книги / Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза

жающей среды. Это возможно при разработке технологии, обес­ печивающей создание безотходных производств.

Для этого в настоящее время предусматривается:

<$> очистка газовых выбросов и жидких стоков; <$> очистка и многократное оборотное использование воды;

Фрегенерация и использование в самом процессе или для иных нужд тепла реакций, а также выводимых из систем потоков.

Однако такой подход при разработке технологии не является перспективным, так как требует затрат на получение целевых про­ дуктов и переработку отходов. Необходимо разрабатывать принци­ пиально новую технологию, позволяющую создать безотходное про­ изводство. При этом должна создаваться оптимальная технология, ориентируемая на экономический критерий, а в качестве ограни­ чения приниматься «безотходность».

МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И КОМПЛЕКСОВ ПРОИЗВОДСТВ

Производство 0 0 и НХС в целом может рассматриваться как функциональная система, представляющая совокупность тех­ нологических узлов или объектов (аппаратов, комплексов ап­ паратов, цехов, заводов), в каждом из которых осуществляется не­ который типовой химико-технологический процесс или несколько процессов (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Структура объекта

Независимо от сложности узлов или объектов они находятся под влиянием различных факторов (параметров, переменных). Со­ вокупность параметров, которые воздействуют на объект, делится на: входные (входы) —xv х2, х п; выходные (выходы) —y]f уг, у т, уп­ равляющие воздействия (управление) —и,, и2, ..., ик; возмущающие воздействия (возмущения) —г,,^, —, zs.

В качестве таких узлов (объектов) выделяются отдельные пов­ торяющиеся аппараты (реакторы, массообменные аппараты, теп­

42 Ча с т ь !. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

лообменники и т. д.) и их элементы, последовательности аппаратов или комплексы (двухколонные установки для гетероазеотропной осушки, реакционно-ректификационные установки, абсорбер-де- сорбер) и многие другие.

Все узлы системы объединены технологическими потоками или коммуникациями, которые называются связями. Поток, входящий в технологический узел, является его входом, выходящий —выхо­ дом. Одна и та же связь может быть входом одного узла и выходом другого. С пособ производства рассматривается как последова­ тельное описание операций, протекающих при определенных ус­ ловиях в соответствующих аппаратах. Такое описание называется технологической схемой. Технологическая схема производст­ ва дает полную информацию об аппаратах, потоках, автоматичес­ ком регулировании параметров и включает следующие данные:

♦количество и химический состав исходных, промежуточных, вспомогательных и конечных веществ, т. е. содержит все све­ дения, необходимые для составления материального баланса по производству в целом;

♦термодинамические и физико-химические характеристики всех веществ, т. е. содержит все сведения, необходимые для состав­ ления энергетического баланса производства в целом;

♦последовательность отдельных процессов и операций;

♦типы, число и взаимосвязь применяемых аппаратов и машин;

♦способы автоматического регулирования всех потоков и контроля параметров, при которых протекают процессы.

Таким образом, технологическая схема отображает процессы массо- и энергообмена, а также способы управления этими про­ цессами.

Технологическая схема, включающая аппараты, материальные потоки, энергоснабжение и т. д., является изоморфным ото­ бражением физической системы. Под изоморфизмом в данном случае понимается взаимно-однозначное соответствие между эти­ ми двумя множествами. Изоморфными называют такие системы, в которых сохраняются соотношения между составляющими их элементами.

Объекты технологии основного органического и нефтехими­ ческого синтеза многообразны по сложности, типам включенных аппаратов и физической природе процессов. При этом они могут состоять из большего или меньшего числа элементов, взаимосвя­ занных между собой.

Для изучения сложных объектов их расчленяют на отдельные звенья, из которых состоит химико-технологический комплекс (объект). Степень детализации при создании структурной схемы комплекса определяется его сложностью. В частности, технологи­ ческое звено не обязательно должно соответствовать одному аппа­ рату, а может объединять группу (комплекс) аппаратов, имеющую разветвленную топологическую структуру.

В непрерывном производстве связь соответствует непре­ рывному материальному или энергетическому потоку. В этом слу­ чае она выступает как скалярная величина. Однако во многих слу­ чаях технологическая связь определяет некоторые дополнительные характеристики потока (температура, давление, состав и т.д.), яв­ ляясь в этом случае векторной величиной.

Виды И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МОДЕЛЕЙ

Для анализа и выявления отдельных элементов, а также комплек­ сов любая система (в нашем случае химико-технологическая) может быть представлена различными моделями: символическими, мате­ матическими, иконографическими, топологическими, блочными (блок-схемами) и сетевыми.

Каждая из моделей характеризуется своей степенью абстрак­ ции и используется в зависимости от поставленных целей анализа. Так, например, если необходимо выявить все взаимосвязи и слож­ ную структуру в целом, удобно применять символические и топо­ логические модели. Если при этом необходимо подчеркнуть функ­ циональное действие аппаратов или узлов, используются блочные и иконографические модели. Последние позволяют представить контуры аппаратов.

В проектной практике, как правило, используются иконогра­ фические модели в виде технологических схем. В связи с широким внедрением ЭВМ в практику исследований СХТС получили рас­ пространение более абстрактные матричные модели.

Некоторые технологические схемы можно представить сим­

где J , S2, ..., Sn—одномерные ориентированные симплексы; А ,, Х2, Хп— целые числа.

