Лекция № 2. Химико-технологическая система, ее состав и структура
Сложность современного химического производства не позволяет смотреть на него как на сумму разработанных и спроектированных в отдельности технологических операций и процессов. Работа каждого отдельного аппарата, включенного в процесс производства химического продукта, зависит от работы других аппаратов, способа соединения их между собой и других факторов. Признание факта взаимного влияния агрегатов привело к рассмотрению технологического процесса в целом и выдвинуло новый подход к проектированию и эксплуатации химических производств – системный метод исследования.
Основные принципы системного подхода
Впервые основные принципы системного подхода были сформулированы в 1937 году американским биологом Лео фон Берталанфи. В то время новый исследовательский подход не привлек особого внимания ученых и только после II мировой войны получил широкое распространение в связи с развитием кибернетики и социальных наук. Основные принципы системного подхода можно сформулировать следующим образом:
- любой объект исследования следует рассматривать как систему, отвлекаясь от его конкретной природы;
- эффективность функционирования этой системы зависит от ее состава и структуры;
- нельзя изучать отдельные элементы системы в отрыве от других элементов;
- полное знание одного элемента системы не означает знание всей системы, и неполная информация может привести к неожиданным последствиям;
- для изучения состава и структуры системы используют метод декомпозиции – расчленение целого на части;
- при изучении отдельных элементов системы исследуются лишь те свойства элемента, которые определяют его взаимодействие с другими элементами или влияют на свойства системы в целом;
- системный подход заключается в определении состава и структуры системы, которые обеспечат полную совместимость элементов внутри системы и совместимость последней с внешней средой при достижении высоких результатов функционирования системы.
С этой точки зрения химическое производство – это искусственная техническая система, предназначенная для выпуска химической продукции требуемого качества с минимальными затратами и минимальным воздействием на окружающую среду. Назовем эту систему химико-технологической системой (ХТС) и рассмотрим ее состав и структуру.
Состав ХТС
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):
-
химические процессы, скорость которых определяется законами химической кинетики;
-
массообменные (диффузионные) процессы, скорость которых определяется скоростью переноса вещества из одной фазы в другую (растворение, кристаллизация, адсорбция, десорбция, экстракция и др.);
-
гидродинамические процессы, скорость которых определяется законами механики и гидромеханики (отстаивание, перемешивание, пенообразование и др.);
-
тепловые процессы, скорость которых определяется законами теплопередачи (нагревание, охлаждение);
-
энергетические процессы, заключающиеся во взаимном преобразовании различных видов энергии: тепловой, механической, электрической в турбинах, генераторах и моторах;
-
механические процессы (дробление, прессование, гранулирование, дозирование и др.);
-
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.
Более крупной структурной единицей ХТС является подсистема. Подсистемой называют совокупность операторов, объединенных одной технологической схемой. Подсистема – это самостоятельно функционирующая часть системы.
Подсистемы могут быть выделены по любому, удобному для изучения системы признаку. Например, химическое производство можно представить как иерархическую структуру, состоящую из 3 – 4 уровней или ступеней иерархии (соподчинения):
1 (низшая) ступень – типовые ХТП и соответствующая техника;
2 ступень – совокупность типовых технологических процессов, осуществляющих определенную операцию. Чаще всего, это цехи или их отдельные участки;
3 ступень – химические производства, состоящие из нескольких цехов, где получают целевые продукты;
4 ступень – химическое предприятие в целом.
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.
Подсистема химического превращения является главной подсистемой ХТС, здесь происходит получение целевого продукта.
Подсистему подготовки сырья вводят в том случае, если сырье по своим характеристикам не соответствует требованиям главной подсистемы. Операторами этой подсистемы являются хранение и транспортировка сырья, нагрев и охлаждение, испарение, плавление, растворение, сушка, измельчение и др.
Подсистема выделения целевого продукта предназначена для разделения реакционной смеси на отдельные компоненты. Операторы подсистемы – ректификация, экстракция, фильтрация и др.
Подсистема обработки технического продукта имеет целью доведение целевого продукта до заданного уровня качества и придания ему товарного вида. В эту подсистему могут быть включены операторы расфасовки, укупорки, маркировки, транспорта, хранения и др.
