ХТП ХТС. Общая характеристика химикотехнологических систем
 Скачать 4.28 Mb.
|
Общая характеристика химико-технологических системХТПХимико-технологическая система (ХТС) – это совокупность взаимосвязанных технологическими потоками и действующих как единое целое аппаратов, в которых осуществляется определенная последовательность технологических операций (подготовка сырья, собственно химическое превращение и выделение целевых продуктов). Элемент ХТС – это аппарат, в котором протекает типовой химико-технологический процесс. При исследовании ХТС внутренние свойства и структура элемента не являются предметом изучения, а анализируются только такие существенные свойства элемента, которые определяют его взаимодействие с другими элементами ХТС или влияют на свойства системы в целом. Классификация элементов ХТС проводится по их назначению: 1) Механические и гидромеханические элементы перемещают и изменяют форму и размер материала, объединяют и разделяют потоки. Эти операции осуществляются дробилками, грануляторами, смесителями, сепараторами, фильтрами, циклонами, насосами и т.д. 2) Теплообменные элементы изменяют температуру и теплосодержание потока, пере водят вещества в другое фазовое состояние. Для этих целей служат т/о, испарители, конденсаторы и т.д. 3) Массообменные элементы осуществляют межфазный перенос компонентов, изменение компонентного состава потока без появления новых веществ (дистилляторы, ад-, абсорбенты, РК, экстракторы, сушилки и т.д.) 4) Реакционные элементы реализуют химические превращения, кардинально изменяя компонентный состав потоков и материала (процесс происходит в хим. реакторах) 5) Энергетические элементы осуществляют преобразование энергии и получение энергоносителей. К ним относят турбины генераторы, приводы для выработки механической энергии, котлы-утилизаторы для выработки энергетического пара. 6) Элементы контроля и управления позволяют измерять состояния потоков, контролировать состояния аппаратов и машин, а также управлять процессами, меняя условия его протекания. Они включают датчики (температуры, давления, расхода и т.д.), исполнительные механизмы (вентили, задвижки и т.д.), а так же приборы для выработки и преобразования сигналов, информационные и вычислительные устройства. Как правило, это устройства сигнализации, системы автоматического регулирования, автоматическая система управления ХТП. В каждый из перечисленных элементов могут входить разные устройства и протекать самые разнообразные процессы. Потоки ХТС, связывающие аппараты классифицируют по их содержанию: 1) Материальные потоки перемещают вещества по трубопроводам различного назначения, с помощью транспортеров и других механических устройств. 2) Энергетические потоки переносят энергию любого вида: тепловую, силовую, электрическую, топливную. Тепловая энергия и топливо для энергетических элементов передаются обычно по трубопроводам (пар, горячие потоки, горючие газы и жидкости), силовая энергия – так же по трубопроводам (в виде газов под давлением) или механическим путем через вал двигателей и др. приводы. Электрическую энергию передают провода, кабели. 3) Информационные потоки используются в системах контроля и управления процессами и производством. Простейшим элементом ХТС является оператор, под которым понимают типовой процесс химической технологии и соответствующую ему технику. Оператор преобразует физические параметры входящих в него потоков в соответствующие параметры выходящих потоков. Можно выделить несколько классов операторов (типовых технологических процессов): 1 химические процессы, скорость которых определяется законами химической кинетики; 2 массообменные (диффузионные) процессы, скорость которых определяется скоростью переноса вещества из одной фазы в другую (растворение, кристаллизация, адсорбция, десорбция, экстракция и др.); 3 гидродинамические процессы, скорость которых определяется законами механики и гидромеханики (отстаивание, перемешивание, пенообразование и др.); 4 тепловые процессы, скорость которых определяется законами теплопередачи (нагревание,охлаждение); 5 энергетические процессы, заключающиеся во взаимном преобразовании различных видов энергии: тепловой, механической, электрической в турбинах, генераторах и моторах; 6 механические процессы (дробление, прессование, гранулирование, дозирование и др.); 7 процессы управления (получение и передача информации о состоянии потоков и продуктов и изменении их свойств). Операторы классов 1–6 часто объединяют под одним названием – технологические операторы. Химико-технологический процесс (ХТП) представляет собой совокупность операций, позволяющих получить целевой продукт из исходного сырья. ХТП, как правило, складывается из следующих взаимосвязанных элементарных процессов (стадий): 1.подготовка сырья; подвод реагирующих компонентов в зону реакции; 2.химические реакции; 3.отвод из зоны реакции полученных продуктов и их разделение (рис.1). 