4.1.2. Модели хтс

Целью функционирования любой ХТС есть обеспечение производства определенного продукта необходимого качества и заданного объема. Чтобы синтезировать новую ХТС, т.е. создать новое производство, или улучшить работу существующего, необходимо уметь всесторонне проанализировать эту ХТС. Для того следует описать эту ХТС; такое описание называют моделью ХТС.

В зависимости от способа описания ХТС модели разделяют на три вида:

• описательные;

• графические;

• математические.

К описательным моделям принадлежат такие подвиды: собственно описательные (операционно-описательные) и химические.

Операционно-описательная модель - это текстовое описание производства, которая охватывает характеристику сырья, материалов, полупродуктов и продуктов. В этой модели отмечается последовательность осуществления всех технологических операций вследствие которых сырье превращается в целевой продукт определенного качества Здесь же приводится описание работы элементов системы и особенности процессов, которые происходят в них, отмечаются технологические параметры хода этих процессов.

Преимуществом такой модели есть возможность детально описать конкретное производство как ХТС и при необходимости текстово объяснить нюансы осуществления технологического процесса. Недостаток этой модели заключается в том, что для довольно сложных ХТС описательная модель громоздка, так как текст может быть большого объема. Поэтому довольно тяжело сразу охватить все производство как целостную систему, особенно, если оно предусматривает выпуск нескольких видов продукции, четко разделить ее на отдельные подсистемы. На практике собственно описательные модели применяют для разработки проектно-конструкторской документации, а также для оформления технологического регламента как одного из основных документов, согласно которому функционирует производство.

В химической модели (второй подвид описательных моделей) приводятся лишь уравнение химических реакций, которые проходят в этой ХТС. Эта модель характеризует производство как систему последовательных, параллельно-последовательных химических преобразований. В ней приводят все реакции как целевые, так и побочные, которые проходят на любой из стадий производства.

Преимуществом этой модели есть выделения сущности ХТС, что базируется на системе определенных химических процессов. Главный недостаток модели - отсутствие данных о подготовительных операциях, особенностях осуществления химико- технологических процессов в отдельных элементах.

Химическая модель дает возможность сравнивать разные способы производства определенного продукта: доступность и стоимость сырья, возможность образования побочных продуктов или экологически опасных веществ как отходов производства. Итак, можно приближенно оценить затраты на приобретение сырья, реагентов и материалов, стоимость утилизации или обезвреживания отходов, предварительно определиться с энергетическими затратами, объемами капитальных вложений и т.п..

Приведем химическую схему на примере производства кальцинированной соды (натрия карбоната):

Графические (иконографические модели) подразделяют на:

• функциональные;

• блочные (структурные);

• операторные;

• технологические.

Графические модели, как вытекает с их названия, - это несомненно графическое, т.е. схематическое, изображение ХТС. Поэтому традиционно их еще называют схемами. Каждый из подвидов этих моделей применяется на определенном этапе синтеза химико- технологических систем т.е. имеет конкретное практическое значение на соответствующем этапе разработки и составлении проектно-конструкторской документации.

Основанием для разработки графических моделей есть описательные модели.

Функциональная схема (модель) состоит из отдельных узлов (подсистем), изображенных прямоугольниками с надписью внутри. Каждый узел предназначен для осуществления отдельной технологической операции например, размалывание, растворение, абсорбции газа, термического разложения, нейтрализации, экстракции, ректификации и т.п., причем узел может состоять из одного или нескольких видов оборудования (элементов). Узлы расположены в той последовательности, которая необходима для переработки сырья с получением продукта, и связанные между собой технологическими потоками. Именно поэтому функциональная схема дает наибольшее представление о функционировании производства как химико- технологической системы. Недостатком этой модели есть полное отсутствие сведений о типах оборудования, которое применяется для реализации технологического процесса.

Пример функциональной схемы производства кальцинированной соды Na₂CO₃ приведен на рис. 4.1. Создается функциональная модель на начальных этапах синтеза ХТС, когда по известной химической модели и видам сырья лишь предусматривают последовательность реализации основных и вспомогательных технологических операций.

