2. Общие принципы системного анализа организации экологически чистых производственных процессов и аппаратов

2.1. Технические и химико-технологические системы (тс и хтс)

Системный подход характеризуется представлением объектов разной природы в виде системы взаимодействующих элементов, выбором математической модели и исследованием ее на ЭВМ. Инструмент системного подхода, прежде всего, моделирование - логическое, математические, машинное, организационное.

Отнесение тех или иных инженерных объектов к системам условно и связано с тем, насколько существенны комплексные общесистемные факторы, что зависит как от свойств самой системы, так и от задач, ради которых ведется ее разработка [1].

Всякая система состоит из взаимосвязанных и взаимодействующих между собой и с внешней средой частей. Химическая система включает: собственно химический процесс, аппарат для его реализации, экобиозащитный узел (блок), средства для контроля, управления и связи основного и вспомогательного процессов. Соответствующие промышленные процессы протекают в так называемых химико-технологических системах (ХТС), каждая изкоторых - совокупность процессов и аппаратов, объединенных в единый производственный комплекс для выпуска продукции разного назначения [2-6].

Технология (греч. lechпe - искусство, мастерство, умение + /ogos) - совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, применяемых в процессе производства продукции; наука о способах воздействия на сырье, материалы и полуфабрикаты соответствующими орудиями производства [7]. Иными словами, технология - способ производства и/или переработки продукции с прибороаппаратным оформлением [8].

Технuка - совокупность средств человеческой деятельности, созданных для осуществления процессов производства и обслуживания непроизводственных потребностей общества [7].

Под технической системой понимается совокупность методов и средств человеческой деятельности, созданных и направленных для реализации инженерных задач в разных сферах деятельности. Цель проектирования технических систем - не только достижение требуемой производительности и качества получаемой продукции, но и обеспечение экологической и промышленной безопасности эксплуатации и обслуживания ХТС. Разработка безопасных ХТС реализуется в ходе системного инженерно-конструкторского проектирования, иначе - системой автоматизированного проектирования (САПР). Правила, порядок разработки и оформления графической и текстовой документации устанавливаются комплексом стандартов Единых систем конструкторской (ЕСКД) и технологической документации (ЕСТД) - ГОСТ 2. 111-68 «ЕСКД. Нормоконтроль» и ГОСТ 3.1120-83 «ЕСТД. Общие правила отражения и оформления требований безопасности труда в технологической документации».

2.2. Уровни и иерархии организации производственных процессов

Системный анализ - стратегия изучения сложных систем, в частности, промышленных процессов в производстве, коммунально-городском хозяйстве, в строительстве и других отраслях.

В основе стратегии системного анализа лежат следующие общие положения: четкая формулировка цели исследования; постановка задачи по реализации этой цели и определение критерия эффективности решения задачи; разработка развернутого плана исследования с указанием основных этапов и направлений решения задачи; пропорционально-последовательное продвижение по всему комплексу взаимосвязанных этапов и возможных направлений; организация последовательных приближений и повторных циклов исследований на отдельных этапах; принцип нисходящей иерархии анализа и восходящей иерархии синтеза в решении составных частных задач [8].

Основной метод исследования ХТС - математическое моделирование. Наряду с моделями отдельных аппаратов используют модель всей системы ввиду взаимовлияния процессов, протекающих в отдельных аппаратах. Предполагается, что аппараты, обеспечивающие реализацию высокоэффективных малоотходных и энергосберегающих технологий, являются элементами (подсистемами) одной большой установки. Анализ структуры такой системы связан с декомпозицией ее элементов и подсистем, выявлением их устойчивых взаимоотношений и обычно проходит в две стадии: первая включает математическое моделирование отдельных подсистем, так называемое макроисследование, вторая - микроисследование элементов подсистем. На второй стадии изучают процессы, протекающие в машинах или агрегатах, и совершенствуют используемое оборудование [9].

Математическое моделирование используется на уровне как отдельных процессов и аппаратов, так и их совокупностей. В модели должны учитываться принципы наилучшего использования сырья, повышения качества целевого продукта, рационального применения энергии, транспорта, информации, экологической защиты.

Процессы, например, порошковых технологий отличаются большим ассортиментом продуктов, которые можно получить из одного и того же сырья, разнообразием оборудования для получения одного и того же продукта, динамикой промышленных выбросов (газообразных, жидких и твердых), специфическими условиями их хранения и дальнейшей переработки (области использования). Поэтому за элемент системы принимают обычно технологическую операцию, включающую несколько физико-химических процессов. Превращение исходного сырья в промежуточный продукт и затем в конечное изделие происходит в результате нескольких операций, совокупность которых образует конкретную подсистему.

