Контрольные вопросы

1. Назовите основные технико-экономические показатели (ТЭП) химического производства и дайте им определения.

2. Сравните понятия производительность и интенсивность аппарата.

3. Дайте определения понятиям основные и оборотные фонды предприятия, себестоимость продукции, производительность труда.

4. Что такое материальный поток и материально-потоковый граф?

5. Что такое материальный баланс процесса? Поясните на примере.

6. Что такое тепловой баланс? Как он рассчитывается? Приведите при­мер.

Тема 4 системный подход в изучении химико-техноло-гического процесса

4.1. Общие понятия и определения

Производственный процесс на химическом предприятии можно рас­сма­тривать как химико-технологическую систему (ХТС), предназначенную для выпуска химической продукции высокого качества с минимальными зат­ра­тами ресурсов и вредного воздействия на окружающую среду. Для ХТС, как для любой системы применимы все ее основные принципы: возможность независимого рассмотрения системы, отвлекаясь от конкретной ее природы; за­висимость эффективного функционирования системы от ее состава и стру­к­туры, взаимосвязь и взаимообусловленность отдельных элементов системы; возможность изучения системы путем расчленения ее на отдельные элемен-ты; возможность исследования системы на различных уровнях.

В настоящее время имеется множество определений понятия «систе­ма». По нашему мнению, наиболее полная характеристика системы дана в оп­ре­делении С.А. Саркисяна и Л.В. Голованова: «Система – это не просто совокупность множества единиц, в которой каждая единица подчи­няется законам причинно-следственных связей отдельных частей, обуслав­ливаю­­щих выполнение определенной сложной функции, которая и возможна лишь благодаря структуре и большому числу взаимосвязанных и взаимодей­ст­ву­ю­щих друг с другом элементов.

Кроме определений понятия системы, имеется и большое число клас-си­фикаций систем. В.Г. Афанасьев делит все системы на 4 класса.

К первому классу относятся системы, существующие в объективной действительности, живой и неживой природе, обществе.

Второй класс составляют системы концептуальные, идеальные, раз-лич­­ной степени полноты и точности, в большей или меньшей степени адек­ватные реальным системам. Такие системы иногда называют абстракт­ными.

К третьему классу относят системы, которые спроектированы, скон­струированы и созданы человеком для своих целей. Эти системы называют искусственными.

Системы, составляющие четвертый класс, – это смешанные системы, в которых органически слиты элементы, являющиеся естественной или об-ще­ственной природы и элементы, созданные человеком.

Далее мы рассмотрим только системы третьего класса, т.к. все хими-ческие производства от разработки до внедрения созданы человеком.

Дадим определения основных частей любой системы.

Компонент – это часть системы, вступающая в определенные соотно­шения с другими ее частями. Компонентами могут являться любые подси­стемы и элементы.

Подсистема – это составная часть системы, которая сама образована из ком­понентов, имеющих аналогичные свойства. Следовательно, это тоже сис-тема, но более низкого порядка.

Элемент – это часть системы, являющаяся пределом членения в рамках данного качества системы. Она представляет собой элементарный носитель данного качества.

В химическом производстве элементами могут служить отдельные ап­параты (реактор, теплообменник, ректификационная колонна, насос, сепа­ра­тор, компрессор и т.д.). Это справедливо, если в качестве системы рассма­т­­ри­­вается производство, цех, отделение, т. е. любая часть технологии.

Например, представим себе установку ЭЛОУ-АВТ, как систему. Тогда блоки ЭЛОУ, АТ, ВТ, вторчной переработки бензинов можно представить как подсистемы более низкого порядка. В свою очередь, подсистема (блок) АТ включает такие элементы, как две ректификационные колонны, трубчатый подогреватель, печь и ряд насосов, емкостей, теплообменников и т.д.

Системный подход включает три уровня изучения системы:

1. Собственный уровень, т.е. изучение общего поведения системы, ее основных характеристик, исключая вопросы структуры;

2. Высший уровень, на котором изучаемая система рассматривается в ее взаимодействии с другими системами, например, с окружающей средой;

3. Низший уровень, когда исследуются все элементы и внутренние связи системы, эффективность функционирования ее отдельных элементов, выявляются ее недостатки, определяется степень влияния низшего уровня структуры на общие свойства системы и т.д.

Целостные системы, в т.ч. и ХТС, характеризуются специфическими связями и отношениями, среди которых наиболее зачимыми являются координация и субординация.

1. Координация отражает пространственную, горизонтальную упоря­до­ченность составляющих частей системы, т.е. взаимодействие компонентов одного уровня организации.

2. Субординация отражает вертикальную упорядоченность, которая предусматривает подчиненение и соподчинение разноуровневых составляю­щих системы.

К числу основных свойств любой системы, в т.ч. и ХТС, можно отнести наличие:

- подсистем или элементов;

- взаимосвязей и отношений между элементами и средой;

- разнотипных связей;

- существенных связей;

- структуры отношений и взаимосвязей;

- цели, которая достигается функционированием системы;

- среды, в которой функционирует система;

- единства функции и структуры (т.е. структура определяет функцию, и наоборот – функция определяет структуру, которые вместе образуют диалек­тическое единство);

- организации внутри структуры (иерархия);

- целенаправленности поведения;

- способности сохранять цель во времени;

- способности к эволюции;

- самоорганизации;

- способности к выбору цели;

- способности к самосознанию.

Любая система третьего класса обладает только первыми одиннад­ца­тью свойствами. С другой стороны, если технологическая установка обладает отмеченными свойствами, то она является системой. И тогда к ней примени­мы все системные закономерности, в т. ч. и методология их создания.