Рис. 1. Функциональная схема производства кальцинированной соды

Структурная (блочная) схема состоит из связанных между собой технологическими потоками блоков, которые отвечают отдельным элементам ХТС. На схеме изображают направление движения технологических потоков, т.е. эта модель дает представление о последовательности осуществления технологических процессов или операций в элементах ХТС. Сравнительно с функциональной моделью блочная схема вообще дает возможность определить количество основных элементов в ХТС или отдельных подсистемах. Однако блочная схема, как и функциональная, не несет информации о типах конкретных элементов и о количественных параметрах их работы. Блочная схема синтеза аммиака показана на рис. 4.2.

Создание структурной модели является следующим после разработки функциональной схемы этапом синтеза ХТС.

Рис. 2. Блочная схема синтеза аммиака: 1- колона синтеза; 2 - холодильник; З - сепаратор; 4 - циркуляционный компрессор; 5 - сепаратор масел;6 - конденсационная колонна; 7 - испаритель аммиака. Материальные потоки:

G _1-11 - газы; L _1-4 -жидкости

Операторная схема предназначена для того, чтобы воссоздать физико-химическую сущность всех технологических процессов, которые происходят в проектируемой ХТС или оптимизируется. Сущность любого физико-химического процесса воспроизводится определенным технологическим оператором - условным графическим изображением этого процесса, который означает изменение соответствующего параметра технологического потока.

Технологические операторы разделяют на основные и вспомогательные (рис. 3).

Рис..3. Технологические операторы: основные: 1 -химического превращения;2 - смешивание; 3 - разделение; 4 - межфазного массообмена; вспомогательные:5 - теплообмена (нагревание или охлаждение); 6 - сжатие или расширение; 7 - изменение агрегатного состояния

Например, оператор химического превращения означает протекание химической реакции, вследствие чего изменяются параметры технологического потока на выходе из оператора по сравнению с входным потоком.

Если газовая смесь сжимается до некоторого давления, например, компрессором, т.е. начальное давление есть значительно меньше конечного, то такой процесс изображают оператором сжатия. С помощью технологических операторов можно изобразить либо ход лишь основного процесса, который реализуется в элементе ХТС, или же показать все физико-химические процессы, которые проходят в нем. Поэтому операторные схемы можно разделить на сокращенные и полные.

В сокращенных операторных схемах каждому элементу отвечает лишь один технологический оператор. Им изображают основной технологический процесс. Например, в реакторе происходит экзотермическая реакция, вследствие которой один из компонентов реакционной среды испаряется и при этом возрастает давление. Несмотря на то, что в реакторе проходит ряд разных по сущности процессов, этот элемент в сокращенной операторной схеме изображают лишь оператором химического превращения.

Сокращенная операторная схема (рис. 4) дает четкое представление о типе элемента (реактор, теплообменник, сепаратор и т.п.), который следует применить в ХТС, и является основанием для разработки полной операторной модели

Полные операторные схемы предусматривают изображение элемента ХТС системой технологических операторов, которые отображают физико-химические процессы, которые происходят в этом элементе.

Рис. 4. Сокращенная операторная схема синтеза аммиака: 1- колонна синтеза;2 - холодильник; 3 - сепаратор; 4 - циркуляционный компрессор; 5 - сепаратор масел;6 - конденсационная колонна; 7- испаритель аммиака

Итак, если в реактор поступают два материальных потока (реагенты), которые взаимодействуют с выделением газа как одного из продуктов реакции (другой продукт -раствор), вследствие чего возрастает давление, а из аппарата продукты выходят отдельными потоками (жидко- и газофазными), то такой элемент ХТС будет изображаться такой системой операторов (рис. 5):

Рис..5. Изображение элемента ХТС системой технологических операторов

Разработка полной операторной схемы очень важный этап в синтезе ХТС именно с точки зрения системного анализа. Изобразив все физико-химические процессы, необходимые для превращения определенного сырья в целевой продукт, последовательным набором соответствующих операторов, в дальнейшем анализируют, которые из них можно осуществить в отдельном элементе, а какие целесообразно компоновать и реализовать не в отдельных элементах, а в одном. В частности многополочный контактный аппарат с промежуточным охлаждением продукта реакции можно изобразить системой поочередно размещенных реакторов (каждую полку рассматривают как отдельный реактор) и теплообменников. Рассчитав необходимые геометрические размеры и массы катализатора в каждом из них, можно решать конструктивные вопросы, а именно, или целесообразно конструировать отдельные аппараты, или лучше их объединять. Например, полки и наименьшие по габаритами и массе теплообменники целесообразно располагать в одном корпусе аппарата, а громоздкие и тяжелые теплообменники - вне его как выносные.

