книги / Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза

Глава 2. Системные закономерности в технологии ...	51
или
у(Р)Двх(Р) = 1/[(й2Р2) + (я,Р + а0)] = W(P).	2.8

Если объект представить как совокупность элементов (звеньев), то его характеристику можно составить, используя передаточные функции этих элементов. При этом элементарные звенья следует под­ бирать так, чтобы их передаточные функции имели простой вид.

Последовательное соединение элементов

Вэтом случае технологические звенья (элементы) соединены таким образом, что выход предыдущего является входом последу­ ющего звена (рис. 2.4). И между ними существует следующая зави­ симость:

х, =х0; х. = у . 1; у п = у 0; / = 1, 2, 3,..., и,

2.9

где х ди у — общий вход и общий выход последовательной цепочки.

Примером такой связи может служить последовательное соеди­ нение нескольких реакторов: участками производства являются от­ дельные реакторы, технологическими связями - векторные вели­ чины, составляющими которых служат нагрузки реакторов, а также концентрации целевых и побочных продуктов. Управляющими воз­ действиями могут быть, например, температура, давление и др.

Такие технологические связи широко представлены в непрерыв­ ных химических производствах, так как при переходе от периоди­ ческого процесса к непрерывному последовательность технологи­ ческих операций во времени заменяется последовательностью технологических аппаратов в пространстве.

Передаточная функция W(P) двух последовательно соеди­ ненных элементов может быть записана так:

W(P) = у(Р)Д(Р) = W2(P) у,(Р)/х(Р) = W2(P) W, (Р ). 2.10

Для п последовательно соединенных элементов:

W(P)=W,(P)W2(P)...\V (P).

2.11

Рис. 2.4. Последовательное соединение элементов

5 2 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

Таким образом, передаточная функция последовательно соеди­ ненных элементов равна произведению их передаточных функций.

Параллельное соединение элементов

Технологические схемы, представляющие параллельную струк­ туру, имеют объединенные входы и выходы (рис. 2.5).

В этом случае общий вход равен сумме входов отдельных зве­ ньев, общий выход —сумме выходов:

пп

*о = Х х <;Уо	.	2.12
1=1	1=1

Связи х0, х.; у0, у. могут быть как скалярными, так и векторными величинами. Однако для соблюдения равенств (2.12) необходимо, чтобы составляющие векторов х. и у. были представлены в форме, допускающей такое суммирование. Это означает, что составляю­ щими векторов могут быть, например, такие величины, как мощ­ ность, энтальпия (но не температура), содержание компонентов смеси в абсолютных единицах (но не в долях от общего количества смеси). Примером параллельной технологической связи может слу­ жить группа параллельно работающих реакторов, полимеризаторов, теплообменников и т. д.

Передаточная функция такой цепочки W(P) имеет вид:
W(P) =у(Р)/*(Р) = (у,(Р) +у2(Р))МР) =W,(P) + W2(P).	2.13
Следовательно, для п параллельных элементов передаточная
функция будет иметь вид:
W (Р) = W, (Р) + W2 (Р) + ... +W„ (Р),	2.14

т. е. передаточная функция для п параллельно соединенных элемен­ тов равна сумме их передаточных функций.

Рис. 2.5. Параллельное соединение элементов

Глава2. Системные закономерности в технологии...

53

Соединение элементов по схеме

с обратной связью

Характерной особенностью системы с обратной связью (рецик­ лом) (рис. 2.6) является то, что часть продукта с выходом, напри­ мер, из последнего звена поступает на вход первого (рис. 2.6,а). Если х0—общий вход схемы, а у0 —ее выход, то уравнение обрат­ ной связи для схемы 2.6 ,6имеет вид:

	Xi =х0+аул;у 0=Ула -а )-		2.15
а для схемы 2.6,в:
п	п	п	2.16
£ х ,.= х 0+ а£ у,.,		р0= Х и ( 1 -а )-
i = i	/=1	/=1

Величина а, называемая степенью рециркуляции, опреде­ ляет часть общего потока, возвращаемого на вход системы (0<а<1). Схема с обратной связью, как правило, отвечает требованию эко­ номичности, так как обратные связи или рециклы чаще всего поз­ воляют наиболее полно использовать сырье и увеличивать выход

а

в

б

Рис. 2.6. Соединение элементов по схеме с обратной связью

54 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

целевого продукта, обеспечивают утилизацию тепла, дают возмож­ ность повторно использовать какой-либо продукт (например, рас­ творитель).

В соответствии с рис. 2.6 значения передаточных функции мо­ гут быть выражены следующим образом:

W(P) =у(Р)Л(Р); W,(P) = у(Р)/х1(Р);

W2(P) = y1(P)/y(P);

2.17

JCL(P) = х (Р )+ у(Р) - при положительной обратной связи (об­ ратное воздействие усиливает процесс); х| (Р) = х (Р )-у ](Р) - при отрицательной обратной связи (обратное воздействие замедляет процесс).

