1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ХТС1.1.Понятие і зв’язок ХТП і ХТС. Елемент ХТС.
Як відомо, будь-яке хімічне виробництво є сукупністю великої кількості апаратів, усередині яких протікають різні технологічні процеси (ХТП), взаємопов'язані між собою потоками сировини, продуктів та енергоносіїв. Оскільки хімічне виробництво переробляє певну сировину і випускає конкретну продукцію, можна зробити висновок, що весь комплекс взаємозалежних апаратів і потоків працює у масштабах переробки сировини й випуску продукції як єдине ціле, тобто. як система.
Сукупність взаємозалежних технологічними потоками і діючих як єдине ціле апаратів, у яких здійснюється певна послідовність технологічних операцій із єдиною метою випуску конкретної продукції – називається хіміко-технологічної системою (ХТС).
Слід зазначити, що апарати зазвичай є досить складними технологічними системами, отже, їх також можна розглядати як ХТС. Розглянемо ці варіанти з прикладу трехполочной колони синтезу аміаку, що є складовою виробництва аміаку (див. рис. 1.1).
Рис.1.1. Схеми колони синтезу аміаку
а) Загальна схема колони (апарату) синтезу аміаку; б) Операторна технологічна схема колони синтезу аміаку
В одному випадку (Рис.1.1,а), колона синтезу розглядається як єдиний вертикальний циліндричний апарат, який, по одним патрубкам входить азотоводородная суміш, а по інших виходить конвертований газ. Таким чином, якщо немає необхідності розглядати процеси, що відбуваються всередині колони, її можна зобразити як адіабатний стехіометричний реактор із заданим ступенем перетворення. Якщо потрібно розглянути вплив процесів, що відбуваються всередині колони, наприклад, визначитинеобхідну кількість каталізатора по шарах, активність каталізатора, необхідну поверхню теплообміну і т.п., необхідно розглядати колону з урахуванням її елементів, що функціонально впливають на роботу апарату, наприклад, на рівні технологічних операторів (Рис. 1.1,б). В цьому випадку вона складатиметься з трьох шарів каталізатора (поз.141, 143 і 145), двох теплообмінників (поз. 133 і 139), двох змішувачів потоків (поз. 142 і 144) та дільника потоку (поз. 140).
Таким чином, залежно від необхідності, ХТС може бути розглянута на будь-якому рівні складності її елементів.
Елементом ХТС називається частина ХТС, яка у конкретному розгляді є неподільною.
Як складніший приклад розглянемо технологічну схему виробництва аміаку (Рис.1.2 і Рис.1.3).
Рис.1.2. Функціональна схема виробництва аміаку
Як очевидно на Рис.1.2, елементами ХТС виробництва аміаку є елементи, умовно звані ХТС-1, ХТС-2, ХТС-3 і ХТС-4, тобто. у конкретному розгляді ХТС немає необхідності їхньої деталізації. Іншим чином, у конкретному розгляді є своєрідними "чорними ящиками", що виконують функції перетворення вхідних параметрів у вихідні. У разі потреби, кожен з цих елементів (або всі зазначені елементи) може бути деталізований. Наприклад, на Рис.1.3 представлена ХТС оператора ХТС-1 більш детальному – операторному вигляді. У разі необхідності елементи схеми, представленої на Рис.1.3 також можуть бути деталізовані.
Рис 1.3. Операторна схема ХТС-1
Таким чином, у загальному вигляді як сама технологічна установка, так і кожен її елемент (який також є технологічною системою, але молодшого ієрархічного рівня) можуть бути зображені у виглядісхеми, поданої на Рис.1.4.
Рис.1.4. Принципова схема елемента (підсистеми) ХТС
В даному випадку, до вхідних та вихідних технологічних параметрів (X,Y) відносяться параметри технологічних потоків: температура, витрата, склад, тиск, теплота і т.д., до параметрів управління (U) - ступінь відкриття заслінки, потужність двигуна компресора і т.д., до параметрів установки (К) - поточну активність каталізатора, активну поверхню теплообмінника і т.д. Так як вхідні та вихідні технологічні параметри характеризують потоки речовини та енергії, то як для режиму роботи всієї установки, так і для режиму роботи кожного її елемента можна скласти матеріальний та енергетичний баланси. Таким чином, вихідні технологічні параметри чітко залежатимуть від вхідних технологічних параметрів, параметрів керування та параметрів установки:
У даному рівнянні функція "f" характеризує протікають процеси, які з достатнім ступенем точності можуть бути відображені через сукупність фізико-хімічних закономірностей процесів, що протікають, і що зв'язують зміну температури, тиску, об'єму, концентрації і т.д. у цих процесах. Таким чином, кожен елемент ХТС є якоюсь підсистемою, що є одночасно елементом ХТС.
Для класифікації елементів ХТС застосовується ієрархічний принцип. Зазвичай розрізняють чотири основні рівні ієрархії елементів (підсистем) ХТС:
1. Типові ХТП та їх сукупність у масштабах машин та апаратів;
2. Агрегати та комплекси, що представляють сукупність типових процесів у масштабах виробництв та їх окремих ділянок;
3. Сукупність виробництв масштабі випуску товарної продукции;
4. Хімічне підприємство загалом.
Якбуло сказано вище, цей поділ за рівнями ієрархії є умовним, отже, залежно від конкретного завдання може виникнути необхідність, наприклад, розглянути типові ХТП на рівнях підсистем їх елементів (рівень нижче першого) або розглянути сукупність підприємств у регіональному масштабі (рівень вище четвертого) . Однак при переході на інші рівні або при одночасному розгляді ХТС на різних рівнях одночасно слід враховувати універсальні принципи побудови елементів (підсистем) ХТС та їх функціонування.