книги / Моделирование химико-технологических систем

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет» Березниковский филиал

В.А. Тихонов, С.В. Лановецкий, О.К. Косвинцев

МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Учебное пособие

Березниковский филиал Пермского национального исследовательского

Политехнического университета

2012

3

ВВЕДЕНИЕ

Компьютерное моделирование химико-технологических систем (ХТС) к настоящему времени полностью доказало свою актуальность и перспективность. С его помощью удается повысить качество управления ХТС и эффективность работы технологической системы. Но особенно большое значение компьютерное моделирование имеет для сокращения сроков проектирования.

Химико-технологическая система, как правило, имеет рециклы, ее структура является замкнутой. Поэтому расчет материальных и тепловых балансов, без которых не может обойтись ни одно проектирование новой ХТС, сводится к решению системы нелинейных уравнений и представляет из себя сложную, весьма трудоемкую итерационную процедуру

Основной подсистемой любого химического производства является технологическая система, так как именно она ответственна за получение продуктов, то есть определяет цель функционирования производства. Моделирование химико-технологических систем является основным и практически единственным методом исследования систем. Методы математического моделирования нашли широкое применение в решении задач оптимизации систем и прогнозирования. Многие практические задачи, связанные с проектированием новых и модернизацией действующих производств, могут быть успешно решены с использованием методов математического моделирования.

ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

ХТС – совокупность взаимосвязанных технологическими потоками и действующих как единое целое аппаратов, в которых осуществляется определённая последовательность технологических операций с целью выпуска конкретной продукции.

Любая химико-технологическая система может быть представлена следующей структурой (рис. 1).

Рис. 1. Структура ХТС

Где Х – значения параметров на входе в систему (расход и компонентный состав сырья, его температура, давление, конструктивные особенности аппаратуры и т.д.).; Y – значения параметров на выходе из системы (количество и качество конечных продуктов).; Z – значения параметров возмущения (независи-

4

мые внешние воздействия на систему, например температура окружающей среды, вибрация).; U – значения параметров управления процессом (температура, давление, расход технологических потоков и т.д.).

СОСТАВ И СТРУКТУРА ХТС

Реальные производственные системы обладают сложной структурой расположения элементов, с целью систематизации их функции выделяют:

•технологические системы – комплекс элементов выполняющих операции связанные с реализацией химических и физико-химических превращений;

•энергетические системы – совокупность элементов, обеспечивающих энергией технологический процесс;

•системы управления – комплекс элементов, задачей которых является контроль и управление производственного процесса – АСУТП.

По масштабным признакам структура ХТС может быть представлена в виде иерархической последовательности элементов (рис. 2). Так например, единичный аппарат – элемент минимального масштаба (низший масштабный уровень I). Объединение нескольких аппаратов, выполняющих совместное преобразование потока – элемент II масштабного уровня (реакционный узел). Совокупность подсистем II уровня образует производственный участок или отделение (элемент III масштабного уровня). Комплекс отделений, участков образует ХТС всего производства (IV уровень). Представленная классификация иерархического деления элементов – условна и используется с целью сокращения размерности исследуемой задачи.

Рис. 2. Иерархическая структура ХТС

5

ВИДЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ ЭЛЕМЕНТАМИ ХТС

Последовательное соединение

Последовательное соединение является основным соединением технологических аппаратов между собой. При этом соединении весь технологический поток, выходящий из предыдущего элемента ХТС, полностью поступает на последующий элемент ХТС, причем каждый элемент поток проходит только один раз.

Последовательное соединение применяют, когда:

•необходимо провести химическое превращение в несколько стадий для эндоили экзотермических реакций (особенно обратимых) протекающих в адиабатических реакторах (каталитические реакторы, например, окисление SO2

вSO3 или синтез аммиака);

•последовательное соединение применяют, когда необходимо провести технологический процесс с выделением какого либо компонента после каждой стадии (например, в многоступенчатом воздушном компрессоре после каждой ступени сжатия происходит охлаждение газа и выделение капельной влаги).

Параллельное соединение

При параллельном соединении, технологический поток разделяется на несколько потоков, которые поступают на различные элементы ХТС, причем каждый аппарат поток проходит только один раз. Выходящие из элементов потоки могут объединяться в один поток, а могут выходить раздельно.