1 – стадия подготовки сырья к химическим превращениям; 2 – химические превращения; 3 – выделение и очистка продуктов Подсистема – группа элементов (агрегат), обладающая определенной целостностью и целенаправленностью. Это самостоятельно функционирующая часть системы. Как между элементами, так и между подсистемами существуют различные виды связей – материальные, энергетические, тепловые, информационные. Связь между элементами осуществляется с помощью потоков и отражает перенос потоком вещества, теплоты, энергии от элемента к элементу. Преобразование же потока происходит в самом элементе. По функциональному признаку, наиболее часто используемому технологами, выделяют следующие подсистемы ХТС: подсистема подготовки сырья; подсистема химического превращения; подсистема выделения целевого продукта; подсистема обработки технического продукта; энергетическая подсистема; экологическая подсистема. Подготовка сырья решает задачу доведения его до такого состояния, при котором состав и свойства сырья будут отвечать требованиям данного производства, обеспечивать высокую скорость химических превращений. Для многих видов сырья предъявляемые к нему требования закреплены государственными стандартами (ГОСТ) и техническими условиями (ТУ). Подготовка сырья включает его очистку, измельчение, подогрев, перевод в другое агрегатное состояние. Химические реакции - это второй этап ХТП. На этой стадии компоненты сырья вступают между собой в химическое взаимодействие, в результате которого образуются новые вещества. Отвод продуктов из зоны реакции может совершаться так же, как и подвод реагирующих компонентов. Продукты реакции направляют на склад готовой продукции или на дальнейшую переработку. Кроме того, предусматривают меры по возвращению непрореагировавшего сырья на стадию проведения химической реакции, т.е. организуют рецикл. На заключительных этапах проводят также рекуперацию энергии и очистку промышленных выбросов, чтобы извлечь из отходящих газов и сточных вод все ценные компоненты, а также ликвидировать опасность загрязнения окружающей среды. Таким образом, химико-технологический процесс в целом – это сложная система, состоящая из единичных, связанных между собой процессов (элементов) и взаимодействующая с окружающей средой. Разработка ХТС требует знания как общего подхода к проблеме, так и большого числа конкретных вопросов, непосредственно связанных с химико-технологическим процессом. Системный подход – совокупность общенаучных методологических принципов (требований), в основе которых лежит рассмотрение объектов как систем. К числу этих требований относятся: а) выявление зависимости каждого элемента от его места и функций в системе с учетом того, что свойства целого несводимы к сумме свойств его элементов; б) анализ того, насколько поведение системы обусловлено как особенностями ее отдельных элементов, так и свойствами ее структуры; в) исследование механизма взаимодействия системы и среды; г) изучение характера иерархичности, присущей данной системе; д) обеспечение всестороннего многоаспектного описания системы; е) рассмотрение системы как динамичной, развивающейся целостности. Как известно, ХТС представляет собой совокупность технологических операторов – ХТП, взаимосвязанных технологическими связями. Так как каждый ХТП имеет собственную рабочую характеристику, определяющуюся сложностью элемента, то объединение элементов в ХТС будет сопровождаться взаимным наложением рабочих характеристик элементов. Ситуация будет усугубляться при усложнении технологических связей между элементами. Таким образом, благодаря объединению элементов в систему, она приобретает новые качества, которыми не обладают элементы в отдельности. Успешное решение задач исследования ХТС на стадии их проектирования и эксплуатации предполагает наличие математической модели ХТС. Характер технологических задач, решаемых на каждой иерархической ступени химического предприятия, определяет вид математической модели, используемой для исследования функционирования этих степеней. Модель сложной ХТС всегда должна быть некоторым компромиссом между достаточной простотой представления процессов функционирования моделируемой системы и сложными эффектами, существенными для функционирования реальной системы. Модель, включающая представление всех характеристик и особенностей, теоретически присущих данной реальной системе, называется изоморфной моделью. Сложные системы изучаются с помощью неизоморфных или гомоморфных моделей, которые несколько упрощенно отражают наиболее существенные характеристики процесса функционирования системы. Одним из основных вопросов является выбор уровня приближения к действительности, при котором еще можно достигнуть достоверных результатов. При изучении ХТС применяют гомоморфные модели двух классов: обобщенные и математические. Обобщенные модели – это качественные модели, используемые для получения общего представления о процессе функционирования об элементах и о химическом составе исходного сырья, промежуточных и конечных продуктов ХТС. Обобщенные модели могут быть двух типов: иконографические и операционно-описательные модели. Иконографические обобщенные модели дают общее представление об исследуемой ХТС в виде некоторого графического изображения