Скачиваний:
121
Добавлен:
02.07.2019
Размер:
2.02 Mб
Скачать

«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