охт (6sem) / методички митхт / хтс

Среди задач, возникаюЩИХ в связи с исследованиями слож­

ных систем, можно выдешrrь два основных класса: задачи синте­

за - выбор струюуры и значений параметров, исходя из заданных

свойств системы; задачи анализа - изучение свойств и поведения

системы в зависимоС1И от её CYpyкrypы и значений параметров.

Примениreльно к химической технологии, эти 'задачи можно

mпeрпретировать как

-проектирование и создание новых пронзводств,

-эксплуатация действующих производств, их mпeнсифика-

ция и повышеlПlе эффеКТИВНOC'lИ функционирования.

Системный анализ содержит в своем составе формamrзуе­

мую (математическую) и не формализуемую (логическую, эври­

стическую) части методологии. Формализуемой является та часть,

которая может быть формально описана (npоаналюирована, ре­

шена) с помощью математического аппарата и ЭВМ. эти методы

позволяют выбирать опrnмальные решения, исходя из заданного

критерия и ограничивающих условий, т. е. решать задачи опти­

мизации. Но такие взжнеЙIПие этапы системного анализа, как вы­

бор цели и способов ее достижения не могуг бьnъ формализованы

и решаются с помощью эвристических, эвоmoционных и деком­

позиционных методов..

Эврuсnшческuе меmoдь, (от греческого слова heurisko - на­

хожу) базируются на знaшm фундаментальных законов, размыш­

лениях, догадках, соображениях специалистов, основанных на их

опыте.

13

www.mitht.ru/e-library

Эволюционные методы предопредеJlЯ!OТ последовательное

развитие системы от простой к более сложной.

Декомпозиция предполагает расчленение на части системы

(Т. е. выделение подсистем и элементов) с целью ее детального

анализа и выявления соответствующих связей. Этот процесс в на­

стоящее время не формализован и ност эвристический характер.

Следует иметь в ВИДУ, что уровень декоМnозlЩИИ зависит ОТ цели,

исходной информации и накладьmаемых ограничений. В резуль­

тате получаются разные модели и описания ХТС.

Правильное вьщеление подсистем позволяет упростить и об­

легчить анализ СИ(.,'тем. Например, для сиСтемы, состоящеЙ..из n =

20 элементов, число связей п(п - 1) = 380. Разобьем систему на

четыре подсистемы по пять элементов: nJ= 5. Тогда число связей между элементами одной DОДСИстемы nl(nl - 1) = 20, а в четырхx

подсистемах будет 80. межэлементных внутренних связей. Под­ системы имеют между собой 12 связей. Таким образом, в расчле­ ненной системе можно рассматривать веето 92 связ~. Следова­

тельно, ее исследование значительно упростится.

Главные npинциnы системного подхода:

1) представление объекта как системы, исслсдование ее

структуры;

2) определеlШС целей фушщионировшшя системы и соответ­

ствия цслей отдельных подсистем и элементов ФУНКЦИОlUlpова-

нию системы в целом;

14

www.mitht.ru/e-library

3) оnpеделеJше тех свойств элементов, которые влияют на

функционирование системы в целом и определяют ~ взаимодей­

ствие с окружающей средой и другими системами;

4) раССМО1рсние внсиших связей, уч~ их влияния на функ­

ционирование системы и последствия её воздействия на другие

системы;

5) сочетание индуктивного (от частного - к Общему) и де­

дуктивного (от общего - к частному) мeroдов исследования в со­

ответствии с иерархической струюурой системы и поставленной

задачей;

6) выявление целостных (эмерджентных) и аддитивных

свойств и показателей функционирования системы.

Глава 2. химико-ТЕ>'1ЮЛОГИЧЕСКАЯ

СИСТЕМА КАК сложнАЯ СИСТЕ}.{А

2.1. Признакн ХТС как сложной системы

Xumuko-mехНQлогическая система - совокупность взаимо­

связанных технологическими потоками и действующих как одно

целое аппаратов, в которых осуществляется определёЮIaЯ после­

довательность технологических операций по переработке исход­

ного сырья в целевые продукты с участием химических превра­

щеНИЙ.

хте как сложная система харакгеризуется следующими

признаками:

1) БОЛЬJШiе размеры системы как по числу составляющих её

элементов, так и 00 количеству выполняемых функций;

15

www.mitht.ru/e-library

2) взаимосвязь подсистем, их взаимодействие в процессе

функционирования и взаимное влияние как на собствеЮlые свой­

ства, так и на свойства системы в целом;

3) многоуровневая (иерархическая) cтpyкrypa управления;

4) существоваНие единой цели действия всех подсистем и

зависимость e~ эффективности от изменений, происходящих в

каждой подсистеме;

5) наличие взаимодействия с внешней средой и функциони­

рование в условиях воздействия случайных факторов.

6) необходимость и возможность высокой степени автомати­

зации с применением управляющих ЭВМ.

Системный анализ предполагает эвоmoционнъlЙ подход при

разработке химико-технологических систем от химического взаи­

модействия до ХТС в целом.