или чертежа. Операционно-описательные модели дают общее упрощенное представление о процессе функционирования ХТС в форме последовательного словесного описания различных химико-технологических процессов, происходящих в элементах системы. Примером операционно-описательных моделей могут служить технологические регламенты и различная проектноэксплуатационная документация. Математическая модель ХТС является абстрактным и формальным представлением системы, изучение которого возможно математическими методами. Математические модели (ММ) ХТС подразделяют на символические и иконографические. Символические математические модели реальной ХТС представляют собой совокупность математических соотношений в виде формул, уравнений, операторов, логических условий или неравенств, которые определяют характеристики состояния ХТС в зависимости от конструкционных и технологических параметров ХТС. Иконографические математические модели ХТС – это графическое отображение таких качественных свойств ХТС, по которым можно определить количественные характеристики системы, или графическое отображение функциональных соотношений между параметрами и переменными ХТС, являющихся по своей сущности чисто математическими. Математические иконографические модели подразделяют на три группы: топологические модели (графы), структурные блок-схемы и сетевые модели. Топологические модели представляют в виде графов. Граф – это фигура или конфигурация, образованная совокупностью некоторых точек (вершин или узлов); некоторые из них могут быть соединены отрезками прямых, ломаных или кривых линий. Линии могут иметь направление (тогда они называются дугами) или не иметь его (ребра). Для химико-технологического процесса часто вершинами графа являются его элементы, а дуги показывают связь между элементами. Структурная блок-схема – это иконографическая математическая модель, которая соответствует символической математической модели. На структурной блок-схеме каждый технологический оператор изображают в виде блока, Сетевые модели – это иконографические модели, отображающие организационные процессы проектирования, эксплуатации и управления ХТС. При исследовании процессов функционирования ХТС каждый элемент системы рассматривают как технологический оператор, преобразующий фи- зические параметры входных материальных и энергетических потоков х1, х2,…,хn в физические параметры выходных потоков у1, у2, …,уn. Так, например, химический реактор, в котором протекает экзотермическая реакция А+В→С+Q, где Q – тепловой эффект реакции, представляет собой технологический оператор, осуществляющий как качественное (в со- став выходного технологического потока входит новый химический компонент), так и количественное (температура выходного технологического потока больше температуры входного потока) преобразование физических параметров входного технологического потока, включающего два химических компонента. Теплообменник является технологическим оператором, осуществляющим количественное изменение температур входящих технологических потоков. Таким образом, каждый элемент ХТС представляет собой многомерный технологический оператор. Символическую математическую модель такого оператора выражают в виде функциональной зависимости: Y = f (X, U, K) , где Х – вектор физических параметров входных потоков, Y - вектор физических параметров выходных потоков, К – конструкционные и технологические параметры элемента ХТС, U – вектор управляющих параметров. Из всего множества технологических процессов различают только СЕМЬ типовых технологических операторов, с использованием которых возможно синтезировать ХТС любой сложности. Типовые операторы подразделяются на основные и вспомогательные. В зависимости от целей исследования процессов функционирования ХТС каждый элемент системы можно рассматривать либо как совокупность нескольких типовых операторов, либо как один типовой технологический оператор. Ректификационная колонна непрерывного действия может быть представлена совокупностью двух операторов межфазного массообмена 1 и 3, соответствующих верхней и нижней частям колонны, и оператором смешения 2 Операторная схема ректификационной колонны : G, R, F, G0, W – потоки, соответственно, пара легколетучего компонента, флегмы, исходной смеси, паровой поток из испарителя, кубового остатка Изображена операторная схема выпарного аппарата с цен- тральной циркуляционной трубой, включающая операторы нагрева, фазового превращения и разделения. Оператор нагрева отображает процесс теплопередачи от греющего пара к концентрируемому раствору, оператор фазового превращения – переход части растворителя в парообразное состояние. Процессу отделения раствора от вторичного пара в сепараторе соответствует оператор разделения. Операторная схема выпарного аппарата с центральной цирку- ляционной трубой: D, W – потоки греющего и вторичного пара; Gн, Gк потоки исходного и концентрированного растворов; К – конденсат греющего пара Представлена операторная схема выпарного аппарата с вынесенной греющей камерой, которая в отличие от предыдущей включает дополнительный оператор