Глава 1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

 ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ (ХТС).

1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ ХТС. СУЩНОСТЬ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА

Производственные процессы в химической, нефтехимической про­мышленности промышленности характеризуются большим разнообразием выпускаемой продукции и, как правило, большой сложностью. Общая, характерная черта всех этих процессов состоит в том, что для превращения исходного сырья или полупродукта в целевой конечный продукт необходимо сравнительно большое число функционально различных ступеней переработки. Для целе­направленного протекания этих процессов в отдельных ступенях необходимы различные виды энергии, вспомогательных веществ и информации. Процессы химической технологии отличаются боль­шим ассортиментом продуктов, которые можно получить из одного и того же сырья, большим разнообразием путей, которыми можно получить один и тот же продукт и динамикой обновления ,как ас­сортимента, так и технологических процессов.

Условия протекания отдельных стадий могут быть  раз­личны.

Несмотря на большие качественные и количественные разнооб­разия отдельных технологических процессов, их различные масш­табы, различие продуктов, условий протекания и т. д., все они имеют общие свойства, а именно: являются структурно сложными, состоя­щими из отдельных частей; перерабатывают вещество, энергию, информацию и, кроме того, связаны с другими, соседними произ­водствами.

Используя терминологию общей теории систем, такие техноло­гические комплексы можно назвать сложными системами; в нашем рассматриваемом случае — химико-технологическими системами (ХТС).

Под ХТС мы понимает совокупность физико-химических про­цессов и средств для их проведения с целью производства продукции заданного качества и в нужном количестве см соблюдением экологическиих норм и надёжности.

ХТС состоит из элементов, из отдельных частей, в которых протекают технологи­ческие операции, необходимые для достижения цели, поставленной перед ХТС в целом.

Понятия «система» и «элемент» — относительны, т. е. одна си­стема может быть элементом другой системы более крупного масштаба, а элемент системы может быть разделен на составные части, т. е. он также является системой, но более низкого ранга. В силу этого необходимо ввести понятие иерархии ХТС. Под иерар­хией ХТС мы понимаем ее многоуровневую структуру в плане ее функционирования и организации. С учетом агрегации подсистем целесообразно ввести следующие уровни иерархии:

 

Уровень иерархии ХТС

Типовой пример

Отрасль  или  химический комбинат

Совокупность заводов нефтепереработки данного района (объедине­ния), соединенных сырьем (полу­продуктами), продуктами.

Технологическая линия

Совокупность заводов, связанных общей производственной линией: АВТ — атмосферно-вакуумная трубчатка; пиролиз бензина для получения этилена; полимеризация этилена; переработка полиэтилена в готовые изделия.

Химический завод

Совокупность цехов, объединенных общим сырьем (или полупродукта­ми), вместе со вспомогательными службами.  

Цех

Совокупность отделений, работа­ющих на выпуск заданной продук­ции. Цех синтеза аммиака

.Типовой процесс (элемент    системы)

Ректификационная колонна, теплообменник, реактор.

 

 

ХТС характеризуются структурой (топологией), т. е. составом элементов и их взаимными связями. Отличительная черта современ­ных ХТС — большое количество внутренних связей, в том числе и обратных (рециклических), которые обусловлены необходимостью более полного использования сырья, вторичных энергоресурсов и стремлением к созданию более гибких ХТС. ХТС — это открытые системы, т. е. они связаны с внешней окружающей средой так на­зываемыми входами и выходами системы для обмена сырьем, про­дуктами, энергией и информацией.

 Такая формализация конкретной ХТС и ее иерархическая структура — важные предпосылки для разработки и применения единого под­хода к решению задач, которые связаны как с созданием (синтезом), так и с исследованием, расчетом (анализом) и эксплуатацией (управ­лением) процесса.

