охт (6sem) / методички митхт / хтс
.pdfУстойчивость систем тесно связана с их чувствитеЛЬНОСThЮ.
Чувствительность ХТС к внешним и внутренним возмуще
ниям (воздействиям) - это способность системы реагировать на
них, Т.е.изменять парамe"IРЫ состояния.
Желательно, чтобы система была малочувствительна к воз
мущениям.
Паршnеmpическая чувствительность - зто чувствитель
ность режима процесса к незначительным изменениям его· пара
метров: например, небольшие изменения температуры на входе в
реактор MOгyr привести к скачкообразному измененmo температу
ры в реакторе.
Если чувствительность по данному параметру очень мала, ТО
им нельзя пользоваться для управления процессом. Если же она
велика, то процесс становится трудноуправляемым. При этом даже
небольшие колебания данного параметра ПРИВОДЯТ к резким коле
баниям режима.
Параметрическая чувствительность или восприимчивость
процесса к возмущениям может существешю зависеть ОТ диапазо
на, в котором будут npоисходитъ колеБЗIШЯ отдельных параметров.
Рассмотрим систему реактор - теплообмеlШИК. На рис. 2.3
показаны два случая: положение А, в котором случайное изменение
температуры охлаждающего агента в определt!нных граюш.ах поч
ти не влияет на производительность реактора, и положение В, в ко- .
тором эффективность превращен:ия очень чувствительна к измене
нию температуры хладагента (хотя диапазон изменений ТОТ же, но
лежит в области более высоких температур).
23
www.mitht.ru/e-library
100
о |
. |
Температура охлаждающего агента
Рис. 2.3. Чувствительность производительности реактора в за
висимости от области изменения темпера1УРЫ охла
ждающего агента., ПОC1)1Iающего в теплообмешшк.
Чтобы преДВИДе1Ъ такие сmyации, при разработке ХТС необ
ходимо определить чувствительность процесса к изменениям ОТ
дельных параметров и, кроме того, оценить вероятность того, что
параметр может подвергаться случайным изменениям в каких-то
пределах. При этом уточняются граничные условия процесса.
2.3. Критерии оценки эффективности хтс.
Оценхой качества функционирования системы служит ее эф
фективность, характеризующая:ся оmоmением целевых конечных
результатов к ресурсам (материальным и энергетическим), затра
ченным для получения этих результатов. Каждая C1)1IeНb иерархии
ХТС характеризуется своими показателями эффективности. для
реакторной подсистемы это: степень превращения сырья, выход
ПРОДуКТа селеJCfИВ}lОСТЬ для каЖдОГО элемента.хте существ}'JOТ
24
www.mitht.ru/e-library
соотвегствующие технологические критерии: степени разделения,
коэффициенты извлечения, коэффmщеlПЫ полезного действия и т.
п. Эффективность функционирования ХТС не является аддитив
ной функцией оrnимальных показателей эффективности состав
ляющих ее подсистем и элемсJЛ'OВ.
Показателями эффективности отделъных цехов являются рас
ходные коэффшщен'Iы по сырью, ТОШIИВУ, электроэнергии., грею
щему пару, охлаждающей воде в натуральных единидах (например,
в тоннах сырья на тонну пропукпии).
Расходные коэффициенты в значительной степснu характери
зуют совершенство фушщионирования технологического произ
водства и определяют его экономику. Чем БЛУ'"JКе расходные коэф
ФlЩИенты к теоретическим, тем совершеннее npоизводство и выше
его экономические показатели,
На уровне хте в целом критерием оценки ее эффективности
являются экономические показатели, такие как: производитеJTh
ность, себестоимость продукции, npиведенные затраты, ФОНДОЗа1-
ращ npибьшь, рентабельность и т. д. Наиболее универсальным
обобщенным критерием является Т. н. «npиведеШIЫЙ доход» ДОр:
д", =iц;в; -з~ -Е!{/ |
(руб/год), (2.1) |
1-1 |
|
где Ц; - цена i-гo продукга с учетом его качества и дефmurrности;
В; - годовой объем вьтуска этого продукта;
n- общее число продуктов в системе;
3э - суммарные эксплуатационные затраты за год;
25
www.mitht.ru/e-library
Е - нормашвный КОЭффIЩИент экономическuй эффективно
сти кarurrаловложеlIИЙ (величина, обраmая сроку oкynaeMocт),
roд-I;
К, - производственные фонды, Т.е. единовременные затраты.