разделения, отображающий деление потока упареного раствора на циркуляционный и продукционный, а также оператор смешения, соответствующий смешению исходного раствора с циркулирующим потоком. Операторная схема выпарного аппарата с вынесенной греющей камерой Топка с камерой смешения может быть представлена схемой, включающей операторы смешения (смешение топлива и воздуха в факеле форсунки), химического превращения (горение топлива) и второго оператора смешения, отображающего разбавление продуктов сгорания атмосферным воздухом для получения газовой смеси с требуемой температурой. Операторная схема топки с камерой смешения Взаимодействие отдельных технологических операторов (элементов, подсистем) ХТС осуществляется благодаря наличию между ними определенных технологических связей или технологических соединений. Каждой технологической связи соответствует некоторый материальный или энергетический поток, называемый технологическим потоком. Характер и особенности технологических связей ХТС, т.е. способ соединения элементов между собой, наглядно отображают с помощью обобщенных иконографических моделей: технологических схем, структурных схем, операторных и функциональных схем. Пример: представлена упрощенная технологическая схема цеха синтеза аммиака. Азотоводородная смесь (авс) поступает в компрессор 1, где сжимается до давления 30 МПа. Затем в инжекторе 2 она смешивается с непрореагировавшей азотоводородной смесью, возвращаемой после реакции, и охлаждается сначала в теплообменнике 3, а потом в испарителе жидкого аммиака 4 При охлаждении азотоводородной смеси конденсируется некоторое количество аммиака, который обычно в ней присутствует. В сепараторе 5 жидкий аммиак отделяют, а азотоводородную смесь подают в колонну синтеза 6, где и осуществляется реакция. Полученный продукт – аммиак конденсируют при охлаждении в водяном конденсаторе 7 и затем отделяют от непрореагировавшей азотоводородной смеси в сепараторе 8 Оставшуюся смесь, имеющую давление 28 МПа, сжимают до давления 30 МПа в циркуляционном компрессоре 9 и вновь возвращают в систему на повторное химическое превращение. Технологическая схема цеха синтеза аммиака (упрощенный вари- ант): 1- компрессор; 2 – инжектор; 3 – теплообменник; 4 – испаритель жидкого аммиака; 5,8 – сепараторы; 6 – колонна синтеза; 7 – водяной холодильник; 9 – циркуляционный компрессор Таким образом, технологическая схема ХТС содержит следующую информацию: о химическом составе исходного сырья, промежуточных и конечных продуктах; о типах и способе соединения элементов (аппаратов и машин); о последовательности отдельных технологических процессов. Технологическую схему можно использовать для изображения ХТС как на стадии эксплуатации, так и на стадии проектирования, чтобы получить первое представление о проектируемой системе. Функциональная схема дает общее представление о процессе функционирования ХТС. На схеме выделяются основные узлы (подсистемы), выполняющие определенную технологическую операцию, показываются технологические связи между ними. По схеме можно определить, какие операции совершаются в производстве и в какой последовательности. Сведения о типах отдельных элементов функциональная схема не даёт. Функциональная схема получения аммиака Структурная схема ХТС дает изображение всех элементов ХТС в виде блоков, имеющих несколько входов и выходов, показывает технологические связи между блоками. Как и функциональная, структурная схема не содержит информации об отдельных типах элементов, но зато технологические связи в ней указывают направление движения материальных и энергетических потоков системы Структурная схема синтеза аммиака: 1- компрессор; 2 – инжектор; 3 – теплообменник; 4 – испаритель жидкого аммиака; 5,8 – сепараторы; 6 – колонна синтеза; 7 – водяной холодильник; 9 – циркуляционный компрессор; G1-G12 - потоки газа; L1-L5 - потоки жидкости Операторная схема в отличие от двух предыдущих дает наглядное представление о физико-химической сущности технологических процессов системы. Для этого каждый элемент ХТС изображают в виде типового технологического оператора, который качественно или количественно преобразует физические параметры входных материальных и энергетических потоков. Операторная схема синтеза аммиака: 1- компрессор; 2 – инжектор; 3 – теплообменник; 4 – испаритель жидкого аммиака; 5,8 – сепараторы; 6 – колонна синтеза; 7 – водяной холодильник; 9 – циркуляционный компрессор; М1-М17 – физические потоки Виды технологических связей между операторами При всей сложности ХТС существуют типовые соединения операторов между собой, объединяющих их в единую схему. К ним относятся: последовательное соединение, параллельное соединение, последовательно-обводное (байпасное) соединение и рециркуляционное соединение. Существует также разновидность сложных соединений, объединяющих несколько типов элементарных соединений одновременно. Последовательное соединение элементов ХТС Последовательное соединение является основным соединением технологических операторов между собой. При этом соединении весь технологический поток, выходящий из предыдущего