Под анализом ХТС понимают исследование данного производ­ства с целью выявления его структуры (элементов, иерархических уровней, входов и выходов системы) и режимов его функциониро­вания. Важнейшими задачами при этом, кроме декомпозиции (раз­деление на составные части), являются моделирование элементов и структур, а также расчет параметров выходов ХТС по заданным параметрам входов и при известных математических описаниях элементов ХТС.

Под синтезом ХТС понимают создание такой струк­туры, и выбор таких элементов ХТС, чтобы она обеспечивала преобразование заданных входных потоков в заданные выход­ные потоки системы некоторым наилучшим (оптимальным) об­разом.

Формализация ХТС как объекта и методов его исследования (анализ, синтез, управление) — основа для создания единой мето­дики исследования, применения хорошо разработанных методов и алгоритмов теории систем, системотехники, технической киберне­тики, математики.

1.2. ИЕРАРХИЧЕСКИЕ УРОВНИ ХТС

Многоуровневая структура ХТС дает основу не только для формальной декомпозиции и систематизации существующих ХТС, но и ключ к решению задач анализа и синтеза па отдельных уровнях иерархии..

1.2.1, Уровень: отрасль/химический комбинат

Характерная черта современной химической промышленности — многосвязность ее элементов (подотраслей) со сравнительно неболь­шим числом отдельных видов сырья, например, с нефтью, природным газом, каменной солью и т. д. и полупродуктами, например, с ам­миаком, этиленом, серной кислотой и другими, а также с энерго­носителями. При этом химическая промышленность является не только крупным потребителем энергии различных видов (электри­ческой, тепловой), но и крупным производителем различных видов энергии, т. е. ХТС — своеобразный энерготехнологический комп­лекс (рис. 1.1).

Рис 1.1

Элементы этого уровня иерархии — комбинаты или отдельные производства — связаны между собой и окружающей средой под­системами для транспорта сырья, энергии, полупродуктов и продук­тов. Они также содержат подсистемы для хранения сырья, продук­тов и т. п. Общая структура такой системы показана на рис. 1.2.

Рис 1.2

 

Характерными для систем этого уровня иерархии являются подсистемы с большой единичной мощностью, что приводит к отно­сительному снижению капиталовложений в промышленные уста­новки. Важные задачи решаются на этом уровне иерархии (вследствие сильной связности подсистем): оптимальное распределение ресурсов, особенно тогда, когда существуют альтернативные варианты; опре­деление мощностей новых подсистем; время их ввода в эксплуата­цию; выбор типа технологии для производства новых продуктов.

2.2. Уровень: технологическая линия

Технологическая линия —это ХТС с преимущественно последовательно соединенными подсистемами, в которых сырье последова­тельно перерабатывается в один или несколько продуктов . Примером может служить производство изделий из полиэтилена. Подсистемами этой ХТС являются: атмосферно-вакуумная труб­чатка; пиролиз бензина; выделение этилена; полимеризация этилена

            1.2.3. Уровень: химический завод  

Эта ХТС состоит обычно из ряда подсистем: химических производств; энергоснабжения (промышленные ТЭЦ); снабжения вспомогательными материалами (воздух,            азот, охлаждающая вода, хладагенты и т. д.); утилизации отходов (очистка промышленных сточных  вод, обезвреживание ядовитых отходов и т. д.); транспорта (различные системы проводов и кабелей для снабжения электроэнергией, трубопроводов для снабжения паром, водой, хладагентами и т.д.)ранения и погрузки продуктов. Характерная задача на этом уровне — например, оптимальное распределение ограниченных ресурсов для достижения максимального дохода завода, что можно свести к задаче оптимизации параллельно работающих подсис­тем.

Другой тип задачи — синтез оптимальной сети трубопроводе для снабжения подсистем паром, водой, азотом и т. д.

1.2.4. Уровень: цех

Цех — это ХТС самого распространенного типа, предназначен­ная для производства определенного продукта или полупродукта. Цех состоит из подсистем: подготовки сырья; собственно химического превращения; выделения целевых продуктов; энергообеспечения; автоматизации и т. д. (рис. 1.3). В зависимости от конкретного произ­водства может преобладать та или иная подсистема. Существует большое разнообразие задач, которые необходимо решать на этом уровне иерархии.

