ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.12.2023
Просмотров: 96
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Общая характеристика химико-технологических систем
ХТП
Химико-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).