Сутягин В.М., Бондалетов В.Г., Кукурин О.С. Принципы разработки малоотходных и безотходных технологий

Подождите немного. Документ загружается.

Совокупностьотделений, участков образует ХТС химического

производствавцелом.

Описанноевыделениеподсистемусловно, т. к. вкаких-тозадачах

выделениеподсистем, элементовможетбытьиным.

2.3. КлассификацияэлементовХТСпоназначению

ЭлементыХТСпоназначениюклассифицируют:

намеханическиеигидромеханические;

теплообменные;

массообменные;

реакционные;

энергетические;

контроляиуправления.

Так, механические и гидромеханические производят изменения

формы, размераматериалаиегоперемещение, объединениеиразделе-

ниепотоков. Этиоперацииосуществляютсядробилками, гранулятора-

ми, смесителями, сепараторами, фильтрами, циклонами, компрессора-

ми, насосами.

Теплообменныеэлементыизменяюттемпературупотока, еготеп-

лосодержание, переводятвеществавдругоефазовоесостояние. Эти

операцииосуществляютвтеплообменниках, испарителях, конденсато-

рах, сублиматорах.

Массообменные элементы осуществляют межфазный перенос

компонентов, изменениекомпонентногосоставапотоковбезпоявления

новыхвеществ. Этиоперациипроводятвабсорберах, адсорберах, рек-

тификационныхколоннах, экстракторах, кристаллизаторах, сушилках.

Реакционныеэлементы (реакторы разныхтипов) осуществляют

химическиепревращения, кардинальноменяюткомпонентныйсостав

потоковиматериалов.

Энергетическиеэлементыосуществляютпреобразованиеэнергии

иполучениеэнергоносителей. К ним относяттурбины, генераторы,

приводыдлявыработкимеханическойэнергии, котлы-утилизаторыдля

выработкиэнергетическогопара.

Элементыконтроляиуправленияпозволяютизменятьпараметры

состоянияаппаратовимашин, атакжеуправлятьпроцессами, меняяус-

ловияихпротекания. Книмотносятсядатчики(температуры, давления,

расхода, составаит. д.), исполнительныемеханизмы(вентили, задвиж-

ки, выключателиит. д.), атакжеприборыдлявыработкиипреобразо-

ваниясигналов, информационныеивычислительныеустройства.

Нарис. 2 показанасхемаавтоматическогорегулированияпарамет-

ровхимическогопроизводства.

Рис. 2. Схемаавтоматическогорегулированияпроцесса:

1 – объект; 2 – первичныйэлемент; 3 – регуляторсвторичнымприбором;

4 – исполнительныймеханизм; 5 – линиисвязи; 6 – приводисполнительного

механизма(мембраны); 7 – технологическийтрубопровод

Вобщемслучаепроцессрегулированияпараметровпроцессапро-

исходитследующимобразом. Изменениепараметраобъекта1 восприни-

маетсяпервичнымэлементом2 ипреобразовываетсявэлектрическую,

пневматическуюидругуюэнергию. Полученныйимпульспоэлектриче-

скимпроводамилипневматическимтрубкампередаетсярегулятору3,

отрабатывающемукомандныйимпульснапривод6 исполнительногоме-

ханизма4, иливторичныйприбор. Привод6 исполнительногомеханиз-

ма4 перемещаетзапорноеустройстворегулирующегооргана, опреде-

леннымобразомизменяяпроходноесечениетрубопровода7, аследова-

тельноиколичествопропускаемойреакционноймассы.

Первичныеэлементы измерительныхсистем размещаютсянепо-

средственнонатрубопроводахиаппаратах. Вторичныеприборыавто-

матическогорегулированияустанавливаютсявотдельномпомещении

операторной. Вторичныеприборы имеютпоказывающиеилисамопи-

шущиешкалы, которыедаютвозможностьсменнымоператорам сле-

дитьзасостояниемвсегохимическогопроизводства, изменятьтехноло-

гическиепараметры, атакжепроизводитьпускотдельныхагрегатовне-

посредственноизоператорной.

Регулирующиеорганы восновном клапаны спневматическим

мембраннымприводомустанавливаютсянатрубопроводах.

2.4. Моделихимико-технологическойсистемы

Какужеотмечалосьранее, система совокупностьэлементов

исвязеймеждуними, функционирующихкакединоецелое. Качествен-

ныеиколичественныепоказателиеефункционированиямогутбытьот-

ражены словеснымиматематическимописаниями(моделями) проте-

кающихвнихпроцессов. Например, моделиХТСможноразделитьна

двегруппы:

описательные(ввидеформул, уравнений);

графические(ввидесхемидругихграфическихизображений).

