ХТС
.pdf«Ах, какая замечательная, духо
nодьёмная штука - системный подход!
Любая головоломная ситуация, если ра
зобрать её по компонентам, оказыва
ется не такой уж сложной и вполне разрешимой ".
Б. Акунин. Внеклассное чтение. Роман.
Ч.l. ОЛМА-ПРЕСС, 2002. - 382 С.
ВВЕДЕНИЕ
Организация ПРОИЗВОДС1Ва химической продукции (целевого
продукта) из природного или техногенноro сырья состоит из двух
основных этапов:
- ра.1работка отдельных стадий (подготовка сырья, сингез,
разделение) химико-технологическоro процесса (ХТП);
- создание на основе ХТП химико-технологической системы
(ХТС).
На каждом этапе возникает много вариантов реализации
хтп и постоянно присyrcтвует проблема выбора наилучшего на
учно обоснованного реiпения. Современный подход к эmм про
блемам осиован па использовании мeroдолоrии системного ана
лиза. При этом moбой вариант рассматривается как система, ко
торая может быть представлена в виде подсистем и отдельных
элементов, составляющих ее структуру. Выявление связей меЖдУ
ними и системами боме· 'iЫOOКШ"О уровна вривоДIП К установле-
3
www.mitht.ru/e-library
нию иерархии - структуры, позволяющей управлять как npоцес
сом функционирования системы, так и e~ влиянием на окружаю
щую среду и другие системы.
Системный анализ содержит в себе формализуемую и не формализуемую части идеологии. В предлагаемом методическом пособии мы не останавmmаемся на математическом описанЮ!: хи
мико-технологических систем, которое является основой их мо
делирования и оптимизации. Целью является дать студентам об
щее представлеlШе об идеологии системного подхода примени
телъно к химико-технологическим системам.
В данное пособие вошли материалы ' не включенные в тра
ДJЩИонные учебники по «Основам химической технологию>, но
читаемые в курсе лекций в МИТХТ. ПредЛагаемое пособие пред назначается для самостоятельной раБотыI .С1Удентов всех направ лений бакалавриата.
Глава 1. СИСТЕМНЫЙПОДХОД В ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
СовремеJШая химическая технология включает в себя эле меlПЫ технических (совокупность процессов и аппаратов), есте
ственных (химия, физика) и гуманитарных (сощюлогия, экономи- .
ка) наук. При организации ХТС необходимо обеспечить не только
максимальное получеlШе целевого продукта из данного вида сы
рья, но и решить ряд актуальных проблем:
а) экономии сырья и энергии;
4
www.mitht.ru/e-library
б) ЭКОЛОI'ической безопасности;
В) МИЮL"dального водопотребления;
г) социальной защищенности и многие другие пробле-
мы.
Междисщmлянарный и мноroфукциональный характер хи
мической технологии требуют соответствующих методологиче
ских подходов при ее разработке. Таким методом является сис
темный анализ, КОТОРЫЙ занимается проблемой принятия реше
ний в сиryациях, требующих анaJШЗа сложной IПIформации раз
ной физической природы.
Системный анализ - методология комплексного решения
проблем на основе системного подхода. Задачи., решаемые с по
мощью системного анализа, характеризуются:
-многофункциональностью, Т.е. одновременным решением ряда проблем;
-сложностью самого объекта;
-меЖДИСЦШ1ЛИНарностью;
-ограничешюстью во времени и ресурсах;
-разнородностью факторов, допускающих и не допускаю-
щих количественную оценку.
Один из ОСIЮВОПОЛОЖНИХОВ теорШl систем американский
ученый р.прайс опредеmm: "Системный подход - это подход к
проблеме как к системе"+).
') Цитируется по сл. Oпrnеру «Системный анализ Дf1я ре
шения деловых и промышленных проблем». I Пер. с антл. - М.:
Советское радио, 1969. - 216 с.
5
www.mitht.ru/e-library
Несмотря на видимую тавтологmo в ~TOM определении, оно
достаточно верно характеризует сущность системного подхода.
Система - греческое слово (systёта), буквально означающее
<щелое, состоящее из частей». Оно встречается еще в трудах Пла
тона и Аристотеля. Однако, при переходе к «большим» или
«сложным» системам, это определение оказалось явно недоста
точным. Поэтому необходимо остановиться на nрuзнаках «слож
ных» систем.
Сложные системы отличают, прежде всего, размеры, как по
числу составляющих элемеlПОВ, так и по количеству выполняе
мых функций. Так, система синтеза аммиака МОЩIIO'стьre 360 тыс.
