Хіміко-технологічна система - реферат, сторінка 1

Хімічне виробництво складається з десятків і сотень різнорідних апаратів і пристроїв, пов'язаних між собою різноманітними потоками. Дослідити його в цілому при величезному різноманітті його складових частин - завдання не тільки складна, але і малоефективна. Представивши хімічне виробництво як хіміко-технологічну систему, проведемо подальшу систематизацію частин виробництва, представлених в структурі ХТС. Мета систематизації - виділити підсистеми ХТМ для їх дослідження і вивчення. Будемо виділяти підсистеми за двома ознаками - функціональному і масштабного.

Функціональні підсистеми забезпечують виконання функцій виробництва і його функціонування в цілому.

Технологічна підсистема - частина виробництва, де здійснюється власне переробка сировини в продукти, хіміко-технологічний процес.

Енергетична підсистема - частина виробництва, що служить для забезпечення енергією хіміко-технологічного процесу. Залежно від виду енергії: теплова, силова, електрична - може бути представлена ​​відповідна підсистема.

Підсистема управління - частина виробництва для отримання інформації про його функціонування і для управління ним. Зазвичай це - автоматизована система управління технологічним процесом (АСУТП).

Приблизно так само функціональні підсистеми представлені в технічній документації з виробництва. Нагадаємо, що в залежності від мети досліджень кожна з підсистем може бути представлена ​​кількома видами. Сукупність функціональних підсистем утворює склад ХТС.

Масштабні підсистеми виконують певні функції в послідовності процесів переробки сировини в продукти як окремі частини хіміко-технологічного процесу. Як і в структурі математичної моделі процесу в реакторі, масштабні підсистеми ХТМ також можна систематизувати у вигляді їх ієрархічної послідовності - ієрархічної структури ХТС (рис. 3.1).

У структурі ХТС мінімальний елемент - окремий апарат (реактор, абсорбер, колона ректифікації, насос та інше). Це - нижчий масштабний рівень I. Кілька апаратів, що виконують разом якесь перетворення потоку, - елементи підсистеми II масштабного рівня (реакційний вузол, система поділу багатокомпонентної суміші і т.д.). Сукупність підсистем другого рівня як елементи утворюють підсистему III рівня (відділення або ділянки виробництва, наприклад у виробництві сірчаної кислоти - відділення випалу серосодержащего сировини, очищення і осушення сірчистого газу, контактна, абсорбція, очищення газів, що відходять). До цих же підсистем можуть ставитися водопідготовка, регенерація відпрацьованих допоміжних матеріалів, утилізація відходів. Сукупність відділень, ділянок утворює ХТМ виробництва в цілому. Описане виділення підсистем умовно. В якихось задачах виділення підсистем, елементів може бути іншим.

Ієрархічна структура хіміко-технологічної системи

Ієрархічна структура ХТС дозволяє на кожному етапі скоротити розмірність досліджуваного завдання, а результати вивчення підсистеми одного виробництва використовувати в дослідженнях іншого. Ієрархічну послідовність масштабних підсистем можна виділити також в функціональних підсистемах.

Проведемо подальшу систематизацію елементів ХТС. В описаній ієрархічній структурі окремі апарати або агрегати призначені для певного зміни стану потоку.

Класифікація елементів ХТС проводиться за їх призначенням.

Механічні і гідромеханічні елементи виробляють зміна форми і розміру матеріалу і його переміщення, об'єднання і розділення потоків. Ці операції здійснюються дробарками, грануляторами, змішувачами, сепараторами, фільтрами, циклонами, компресорами, насосами.

Масообмінні елементи здійснюють міжфазовий перенесення компонентів, зміна компонентного складу потоків без появи нових речовин. Ці операції проводять в дистилляторах, абсорбера, адсорберах, ректифікаційних колонах, екстракторах, кристалізаторах, сушарках.

Реакційні елементи здійснюють хімічні перетворення, кардинально змінюють компонентний склад потоків і матеріалів. Ці процеси відбуваються в хімічних реакторах.

Енергетичні елементи здійснюють перетворення енергії і отримання енергоносіїв. До них відносять турбіни, генератори, приводи для вироблення механічної енергії, котли-утилізатори для вироблення енергетичного пара.

Елементи контролю і управління дозволяють виміряти параметри стану потоків, контролювати стан апаратів і машин, а також управляти процесами, змінюючи умови їх протікання. До них відносяться датчики (температури, тиску, витрати, складу і т.д.), виконавчі механізми (вентилі, засувки, вимикачі і т.д.), а також прилади для вироблення і перетворення сигналів, інформаційні та обчислювальні пристрої. Як правило, це пристрої сигналізації, системи автоматичного регулювання, автоматична система управління хіміко-технологічним процесом.

У кожному з перерахованих елементів можуть протікати різноманітні процеси і в кожен з них можуть входити як складові частини різні за призначенням пристрою. У реакційний вузол крім реактора входять теплообмінні апарати і гідромеханічні пристрої (змішувачі, розподільники потоків). Класифікувати такий агрегат будемо за її основним призначенням - реакційний елемент технологічної підсистеми. Але в енергетичній підсистемі можлива утилізація теплоти реакції для підігріву води в загальній системі вироблення енергетичного пара. Тоді в енергетичній підсистемі реакційний вузол буде теплообмінних елементом, джерело тепла якого - результат хімічної реакції (порівняйте: в вогневому підігрівачі теж протікає хімічна реакція - горіння, або окислення, палива).

