Материал: III. хтс
ХИМИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО КАК ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Структура и описание химико-технологической системы
Химическое производство (ХП)- совокупность операций, осуществляемых в машинах и аппаратах, связанных между собой технологическими, энергетическими, информационными потоками и предназначенных для переработки сырья в продукты.
Все части ХП взаимосвязаны, функционируют вместе, обеспечивая получение продукции и выполняя другие функции производства (такие, как управление, снабжение водой, теплом, энергией). (см. 1-ю лекцию)
Такой объект называется также системой.
Система - совокупность элементов и связей между ними, функционирующая как единое целое.
Элемент изменяет входящие в него потоки – их свойства и состояние. Выходящие потоки передаются по связям в другие элементы, в которых происходят последующие изменения потоков. Такая система функционирует как единое целое, перерабатывая входящие в нее потоки в выходящие из нее. Для исследования таких объектов, их свойств, особенностей функционирования развита теория систем.
В химическом производстве элементы - машины, аппараты и другие устройства; связи - трубо-, газо-, паропроводы, которые соединяют машины, аппараты, устройства. В элементах происходит превращение потоков (изменение их состояния - разделение, смешение, сжатие, нагрев, химические превращения и прочее). По связям потоки (материальные, тепловые, энергетические) передаются из одного элемента в другой. Это позволяет представить химическое производство как химико-технологическую систему (в дальнейшем будем также использовать сокращение ХТС).
Химико-технологическая система (ХТС) - совокупность аппаратов, машин
идругих устройств (элементов) и материальных, тепловых, энергетических и других потоков (связей) между ними, функционирующая как единое целое и предназначенная для переработки исходных веществ (сырья) в продукты.
Элемент изменяет состояние потока. Он может быть представлен отдельным аппаратом (реактором, смесителем, абсорбером, теплообменником, турбиной и т.д.) или их совокупностью, производящей какое-то изменение состояние потока. Например, реактор с теплообменником производит изменение химического состава
именяет теплосодержание потока. Степень детализации элемента: один аппарат или совокупность нескольких аппаратов; состав такой совокупности, - зависит от задачи исследований.
В зависимости от цели исследований не все аппараты будут влиять на интересующие свойства ХТС. Если цель исследований - определение производительности, выхода продукта и другие материальные показатели, то теплообменники, насосы и другое оборудование, не изменяющие состав потоков, можно не включать в ХТС. В этом случае говорят, что рассматривается технологическая подсистема производства. Если цель исследований - обеспечение производства энергией, то в ХТС включают энергетическое оборудование как ее элементы, и рассматривают энергетическую подсистему.
Характерные признаки ХТС
1)определенная целенаправленность, т.е. наличие общей цели функционирования всех элементов: системы работает на выпуск определенной продукции;
2)большое количество и ассортимент элементов (аппаратов), связанных материальными, энергетическими, информационными потоками, отсюда и большое число параметров, характеризующих работу ХТС;
3)сложность поведения системы, выражающаяся в том, что изменение режима одного из них отражается на работе других элементов или ХТС в целом, при этом оптимальный режим работы какого-либо элемента не гарантирует наилучшие условия функционирования ХТС;
4)высокая степень автоматизации и компьютеризации процессов
Таким образом, химико-технологическая система представляет собой обобщенную модель химического производства, отображающая его структуру и позволяющую предсказывать те или иные свойства и показатели химического производства. Представив химическое производство как химико-технологическую систему, можно использовать системный анализ для его исследованию, т.е. иметь научный метод его изучения.
Методы исследования ХТ- экспериментальный, моделирование и системный анализ.
Системный анализ - совокупность методов и средств изучения сложныхХТС. Методы:
1)строгие математические, которые основаны на ф/х сущности протекающих явлений в этих процессах и аппаратах - сис-ма управления.
2)эвристические - основаны на опыте эксплуатации установок, на здравом смысле; позволяют сократить размерность задачи
Этапы:
1)выделение элементов, которые определяют интересующие или необходимые свойства ХТС;
2)установление зависимостей выходных потоков от входных для каждого элемента, т.е. получение математического описания его и определение свойств и
особенностей. Поскольку в элементах ХТС происходят превращения потоков, то их описание основывается главным образом на физико-химических и физических закономерностях протекающих в них процессов;
3)выделение связей между элементами, ответственных за проявление интересующих свойств ХТС. Происходит выделение структуры сис-мы (ХТС) - совокупность элементов и их связей.
