ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.12.2023
Просмотров: 97
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
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.