элемента ХТС, полностью поступает на последующий элемент ХТС, причем каждый элемент поток проходит только один раз. Параллельное соединение элементов ХТС При параллельном соединении, технологический поток разделяется на несколько потоков, которые поступают на различные элементы ХТС, причем каждый аппарат поток проходит только один раз. Выходящие из элементов потоки могут объединяться в один поток, а могут выходить раздельно. Последовательно-обводное (байпасное) соединение При последовательно-обводном (байпасном) соединении через ряд последовательно соединенных элементов ХТС проходит только часть потока, а другая часть обходит часть аппаратов, а затем соединяется с частью потока, прошедшего через элементы ХТС. Рециркуляционное соединение Рециркуляционное соединение характеризуется наличием обратного технологического потока в системе последовательно соединенных элементов, который связывает выход одного из последующих элементов с входом одного из предыдущих элементов. ХТС с использованием этой связи характеризуются коэффициентом рециркуляции, т.е. отношением рециркулирующего потока к суммарному (коэффициент всегда меньше единицы). К принципам, позволяющим более эффективно решить задачу синтеза ХТС методом декомпозиции можно отнести эвристический принцип синтеза ХТС, который заключается в математической формализации интуитивно-эвристического метода, широко используемого проектировщиками, и, позволяющего высококвалифицированным специалистам интуитивно выбирать наиболее удачные варианты решения проблемы без полного перебора всех возможных альтернативных вариантов. При использовании данного метода принятие решения происходит без обоснования его с помощью доказательств. Однако данный способ принятия решений не снижает его ценности, так как он использует интуитивные факторы и правила, т.е. обобщающие знания и большой практический опыт высококвалифицированных специалистов. Некоторые эвристики, применяемые при разработке технологических схем ряда функциональных подсистем химических производств. Например, для выбора оптимальной технологической схемы разделения многокомпонентных смесей из множества альтернативных вариантов можно использовать следующие эвристики: а) выбор варианта с последовательным выделением целевых продуктов в виде легких продуктов элементов подсистемы; б) выбор варианта, в котором отношение количеств верхнего и нижнего продуктов в каждом элементе подсистемы наиболее близко к 1; в) выбор варианта, в котором разделение компонентов осуществляется в порядке уменьшения различий в значениях относительных летучестей разделяемых ключевых компонентов; г) ректификационные колонны, требующие наибольших затрат на разделение вследствие близких относительных летучестей ключевых компонентов или высоких требований к чистоте продуктов, должны быть помещены в конце схемы разделения; д) выбор варианта, характеризующегося минимальной величиной приведенных затрат на реализацию данного технологического процесса в элементе подсистемы и т.д. При разработке оптимальных технологических схем тепловых подсистем (систем теплообменников) могут использоваться следующие эвристики: а) выбирается пара потоков, для которой количество передаваемого тепла является максимальным; б) выбирается пара потоков, для которой заданные конечные температуры потоков не достигнуты, а стоимость использования вспомогательных теплоносителей для доведения температуры этих потоков до заданных конечных значений является минимальной; в) выбирается пара потоков, стоимость нагрева/охлаждения которых вспомогательными тепло-/хладоносителями является максимальной; г) выбирается пара потоков, для которой стоимость теплообмена является минимальной и т.д. При применении эвристического принципа синтеза успех в основном зависит от того, насколько близки эвристические условия к условиям достижения оптимальности рассматриваемой подсистемы ХТС, а также от порядка применения эвристических условий, типа синтезируемой подсистемы, ее сложности, параметров потоков и пр. Для определения данного порядка применения эвристик используют весовые функции отдельных эвристик. Анализ структуры хтс При рассмотрении основных методов расчета ХТС показано, что декомпозиционный метод расчета имеет ряд преимуществ и может использоваться для расчета ХТС произвольной сложности. Однако в этом случае, при расчете замкнутой ХТС, возникают проблемы с определением оптимальной последовательности расчета. Так как ХТС замкнутая, то произвести ее непосредственный расчет без перевода из замкнутого в разомкнутый вид – невозможно, поэтому в данном случае следует говорить об определении оптимального множества разрываемых потоков, позволяющих с минимальным количеством вычислений рассчитать ХТС произвольной сложности. Применительно к ХТС произвольной сложности, перед ее расчетом необходимо решить следующие задачи:
