Тема: Основные типы химико-технологических систем и их особенности

Тема: Основные типы химико-технологических систем и их особенности

План:

1. Производство как сложная система, ее составные части, свойства и характеристики

2. Системное представление о химико-технологическом производстве

3. Системный и процессорный подходы к разработке технологий нефтехимического синтеза и их методологические принципы

4. Основы разработки схем химико-технологических систем

5. Общие принципы создания кинетических и термодинамических моделей химико-технологических процессов и производственных комплексов

6. Способы критериального описания химико-технологических процессов нефтехимического синтеза, моделирование технологических объектов на их основе

7. Варианты соединения аппаратов и передаточные функции

Системное представление о химико-технологическом производстве

Представление химико-технологического производства в виде системы предполагает подразделение его на взаимосвязанные подсистемы. Между подсистемами существует соподчинение, которое характеризуется иерархической структурой, состоящей из трех-четырех уровней или ступеней иерархии.

● Первая (низшая) ступень включает типовые химико-технологические процессы (химические, тепловые, гидродинамические, диффузионные, механические), а также локальные системы управления ими, в основном системы автоматического регулирования (САР). Типовые технологические процессы осуществляются в аппаратах, где происходит физико-химическое воздействие на проходящие технологические потоки.

● Вторая ступень – это агрегаты и комплексы, представляющие взаимосвязанную совокупность типовых технологических процессов и аппаратов, осуществляющих определенную операцию. Чаще всего это цехи или их отдельные участки.

На второй ступени используются системы автоматизированного управления для решения задачи оптимальной координации работы аппаратов и оптимального распределения технологических потоков между ними (АСУТП).

● Третья ступень 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 автоматизированная система управления предприятием (АСУП).

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.

Основы разработки схем химико-технологических систем

При разработке технологических схем и их проектировании чаще всего решаются две задачи:

Ø выбор технологической схемы и экспериментальная проверка ее работоспособности;

Ø оптимизация разработанной технологии.

Задача выбора оптимального варианта технологической схемы, в свою очередь, разбивается на две части:

Ø нахождение варианта получения целевых продуктов с минимальными энергетическими и капитальными затратами;

Ø рассмотрение этой схемы с точки зрения надежности и устойчивости работы.

Весьма важно при формировании технологических схем обеспечить рациональное использование теплоты путем организации теплообмена, когда с помощью горячих потоков происходит нагревание относительно холодных потоков. Предпочтительно это делать в пределах одной химико-технологической системы, хотя горячий поток может быть использован в целях получения греющего агента для соседних установок.

Варианты соединения аппаратов и передаточные функции

Все блоки, входящие в технологическую схему, можно разделить на два типа: блоки разомкнутых и блоки рециркуляционных последовательностей. Процесс исследования любой технологической схемы включает следующие операции:

- определение разомкнутых и рециркуляционных последовательностей и расположение их в удобном для вычисления виде;

- нахождение методики расчета каждой рециркуляциооной последовательности.

Различают структурные схемы последовательного, параллельного соединений и схемы с обратной связью.

Объекты химической технологии, состоящие из элементов, соединенных между собой различными способами, т.е. имеющие соответствующие структурные схемы, могут быть описаны статистическими и динамическими характеристиками, представляющими собой взаимосвязь между входными и выходными параметрами. Во многих случаях математическое описание объекта химической реакции имеет вид дифференциальных уравнений, устанавливающих связь между основными переменными процесса. Однако решение дифференциальных уравнений усложняется с повышением их порядка и зависит от вида производных.

v Последовательное соединение элементов.

В этом случае технологические звенья (элементы) соединены таким образом, что выход предыдущего является входом последующего звена. И между ними существует следующая зависимость:

х₁ = х₀; x_i = y_i-1; y_n = y₀; i=1,2,3,…,n, (16)

где х₀ и у₀ – общий вход и общий выход последовательной цепочки.

Примером такой связи может служить последовательное соединение нескольких реакторов: участками производства являются отдельные реакторы, технологическими связями – векторные величины, составляющими которых служат нагрузки реакторов, а также концентрации целевых и побочных продуктов. Управляющими воздействиями могут быть, например, температура, давление и др.

Такие технологические связи широко представлены в непрерывных химических производствах, так как при переходе от периодического процесса к непрерывному последовательность технологических операций во времени заменяется последовательностью технологических аппаратов в пространстве.

Передаточная функция W(P) двух последовательно соединенными элементами может быть записана так:

 

W(P) = y(P)/x(P) = W₂ (P) y₁(P)/x(P) = W₂(P) W₁(P) (17)

Для n последовательно соединенных элементов:

W(P) = W₁(P) W₂(P)…W_n(P). (18)

Рисунок 11.1 Последовательное соединение элементов

Таким образом, передаточная функция последовательно соединенных элементов равна произведению их передаточных функций.

v Параллельное соединение элементов.

