1. Химико-технологическая система как объект проектирования

Как уже отмечалось выше, ХТС являются структурно сложными объектами, состоящими из различных химико-технологических процессов, в каждом из которых происходят различные физико-химические преобразования.

Для получения из исходного сырья готовой продукции необходимо выбрать необходимые процессы (смешение, нагревание, химические реакции, разделение смеси и т.п.) и объединить их с помощью технологических потоков в технологическую схему химического производства, т.е. синтезировать ХТС. После синтеза структуры ХТС приступают к построению ее математической модели.

Математическая модель ХТС представляет собой систему уравнений математического описания, отражающих сущность явлений, протекающих в объекте моделирования, которая с помощью определенного алгоритма позволяет прогнозировать поведение объекта при изменении входных и управляющих параметров. Условное изображение ХТС с основными группами параметров представлено на рис. 9.2.

Рисунок 9.2 – Структура ХТС с основными группами параметров

Под входными параметрами обычно подразумеваются параметры, значения которых могут быть измерены, но возможность воздействия на них отсутствует, например, состав потоков исходного сырья.

Под управляющими понимают параметры, на которые можно воздействовать в соответствии с необходимостью управления процессами. Такими параметрами обычно являются расход сырья или энергоресурсов, температура, давление и т.д.

К выходным параметрам обычно относят характеристики получаемых продуктов (расход, состав, температура, давление и др.).

Математическая модель позволяет прогнозировать поведение ХТС. С помощью математической модели можно рассчитать значения расходов, составов, температур и других параметров продуктов. Она также позволяет рассчитывать геометрические размеры машин и аппаратов, прогнозировать расход сырьевых и энергетических ресурсов.

Более подробно вопросы анализа, синтеза, оптимизации и эксплуатации ХТС рассматриваются в специальных учебных дисциплинах. Мы же рассмотрим только основы проектирования ХТС.

2. 

   Рисунок 9.3 – «Луковичная» диаграмма

   Методика проектирования ресурсо- и энергосберегающих ХТС. «Луковичная» диаграмма

Ввиду большой сложности процедура системного проектирования ХТС не может быть проведена в один этап. Поэтому для проектирования сложных ХТС разработана определенная последовательность этапов проектирования, представляющая собой последовательную многоступенчатую процедуру, которую часто сравнивают с луковицей, также имеющей сложную слоистую структуру.

«Луковичная» диаграмма, (рис. 9.3) разработанная Линнхоффом (Манчестерский институт науки и технологии) изображает иерархию проектирования химико-технологического процесса.

Рисунок 9.4 – Схема потоков реактора: С – сырье; П – продукт

В большинстве ХТС для физико-химического преобразования потоков исходного сырья в товарный продукт используют химические реакторы, с рассмотрения которых начинается проектирование. Они же и формируют внутренний круг «луковичной» диаграммы (рис. 9.4).

Основными этапами проектирования реакторов в ХТС являются:

1) выбор маршрутов химического синтеза молекул заданного целевого продукта с учетом сырья и известных химических реакций;

2) выбор типа и конструкции реактора:

– непрерывного или периодического действия;

– емкостные или трубчатые реакторы;

– изотермические, адиабатические или политропические реакторы;

3) выбор структуры реакторной подсистемы:

– одиночный реактор;

– реакторы, соединенные параллельно или последовательно;

– реакторная система с рециклом или без него;

4) расчет технологических показателей эффективности каждого реактора и реакторной системы в целом:

– степени превращения;

– селективности;

– выхода продукта.

При расчете и оптимизации реакторной подсистемы можно использовать модели реакторов идеального смешения, идеального вытеснения, модели с перемешиванием и модели каскадов реакторов.

В результате выполнения проекта системы химических реакторов становятся известными такие величины как выход конечного продукта и выход непрореагировавших веществ, которые являются исходными данными для проектирования системы разделения и системы рециркуляции непрореагировавшего вещества. Следовательно, после проектирования реакторов следует проектирование систем разделения и рециркуляции, которые представляют собой второй слой луковичной диаграммы (рис. 9.5).

