лекции / все лекции по охт

Математические описания элементов создают основу количественных расчетов при исследовании системы.

3.Выделение связей между элементами, ответственных за проявление интересующих свойств ХТС.

4.Собственно исследование ХТС - расчет показателей, определение свойств (особенностей), изучение эволюции (развития, изменения) ХТС для улучшения ее показателей и свойств. Здесь используются методы различных областей наук - кибернетики, топологии, теории информатики, факторного анализа. Математическое описание системы, состоящей из сотен элементов и связей - сложная система алгебраических, дифференциальных и интегральных уравнений. Поэтому основное средство системного анализа - электронные вычислительные машины, компьютеры.

Состав или структура химико-технологической системы

Химическое производство (ХТС) – сложный объект, 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 структуры ХТС целесообразно в ней выделить 2 типа подсистем, каждая из которых имеет свой отличительный признак: функциональный или масштабный.

Функциональные подсистемы (отделения) обеспечивают выполнение заданных функций и функционирование производства в целом

(см.1-ю лекцию).

Т е х н о л о г и ч е с ка я п о д с и с те м а - часть производства, где осуществляется собственно переработка сырья в продукты, это химико-

технологический процесс (ХТП).

информации о его функционировании и управления им. Обычно это -

автоматизированная система управления технологическим процессом

(АСУТП).

П о д с и с т е м а в о д о п о д г о т о в к и и во д о с н а б ж е н и я .

Совокупность функциональных подсистем образует функциональную структуру ХТС. (см.1-ю лекцию)

Другой отличительный признак – масштабный, определяет последовательность или логику научного подхода к изучению или формализации химического производства.

Масштабные подсистемы в соответствии с отличительным признаком

- это отдельные части химико-технологического процесса, они также выполняют определенные функции в последовательности процессов переработки сырья в продукты. Масштабные подсистемы ХТС можно систематизировать в виде иерархической последовательности -

иерархической структуры ХТС (рис. 1).

Рис.1.Иерархическая структура ХТС или схема построения математической модели ХТС

В структуре ХТС простейший элемент - отдельный аппарат (реактор,

абсорбер, ректификационная колонна, насос и прочее). Это - низший масштабный уровень I. Несколько аппаратов, выполняющих вместе какое-то преобразование потока – образуют подсистемы II-го масштабного уровня

(реакционный узел, система разделения многокомпонентной смеси и так далее). Совокупность подсистем второго уровня образуют подсистему III-го 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. Совокупность отделений, участков образуют ХТС производства в

целом.

Иерархическая структура ХТС позволяет на каждом этапе сократить

размерность исследуемой задачи, а результаты изучения подсистемы одного

масштабного уровня использовать в исследованиях другого. Представление

ХТС в виде иерархической структуры следует рассматривать как способ ее

изучения от простого к сложному.

Элементы ХТС Классификация элементов ХТС проводится по их назначению.

М е х а н и ч е с к и е и г и д р о м е х а н и ч е с к и е э л е м е н т ы производят изменение формы и размера материала и его перемещение, объединение и разделение потоков. Эти операции осуществляются дробилками, грануляторами, смесителями, сепараторами, фильтрами, циклонами, компрессорами, насосами.

Т е п л о о б м е н н ы е э л е м е н т ы изменяют температуру потока, его теплосодержание, переводят вещества в другое фазовое состояние. Эти операции осуществляются в теплообменниках, испарителях, конденсаторах.

М а с с о о б м е н н ы е э л е м е н т ы осуществляют межфазный перенос компонентов, изменение компонентного состава потоков без появления новых веществ. Эти операции проводят в дистилляторах, абсорберах, адсорберах, ректификационных колоннах, экстракторах, кристаллизаторах, сушилках.

Р е а к ц и о н н ы е э л е м е н т ы осуществляют химические превращения, кардинально меняют компонентный состав потоков. Эти процессы происходят в химических реакторах.

Э н е р г е т и че с к и е э л е м е н т ы осуществляют преобразование энергии и получение энергоносителей. К ним относят турбины, генераторы, приводы для выработки механической энергии, котлы-утилизаторы для выработки энергетического пара.

Эл е м е н т ы к о н т р о л я и у п р а в л е н и я позволяют измерить состояние потоков, контролировать состояние аппаратов и машин, а также управлять процессами, меняя условия их протекания. К ним относятся датчики (температуры, давления, расхода, состава и т.д.), исполнительные механизмы (вентили, задвижки, выключатели и т.д.), а так же приборы для выработки, усиления и преобразования сигналов, информационные и вычислительные устройства.

В зависимости от изучаемой подсистемы внутри ХТС один и тот же элемент может иметь разное назначение. Котел-утилизатор охлаждает поток

втехнологической подсистеме, он - теплообменный элемент. В энергетической подсистеме котел-утилизатор вырабатывает пар и потому он - энергетический элемент.

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, транспортерами и другими механическими устройствами.

Эн е р г е т и че с к и е п о т о к и переносят или передают 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.

Типы или структура связей

Основные типы связей показаны на рис. 2. Здесь прямоугольники представляют элементы, линии со стрелками - связи и направления потоков.

(степени превращения) сырья; управление процессом путем оказания управляющего воздействия на каждый элемент. для теплообменников – повышение степени нагрева или охлаждения потока; достижения

разделение сложной смеси по фракциям, например, благодаря различным температурам кипения.

П а р а л л е л ь н а я с вя з ь ( 2 и 3 ) Поток разветвляется, отдельные части его проходят через разные аппараты, после чего потоки объединяются.

Применение: увеличение производительности системы (несколько аппаратов вместо одного), снижение энергозатрат на транспортировку потоков по сравнению с последовательной схемой.

