охт (6sem) / методички митхт / хтс

выходят, а второй - в которую входят. Если потоков несколько,

вводпгся 'lpетий индекс, характеризующий номер потока. Окру­

жающая среда принимается за нулевую вершину, и на граф-схеме

должны быть отражены дуги, отвечающие внешним связям систе­

мы.

Глава 4. КЛАССИФИКАЦИЯ химико- .

ТЕХНОЛОГИЧЕМКИХСИСТЕМ.

для того, чтобы выявить общие свойства различиых ХТС их

необходимо классифшщрова1Ъ.

Единой общепринятой классификации ХТС в настоящее вре­ мя не существует. При их разработке мqжно классифш.щровать ХТС по следующим признакам.

1. По типу функционирования во времени разJШЧают пе­

риодические, непрерывные, непрерьmно-циклические и гибкие

хтс. Периодической называется система, ,потоки В которой пе­

риодически превращаются в нуш. Непрерывной является система

с непрек:ращающимися во времени количествами потока. Непре­

рьmно-цнюшческие системы в целом работают в непреръшном ре­

жиме, но с циклически изменяющимися (количествеmю и качест­

вешю) потоками. Гибкими называются быстро перестраиваемые

системы в соответствии с внешними или внутренними возмуще-

ниями.

2. По структуре ХТС условно можно разделить на системы с

OTh-рытой цепью и замкнутые. Системы с открытой цепью состоят

33

www.mitht.ru/e-library

из элементов и подсистем, через которые потоки проходят лишь

один раз. ОНИ характеризуются наличием последовательных, па­

раЛЛСJThНЫХ, бaйJIасных и JlepeкpeC'IHblX связей. Как правюю, эти

системы характеризуются высокой степенью превращения исход­

ных веществ. 3амкнугыми называются системы, содержащие хотя

бы одну обраrnyю связь по потоку сырья или энергии (рецикл). В

зависимости от I<ОJШЧества рециклов системы могут быть одно­

I<оIпурны и или мноroкотурными.

3. По направлению потоков системы делят на четыре груп­

пы: прямоточные, противоточные, с перекрестныIM током и сме­

шаннъlе. Прямоток характеризуется однонаправленнOOIblC' иотоков

в системе; при противотоке направления потоков проmвоположны

друг другу. В смешанном варианте в системе в целом реализуется

противоток, а в отдельных, 3.IП1аратах ПРЯМОТОI<. Иногда·в системах

реализуется перекреС1Ная подача реагентов, когда оДIШ компонент

подается сruюшным потоком, а второй порционно, перпендику­

лярно ему от секции к секции.

rлава 5. ДИНАМИКА химико­ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТt:М.

Динамичность, т. е. функционирование во времени, является

одним из основных признаков больших систем.

Периодические системы характеризуются прерываемыми во

времени потоками. ПРОДОЛЖIПeJThНОС'lЪ цикла функционирования

ХТС складъmается из времени: загрузки, работы, выгрузки и под-

34

www.mitht.ru/e-library

готовки к следующему циклу. Orсюда ясно, что для периодиче­

ских процессов характерна существенная нестационарность ХТП и

циклический характер работы оборудования. Получение целевого

продукта состоит из отдельных, обособленных во времени и про­

странстве стадий.

Преимуществами периодических систем являются:

-простота сиcreмы~

-возможность универсальноro использования обору-

дования;

-большая гибкость в плане подбора оптимальных ус­

ловий и корректировки технологических параметров;

-вЫсокая мобильность систем, благодаря, отсyrствшо

жеCТI<ИX. связей, что позволяет организовъmать mбкие

сиcreмы~

Недостатками периодических систем являются:

- фактические простои во время загрузки, выгрузки и

ПОдгоТОвки к следующему цихлу;

- низкий КОЭФФlЩИенr использования оборудования, т.

е. малая производительность;

- в связи снестационарностью mпeнсивные параметры

процессов меняются по сложным законам, что за­

трущет их автомз:гизацию и приводит к большому

количеству ручноro труда;

Из свойств периодических систем ВО3ЮIКaIOТ области их

применения. Это, прежде всего, малОТОlШзжные ПРОИЗВОДС11Jа и

системы с переменным ассортиментом продуктов. Мало освоен-

35

www.mitht.ru/e-library

ные производства также на первом этапе организуются по перио­

дическому варианту, в том числе на стадии опытно­

промышленной проверки метода, так же, как. и процессы, тре­

бующие тонкого регулирования качества llРОДУКТОВ: биохимиче­ ские, фармацевтические производства; коксохимические батареи.