При разработке ХТС анализ исходного сырья позволяет

предположить различные вариантыI (альтернативы) его перера­

ботки в требуемый продукт, что является исходным пунктом для

разработки химической концеrщии метода. На OCHOB~ исследова­

ния равновесия и кинетики процесса, расчета материальных и те­

Iшовых балансов, разрабатывается химический реактор, органи­

зуемый впоследствии в реакторную подсистему. В соответствии с

выбранным альтернативным методом химической переработки,

появляются требования к ИСХОдНому сырью, и рождается система подroтовки сырья. В зависимости от получаемых в реакторе фаз

разрабатьmаются подсистемы разделения непрореагировавшего

сырья и продуктов с их последующей очисткой.

16

www.mitht.ru/e-library

Таким образом, химическое проюводство можно предста­

ВlПЬ в виде триады подсистем, работаюmиx на достижеЮtе еди­

ной цеШf (рис. 2.1).

Непрореагировавшее сырьё

Исходное				Продукты

2 3

cыpь~

Отходы

Рис. 2.1. Crpyктypa классической ТРИaдJ:>1 химического I1РО­

кзводства: 1 - подготовка сырья, 2 - реакторная подсистема, 3 - подсистема разделения.

Каждая подснстема содержит множество основных н ВСПО­

могательных аппаратов, в которых реализуются фкзические, фи­

зико-химические и химические процессы.

На составы внугренвих потоков (ma-л.?РИалъных, энергетиче­

ских, ШlформациоШlЫX) каждой подсистемы накладываются ог­

РaIOfЧения, обусловленные химическим и фазовым равновесием;

кинетическими и ГИДРОДШIамИ'lескими факторами; требованиями к качеству продуктов н сырья. Эrи ограничения должны быть вы­

явлены в процессе разработки химико-техиологическоro процес­

са, который затем организуется в химико-технологическую сис­

тему. При отсутствии определеШiЫХ оrpаничений исследование

сложных систем в полном объеме может оказаться неразреши:мой

задачей.

17

www.mitht.ru/e-library

Например, для системы из n элеменroв КОJПfЧество возмож­

ных связей между ними составляет n(n-l ).В простеAmем случае,

если возможны только БШlарные взаимодействия, (СВЯЗЬ есть или

нет), КOJшчество возможных состояний системы 2n(O-I). для n == 10 n(n - 1) =90; при этом 290 = 1,3'1027. Следовательно, исследовать

такую систему перебором всех соcroяний практически невозмож­

но. Для простых систем в отсутствии связей для n = 10 для изуче­

ШIЯ совокупности из n элемеlПOВ необходимо всего 1О исследова­

ШfЙ.

Некоторые из ограничений (граничные значеШIЯ температу­

ры, давлеmщ КОIЩенrpзций и Т. п.) легко устанавливaI01'C}l в ре­

зультате исследования или по mrreрarypным источникам. Другие

трудно опредеmnь, например, границы экстраполяции результа­

тов эксперимента, зависимость BьmycKa IIpOДУКЦИИ от стратегии

рынка, допустимые границы качества продукта и ПОлупрОДУКТОВ

ит.д.

Система ограничений формируется в результате формализа­

ции условий решения проблемы в виде равенств или неравенств, а

по жесткости требований разJШЧaIOТ ограничения обязательные

ИJШ подлежащие yroчненшо в ходе разработки хтс.

2.2. Свойства химнко-технолоrических систем.

Оценка эффеКТИВНОСТИ функционирования ХГС должна вюno-

чатъ учет надежности как отдельных элементов и подсистем, так И

системы в целом. Надежность ХТС должна обеспечить: безопасность

18

www.mitht.ru/e-library

раБо1ы обслуживающего персонала и оборудования, регламентиро­

ванное время непрерывной работы между Шlановыми остановками на

предупредительный ремонт и профилактику оборудования, произво­

дительность и качество целевого продукга, собmoдсние норм по за­

щите окружающей среды. Особешю актуальны вопросы надежности

хтс при эксплуатации агрегатов большой единичной мощности, ко­

гда ОТICаз moбoго элемепra приводит к серьезным экономическим и

экологическим последствиям.

Экономические потери, связанные с производственными не­

поладками, СКЛадыВаются из потерь прибыJпl (вследствие пре­

кращения производства продукции) и непроизводительных затрат

на остановку агрегата, ликвидацию последствий остановI<И., не­

плановый ремонт оборудования и ПУСk агрегата после устраненИя

неполадок

llадf!жносmь - это способность системы сохранять заданные

параметры функционирования в течение определешlOГО времени и

характеризуется частотой ОТICазов отдельных элемептов вьmол­

нять и сохранять заданные функции, определяющие работоспо­

собность системы в целом.

