Файл: Кафаров, В. В. Принципы математического моделирования химико-технологических систем (введение в системотехнику химических производств) учеб. пособие.pdf

ВВЕДЕНИЕ

Современный технический прогресс в химической, нефтепере­ рабатывающей, нефтехимической и смежных отраслях промышлен­ ности связан с созданием новых высокоинтенсивных технологиче­ ских процессов, агрегатов большой единичной мощности и ре­ конструкцией действующих предприятий с целью оптимизации технологических процессов.

В связи с этим в химической технологии возникли принципи­ ально новые научно-технические задачи: 1) обеспечение работы хи­ мических производств и агрегатов в оптимальном режиме по эко­ номическим и энерго-технологическим показателям; 2) передача функций управления самому агрегату через организацию материаль­ ных и энергетических потоков в агрегате, т. е. агрегат должен быть кибернетически организован; 3) обеспечение надежности функци­ онирования химического производства и агрегата; 4) проблема оптимальной предельной мощности агрегата как энерго-технологи­ ческого комплекса; 5) создание резервов последующей переработки промежуточных продуктов и их хранение.

Ключом к решению перечисленных задач является создание на­ учно обоснованной теории анализа и синтеза химико-технологиче­ ских систем (ХТС), представляющих собой совокупность процессов и аппаратов производства или цеха химического либо нефтехими­ ческого предприятия.

При рассмотрении любой ХТС всегда обнаруживается функцио­ нальная взаимосвязь аппаратов. Так, например, в ХТС, включа­ ющей реактор и аппарат разделения, реактор, который обеспечивает высокую степень превращения исходных продуктов, облегчает работу аппарата разделения. Однако работа реактора с низкой сте­ пенью превращения в ХТС может быть компенсирована за счет ин­ тенсификации процесса выделения целевого продукта. Следовательно, существует компромиссный вариант в выборе оборудования и режи­ мов работы аппаратов ХТС. Аналогично в ХТС существует связь, например, между абсорбером и ректификационной колонной: более интенсивно действующий абсорбер обусловливает меньшие требо­ вания к ректификации по сравнению с абсорбцией.

9

Г Л А В А I

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1. ПОНЯТИЕ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ (ХТС)

Любое химическое производство представляет собой совокуп­ ность большого числа взаимосвязанных технологических аппаратов, предназначенных для выполнения требуемого физико-химического преобразования исходного сырья. Исследование и оптимизация не отдельных аппаратов, а всей совокупности аппаратов химического производства или технологического цеха позволяют получить наи­ больший экономический эффект, так как оптимальные значения критерия функционирования всего производства не являются адди­ тивными функциями оптимальных значений критериев функциони­ рования каждого аппарата. Отдельные технологические цехи и хи­ мические производства представляют собой сложные химико-тех­ нологические системы.

Химико-технологическая система (ХТС) — это совокупность вза­ имосвязанных технологическими потоками и действующих как одно целое аппаратов, в которых осуществляется определенная по­ следовательность технологических операций (подготовка сырья, собственно химическое превращение и выделение целевых продуктов). Как любая сложная система химическое предприятие состоит из большого числа взаимосвязанных элементов или частей целого. С точки зрения исследовательских задач понятие элемента системы весьма относительно. Если в качестве сложной системы рассматри­ вать химическое предприятие, то его элементами можно считать отдельные химические производства или технологические цехи. Если сложной системой является технологический цех пли техноло­ гическая линия, то их элементами служат отдельные аппараты и агрегаты. При изучении отдельного аппарата как системы, например ректификационной колонны, ее элементами являются тарелки.

Элемент ХТС — это аппарат, в котором протекает какой-либо типовой химико-технологический процесс. При исследовании ХТС внутренние свойства и структура элемента не являются предметом изучения, а анализируются только такие существенные свойства элемента, которые определяют его взаимодействие с другими эле­ ментами ХТС или влияют на свойства системы в целом.

11

Процесс функционирования ХТС рассматривают как последова­ тельную смену состояний системы в некотором интервале времени. С о с т о я н и е ХТС определяется набором выходных переменных системы.

В х о д н ы м и п е р е м е н н ы м и ХТС являются физические параметры входных потоков сырья или исходных продуктов, а также параметры различных физико-химических воздействий окружающей среды на процесс функционирования ХТС (температура, давление, влажность и т. п.).