При решении системы уравнений 2.17 в случае положительной обратной связи (рис. 2.6,а) получаем следующее выражение для пе­ редаточной функции:

W(P) = W,(P)/[1-(W1(P)/W2(P))],	2.18
а для отрицательной обратной связи:
W(P) = W, (Р)/[1 + (W1(P)/W2(P))).	2.19

Структурные схемы в качестве наглядных образов проек­ тируемых комплексных систем, отображающих различные тех­ нологические объекты, используются давно. Применение струк­ турных схем позволяет наглядно представлять причинные отношения между входом и выходом каждого элемента системы, а также взаимосвязь между ними.

Каждый блок структурной схемы имеет свою передаточную функцию. Как правило, блоки структурных схем являются мно­ гопараметрическими и имеют более одного входа и выхода, свя­ занных между собой векторно-матричными уравнениями. Боль­ шинство из используемых структурных схем преобразований сигналов, отвечающих отдельным элементам технологических схем производств, представлено в табл. 2.5.

Данная таблица применима для представления технологичес­ ких схем как при их синтезе, так и анализе, в процессе которого проводится расчленение всей схемы на отдельные элементы.

Следует также иметь в виду, что связь между параметрами про­ ектируемых систем и их динамикой может быть потеряна, если они представляются только системой математических уравнений.

Глава 2. Системные закономерности в технологии ...

55

Таблица 2.5. Типовые структурные схемы и эквивалент ные соотношения,

применяемые в структурном анализе

56 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

М етодологические принципы

Разработка технологии производства основного органического и нефтехимического синтеза —многоэтапный процесс, характери­ зующийся различными техническими и организационными меро­ приятиями. На каждом из этапов разработки технологии возни­ кает множество вопросов, ответы на которые могут быть найдены только в результате достаточно глубокого исследования как функ­ ционирования отдельных аппаратов или установок, так и всего про­ изводства. Такая совокупность методов, включая системный под­ ход, представляющая логически стройную последовательность операций разработки и проектирования сложных систем, называ­ ется системотехникой.

Глава 2. Системные закономерности в технологии ...

57

Системотехника обеспечивает взаимосвязь между фундамен­ тальными областями науки и технологией, а также максимально эффективное использование теории на практике, что может быть сделано только на системной основе. Системотехник объединяет специалистов разных профилей для совместного решения сложной задачи. Наиболее эффективно такие задачи могут решать опытные инженеры-химики-технологи широкого профиля.

Разработка любого реального химико-технологического объекта базируется на анализе комплекса химических, физико-химических, механических, теплотехнических и экономических явлений, харак­ теризующих все процессы, поскольку производство нельзя рассма­ тривать как сумму отдельных технологических операций и процес­ сов. Каждый отдельный агрегат производства непосредственно или косвенно влияет на другие узлы. В частности, нельзя разрабаты­ вать технологию разделения сложных смесей, не учитывая узел хи­ мического превращения сырья, и, наоборот, нельзя не учитывать особенности разделения реакционной смеси при создании реактор­ ного узла. Решение этих задач осуществляется на основе систем­ но-структурного анализа, рассматривающего каждую операцию как часть всего сложного процесса получения продукта 0 0 и НХС.

Взадачи системно-структурного анализа входят:

♦разработка формализованных моделей, описывающих струк­ туру, функции и свойства систем;

♦характеристика иерархического строения систем и взаимо­ связей объектов различных уровней;

♦определение общих свойств системы, исходя из свойств состав­ ляющих ее подсистем;

♦определение интегральной функции системы на основе функ­ ций отдельных элементов.

Следует отметить, что многоуровневый подход к решению сложных задач, таких как разработка и проектирование произ­ водства 0 0 и НХС, как правило, является важным методом в си­ стемотехнике.

С системных позиций технологическая операция задается на­ бором характеристик z, функций Ф и структурой Q.

Определение материальных и энергетических потоков, обла­ дающих определенными свойствами и параметрами, а также пара­ метров работы отдельных аппаратов позволяет оценить как харак­ теристику, так и структуру любой подсистемы технологического

58 Часть 7. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

объекта. При этом имеется в виду, что рассматриваемый объект предназначен для выполнения определенной функции, т. е. осуще­ ствления каких-либо технологических операций, результатом ко­ торых является выход продукта или полупродукта. Все это должно учитываться при разработке новой технологии.

Таким образом, разработку технологии производства, как хими­ ко-технологической системы, осуществляют по следующим этапам:

Фсогласование и распределение материальных и энергетических потоков, определение общей нагрузки на аппараты;

®выбор и расчет технологического оборудования;

®определение затрат на все производство и рассмотрение раз­ личных вариантов технологических схем;

®окончательный выбор технологической схемы производства.

Выполнение первого этапа возможно только после изучения химических превращений, физико-химических свойств различных смесей, образующихся на разных этапах, и выявления всех огра­ ничений.

Как было отмечено ранее, каждую технологию производства продуктов 0 0 и НХС, представляющую систему, необходимо рас­ сматривать как единство противоположных сторон: целостности и расчлененности.