т. В год ВКJПочает 24 aшtарата, связаннЫХ между собой 25 матери
альными ПОТОКами, 94 aIПIарата, которые связьmают 115 энерге
тических потоков, а таюке 11 обратных связей (рециклов) по ма
териальным и энергетическим потокам.
ОдНако не moбая совокупность элемеlfГОВ приводИТ к обра
зовaнmo сложных систем. эти элемеlПЫ доюкны Qbm взаимосвя
заны, и взаимодействовать между собой в процессе Функшюни
рования системы. При этом имеет M~CТO взаимное ВЛИЯIШе всех составных частей как на собственные свойства и поведение, так и на свойства системы в целом. Например, в эндотермическом про
цессе дегидрирования этилбензола в стирол: C6HsC2Hs ~.
С6Н5СН=СН2 + Н2 (D.H >О) используется железооксидный катали
затор, который со временем теряет свою активность. это приво
дит к уменъшенmo выхода стирола и необходимости ПОВЬШJения
температуры процесса. Следовате!'Ьно, требуется скорректиро-
6
www.mitht.ru/e-library
вать режимы работы теплообменников, паРОllерегревателя и рек
тификационных колонн, поскольку из-за изменения условий про
цесса юменпrся селективность И, соответственно, состав рсакци
отюй массы. Отсюда: следствием падения активности катализа тора будет снижение выпуска товарного стирола.
Благодаря объединеюпо элементов в систему и наличшо ме
жду ними взаимодействия, они приобретают новые l<aчества, ко
торыми не обладали в отдельности. это свойство системы назы
вается змердже"т"осltlbю (цеJiостиостъю, mпeгративностью).
ЦеЛОСlllЫМИ назьmают такие свойства и показатели, которые при
сущи только системе как целостному объекту. Они не являются
простой суммой (совокупностью) возможностей ее элементов и
подсистем. Поэтому В зависимоС'IН от влияния эффекта взаимо
действия внутри системы все свойства и показатели могут быть
поделены на две группы: целосmnые и аддитивные. Аддитивны
ми называют такие свойства и показатели систем, которые опре
деляются только возможностями подсисте~ и представляют собой
их сумму. Так, например, приБыль предприятия предсу'авляет со
бой сумму прибылей отдельных цехов по производству продукта.
а выход продукта будет являться иHтeгpaтивHblМ свойством, по
скольку отдельные элементыl и подсистемы производить продукт
не в состоянии, а только при их объединении в соответствующую
систему.
Таким образом, система, имеющая большое КОJШЧество вза
имно связанных и взаимодействующих межд)' собой элементов,
7
www.mitht.ru/e-library
обеспечивающих выполнение системой некоторой достаточно
,
сложной функции, называется сложной системой.
Совокуmюстъ элементов данной системы может рассматри
ваться как ее nодсисте.ма. Обычно подсистемами являются само
стоятельно функционирующие части системы, допускающие раз
ложение на элементы в рамках поставленной задачи. В ХТС они связаны между собой материальными, энергетическими и инфор мационными потоками, образующими 8ltуmpенние связи систе
мы. Связи эm весьма многочислеllliЫ, поэтому важно выделить
основные, т. н. «системообразующие» связи. С ДРУГQЙ стороны,
система связана с окружающей средой и'·другими сиc:reмами при
помощи IJltешних связей. На рис. 1.1 приведена структурная схе
ма сложной системы.
УО
Рис.1.1. Структурная схема сложной системы: 1-5 - подсистемы высшего ранга; 5.1-5.3 - подсистемы низшего ранга; а. б, в - элс
MCHThJ.
8
www.mitht.ru/e-library
8неппrnе связи можно раздеJШТЬ на входы: Х - потоки, на
правленные к системе и реализующие внешние воздействия на сис
тему, и выход.,: У - потоки, исходящие ОТ системы, и прсдстав
ляющие собой результат ее функционирования, воздействия на
другие системы и окружающую среду. Входы и выходы могут быть
как позитивными, так и негативными. Позитивными являются вы
сокое качество сырья, необходимое количество и качество энергии
(Х), выпуск продукта заданного качества (У). Негативными явля
ются сбои в подаче энерrии, нарушение качества сырья (Х), мате риальные и энергетические отходы производства (У).
Решая проблему функционирования системы, т. е. преобразо вания «Входов» в «выходы», необходимо помнить о приоритете це
лей более высокого уровня и, соответственно, учитывать ВJШЯние
функционирования системы на систему высшего раша, оказывае
мое за счет внешних связей рассматриваемой системы. Это осо
бенно наглядно видно при оценке экологии промышленного
предприятия. Если цех сбрасывает сточные воды со следами
соляной кислоты, это плохо, но допустимо (В пределах
ПДК). В случае же если предприятие выпускает еще и орга
ническую продукцию, то это может привести к усилению
негативных последсцшй его функционирования за счет
возможного образования ядовитых компонентов в промето
ках.