Детальный качественный и количественный анализ полной операторной схемы вместе с другими моделями ХТС, в частности, математической, дает возможность выбрать существующее или сконструировать новое оборудование. Итак, полные операторные схемы являются чрезвычайно важным этапом в создании ХТС.

Выбранное или разработанное оборудование используют для создания технологической схемы.

Технологическая схема - это графическое изображение элементов ХТС стандартными условными общепринятыми обозначениями, которые соединены между собой технологическими потоками с указанием их направлений стрелками. Изображение каждого элемента дает представление о его общей конструкции или принципе действия, а вход или выход технологического потока, отмечается в точке, которая реально отвечает действующему аппарату. По условным обозначениям материальных потоков легко вообразить, в каком фазовом состоянии они находятся. Например, зачерненная стрелка означает, что это поток конденсированного вещества (твердого или жидкости), не зачерненная - отвечает потоку газа. Для наглядности основные элементы (аппараты) часто изображают с соблюдением масштаба.

Технологическая схема, сравнительно с приведенными выше, дает значительно больше информации о функционировании всей системы как производственного процесса. Кроме того, она содержит данные об основном и вспомогательном оборудованиях, которое используется в этом производстве. Характеристика аппаратов может приводиться частично на технологической схеме, а частично - в спецификации, которая является обязательным приложением к графическому изображению.

Как и операторные, технологические схемы можно разделить на сокращенные (принципиальные) и полные.

Рис. 6. Принципиальная технологическая схема синтеза аммиака: 1- колона синтеза;2 - холодильник; 3 - сепаратор; 4 - циркуляционный компрессор; 5 - сепаратор масел;6 - конденсационная колонна; 7 -испаритель аммиака

На сокращенных технологических схемах, которые разрабатывают на конечных стадиях проектирования ХТС, приводится лишь то минимальное количество оборудования (основного и вспомогательного), без которого производственный процесс происходить не может. Сокращенной технологической схемой изображают производство, в частности, в учебниках, пособиях и т.п.. Пример сокращенной технологической схемы синтеза аммиака приведен на рис. 6.

Азотоводородная смесь (АВС) подается под давлением в колону синтеза аммиака 1 двумя потоками - главным и байпасным, что необходимо для регулирования температурного режима процесса. Вследствие каталитической реакции образовывается аммиак, выход которого не превышает 20 %. Газовая смесь, которая содержит продукт -аммиак, и не прореагировавшие азот и водород, поступает в водяной холодильник 2, где охлаждается до температуры около 30 °С, вследствие чего часть аммиака сжижается. Сконденсированный аммиак отделяется от газового потока в сепараторе 3 и выводится из системы. Газовая смесь, которая осталась, сжимается до рабочего давления циркуляционным компрессором 4, после которого в циркулирующий газовый поток под давлением вводится свежая АВС, количество которой пропорционально количеству образованного аммиака. В сепараторе 5 АВС, которая содержит некоторое количество несконденсированного аммиака, очищается от капель масла, которые попадают в газовый поток во время его сжатия компрессорами. Дальше АВС поступает в верхнюю часть конденсационной колонны 6, выполненную как кожухотрубный теплообменник. Проходя межтрубным пространством, АВС охлаждается и подается в аммиачный испаритель 7, который, по сути, является аммиачным холодильником. Здесь вследствие испарения жидкого аммиака АВС охлаждается, что приводит к конденсации остатков аммиака. Глубокая очистка АВС от аммиака необходима для смещения равновесия реакции синтеза NН₃ В колонне синтеза 1. сжиженный аммиак отделяется от газового потока в нижний - сепарационной - части конденсационной колонны 6. Холодная АВС, очищенная от аммиака, проходит трубным пространством кожухотрубного теплообменника и подается в колону синтеза 1.