Основные методы расчета хтс. Основной задачей расчета ХТС при заданных параметрах функционирования технологических операторов, является нахождение параметров состояния потоков, связывающих указанные технологические операторы. Методы решения этой задачи обычно разделяют на две группы: интегральные (они еще называются композиционными) и декомпозиционные. В свою очередь, в зависимости от принципов построения моделей, каждый из методов имеет различные способы расчетов. Интегральные и декомпозиционные методы расчета хтс. Суть интегральных методов расчета ХТС заключается в объединении систем уравнений, описывающих работу отдельных аппаратов, в одну большую систему уравнений с дальнейшим решением этой системы. При декомпозиционном методе расчета ХТС представляется в виде отдельных блоков, соответствующих элементам ХТС, и, расчет ХТС сводится к последовательному расчету отдельных блоков. В данном случае размерность каждой отдельной системы уравнений, соответствующей блоку ХТС, относительно невелика. Суть декомпозиционного метода расчета заключается в том, что ХТС представляется в виде отдельных блоков, соответствующих элементам ХТС. Расчет ХТС сводится к последовательному расчету отдельных блоков. В этом случае, при расчете отдельного модуля требуется рассчитать только ограниченное количество уравнений, соответствующих конкретному модулю, т.е. выполнить проверочный расчет конкретного процесса. Следует отметить, что при наличии ограниченного количества возможных модулей ХТС, их алгоритмы расчета давно разработаны и приведены в специальной литературе и в виде компьютерных программ (данные алгоритмы также преподавались в курсе "Моделирование ХТП"). Именно поэтому, вследствие своей универсальности, наибольшее распространение, как при расчете сложных, так и простых ХТС, получил декомпозиционный способ расчета. Как известно, большинство ХТС имеет рециркуляционные соединения, образующие замкнутую ХТС, непосредственный расчет которой с помощью декомпомпозиционного принципа невозможен. Для решения таких систем их структуру сначала необходимо привести к разомкнутому виду, и, только затем производить расчет с использованием декомпозиционногоспособа расчета. Однако, не смотря на то, что теория и алгоритмы анализа структуры ХТС с целью определения оптимального множества разрываемых связей с целью перевода структуры из замкнутого к разомкнутому виду, и нахождения оптимальной последовательности расчета ХТС, достаточно хорошо разработаны, каждая ХТС сама по себе уникальна. В связи с этим, в конкретном случае могут возникнуть проблемы нахождения оптимального множества разрываемых связей и оптимальной последовательности расчета декомпозиционным способом. Существуют разновидности декомпозиционного способа расчета замкнутых ХТС, наиболее простым из которых является итерационный способ расчета. Рассмотрим итерационный способ расчета замкнутых ХТС на примере простейшей схемы, представленной на рис. Как видно на рисунке простейшая замкнутая ХТС состоит из двух модулей (А и В), связанных четырьмя технологическими связями, из которых связь 4 является рециркуляционной. Исходя из исходной задачи расчета ХТС, исходными данными для расчета указанной ХТС будут параметры функционирования элементов А и В, а также параметры входящего в ХТС потока номер 1. Однако, провести расчет модуля А с целью получения параметров потока 2 невозможно, т.к. неизвестны параметры потока 4. Расчет модуля В произвести также невозможно, т.к. неизвестен поток 2, входящий в этот модуль. Таким образом, непосредственное применение декомпозиционного способа расчета этой замкнутой ХТС невозможно. Для того чтобы декомпозиционный способ можно было применить, необходимо привести ХТС из замкнутого вида к разомкнутому. Для этого, в случае указанной ХТС, можно "разорвать" любой поток, входящий в рецикл, т.е. поток 2 или 4. В случае разрыва потока 4 (см.Рис.4.1б), выходящего из модуля В и входящего в модуль А, образуется новый входящий в ХТС и в модуль А поток 4'. В связи с тем, что деление потока на 4 и 4' является условным (применяемым только для цели перевода структуры ХТС из замкнутого к разомкнутому виду), то при применении итерационного способа расчета, в место разрыва помещается дополнительный модуль – итерационный блок (ИБ) (см.Рис.4.1в). В этом случае, исходя из исходной задачи расчета ХТС, исходными данными для расчета указанной ХТС будут являться параметры функционирования элементов А и В, а также параметры входящих потоков 1 и 4'. Первоначальные параметры потока 4' могут определяться с применением какого-либо алгоритма расчета и на основании заданных исходных данных. С указанным набором исходных данных появляется возможность выполнить ПЕРВЫЙ расчет ХТС, т.е. определить параметры потока 2, зная которые рассчитать параметры потоков 3 и 4. В данном случае, параметры потока 4 будут отличаться от параметров потока 4', поэтому, итерационный блок, проанализировав оба набора данных (потоков 4 и 4'), рассчитает суммарную погрешность и присвоит новые значения параметров потока 4'. Так как новые значения потока 4' будут формироваться итерационным блоком с учетом расчетных параметров потока 4, то при выполнении ВТОРОГО расчета ХТС, суммарная погрешность будет меньше, чем при первом расчете. Далее, циклические расчеты (итерации) проводятся до тех пор, пока значения суммарной погрешности не будут ниже требуемой точности расчета. Итерационный метод расчета ХТС обычно применяется для расчета относительно простых ХТС, т.