Структура и описание ХТС

Химическое производство состоит из десятков и сотен разно­родных аппаратов и устройств, связанных между собой разнооб­разными потоками. Представив химическое производство как химико-технологическую систему (ХТС), проведем дальнейшую систематизацию частей производства (подсистем), представленных в струк­туре ХТС.

Функциональные подсистемы обеспечивают выполнение функций производства и его функционирования в целом.

Технологическая подсистема - часть производства, где осуществляется собственно переработка сырья в продукты, химико-технологический процесс.

Энергетическая подсистема - часть производства, служащая для обеспечения энергией химико-технологического процесса. В зависимости от вида энергии; тепловая, силовая, электрическая - может быть представлена соответствующая под­система.

Подсистема управления - часть производства для получения информации о его функционировании и для управ­ления им. Обычно это - автоматизированная система управле­ния технологическим процессом (АСУТП).

Совокупность функ­циональных подсистем образует состав ХТС.

Масштабные подсистемы выполняют определенные функции в последовательности процессов переработки сырья в продукты как отдельные части химико-технологического процесса. Масштабные подсистемы ХТС также можно системати­зировать в виде их иерархической последовательности - иерар­хической структуры ХТС: химическое производство; отделения химического производства; узлы и агрегаты и единичные аппараты.

В структуре ХТС минимальный элемент - отдельный аппарат (реактор, абсорбер, ректификационная колонна, насос и про­чее). Это - низший масштабный уровень I.

Несколько аппара­тов, выполняющих вместе какое-то преобразование потока - элементы подсистемы II масштабного уровня (реакционный узел, система разделения многокомпонентной смеси и т. д.). Совокупность подсистем второго уровня образуют подсистему III уровня (отделения или участки производства, например в производстве серной кислоты - отделения обжига серосодержащего сырья, очистки и осушки сернистого газа, контактное, абсорбционное, очистки отходящих газов). К этим же подсистемам могут относиться водоподготовка, регенерация отработанных вспомогательных материалов, утилизация отхо­дов. Совокупность отделений, участков образует ХТС произ­водства в целом.

Синтез и анализ ХТС

Классификация элементов ХТС проводится по их назначению.

Механические и гидромеханические элемен­ты производят изменение формы и размера материала и перемещение, объединение и разделение потоков. Эти операции осуществляются дробилками, грануляторами, смесителями, се­параторами, фильтрами, циклонами, компрессорами, насосами.

Теплообменные элементы изменяют температуру потока, его теплосодержание, переводят вещества в другое фазо­вое состояние. Эти операции осуществляют в теплообменниках, испарителях, конденсаторах, сублиматорах.

Массообмениые элементы осуществляют межфаз­ный перенос компонентов, изменение компонентного состава потоков без появления новых веществ. Эти операции проводят в дистилляторах, абсорберах, адсорберах, ректификационных ко­лоннах, экстракторах, кристаллизаторах, сушилках.

Реакционные элементы осуществляют химические превращения, кардинально меняют компонентный состав пото­ков иматериалов. Эти процессы происходят в химических реак­торах.

Энергетические элементы осуществляют преобразо­вание энергии и получение энергоносителей. К ним относят турбины, генераторы, приводы длявыработки механической энергии, котлы-утилизаторы для выработки энергетического пара.

Элементы контроля и управления позволяют измерить параметры состояния потоков, контролировать со­стояние аппаратов и машин, а также управлять процессами, меняя условия их протекания. К ним относятся датчики (температуры, давления, расхода, состава и т.д.), исполнитель­ные механизмы (вентили, задвижки, выключатели и т.д.), а так­же приборы для выработки и преобразования сигналов, инфор­мационные и вычислительные устройства. Как правило, это устройства сигнализации, системы автоматического регулирова­ния, автоматическая система управления химико-технологи­ческим процессом.