Если технологический процесс осуществляется одновременно в нескольких однотипных аппаратах или системах аппаратов (технологических нитях), то приводят лишь один аппарат (технологическую нить). На такой схеме изображают лишь основные технологические потоки.

На последнем этапе проектирования производства составляют полную технологическую схему. На ней изображают абсолютно все оборудование, включая аппараты и технологические нити, которые работают параллельно, резервное оборудование (преимущественно оно используется по необходимости непродолжительного увеличения производительности производства или в случае аварий или неполадок работы того, которое в технологическом процессе используется постоянно), а также оборудование, которое необходимо для запуска и вывода технологического процесса на заданный технологический режим (например, пусковые подогреватели контактных аппаратов для окисления SО₂ до SОз). На полной технологической схеме также изображают все технологические потоки, даже резервные и байпасные, все задвижки, вентили и т.п.. Учет всего оборудования и всех коммуникаций необходим для его компонования и компактного размещения во время выполнения строительно-монтажных чертежей, по которым осуществляют монтаж всего оборудования на производственных площадях. При этом следует обеспечить удобство реализации технологического процесса, доступ к оборудованию для обслуживания, осуществление ремонта, замены отдельных аппаратов, возможность дальнейшей модернизации производства, предусмотреть пути эвакуации производственного персонала в случае аварийных ситуаций и т.п..

Полная технологическая схема является обязательной частью такого документа, как технологический регламент, по которым и осуществляется производственный процесс.

Обычно на производстве используют не один вид моделей ХТС, а их объединение, в котором один дополняет другой. Например, технологический регламент охватывает собственно описательную (операционно-описательную) и химическую модели, а также полную технологическую схему.

Математическая модель используется для количественного описания процессов в ХТС. Она имеет вид системы математических уравнений и неравенств, которыми количественно описываются процессы в отдельных элементах, подсистемах и всей ХТС. Математическую модель создают с целью оптимизации работы ХТС, разработки алгоритма ее управления, предотвращения аварийных ситуаций, которые осуществляется непрерывным автоматическим контролем производственного процесса средствами микропроцессорных технологий.

Составление математической модели ХТС является многоуровневым процессом. Сначала математически моделируют элементарные процессы, которые проходят в основных элементах ХТС: химические реакции, диффузионные и массообменные процессы, теплообмен и т.п.. Для этого следует четко определить перечень физико-химических явлений, которые происходят в конкретном элементе, т.е. использовать полную операторную схему ХТС. Выведенные на этой стадии моделирования математические выражения являются основанием для создания модели элемента как системы уравнений с существующими связями. Например, начальная температура входного потока влияет на равновесие и скорость химической экзотермической реакции, а значит - на показатели химико-технологического процесса вообще. Вследствие этого влияние температуры описывается системой уравнений с обратной связью между функциональными зависимостями.

После создания математических моделей элементов ХТС с учетом технологических связей между ними моделируют подсистемы и всю ХТС.

Технологические связи и их виды

Существующие промышленные производства как ХТС могут быть чрезвычайно сложными и разнообразными по структуре. Но, несмотря на это, в каждой из них можно четко выделить группы элементов или подсистем, связанных между собой в определенной последовательности, которая называется технологической связью. Итак, технологическая связь (ТС) - это способ соединения отдельных элементов (или подсистем) с помощью технологических потоков с образованием подсистем и систем.

Различают такие виды технологических связей:

• последовательный;

• последовательно-обводный (байпас);

• параллельный;

• обратный (рециркуляционный);

• перекрестный.

Рис. 7. Схемы последовательных ТС для процессов: с высокой степенью превращения в одном элементе; б –многостадийного; в- с использованием каскада реакторов; г-с постадийной переработкой многокомпонентного сырья А, В, С- компоненты сырья; D,E,F - реагенты; R,S- целевые и побочные продукты.