Нен3,f!.~ЖНОСТЬ системы проявляется в частичной ИJШ полной

потере ~ работоспособности. lIри разработке ХТС необходимо

обеспечmъ ~ высокую эксплуатационную надежность. При этом

уровни надежности принять1Х решений будут разJШЧНЫ. Эro связа-

но с нетоЧНОСIЯМИ исходных дшrnых для проектирования, зависи­

мостей, применяемьrx при расчt:тах, значений кинетических и тер­

модинамических пара.~етров рассматриваемь1Х химических сисгем,

19

www.mitht.ru/e-library

Кроме того, нельзя точно пре.цугадатьИ четко определmъ все

условия, в которых будет функционировать система. Может про­

изойти непредвидешюе изменение параметров, воздействующих

на систему извне (например, появление примесей в сырье, изме­

нение темперmypы охлаждающей воды в холодильниках и Т. п.),

или измененmI внутри каких-то элемену:>в и подсистем (например,

дезактивации катализатора).

Учитывая все выше сказанное, причины отказов*) в хте

можно объединить в следующие три группы: проеК1НО­

конструкторские, производcmеШlо-изroтовительные, эксплуатаци­

онно-технологические.

ПроеЮnНD-l<о.нстрУЮnOРСI<UЙ отказ возникает вследствие

неоовершенcmа исполъзуемыХ методов разработки :хте и конст­

руирования оборудования, нарушенmI установлеlШЫX npавШl при' npоектировании, а также ошибок проектировщиков и конС1рУКТО­

ров.

ПРОU380дс1tl8енно-uзгОnWtJumeлЬН61U' отказ возникает вслед­

ствие нарушения и несовершенства технологических процессов из­

готовления оборудоваиия, качества монтажа профШlзктического

обслуживания, подготовки к пуску агрегатов.

Эl<сnлуаmaцuонно-mexнологuчесЮlй отказ возНJD{ает вслед­

ствие нарушения регламентироваШIЫХ значенийпараме1рОВ хими­

ко-технологического процесса, прзвШl н условий эксплуaraци.и

оборудования, износа оборудования и коммуникаций, из-за ненс­

правнОС1И оборудовання:, износа оборудования и коммуникаций,

*) Отказ - выход из CIpоя или существенное ухудшеlШе фym<-

ПИ()НИn()RЯНИЯ систеМЫ.

20

www.mitht.ru/e-library

из-за иеисправности системы КОIПpоля и управлеШIЯ, а таюке не­

предусмотренных В9здеЙствий окружаюшей среды и ошибок об­

служивающего персонала.

При проектировании хте расчет надежности производится

для периода эксплуатации в регламентном режиме в течение за­

данного времени. По истеченmo заданного времени mrreнсИвность

отказов возрастает из-за износа оборудования. Аналогичным обра­

зом возрастает шrreнсивность отказов и в начальный, пусковой пе­

риод из-за неисправностей и нарушений технологmt, связанных с

ошибками проектирования и трудностями освоения производства.

Въumление продо~льности этих периодов определяет сроки

проведения профилактичсских (планово-предупредительных) ре­

монгов, а также кaпиraлъного pCMolrra. Чем больше период безот­

казной работы, тем более надежной считается система.

Надежность ХТС связана с ихусmОЙЧU(Jосmью. Устойчивость

- инreгративное (т. е. присymее системе в целом) свойство тобой сложной системы. Для того чтобы сложныIe системы были устой­ чивыми, В них должен существовать механизм обеспечения устой­

чивости. Однако, при любых механизмах существует некий предел

воздействия, которое система может перенести, после чего насту­

пает ее перерождение и гибель.

В любом технологическом процессе реализуемый режим под­

вержен случайным колебаниям (возмущениям). В химических про-

изводствах изменение температуры, давления, активности ката.JШ­

затора и других факторов существенно влияет на технологические

параме1рЫ процессов, протекающих в элементах системы, наруша-

21

www.mitht.ru/e-library

ет нормальное функционирование и при:водкr к изменешпо "оказа­

телей эффективности как отдельных элементов, так и системы в.

целом.

усmoйчuвосmь - это способность хте возвращаться в ис­

ходное (стационарное, установившееся) состояние после устране­

IШЯ возмущеlIИЙ, вызвавDIИX выход системы из ЭТОГО CQСТОЯНИЯ.

Примером устойчивосm системы является обратимое отРав­

леЮIе катализатора.

к

"'\	{-
\	t
\	I
J)." I	1.

\	\		I
			I
	.\		I
		~----~---------+
		I	I
дТо		I . &Те	I

Рис. 2.2. Изменение константы CKOPOcm реа.кщш (К) во вре­

мени: l-при обратимом О1'р8ВлеНЮl, 2-npи необраm­

мом отравлеmm, 3-при восстановлении aкnmHocm;

~toпериод отравлешщ ~t8период вОСстановления

активности (яд в реакционной смеси oтcyrcтвyeт).

Активность КaтaJПDатора снижается при появлении яда в ре­ акционной смеси (1), но восстанавливается после очистки смеси от

его присугствия (3). При необратимом отравлении активность ка­

тализатора не восстанавливается даже после вьшода примеси (2). В

данном случае каталигическая система является неустойчивой.

Механизм устойчивости в хн;: реализуется благодаря нали­

чюо обратных связей в системе управления.

22

www.mitht.ru/e-library