2.2 Элементы и связи химико-технологической системы

В описанной иерархической структуре отдельные аппараты или агрегаты предназначены для определенного изменения состояния потока.

Классификация элементов ХТС проводится по их назначению

Механические и гидромеханические элементы производят изменение формы и размера материала и его перемещение, объединение и разделение потоков. Эти операции осуществляются дробилками, грануляторами, смесителями, сепараторами, фильтрами, циклонами, компрессорами, насосами.

Теплообменные элементы изменяют температуру потока, его теплосодержание, переводят вещества в другое фазовое состояние. Эти операции осуществляют в теплообменниках, испарителях, конденсаторах, сублиматорах.

Массообменные элементы осуществляют межфазный перенос компонентов, изменение компонентного состава потоков без появления новых веществ. Эти операции проводят в дистилляторах, абсорберах, адсорберах, ректификационных колоннах, экстракторах, кристаллизаторах, сушилках.

Реакционные элементы осуществляют химические превращения, кардинально меняют компонентный состав потоков и материалов. Эти процессы происходят в химических реакторах.

Энергетические элементы осуществляют преобразование энергии и получение энергоносителей. К ним относят турбины, генераторы, приводы для выработки механической энергии, котлы-утилизаторы для выработки энергетического пара.

Элементы контроля и управления позволяют измерить параметры состояния потоков, контролировать состояние аппаратов и машин, а также управлять процессами, меняя условия их протекания. К ним относятся датчики (температуры, давления, расхода, состава и т.д.), исполнительные механизмы (вентили, задвижки, выключатели и т.д.), а также приборы для выработки и преобразования сигналов, информационные и вычислительные устройства. Как правило, это устройства сигнализации, системы автоматического регулирования, автоматическая система управления химико-технологическим процессом.

В каждом из перечисленных элементов могут протекать разнообразные процессы и в каждый из них могут входить как составные части различные по назначению устройства. В реакционный узел кроме реактора входят теплообменные аппараты Я гидромеханические устройства (смесители, распределители потоков). Классифицировать такой агрегат будем по его основному назначению — реакционный элемент технологической подсистемы. Но в энергетической подсистеме возможна утилизация теплоты реакции для подогрева воды в общей системе выработки энергетического пара. Тогда в энергетической подсистеме реакционный узел будет теплообменным элементом, источник тепла которого — результат химической реакции (сравните: в огневом подогревателе тоже протекает химическая реакция — горение, или окисление, топлива).

Как видим, в зависимости от изучаемой подсистемы один и тот же элемент может иметь разное назначение. Котел-утилизaтop охлаждает поток в технологической подсистеме, он — теплообменный элемент. В энергетической подсистеме котел-утилизатор вырабатывает пар и потому он — энергетический элемент.

Возможно совмещение элементов по их назначению в одном устройстве, например реактор-ректификатор: в нем одновременно происходит и химическое превращение, и компонентное разделение смеси (массообменный элемент).

Классификация связей (потоков). Потоки между аппаратами (связи между элементами) классифицируют по их содержанию:

Материальные потоки переносят вещества и материалы по трубопроводам различного назначения, транспортерами и другими механическими устройствами.

Энергетические потоки переносят энергию в любом ее проявлении — тепловую, механическую, электрическую, топливо. Тепловая энергия и топливо для энергетических элементов передаются обычно по трубопроводам (пар, горячие потоки, горючие газы и жидкости), механическая энергия — также по трубопроводам (в виде газов под давлением) или через вал двигателей и другие элементы привода. Провода, силовые кабели передают электрическую энергию.

Информационные потоки используются в системах контроля и управления процессами и производством. Используются электрические провода и тонкие, капиллярные, трубки в пневматических системах.

Структура связей. Последовательность прохождения потоков через элементы ХТС определяет структуру связей и обеспечи¬вает необходимые условия работы элементов системы. Основные типы структуры связей показаны на рисунке 2. Здесь прямоугольники представляют элементы, линии со стрелками — связи и направления потоков.

