Раздел 3.

3.1.Системный подхол к решению проблем.Понятия:система,подсистема,элемент.Признаки больших систем.Этапы разработки сложных систем. Задачи анализа и синтеза.

Система – совокупность элементов, находящихся в определенных отношениях и связях между собой и образующих определенную целостность.

Система имеющих большое количество взаимосвязей элементов-сложная система.

Любое химическое производство –это система хтс-совокупность аппаратов связанных между собой потоками и функционирующих как единое целое.

Каждая система может быть разбита на подсистему -функциональную часть системы.

Элемент-самостоятельная и не делимая в данных условиях единица.

Потоки или связи системы обеспечивают передачу вещества или энергии между аппаратами.(элементами системы)Элементы подразделяются на основные и вспомогательные .Основные: массообменные ,химические превращения, разделение.

Для повышения эффективной действия хтс применяются вспомогательные элементы: нагрев, сжатие- расширение, изменение агрегатного состояния

Признаки хтс как больших систем.

1.наличие большого количества взаимосвязей и взаимодействий между собой элементов

2.Существование единой цели действия всей системы .Зависимость ее эффективности от изменении происходящих в каждой подсистеме

3. Многоуровневая структура управления.

4.Большие размеры системы, как по числу составляющих ее элементов ,так и по количеству выполняемых ими функций

5.Наличие взаимодействий с окружающей средой

6.Необходимость и возможность высокой степени автоматизации.

Задача анализа-изучение свойств и поведения системы при заданной структуры.

Задачи синтеза-исследование структуры в зависимости от свойств системы

3.2Свойства хтс. Иерархические уровни хтс. Методы анализа.

Свойства ХТС:

1.Надежность –способность системы сохранять заданные параметры функционирования в течении некоторого времени и характеризуется частотой отказов отдельных элементов выполнять и сохранять заданные функции, определяющие работоспособность системы в целом.

2.Усточивость- способность возвращаться в исходное состояние после устранения возмущений вызвавших это состояние .(пример обратимое отравление катализатора)

3.Чувствительность-способность системы реагировать на внутренние и внешнее возмущения ,то есть изменять параметры состояния .Желательно, что бы система была малочувствительна.

Совокупность уровней на которых расположены подсистемы, называется иерархией. Построение иерархии определяется поставленными задачами. Так при проектировании и конструировании машин и аппаратов они могут рассматриваться как сложные системы, состоящие из более простых подсистем и элементов, а при разработке хтс как правило, именно аппараты являются элементами, определяющими нижний уровень иерархии с соответствующими системами автоматического регулирования и управления.

Для химического производства обычно выделяют четыре

уровня иерархии

Первый уровень - это отдельные машины и аппараты, на этом уровне реализуется система автоматического регулирования (САР).

Второй уровнь - машины и aппараты объединяются в отделения или агрегаты, осуществляющие определенную операцию, для управления которыми применяется автоматическая система управления технологическим процессом (АСУТП).

Третий уровень - совокупность отделений образует цеха по производству целевого продукта. управляемые АСУ.

Высший уровень (четвертый) - химическое производство в целом, объединяющее различные цеха и вспомогательные службы. Управление осуществляется от четвертого уровня к первому, для чего на большинстве современных предприятий используют автоматизированные системы управления производством

(АСУП). Для различных уровней иерархии обязательным является наличие обратныx связей, т. е. информации, характеризующей системы, которая поступает от объекта (элемента, подсистемы) к органу управления.

В сложных системах отношение соподчиненности между различными уровнями иерархии сочетается с взаимосвязью между подсистемами одного и того же уровня, что позволяет организовывать комбинированные технологические или энерготехнологические системы.

Подобная иерархичность позволяет связать ближние цели с отдаленными, технические перспективы с социально экономическими, а так же предвидеть последствия функционирования систем вплоть до глобальных масштабов. При этом необходимо помнить о приоритете целей более высокого уровня и, соответственно учитывать влияние функционирования системы на систему высшего ранга, оказываемое за счет внешних связей рассматриваемой системы.

