Ім'я файлу: Синтез хіміко.docx
Розширення: docx
Розмір: 2044кб.
Дата: 01.06.2020
скачати
Пов'язані файли:
РЕФЕРАТ.docx
Антарктида.docx
бесіда 24.docx
доповідь Косій М.В..docx
Золотий перетин в архітектурі (біології, медицині, мистецтві, му
urscc084.doc

МІНІСТЕРСТВО НАУКИ І УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»

Контрольна робота

із дисципліни «Моделювання хімічних апаратів»

на тему:

«Синтез хіміко-технологічних систем. Основні методи розрахунку ХТС»

Виконав:

студент групи МБОХ-11

Янишенко Володимир

Перевірив:

Нагурський А.О.
ЛЬВІВ 2020

Синтез хіміко-технологічних систем

Процедура синтезу ХТС багатоасортиментного виробництва включає наступні етапи: визначення асортименту продуктів, що випускаються; формування структури системи, визначення числа апаратурних стадій, типу і конструкції основних апаратів кожної стадії; визначення числа і основних розмірів апаратів стадій системи, що дозволяють випустити продукти обраного асортименту в планових кількостях за відведений час з мінімальними витратами.

Номенклатура продуктів проектованого виробництва і обсяги їх випуску до недавнього часу регламентувалися плановими органами. В даний час до уваги беруться: прогнози попиту і ринкової ціни на продукцію; витрат, пов'язаних з придбанням і транспортуванням сировини, капітальних і експлуатаційних витрат на виробництво; можливі зміни асортименту продукції, що випускається без реконструкції виробництва. Процедура оцінки цих факторів називається техніко-економічним обґрунтуванням. В результаті формується основний асортимент, для якого і вирішується завдання синтезу ХТС. Крім того, визначаються інші подібні в технологічному відношенні марки продукції, процеси випуску яких можуть бути "розміщені" на обраному обладнанні. Ці продукти утворюють, так званий, додатковий асортимент.

Число ХТС створюваного виробництва визначається шляхом розбиття продуктів основного асортименту на групи за ознаками близькості числа і видів технологічних стадій, спільності використовуваної сировини. До уваги береться також колір продуктів і плановані обсяги їх випуску. Наприклад, барвники і пігменти повинні бути колористично сумісні, щоб промивка апаратів системи при переході з продукту на продукт не була занадто тривалої. Бажано, щоб сумарні продуктивності різних ХТС проектованого виробництва були близькими, тому що це виключає великі відмінності розмірів апаратів різних систем і дозволяє легше адаптувати їх до випуску продуктів додаткового асортименту.

Процес формування структури ХТС, тобто числа її апаратурних стадій і системи зв'язків між ними по матеріальним потокам, починається з вибору так званого базового продукту основного асортименту. Критерії вибору базового продукту: найбільше число технологічних стадій, найбільшу кількість стадій, які неможливо реалізувати в ємнісних апаратах періодичної дії, максимальний обсяг випуску. Для кожної технологічної стадії процесу синтезу базового продукту підбирається апарат найбільш підходящого типу і конструкції. Вимоги до типу і конструкції апаратів для здійснення стадій синтезу будь-якого продукту наводяться в технологічному регламенті. Рішення про реалізацію конкретної технологічної стадії в серійному апараті даного типу найчастіше приймається на основі визначення ступеня подібності стадії і апарату.

Найбільш простий спосіб визначення ступеня подібності стадії синтезу продукту і серійного апарату передбачає порівняння їх технологічних і конструкційних ознак. Наприклад, вимоги технологічного регламенту до реалізації стадії сульфохлорування можна представити у вигляді сукупності наступних ознак:

  1. тип апарату - ємнісний реактор з механічною мішалкою;

  2. конструкційний матеріал - сталь з емаль. покр., ст.12Х18Н10Т або титан;

  3. тип мішалки - рамна або якірна;

  4. швидкість обертання мішалки - 40-60 1 / хв;

  5. тип обігріву - сорочка;

  6. робочий тиск в апараті - не менше 0.3 МПа;

  7. тип охолодження - змійовик;

  8. тиск в сорочці - 0.3 МПа;

  9. яким чином будуть завантажуватися вихідних речовин - мірник або дозувальний насос;

  10. спосіб вивантаження продуктів - нижній спуск або труба перевалювання.