к. применение данного метода для сложных ХТС является не достаточно эффективным, т.к. предусматривает последовательные приближения искомых параметров потоков. В связи с тем, что элементы ХТС, исходя из их физико-химической природы, могут функционировать лишь в заданных интервалах изменения параметров, применение итерационного метода иногда может быть невозможно, т.к. в процессе сходимости этого математического метода, значения технологических параметров могут выйти за пределы функционирования элементов ХТС. При расчете ХТС, имеющей несколько разрываемых потоков (наличие нескольких рециклов), применение итерационного метода вообще может быть достаточно проблематично, т.к. вследствие наличия технологических связей, итерационные процессы будут взаимосвязаны, что негативно повлияет на достижение решения для всей системы. При расчете сложных ХТС, имеющих несколько разрываемых потоков, обычно применяются методы многомерной минимизации суммарной погрешности, описанные в специальной литературе (например /9/). Суть этих методов заключается в том, что в отличие от итерационного метода, искомые значения параметров потоков рассчитываются при проведении расчета, с помощью специальных математических методов с ограничениями, наличие которых не позволяет выйти за пределы функционирования технологических операторов (в процессе нахождения решения), что позволяет достичь сходимости намного быстрее и надежнее. Сравнительные характеристики интегрального и декомпозиционного методов расчета ХТС. Представление хтс в виде графов, матриц и таблиц. Структуру ХТС обычно рассматривают в терминах теории графов, т.е. в виде ориентированного графа, вершины которого соответствуют аппаратам, а дуги – потокам (например, так как на Рис. N ). На рисунке номера вершин обозначены большим курсивом (справа сверху от вершины), а номера потоков – малым прямым шрифтом (под линией соответствующего потока). Последовательность сцепленных дуг, позволяющая пройти от одной вершины к другой, называется путем. Путь можно обозначить как через последовательность дуг, так и через последовательность вершин. Путь, начальная вершина которого совпадает с конечной, причем каждая вершина, за исключением начальной, проходится только один раз, называется контуром. Например, на Рис.N имеются три контура (по вершинам): 2-3-4-2, 3-4-3 и 6-7-6. Комплексом, называется часть графа, вершины которого обладают следующими свойствами:
Например, на графе, представленном на Рис.N имеются два комплекса (по вершинам): 2-3-4 и 6-7. В первый комплекс входят два контура (2-3-4-2 и 3-4-3), а во второй – один (6-7-6). Представленная на рисунке схема движения материальных потоков (граф) является достаточно простой, и, поэтому позволяет проводить свой анализ без применения каких либо программных продуктов. В случае более сложной схемы, проводить анализ становится затруднительно, т.к. при поиске оптимального множества разрываемых потоков комплексов необходимо проводить анализ достаточно большого количества информации и быстродействия. При использовании для анализа структуры ХТС специальных алгоритмов возникает проблема ввода в компьютер структурной схемы, т.е. ее формализация в каком либо числовом виде. В зависимости от выбранного способа анализа, структуру ХТС обычно формализуют в виде матрицы смежности или в виде списка смежности. Матрица смежности представляет собой двоичную таблицу, количество строк и столбцов которой равны количеству вершин графа. Для учета входных и выходных потоков матрицу смежности добавляют нулевой строкой и столбцом, учитывая как нулевую вершину – окружающую среду. В случае если между двумя вершинами есть связь, то элементу матрицы смежности, находящемся на пересечении столбца и строки с соответствующими номерами вершин, присваивается значение "1", а в случае отсутствия связи – "0". Например, для графа, представленного на рисунке N можно составить следующую матрицу смежности: Список смежности для графа, представленного на Рис.N можно представить в виде: Список смежности В данном списке, первая строка матрицы обозначает номер связи графа. Во второй строке указывается номер вершины, откуда указанная связь выходит, а в третьей – в какую вершину графа связь входит. Кроме списка смежности, связи графа можно представить в таблицах связей. Например, для графа, представленного на Рис.N таблицы связей будут выглядеть следующим образом: Синтез ХТС Цель и задачи синтеза (создание) хтс Целью синтеза (или создания) ХТС есть разработка и проектирование эффективной системы, которая бы дала возможность вырабатывать необходимый объем химической продукции высокого качества и обеспечивать экономичность и экологичность этого производства. Целью синтеза ХТС может быть также модернизация или реконструкция действующих производств. Синтез ХТС предусматривает решение таких задач: а) выбор основных технологических операций; б) выбор структуры технологических связей между элементами