 

 

 

                                 Рециклы

 

Рис. 1.3 Общая структура системы на уровне цеха.

 

При проектировании нового производства — это задача синтеза структуры ХТС; расчет оборудования; обеспечение необходимой надежности; оценка отдельных качественных показа­телей системы и их оптимизация. Большинство методов, рассмотрен­ных в этих лекциях, разработаны именно для решения задач на уровне цеха.

1.2.5. Уровень: типовой процесс

Типовой процесс условно принят за самую малую часть системы, хотя в свою очередь он состоит из отдельных частей. В дальнейшем он рассматривается как элемент, не подлежащий дальнейшему расчленению. Такими элементами являются все известные про­цессы и соответствующие им аппараты химической технологии (гидродинамические, механические, массо- и теплообменные, хи­мические и биохимические). Сюда относятся также вспомогательные элементы для обеспечения надежной и безопасной работы оборудо­вания и управления им. Некоторое промежуточное положение между элементом и цехом занимает так называемая «группа эле­ментов», например, каскад химических реакторов, цепь теплообмен­ников, комплекс компрессоров.

1.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ХТС

Вследствие большого разнообразия конкретных ХТС на уровне «цех» их можно классифицировать по таким, например, разным признакам, как характеристика производимых продуктов; тип структуры; вид функционирования; область значений переменных состояний (температура, давление и т. п.). Ниже мы остановимся лишь на некоторых наиболее важных аспектах классификации ХТС.

1.3.1. Классификация по типу функционирования

Исходя из временного изменения наиболее важных переменных состояния ХТС и ее структуры, различают следующие типы систем.

 ХТС, предназначенные для производства одного продукта

Непрерывно работающие ХТС. Такие системы характери­зуются временным постоянством (стационарностью) главных пере­менных состояний и выходов ХТС. Кроме этого, их структура не изменяется во времени. Примерами таких ХТС являются техноло­гические схемы производств метанола, аммиака, серной кислоты и др.

 ХТС, предназначенные для производства нескольких продуктов

ХТС широкого назначения используют, как правило, для производства таких малотоннажных продуктов, как красители, фармацевтические препараты и т. п. Обычно они работают периодически, их структура устанавливается в соответствии регламентом на производство заданного продукта. В зависимости от того, может ли изменяться последовательность включения элементов в системе или нет, различают типа систем: ХТС многоцелевого назначения (гибкие технологические системы) перестраиваемой структурой и ХТС многоассортиментного производства (совмещеные технологические схемы, где последовательность элементов задана жестко).

 ХТС многоцелевого производства [гибкая ХТС }. В соответствии с производственной программой и необходимыми аппаратами каждый раз заново формируется необходимая новая структура системы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Первый период времени.

 

 

 

 

 


Второй период времени.

Рис. 1.4. ХТС многоцелевого назначения.

 

 

 

 

 

 


Первый период времени

Продукт В

 
 

 

 

 

 

 


Второй период времени

Рис. 1.5. ХТС с совмещенной структурой.

. В зависимости от этих условий в данном наборе аппаратов возможно получение одного или нескольких продуктов одновременно. Примером может служить производство эпоксидных смол, красителей и т. д. Как правило, структура си­стемы изменяется после завершения производства каждого продукта.

2. ХТС типа многоассортиментного производства {совмещен­ная ХТС).

Такая ХТС объединяет, как правило, совокупность от­дельных производств. В состав ХТС входят не только общие для всех производств элементы, но и элементы, работающие только при производстве отдельных продуктов. Последовательность их вклю­чения в систему задана. Обычно в такой ХТС отдельные продукты синтезируются во временной последовательности , часто производятся несколько партий одного и того же продукта подряд. Подобные ХТС широко используют для получения красителей и органических полупродуктов.

