3. Технологические операторы хтс

Сложную ХТС можно представить состоящей из элементов, в каждом из которых протекает определенный технологический процесс. При этом элемент системы рассматривают как технологический оператор (ТО), осуществляющий качественное воздействие на материальные и энергетические потоки в системе. Например, реактор в котором протекает экзотермическая реакция, представляет собой ТО, осуществляющий как качественные преобразования (выходной технологический поток содержит новые вещества), так и количественные (температура выходного потока выше температуры входного) преобразования входного технологического потока. Рекуперативный теплообменник является ТО, в котором происходит количественное преобразование температур входных технологических потоков.

Схема элементов ХТС как технологического оператора представлена на рисунке 9.

Каждый элемент ХТС представляет собой многомерный ТО, математический модуль которого можно представить в следующем формальном виде

_. (2)

Здесь - вектор-функция;

- вектор входных (выходных) переменных;

- вектор конструкционных (технологических) параметров элемента;

- вектор параметров технологического режима; - номер элемента.

- вектор входных (выходных) переменных элемента ХТС; - i-я координата вектора ; - номер элемента

Рисунок 9 – Схема элемента ХТС как технологического оператора

Каждый ТПр, протекающий в определенном элементе ХТС, представляет собой совокупность типовых процессов химической технологии. При исследовании ХТС любой типовой процесс химической технологии рассматривают как типовой ТО. Таким образом, любой ТО исследуемой ХТС представляет собой определенную совокупность типовых ТО. Типовые ТО разделяют на два класса: основные и вспомогательные. Основные ТО отображают основные химические и физические превращения, происходящие при образовании веществ и энергии в элементах ХТС и составляют основу любого технологического процесса. Вспомогательные ТО отображают энергетические и фазовые явления, сопровождающие разнообразные преобразования вещества и энергии в элементах ХТС. Классификация и условные изображения ТО представлены на рисунке 10.

В зависимости от цели исследования ХТС каждый её элемент или ТО можно рассматривать либо при упрощенном анализе как один типовой ТО (таблица 2), либо при более подробном анализе как совокупность нескольких типовых ТО. Так, адиабатический реактор, в котором происходит экзотермическая реакция между реагентами, содержащимися в двух входных ТП, как ТО представляет собой совокупность трех типовых ТО: смешения, химического превращения и нагрева.

Конденсатор в качестве ТО можно рассматривать для потока пара как типовые ТО охлаждения и изменения агрегатного состояния, а для потока жидкости как типовой ТО нагрева. Ректификационную колонну можно представить либо как типовой ТО селективного, в частности, диффузионного разделения смеси, либо как совокупность нескольких типовых ТО межфазного массообмена и рекуперативного теплообмена. Пароэжекторную холодильную установку ХТС как ТО можно отобразить в виде совокупности типовых ТО – расширения (создание вакуума) и охлаждения (снижении температуры кипения жидкости).

В зависимости от видов элементов, или ТО, входящих в структуру ХТС, выделяют однородные и неоднородные ХТС.

Однородные ХТС состоят из одного вида элементов, в которых протекают одинаковые ТПр. Так, однородными ХТС являются реакторные системы (РС), теплообменные системы (ТС), системы ректификации (СР) многокомпонентных смесей, системы абсорбции (СА), системы экстракции (СЭ) и др. Однородные ХТС, как правило, соответствуют технологическим блокам производств.

Рисунок 10 – Классификация и условные изображения типовых технологических операторов ХТС

Таблица 2 -Применение типовых технологических операторов для отображения основных физико-химических явлений в некоторых элементах ХТС

Типовые ТО	Сущность отображаемых физико-химиче­ских явлений	Отображают основные явления в опреде­ленных элементах ХТС
Химического превращения	Химическая реакция для ве­ществ одного или нескольких входных ТП	Реакторы, кристаллизаторы. автоклавы, конверторы, адсорберы
Межфазного массообмена	Процесс межфазного массооб­мена между двумя входными потоками	Абсорберы, адсорберы, экстрак­торы, аппараты для выщелачи­вания, выпарные аппараты
Смешения	Механическое смешение расхо­дов входных потоков	Резервуары, тройники трубо­проводов, сопла, струйные сме­сители
Механического разделения	Механическое разделение рас­хода одного потока без изме­нения концентраций веществ в выходных потоках	Резервуары, тройники трубо­проводов
Селективного (диффузионного) разделения	Селективное разделение смеси веществ с изменением концент­рации веществ в выходных по­токах	Колонны дистилляции, колон­ны ректификации, фильтры, десорберы, отстойники, декантаторы, центрифуги, сушилки, классификаторы
Рекуперативного теплообмена	Теплообмен между двумя вход­ными потоками	Рекуперативные теплообмен­ники, холодильники, нагрева­тели
Нагрева, охлаж­дения	Подвод (отвод) теплоты в результате физико-химических превращений внутри элемента: сжигание топлива; подвод холода	Реакторы, конденсаторы. испа­рители, сепараторы, печи, эжек­торы, турбодетандеры, дроссе­ли
Сжатия (расши­рения)	Повышение (понижение) дав­ления некоторого потока ве­щества	Насосы, воздуходувки, компрес­соры, инжекторы, эжекторы, дроссели
Изменения агрегатного состояния	Изменение агрегатного состояния и выходного потока	Конденсаторы, испарители, су­шилки, выпарные аппараты, печи-плавилки

Неоднородные ХТС состоят из разного вида элементов, в которых протекают различные ТПр. Неоднородные ХТС соответствуют технологическим узлам, в которых реализуются отдельные основные технологические операции (подготовка сырья, химический синтез молекул продуктов и полупродуктов, выделение целевых продуктов), либо технологическим установкам (производствам), выпускающим определенные продукты.