Вкаждойизперечисленныхгруппможновыделитьнесколькови-

довмоделей, различающихсяпоформеиназначению:

1) описательныемодели: химическая, операционная, математиче-

ская;

2) графическиемодели: функциональная, технологическая, струк-

турная, специальная.

Химическаямодель(схема) представленавосновномреакциями

(химическимиуравнениями), которыеобеспечиваютпереработкусырья

вконечныйпродукт. Синтезметанолаизоксидауглеродаиводорода

представленоднимхимическимуравнением

2 3

CO+2H CH OH



(3)

Присинтеземетаноласоксиднымцинк-хромовымкатализатором

вкачествепобочныхсоединенийобразуютсядиметиловыйэфир, метан,

диоксидуглеродаивода(реакции4 и5):

+ CH

+ H

(CH

)

O + H

+ H

(4)

+ 3H

+ H

(5)

Операционнаямодельпредставляетосновныестадии(операции)

переработкисырьявпродукт, втомчислеобеспечивающиепротекание

основныхпревращений.

Напредприятияххимическойинефтехимическойпромышленно-

стиреализуетсяотносительнонебольшоечислотиповыххимических

ифизическихпроцессов:

массообменные(ректификация, абсорбция);

теплообменные(подогрев, конденсация, охлаждение);

гидромеханические (перемешивание, транспортированиежид-

ких, твердыхигазообразныхматериалов);

химические (гидрирование, окисление, полимеризация, поли-

конденсация, изомеризацияит. д.).

Функциональнаямодель(схема) строитсянаосновехимической

иоперационнойинаглядноотражаетосновныестадииХТПиихвзаи-

мосвязи. Каждаяизнихпредставленапрямоугольником, линиимежду

нимисвязи. Нарис. 3 показанафункциональнаясхематиповогопро-

изводства.

ПредставлениеосновныхоперацийХТП ввидефункциональной

схемывесьмаудобнодляегопонимания. Онадаетобщеепредставление

офункционированииХТСислужитпредпосылкойдляаппаратурного

оформленияиболеедетальнойразработкиХТС.

Технологическаямодель(схема) показываетэлементысистемы, по-

рядокихсоединенияипоследовательностьтехнологическихопераций.

Продукт

Рис. 3. Схемастадийтехнологическогопроцесса:

1 стадияподготовкисырья; 2 стадияхимическогопревращения; 3 стадия

выделениянепревращенногоисходноговещества; 4 стадиявыделенияиочи-

сткицелевогопродукта; 5 стадияприданиятоварнойформыцелевомупро-

дукту; 6 стадиярегенерациииочисткинепрореагировавшегосырья; 7 ста-

диярегенерациииочисткивспомогательныхвеществиматериалов; 8 стадия

обезвреживанияотходовпроизводства

Выбросывокружающую

среду

сырье

Нарис. 4 приведенасхемапроцессапроизводстваполиакрилатовипо-

лиметилакрилатовполимеризациейвсуспензии.

Рис. 4. Схемапроцессапроизводстваполиакрилатов

иполиметилакрилатовполимеризациейвсуспензии:

1 – полимеризаторвысокогодавления; 2 – мерникводыимономера;

3 – центрифуга; 4 – сушилка

Технологическую схемусоставляютврезультатенаучнойразра-

боткиданногоспособапроизводства, технологическойиконструктор-

скойпроработкисхемы, узловиаппаратов. Технологическиесхемыис-

пользуютприпроектированиипроизводстваиприегоэксплуатации.

Структурнаямодель(схема), вотличиеоттехнологической, вклю-

чаетэлементыХТСввидетехнологическихоператоров(рис. 5).

Рис. 5. Технологическиеоператоры:

ахимическиепревращения; бмассообмен; всмешение;

гразделение; дтеплообмен; есжатие; ж изменениеагрегатногосостояния

г д е ж

Знаяобозначенияэлементов, такуюсхемуудобноиспользоватьпри

автоматизированныхрасчетахнаЭВМ – каждомувидуэлементовсоот-

ветствуетопределеннаяподпрограмма(илиблок) вычислительнойсис-

темы. Нарис. 6 вкачествепримераприведенфрагментоператорной

схемысинтезааммиака.

Рис. 6. Фрагментоператорнойсхемысинтезааммиака:

1 колоннасинтезаNH

; 2 водянойхолодильник; 3 теплообменник;

4 воздушныйхолодильник; 5 сепаратор; 6 сборникаммиака

Математическаямодель(описание). Дляколичественныхвыводов

офункционированиисистемынеобходимоиметьматематическую мо-

дель. ОнаустанавливаетсвязьпараметроввыходящихпотоковY

из

элементаивходящихвнегоX

, Z

, H

Нарис. 7 показанасхемавнешнихсвязейсистемы. Приэтомпря-

моугольниксимволизируетсистему.