В каждом из перечисленных элементов могут протекать раз­нообразные процессы и в каждый из них могут входить как со­ставные части различные по назначению устройства. В реакци­онный узел кроме реактора входят теплообменные аппараты и гидромеханические устройства (смесители, распределители по­токов). Классифицировать такой агрегат можно по его основно­му назначению - реакционный элемент технологической под­системы, но в энергетической подсистеме возможна утилизация теплоты реакции для подогрева воды в общей системе выработ­ки энергетического пара. Тогда в энергетической подсистеме реакционный узел будет теплообменным элементом, источник тепла которого - результат химической реакции (сравните; в ог­невом подогревателе тоже протекает химическая реакция горение, или окисление, топлива).

В зависимости от изучаемой подсистемы один и тот же элемент может иметь разное назначение. Котел-утили­затор охлаждает поток в технологической подсистеме, он - теп-лообменный элемент. В энергетической подсистеме котел-ути­лизатор вырабатывает пар и потому он - энергетический элемент.

Возможно совмещение элементов по их назначению в одном устройстве, например реактор-ректификатор: в нем одновре­менно происходит и химическое превращение, и компонентное разделение смеси (массообменный элемент).

Потоки между аппаратами (связи между элементами) классифицируют по их содержанию. Материальные потоки переносят вещества и мате­риалы по трубопроводам различного назначения, транспортера­ми и другими механическими устройствами.

Энергетические потоки переносят энергию в любом ее проявлении - тепловую, механическую, электрическую, топ­ливо. Тепловая энергия и топливо для энергетических элемен­тов передаются обычно по трубопроводам (пар, горячие потоки, горючие газы и жидкости), механическая энергия - также по трубопроводам (в виде газов под давлением) или через вал дви­гателей и другие элементы привода. Провода, силовые кабели передают электрическую энергию.

Информационные потоки используются в системах контроля и управления процессами и производством. Исполь­зуются электрические провода и тонкие, капиллярные, трубки в пневматических системах.

Структура связей. Последовательность прохождения потоков через элементы ХТС определяет структуру связей и обеспечи­вает необходимые условия работы элементов системы.

Последовательная связь: поток проходит аппараты поочередно. Применение: последовательная переработка сырья в разных операциях, более полная перера­ботка сырья последовательными воздействиями на него, управ­ление процессом путем необходимого управляющего воздей­ствия на каждый элемент.

Разветвленная связь:после не­которой операции поток разветвляется и далее отдельные пото­ки перерабатываются различными способами. Используется для получения разных продуктов.

Параллельная связь:поток раз­ветвляется, отдельные части его проходят через разные аппара­ты, после чего потоки объединяются. Если мощность некоторых аппаратов ограничена, то устанавливают несколько аппаратов параллельно, обеспечивая суммарную производительность всей системы. Другое применение такой связи - использование пе­риодических стадий в непрерывном процессе. В этом случае поочередно работает один из параллельных аппаратов. После завершения рабочего цикла одного аппарата поток переключают на другой аппарат, а отключенный подготавливают к очередно­му рабочему циклу. Так включены адсорберы с коротким сро­ком службы сорбента. Пока в одном из них происходит погло­щение, в другом сорбент регенерируют. Еще одно назначение параллельной схемы - резервирование на случай выхода из строя одного из аппаратов, когда такое нарушение может при­вести к резкому ухудшению работы всей системы и даже к ава­рийному состоянию.

Обводная связь, или байпас: часть потока, не поступая в аппарат, "обходит" его. Такая схема используетсяв основном для управления процессом. На­пример, в процессе эксплуатации теплообменника условия пе­редачи теплоты в нем меняются (загрязнения поверхности, из­менение нагрузки).Поддерживают необходимые температуры потоков байпасированием их мимо теплообменника.

Обратная связь, или рецикл: часть потока после одного из аппаратов возвращается в предыдущий. Если выходящий из аппарата поток разветвляется, и одна его часть образует обратную связь, то такая связь образует полный рецикл- составы выходящего потока, и рециклирующего одинаковы, Такую схему используют для управления процессом, создания благоприятных условий для его протекания. В цепных реакциях скорость превращения возрастает по мере накопления промежуточных активных радикалов, Если на вход реактора вернуть часть выходного потока, содержащего активные радика­лы, то превращение будет интенсивным с самого начала.