Химико-технологические системы. Их структура. Элементы ХТС.
Типовые структуры ХТС. Исследование ХТС.

Производственные процессы в химической промышленности и сходных ей областях характеризуются большим разнообразием выпускаемой продукции и большой сложностью. Условия протекания отдельных стадий могут быть весьма различными: от высоких температур (~1500 ⁰С) в случае электрокрекинга углеводородов до очень низких температур при разделении воздуха, от высоких давлений при производстве аммиака  и метанола до низких в процессах вакуумной перегонки. Одни процессы проводят в водной фазе, в других даже следовые количества воды могут полностью дезорганизовать процесс. Технологические схемы получения того или иного продукта могут быть более или менее компактными.

Несмотря на существенные качественные и количественные различия отдельных технологических процессов, разнообразие комбинаций аппаратов, используемых для их реализации, различные мощности и условия протекания, все они имеют общие свойства.

Каждое производство в соответствии с общей теорией систем является сложной системой, которая называется химико-технологической системой.

Химико-технологические системы (ХТС) представляют собой совокупность физико-химических процессов и средств их осуществления с целью получения продукта заданного количества и в требуемом количестве.

ХТС состоит из элементов, т.е. из отдельных аппаратов, в которых протекают технологические операции, необходимые для достижения цели, поставленной перед ХТС.

Элементы, составляющие ХТС, являются функционально взаимосвязанными. Например, в системе, представленной на рисунке, исходный поток сырья нагревается за счет теплоты реакционной смеси, причем количество теплоты, выделившейся в реакторе, зависит от температуры потока на входе в реактор. Аналогично существует связь между абсорбером и ректификационной колонной в системе разделения продуктов. Более интенсивно работающий абсорбер определяет меньшие требования к ректификации. Более того, система может приобретать новые свойства, которые отличаются от свойств отдельных элементов. Так, изображенная на рисунке система может работать в неустойчивом режиме, если уровень тепловыделений в реакторе достигнет определенного значения.

Наиболее часто под элементами ХТС подразумевают аппарат, в котором протекает химико-технологический процесс, качественно и (или) количественно преобразующий физические переменные входных материальных и энергетических потоков x₁, x₂, … x_m в физические переменные выходных материальных и энергетических потоков y₁, y₂, … y_n. Например, в реакторе синтеза аммиака протекает качественное (на выходе реактора присутствует новый компонент – аммиак) и количественные (изменяются концентрации реагентов, температура) преобразования физических параметров потока. Кроме входных и выходных переменных различают конструктивные и технологические параметры. Конструктивными параметрами являются геометрические характеристики аппарата, объем катализатора в реакторе, число тарелок в ректификационной колонке, площадь теплообменной поверхности и расположение труб в теплообменнике. Технологические параметры – это константы скоростей химических реакций, флегмовое число, место ввода питающей жидкости в ректификационной колонке, плотность орошения в абсорбере, время реакции и т.д.

Таким образом, каждый элемент ХТС осуществляет преобразование, которое может быть представлено функциональной зависимостью

Y=F(X, U)                                                                                                                                ( )

где X и Y – векторы параметров состояния входных и выходных потоков, U – вектор конструктивных и технологических переменных. Вид зависимости ( ) определяется физико-химической природой процессов, протекающих в данном аппарате.

Процессы, протекающие в аппаратах, представляют на схемах в виде типовых технологических операторов (ТО), которые подразделяют на основные и вспомогательные. С помощью таких операторов можно строить различные структуры ХТС, соединяя операторы различными технологическими связями. На приведенной ниже схеме дана классификация типовых технологических операторов и их обозначения.

Отдельные аппараты, входящие в состав ХТС, могут выполнять функции нескольких типов ТО. Например, химический реактор может одновременно выполнять функции химического превращения и массообмена. Поэтому на схеме такой реактор может быть представлен в виде совокупности двух ТО, как показано ниже на рисунке.

