Теория химико-технологического процесса

Производственный процесс на химическом предприятии можно рассматривать как химико-технологическую систему (ХТС), предназначенную для выпуска химической продукции высокого качества с минимальными затратами ресурсов и вредного воздействия на окружающую среду. Для ХТС, как для любой системы применимы все ее основные принципы: возможность независимого рассмотрения системы, отвлекаясь от конкретной ее природы; зависимость эффективного функционирования системы от ее состава и структуры, взаимосвязь и взаимообусловленность отдельных элементов системы; возможность изучения системы путем расчленения ее на отдельные элементы; возможность исследования системы на различных уровнях.

Для ХТС применимы все основные свойства систем: целостность, членимость, устойчивые связи между элементами системы, определенный уровень организации, а также наличие некоторых интегративных свойств.

Системный подход включает три уровня изучения системы:

1. Собственный уровень, т.е. изучение общего поведения системы, ее основных характеристик, исключая вопросы структуры;

2. Высший уровень, на котором изучаемая система рассматривается в ее взаимодействии с другими системами, например, с окружающей средой;

3. Низший уровень, когда исследуются все элементы и внутренние связи системы, эффективность функционирования ее отдельных элементов, выявляются ее недостатки, определяется степень влияния низшего уровня структуры на общие свойства системы и т.д.

Основные положения системного подхода следующие:

а) любой объект исследования следует рассматривать как систему;

б) от состава и структуры системы зависит ее функционирование;

в) нельзя изучать отдельные элементы системы в отрыве от других, поскольку между ними существует обратная связь

г) полное знание отдельного элемента не означает полное знание всей системы в целом;

д) для изучения состава и структуры системы используется метод декомпозиции (расчленение целого на части);

е) для изучения свойств системы используют метод стратификации.

Стратифицированное (послойное) представление о системе используют в связи с невозможностью детального описания ее из-за множества свойств самой системы и ее элементов, а также неоднозначного их поведения при изменении условий функционирования.

Основу ХТС составляет производственная (операционная) система, в которой производится химический продукт. Производственная система иерархична по своему составу и, как всякая другая система, включает элементы высшего и низшего рангов. К элементам высшего ранга относят подсистемы, т.е. совокупность отдельных ее частей (операторов), объединенных единой технологической целью с относительной автономией в рамках ХТС. Подсистемы операционной химико-технологической системы включают следующие блоки (установки):

а) подготовки сырья и приготовление катализатора;

б) химического и/или физического превращения сырья;

в) выделения целевого продукта из реакционной массы;

г) обработки технического целевого продукта для доводки его до товарного состояния.

Подсистема подготовки сырья требуется тогда, когда сырье по составу или другим параметрам состояния не соответствует требованиям следующей за ней подсистемы химического превращения. Операторами этой подсистемы, кроме операторов хранения и транспортировки исходных продуктов и вспомогательных материалов, могут быть также нагрев, испарение, охлаждение, сжатие, измельчение, плавление, смешение, очистка, сушка и т. д.

Подсистема химического и/или физического превращения – главная среди подсистем в ХТС. Именно в ней в одну или несколько стадий получают целевой продукт.

Подсистема выделения целевого продукта предназначена для разделения полученной в подсистеме химического превращения реакционной массы на отдельные компоненты или смеси более узкого состава, чем исходная смесь. Реакционную массу, полученную в химическом реакторе, разделяют с помощью различной операционной техники. К ней относят: ректификацию, экстракцию, абсорбцию, адсорбцию, фильтрацию и т.д. Получают несколько потоков: непревращенного сырья, целевого продукта, побочных продуктов, рециклов и т. п.

Подсистема обработки технического продукта – следующая по ходу технологической схемы– служит для доведения целевого продукта до заданного требованиями стандарта уровня качества и придания ему товарного вида. Сюда входят операции хранения и транспортировки, отгрузка продукта в торговую сеть, расфасовка, маркировка, укупорка и т.д.

Функционирование подсистем складывается из функций операторов – простейших элементов подсистемы. Операторами в ХТС называют химические и физические процессы, с помощью которых осуществляется последовательное превращение исходного сырья в товарный продукт. Функцией оператора в подсистеме является преобразование физических параметров входящих в него материальных и энергетических потоков (состав, температура, давление и др.) в соответствующие параметры выходящих потоков. К примеру, оператор «нагрев» повышает температуру потока от Т _вх до Т _вых, а оператор «реакция» А В снижает концентрацию реагента А от С _Ао до С _Ак и увеличивает концентрацию продукта В от С _Во до С _Вк. Таким образом, с позиций моделирования каждой технологической операции соответствует свой оператор.

