Классификация моделей химическо-технологической системы .

Рис. 3.1. Иерархическая структура химического производства.

Слайд 3.1 до. Слайд 3.2 от.

Вторая ступень иерархии – это агрегаты и комплексы, представляющие взаимосвязанную совокупность типовых технологических процессов и аппаратов (реакторов), осуществляющих определенную операцию. Чаще всего это цехи или их отдельные участки. Для решения оптимальной координации работы аппаратов (реакторов) и оптимального распределения технологических потоков между ними здесь используется системы автоматизированного управления технологическим процессом (АСУТП).

Третья ступень иерархии включает химические производства, состоящие из нескольких цехов, где получают целевые продукты, а также АСУ технологического и организационного функционирования производств.

Четвертая ступень – химическое предприятие в целом и АСТП.

Основной отличительной особенностью иерархической структуры химического предприятия является не только наличие отношений соподчиненности между уровнями (подсистемами) иерархии, но и существование взаимосвязи между подсистемами одного и того же уровня.

Далее слайд 3.2:

Классификация моделей химическо-технологической системы.

Все модели ХТС можно разделить на два вида: качественные (обобщенные) и математические, которые в свою очередь делятся на ряд разновидностей (рис.3.2).

Качественные (обобщенные) модели существуют двух типов: операционно-описательные и иконографические.

Операционно-описательные модели – это словесное описание процесса функционирования системы.

В нем приводятся основные и побочные реакции (химическая схема процесса), дается описание процессов, происходящих в аппаратах и реакторах системы, приводящих сведения о составе сырья, значениях параметров технологического режима и т.п. На практике операционно-описательная модель – это различные виды проектно-конструкторской документации, технологические регламенты.

Иконографические модели всегда связаны с наглядным графическим изображением, чертежом.

Обобщенные иконографические модели дают лишь качественное представление о функционировании системой. Это различные виды схем химико-технологического процесса, выполнение в виде чертежей.

Слайд 3.2 до. Далее Слайд 3.3 от.

Существует несколько разновидностей этих схем: функциональная (принципиальная), структурная, операционная (операторная), технологическая.

Рис. 3.2. Классификация моделей химико-технологических систем

Компрессор; 2 – смеситель; 3 – теплообменник; 4 – испаритель жидкого аммиака; 5, 8 – сепараторы; 6 – колонна синтеза; 7 – водяной холодильник; 9 – циркуляционный компрессор.

Химического превращения; 2 – смешения; 3 – разделения; 4 – межфазового массообмена; 5 – нагрева или охлаждения; 6 – сжатия; 7 – расширения; 8 – фильтрации.

Слайд 3.10до. Далее Слайд 3.11 от.

Каждый блок представляет математическую модель технологического оператора и связывает вектор параметров, являющихся входными для данного блока, с вектором выходных параметров. Блок схема всех ХТС представляет тогда совокупность таких отдельных блоков, а связь между блоками осуществляется векторами параметров состояния соответствующих технологических потоков системы.

Сетевые модели – это иконографические модели, отображающие организационные процессы проектирования, эксплуатации и управления ХТС.

Слайд 3.12до. Далее Слайд 3.13 от.

Основные типы химических процессов и способы

Их интенсификации.

На практике чаще всего химические процессы классифицируются по фазовому состоянию на гомогенные и гетерогенные процессы. В гомогенных системах все реагирующие вещества находятся в одной какой-либо фазе: газовой (газофазные процессы) и жидкой (жидкофазные процессы). В гетерогенных системах реагирующие вещества находятся в различных фазах: газ-жидкость, газ-твердое тело, жидкость-твердое тело, или две несмешивающиеся жидкости. Наиболее часто в промышленных процессах встречаются однофазные системы (газ, жидкость) и гетерогенные системы типа газ-жидкость и газ-твердое тело.

Или

,

(3.10)

где r – инвариантная скорость химической реакции по В или по А; D – коэффициент молекулярной диффузии реагента А или В.

Твердое тело.

К таким процессам относятся химические процессы между веществами, находящимися в различных фазах, горение топлива, окисление металлов кислородом воздуха, большое число химических процессов, протекающих на поверхности твердого катализатора.

Одной из особенностей процессов в системе газ (жидкость) – твердое тело – зависимость их течения от размеров и состояния поверхности раздела фаз, а также от скорости их относительного движения.