 

Хотя конкретные ХТС отличаются большой сложностью и разнообразием структур, практически все конкретные структуры могут быть при помощи декомпозиции и агрегации элементов (объединения нескольких элементов в так называемый суперэлемент) сведены к небольшому числу типовых структур с характерным соотношением направлений соединяющих их потоков.

К таким типовым структурам относятся

1.  Последовательная технологическая связь – это такая связь, когда поток, выходящий из одного элемента, является входящим для следующего и все технологические потоки проходят через каждый элемент системы не более одного раза (а). Последовательное соединение элементов – основной прием в химической технологии, т.к. оно соответствует многочисленному принципу переработки сырья в качественно различных элементах.

а)

 

2.  Параллельная технологическая связь – это такая связь, когда выходящий из i-того элемента ХТС поток разбивается на несколько параллельных подпотоков (б). Параллельная технологическая связь используется для повышения мощности, надежности, гибкости ХТС, а также при параллельном получении на базе одного исходного вещества двух или нескольких продуктов

б)

 

 

 

3.  Последовательно-обводная технологическая связь (байпас, by-pass) – это такая технологическая связь, при реализации которой часть выходного потока из одного элемента минует элементы ХТС в последовательной цепи аппаратов, а затем снова объединяется с основным потоком. Примером такой связи является цепь аппаратов: делитель потоков – теплообменник – смеситель потоков (в) для регулирования температуры на выходе теплообменного узла

Кроме того, байпас широко применяется в системах переработки с последующим смещением, где для обеспечения заданного состава и качества продукта необходимо перерабатывать не весь поток, а лишь часть его. Потоки спешиваются в таком соотношении, чтобы получился продукт заданного качества.

Обратная технологическая связь.

Характеризуется наличием рециркуляционного потока, связывающего выходной поток последующего элемента ХТС с входным потоком предыдущего элемента (г)

Обратная технологическая связь предусматривает многократное возвращение потоков в один и тот же элемент системы. Типичными примерами ХТС с обратной связью является ХТС синтеза метанола, аммиака и др., где большая часть непрореагировавших газов рециркулируется в процесс.

Для характеристики обратных связей используют коэффициент отношения рециркуляции

или коэффициент рециркуляции

Исследование химико-технологических систем.

Исследование сложных химико-технологических производств с использованием методов и средств теории систем получило название системного анализа.

Системный анализ –результат успешного применения к исследованию и разработке ХТС опыта изучения, создания и эксплуатации химических производств с привлечением методов, используемых в химических, физических и математических науках, моделировании, вычислительной математике, автоматическом управлении и других разделах науки, практикуемых в инженерно-химических исследованиях и разработках.

Обобщая опыт использования системного анализа, можно установить примерную последовательность этапов исследования и анализа ХТС в рамках системного анализа.

1.    Выделение элементов, которые определяют свойства ХТС.

2.    Установление зависимостей показателей выходных потоков от входных для каждого элемента, т.е. получение математического описания работы элемента и определение его свойств и особенностей. Поскольку в элементах ХТС происходит превращение потоков, то их описание основывается, главным образом, на физико-химических и физических закономерностях протекающих в них процессов.

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

Таким образом, определяется структура ХТС – совокупность элементов и связей между ними. Математическое описание элементов создает основу количественных расчетов при исследовании системы. Эти этапы требуют знаний о процессах и практического опыта.

4.    Исследование ХТС – расчет показателей определения свойств, изучение эволюции (развития, изменения) ХТС для улучшения ее показателей и свойств. Здесь используются принципы и методы различных областей науки – кибернетики, топологии, теорий информатики, игр, решений, катастроф, факторного анализа.

Большое значение в исследовании сложных систем имеет накопленный опыт исследования химических производств – так называемые "эвристические исследования".

Описание системы, состоящей из сотен элементов и связей, представляет собой совокупность алгебраических, дифференциальных и интегральных уравнений. Поэтому основное средство системного анализа – компьютеры и суперкомпьютеры.