Технологические операторы подразделяются на основные и вспомогательные. К основным относят операторы химического превращения, межфазного массообмена, смешения и разделения, а к вспомогательным – операторы, изменяющие энергетическое и фазовое состояния технологических потоков. Функционирование ХТС как целого осуществляется по линиям связей между элементами. Связь – это физический канал, по которому происходит обмен веществом, энергией и информацией между элементами системы (внутренняя связь) и между отдельными системами (внешняя связь). К внешним связям относят ресурсы сырья, вспомогательные материалы, энергию, финансы, трудовые ресурсы, технику.Информационные внешние связи могут быть представлены связями с потребителями, поставщиками, банками, товарно-сырьевыми биржами, рынком ценных бумаг, налоговыми управлениями, рекламными агентствами и т.д. Наиболее важна связь с потребляющими химический продукт системами, ибо они определяют смысл существования ХТС.

По этой причине в состав ХТС обязательно включают подсистемы, изучающие рынок химических товаров, прогнозирования изменения спроса на отдельные виды продуктов и т.д. По физическому смыслу связи подразделяют на материальные, энергетические и информационные. Первые два типа относятся к технологическим.

Материальные связи – это потоки сырья, вспомогательных материалов, продуктов и полупродуктов, отходов. К энергетическим связям относят потоки топлива, теплоносителей и хладоагентов. Технологические связи в ХТС представлены в виде магистралей газо-, водо- и паропроводов, электрокабелей, электросетей, транспортных средств.

Информационные связи – это поступающие в систему в виде пневмо -, электро-, теле- и радиосигналов.

По направлению различают прямые и обратные связи. Под мощностью связи понимают ее пропускную способность: для материального потока она измеряется в кг/ч, для энергетического - в кДж / ч, для информационного – в Мбайт / ч. Роль связи в системе определяется ее влиянием на ход процесса (соединением, усилением, ослаблением, отключением). Наиболее важны так называемые системообразующие связи, разрыв которых приводит к нарушению функционирования системы или разрушению одного или нескольких ее элементов.

Технологическая структура ХТС реализуется в определенной последовательности внутренних технологических связей между элементами. Основные виды структур определяются способами соединения операторов между собой. Различают следующие соединения: последовательное, параллельное, обводное (байпасное) и обратное (рецикл) или их комбинации.

Обычно структуру ХТС представляют словесным описанием, графической или матричной формами. Словесное описание используют при документальном оформлении технологической схемы, которая является составной частью технологического регламента Графические методы представляются наиболее информативными и наглядными. В зависимости от элементного состава, характера связей и назначения различают функциональные, операторные, структурные и технологические схемы.

Элементами структуры в функциональной схеме являются подсистемы, соединенные материальными связями. Элементами операторной схемы служат соединенные материальными связями технологические операторы. Операторные схемы дают наглядное представление о физико-химической сущности технологических процессов, используемых системой для последовательного превращения сырья в готовый продукт.

В структурной схеме операторы представлены в виде блоков, имеющих несколько входов и выходов, соединенных между собой сплошными линиями, изображающими материальные связи. В отличие от операторной, на структурной схеме изображают также энергетические связи, которые чаще располагают перпендикулярно блоку и показывают пунктиром. При разработке структурной схемы изображения операторов заменяют прямоугольниками, которые затем объединяют в систему материальными (горизонтальные линии) и энергетическими (вертикальные линии).

На основе структурной схемы составляют энергетические и тепловые балансы, необходимые для расчета энергоемкости системы и определения требуемых поверхностей теплообмена аппаратов.

Технологическая схема составляется на основании операторной, при этом взамен технологического оператора ставят аппарат, наиболее соответствующий требованиям той технологической операции, которая осуществляется данным оператором (реактор, колонна, смеситель, теплообменник, печь и т.д.). Технологическая схема состоит из графического изображения соответствующих аппаратов и технологических линий, которое сопровождается его описанием.

Описание технологической схемы дается по каждой подсистеме, начиная с поступления и подготовки сырья и кончая отгрузкой готовой продукции, с указанием основных технологических параметров процесса, характеристикой используемого основного оборудования, систем регулирования и блокировок, со ссылкой на чертеж технологической схемы. На чертеже указывают оборудование, направление движения материальных потоков сырья, продуктов, теплоносителей, вспомогательных материалов, места контроля и регулирования технологических параметров процесса, а также сигнализации и блокировок. Технологическая схема снабжается спецификацией оборудования, технологических линий и привязкой контрольно-измерительных (КИП) и регулирующих приборов (РП).

Принципиальная технологическая схема – упрощенный вариантизображения производственного процесса – представлена технологическими аппаратами, необходимыми для промышленной реализации разработанной технологии, последовательно соединенными материальными линиями.