БуквамиX, H, Z обозначенывоздействия, оказываемыенасистему.

Будемназыватьихвходамисистемы, илифакторами. Внекоторыхслу-

чаяхдлякраткостифакторыН

, Н

, …., H

всовокупностибудем

обозначать: черезНвекторфакторовН; черезX векторфакторовX;

1 2

4 5

Рис. 7. Схемавнешнихсвязейси

темы

Система

…

черезZ соответственнофакторыZ

, Z

, …; обозначенияY

, Y

, …

относятсяквоздействиямсистемынаокружающуюсреду, эторезультат

функционированиясистемы. Будемназыватьихвыходамисистемы, или

откликами(имеетсяввидуоткликсистемынавоздействиефакторов).

Кихчислуотноситсяколичествопроизведеннойпродукции, еекачест-

венныепоказатели, количествовыбрасываемыхвокружающую среду

вредныхпримесей, себестоимость, прибыльпредприятияит. п.

Входынарис. 7 разделенынатригруппы: X, H, Z. ФакторыX иH 

контролируемыевходы. Этотевоздействия, которыемыконтролируем

(замеряем) впроцессефункционированиясистемы. ПриэтомH фак-

торыконтролируемые, нонерегулируемые. Мыизмеряемих, знаемих

величины, нонеизменяемпроизвольно. Нерегулируемостьчастивхо-

довможетбытьобъясненаследующимипричинами. Некоторыефакто-

рытруднорегулировать, например: трудноизменятьдиаметрработаю-

щегореактора(адиаметрфактор, которыйможетсущественновлиять

находпроцесса), труднорегулироватьсоставсырья(чтоцехполучил,

тоинадоперерабатывать) ит. д. Иногдаорганизоватьэтотехнически

нетрудно, норегулированиеслишком большогочислафакторовна-

столькоусложняетсистемууправленияХТП, чтопредпочитаютостав-

лятьнерегулируемымитеизфакторов, которыеслабеепрочихвлияют

напроцесс.

X векторконтролируемыхирегулируемыхвходов. Этотевоздей-

ствия, которыемы изменяем, чтобыуправлятьсистемой. Поэтомуих

называютуправляющимифакторами.

Z векторнеконтролируемыхфакторов. Этотевоздействияна

систему, которыенаходятсявненашегоконтроля.

Следуетзаметить, чтовозможнытриосновныхпричинытого, что

тотилиинойфактороказываетсянеконтролируемым. Во-первых, объ-

ектможетбытьплохоизучен, мынезнаем, чтоданныйфакторсущест-

венновлияетнапроведениеобъекта, ипоэтомунеконтролируемэтот

фактор. Во-вторых, неумениеконтролироватьтотилиинойфактор. И

самыйважныйизнихинаиболеесильновлияющийнаразнообразные

системы, контролироватькоторыйпрактическинеудается, этоинди-

видуальностьидушевноесостояниечеловека, работающегосданной

системой. Намдалеконевсегдаизвестно, какиеименнопараметрыэто-

госложногофактораоказываютвлияниеикакихизмерить.

Наиболеераспространенатретьяпричина, покотороймынекон-

тролируем множествовходныхвоздействий. Каждоевоздействиеиз

этогомножестваслишком слабо, чтобы стоилоегоконтролировать.

Сдругойстороны, такихслабыхвоздействийстольмного, чтовсеих

контролироватьневозможно. НаХТПкак-товлияютимикропримеси,

попадающиеизвоздухаваппараты, исолнечныйлуч, пробившийся

ислегкаподогревшийаппарат, ивибрацииотпроехавшегозастеной

грузовика, чуть-чутьуплотнившийсяслойкатализатораит. д. Приэтом

каждыйизэтихфактороввлияетслабо, ноихстольмного, чтосовокуп-

ностьихвлиянийоказываетсявесьмаощутимой.

Важноотметить, чтоэтовлияниеноситслучайныйхарактер: не

контролируявходы, невозможнопредсказать, какониповлияютвтот

илииноймомент. Вэкспериментеихвлияниепроявляетсявслучайных

ошибкахопыта, напроизводствевслучайныхвозмущенияхрежима.

Вцеломвлияниенеконтролируемыхвоздействийчастообозначаюттер-

мином«шум».

Математическоеописаниефункционированиясистемы вобщем

видепредставляетсобойсистемууравненийвида

( , , )

i i

Y H X Z



. (6)

Вомногихслучаяхкаждоеизуравнений(6) достаточноточно

можнопредставитьввиде

( , ) ( )

i i i

Y F H X Z

 

. (7)

Частоподматематическоймоделью понимаютименносовокуп-

ностьфункцииF

(H, X), выделяяоценкушумавотдельнуюзадачу.