Рисунок 2 — Связи в химико-технологической системе:
1 — последовательная; 2 — разветвленная; 3 — параллельная; 4, 5 — обводная (байпас) простая (4) и сложная (5); 6 – 9 – обратная (рециркуляционная) — рецикл полный (6, 9) и фракционный (7, 8), простой (б) и сложный (9)

Последовательная связь (схема 1 на рисунке 2). Поток проходит аппараты поочередно. Применение: последовательная переработка сырья в разных операциях, более полная переработка сырья последовательными воздействиями на него, управление процессом путем необходимого управляющего воздействия на каждый элемент.

Разветвленная связь (схема 2 на рисунке 2). После некоторой операции поток разветвляется и далее отдельные потоки перерабатываются различными способами. Используется для получения разных продуктов.

Параллельная связь (схема 3 на рисунке 2). Поток разветвляется, отдельные части его проходят через разные аппараты, после чего потоки объединяются. Если мощность некоторых аппаратов ограничена, то устанавливают несколько аппаратов параллельно, обеспечивая суммарную производительность всей системы. Другое применение такой связи — использование периодических стадий в непрерывном процессе. В этом случае поочередно работает один из параллельных аппаратов. После завершения рабочего цикла одного аппарата поток переключают на другой аппарат, а отключенный подготавливают к очередному рабочему циклу. Так включены адсорберы с коротким сроком службы сорбента. Пока в одном из них происходит поглощение, в другом сорбент регенерируют. Еще одно назначение параллельной схемы — резервирование на случай выхода из строя одного из аппаратов, когда такое нарушение может привести к резкому ухудшению работы всей системы и даже к аварийному состоянию. Такое резервирование называют «холодным», в отличие от резервирования, обусловленного периодичностью процесса, — «горячего».
Обводная связь, или байпас (схемы 4 и 5 на рисунке 2). Часть потока, не поступая в аппарат, «обходит» его. Такая схема используется в основном для управления процессом. Например, в процессе эксплуатации теплообменника условия пе¬редачи теплоты в нем меняются. Поддерживают необходимые температуры потоков байпасированием их мимо теплообменника. Величину байпаса (3 определяют как долю основного потока, проходящего мимо аппарата: (J = Кб/К0 (обозначения потоков показаны на рисунке 2). Различают простой (схема 4) и сложный (схема 5) байпасы.
Обратная связь, или рецикл (схемы 6 — 9 на рисунке 2). Часть потока после одного из аппаратов возвращается в предыдущий.

Если выходящий из аппарата поток разветвляется, и одна его часть образует обратную связь (схема 6), то такая связь образует полный рецикл — составы выходящего потока и рециклирующего одинаковы. Такую схему используют для управления процессом, создания благоприятных условий для его протекания. В цепных реакциях скорость превращения возрастает по мере накопления промежуточных активных радикалов. Если на вход реактора вернуть часть выходного потока, содержащего активные радикалы, то превращение будет интенсивным с самого начала.
Возможен возврат (рецикл) части компонентов после системы разделения Р (схема 7). Это — фракционный рецикл (возвращается фракция потока). Широко применяется для более полного использования сырья. В синтезе аммиака в реакторе превращается около 20% азотоводородной смеси. После отделения продукта — аммиака — непрореагировавшие азот и водород возвращают в реактор. При неполном превращении реакционной смеси в реакторе в схеме с фракционным рециклом достигается полное превращение исходного вещества. Фракционный рецикл используют также для полного использования вспомогательных материалов. В производстве аммиака азотоводородная смесь получается с большим содержанием СО2. Его абсорбируют раствором моноэтаноламина (МЭА), который быстро насыщается диоксидом углерода. Насыщенный раствор МЭА рециркулирует через десорбер, где отделяется СО2 и восстановленный моноэтаноламин возвращается в абсорбер. К фракционному рециклу можно отнести схему 8. Свежая смесь нагревается в теплообменнике теплом выходящего из реактора потока. Рециркулирует тепловая фракция потока (а не компонентная, как в схеме 7). Схемы 6-8 представляют собой простой рецикл, а схема 9 -сложный.