Методы анализа:

1)декомпозиций – разделение на части в зависимости от цели, которые мы ставим перед собой .Производство делим на ряд подсистем ,подсистему можно поделить до уровней элементов(аппаратов)

2)эвристика-совокупность приемов позволяющих интуитивно выбрать правильное решение

3)эволюция последовательное развитие системы от простой к более сложной

В общем случае подсистемы связаны между собой материальными, энергетическими и информационными потоками. Внутренние связи системы будут внешними для подсистем. Внешние связи любой системы можно подразделить на входы, которые принято называть внешние .Связи направленные в системе и реализующие внешнее воздействие и выходы(у),которые называются внешние связи исходят от системы и являются результатом ее функционирования.

Основная задача системы преобразовать входы в выходы.

Кроме целевых конечных результатов выходами системы могут быть и негативные результаты ее деятельности(выбросы в атмосферу ,сточные воды)

Соответствие на выходе системы на ряду с ресурсами необходимыми для ее функционирования различают нежелательные воздействия на систему, нарушающие ее нормальную деятельность ,которая называется внешними возмущениями.

Кроме внешних имеются еще внутренние возмущения.

Таким образом оценкой функционирования системы может служить ее эффективность, которая характеризуется отношением целевых конечных

результатов к ресурсам (материальным и энергетическим), затраченным для получения этих результатов.

Каждая ступень иерархии ХТС характеризуется своими показателями эффективности.:

для реакторной подсистемы -степень превращения сырья, выход продукта,селективность

для каждого элемента хтс существуют соответствующие технологические критерии: степени разделения, коэффициенты извлечения, коэффициенты полезного действия и т. п.

Показателями эффективности отдельных цехов являются расходные коэффициенты по сырью, топливу, электроэнергии, греющему пару, охлаждающей воде в

Расходные коэффициенты в значительной степени характеризуют совершенство функционирования технологического производства и определяют его экономику. Чем ближе расходные коэффициенты к теоретическим, тем совершеннее производство и выше его экономические показатели,

На уровне хте в целом критерием оценки ее эффективности

являются экономические показатели, такие как: производительность, себестоимость продукции, npиведенные затраты, прибыль, рентабельность и т. д. Наиболее универсальным обобщенным критерием является

П={Ц_iВ_i -Зэ

где Ц; - цена i-гo продукта с учетом его качества и дефицентности

В; - годовой объем выпуска этого продукта;

n - общее число продуктов в системе;

3э - суммарные эксплуатационные затраты за год;

3,3Модели хтс и их описание. Обобщенные модели

Любое химическое производство представляет собой систему триад: подсистема подготовки сырья(смешение),реакторная подсистемы(синтез),разделение.

Модели ХТС делятся на обобщенные(качественные) и математические. Обобщенные делятся на операционно-описательные и иконографические.

Операционно-описательные -словесное описание процесса функционирования системы, на практике это технологический регламент.

Иконографические всегда связаны с наглядным графическим изображением, что позволяет получить информацию о способе взаимодействий различных элементов системы.

N2+3H2=2NH3,катализатор железо, Т=430-500⁰С,давление 30 мПа, непрореагировавший азот и водород возвращают в систему.

Иконографические делятся на:

1.Функциональную схему. Она показывает, какие технологические операции и в какой последовательности необходимо осуществить

для реализации химического процесса в промышленном масштабе. Функциональные схемы показываю технологические связи между процессами проходит на всех стадиях процесса. Что бы описать как реализуется функциональная схема, применяют технологическую схему.

2.технологическая схема. Технологическая схема ХТС дает наиболее полное качественное представление об ее организации. Каждый аппарат на ней представляется в виде условного стандартного изображения, а по­токи (связи) - стрелками, соответствующими их направлению. Соотношение размеров aппаратов и расположение их на схеме соответствует реальному. При этом приводится спецификация оборудования. Иногда на этих схемах дается информация о составе по­

токов и технологических параметрах процесса, а также приводится схема автоматического контроля и регулирования.