Энергетическая подсистема включает в себя подсистемы производства энергии, рекуперации энергии и водоподготовки.
Экологическая подсистема предназначена для рекуперации сырья, очистки сточных вод и газовых выбросов.
В состав ХТС кроме элементов включаются еще связи. Связь - это физический канал, по которому происходит обмен веществом, энергией или информацией между элементами (внутренние связи) и между отдельными системами (внешние связи). По физическому смыслу связи бывают материальные, энергетические и информационные.
Материальные связи – потоки сырья, вспомогательных материалов, продуктов и отходов.
Энергетические связи – потоки топлива, хладоагентов и теплоносителей.
Материальные и энергетические связи называют технологическими.
Информационные связи – это связи, обеспечивающие управление системой.
Структура ХТС
Структура ХТС – это способ соединения элементов в единую систему. Можно выделить 4 основные структуры:
-
последовательное соединение операторов;
-
параллельное соединение операторов;
-
обводное (байпасное) соединение операторов;
-
обратное соединение операторов (рецикл).
При последовательном соединении аппаратов весь технологический поток, выходящий из предыдущего элемента поступает полностью в последующий элемент; при этом через каждый элемент схемы поток проходит лишь один раз.
При параллельном соединении технологический поток разделяется на несколько более мелких потоков, поступающих в различные элементы системы. Выходящие из этих элементов потоки могут объединяться в один поток или выходить из системы раздельно. Через каждый элемент поток проходит один раз.
Обводное соединение элементов – это ряд последовательно соединенных аппаратов, через которые проходит лишь часть технологического потока. Другая часть потока обходит один или несколько аппаратов и затем соединяется с основной частью потока. При байпасном соединении направление главного и побочного потоков совпадают; каждый проходит через какой-либо элемент только один раз.
1 – прямой поток (m1), 2 – главный поток (m2), 3 – побочный поток (m3).
m1 = m2 + m3
Рецикл характеризуется наличием в цепи последовательно соединенных элементов хотя бы одного обратного потока. В отличие от ранее рассмотренных схем это замкнутая система.
m2 = m1 + m3
Такие системы характеризуются степенью рециркуляции, показывающей, какая для главного потока после его разветвления возвращается в процесс 
,
и коэффициентом рециркуляции, который показывает, во сколько раз главный поток больше прямого 
.
Все остальные структуры ХТС являются комбинацией этих четырех основных способов соединения элементов. Комбинированные структуры весьма многообразны; их можно разделить на две большие группы: разветвленные
и перекрестные
Рассмотренные четыре структуры используется в производстве при соединении в технологическую цепочку любых аппаратов, в том числе и химических реакторов. Рассмотрим, какие технологические задачи решаются при использовании различных вариантов соединения реакторов.
Последовательное и параллельное соединение реакторов осуществляют при необходимости увеличения производительности установки. При заданной скорости химической реакции производительность установки, работающей в непрерывном режиме, можно увеличить
-
при достижении более высокой степени превращения реагента за счет увеличения времени пребывания реагентов в реакционной зоне;
-
путем увеличения количества перерабатываемого сырья в единицу времени при сохранении α = const.
В обоих случаях это приводит к увеличению объема реакционной зоны (объема реактора).
,
Vp – объем реактора (м3); vоб. – объемная скорость подачи сырья (м3/час); τ – время пребывания реагентов в реакционной зоне (час).
В случае повышения производительности за счет повышения времени пребывания реагентов в реакторе (τ ) используют последовательное соединение реакторов; для повышения объемной скорости подачи сырья (vоб.) применяют параллельную схему соединения реакторов.
Последовательное включение реакторов используют также при оптимизации условий проведения отдельных стадий технологического процесса; параллельное соединение удобно для оптимальной организации производства (попеременное включение реакторов).
Обвод широко применяется для создания оптимального температурного и концентрационного режима.
Рецикл находит применение при использовании избытка одного из реагентов или невозможности достижения высоких степеней превращения реагента; в этом случае непревращенный реагент выделяют и возвращают в реактор.