В ы х о д н ы м и п е р е м е н н ы м и ХТС служат физические

плотность и т. д.). Состояние системы зависит от параметров ХТС, параметров технологического режима элементов и от воздействия на ХТС входных материальных и энергетических потоков сырья или исходных продуктов.

Параметры ХТС и параметры технологического режима элемен­ тов обусловливают характер процесса функционирования системы, т. е. некоторый закон изменения состояний системы.

П а р а м е т р ы ХТС подразделяют на конструкционные и тех­ нологические. К о н с т р у к ц и о н н ы м и параметрами ХТС являются геометрические характеристики аппаратурного оформле­ ния элементов системы (объем химического реактора, основной раз­ мер сечения аппарата, диаметр и высота слоя насадки в массообмен­ ных аппаратах и т. д.). К т е х н о л о г и ч е с к и м параметрам ХТС относят коэффициенты степеней превращения и степеней раз­ деления химических компонентов, коэффициенты тепло- и массо­ передачи, константы скоростей химических реакций и т. д.

и активность катализатора, условия гидродинамического переме­ щения потоков компонентов), которые влияют на скорость техно­ логического процесса, выход и качество химических продуктов.

К а ч е с т в о ф у н к ц и о н и р о в а н и я ХТС определяют при помощи показателей эффективности, под которыми понимают числовые характеристики системы, оценивающие степень приспо­ собления системы к выполнению поставленных перед нею задач. Выбор показателя эффективности является заключительной стадией формулировки целей функционирования ХТС. Для того чтобы показатель эффективности достаточно полно характеризовал ка­ чество функционирования ХТС, он должен учитывать все основные особенности и свойства системы, а также условия ее функциониро­ вания и взаимодействия с внешней средой.

Любая совокупность элементов данной ХТС может рассматри­

12

ваться как ее подсистема, которая, как правило, является некото­ рой самостоятельно функционирующей частью системы. Так, на­ пример, совокупность трех элементов ХТС — ректификационной колонны, подогревателя и сепаратора образует систему дистилля­ ции, которая представляет собой подсистему сложной ХТС про­ изводства карбамида по схеме с полным жидкостным рециклом. Правильное выделение подсистем в сложной ХТС способствует об­ легчению решения задач исследования системы в целом.

ХТС, которые соответствуют химическим производствам и техно­ логическим цехам химических предприятий, свойственны все харак­ терные признаки больших или сложных систем: 1) определенная целенаправленность или наличие общей цели функционирования всей системы (все технологические аппараты и потоки объединены для выпуска продукции); 2) большие размеры как по числу эле­ ментов, составляющих систему, так и по числу параметров, харак­ теризующих процесс ее функционирования (большое число аппара­ тов, связанных технологическими потоками); 3) сложность поведе­ ния системы, проявляющаяся в большом числе переплетающихся взаимосвязей между ее переменными (изменение режима работы одного аппарата может оказывать влияние на работу производства в целом); 4) выполнение системой в процессе ее функционирования некоторой сложной и многофакторной целевой функции; 5) высокая степень автоматизации процессов управления производством с при­ менением цифровых и аналого-цифровых вычислительных машин и др.

В сложных ХТС важную роль играют вопросы автоматического управления процессом функционирования системы. У п р а в л е ­ н и е м называют процесс сбора, передачи и переработки информа­ ции, реализуемый специальными средствами — системами автомати­ ческого управления (САУ) или управляющими устройствами. Слож­ ным ХТС обычно отвечают специфические контуры управления, вдоль которых циркулируют потоки осведомительной и управляющей информации между элементами данной ХТС и системой автоматиче­ ского управления (некоторым управляющим устройством).

В общем случае управление процессом функционирования слож­

водство или технологический цех, а также химическое предприятие в целом представляют собой совокупность двух подсистем — ХТС и САУ, которые действуют совместно как одна сложная кибернети­ ческая система, обеспечивающая в результате своего функциониро­ вания получение требуемых продуктов и полупродуктов.

2. ХИМИЧЕСКОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ КАК СЛОЖНАЯ КИБЕРНЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Процесс функционирования химического предприятия как слож­ ной кибернетической системы складывается из двух частей — соб­ ственно технологического процесса и процесса технологического

13

и организационного управления предприятием, осуществляемого САУ или управляющими устройствами. Современное химическое предприятие (комбинат или завод) можно подразделить на взаимо­ связанные подсистемы, соподчинение между которыми увязы­ вается иерархической структурой, состоящей из трех-четырех ступеней или уровней иерархии (рис. 1-1). Отличительная особенность иерар­ хической структуры химического предприятия заключается в том, что она не имеет древовидной структуры, так как между подсисте­

мами одного и того же уровня иерархии существуют взаимо­ связи.

Первую низшую ступень иерархической структуры хи­ мического предприятия обра­ зуют элементы ХТС и ло­ кальные САУ процессом технологического функциони­ рования этих элементов ХТС.

Основу второй ступени иерархии химического пред­ приятия составляют химикотехнологические системы, со­ ответствующие технологиче­ ским цехам, и САУ процессами технологического и организа­ ционного функционирования цехов или участков.

Третью ступень иерархи­ ческой структуры образуют сложные ХТС, отвечающие от­ дельным химическим произ­ водствам, и системы техно­ логического и организацион­ ного управления химических производств.

Высшая ступень иерархии представляет собой взаимосвязанную совокупность большого числа химических производств, вспомога­ тельных производственных служб и подразделений, которые обра­ зуют химический комбинат или завод, и автоматизированной ин­ формационной системы организационного управления химическим предприятием в целом.

Каждую иерархическую ступень химического предприятия ха­

рактеризуют определенным показателем эффективности функциони­ рования.

Ц е л ь ю ф у н к ц и о н и р о в а н и я о т д е л ь н ы х э л е ­ м е н т о в ХТС является определенное физико-химическое воздей­ ствие на технологические потоки с высокой производительностью и интенсивностью.

14

О с н о в н ы е п о к а з а т е л и э ф ф е к т и в н о с т и ф у н к ­ ц и о н и р о в а н и я э л е м е н т о в XTG выражают в виде коэффициентов полезного действия (к. и. д.) элементов или величин, характеризующих фактический выход химического продукта из элемента ХТС, которые для технологических процессов собственно химического превращения представляют собой степени превращения химических компонентов, а для технологических процессов межфаз­ ной массопередачи — степени межфазного перехода (степени разде­ ления) или коэффициенты извлечения. К. н. д. элементов показывают степень приближения технологического процесса к равновесию. Расчеты к. п. д. требуют знания равновесных соотношений, хотя эти величины определяются в основном кинетикой процесса: фак­ тическое число компонентов, вступивших в химическую реакцию, или количество поглощаемого компонента зависит соответственно от скорости химического превращения или от скорости массопере­ дачи.

Элементы ХТС функционируют в условиях внешних и внутрен­ них возмущающих воздействий, которые стремятся противодейство­ вать целенаправленному протеканию химико-технологических процессов. Внутренние возмущающие воздействия обусловлены изме­ нением технологических параметров элементов и параметров техно­ логических режимов функционирования ХТС (старение катализато­ ров, изменения давления и температуры внутри элементов и т. д.). Внешние воздействия на элементы ХТС обусловлены изменением фи­ зических параметров материальных и энергетических потоков (коли­

в большом диапазоне значений (от 1 до 10 сут). Для обеспечения вы­ полнения элементами ХТС заданных целей функционирования в условиях возмущающих воздействий используют локальные си­ стемы автоматического управления химико-технологическими про­ цессами.

Локальная система управления процессом функционирования элемента ХТС предусматривает использование локальных систем оптимизации технологических процессов, стабилизации физических параметров потоков выходных продуктов и параметров технологи­ ческих режимов элемента.

Ц е л ь ф у н к ц и о н и р о в а н и я т е х н о л о г и ч е с к и х ц е х о в и о т д е л ь н ы х х и м и ч е с к и х п р о и з в о д с т в заключается в производстве установленного количества некоторого целевого химического продукта или промежуточного продукта за­ данного качества.

П о к а з а т е л я м и э ф ф е к т и в н о с т и ф у н к ц и о ­ н и р о в а н и я т е х н о л о г и ч е с к и х ц е х о в и о т д е л ь ­

15