ХТС; в) определение параметров технологического режима работы отдельных элементов и системы в целом, которые должны обеспечить оптимальное функционирование создаваемой ХТС. Методы и этапы разработки ХТС Первым этапом разработки новой ХТС изобретательский. Он заключается в том, что автор или группа авторов делают изобретение, экспериментально доказывают его преимущества перед существующими и патентуют его. Изобретение может быть случайному, сделанным на основании литературных данных или вследствие продолжительных и систематических экспериментальных исследований (при этом бывает, что изобретение не отвечает главной цели исследований и является побочным). На этом этапе спорят теоретические основы будущей ХТС. На базе известных технологий определяют необходимые стадии технологических процессов, ориентировочно выбирают их технологические параметры. На втором этапе синтеза разрабатываются основные стадии ХТС, их теоретические основы и осуществляется оптимизация этих стадий. На этом этапе делают поиск оптимальных параметров каждой стадии, используя известные из литературы данные о статике и кинетике процессов, физико-химических свойствах веществ, которые применяются в этой ХТС. Если же в литературе эти данные отсутствуют, то получают их экспериментально. Например, изучают растворимости солей или газов в системах, которые исследуются, равновесие пар-жидкость, физико-химические свойства систем (плотность, вязкость, летучесть) и т.п Очень важно изучить кинетику процессов, которые проходят (определение их скорости, порядка реакций, энергии активации, предэкспоненциального множителя, области протекания), исследовать влияние на показатели процессов (степени превращения, скорости, выхода, селективности, качества продукта и т.п.) технологических параметров (температуры, концентрации реагентов, давления, гидродинамических условий, соотношения между реагентами и т.п.). При этом научный работник должен как можно полнее изучить систему, применяя современные методы исследований (физико-химические инструментальные методы анализа, системный анализ, математическое и физическое моделирования, методы оптимизации и т.п.). На третьем этапе синтеза ХТС, как правило, разрабатываются вспомогательные стадии производства, изучаются возможности утилизации и ликвидации отходов. На этом этапе разрабатывают вторичные стадии производства, которые имеют аналоги на других действующих производствах и хорошо зарекомендовали себя. Иногда используют данные подобных производств, описанные в литературе. Если же таких данных нет или возникают определенные трудности относительно применения их в конкретном случае создания новой ХТС, то осуществляют дополнительные исследования и этих вспомогательных стадий. Кроме того, изучают возможности зацикливания материальных и энергетических потоков. Это - возвращение в производство газовых, твердых, жидких веществ, использование вторичной теплоты и т.п.. Обязательным для каждой новой ХТС есть определение способов утилизации отходов, а если это невозможно - это ликвидация их (сжигание, захоронение и т.п.). На четвертом этапе осуществляется проверка разработанной ХТС или хотя бы «главных» ее стадий на увеличенной исследовательской (или пилотной) установке в условиях, близких к реальным (производственным). На пятом этапе формируется технологическая схема ХТС и ее технико-экономическое обоснование. На этом этапе, используя данные анализа материальных и тепловых расчетов всех стадий ХТС, расчетов необходимого оборудования, делают его подбор, составляют смету себестоимости продукции и рассчитывают другие технико-экономических показатели ХТС. На основании этого строят заключения относительно экономической эффективности ХТС, которая создается. После этого авторы выдают исходные данные на проектирование исследовательского или опытно-промышленного производства. Требования, которые называются концепциями создания ХТС, основываются на теоретических закономерностях химико- технологических процессов. Они проверены и подтверждены практикой. Каждая новая ХТС должна формироваться при условии выполнения пяти главных технологических концепций. Технологические концепции создания ХТС 1. Одной из главнейших концепций синтеза ХТС есть глубина переработки сырья в целевой продукт или максимально возможный выход целевого продукта. Эта концепция может быть выполнена с помощью таких направлений: 1.1. Правильный выбор процесса. В качестве примера правильного выбора процесса для обеспечения выполнения первой концепции создания ХТС можно рассмотреть разные технологические процессы получения хлорвинила. Этот продукт можно получить по наиболее распространенному в промышленности двухстадийному способу, а именно: Выход дихлорэтана на первой стадии процесса равняется 95 %, хлорвинила на второй также 95 %. Общий выход хлорвинила из этилена будет составлять 0,95 0,95 = 0,9 (90 %). Если же выбрать другой процесс - каталитическое окислительное гидрохлорирование этилена где выход хлорвинила в одну стадию равняется 95 %, то этим достигается более глубокая переработка этилена в целевой продукт. |