На уровне npoектировaIШЯ х'Тс при заданном объеме произ
водства В сравнеlШе эффективности различных апътернапmных вариантов npоводится по минимуму npиведеШIЫX затрат 3nр:
Зnр:: 3э+ E'Kt |
(руб./roд) |
(2.2) |
При эксплуатации действующих хгс, когда капитальные
вложения кt в да.тIЬнеЙIIlсе e~o развкrие шш другие единовремен
ные затраты не варьируются, иск.'noчается последний член уравне
lШЯ (2.2} ЕК! и получается частный показатель - прибыль П'
П = -Iц;. в. -Зj
.ic( |
(2.3) |
Поскольку эксплуатационные затраты являются в данном
случае синонимом себестоимости продукцни, то она также являет
ся критерием оценки эффективности фymщиОIШРОВания ХТС на
определенной ступени иерархии.
Следует иметь в ВИДУ, что экономические критерии так же,
как и многие технологические, .имеют компромиссный характер.
Например, в боЛЬПIинстве случаев режимы, обеспечивающие ми-'
н:имум себестоимости и режим максимальной производительности,
не совпадают, а иногда и противоречат друг другу. Обобщенный
экономический показатель Dnp позволяет не только учеС1Ъ различ-
26
www.mitht.ru/e-library
ные аспекты экономической эффективности, но и сопоставить ВЫ
игрьШl за счет улучшения одних показателей с проигрыmем за счет
)'Х)'Дшения других. Кроме того, можно показать, что этот критерий
ВКJПOчает возможность оценки всех требований, предъявляемых к
совремешrым ХТС. Так, есJШ уменьшение отходов в процессе
функционирования ХТС достигается за счег увеличения степени
использования сырья или повьппения: селективности процесса, мо
гут несколько увеJШЧИТЬСЯ эксплуатационные затраты (или оста
нутся неюменными), а если потребуется строительство очистных
сооружений, то возрастут и кaпиraлъные, и эксrmyатациоиные за
траты, что резко уменьшит доходность преддриятия. Orсюда SlCHO,
что не только с технологических, но и с экономических позиuий
наиболее целесообразным направлением является совершеНС1Вова
ние ХТС и создание безотходных производств. Поэтому ЭТОТ кри
терий в настоящее время является основным при оптимизации
хтс.
Глава 3. ИЗОБРАЖЕНИЕХИМИКО
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХСИСТЕМ
для изображ~ния ХТС используются различные rpафические
иматеМа7ИЧеские модели.
Вкаче(..'ТВе первого уровня наглядного изображеЮIЯ xIC по
сле разработки химической КОIЩепции метода является Ф.vнкцuо
нальнilЯ схема системы. Она показывает, какие технологические
27
www.mitht.ru/e-library
операции и в какой последовательности необходимо осуществить
для реалюации разработd.ННОГО химического процесса в промыш
ленном масштабе.
Приведенная в главе 2 триада химического производств(!
представляет собой обобщеlШУЮ функциональную схему, которая
детализируется пугем представления к&ждого макроблока в ВИ,.l1,е
совокупности блоков, отвечающих определенным операциям (т, е.
«функциям» - откуда и назВЗiПIе схемы). Например, подготовка
сырья может быть представлена последовательными блоками: из
мельчения, рассева, смешения, нагрева; хюшческое npeврашенне
может ВКinoчатъ разложение руды, экстракцию, синтез; раздеllение
- ректификация, конденсaI.UfЯ и сепарация, фильтрация, uентрифу
гирование и т. п.
Такая схема позволяет получить общее представление о ХТС .
иявляется предпосылкой для аппаратурного оформления системы
иразработки технологической схемы.
Технологическая схема ХТС дает наиболее ПОJПюе качест
веююе представлеlШе об ее организации. Каждый аппарат на ней
представляется в виде условного стандартного изображения, а по
токи (связи) - стрелками, соответствующими их иanpавленmo. Со
отношение размеров arшаратов и расположение их на схеме соот
ветствует реальному. При ЭТОМ приводится сmщифи:кация обору
дования. Иногда на этих схемах дастся информanия о составе по
токов и технологических параметрах процесса, а также приво.дится
схема автомз-тческого контроля и регуJШPОВания.