Як бачимо, в залежності від досліджуваної підсистеми один і той же елемент може мати різне призначення. Котел-утилізатор охолоджує потік в технологічній підсистемі, він - теплообмінний елемент. В енергетичній підсистемі котел-утилізатор виробляє пар і тому він - енергетичний елемент.

Можливо поєднання елементів за їх призначенням в одному пристрої, наприклад реактор-ректіфікатор: в ньому одночасно відбувається і хімічне перетворення, і компонентне поділ суміші (масообмінних елемент).

Незважаючи на відносність ознак призначення елементів ХТС, наведена класифікація елементів дозволяє проводити дослідження більш систематично.

Класифікація зв'язків (потоків). Потоки між апаратами (зв'язки між елементами) класифікують за їх змістом:

Матеріальні потоки переносять речовини і матеріали по трубопроводах різного призначення, транспортерами та іншими механічними пристроями.

Енергетичні потоки переносять енергію в будь-якому її прояві - теплову, механічну, електричну, паливо. Теплова енергія і паливо для енергетичних елементів передаються зазвичай по трубопроводах (пар, гарячі потоки, горючі гази і рідини), механічна енергія - також по трубопроводах (у вигляді газів під тиском) або через вал двигунів і інші елементи приводу. Провід, силові кабелі передають електричну енергію.

Інформаційні потоки використовуються в системах контролю і управління процесами і виробництвом. Використовуються електричні дроти і тонкі, капілярні, трубки в пневматичних системах.

Структура зв'язків. Послідовність проходження потоків через елементи ХТС визначає структуру зв'язків і забезпечує необхідні умови роботи елементів системи. Основні типи структури зв'язків показані на рис. 3.2. Тут прямокутники представляють елементи, лінії зі стрілками - зв'язку і напрямки потоків.

Послідовна зв'язок (схема 1 на рис. 3.2). Потік проходить апарати по черзі. Застосування: послідовна переробка сировини в різних операціях, більш повна переробка сировини послідовними діями на нього, управління процесом шляхом необхідного керуючого впливу на кожен елемент.

Розгалужена зв'язок (схема 2 на рис. 3.2). Після деякої операції потік розгалужується і далі окремі потоки переробляються різними способами. Використовується для отримання різних продуктів.

Зв'язки в хіміко-технологічної системи: 1 - послідовна; 2 - розгалужена; 3 - паралельна; 4, 5 - обводная (байпас) проста (4) і складна (5) \ 6 зворотна (рециркуляційна) - рецикл повний (6, 9) і фракційний (7, А), простий (6) і складний (9)

Паралельна зв'язок (схема 3 на рис. 3.2). Потік розгалужується, окремі частини його проходять через різні апарати, після чого потоки об'єднуються. Якщо потужність деяких апаратів обмежена, то встановлюють кілька апаратів паралельно, забезпечуючи сумарну продуктивність всієї системи. Інше застосування такого зв'язку - використання періодичних стадій в безперервному процесі. В цьому випадку по черзі працює один з паралельних апаратів. Після завершення робочого циклу одного апарату потік перемикають на інший апарат, а відключений готують до чергового робочого циклу. Так включені адсорбер з коротким терміном служби сорбенту. Поки в одному з них відбувається поглинання, в іншому сорбент регенерують. Ще одне призначення паралельної схеми - резервування на випадок виходу з ладу одного з апаратів, коли таке порушення може привести до різкого погіршення роботи всієї системи і навіть до аварійного стану. Таке резервування називають «холодним», на відміну від резервування, обумовленого періодичністю процесу, - «гарячого».

Обвідна зв'язок, або байпас (схеми 4 і 5 на рис. 3.2). Частина потоку, що не вступаючи в апарат, «обходить» його. Така схема використовується в основному для управління процесом. Наприклад, в процесі експлуатації теплообмінника умови передачі теплоти в ньому змінюються (забруднення поверхні, зміна навантаження). Підтримують необхідні температури потоків байпасірованіем їх повз теплообмінника. Величину байпаса р визначають як частку основного потоку, що проходить повз апарату: р = V б / V про (позначення потоків показані на рис. 3.2). Розрізняють простий (схема 4) і складний (схема 5) байпаси.

Зворотній зв'язок, або рецикл (схеми 6-9 на рис. 3.2). Частина потоку після одного з апаратів повертається в попередній. Через апарат, в який направляється потік V p. проходить потік V більший, ніж основний V о. так що V = V o + V p. Кількісно величину рецикла характеризують двома величинами: кратністю циркуляції Кр = V / V про і ставленням циркуляції R = V p / V Очевидно, R = (Кр - 1) / Кр.

Якщо виходить з апарату потік розгалужується, і одна його частина утворює зворотний зв'язок (схема б), то такий зв'язок утворює повний рецикл - склади виходить потоку і реціклірующего однакові. Таку схему використовують для управління процесом, створення сприятливих умов для його протікання. У ланцюгових реакціях швидкість перетворення зростає в міру накопичення проміжних активних радикалів. Якщо на вхід реактора повернути частину вихідного потоку, що містить активні радикали, то перетворення буде інтенсивним з самого початку.