Розглянемо два серійних ємнісних апарату з точки зору наявності цих ознак:

№ призн.

1-й апарат

2-й апарат

1

Емк. реактор з мех. мішалкою

Емк. реактор з мех. мішалкою

2

Вуглецева сталь

Сталь 12Х18Н10Т

3

Рамна

Лопатева

4

40

60

5

Сорочка

Електрообігрівання

6

0.3

0.3

7

-

-

8

0.3

-

9

Мірник

Дозувальний насос

10

Нижній спуск

Труба передавлювання


Для оцінки ступеня подібності технологічної стадії та апарату використовують величину, звану мірою подібності і яка визначається як відношення числа збіглися ознак до числа ознак стадії. Число збіглися ознак 1-го апарату - 8, 2-го - 6, тоді, якщо всі ознаки розглядати як рівноцінні, міри схожості рівні 0.8 і 0.6, відповідно. Насправді значимість ознак неоднакова, для її оцінки приписують кожному з них певну вагу, причому сума ваг ознак стадії повинна бути дорівнює 1. Тоді мірою подібності є сума ваг збіглися ознак. Якщо відносні ваги ознак стадії рівні: 0.1, 0.3, 0.1, 0.1, 0.05, 0.05, 0.05, 0.05, 0.1, 0.1, то міра подібності для 1-го апарату-0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.05 + 0.05 + 0.05 + 0.1 + 0.1 = 0.65, а для 2-го - 0.1 + 0.3 + 0.1 + 0.05 + 0.1 + 0.1 = 0.75. Отже 2-ий апарат більш придатний для реалізації даної стадії. Головною проблемою тут є визначення значень відносних ваг ознак стадії. Для цього використовуються експертні оцінки, що формуються на основі усереднення думок декількох кваліфікованих технологів і проектувальників.

Підібравши таким чином апарати для здійснення технологічних стадій синтезу базового продукту, починають "накладати" на сформовану ХТС процеси синтезу інших продуктів основного асортименту, тобто визначати апарати з числа вже обраних, найбільш придатні для реалізації стадій напрацювання цих продуктів. При цьому задають так званий "рівень відсічення" - мінімальну міру подібності, при якій стадія може бути реалізована в одному з вибраних апаратів. Якщо для будь-якої стадії не вдається отримати міру подібності, що перевищує рівень відсічення, то утворюється нова апаратурна стадія ХТС і для неї підбирається найбільш прийнятний тип апарату. Можливі компромісні рішення: наприклад, будь-яка стадія може бути реалізована в декількох обраних апаратах з мірою подібності, що перевищує рівень відсічення і спочатку поміщається в апарат, де міра подібності максимальна, а інша стадія може бути реалізована з достатньою мірою подібності тільки в цьому апараті. Тоді, щоб уникнути утворення нової апаратурною стадії переносять першу стадію в будь-якій іншій апарат.

Якщо будь-які продукти не вдасться "накласти" на базовий з достатнім ступенем спільності обладнання (більше половини технологічних стадій доводиться поміщати в нові апаратурні), вони можуть бути згруповані в окремий асортимент, і для них створюється нова ХТС. Після закінчення процедури визначення числа ХТС проектованого виробництва і їх технологічної структури може бути прийнято рішення про організацію виробництва за принципом гнучкої ХТС, тобто виділені групи одночасно випускаються, і визначені необхідні зміни структури системи при заміні однієї групи інший.
Основні методи розрахункуХТС

Ітераційний метод розрахунку хіміко-технологічних систем

В ХТС виділяють фізичні потоки двох видів: технологічні (вони забезпечують взаємозв’язок елементів між собою та взаємодію між системою і навколишнім середовищем) та умовні - це розсіювання (втрати) речовини або енергії в навколишнє середовище, а також внутрішні джерела (стоки) речовини та енергії.