Другая особенность состоит (как и в предыдущем случае) в многостадийности этих процессов.

Или

,

(3.14)

где ∆С – движущая сила процесса; δ – толщина пограничного слоя газа (жидкости).  

 Слайд 3.23до. Далее Слайд 3.24 от.

Если общая скорость процесса будет определяться только скоростью химической реакции, то для его математического описания можно использовать уравнение основного закона кинетики:

Если общая скорость процесса будет определяться только скоростью химической реакции, то:

.

(3.15)

Что бы получить представление о взаимном влиянии скорости диффузии и скорости химической реакции на общую скорость гетерогенного процесса, рассмотрим реакцию

,

которая протекает на плоской поверхности твердого реагента В, к которой из турбулентного потока газа диффундирует исходный реагент А через прилегающий к поверхности пограничный слой газа толщиной δ (рис. 3.13).

 

Далее слайд 3.24:

  Для установившегося режима можно записать W = r, тогда при β _г = D / δ получаем

,

(3.16)

Откуда

.

(3.17)

Общая скорость суммарного каталитического процесса лимитируется самой медленной из стадий. Если этой стадией является один из диффузионных этапов, то катализ проходит в диффузионной области. Если медленной является 3 стадия, то процесс идет в кинетической области.

Или

,

(3.27)

где  - фиктивное (условное) время контакта реакционной смеси с катализатором; V_kt – объем катализатора; М – масса катализатора; F _см – объемный поток смеси.

Проработки материала.

1. Приведите иерархическую структуру производства. Дайте пояснение каждой ее ступени.

2. Какие модели химико-технологической системы вы знаете? Приведите примеры.

3. С какой целью в химической технологии используют последовательное и обводное (байпас) соединение? Как определяется степень байпасирования?

4. Какие химические процессы относятся к гомогенным? Приведите примеры.

5. Какие параметры технологического режима влияют на скорость гомогенных процессов?

6. Каким общим уравнением описывается скорость химических процессов, протекающих в системе газ-жидкость?

7. Какими технологическими приемами можно увеличить общую скорость гетерофазного процесса в системе газ-жидкость, протекающего диффузионной области?

8. Чем отличается химический процесс, протекающий в системе газ-твердое тело от процесса в системе газ-жидкость? Для первого напишите уравнение скорости и проанализируйте его.

9. Напишите основное уравнение скорости для гомогенных каталитических процессов и проанализируйте его.

10. Через какие стадии протекает гетерогенно-каталитический процесс? Приведите общее уравнение скорости и проанализируйте его.

 

 

Рис. 3.1. Иерархическая структура химического производства.

Слайд 3.1 до. Слайд 3.2 от.

Вторая ступень иерархии – это агрегаты и комплексы, представляющие взаимосвязанную совокупность типовых технологических процессов и аппаратов (реакторов), осуществляющих определенную операцию. Чаще всего это цехи или их отдельные участки. Для решения оптимальной координации работы аппаратов (реакторов) и оптимального распределения технологических потоков между ними здесь используется системы автоматизированного управления технологическим процессом (АСУТП).

Третья ступень иерархии включает химические производства, состоящие из нескольких цехов, где получают целевые продукты, а также АСУ технологического и организационного функционирования производств.

Четвертая ступень – химическое предприятие в целом и АСТП.

Основной отличительной особенностью иерархической структуры химического предприятия является не только наличие отношений соподчиненности между уровнями (подсистемами) иерархии, но и существование взаимосвязи между подсистемами одного и того же уровня.

Далее слайд 3.2:

Классификация моделей химическо-технологической системы.

Все модели ХТС можно разделить на два вида: качественные (обобщенные) и математические, которые в свою очередь делятся на ряд разновидностей (рис.3.2).

Качественные (обобщенные) модели существуют двух типов: операционно-описательные и иконографические.

Операционно-описательные модели – это словесное описание процесса функционирования системы.

В нем приводятся основные и побочные реакции (химическая схема процесса), дается описание процессов, происходящих в аппаратах и реакторах системы, приводящих сведения о составе сырья, значениях параметров технологического режима и т.п. На практике операционно-описательная модель – это различные виды проектно-конструкторской документации, технологические регламенты.

Иконографические модели всегда связаны с наглядным графическим изображением, чертежом.

Обобщенные иконографические модели дают лишь качественное представление о функционировании системой. Это различные виды схем химико-технологического процесса, выполнение в виде чертежей.