1.3.2.      Классификация по структуре

Хотя конкретные ХТС отличаются большой сложностью и разнообразием струк­тур, практически все конкретные структуры могут быть при помощи декомпозиции или агрегации элементов (объединение нескольких элементов в так называемый су­перэлемент или блок-агрегат) сведены к небольшому числу типовых структур. Структура ХТС имеет большое значение не только для организации данного конкретного технологического процесса, но и для расчета, оптимизации и управления им. Рассмотрим самые важные типовые структуры.

Последовательное соединение элементов.

Последовательное со­единение элементов (рис. 1.6) — основной прием в химической технологии, так как оно соответствует многошаговому принципу переработки сырья в качественно различных элементах.

 

 

 

 


Рис. 1.6. Последовательное соединение элементов ХТС.

 

Последова­тельное включение однотипных элементов (реакторов, теплообмен­ников, тарелок колонны, ступеней компрессора) — это важный принцип для повышения выхода целевого продукта, степени превра­щения, к. п. д. и вообще для уменьшения необратимых потерь в ходе процессов. При контакте двух или более потоков в элементах системы возникает несколько вариантов структур в зависимости от направ­ления потоков. Например, различают прямоток  и противоток ; в случае нескольких потоков возникают более сложные связи различного вида .

Параллельное соединение элементов.

Различные причины, на­пример, отдельная подготовка потоков сырья для проведения хими­ческой реакции, мероприятия по повышению надежности работы системы или производительности установки и т. п., приводят к не­обходимости параллельного соединения подсистем и элементов. В зависимости от процесса и специальных требований к нему парал­лельное соединение аппаратов может быть в начале, середине или конце системы. Иногда используют несколько параллельных путей (рис. 1.7). Параллельное соединение элементов широко применяют для повышения гибкости системы.

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис 1.7

Байпасирование.

 Структуру с байпасами (рис. 1.8) широко используют не только для повышения гибкости ХТС, но и в систе­мах переработки с последующим смешением, где для обеспечения заданного состава и качества продукта необходимо переработать (очистить, разделить и т. п.) не весь поток, а лишь его часть. Потоки смешиваются в таком соотношении, чтобы получился продукт задан­ного качества .               

 

 

 

 


    

 

 

Рис 1.8

Обратная (рециклическая) технологическая связь.

Современ­ные ХТС характеризуются большим числом обратных (рециркулирующих) потоков. Это обусловлено стремлением более полно исполь­зовать сырье путем рециркуляции непревращенной его доли; теплоты или холода технологических потоков в системе для подогрева холодных или охлаждения горячих потоков, т. е. для создания' безотходных энергозамкнутых ХТС (рис. 1.9). Кроме этого, рециркуляцию применяют как способ повышения скорости процесса. Например, при синтезе аммиака для поддержания высокой скорости  реакции процесс проводят только до 20%-ной степени превращения, отделяют продукт от реакционной смеси и  возвращают ее в цикл на смешение со свежей азотоводородной смесью. Определенная доля циркулирующего газа выводится из цикла для поддержания до­пустимого количества инертных веществ .

 

 

Рис.1.9 . Использование рециркуляции для  повышения эффективности процесса синтеза аммиака:

1— компрессор; 2 — смеситель; 3 — теплообменник; ,4 — реактор; 5, 8 — холодильники;

6,9 — сепараторы; 7 — делитель.

 

Распределитель потоков

 

 

 

Рис. 1.10. Использование рециркуляции для снижения скорости реакции синтеза диоксида серы.

 

Реактивы для регулирования рН

 

 

Рис. 1.11. ХТС с рециклами — технологическая схема очистки сточных вод:

1— механическая очистка; 2 — удаление масла; 3 — нейтрализация; 4 — первичный от­стойник; 5 — сборник; 6 — аэротенк; 7 — вторичный отстойник; 8, 9 — ступени обработки избыточного ила.