Периодический процесс целесообразен в том случае, если

скорость основного превращения мала И, следовательно, время

для его проведения велико. Тогда продолжительность процеССОБ

загрузки, выгрузки и подготовки к следующему циклу не очень

заметно отражается на производительности системы. Подобная

ситуация наблюдается в некоторых биотехнологичеСIШХ .лроцес­

сах.

Непрерывные ХТС характеризуются непрерывной подачей

реагентов, непрерывным транспортом промежуточных реагентов

внутри системы и непрерывной выдачей продукта. Наиболее ха­

рактерным вариантом непрерывных процессов является стацио­

нарный режим, когда величины потоков постоянны и не зависят

от времени. Возможность длительного поддержания стационарно­

го состояния во всех элементах является основным преимущест­

вом непрерывных хтс. Это обеспечивает максимальную произ­

водительность системы при минимальных затратах на автомати­

зацию.

Основными преимуществами непрерывного производства

являются:

- большие количества продукта с единицы объема аппарата;

36

www.mitht.ru/e-library

-исключение потерь теплоты на периодические процессы

нагревания;

-

-

большая однородност}, продукта;

простота контроля и автоматизации.

Непрерывно-циклическими называют ХТС, в которых по­

стоянны во времени входы и выходы потоков в системе, а также ее

структура в целом. Циклически изменяются во времени лишь пере­

менные в некоторых ее подсистемах и структура этих подсистем.

Примером могут служить абсорбционные установки, в которых ус­

танавливаются Два последовательных абсорбера. В первом цикле

абсорбция протекает в первом абсорбере, в то время, как второй аб­

сорбер регенерируется; во втором цикле первый абсорбер ставится

на регенерацию, а абсорбция проводится в отрегенерированном

втором абсорбере.

Таким образом, каждый абсорбер работает периодически, а

система в целом - непрерывно.

Внепрерывно-циклическом режиме могут быть организованы

ипроизводства химических продуктов. Примером может служить

процесс получения бутадиена одностадийным дегидрированием бу­

тана (процесс Гудри).

Реакторная подсистема этой ХТС приведена на рис. 5.1.

Процесс дегидрирования:

С41I,о - t С4Н6 + 2Н2

дН > О

проводят на алюмохромовом катализаторе при темпера1)'ре 6000С и

давлении 0,15-0,20 МПа. В этих условиях происходит сильное от-

37

www.mitht.ru/e-library

ложение кокса на катализаторе, что требует его частой p~гeHepa­

ции.

8lJзiу~

Рис. 5.]. Реакционный узел одностадийного дегидрирования

парафинов в диены: 1 - реакторы; 2 - RО-ТЛЫ­

утилизаторы.

Реакционная подсистема состоит из нескольких (5 - 8) реакто­

ров, заполненных катализатором, каждый из которых работает в

периодическом режиме. Общий цикл работы реактора составляет

20 мин.: дегидрирование (8-9 мин.) -+ регенерация катализатора го­

рячим воздухом (до 6000С) -+ удаление газов регенерации. Подача

сырья и вывод продуктов в подсистеме в целом осуществляется не­

прерывно благодаря автоматическому переключению реакторов:

когда в одном реакторе - дегидрирование, в другом - регенерация и

т.д.

Аналогичным образом организуется и производст~о изопрена

дегидрированием изопентана.

Гибкие хтс. Потребность в организации гибких ХТС появи­ лась в связи с непрерывным ростом количества новых функцио-

38

www.mitht.ru/e-library

НiJЛЬНЫХ химических продуктов (производимых, как правило, в не­

больших масштаб3.,<) при uдновременном увеличении «времени

жизни» оборудования на базе современного уровня технического

прогресса. Снижать ресурсы оборудования не имело смысла, неuб­

ходи~ю бы.'IО его универсально использовать.

Наибольшее распространение гибкие систеМ~I получили в ма­

лотоннажной химии, которая в настоящее время объединяет произ­

водства громадного числа ПРОДУКТОВ и матеРИ3.'10В (неСI<ОПЬКО де­

сятков тысяч). Это - химические реактивы, лакокрасочные мате­

риалы, химика-фармацевтические препараты, пестициды, сорбен­

ты, катализаторы, ингибиторы, ПРИС3,J."{ки, стабилизаторы и др.

Особенностыо «малой» химии является быстрое удовлетворе­

ние потребности в высококачественных продуктах сложного соста­

ва в сравнительно небольших количествах.