Рисунок 9.5 – Схема системы разделения

Рисунок 9.6 – Система теплообмена: О – охлаждение; Н – нагревание

После выполнения проекта системы химических реакторов становятся известными материальный и энергетический балансы процесса, на основании которых мы можем проектировать систему теплообмена, чтобы достичь требуемых в ХТС температур технологических потоков (рис. 9.6). Таким образом, проектирование теплообменной системы является третьим слоем луковичной диаграммы.

Как видно из рис. 9.6, часть требуемой тепловой нагрузки ХТС можно обеспечить за счет рекуперации теплоты технологических потоков. Оставшаяся часть тепловой нагрузки требует подвода внешних источников энергии, например, греющего пара, необходимого для подогрева смеси в кубе колонны, или охлаждающей воды для конденсации пара дистиллята.

После того, как выполнен проект теплообменной системы процесса, становятся известными параметры внешних энергоносителей, необходимые для достижения поставленных перед ХТС целей. Эти параметры становятся исходными для проектирования системы внешних энергоисточников и энергоносителей. Проектирование этой системы является четвертым этапом всей процедуры проектирования, а сама система – четвертым слоем луковичной диаграммы (рис. 9.7).

Следуют еще раз подчеркнуть, что все этапы и процедуры проектирования ХТС взаимосвязаны и взаимообусловлены.

Рисунок 9.7 – Схема процесса и системы теплообмена

Рисунок 9.8 – Модификация системы реактор – разделение

Рассмотрим, например, два центральных слоя луковичной диаграммы, которые определяют реакторную систему и систему разделения, (рис. 9.8).

Если мы будем рассматривать изменения в процессе, протекающем в химическом реакторе таким образом, что будет увеличиваться степень превращения исходного сырья, то это приведет к увеличению выхода продукта, меньшим затратам на разделение, уменьшению потока рециркуляции и к снижению общей стоимости проекта. Следовательно, перед началом проектирования теплообменной системы мы будем иметь лучшую структуру ХТС (следует отметить, что возможно и обратное влияние). Таким образом, изменения в процессе вызывают изменения в теплообменной системе и в количестве потребляемых внешних энергоносителей.

Аналогично изменения в теплообменной системе будут вызывать изменения и в химическом процессе, и в требованиях к внешним энергоносителям (рис. 9.9).

Рассмотрим пример улучшения проекта с помощью пинч-анализа. На рис. 9.10, апредставлена основная часть взаимодействующих потоков некоторого химического процесса, спроектированная без использования методов пинч-анализа.

Рисунок 9.9 – Проектное взаимодействие между слоями луковичной диаграммы

Процесс простой и имеет только три технологических потока (питание реактора, продукты реакторного взаимодействия и продукты системы разделения), которые могут участвовать в теплообмене друг с другом. В этой системе потребляется 1722 единицы тепловой энергии в виде пара, который используют в качестве горячего теплоносителя, а 654 единицы тепловой энергии передается холодному теплоносителю, в данном случае охлаждающей воде. Теплообменная сеть состоит из шести теплообменников: трех рекуперативных, двух подогревателей и одного охладителя.

Рисунок 9.10 – Схема технологического процесса: а– до реконструкции;б– после реконструкции

Поскольку методы пинч-анализа позволяют устанавливать цели проектирования (оптимальные значения выбранных целевых функций) еще до создания проекта теплообменной системы, выберем в качестве таковых:

– число теплообменников в системе;

– общую поверхность теплообмена;

– параметры потребляемых энергоносителей.

Результат проектирования системы с использованием пинч-анализа представлен на рис. 9.10, б.

В итоге из исходного проекта было полностью исключено использование охлаждающей воды, потребление энергии снижено на 38 %, число теплообменников сократилось вдвое, а их общая поверхность теплообмена уменьшена на 15 %.

В заключение отметим применимость методов пинч-анализа и те улучшения, которые позволяет сделать интеграция процесса:

1) качественное улучшение процесса проектирования;

2) снижения затрат на энергоносители;

3) уменьшение выбросов вредных веществ в окружающую среду;

4) снижение капитальных затрат;

5) увеличение производительности производства;

6) применимость для всех производственных процессов;

7) использование как для новых проектов, так и для реконструкции действующих предприятий.