Внутрішні джерела (стоки) речовини та енергії відображають ефекти хімічних та фізичних перетворень, які відбуваються всередині елементів ХТС. Кожному внутрішньому джерелу (стоку) речовини відповідає фіктивний матеріальний потік, а кожному внутрішньому джерелу (стоку) теплоти – фіктивний тепловий потік.

Перетворення вхідних потоків на вихідні (2.1) підкоряються законам збереження маси та енергії, тобто. для кожного елементу ХТС може бути записана система рівнянь МТБ, яка включає в себе наступні незалежні рівняння:

– матеріальний баланс по загальній масовій витраті речовини:



– матеріальний баланс по масових витратах компонентів:



– тепловий баланс:



де – масова витрата речовини і-го потоку; – доля j-го компонента в одиниці загальної витрати речовини (p – число компонентів); – масова витрата k-го фіктивного потоку; – середня питома теплоємність; – температура; – витрата теплоти k-го теплового фіктивного потоку.

При відомих значеннях загальної витрати, температури та складу всіх потоків технологічної схеми із рівнянь (2.1) – (2.3) легко визначити теплові навантаження та масові по компонентні витрати кожного елементу ХТС.

Існує два варіанти формулювання задачі розрахунку параметрів стану технологічних потоків ХТС:

− при заданому наборі змінних вхідних потоків системи та керуючих параметрів кожного елемента ХТС необхідно обчислити значення змінних проміжних та вихідних потоків;

− при заданих значеннях керуючих параметрів та деяких вхідних, проміжних і вихідних змінних потрібно розрахувати інші змінні усіх технологічних потоків системи.

Розглянемо спочатку перший спосіб завдання початкових даних для розрахунку параметрів стану потоків ХТС. В цьому випадку загальне число інформаційних зв’язків ХТС дорівнює M1+M2, де M1 – число рівнянь, які описують залежність між вихідними та вхідними змінними усіх елементів ХТС, M2 – число рівнянь, які задають значення вхідних та керуючих змінних – початкові дані.

Загальна кількість змінних ХТС: N = N1 + N2 + N3, де N1 – число вихідних та проміжних змінних ХТС; N2 – число вхідних змінних ХТС; N3 – число керувань. Очевидно, що M1 = N1, M2 = N2 + N3, тобто число ступенів свободи при першому способі завдання початкових даних завжди дорівнює нулю.

Розрахунок параметрів стану розімкненої схеми зводиться до послідовного однократного розрахунку елементів ХТС відповідно до рівнянь (1.1) та (1.2). Наприклад, для схеми (рис.2.1), заданими являються значення параметрів векторів вхідних потоків X1 (1), X1 (2) та значення параметрів векторів керувань U1,U2,...,U6. З рівняння (1.1) можна знайти Y1 (1), Y2 (1), Y3 (1) . Для цього можуть бути використані спеціальні обчислювальні блоки (програмні модулі, наприклад, підпрограми або процедури), призначення яких – визначення вектора Y по відомих векторах X та U. У відповідності з (1.2), X1 (4) = Y2 (1). Тому можна розрахувати Y1 (4), а потім аналогічно знайти параметри стану потоків елементів 5, 2, 3 і 6.



Розрахунок замкнених схем ґрунтується на розриві зворотних зв’язків. В схемі на рис.2.2 можна розірвати, наприклад, потоки 1, 2, 3 і, таким чином, отримати розімкнену схему. При розриві p-го потоку, який зв’язує k-й блок з l-м, вектор змінних після розриву будемо позначати через Xp * , а вектор змінних до розриву Yp * . Для відповідності режиму в розімкненій схемі режиму в замкненій схемі необхідно, щоб для кожного “розірваного” потоку виконувалось рівняння:



де m - число “розірваних” потоків.

Вектори Yp * (p = 1, 2, 3) на рис. 2.3 а являються деякими

функціями Xp * :



Підставивши (2.5) в (2.4), отримаємо систему нелінійних рівнянь:



Більш зручно цю систему показати у вигляді:



Якщо параметричність усіх потоків однакова і дорівнює m, то для розрахунку схеми (рис. 2.3 а) необхідно розв’язати систему нелінійних рівнянь, порядок якої дорівнює 3m. При цьому на кожній ітерації для визначення лівих частин рівняння (2.7) необхідно розраховувати розімкнену схему рис. 2.3,а в такій послідовності: {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}.


