3. Хіміко-технологічні системи

3.1. Поняття хіміко-технологічної системи (хтс)

Вище було дане визначення хімічного виробництва, з якого випливає, що хімічне виробництво – це система, а точніше, хіміко-технологічна система (ХТС)- сукупність апаратів, зв'язаних між собою потоками і функціонуючих як єдине ціле. У кожному апараті чи елементі за термінологією теорії систем, відбувається перетворення потоку: змішання, розділення, подрібнення, нагрівання, перетворення енергії, стиснення, розширення, хімічне перетворення, випаровування і т. ін. Потоки як зв'язки за термінологією систем, забезпечують передачу речовини або енергії між апаратами (елементами системи) і можуть бути матеріальними, тепловими (енергетичними).

Тому ХТС – представлення хімічного виробництва у вигляді системи. Вивчення систем (у тому числі ХТС) проводиться методами теорії систем. Конкретна реалізація і додаток цієї теорії виражається у вигляді системного аналізу – сукупність методів і засобів вивчення складних систем. Універсальним засобом вивчення є сучасні ЕОМ. Методи вивчення систем включають евристичні або неформалізовані методи і формалізовані або строгі математичні прийоми, машинні алгоритми розрахунку, аналізу і побудови схем, сукупність прийомів , які накопичуються у практичній роботі дослідників , інженерів.

Функціонування ХТС характеризують станом ХТС, тобто показниками всіх потоків і апаратів . Показники потоків називаються параметрами, які розділяються за параметрами стану і параметрами властивостей. До першого належать витрати і концентрації компонентів у потоці, температура, тиск і т. ін., до других – теплоємність, в’язкість і густина. Показниками апарата (елемента) є параметри вихідних і вхідних потоків, показники керуючих впливів, деякі параметри стану цього елемента, що визначають його функціонування в даний момент часу й існування для оцінки стану ХТС в цілому: активність каталізатора, максимальна температура в апараті і т. ін. Для побудови і аналізу XTС необхідно мати її опис чи модель, що дозволяє якісно і кількісно визначити стан ХТС.

3.2. Моделі хіміко-технологічних систем

Існують в хімічній технології три види моделей XTС – хімічна, графічна і математична.

Хімічна модель, в основу якої покладені хімічні реакції, що перебігають у системі, передається хімічною схемою.

Хімічна схема показує основні і побічні хімічні реакції, що перебігають за переробки сировини при одержання цільового продукту.

Прикладом може служити хімічна схема виробництва кальцинованої соди (рис. 3.1).

Рис.3.1. Хімічна схема виробництва кальцинованої соди

Порівняння різних варіантів хімічних схем, наприклад, схем одержання того самого продукту на базі різної сировини, дозволяє вибрати з них найбільш афективну. При порівнянні хімічних схем одержання продуктів враховуються не тільки вартість і доступність сировини, але і можливість побічних .реакції, що знижують вихід цільового продукту і селективність, що обумовлюють утворення відходів, збільшення витрати енергії на переробку сировини і т. ін.

Складання хімічних схем дозволяє передбачити апаратурне оформлення процесів, вибрати конструкційні матеріали, автоматизувати ХТП і т. ін.

Хімічні схеми широко використовуються при розробці, модернізації і проектуванні технологічних процесів.

Графічні моделі дозволяють одержати наглядне представлення про спосіб взаємодії між окремими елементами системи, що зображаються у вигляді схем - функціональних, технологічних, структурних, основою яких є хімічні схеми.

Ф ункціональна схема ХТС будується на базі схеми хімічної. Вона показує технологічні зв'язки між процесами, що перебігають на всіх стадіях виробництва продукту, а саме –.підготовки сировини, хімічних перетворень, виділення й очищення продуктів. Так, наприклад, функціональна схема виробництва соди, у відповідності з приведеною вище хімічною схемою, буде наступна:

Рис. 3.2. Функціональна схема виробництва соди

Таким чином, ця схема дає загальне уявлення про функціонування ХТС і служить передумовою для апаратурного оформлення в розробці технологічної і структурної схем процесу.

Технологічна схема ХТС показує елементи системи, способи їхнього з‘єднання і послідовність технологічних операцій.

Для цього в технологічній схемі кожний елемент (агрегат, апарат) має загальноприйняте зображення, що відповідає його конструктивному оформленню. Зв'язки між ними (технологічні зв'язки) зображуються у вигляді стрілок. На технологічній схемі коротко можуть бути приведені дані про речовини, що беруть участь у процесі, і про параметри процесу. Як приклад на рис. 3.3. наведена технологічна схема ХТС синтезу аміаку.

Технологічні схеми одержують у результаті наукової розробки даного способу виробництва. Слід зазначити наглядність зображення процесів за допомогою технологічних схем, що привело до їхнього використання як при експлуатації, так у при проектуванні ХТС.