Расчлененность отражает одну из общих сторон структуры сис­ темы и характеризуется тремя признаками: качественной спе­ цификой частей системы; числом частей, на которые расчленяется рассматриваемая система; их взаимным расположением в простран­ стве и во времени.

При рассмотрении любого производства как сложной системы предварительно необходимо изучить связи между элементами (ап­ паратами), выявить совокупность управляемых и неуправляемых параметров, способных влиять на показатели разрабатываемого процесса. К ним обычно относят составы потоков, их расходы и температуры, температуру и давление в аппаратах, количество подводимого и отводимого тепла, параметры теплоносителя и хла­ дагента ит.д., т. е. те, от которых прежде всего зависит протекание химического превращения сырья, чистота и полнота выделяемых компонентов, энергетические и капитальные затраты на производ­ ство продуктов.

При разработке и исследовании сложных систем, характеризу­ ющих любой технологический объект, выделяют, как правило, два класса основных задач:

Глава 2. Системные закономерности в технологии ...

59

Озадачи синтеза, сводящиеся к выбору структуры и значений па­ раметров на основе заданных свойств системы;

©задачи анализа, связанные с изучением свойств и поведения системы в зависимости от ее структуры и значений параметров.

Другими словами, синтез ХТС —это операция выбора типов элементов и структуры технологических связей между ними, опре­ деления параметров элементов и технологических потоков систе­ мы, которые в конечном счете обеспечивают оптимальное значе­ ние критерия эффективности.

А нализ ХТС —это операция изучения свойств и эффективности функционирования системы в зависимости от структуры техноло­ гических связей между подсистемами и элементами, от значений тех­ нологических и конструкционных параметров, технологических ре­ жимов элементов.

При синтезе ХТС могут решаться следующие задачи технологии 0 0 и НХС:

®	О пределить оптимальны й марш рут синтеза целевых п ро­
	дуктов из различных исходных веществ, используя известные
	типы реакции.
©	При заданном химическом маршруте синтеза целевых продук­
	тов из исходных веществ определить топологию ХТС (выявить
	технологическую схему), выбрать параметры элементов и по­
	токов, которые будут обеспечивать функционирование систе­
	мы при оптимальном значении критерия эффективности.

®При заданных типах и свойствах элементов ХТС, обеспечиваю ­ щих осуществление различных технологических процессов, вы­ брать элементы и определить структуру технологических свя­ зей ХТС, при к оторой будет дости гаться оптим альны й показатель эффективности.

©При заданных типах разделительных элементов необходимо оп ­ ределить технологическую схему разделения, параметры эле­ ментов и параметры технологических потоков.

При подходе к синтезу ХТС выделяют два направления на базе:

Опоиска оптимальной ХТС строгими алгоритмическими мето­ дами: решения сложных оптимизационных задач с использо­ ванием быстродействующих ЭВМ;

© использования эвристических методов.

Правда, необходимо отметить, что последние имеют ряд не­ достатков и дают противоречивые, неоднозначные результаты. Од­

60 Ча с т ь 7. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

нако и алгоритмические методы обладают недостатками: требуют большого объема информации и чрезвычайно громоздки.

При разработке технологии производства продуктов 0 0 и НХС и проектировании отдельных цехов или их усовершенствовании, а также при определении оптимальных режимов работы отдель­ ных аппаратов и правильной их взаимосвязи в технологической схеме задачи анализа этих систем интерпретируются как оценка возможных вариантов отдельных комплексов или схемы в целом (выбор структуры схемы, значений параметров и т. д.). Именно со­ поставляя различные характеристики, можно получить первое представление о преимуществах и недостатках различных вариан­ тов технологических схем.

Так, применение нескольких разделительных комплексов, ос­ нованных на различных методах разделения, позволяет снять огра­ ничения, обусловленные физико-химическими свойствами или тех­ нологическими возможностями, и приводит к нескольким вариантам технологических схем. Эти технологические схемы отличаются типом, числом и последовательностью соединения аппаратов, а следовательно, разными энергетическими и капиталь­ ными затратами, но приводят к выделению продуктов одинакового качества. В связи с этим, возникает сложная многовариантная за­ дача разработки, проектирования и выбора наиболее рациональ­ ного варианта технологической схемы.

Такие же проблемы возникают при разработке реакторного узла, где может быть использовано несколько типов реакторных ус­ тройств, несколько вариантов подвода или отвода тепла, несколь­ ко вариантов отделения продуктов реакций от катализатора и т. д. Кроме того, при создании производства в целом и различных его подсистем необходимо учитывать все ограничения, как обусловлен­ ные свойствами веществ и их смесей, так и технологические и др. В частности, при разработке и исследовании различных вариантов технологических схем разделения необходимо прежде всего опре­ делить допустимые пределы изменения входных и выходных пере­ менных, т. е. выделить соответствующие ограничения для подсис­ тем и всей системы, обусловленные:

♦диаграммой фазового равновесия смеси;

♦химической активностью и термической стойкостью компо­ нентов при разделении;

♦степенью чистоты выделяемых продуктов;

♦пределами изменения концентрации исходной смеси;