Для вирішення системи лінійних рівнянь можуть бути використанні різні методи: Ньютона; простий або модифікованої ітерації. Для зменшення затрат машинного часу на обчислення лівих частин системи рівнянь (2.7) застосовуються квазіньютонівські методи.



Систему рівнянь (2.7) можна скоротити. Покажемо це на прикладі схеми рис. 2.3 б. Спочатку розраховується сукупність блоків 3, 4, 1, 2; незалежність їх розрахунку бачимо із рис. 2.3. Іншими словами, розв’язується система рівнянь:



Після цього розраховується блок 5, а потім знову сукупність блоків 6, 7, 8 і блок 9. Розрахунок сукупності блоків 6, 7, 8 еквівалентний рішенню системи:



В результаті рішення однієї системи рівнянь порядку 3m ми замінили рішенням двох систем порядку m.

Таким чином, безпосередньо перед розрахунком ХТС необхідно провести аналіз її структури, який полягає у виділенні комплексів, т.ч. сукупностей елементів ХТС, які розраховуються спільно, визначенні оптимальної множини розірваних потоків та визначенні послідовності розрахунку одержаної розімкненої схеми. Методи аналізу структури розглянуті в розділі 3.

При другому варіанті завдання початкових даних, коли задані керування та якісь проміжні, вхідні та вихідні змінні, задача формалізації розрахунку ХТС ускладняється. Вирішення цієї задачі розглянемо на наступному прикладі.

Початкова тверда речовина поступає в апарат-розчинник 1 (рис. 2.4), де проходить її розчинення у воді. Концентрація речовини А на виході із розчинника задана (регламентована змінна). Розчин поступає в реактор 2, де проходить його взаємодія з речовинною В. В результаті реакції утворюється речовина, яка випадає в осад. Речовину А подають в реактор в надлишку, тому на виході із нього речовина В відсутня. Суспензія поступає в перший фільтр 3, після чого фільтрат спрямовують на подальшу переробку, а осад – на відмивку від речовини А у промивник 4 і потім на другий фільтр 5. Фільтрат після підживлення свіжою водою у змішувачі 6 повертається в апарат-розчинник 1. Із проектного завдання відомі керування елементів ХТС, параметри стану потоків 1 та 8, а також склад компонента А в осаді на виході із другого фільтру.

Потрібно розрахувати завдання витрат та концентрацій компонентів у всіх потоках технологічної схеми.

Перед розрахунком схеми необхідно перевірити умову рівності нулю числа ступенів свободи системи Lf .

При першому варіанті постановки задачі Lf = 0. Якщо додатково задано n проміжних або вихідних змінних системи, то таке ж число вхідних змінних повинно бути розрахунковими.

У нашому прикладі маємо дві задані проміжні та вихідні змінні (концентрація компонента А на виході із розчинника та його вміст в осаді). В той же час дві вхідні змінні (витрата води, яка поступає в промивник, та витрата підживлюючої води) є розрахунковими, тому умову рівності нулю числа ступенів свободи системи дотримано.

Замінимо в розглянутій схемі технологічні зв’язки інформаційними потоками (рис. 2.4 б). У кожному вхідному інформаційному потоці всі змінні задані. Вхідними інформаційними змінними можуть бути як вхідні, так і вихідні змінні елемента ХТС. Для кожного елемента ХТС складаємо обчислювальний блок (модуль), який по відомих вхідних інформаційних змінних обчислює вихідні інформаційні змінні. Задані проміжні та вихідні змінні ХТС стануть вхідними інформаційними змінними, а невідомі вхідні – вихідними (розрахунковими) інформаційними змінними.

