние источники (стоки) вещества и энергии. Внутренние источники (стоки) отражают эффекты химических и физических превращений, происходящих внутри элементов ХТС. Каждому внутреннему источнику (стоку) соответствует фиктивный материальный или тепловой поток.

Преобразование входных потоков в выходные подчиняется законам сохранения массы и энергии, т.е. для каждого элемента ХТС может быть записана следующая система уравнений МТБ:

Материальный баланс по общему массовому расходу вещества

,

10.1

Материальный баланс по массовым расходам компонентов

,

10.2

Тепловой баланс

.

10.3

Здесь - массовый расход веществаi-го потока;- доля (концентрация)j-го компонента в единице общего расхода вещества;р– число компонентов;- массовый расходk-го фиктивного потока;- средняя удельная теплоемкость;- температура;- расход теплотыk-го теплового фиктивного потока.

При известных значениях общего расхода, температуры и состава всех потоков технологической схемы из уравнений (10.1) – (10.3) легко определить тепловые нагрузки и массовые компонентные расходы каждого элемента ХТС.

Существует два способа задания исходных данных для расчета параметров состояния потоков ХТС:

  • задан набор переменных входных потоков и управляющих параметров каждого элемента требуется вычислить значения переменных промежуточных и выходных потоков;

  • заданы значения управляющих параметров и некоторых входных, промежуточных и выходных переменных требуется рассчитать значения остальных переменных всех технологических потоков системы.

Первый способ

Общее число информационных связей ХТС равно М1+М2, гдеМ1– число уравнений, описывающих зависимость между входными и выходными переменными всех элементов ХТС,М2– число уравнений, задающих значения входных и управляющих переменных – исходные данные.

Общее количество переменных ХТС: N=N1+N2+N3, гдеN1– число выходных и промежуточных переменных;N2– число входных переменных;N3– число управлений. Очевидно, чтоМ1=N1,М2=N2+N3, т.е. число степеней свободы при первом способе задания всегда равно нулю.

Расчет параметров состояния разомкнутой схемы сводится к последовательному однократному расчету элементов ХТС в соответствии с уравнениями (5.1) и (7.2). Например, для схемы, изображенной на рисунке 10.1, заданными являются значения параметров векторов входных потоков и значения параметров векторов управлений. По уравнению (5.1) можно определить. В соответствии с (7.2). тогда можно вычислить, а затем аналогичным образом найти параметры состояния потоков элементов 5, 3 и 6.

Рис. 10. 1. Разомкнутая схема: - вектор параметров состоянияi-го входного потокаk-го элемента;- вектор параметров состоянияj-го выходного потокаl-го элемента.

Расчет замкнутых схем основывается на разрыве обратных связей (рис. 10.2.).

Рис. 10. 2. ХТС: а – замкнутая; б – преобразованная в разомкнутую

Путем разрыва потоков 1, 2, 3 замкнутой ХТС (рис. 10.2, а) ее можно преобразовать в разомкнутую (рис. 10.2, б). При разрыве р-го потока, связывающегоk-й иl-й элементы, вектор после разрыва будем обозначать, а до разрыва. Для соответствия режима разомкнутой схемы режиму замкнутой схемы необходимо, чтобы для каждого «разорванного» потока выполнялось равенство

,

10.4

где m– количество разорванных потоков.