Параллельное соединение применяют, когда:

•необходимо оптимальным образом распределить нагрузку между параллельно работающими линиями, отличающимися по производительности, например, вследствие падения активности катализатора, загрязнения теплообменной поверхности и прочее;

•необходимо увеличить надежность производства и обеспечить возможность его работы с минимальной производительностью без снижения эффективности работы оборудования (в случае необходимости параллельные линии могут быть отключены по экономическим соображениям или для ремонта).

6

Последовательно-обводное (байпасное) соединение

При последовательно-обводном (байпасном) соединении через ряд последовательно соединенных элементов ХТС проходит только часть потока, а другая часть обходит часть аппаратов, а затем соединяется с частью потока, прошедшего через элементы ХТС.

При байпасном соединении вследствие уменьшения потока, идущего через реактор, увеличивается время пребывания в реакторе и увеличивается степень превращения сырья в продукты (в реакторе).

Байпасное соединение применяется при конструировании реакторов для проведения обратимых экзотермических реакций путем смешения «горячего» потока после реактора с «холодным»байпасным потоком, что позволяет достичь высокой степени превращения и оптимальных температур и, следовательно, высоких скоростей химических реакций (каталитические реакторы, например, окисление SO2 в SO3 или синтез аммиака).

Рециркуляционное соединение

Рециркуляционное соединение характеризуется наличием обратного технологического потока в системе последовательно соединенных элементов, который связывает выход одного из последующих элементов с входом одного из предыдущих элементов Коэффициент рециркуляции – отношение рециркулирующего потока к суммарному (коэффициент всегда меньше единицы).

Рециркуляция применяется в случаях, когда необходимо увеличить эффективность использования сырья и оборудования за счет увеличения времени пребывания в рециркулируемых аппаратах без изменения размеров оборудования и гидродинамической обстановки.

Рециркуляция позволяет достичь максимального использования сырья (особенно для обратимых реакций) и увеличить скорость процесса за счет увеличения концентрации исходных реагентов, которая достигается при выделении целевого продукта на линии рецикла и возвратом исходных реагентов в «голову» процесса (например, цикл синтеза аммиака).

СЛОЖНАЯ ХТС

ХТС как сложная система характеризуется следующими признаками:

1) большие размеры системы как по числу составляющих ее элементов, так и по количеству выполняемых функций;

7

2)взаимосвязь подсистем, их взаимодействие в процессе функционирования и взаимное влияние как на собственные свойства, так и на свойства системы в целом;

3)многоуровневая (иерархическая) структура управления;

4)существование единой цели действия всех подсистем и зависимость ее эффективности от изменений, происходящих в каждой подсистеме;

5)наличие взаимодействия с внешней средой и функционирование в условиях воздействия случайных факторов.

6)необходимость и возможность высокой степени автоматизации с применением управляющих ЭВМ.

Рис. 3. Структура классической триады химического производства: 1 – подготовка сырья, 2 – реакторная подсистема,

3 – подсистема разделения

При разработке ХТС анализ исходного сырья позволяет предположить различные варианты его переработки в требуемый продукт, что является исходным пунктом для разработки химической концепции метода. На основе исследования равновесия и кинетики процесса, расчета материальных и тепловых балансов, разрабатывается химический реактор, организуемый впоследствии в реакторную подсистему. В соответствии с выбранным альтернативным методом химической переработки, появляются требования к исходному сырью, и рождается система подготовки сырья. В зависимости от получаемых в реакторе фаз разрабатываются подсистемы разделения непрореагировавшего сырья и продуктов с их последующей очисткой.

Таким образом, химическое производство можно представить в виде триады подсистем, работающих на достижение единой цели (рис. 3).

Каждая подсистема содержит множество основных и вспомогательных аппаратов, в которых реализуются физические, физико-химические и химические процессы.

На составы внутренних потоков (материальных, энергетических, информационных) каждой подсистемы накладываются ограничения, обусловленные химическим и фазовым равновесием; кинетическими и гидродинамическими факторами; требованиями к качеству продуктов и сырья. Эти ограничения должны быть выявлены в процессе разработки химико-технологического процесса, который затем организуется в ХТС. При отсутствии определенных ограничений исследование сложных систем в полном объеме может оказаться неразрешимой задачей.