I,II,III- типы основных элементов ХГС

Последовательный ТC заключается в том, что технологический поток последовательно проходит все элементы ХТС только один раз (рис. 4.7). Он есть наиболее распространенным ТС. Применяется последовательная технологическая связь в случаях, когда:

а) в элементе системы достигается высокая степень превращения, а его производительность обеспечивает необходимую производительность всей ХТС (рис.7,а);

б) получение целевого продукта происходит в несколько стадий с образованием полупродуктов (например, в производстве серной кислоты из серы сначала получают серы (IV) оксид, потом серы (VI) оксид и лишь на третьей стадии целевой продукт - Н₂SО₄) (рис. 7,6);

в) степень превращения в одном элементе ХТС мала, но есть возможность использовать каскад реакторов (рис. 7,в);

г) сырье многокомпонентное, т.е. содержит несколько ценных ингредиентов, которые последовательно извлекают с помощью определенных реагентов или при определенных условиях реализации технологического процесса (например, переработка полиметаллических или полиминеральных руд) (рис. 7,г).

Последовательно-обводная ТС (байпас) заключается в том, что технологический поток перед первым элементом системы последовательно соединенных элементов ХТС (реакторов) разделяется на два потока: основной и обводный (байпасный). Основной поток последовательно проходит все элементы ХТС, а байпасный обходит определенные элементы и вводится полностью или частично в основной после того или другого элемента (рис. 8).

Рис. 8. Схема последовательно-обводной ТС

Используется такая ТС для осуществления сильно экзотермических процессов, которые проходят в отдельных элементах в адиабатическом режиме Вследствие хода химической реакции резко возрастает температура реакционной среды. Дальнейший ход процесса может привести к смещению равновесия в сторону исходных веществ и уменьшению степени превращения. Если в горячий технологический поток ввести холодный байпасный поток, то равновесие процесса сместится в сторону конечных продуктов вследствие влияния двух факторов: во-первых, уменьшения температуры, а, во-вторых, увеличения концентрации реагента. Итак, степень превращения при применении байпасной ТС возрастает.

Кроме того, эта ТС дает возможность увеличить степень превращения за счет увеличениям времени пребывания реагентов в реакторе (элементе): часть начального потока перед реактором отводится байпасом, поэтому, расход потока через этот элемент будет меньшим, а продолжительность реакции - большей. Затем степень превращения и производительность элемента возрастают.

Примером применения последовательно-обводной ТС является контактный аппарат, в котором происходит окисление SО₂ до SО₃. На входе в последний слой катализатора в основной технологический поток вводится холодный газ, который поступает байпасом.

Параллельная ТС характеризуется тем, что технологические процессы в ХТС осуществляются одновременно в нескольких элементах, через которые технологические потоки проходят параллельно (рис, 9).

Рис. 9. Схемы параллельных технологических связей: а - производительность элемента значительно ниже производительности ХТС, или работа каждого элемента периодическая, а всей ХТС ~ непрерывная; б - из одного вида сырья получают разные продукты; в - целевой продукт образовывается взаимодействием полупродуктов, которые получают параллельно

Применяется параллельная ТС в таких случаях:

а) для увеличения производительности производства, т.е. если производительность одного элемента значительно меньше, чем производительность всей ХТС (рис. 9,а). В этой ТС производительность всех элементов, которые работают параллельно, одинакова как по сырью (G_A1=G_A2=G_A3), так и по целевому продукту (G_R1=G_R2=G_R3), а общая производительность системы равняется сумме продуктивностей отдельных элементов (G_R= G_R1+G_R2+G_R3). В этом случае каждый из параллельных потоков и элементы, которые он проходит, называют технологической нитью. Перечень элементов в технологических нитях, их размеры, конструкции и технические характеристики являются одинаковыми. Это дает возможность легче организовать производство (приобрести однотипное оборудование); упростить реализацию технологического процесса, обслуживание и ремонт оборудования;

б) для выпуска разных видов продукции из одного вида сырья (рис. 9, б). В этом случае каждый из параллельных технологических потоков называют технологической линией. Преимущественно потребность в разных продуктах неодинакова, т.е. производительности параллельных технологических линий обычно отличаются . Поэтому начальный технологический поток (сырье) разделяется на отдельные потоки с разными расходами, которые должны обеспечить необходимую продуктивность по соответствующим продуктам. Очевидно, что перечень элементов, которые используются в отдельных технологических линиях, их конструкции, принцип работы, технические характеристики и т.п. будут разными. Например, указанный подвид параллельной ТС широко применяется в нефтеперерабатывающей промышленности. В частности, нефть-сырец может одновременно использоваться в процессах прямой перегонки на атмосферно-вакуумных установках (при этом получают бензин, лигроин, керосин, дизельное топливо, мазут, гудрон), термического крекинга (основные продукты: крекинг-газ (олефины), крекинг-бензин с октановым числом около 70, горючий крекинг-остаток), каталитического риформинга (получают: водородный газ, бензин с октановым числом около 95). Как видно из приведенного примера, применение параллельной связи дает возможность обеспечить гибкость ХТС;