Характерным для сложных систем является наличие много
уровневой (иерархической) структуры управления: каждая под
система рассматривается как более простая система (т.е. низшего
9
www.mitht.ru/e-library
ранга), которую МОЖНО представить в виде совокупности еще бо
лее простых взаимосвязанных составных частей. Такое расчлене
ние систем (их декомпозицmo) можно провоДИ1Ъ вплоть до под
систем самого низшего paнra, которые являются элементами.
Таким образом, элементы - это условно неделимые части
системы. Их выделение определяется задачей, которая решается в
данный момент. Так, в зависимости от цели анализа, элементо~
может быть химический реактор или в результате его дальнейшей
декомпозиции, полки с катализатором или зерно самого катализа
тора. При этом сушествеииы не все свойства элемента, а только
те, которые определяют его взаимодейстВие с другИМи 'элем~нта
ми системы или влияют на свойства системы в целом.
НедеJШМОСТЬ элемента - это понятие, но не физическое
свойство. Объекты называют элементами в соответствии с целью
Да1Ъ ответ на конкретный вопрос. Изменение задач исследования
может потребовать разложения элементов на части ИJlli объедине
ния нескольких элементов в один.
Элементы, образующие систему, взаимосвязаны и, благодаря
этому, влияют друг на друга. Это взаимовлияние обусловmmает
свойство системы, называемое uнтерэкmностью.
В свою очередь каждая система входит в качестве подсисте
мы в другую, более крyrшyю и сложную систему старшего ранга.
Так, отдельное производство входит в состав предприятия, пред
приятие - в подотрасль по производству группы продуктов, а она,
в свою очередь, в состав всей отрасли (например, химической
промышленности) и т.д. Совокупность уровней, на которых рас-
10
www.mitht.ru/e-library
положены подсистемы, называется иерархией. Построение иерар
хии определяется поставленными задачами. Так при проектиро
ванин и конструировании машин и аппаратов они могут рассмат
рИВа1ЪСЯ как сложные системы, состоящие из более простых под
систем и элементов, а при ра1работке хте как правило, именно
аппараты являются элементами, определяющими нижний уровень
иерархии с соответствующими системами автоматического регу
JШрования и управления.
для химического производства обычно выделяют четыре
уровня иерархии (СОПОдЧиненности).
Первый уровень - это отдельные машины и аппараты, на
этом уровне реализуется система автоматического регулирования
(САР).
Второй уровнь - машШIbl и arшараты объединяются в отде
ления 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 служ бы. Управление осуществляется от четвертого уровня к первому,
для чего на большинстве современных предприятий используют
автоматизированные системы управления производством
(АСУП). ДЛЯ различных уровней иерархии обязательным являет
ся наличие обратны x связей, т. е. информации, характеризующей
11
www.mitht.ru/e-library
функционирование системы, которая поступает от объекта (эле
мента, подсистемы) к органу управления.
В сложных системах отношение соподчиненности между
разJШЧНЫМИ уровнями иерархии сочетается с взаимосвязью меж
ду подсистемами одного и того же уровня, что позволяет органи
зовывать комбинированные технологические или энерготехноло
гические системы.
Подобная иерархичность позволяет связать БJlliЖНИе цеJШ с
отдаленными, технические перспективы с социально-
экономическими, а таюке предВИДеть последствия функшюниро
ванил систем вплоть до глобальных масштабов. При этом нео.бхо
димо помнить о приоритете целей более высокого уровня и, соот
ветствеJ;ПЮ учитыIать влияние функционирования системы на
систему высшего ранга, оказьmаемое за счет внепших связей рас
сматриваемой системы.
С этим связан следующий признак больших систем - npин
циn единства цели и зависимость ее Эффективности от измене
ний, происходящих в каждой подсистеме. При этом предполага
ется приоритет целей более высокого уровня над подчиненными
целями младшего ранга. Orсюда появляется иерархия целей: цеJШ
высшего ранга расщеIU1ЯЮТСЯ на подцели более низкого ранга.
Там, где ясен уровень, который может быть достшнуг, появляется
задача - цель, определённая количественно и во времени. Напри
мер, цель - разработать ХТС синтеза метанола, а задача - разрабо
тать ХТС синтеза метанола мощностью 700 тыIяч тонн В год к 31
декабря 2004 года.
12
www.mitht.ru/e-library