Технологические схемы, представляющие параллельную структуру, имеют объединенные входы и выходы.

В этом случае общий вход равен сумме входов отдельных звеньев, общий выход – сумме выходов:

х₀ = х_i; y₀ = y_i. (19)

Примером параллельной технологической связи может служить группа параллельно работающих реакторов, полимеризаторов, теплообменников и т.д.

Передаточная функция такой цепочки W(P) имеет вид:

W(P) = y(P)/x(P) = (y₁(P) + y₂(P))/x(P) = W₁(P) + W₂(P). (20 )

Следовательно, для n параллельных элементов передаточная функция будет иметь вид:

W(P) = W₁(P) + W₂(P) + … + W_n(P), (21)

т.е. передаточная функция для n параллельно соединенных элементов равна сумме их передаточных функций.

Рисунок 11.2 Параллельное соединение элементов

v Соединение элементов по схеме с обратной связью.

Характерной особенностью системы с обратной связью (рециклом) является то, что часть продукта с выходом, например, из последнего звена поступает на вход первого (а). Если х₀ – общий вход системы, а у₀ – ее выход, то уравнение обратной связи для (б) имеет вид:

х₁ = х₀ + у_n; у₀ = у_n (1 - ). (22)

а для схемы (в):

= х₀ + , у₀ = (1 - ). (23)

Величина , называемая степенью рециркуляции, определяет часть общего потока, возвращаемого на вход системы (0 ). Схема с обратной связью, как правило, отвечает требованию экономичности, так как обратные связи или рециклы чаще всего позволяют наиболее полно использовать сырье и увеличивать выход целевого продукта, обеспечивают утилизацию тепла, дают возможность повторно использовать какой-либо продукт (например, растворитель).

Рисунок 11.3 Соединение элементов по схеме с обратной связью

В соответствии с рисунком 11.3 значения передаточных функций могут быть выражены следующим образом:

W(P) = y(P)/x(P); W₁(P) = y(P)/x₁(P); W₂(P) = y₁(P)/y(P); ( 24)

х₁(Р) = х(Р) + у(Р) – при положительной обратной связи (обратное воздействие усиливает процесс); х₁(Р) = х(Р) – у₁(Р) – при отрицательной обратной связи (обратное воздействие замедляет процесс).

При решении системы уравнений 11.24 в случае положительной обратной связи (а) получаем следующее выражение для передаточной функции:

W(P) = W₁(P)/[ 1 – (W₁(P)/W₂(P))], (25)

а для отрицательной обратной связи:

W(P) = W₁(P)/[ 1 + (W₁(P)/W₂(P))], (26)

Структурные схемы в качестве наглядных образцов проектируемых комплексных систем, отображающих различные технологические объекты, используют давно. Применение структурных схем позволяет наглядно представлять причинные отношения между входом и выходом каждого элемента системы, а также взаимосвязь между ними.

Каждый блок структурной схемы имеет свою передаточную функцию. Как правило, блоки структурных схем являются многопараметрическими и имеют более одного входа и выхода, связанных между собой векторно-матричными уравнениями.

Контрольные вопросы:

1. Что такое химико-технологическая система?

2. Назовите составные части химико-технологической системы.

3. Какие вы знаете свойство химико-технологической системы?

4. Перечислите характеристики химико-технологической системы.

5. Что предполагает представление химико-технологического производства в виде системы?

6. Какие вы знаете этапы разработки технологии производства?

7. Какие задачи решаются при разработке технологических схем и их проектировании?

8. Что такое моделирование?

9. Какие системы называют моделями?

10. С чего начинается моделирование процесса и соответствующего ему реактора?

11. Какие вы знаете виды моделирования?

12. В каком случае используется моделирование по равенству основных частных соотношений?

13. В чем сущность физического моделирования?

14. Назовите основную отличительную особенность математического моделирования.

15. Что включает в себя критериальное уравнение?

16. Какие вы знаете варианты соединения аппаратов?

17. Чему равна передаточная функция последовательно соединенных элементов?

18. Чему равна передаточная функция параллельно соединенных элементов?

19. Чему равна передаточная функция элементов, соединенных по схеме с обратной связью?

Тема: Основные типы химико-технологических систем и их особенности

План:

1. Производство как сложная система, ее составные части, свойства и характеристики

2. Системное представление о химико-технологическом производстве

3. Системный и процессорный подходы к разработке технологий нефтехимического синтеза и их методологические принципы

4. Основы разработки схем химико-технологических систем

5. Общие принципы создания кинетических и термодинамических моделей химико-технологических процессов и производственных комплексов

6. Способы критериального описания химико-технологических процессов нефтехимического синтеза, моделирование технологических объектов на их основе

7. Варианты соединения аппаратов и передаточные функции