8

Некоторые из ограничений (граничные значения температуры, давления, концентраций и тому подобное) легко устанавливаются в результате исследования или по литературным источникам. Другие трудно определить, например, границы экстраполяции результатов эксперимента, зависимость выпуска продукции от стратегии рынка, допустимые границы качества продукта и полупродуктов и так далее.

Система ограничений формируется в результате формализации условий решения проблемы в виде равенств или неравенств, а по жесткости требований различают ограничения обязательные или подлежащие уточнению в ходе разработки ХТС.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ХТС

Требования, предъявляемые к проекту ХТС

Каждый проект ХТС должен содержать:

1.Технологическую топологию ХТС (технологической топологией называют характер и порядок соединения отдельных аппаратов в технологической схеме).

2.Диапазоны изменений значений входных переменных, которыми являются физические параметры входных потоков сырья, а также параметры окружающей среды, влияющие на процесс функционирования ХТС.

3.Диапазоны изменений значений технологических характеристик ХТС (степени превращения, степени разделения компонентов, констант скоростей химических реакций, коэффициентов тепло- и массопередачи и так далее).

4.Конструкционные параметры ХТС (размеры аппаратов, высоты слоев насадки и так далее).

5.Рекомендуемые параметры технологического режима работы элементов ХТС (температуры, давления, типы катализатора и тому подобное).

6.Параметры технологических потоков, обеспечивающих работу ХТС в заданном режиме (температуры, давления, расходы, состав потоков и тому подобное).

Задачи, решаемые в процессе проектирования ХТС

1.Синтез ХТС.

2.Анализ ХТС.

3.Расчет ХТС.

4.Оптимизация ХТС.

При решении задачи синтеза требуется разработать структуру ХТС, требуемую для реализации технологического процесса, то есть необходимо выбрать элементы из числа имеющихся; установить связи между ними; определить конструктивные и технологические параметры элементов ХТС.

Задачи анализа ХТС подразделяются на анализ структуры ХТС и анализ качества функционирования ХТС.

9

Основная цель анализа структуры ХТС заключается в выявлении ее структурных особенностей и нахождении оптимальной последовательности расчета ее элементов, а цель анализа качества функционирования ХТС– полу-

чение количественных оценок ее основных свойств (надежности, чувствительности и так далее).

Расчет ХТС позволяет получить количественную оценку функционирования как отдельных элементов ХТС, так и всей системы в целом (компонентный состав, расход, температура потоков и так далее).

Задача оптимизации систем включает в себя как оптимизацию структуры, так и оптимизацию режимов функционирования элементов. Целью оптимизации ХТС является повышение технико-экономических показателей производственной деятельности.

ИЗОБРАЖЕНИЕ ХТС. ВИДЫ СХЕМ

Для изображения ХТС используются различные графические и математические модели.

В качестве первого уровня наглядного изображения ХТС является функциональная схема системы. Она показывает, какие технологические операции и в какой последовательности необходимо осуществить для реализации разработанного химического процесса в промышленном масштабе.

Функциональная схема детализируется путем представления каждого макроблока в виде совокупности блоков, отвечающих определенным операциям (то есть «функциям» – откуда и название схемы). Например, подготовка сырья может быть представлена последовательными блоками: измельчения, рассева, смешения, нагрева; химическое превращение может включать разложение руды, экстракцию, синтез; разделение – ректификация, конденсация и сепарация, фильтрация, центрифугирование и тому подобное.

Такая схема позволяет получить общее представление о ХТС и является предпосылкой для аппаратурного оформления системы и разработки технологической схемы.

Технологическая схема ХТС дает наиболее полное качественное представление об ее организации. Каждый аппарат на ней представляется в виде условного стандартного изображения, а поток (связи) – стрелками, соответствующими их направлению. Соотношение размеров аппаратов и расположение их на схеме соответствует реальному. При этом приводится спецификация оборудования. Иногда на этих схемах дается информация о составе потоков и технологических параметрах процесса, а также приводится схема автоматического контроля и регулирования.

Эти схемы наглядны и широко используются как на стадии проектирования, так и при эксплуатации ХТС.

Операторная схема представляет собой совокупность технологических операторов. Технологический оператор – символ аппаратов как элементов системы, в которых происходит качественное или (и) количественное преобразо-

10