Иерархическая система описания и анализа химико-технологических процессов

Химическая технология товарных продуктов определяется совокупностью элементарных физических, физико-химических и химических процессов. Число элементарных процессов, их характеристики и последовательность операций характеризует структуру ресурсоперерабатывающей системы в целом. В подавляющем большинстве практических случаев эта структура сложна, включает одну или несколько химических стадий переработки. При этом от выбора технологического режима их проведения зависят показатели эффективности производства. При проведении химических процессов каждая реакция (а при проведении сложных процессов могут протекать одновременно несколько реакций) характеризуется своим характером влияния основных параметров - температуры, давления, концентрации.

Кроме того, реакции сопровождаются физическими процессами массообмена, выделением или поглощением теплоты и соответствующими процессами теплообмена. На протекание сложных химико-технологических процессов сильно влияет характер движения потоков реагирующих веществ, конструктивные особенности реакторов и другие факторы. Для таких процессов с параллельными или последовательными реакциями целесообразно использовать декомпозиционный уровневый метод, согласно которому сложная система производства подвергается декомпозиции и анализ технологических процессов с целью выбора рациональных технологических режимов и управления ими проводят не в сложной совокупности элементарных процессов, а по частям (уровням). Уровень - это простые составляющие протекающего сложного процесса или системы. Именно такой подход дает возможность наиболее правильного и быстрого выбора технологических режимов сложных процессов и управления ими с целью обеспечения наилучшего протекания процессов, в том числе эффективного использования ресурсов, как с позиции экономии сырьевой компоненты, так и снижения материалоемкости (в том числе металлоемкости) производства. Таким образом, анализ и описание сложных процессов проводят последовательно с учетом уровня их протекания. Системный декомпозиционный метод предусматривает проведение анализа последовательно на четырех уровнях: молекулярно-кинетическом, макрокинетическом, аппаратурном, вклю­чающем уровень потока и реактора, и на уровне химико-технологической системы (единичного производства).

Молекулярно-кинетический уровень. Этот уровень предполагает описание процессов, как молекулярное взаимодействие реагирующих веществ. Принимают, что реагирующие вещества хорошо перемешаны и их молекулы могут беспрепятственно вступать во взаимодействие друг с другом, диффузионные торможения отсутствуют и процесс протекает в кинетической области. Протекание химико-технологического процесса описы­вается закономерностями кинетики химических реакций. При описании, анализе и расчете протекания химической реакции, как элемента сложного процесса, используют известные кинетические закономерности без вскры­тия механизма реакции.

Анализ на этом уровне проводят в два этапа. На первом этапе оценивают условия термодинамического равнове­сия, рассчитывают предельные (равновесные) выходы продуктов и степени превращения компонентов сырья при заданных ограничениях по температуре, давлению и начальным концентрациям компонентов сырья, а также оценивают тепловые эффекты. Энергетические эффекты оценивают на основе теплоты образования и сгорания веществ.

Предельные значения степени превращения сырья и выходов продуктов при протекании обратимых химических процессов, или диапазон рабочих температур и давлений, при которых возможно достижение заданной степени использования сырья, прогнозируют на основе данных о равновесии реакций. Для этого, используя известную из справочной литературы зависимость константы равновесия от температуры, получают уравнение связи между константой равновесия, концентрациями исходных реагентов и равновесной степенью превращения, а затем его анализируют.

На втором этапе прогнозируют влияние оперативных управляющих параметров на скорость и избирательность реакций. Влияние температуры, давления, концентраций реагентов на ско­рость реакции определяют, оперируя кинетическим уравнением реакции или другой известной информацией о кинетике реакции. В случае проте­кания сложных параллельных или последовательных реакций, влияние управляющих параметров на избирательность прогнозируют на основе соотношения скоростей основной и побочной реакций.

Макрокинетический уровень. На этом уровне описывается протекание гетерогенных процессов, протекающих в одной из диффузионных об­ластей. Для этого используют закономерности протекания процесса взаи­модействующих фаз в «малом объеме», характерном для анализируемого процесса. Это может быть частица твердого материала, реагирующего с га­зом или жидкостью, гранула катализатора, пузырек газа, поднимающийся в жидкости, капля жидкости, омываемая газом и др. Необходимость рас­смотрения процессов на этом уровне связана с тем, что для анализа и рас­чета гетерогенных процессов знания закономерностей протекания только химических реакций в большинстве случаев недостаточно. Скорость реак­ции может ограничиваться скоростью массопередачи между потоком и поверхностью контакта фаз. Диффузионные торможения снижают теорети­чески возможную скорость реакции. В этом случае закономерности влия­ния параметров управления на скорость реакции необходимо дополнить закономерностями протекания физических процессов переноса массы и теплоты в «малом объеме», который можно рассматривать как микрогенератор продукта. Для этого проводят макрокинетический анализ.

Для гетерогенно-каталитических процессов на этом уровне оценивают влияние геометрических размеров частицы катализатора и ее порис­той структуры, скорости физических диффузионных процессов на наблю­даемую скорость процесса и отклонения ее от известной скорости реак­ции.

Уровень потока. На этом этапе рассматривается протекание процесса на совокупности твердых частиц, капель жидкости, зерен катализатора и других разновидностях «малого объема», находящихся в потоке реагирующих веществ. Эту совокупность «микрогенераторов» представляют в виде реакционной зоны. Для получения закономерностей функционирования реакционной зоны необходимо иметь информацию о температурных и концентрационных полях, описываемых математическими уравнениями или другими способами. Температурные и концентрационные поля зависят от характера движения потока, в частности, от интенсивности продольного и радиального перемешивания. Таким образом, анализ процесса на уровне потока сводится к анализу влияния температурных и концентрационных полей на среднюю скорость ХТП или соотношение скоростей при проте­кании процессов со сложными последовательными или параллельными ре­акциями.

Уровень реактора. На этом уровне учитывают конструктивные особенности реакционных зон, их число, взаимное расположение, соотношение технологических показателей процесса при прохождении потока из одной реакционной зоны в другую, а также взаимодействие нескольких потоков с различными фазовыми состояниями, протекающих через одну реакционную зону.

Уровень химико-технологической системы. Здесь учитываются взаимные связи между реакторами, теплообменниками, смесителями и другими аппаратами, используемыми для переработки сырья в конечные продукты.

При системном декомпозиционном методе анализа придерживаются двух правил:

- выводы, полученные на каждом предшествующем уровне, справедливы для всех последующих;

- выводы каждого последующего уровня уточняют выводы, полученные на предыдущих, или дают информацию о влиянии новых параметров управления.