28
www.mitht.ru/e-library
Эти схемы нагЛЯДНЫ и широко используются как на стадия
проектирования, так и при эксrmyатauии ХТС
Операторная схема представляет собой совокупность техно
логических операторов. Технологический оператор - символ arnIа
ратов как элеменroв системы, в которых происходит качественное
ИJШ (и) количественное npеобразование параметров потоков в ре
зультате протекания в них химических или физико-химических
процессов. Любой nmовой процесс химической технологии можно
считать пmовым технологическим оператором. Операторы подраз
деляются на две гpyrmbl: основные и вспомогательные. Основные
это технологические операторы химического превращения, меж
фазного массообмена, смешения и разделения (рис.3.1). ОlШ обес
печивают функционирование ХТС в требуемом целевом направле
нии.
а |
б |
в |
г |
Рис. 3.l. Основные теХНОЛОl'Ические операторы ХТС: а - химиче
ского npевращения; б - межфазного массообмена; в -
смешения; г - разделения.
BCIIOMOraтeJIЬHble ТШ10вые операторы (рис. 3.2) используют
для ОlШсюшя изменений энергетического и фазового состояний
технологических потоков. К ним относятся операторы нагрева
29
www.mitht.ru/e-library
или охлажпешiЯ, сжатия или расширеюiЯ и изменения агрегат
ного (фазового) состояния вещества.
Типовой технологический оператор изменения агрегатного
состояния вещества соответствует физическим явлениям - конден
сации, испарения, растворения и т. п.
а б в
Рис. 3.2. Вспомогательные технологические опсраторьi ХТС:а -
нагрева или охлаждения; б - сжатия или расширения; в
изменения агрегатного состояния.
Типовой технологический оператор изменения агрегатного
состояния вещества соответствует физическим явлениям - конден
сации, испарения, растворения и т. п.
Классическая триада химического производства в виде оле
раторной схемы будет вьп'ЛЯДеть соответствешю рис. 3.3.
а |
б |
в |
Рис. 3.3. Операторная схема системы: а - подготовка сырья, б - химическое прсвращение, в - разделение.
30
www.mitht.ru/e-library
Эти схемы широко применяются при автоматизации химиче
ских производств.
Дальнейшая формализация технологической схемы приводит
к созданию структурных схем.
Структурная схема ХТС представляет собой совокупность безымянных пронумерованных блоков и связей между ними, ука
зывающих направление движения материальных или энергетиче
ских потоков (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Структурная схема.
Эта схема практически не дает информации ни об элементах системы, ии о составе потоков. Она используется в работах, свя
занных с математическим модеЛИРОRанием и машшmыми расчета
михтс.
Количественное описание хте дают математические модели.
Математическая модель ХТС представляет собой совокупность
математических моделей элементов (подсистем) и уравнений свя
зей Между ними.
Математич~ские модеJПI делятся на СИМВOJшческие и rpафи
ческие. СИМВОJШЧеские (анaлиrические) модели представляют со
вокупность, математических соотношений: формул, уравнений,
31
www.mitht.ru/e-library
неравенств, описъmающих отдельные элементы системы, связи
между ними и соответствующие ограничения.'
В качестве примера графической математической модели может служить схема-граф потоков. Под ориентированным графом понимают геометрическую фшуру на плоскости, состоящую из множества вершин и связьmающих ориенrированных дуг. Граф может быть составлен по ПОТОКам массыотдельнъlмM KOМnOHeнraм,
энергШl. для расчета материальных балансов хте используют ма
териальный потоковый граф - направленный граф, верппrnы кото
рого соответствуют элементам (подсистемам) хте, а дуги отвеча
ют материальным потокам и устанавтmщот связь между верши
нами (рис. 3.5). На дуге ПОТОl(· неизменен: все изменеlШЯ сосТава
или количества вещества относят к верппrnам графа.
31
Рис. 3.5. Схема-граф потоков.
Если составляется граф материальных потuков, ддя его изо
бражения берут только те элементы, в которых происходят изме
нения массы потока. Вершины нумеруются последователъно, а ду
ги двузначно, обозначая первой цифрой вершину, и3 которой они
32
www.mitht.ru/e-library