Структурна (блокова) схема ХТС, на відміну від технологічної схеми, включає елементи ХТС у вигляді блоків, що мають вхід і вихід. Вона показує технологічні зв'язки між блоками, які показують напрямок руху матеріальних і енергетичних потоків системи, лініями зі стрілками. Структурна схема ХТС синтезу аміаку представлена на рис. 3.4.

Рідкий Стиснена Рідкий Рідкий

аміак АПС аміак аміак

Рис. 3.3. Технологічна схема ХТС виробництва аміаку:

1 - колона синтезу; 2 - водяний холодильник; 3 - сепаратор; 4 - циркуляційний компресор; 5 - фільтр; 6 - конденсаційна колона; 7 – випарник

На структурній схемі дуже чітко простежуються напрямки потоків. Простота оформлення, наглядність зображення зумовили широке застосування схем цього типу при розробці і проектуванні ХТС. Якщо є набір "блоків", то стає можливим зміна їх взаємопо-

G₁ G₂ G₃ G₄ G₅ G₇

L₁ G₆ L₂

G₁₂ G₁₁

G₁₀ G₉ G₈

L₅ L₃ L₄

Рис. 3.4 Структурна схема синтезу аміаку:

1–компресор; 2- інжектор; 3 – теплообмінник; 4–випарник рідкого аміаку; 5,8 – сепаратори; 6 - колона синтезу; 7–водяний холодильник; 9–циркуляційний компресор; G₁ - G₁₂ – потоки газу;

L₁ - L₅ – потоки рідини

ложення, можна "програвати" різні варіанти проектованої ХТС і вибирати найкращі.

Операторна схема ХТС заснована на тому, що кожий елемент XTC являє собою сукупність декількох типів технологічних

операторів або окремих типових технологічних операторів.

Технологічний оператор ХТС - це елемент ХТС, у якому відбувається якісне чи кількісне перетворення фізичних параметрів вхідних матеріальних і енергетичних потоків у фізичні параметри вихідних матеріальних і енергетичних потоків у результаті хімічних або фізичних процесів, які перебігають у них. Це може бути, наприклад, зміна температури, в’язкості, густини або інших параметрів за здійсненням в даному елементі ХТС хімічної реакції, процесів масообміну , розподілу, змішання, нагрівання і т. ін.

Типові технологічні оператори представляють собою типові хіміко-технологічні процеси, що відбуваються в елементах ХТС, при яких якісно або кількісно перетворюються параметри потоку: хімічні реакції, масообмін, змішання, розподіл, нагрівання, охолодження, стиснення, розширення, зміна агрегатного стану (конденсація, випаровування, розчинення) (рис.3.5).

Операторна схема ХТС за допомогою операторів показує взаємозв'язок між окремими елементами системи, а також відображає фізико-хімічну сутність процесів, що перебігають в системі.

Рис. 3.5. Технологічні оператори: основні:

1 - хімічного перетворення; 2- змішання; 3- розподілу; 4 -міжфазного масообміну; допоміжні: 5-підігріву або охолодження; 6 стиснення або розширення; 7-зміни агрегатного стану речовини

На рис. 3.6. наведена схема, на якій відображені три стадії хіміко-технологічного процесу. Кожна стадія може включати кілька типових технологічних операторів.

2

Рис. 3.6. Операторна схема деякої ХТС: I - стадія підготовки; 2 – стадія хімічного перетворення; 3 – розділення

Операторні схеми знайшли застосування головним чином як вихідний етап при складанні математичних моделей ХТС.

Іконографічні схеми (моделі) завжди пов’язані з наочним графічним зображенням, кресленням. Вони відображають структуру ХТС, тобто показують апарати (чи групи апаратів), які виконують деякі операції над потоками, порядок їх з‘єднання і напрямки потоків.

Математичні моделі дозволяють дати формалізований або строгий кількісний математичний опис ХТС у вигляді системи рівнянь, що передають дію кожного вузла і кожного зв'язку.

Позначимо: через Хm - параметр (стан) потоку на вході у m-й апарат:

Ym - параметр потоку на виході з m-го апарату;

Zm - конструкційний параметр апарату;

U_m - керуючий параметр.

Усі ці параметри , взагалі, багатомірні , тобто представляють ряд показників потоку.

Математичний опис складається з двох груп рівнянь: - опис елемента ХТС, тобто математичний опис процесу в апараті (елементі) у вигляді функціональної залежності:

Y_m = F_m(Х _m, Z _m , U_m ), (3.1)

Ця залежність може бути представлена у вигляді системи алгебраїчних, диференціальних і інших рівнянь.

Опис технологічних зв'язків між апаратами:

Х_m = _l-m Y_l, (3.2)

де _l-m = 1 - для потоку, що виходить з l- го апарата і входить у m-й апарат;

_l-m = 0, якщо між l і m-им апаратами немає технологічного зв'язку;

Y_l - параметр стану потоку, що виходить з першого апарата. Рішення системи рівнянь (3.1) і (3.2) досить складна задача, яка розв'язується, як правило, за допомогою ЕОМ.