Таким чином, на відміну від технологічної схеми, в інформаційній схемі з’являються нові потоки. В тих блоках схеми, в яких з’явилися допоміжні вхідні інформаційні потоки, повинні бути добавленні вихідні інформаційні потоки. Так, наприклад, в апараті-розчиннику 1 задана концентрація компонента А у вихідному потоці. Вона є вхідною інформаційною змінною. Одна із змінних потоку 3 повинна бути вихідною інформаційною змінною, наприклад, витрата G3. З рівнянь математичної моделі розчинника, при відомих значеннях G1, C1A, C1H2O, C3A, C3H2O та C2A можна визначити G3, C2H2O та G2:



Якщо розірвати потоки, можна послідовно розрахувати 1 – 6 блоки інформаційної схеми. Потім розв’язується система нелінійних рівнянь відносно змінних у місцях розриву зворотних зв’язків таким способом, як це було описано вище.

Розглянутий метод дуже універсальний та ефективний при розрахунку параметрів стану потоків технологічних схем довільної структури, оцінці чутливості цільової функції проектування до змін деяких параметрів, при оцінці вартості проектної схеми та при оптимізації.





Матричний (без ітераційний) метод розрахунку хіміко-технологічних систем

Якщо залежність між вхідними та вихідними змінними окремого апарату технологічної схеми лінійна, то його математична модель може бути записана в матричній формі:



де [A] – матриця перетворення, або операційна матриця, елементи якої відповідають коефіцієнтам функціонального зв’язку між елементами векторів вхідних (x1, ..., xm) та вихідних (y1, ..., yn) змінних даного апарату.

Елементами матриці перетворення [A] можуть бути коефіцієнти поділу, ступінь перетворення, вихід цільового продукту, ККД, ступінь абсорбції та ін., а також коефіцієнти рівняння лінійної регресії.

Принципи побудови операційних матриць розглянуті нижче. Математична модель ХТС може бути одержана об’єднанням матриць перетворення окремих елементів у відповідності з їх технологічною структурою.

Розрахунок ХТС за допомогою операційних матриць зводиться до побудови еквівалентної матриці перетворення системи, яка виражає взаємозв’язок всіх змінних ХТС та може бути записана таким чином:



де Xk – вектор-строчка вхідних змінних k-го апарату; Y0 – вектор-строчка вихідних змінних системи; [C] – еквівалентна матриця перетворення (або матриця керування зв’язку ХТС), елементи якої відповідають елементам операційних матриць окремих апаратів; n – число апаратів ХТС; T – знак транспонування.

При розрахунку ХТС значення вхідних змінних системи та проектних технологічних та конструктивних параметрів виділяють в самостійний вектор U з відповідною матрицею перетворення [B1]. Так як вихідні змінні системи не впливають на інші параметри, вони можуть розраховуватись окремо після визначення значень проміжних змінних ХТС. Тому математичний опис ХТС можна представити в такому вигляді:



де [C1], [C2], [B1], [B2] – матриці відповідних рівнянь зв’язку; X1 (k) – векторстрічка змінних k-го апарату за виключенням змінних, які входять до вектору U; U – вектор-стовпчик вхідних змінних ХТС та проектних технологічних і конструктивних параметрів; Y – вектор-рядок вихідних змінних ХТС.

Система рівнянь (2.15) являється лінійною, тому розрахунок ХТС за рівняннями (2.15) не вимагає ітераційного уточнення параметрів стану потоків між апаратами. ХТС розраховують в два прийоми: спочатку, в результаті розв’язку системи лінійних рівнянь (2.15a) знаходять вектор проміжних змінних, а потім за рівнянням (2.15б) визначають вектор вихідних змінних технологічної схеми.

Побудову матриць [C1], [C2], [B1], [B2] пояснимо на прикладі спрощеної технологічної схеми отримання етанолу каталітичним окисленням етилену в паровій фазі (рис. 2.5).

В змішувач 1 подають воду, етилен та циркуляційний газ. Одержана газо водяна суміш нагрівається в теплообміннику 2 за рахунок теплоти реакційної суміші та поступає в трубчату піч, яка сполучена з реактором 3. В реакторі відбувається гідратація етилену. Реакційна суміш поступає в абсорбер 4, звідки водний розчин етанолу прямує на очистку, а циркуляційний газ – в змішувач 1.


скачати

© Усі права захищені
написати до нас