Химическое производство состоит из десятков и сотен разнородных аппаратов и устройств, связанных между собой разнообразными потоками. Исследовать его в целом при огромном многообразии его составных частей – задача не только сложная, но и малоэффективная. Представив химическое производство как химико-технологическую систему, проведем дальнейшую систематизацию частей производства, представленных в структуре ХТС. Цель систематизации – выделить подсистемы ХТС для их исследования и изучения. Будем выделять подсистемы по двум признакам – функциональному и масштабному.

Функциональные подсистемы обеспечивают выполнение функций производства и его функционирования в целом.

Технологическая подсистема – часть производства, где осуществляется собственно переработка сырья в продукты, химико-технологический процесс.

Энергетическая подсистема – часть производства, служащая для обеспечения энергией химико-технологического процесса. В зависимости от вида энергии: тепловая, силовая, электрическая – может быть представлена соответствующая подсистема.

Подсистема управления – часть производства для получения информации о его функционировании и для управления им. Обычно это – автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП).

Примерно так же функциональные подсистемы представлены в технической документации по производству. Напомним, что в зависимости от цели исследований каждая из подсистем может быть представлена несколькими видами. Совокупность функциональных подсистем образует состав ХТС.

Масштабные подсистемы выполняют определенные функции в последовательности процессов переработки сырья в продукты как отдельные части химико-технологического процесса. Как и в структуре математической модели процесса в реакторе, масштабные подсистемы ХТС также можно систематизировать в виде их иерархической последовательности – иерархической структуры ХТС (рис. 3.1).

В структуре ХТС минимальный элемент – отдельный аппарат (реактор, абсорбер, ректификационная колонна, насос и прочее). Это – низший масштабный уровень I. Несколько аппаратов, выполняющих вместе какое-то преобразование потока, – элементы подсистемы II масштабного уровня (реакционный узел, система разделения многокомпонентной смеси и т.д.). Совокупность подсистем второго уровня как элементы образуют подсистему III уровня (отделения или участки производства, например в производстве серной кислоты – отделения обжига серосодержащего сырья, очистки и осушки сернистого газа, контактное, абсорбционное, очистки отходящих газов). К этим же подсистемам могут относиться водоподготовка, регенерация отработанных вспомогательных материалов, утилизация отходов. Совокупность отделений, участков образует ХТС производства в целом. Описанное выделение подсистем условно. В каких-то задачах выделение подсистем, элементов может быть иным.

Иерархическая структура химико-технологической системы

Иерархическая структура ХТС позволяет на каждом этапе сократить размерность исследуемой задачи, а результаты изучения подсистемы одного производства использовать в исследованиях другого. Иерархическую последовательность масштабных подсистем можно выделить также в функциональных подсистемах.

Проведем дальнейшую систематизацию элементов ХТС. 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 и 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-утилизатор 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).

Несмотря на относительность признаков назначения элементов ХТС, приведенная классификация элементов позволяет проводить исследования более систематично.

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.