в) если получение целевого продукта проходит вследствие взаимодействия промежуточных полупродуктов, каждый из которых получают одновременно в отдельных технологических процессах (параллельно) (рис. 9,в). Например, получению натрия гидрокарбоната NaHCO₃ предшествует осуществление двух параллельных процессов: первый - это получение аммонизированного раствора NaCl, второй - производство углекислого газа термическим разложением известняка .

г) если ХТС работает в непрерывном режиме, а отдельные элементы - в периодическом. В этом случае указанные элементы работают параллельно, но со смещением цикла работы одного относительно другого во времени (рис. 9, а). Количество элементов рассчитывается так, чтобы технологический поток на выходе из параллельной ТС был постоянным, т.е. разгрузка элементов (реакторов, масообменных аппаратов) проходила одна за одной без пауз между ними. Например, параллельная ТС используется при выплавки серы из серного концентрата в автоклавах, которые работают периодически, а поток серы из автоклавного цеха в цех производства серной кислоты практически постоянен.

Обратная ТС (рецикл) характеризуется наличием обратного технологического потока: не прореагировавшее сырье возвращают в одну или нескольких точек ХТС на повторную переработку для увеличения степени превращения (рис. 10,а). При этом элементы соеденены между собой последовательно и вместе с обратными ТС образуют замкнутую подсистему ХТС. В этой ТС выделяют прямой (G₀), главный или полный (G_п) и обратный или рециркуляционный (G_Р) технологические потоки. Главный поток образуется двумя другими:

(8)

где (G₀- масса свежего сырья (реагента), которая пропорциональна массе образовавшегося в ХТС продукта; G_П - общая масса потока сырья, которая поступает на стадию переработки; G_Р , - масса сырья, которая возвращается на повторную переработку. Используется обратная ТС, если степень превращения сырья за один проход низкая, а количество примесей в сырье незначительно. Она дает возможность создать малоотходную ХТС, существенно улучшить утилизацию теплоты. По количеству не прореагировавшего сырья, которое возвращается на переработку, рециклы делят на полные и фракционные. Полные рецикл заключается в том, что не прореагировавшее сырье полностью возвращается на повторную переработку (рис.10,6).

Рис. 10. Схемы обратных ТС: а - общая схема, а также сопряженный рецикл; б – полный рецикл; в – фракционный рецикл; г – сложный рецикл.: А, В -реагенты; R- продукт

Например, степень преобразования азота и водорода во время синтеза аммиака не превышает 20 %; после конденсации образованного NН₃, непрореагировавшую азотоводородную смесь полностью возвращают в колону синтеза.

Фракционный рецикл - на переработку возвращает лишь определенная часть непрореагировавшего сырья (рис. 10,в). Примером фракционного рецикла является производство серной кислоты по циклической схеме, в которой окисление SО₂ до SO₃ осуществляют техническим кислородом, который содержит незначительное количество азота (до 5 %). Поскольку SО₂ окисляется не полностью, то после абсорбции образованного SO₃ с получением товарной Н₂SО₄, непрореагировавший SО₂ возвращают на стадию контактирования. Но газовая смесь содержит балластный газ - азот, возвращение которого в главный технологический поток приводило бы к постоянному уменьшению концентрации SО₂ , поэтому скорость и полнота окисления серы (IV) падала бы. Поэтому для поддерживания постоянного содержания балластного азота в реакционной смеси на стадию окисления SО₂ возвращают не весь газовый поток, а лишь его часть, т.е. реализуется фракционный рецикл.

По способу введения обратного потока в прямой фракционный рецикл разделяют на такие подвиды: простой; сопряженный сложный.

Простой рецикл - непрореагировавшее сырье возвращает лишь в одну точку технологического потока (рис. 10,б,в). Такой рецикл используют, например, в случае синтеза аммиака.