Учитывая условие агрегации таких подсистем в ХТС, можно ввести следующие уровни иерархии рассматриваемого производства порошковых материалов (ПМ) (табл. 2.1):

На рис. 2.1 представлен вариант системы уровней на предприятиях жилищно-коммунального комплекса (ЖКК) - в виде графа, вершиной которого являются вторичные энергоресурсы (ВЭР), получаемые в процессах с применением твердых (Т), жидких (Ж), газообразных (Г) веществ и лучевой энергии (Л), т. е. электромагнитных волн (второй уровень). Третий уровень определяет вид предприятий сервиса (ПС), на которых исследуются технологические процессы с использованием ВЭР - химчистки (Х), стирки (С), крашения (К), образующих четвертый уровень. На пятом уровне задействуется технологическое оборудование, работающее в режиме рекуперативных теплообменников-машин химчистки (МХ), пароманекенов (ПМ), гладильных прессов (ГП), гладильных катков (ГК), сушильных барабанов (СБ), сушильных камер (СК) и смесительных теплообменников - стиральных машин (СМ) и красильных барок (КБ). На шестом уровне графа задействовано энергосберегающее оборудование: сепаратор-расширитель (СР) для образования пара вторичного вскипания из отработавшего пара (пароконденсатной эмульсии), охладителя конденсата (ОК), рекуператора сточных вод (РСВ) для использования теплоты технологических сточных вод (промстоков) стиральных машин и красильных барок. Граф показывает элементы системы теплотехнологии: вторичные энергоресурсы (ВЭР), операторы получения и использования ВЭР и результирующую системы - показатель по экономии теплоэнергетических ресурсов (ЭТЭР), для которых необходимы исследования зависимостей выхода тепловых ВЭР от параметров и расходов первичных теплоносителей на предприятиях ХСК.

Таким образом, системный анализ - не только стратегия изучения сложных ХТС, но и научная основа резкого сокращения сроков nромышленной реализации лабораторных разработок. В качестве метода исследования в нем используется математическое моделирование, а основным принципом является декомпозиция сложной системы на более простые подсистемы (принцип иерархии системы). В этом случае математическая модель системы строится по блочному принципу: общая модель подразделяется на блоки, которые довольно просто отображаются математическими описаниями.

При этом необходимо помнить, что все подсистемы взаимодействуют, образуя обобщенную (единую) математическую модель.

Необходимо принимать во внимание, что элементы верхнего уровня иерархии - отрасли или завода - связаны взаимно и с окружающей средой многочисленными подсистемами для транспорта сырья, энергии, полупродуктов и т.п. Они также содержат многовариантные подсистемы для закупки, распределения, хранения сырья, продуктов, сроков ввода новых объектов и т.д.

Для решения задач на верхнем уровне предложено использовать технико-экономические линейные модели, которые отражают взаимосвязь по линии «сырье - продукты» (пример типовой системы изображен на рис. 2.2):

J = 1, 2, ..., т; ; = 1, 2, ..., п.

где с; - количество -того вещества-сырья; т - число технологий (производственных систем); aij - коэффициент эффективности переработки -того продукта в j-той подсистеме; аб < О, если; - сырье; aij> О, если; - продукт производства; а - характеризует матрицу преобразования вещества в результате реализации технологий; Ху - количество вещества, перерабатываемого в j-той подсистеме; g; - количество -того вещества – продукта производства; S; - количество сырья; d; - требуемое количество -того сырья; Р; - ограничение по мощности j-той подсистемы; п- число различных веществ в системе (сырье, полупродукты, продукты).

Аналогичные модели можно построить и для других балансовых величин - энергии, стоимости. Используя соответствующую целевую функцию, можно найти требуемые оптимальные решения.

Для решения задач на среднем и нижнем уровнях иерархии (с учетом применения для процессов предварительной подготовки и последующей переработки ПМ самой разнообразной аппаратуры, которую желательно рассматривать в свете функционирования всей технологической линии, т.е. решать основную задачу ХТС) необходимо иметь в виду следующее.

Анализ основных процессов подготовки и переработки ПМ (проведен на примере стекольных шихт) показал, что обобщающей стороной технологии является процесс активации сырья (механической, химической, термической или их совокупностью) с целью повышения показателей эффективности процесса стекловарения (интенсификация процесса плавления, повышение производительности печи, прогнозирование свойств стекол, снижение безвозвратных потерь компонентов). В связи с этим выделяют пять основных (приоритетных) подсистем, обладающих, с одной стороны, полной автономностью, с другой - тесной взаимосвязью в рамках рассматриваемой технологии (рис. 2.3) и имеющих следующие цели: .