4)исследование ХТС - расчет показателей, опред-е св-тв(особенностей), изучение эволюции (развития, изменения) ХТС для улучшения ее показателей и свойств. Большое значение здесь имеют эвристические метод.
Моделирование - метод исследования объекта (явления, процесса, устройства) на модели
Модель - специально созданный для изучения объект любой природы, более простой, чем исследуемый, по всем св-вам, кроме тех, которые надо изучить, и способный заменить исследуемый объект так, чтобы получить новую инфу о нем.
физическое, при котором природа модели и исследуемого объекта одинаковы - основано на количественной связи(исследование обтекания самолета воздухом на модели в аэродинамической трубе)
математическое, в котором модель и объект имеют разную физ. природу, но одинаковые св-ва:
реальные (некое физ. устройство)
знаковые (математическое уравнение)
Состав и структура химико-технологической системы
Химическое производство ХТС) состоит из множества аппаратов и устройств, или просто элементов, связанных между собой разнообразными потоками. Исследовать его в целом при всем многообразии его составных частей - задача не только сложная, но и малоэффективная. В этой связи для облегчения изучения структуру ХТС целесообразно в ней выделить 2 типа подсистем, каждая из которых имеет свой отличительный признак: функциональный или масштабный.
Функциональные подсистемы обеспечивают выполнение функций производства и его функционирование в целом.
Т е х н о л о г и ч е с к а я п о д с и с т е м а - часть производства, где осуществляется собственно переработка сырья в продукты, химико-
технологический процесс.
Э н е р г е т и ч е с к а я п о д с и с т е м а - часть производства для обеспечения энергией химико-технологического процесса. В зависимости от вида энергии: тепловая, силовая, электрическая, - может быть представлена соответствующая подсистема.
П о д с и с т е м а уп р а в л е н и я - часть производства для получения информации о его функционировании и 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 них в свою очередь может представлена несколькими видами. Совокупность функциональных подсистем образует состав ХТС.
Компоненты хим. производства:
Переменные компоненты постоянно потребляются или образуются в производстве:
сырье, поступающее на переработку;
вспомогательные материалы;
продукты (основной и дополнительный) как результат переработки сырья;
отходы производства;
энергия, обеспечивающая функционирование производства.
Постоянные компоненты закладываются в производство (оборудование, конструкции) или участвуют в нем (персонал) на весь или почти весь срок его существования:
аппаратура (машины, аппараты, емкости, трубопроводы, арматура);
устройства контроля и управления;
строительные конструкции (здания, сооружения);
обслуживающий персонал (рабочие, аппаратчики, инженеры и другие
работники производства).
Состав химического производства, обеспечивающий его функционирование как производственной единицы:
собственно химическое производство;
хранилища сырья, продуктов и других материалов;
транспортировка сырья, продуктов, промежуточных веществ, отходов;
дополнительные здания и сооружения;
обслуживающий персонал производственного подразделения;
система управления, обеспечения и безопасности.
Масштабные подсистемы выполняют определенные функции в последовательности процессов переработки сырья в продукты как отдельные части химико-технологического процесса. Эти масштабные подсистемы ХТС можно
систематизировать в виде иерархической последовательности - иерархической структуры ХТС (рис. 1).
Рис.1.Иерархическая структура ХТС или схема построения математической модели ХТС
1 ступень иерархии – отдельный аппарат – простейший элемент в структуре ХТС (реактор, абсорбер, ректификационная колонна, насос и прочее); (типовые химико-технологические процессы (механические, тепловые, диффузионные, химические) и локальные системы стабилизации);
2 ступень иерархии – несколько аппаратов, выполняющих вместе какое-то преобразование потока - реакционный узел, система разделения многокомпонентной смеси и так далее (ХТС, соответствующие технологическим цехам или участкам, САУ процессами организационного и технологического функционирования цехов или участков и САУ ХТС);
3 ступень иерархии – совокупность подсистем второго уровня подобно отделениям или участкам производства (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, утилизации отходов).(сложные ХТС, отвечающие химическим производствам целевых или промежуточных продуктов, и САУ организационного и технологического функционирования производств);
4 ступень иерархии – химическое предприятие в целом и автоматизированная информационная система организационного управления предприятием
Иерархическая структура ХТС позволяет на каждом этапе сократить размерность исследуемой задачи, а результаты изучения подсистемы одного производства использовать в исследованиях другого. Представление ХТС в виде иерархической структуры следует рассматривать как способ ее изучения от простого к сложному.