Спряжений фракционный рецикл - непрореагировавшее сырье вводится в несколько точек технологического потока (рис, 10,а). Такой подвид ТС с рециклом применяется при термическом крекинге нефти.

Сложный рецикл предусматривает использование в одной ХТС нескольких рециклов (рис. 10,г).

Обратный ТС, кроме традиционных технологических показателей, которыми характеризуется обычный ТС как химико-технологический процесс, имеет еще два, присущие лишь ему, это:

- коэффициент рециркуляции (К_к), который определяется отношением-

(9)

коэффициентом отношения рециркуляции (R)

(10)

Указанные коэффициенты связаны между собой

(11) (12)

Вообще рециркуляция - это единое средство увеличения степени превращения исходного сырья в случае, если все другие известные средства (создание определенного температурного режима, применение давления и катализатора и т.п.) уже использованы. Наглядными примерами таких процессов являются производства метанола, аммиака.

Перекрестный ТС заключается в том, что через элемент ХТС одновременно проходят два или больше технологических потоков, которые непосредственно не контактируют, т.е. не смешиваются. Применяется этот ТС для эффективного использования энергии в ХТС, в частности для утилизации теплоты, аккумулированной технологическим потоком (рис. 11).

Холодное сырье проходит трубным пространством элемента теплообмена (1), где нагревается теплотой горячих продуктов реакции, которые двигаются по межтрубному пространству, а значит, с необходимой температурой поступает в элемент химического превращения (2), в котором проходит экзотермическая реакция. Теплота, которая выделяется при этом, используется для нагревания свежего потока сырья.

Характерным примером такой ТС есть утилизация теплоты газов, которые образовываются при контактном окислении SО₂ до SО₃, для нагревания серы (IV) оксида, который поступает в контактный аппарат, до температуры зажигания катализатора.

Перекрестная ТС также дает возможность использовать энергию потоков, которые перемещаются под высоким давлением (рис. 11,в). Например, в насадочный абсорбер (1), который работает при повышенном давлении, насосом (2) нагнетается жидкость (абсорбент). На выходе из абсорбера (1) жидкость двигается под давлением, но немного меньшим, чем давление в абсорбере, так как часть энергии жидкофазного потока израсходовалась на преодоление сопротивлений насадки, трубопроводов и т.п.. Попадая на колесо турбины (3), жидкость вращает его, а поскольку оно расположено на одном с насосом вале, то приводит последний в действие. Потеря энергии жидкостным потоком компенсируется работой электродвигателя (4). Использование перекрестной ТС дает возможность создать замкнутую по энергии ХТС.

Рис.11. Схемы перекрестных ТС: утилизация теплоты (а, б): а - операторная; б ~ технологическая; использование энергии потоков под высоким давлением (в): 1 -реактор; 2 - теплообменник; 3 - абсорбер; 4 - насос; 5 - турбина; 6- двигатель

Приведенные выше типичные технологические связи между элементами или подсистемами дают возможность создать любую ХТС.

Если во время синтеза ХТС использовано несколько типов ТС, то такая система характеризуется сложной (комбинированной) технологической связью. В современных ХТС ТС являются, преимущественно, комбинированными.

Как отмечалось выше, ТС связывают не только элементы, но и подсистемы. В отдельных подсистемах могут быть реализованы параллельные, обратные и другие виды ТС, а между собой подсистемы связаны последовательной технологической связью. Итак, структура ТС современной ХТС очень похожа на компьютерную программу, которая может содержать подпрограммы, созданные по другому принципу объединения команд. Примером комбинированной структуры ТС ХТС есть синтез аммиака. В этой ХТС основной ТС является обратная с полным рециклом, которая охватывает последовательные и перекрестные технологический связи.

По особенностям структуры технологических потоков в ХТС различают разомкнутые (открытые) и замкнутые системы.

Технологическая структура разомкнутых ХТС обеспечивает прохождение технологическими потоками любого элемента лишь один раз. Она образовывается в случае применения отдельной ТС или объединение многих ТС (последовательной, параллельной или последовательно-обводной). Если технологическая структура системы содержит хотя бы одну обратную ТС, то она принадлежит к замкнутым ХТС.