2.5. Дваподходакописаниюсистемы

ВидфункцииY

= F

(H, X) можнополучитьиздвухразныхподхо-

дов. Первыйизнихможноназватьструктурным, исутьегозаключается

вследующем.

Длясозданияматематическоймоделисистемыпреждевсегоиссле-

дуютееструктурусоставляющиесистемуэлементы ихарактерих

взаимодействия. ПрименительнокХТПэтоозначаетрасшифровкуего

механизма. ВрезультатеполучаетсясхемаХТП иегомодель, которая

содержитинформациюомеханизмереакции, характередвиженияпото-

ков, процессахпереносатеплаимассыивзаимномвлияниихимизма,

гидравлики, тепло- имассопереноса. Записываютэтусхемунаязыке

математики, получаютнекую системууравнений, описывающихпро-

цесс.

Обычнонаэтомэтапеуравненияполучаютсявобщемвиде. Вних

входятнекоторые, поканеизвестные, коэффициенты, константыскоро-

стейреакции, коэффициентытепло- имассопереносаит. д. Дляопреде-

ленияпараметровставитсяэксперимент, результаткоторогопозволяет

получитьмодельвполномвиде, совсемикоэффициентами.

Пример

Рассмотримгидролизхлорпроизводногоприизбыткеводывгомо-

генныхусловиях, приводящихкобразованию спирта, простогоэфира

иолефина.

Принаиболеевероятныхмеханизмахзамещения(S

) иотщепле-

ния(Е

) имеемтакуюсхемупревращений, учитывающую существова-

ниеоснованиявдвухформах(HO



иRO



+ RCl; - Cl

ROH

+HO ; - H

+ RCl; - Cl

ROR

(8)

RCH

+ HO

+ RO

RCH=CH

+ Cl + H

RCH=CH

+ Cl + R

(9)

Кинетическаямодельбудетсостоятьизтрехдифференциальных

уравненийскоростидляключевыхсоединений:





   

- -

1 3

ROH

RCl HO RCl RO

K K



   

     

   



; (10)





 

ROR

RCl RO



 

  

 



; (11)





   

- -

4 5

олефин

RCl HO RCl RO

K K



   

     

   



; (12)

 

HO ROH

 

 



 



 

; (13)

 

- -

основание HO RO

   

 

   

; (14)

Уравнения(15) и(16) этоуравнениябалансареакции:

       

основание NaOH, O ROH 2 ROR олефин

 

    

 

; (15)

       

RCl RCl, O ROH 2 ROR

олефин

 

    

 

; (16)

ПоэтимуравнениямпоискконстантпроводятнаЭВМ поминиму-

мувзвешеннойсуммы квадратовотклонениявконцентрацияхспирта,

эфираиолефина, т. е.

   

 

2 2

ROH олеф

2 2

ROH олеф

ROR

1 1

C C C C

S S

C C

   

 

 



(17)

Второйподходэмпирический. Оноснованназнаниинекоторых

экспериментальныхкинетическихиструктурныхзакономерностейпро-

текания процесса, полученных безвыявления детальной кинетики,

справедливыхобычновузкоминтервалеусловийсинтеза. Длясложно-

гоинедостаточноизученногопроцессаэмпирическиеметодыоказыва-

ютсяприменимыми. Однако, ксожалению, оничастонеиспользуются

втехнологииивтехслучаях, когдасуществуетболеетонкоеописание

ХТП, позволяющеевестиегоэкономичнееиполучатьприэтомпродукт

болеевысокогокачества.

Внастоящеевремядлярешениятехнологическихзадачиспользу-

юттакназываемыеметоды«черногоящика», позволяющиерассчиты-

ватьпроцессиуправлятьегоработойдажевтомслучае, когданетни-

какихданныхпохимиипроцесса, нипотепловомуигидродинамиче-

скомурежимамработыреакторов.

Сущностьэтихметодовсостоитвстатистическомпостроенииве-

роятныхполиноминальныхзависимостейвыходныхданныхХТП (от-

кликов) отуправляющихпараметров(факторов) наосновеимеющегося

небольшогонабораданныхпоизмерениюэтихвеличин(рис. 8).

Рис. 8. СхемаэмпирическоймоделиХТП

Помнениюспециалистов, методынедаютвозможностиэкстрапо-

ляцииполученныхзакономерностейнадругиеусловия, а, следователь-

но, исключаютвозможностькоренногоусовершенствованияпроцесса.

Параметры,

управляющие

процессом

(факторы)

Технологиче-

скийагрегат

(«черный

ящик»)

Регулируемые

параметры

процесса

(отклики)