Рассмотрим более подробно указанные свойства по отношению к химическому производству в том порядке, как они перечислены.

1. Любое химическое производство может быть разделено на подси­стемы и элементы. В частности, если рассматривать завод, то подсистемой может быть цех или отдельная технологическая установка. Элементами в данном случае являются машины и аппараты.

2. Между цехами и даже отдельными аппаратами (элементами) сущест­вуют материальные, энергетические и информационные связи. Эти связи особенно выражены в непрерывном производстве. Такое производство связа­но с другими системами, одни из которых поставляют сырье, энергию, воду и т. д., а другие потребляют продукты и отходы. Эти системы отображают среду, в которой существует данное производство.

3. Среди разных видов связей в химическом производстве матери­альные и энергетические являются главными, т. к. разрыв хотя бы одной из них может привести к прекращению функционирования производства. Химическое производство не может содержать изолированные аппараты, т. е. каждый аппарат (реактор, колонна, теплообменник и т. д.) из всего множест­ва аппаратов состоит с ними в определенных отношениях, по крайне мере с одним таким аппаратом, а тот с другим и так далее.

4. Химическая отрасль, как и любая ее часть, обладает еще опреде­ленной структурой отношений и взаимосвязей. В частности, в рамках отра­сли есть определенные отношения между объединениями и заводами в виде взаимной передачи сырья и продуктов. Это же можно отнести и к цехам, но в рамках одного предприятия.

5. Любое производство либо создается для получения необходимых продуктов, либо выделено из отрасли для выяснения, например, возможности его реконструкции.

6. Поскольку любое химическое производство может функционировать только при непрерывной поставке сырья, энергии, воды из других произ-водств, то отсюда следует, что оно может работать только в среде, т. е. при наличии других систем.

7. Любое производство базируется на конкретной технологии, опреде­ляющей его структуру. Для производства тех или иных продуктов создается определенная технология, отражающая структуру. И наоборот, производство определенной структуры может выпускать только определенную продукцию.

8. Внутри любого производства имеется своя иерархия, например, за­вод–цех–отделение–установка–аппарат. Это же отражается и в технологии.

9. Производство работает таким образом, чтобы выпускать определен­ные продукты или полупродукты.

10. В зависимости от того, как протекают процессы во времени и про­странстве, возможно либо непрерывное, либо периодическое их функциони­рование. Если процессы протекают в одном аппарате и распределены во вре­мени, то такие установки являются установками периодического действия. Если же каждый процесс протекает в своем аппарате, а все они осу­щест­вляются одновременно, то такие установки являются установками непрерыв­ного действия.

11. Если установка непрерывная, то она длительное время (до уничто­же­ния) будет выпускать единожды заданные продукты. Периодические установки также выпускают определенную продукцию, но дискретно во времени.

12. Все существующие технологические установки совершенствуются и, следовательно, изменяются, но сохраняют при этом поставленную цель. При этом, как правило, изменения в одной подсистеме или элементе влечет за собой в других взаимосвязанных элементах или подсистемах.

Отсюда следует, что все рассмотренные двенадцать свойств, полно­стью относятся к любому подразделению отрасли и поэтому они могут быть отнесены к системам.

Все химико-технологические системы обладают характеристическими свойствами. К ним относятся: надежность, чувствительность, управляемость, устойчивость, помехозащищенность, эмерджентность, интерэктность и т. д.

Под чувствительностью обычно понимают свойства системы изме­нять технологические режимы функционирования под влиянием изменения собственных параметров системы и внешних возмущающих воздействий.

Управляемость – это свойство системы достигать желаемой цели (за-данного состава продукции, производительности в каждой подсистеме и т. д.) при тех ограниченных ресурсах управления, которые имеются в реальных условиях эксплуатации.

Устойчивость – это способность системы возвращаться в исходное со-стояние после прекращения действия возмущения.

Помехозащищенность – это способность системы эффективно функци­онировать в условиях действия внешних и внутренних помех.

Наиболее важной характеристикой ХТС является ее надежность. Это свойство системы характеризуется частотой отказов отдельных ее элементов выполнять и сохранять заданные функции, выпускать требуемую продукцию в заданных пределах времени.

Перечисленные выше характеристики свойственны как системам, так и подсистемам, и отдельным ее элементам. Такие характеристики, как эмерд-жентность, и интерэктность относят только к системам.

Под эмерджентностью понимают способность системы приобретать новые свойства, которые отличаются от свойств отдельных элементов, обра-зу­ющих эту систему.

Интерэктность – это способность элементов, образующих систему, вза­имодействовать между собой в процессе ее функционирования.

Основные положения системного подхода следующие:

- любой объект исследования следует рассматривать как систему;

- от состава и структуры системы зависит ее функционирование;

- нельзя изучать отдельные элементы системы в отрыве от других, по-скольку между ними существует обратная связь

- полное знание отдельного элемента не означает полное знание всей системы в целом;

- для изучения состава и структуры системы используется метод де-композиции (расчленение целого на части);

- для изучения свойств системы используют метод стратификации.

Стратифицированное (послойное) представление о системе используют в связи с невозможностью детального описания ее из-за множества свойств самой системы и ее элементов, а также неоднозначного их поведения при изменении условий функционирования.

Основу ХТС составляет производственная (операционная) система, в которой производится химический продукт. Производственная система иерар­хична по своему составу и, как всякая другая система, включает элементы высшего и низшего рангов. К элементам высшего ранга относят подсистемы, т.е. совокупность отдельных ее частей (операторов), объе­диненных единой технологической целью с относительной автономией в рам­ках ХТС. Подсистемы операционной химико-технологической системы включают следующие блоки (установки):