О б в о д н а я с вя 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, управление процессом с обратимой экзотермической реакцией – приближение к ЛОТ (реактор окисления диоксида серы)

О б р а т н а я с в я з ь ( 6 , 7 , 9 ) Часть потока после одного из аппаратов (элемента ХТС) возвращается в предыдущий. Через аппарат, в который направляется рецикл VРец, проходит поток V больший, чем прямой V0, так что V = V0 + VРец. Отношение величин потоков, проходящего через аппарат V и прямого V0, называют кратностью циркуляции:

КР = V/V0.

Рецикл называется полным , если составы рецикла и потока, из

которого он вышел, одинаковы. Он используется, например, для регенерации

тепловой энергии выходного горячего потока или для интенсификации

автокаталитических реакций типа А + R = R + S (продукт R играет роль

катализатора и ускоряет процесс), а также во всех случаях, когда хотят

приблизить режим работы реактора и режиму ИС.

Рецикл называется фракционным , если выходной поток подвергается разделению и составы рецикла и потока, из которого он вышел,

энергетических потоков ВЭР (теплота выходного потока идет на подогрев

входного потока).

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 вспомогательных моделей которые можно разделить на две группы: описательные А (в виде формул, уравнений, в конечном итоге, они формализуют ХТС, т.е. позволяют количественно охарактеризовать ХТС) 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

3H2 + N2 = 2NH3

Производство аммиака из природного газа (метана) требует провести

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, образующие химическую схему, 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)

СО + Н2O = СО2 + Н2.

После этого процесса достигается максимально возможное извлечение водорода из исходного сырья - метана СН4 и воды Н2O.

4) Получение азота N2 - второго исходного компонента для синтеза аммиака. В современных схемах его получают их воздуха "выжиганием" из него кислорода

3О2 + 2СН4 = 2СО + 4Н2O.

5) Абсорбция диоксида углерода - удаление СО2, полученного при получении водорода. Его поглощают раствором селективного растворителя (моноэтаноламин)

СО2 + 2RNH2 + Н2О = (RNH3)2СО3

6) Очистка газа от оксида углерода СО. На стадии 3 небольшое количество СО остается, и он мешает синтезу аммиака, отравляя катализатор. Удаляют его, превращая в безвредный метан

СО + 3Н2 = СН4 + Н2О

7) Синтез аммиака (после всех стадий получена чистая азотоводородная смесь; примесь СН4, полученная в предыдущей стадии, мала)

3Н2 + N2 = 2NH3

Химическая и описательная схемы дают первое описание и представление о производстве и его основных стадиях. Для дальнейшего рассмотрения ХТС удобней использовать графические модели.

А: Математическая модель (описание). Для количественных выводов о функционировании ХТС необходимо иметь ее математическую модель. Как уже было определено, система - "совокупность элементов и связей...", и ее модель будет представлена двумя системами уравнений - для элементов и связей.

В элементе происходит преобразование потоков. Математическая модель процесса в элементе устанавливает связь между параметрами выходных потоков YK их k-го элемента и параметрами входящих в него ХK потоков.. Параметры потока - это его величина (расход), состав

(концентрации), температура, давление, теплосодержание и другие показатели. На состояние потока работу элемента на выходе могут влиять некоторые параметры UK, которыми управляют процессом или меняются в процессе эксплуатации. В общем виде

Черточки над YK, ХK, UK означают множество параметров (концентрации, температура и другие). В качестве примеров можно указать на математические модели реактора, теплообменника, абсорбера, компрессора и других аппаратов и машин.

Уравнения связей в ХТС определяют ее топологию и устанавливают из

какого элемента в какой передается поток. Эти уравнения в общем виде

выглядят так:

где l-k структурный коэффициент, l-k = 1 для потока, выходящего из l-го элемента и входящего в k-й элемент (связь есть); l-k = 0, если между l-м и k-м элементами нет связи.

Учитывая большое количество и ассортимент элементов в ХТС,

система уравнений (1, 2) довольно громоздка и решается, как правило, с

помощью электронных вычислительных машин.

Б: Функциональная модель (схема) строится на основе химической и операционной в виде связанных между собой блоков операций (отделений или подсистем) и наглядно отражает основные стадии химикотехнологического процесса и их взаимосвязи. Представление основных операций химико-технологического процесса в виде функциональной схемы весьма удобно для его понимания. Она дает общее представление о функционировании ХТС и служит предпосылкой для аппаратурного оформления и более детальной разработки ХТС.

Приведем пример функциональной схемы – ХТС производства аммиака

(рис.3):

Рис.3. Функциональная схема ХТС производства аммиака:

1 – отделение очистки природного газа от серосодержащих соединений; 2 – отделение паровоздушной конверсии метана; 3 – отделение конверсии оксида углерода водяным паром; 4 – отделение очистки азотоводородной смеси от оксидов углерода; 5 – отделение синтеза аммиака

Б: Технологическая модель (схема) показывает элементы системы,

порядок их соединения и последовательность технологических операций. В технологической схеме каждый элемент (агрегат, аппарат, машина) имеет общепринятое изображение, соответствующее его внешнему виду. Связи изображены обычно линиями со стрелками или даже в виде трубопроводов. Нередко расположение аппаратов соответствует их примерной расстановке в цехе. На технологической схеме могут быть приведены краткие данные о параметрах процесса.

Технологическую схему получают в результате научной разработки данного способа производства, технологической и конструктивной проработки схемы, узлов и аппаратов. Следует отметить наглядность отображения конкретного производства, дающая почти осязаемое представление о нем. Технологические схемы используют как при эксплуатации производства, так и его проектировании. Она входит в проектную и техническую документацию каждого производства.