Последовательность 2.1 есть линейная комбинация перемен­ ных Sv S2, ..., Snс коэффициентами Ар Х2, Хп.

44 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

В частности, ХТС можно представить в виде топологической структуры—графа с указанием входных и выходных переменных.

О риентированны й граф , вершинами которого являются технологические звенья (операторы, см. рис. 2.2), а дугами —тех­ нологические связи, носит название топологической структу­ ры схемы производства или графа п р о и зво д ства. Обычно сложный технологический граф, соответствующий сложному объ­ екту, является комбинацией различного числа простейших элемен­ тарных структур (последовательных, параллельных и охваченных обратной связью).

Рис. 2.2. Обозначения операторов

Исходя из технологических соображений, в любой ХТС уста­ навливается основное направление материальных потоков. Нуме­ руя узлы модели ХТС, целесообразно всегда придерживаться этого направления. При этом потоки, идущие из узлов с меньшими но­ мерами к узлам с большими номерами, называются прямыми, а иду­ щие в обратном направлении —обратными. Рассмотрим описание графом F (С, 0) функции технологического процесса.

Этот граф представляет объединение графов-функций Ф отдель-

Для реализации этой операционной функции F(C, 0) требуется выполнить определенное число основных и вспомогательных пе­ реходов. При этом общая функция расчленяется на ряд более мел­ ких функций отдельных переходов. На любом к-м уровне расчле­ нения характеристика любого узла и процесса, происходящего в нем, описывается множеством параметров:

2.4

где Z. - параметр, описывающий определенное функциональное свойст­ во системы.

Структура перехода от одного состояния химических веществ к другому как совокупность упорядоченных во времени методов (приемов) описывается графом F(C, 0). В этом графе множеству вер­ шин С, отвечающих аппаратам технологической схемы, соответст­ вуют основные и вспомогательные методы (приемы), а множеству дуг0 —отношения, характеризующие совмещения методов (приемов) во времени (последовательное р, параллельное со и последователь­ но-параллельное т).

Анализ сложной системы или процесса позволяет установить перечень элементов системы (простых операций процесса) и опре­ делить систему бинарных отношений на множестве этих элемен­ тов, т. е. составить матрицу непосредственных путей. Такая матри­ ца позволяет построить ориентированный граф, анализ которого связан с очень большими, иногда практически непреодолимыми трудностями.

Первым структурным параметром, оценивающим вид и ка­ чество схемы при представлении ее графом, является связность граф а.

Связность графа определяется полной м атрицей связей (/1). Если вершина к связана с вершиной /, то Гк = 1 При исследовании структуры той или иной системы, что рав­

носильно изучению структуры графов вообще, чаще всего первым этапом является рассмотрение матрицы смежности (матрица не­ посредственных связей, путей).

46 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

В качестве параметров, определяющих качество структурной схемы, при представлении ее графом, можно выделить следующие: связность графа, ранг элемента, множество сочленения.

Эти параметры позволяют распределить элементы схемы в по­ рядке их значимости. Значимость элемента определяется здесь ко­ личеством связей данного элемента с другими. Исходя из общего опре­ деления понятия множества сочленения, его можно трактовать также как некоторый структурный параметр, указывающий на со­ стояние системы при удалении элементов, т. е. при удалении каких элементов из схемы она перестает существовать как единое целое.

На рис. 2.3б представлен граф, соответствующий техноло­ гической схеме разделения (рис. 2.3а).

А Д Б В Г

& — *°

Рис. 2.3. Технологическая схема (а) и соответствующий ей ориентирован­

ный граф (б)

Матричное представление моделей

Сцелью синтеза и особенно анализа ХТС с помощью ЭВМ тех­ нологические схемы представляют в виде информационных схем,

т.е. закодированных в виде различных матриц: процесса, потоков, инциденций и смежности.

48 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

Необходимо отметить, что питающие потоки показаны по­ ступающими из блока 0, а потоки продукта или выводимые из сис­ темы —в блоке 0. Под блоком 0 подразумевается внешняя среда — источник сырья и сток продуктов. Эта матрица не содержит указа­ ний ни о типе аппарата, ни о порядке ввода и вывода потоков.

Матрица инццденций и смежности. Для расчленения и анализа технологических схем по частям, особенно при наличии рецирку­ ляционных процессов, важное значение имеют матрицы инциденций и смежности.

Их можно построить на основе технологической схемы или со­ ответствующего ей графа.

Допустим, что Ср С2, ..., Сп —вершины графа, а 0,, в2, . . . , в т — его дуги. Кроме того, введем обозначения:

-1, если 0 j выходит из С(; +1, если 0 j входите С ;

0, если Oj не инцидентна С(..

1, если имеется дуга, соединяющая вершину i с вершинойj;

0, если такой дуги нет.

Матрица s = ( j ) порядка пхт будет названа матрицей инциденций для дут графа, а квадратная матрица /?=(г) порядка пхт — матрицей смежности графа.

Для технологической схемы (рис. 2.3) матрица инциденций представлена в табл. 2.3.

Таблица 2.3. М атрица инциденций

Если сумма столбца равна 0, то поток связан с двумя блоками. Если же она равна +1, то поток является питающим, а если —1, то продуктовым. Наличие в процессе рециркуляционного потока мож­ но определить по матрице инциденций (см. табл. 2.3), если ника­