3.Структурная схема ХТС представляет собой совокупность безымянных пронумерованных блоков и связей между ними, указывающих направление движения материальных или энергетических потоков

4.Операторная схема представляет собой совокупность технологических операторов. Технологический оператор - символ операторов как элементoв системы, в которых происходит качественное Или количественное пpеобразование параметров потоков в результате протекания в них химических или физико-химических

процессов. Любой типовой процесс химической технологии можно

считать типовым технологическим оператором. Операторы подразделяются на две группы: основные и вспомогательные. Основные это технологические операторы химического превращения, межфазного массообмена, смешения и разделения .Они обеспечивают функционирование ХТС в требуемом целевом направлении.

Bспомогательные типовые операторы используют для описания изменений энергетического и фазового состояний технологических потоков. К ним относятся операторы нагрева и охлаждения, сжатия или расширения и изменения агрегатного (фазового) состояния вещества.

Типовой технологический оператор изменения агрегатного состояния вещества соответствует физическим явлениям - конденсации, испарения, растворения и т. п.

схемы широко применяются при автоматизации химических производств.

3.4Классификация хтс по структуре и по типу функционирования во времени.

Для того, чтобы выявить общие свойства различных ХТС их необходимо классифицировать. Единой общепринятой классификации ХТС в настоящее время не существует. При их разработке можно классифицировать ХТС по следующим признакам.

1. По типу функционирования во времени различают периодические, непрерывные, непрерывно-циклические и гибкие хтс.

Периодической называется система,потоки в которой периодически превращаются в нуль.

Непрерывной является система с непрекращающимися во времени количествами потока.

Непрерывно-циклические системы в целом работают в непрерывном режиме, но с циклически изменяющимися (количественно и качественно) потоками.

Гибкими называются быстро перестраиваемые системы в соответствии с внешними или внутренними возмущениями.

2. По структуре ХТС условно можно разделить на системы с открытой цепью и замкнутые. Системы с открытой цепью состоят из элементов и подсистем, через которые потоки проходят лишь один раз. Они характеризуются наличием последовательных, параллельных, байпасных и перекрестных связей. Как правило, эти системы характеризуются высокой степенью превращения исходных веществ. 3амкнугыми называются системы, содержащие хотя бы одну обратнyю связь по потоку сырья или энергии (рецикл). В зависимости от количества рециклов системы могут быть одноконтурными или многоконтурными.

3. По направлению потоков системы делят на четыре группы:

прямоточные, противоточные, с перекрестным током и смешанные.

Прямоток характеризуется однонаправленностью потоков в системе;

при противотоке направления потоков противоположны друг другу.

В смешанном варианте в системе в целом реализуется

противоток, а в отдельных, аппаратах прямоток. Иногда в системах

реализуется перекрестная подача реагентов, когда один компонент

подается сплошным потоком, а второй порционно, перпендикулярно ему от секции к секции.

Связи между элементами.

Структура ХТС - совокупность элементов и связей между ними. Взаимодействие отдельных элементов и подсистем ХТС и внешней среды, без которых не может происходить целенаправленное функционирование хтс, осуществляется благодаря наличию между ними определенной системы технологических связей, каждой из которых соответствует некоторый материальный или энергетический поток, называемый технологическим,

Для ХТС характерны следующие типы технологических связей:

- последовательные;

- последовательно-обводные (байпасы);

- параллельные

- перекрестные;

- обратные (рециклы),

Последовательная технологическая связь: выходящий из одного элемента поток является входящим для следующего элемента, а все они проходят через каждый элемент системы не более одного раза .

Эта связь применяется для увеличения степени использования сырья (каскад реакторов), для улучшения эффективности массообменных аппаратов (последовательная цепочка абсорберов и ректификационных колон).