I Химическое производство как сложная система

Реальное химическое производство представляет собой совокупность большого числа взаимосвязанных технологических аппаратов, предназначенных для переработки сырья в продуты потребления и средства производства. Это сложный комплекс, в котором оптимальные параметры работы аппаратов не совпадают между собой. Следовательно, вместе с исследованием отдельных элементов технологического процесса необходимо изучение ХТС в целом.

ХТС – это совокупность взаимосвязанных технологическими потоками и действующих как одно целое аппаратов, в которых осуществляется определенная последовательность технологических операций – подготовка сырья к химическим превращениям, химические превращения, выделение и очистка целевых продуктов (рис. 1).

Каждая технологическая операция протекает в отдельных аппаратах, которые являются элементами ХТС. Для ХТС характерно, что при этом не изучается внутренние свойства и структура элементов, а анализируются только такие свойства элементов, которые определяют его взаимосвязь с другими элементами ХТС и влияют на свойства системы в целом.

Состояние системы зависит от конструкционных параметров ХТС и технологического режима.

Конструкционные параметры ХТС — геометрические характеристики элементов системы — объем, диаметр, высота и т.д. Параметры технологического режима ХТС — совокупность параметров внутри элемента, влияющих на скорость технологического процесса, выход и качество продукции. К ним относятся концентрации реагентов, температура, давление, активность катализатора, гидродинамика потока. От параметров ХТС зависит качество функционирования ХТС, которое определяют по показателям эффективности — количеству реализованной продукции, качеству продукции, эксплуатационным и капитальным затратам.

При этом следует отметить, что на показатели ХТС оказывают влияние показатели работы отдельных ее элементов, в которых одновременно протекают физические и химические процессы. Последовательное описание или изображение процессов и соответствующих им аппаратов называется технологической схемой ХТС.

Технологические схемы ХТС принято делить на два основных типа:

1) с открытой цепью;

2) циклические (циркуляционные, круговые, замкнутые).

Схема с открытой цепью состоит из аппаратов, через которые все реагирующие компоненты или одна из взаимодействующих фаз проходит лишь один раз. Если степень превращения в одном аппарате невелика, то включают последовательно несколько однотипных аппаратов, например батарею реакторов.

По открытой схеме строят производства, которые включают необратимые и обратимые процессы, идущие с достаточно большим выходом продукта. Если же выход продукта в одном аппарате составляет 4 — 5% (синтезы спиртов) или до 20% (синтез аммиака) и реагирующая смесь содержит лишь незначительные количества (обычно инертных) примесей, то целесообразно строить производство по циклической схеме.

Циклическая схема предусматривает многократное возвращение в один и тот же аппарат всех реагирующих масс или одной из фаз в гетерогенном процессе вплоть до достижения заданной степени превращения исходных веществ. Во всех таких производствах за один цикл в аппарате достигается небольшая степень превращения, но реагирующая смесь после выделения продукта многократно циркулирует через аппарат вплоть до практически полного превращения. К циркулирующей смеси непрерывно добавляется такое количество свежих исходных материалов, которое равно расходу их на получение продукта за один цикл с учетом потерь. Поскольку в процессе расходуются основные исходные компоненты, происходит накопление в циркулирующей газовой смеси балластных примесей, содержащихся в исходном сырье. Для удаления примесей из цикла выводят некоторую часть газовой смеси.

Циклические схемы приобретают особое экономическое и экологическое значение, так как в ряде производствах осуществление такой схемы позволяет резко снизить количество вредных выбросов по сравнению со схемами с открытой цепью.

В гетерогенных процессах часто применяют комбинированные схемы, в которых одна из реагирующих фаз проходит последовательно ряд аппаратов и оставшаяся часть ее выбрасывается, а вторая фаза циркулирует через некоторые аппараты схемы.

II Модели ХТС

Существуют две модели ХТС – математическая и обобщенная.

Математические модели — формализованное представление системы, позволяющее анализировать ее математическими методами, в том числе математическим моделированием. Эти модели дают математическое описание функционирования ХТС виде формул, графиков. Математические модели делятся на символические и иконографические.

Символические математические моделив виде формул, уравнений, неравенств и т.д. передают взаимосвязь между элементами, параметрами и показателями эффективности функционирования системы. Таким образом, такая модель отражает состояние системы в формализованном виде.

Иконографические математические моделив графической форме отображают качественные свойства ХТС или количественные соотношения между параметрами ХТС. Они дают возможность качественного и частичного количественного установления связей между элементами ХТС.

Обобщенные модели — качественные модели. Они дают общее представление о функционировании ХТС, об элементах, исходном сырье, промежуточных и конечных продуктах ХТС. Обобщенные модели бывают двух типов — операционно-описательные и иконографические.

Операционно-описательная обобщенная модельдает упрощенное представление о ХТС, т.е. словесные сведения о функционировании системы. Эти модели включают химическую схему процесса, в основу которой положены химические реакции, протекающие при переработке сырья. При этом рассматриваются не только основные, но и возможные побочные реакции, снижающие выход целевого продукта и селективность, обуславливающие образование отходов, увеличение расхода энергии на переработку сырья и т.д.

Операционно-описательная модель может включать спецификацию основного оборудования, сведения о сырье, выпускаемо продукции и параметрах процесса. Примерами подобной модели могут служить технологические регламенты и другая эксплуатационная и технологическая документация на предприятиях и проектных организациях.

Иконографические обобщенныемоделипредставляют ХТС в графическом изображении. Такая модель позволяет получить наглядное представление о способе соединения отдельных элементов системы. Это дается в виде схем: функциональной, технологической, структурной, операторной.