Информационные потоки используются в системах контроля и управления процессами и производством. Используются электрические провода и тонкие, капиллярные, трубки в пневматических системах.

Структура связей. Последовательность прохождения потоков через элементы ХТС определяет структуру связей и обеспечивает необходимые условия работы элементов системы. Основные типы структуры связей показаны на рис. 3.2. Здесь прямоугольники представляют элементы, линии со стрелками – связи и направления потоков.

Последовательная связь (схема 1 на рис. 3.2). Поток проходит аппараты поочередно. Применение: последовательная переработка сырья в разных операциях, более полная переработка сырья последовательными воздействиями на него, управление процессом путем необходимого управляющего воздействия на каждый элемент.

Разветвленная связь (схема 2 на рис. 3.2). После некоторой операции поток разветвляется и далее отдельные потоки перерабатываются различными способами. Используется для получения разных продуктов.

Связи в химико-технологической системе: 1 – последовательная; 2 – разветвленная; 3 – параллельная; 4, 5 – обводная (байпас) простая (4) и сложная (5)\ 6 обратная (рециркуляционная) – рецикл полный (6, 9) и фракционный (7, А), простой (6) и сложный (9)

Параллельная связь (схема 3 на рис. 3.2). Поток разветвляется, отдельные части его проходят через разные аппараты, после чего потоки объединяются. Если мощность некоторых аппаратов ограничена, то устанавливают несколько аппаратов параллельно, обеспечивая суммарную производительность всей системы. Другое применение такой связи – использование периодических стадий в непрерывном процессе. В этом случае поочередно работает один из параллельных аппаратов. После завершения рабочего цикла одного аппарата поток переключают на другой аппарат, а отключенный подготавливают к очередному рабочему циклу. Так включены адсорберы с коротким сроком службы сорбента. Пока в одном из них происходит поглощение, в другом сорбент регенерируют. Еще одно назначение параллельной схемы – резервирование на случай выхода из строя одного из аппаратов, когда такое нарушение может привести к резкому ухудшению работы всей системы и даже к аварийному состоянию. Такое резервирование называют «холодным», в отличие от резервирования, обусловленного периодичностью процесса, – «горячего».

Обводная связь, или байпас (схемы 4 и 5 на рис. 3.2). Часть потока, не поступая в аппарат, «обходит» его. Такая схема используется в основном для управления процессом. Например, в процессе эксплуатации теплообменника условия передачи теплоты в нем меняются (загрязнения поверхности, изменение нагрузки). Поддерживают необходимые температуры потоков байпасированием их мимо теплообменника. Величину байпаса р определяют как долю основного потока, проходящего мимо аппарата: р = Vб/Vо (обозначения потоков показаны на рис. 3.2). Различают простой (схема 4) и сложный (схема 5) байпасы.

Обратная связь, или рецикл (схемы 6–9 на рис. 3.2). Часть потока после одного из аппаратов возвращается в предыдущий. Через аппарат, в который направляется поток Vp, проходит поток V больший, чем основной Vо, так что V = Vo+ Vp. Количественно величину рецикла характеризуют двумя величинами: кратностью циркуляции Кр= V/Vо и отношением циркуляции R = Vp/V Очевидно, R= (Кр – 1)/Кр.

Если выходящий из аппарата поток разветвляется, и одна его часть образует обратную связь (схема б), то такая связь образует полный рецикл – составы выходящего потока и рециклирующего одинаковы. Такую схему используют для управления процессом, создания благоприятных условий для его протекания. В цепных реакциях скорость превращения возрастает по мере накопления промежуточных активных радикалов. Если на вход реактора вернуть часть выходного потока, содержащего активные радикалы, то превращение будет интенсивным с самого начала.

Возможен возврат (рецикл) части компонентов после системы разделения Р (схема 7). Это – фракционный рецикл (возвращается фракция потока). Широко применяется для более полного использования сырья. В синтезе аммиака в реакторе превращается около 20% азотоводородной смеси. После отделения продукта – аммиака – непрореагировавшие азот и водород возвращают в реактор. При неполном превращении реакционной смеси в реакторе в схеме с фракционным рециклом достигается полное превращение исходного вещества. Фракционный рецикл используют также для полного использования вспомогательных материалов. В производстве аммиака азотоводородная смесь получается с большим содержанием С02. Его абсорбируют раствором моноэтаноламина (МЭА), который быстро насыщается диоксидом углерода. Насыщенный раствор МЭА рециркулирует через десорбер, где отделяется С02 и восстановленный моноэтаноламин возвращается в абсорбер. К фракционному рециклу можно отнести схему 8. Свежая смесь нагревается в теплообменнике теплом выходящего из реактора потока. Рециркулирует тепловая фракция потока (а не компонентная, как в схеме 7).

Схемы 6–8 представляют собой простой рецикл, а схема 9 – сложный.

Приведенные выше типы связей присутствуют практически во всех ХТС, обеспечивая необходимые условия их функционирования.

Исследование системы, в том числе ХТС, предполагает, что вначале она будет представлена моделью. Уже из определения системы как совокупности элементов и связей между ними представляется целесообразным представить ее в виде схемы, графически. С другой стороны, качественные и количественные показатели ее функционирования могут быть отражены словесным и математическим описаниями (моделями) происходящих в них процессов (здесь понятие модели трактуется несколько шире, чем было строго определено в разделе «Математическое моделирование»: описание процесса, его схема – также модели ХТС). Модели ХТС можно разделить на две группы: описательные (в виде формул, уравнений) и графические (в виде схем и других графических изображений). В каждой из названных групп также можно выделить несколько видов моделей, различающихся по форме и назначению:

А. Описательные модели: химическая; операционная; математическая;

Б. Графические модели: функциональная; технологическая; структурная; специальные.

Здесь перечислены не все виды моделей, применяемых при исследовании ХТС, а только те, которые будут использованы далее.

Химическая модель (схема) представлена основными реакциями (химическими уравнениями), которые обеспечивают переработку сырья в продукт.

Синтез аммиака из водорода и азота представлен одним химическим уравнением:

ЗН2 + N2 = 2NH3.

Производство аммиака из природного газа (метана) требует проведения нескольких химических реакций:

СН4 + Н20 = СО + ЗН2 – конверсия метана с водяным паром;

СО + Н20 = С02 + Н2 – конверсия оксида углерода;

ЗН2 + N2 = 2NH3 – синтез аммиака.

Получение серной кислоты из серы протекает через следующие превращения:

S2+ 2O2 = 2S02 – сжигание серы;

2S2 + 02 = 2S03 – окисление диоксида серы;