Гибкой называется технологическая система, способная быст­

ро перестраиваться необходимым образом в условиях внутренних и

внешних возмущений. В данном случае речь идет не об устойчиво­

сти систем в связи со случайными изменениями параметров, а о це­

ленаправленном изменении входных (сырье, энергия) и выходных

(продукт) потоков при соответствующем изменении внутрисистем­

ных параметров. Чем шире допустимый диапазон изменений, тем

более гибкой считается система. Гибкие ХТС МOfут функциониро­

вать как в периодическом, так и в непрерывном режимах. При этом

ХТС, наряду с минимальной КОНСТРУКIIИОННОЙ избыточностью (по

аппаратуре, коммуникациям, арматуре) должна обеспечивать функ­

циональную избыточность.

39

www.mitht.ru/e-library

При разработке структуры гибких систем осущеt.:твляется

блочно-модульный подход: каждый МОдуЛЬпредназначается Д,'IЯ

осуществления соответствующего проuесса. В состав модуля ВХО-

лят не только основные, но и вспомогательные элементы, а из мо­

дулей, представляющих собой соответствующую подсистему, фор­

мируется гибкая, периодическая Х"гс.

Между модулями не существует жестких связей. Они легко трансформируются, что способствует организации гибкой система.

Она может иметь жесткую структуру, когда с помощью одних и тех

же модулей получают родственные по Свойствам и способам полу­

чения продукты (например, соли в технологии реактивов), или эле­

мекгы модулей остаются теми же самыми, а связи между ними ме­

няются путем переключения через коммуникации. ПОСI<ОJThКУ гиб­

кие ХТС упрощают процесс расширения ассорТИмt:lfI<l продуктов,

их разработка особенно актуальна в условиях рыночных отноше­

ний. Например, в наСТОSIЩее время разработана гибкая технология

производства некоторых видов удобрений, разрабатываются систе­

мы производства метанола и аммиака в единой хтс.

Глава 6. СТРУКТУРА ХИМИКО­

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ.

6.1 Типы связей.

CTPYh.-ryра :\jC - совокупность элементов и связей между

ними. Взаимодействие отдельных элементов и подсистем ХТС If

внешней среды, без которых не может происходить целенаправлен-

40

www.mitht.ru/e-library

ное функционирование хтс, осуществляется благодаря наличию

между ними определенной системы технологических связей, каж­

дой из которых СООТВе1'ствует некоторый материальный или энер­

гетический поток, называемый технологическим,

ДЛЯ ХТС характерны СJlеЛ,УlOщие типы технологических свя-

зей:

-последовательные;

-последовательно-обводные (байпасы);

-

-

параллельны~~

перекрестные;

- обратные (рециклы),

Последовательная технологическая связь: выходящий ю од-

но1'о элемента ПОТОК является входящим для следующего элемента,

а все они проходят через каждый элемент системы не более одного

раза (рис. 6.1).

ЮJI-У_l_Х~{-2 tY-_2-Х""Ч'--i_з--,1\0

Рис. 6.1. ПоследоваТСJThИЭЯ связь: Хо, УОобщие вход и вы­

ход системы.

эта связь применяется ДJlЯ увеличения степени использования

сырья (каскад реакторов), для'улучшения эффективности массооб­

менных а.rшаратов (последовательная цепочка абсорберов юи рек­

тификационных КОЛОШl).

41

www.mitht.ru/e-library

Последоваmельно-обводная связь (байпас) npедставлена на

рис. 6.2 и является усложненным вариантом последовательной свя­

зи: поток разделяется и часть его проходит мимо аппарата (или

группы аппараroв).

2 j'j 1<------>3~

Рис. 6.2. БaйIIасное ВКJПOчение.

Величина бaйJIаса характеризуется оmошением:

Х.

_ 6 =6айnас

,'(о

Следует подчеркнуп>, что направления главного и побочного

(баЙIlасного) потоков совпадают, что позволяет отнести системы с

байпасом к разомкнуrым.

Основное применение байпасов - регулирование температуры

н адиабатических реакторах с экзo-reрмической реакцией (синтез

метанола, аммиака), а также могут использоваться для повышения

гибкости хтс.

Следует иметь в ВИДУ, что разделение потоt<а приводит к уве­

личеншо времени пребывания реагентов в элементе 2, а также рос­

ту интенсивности процесса в элементе З. это может привести как к

42

www.mitht.ru/e-library