Глава 4

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД В ИЗУЧЕНИИ
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО 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 элементы; 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 класси­фикаций систем. В.Г. Афанасьев делит все системы на четыре класса.

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

Второй класс составляют системы концептуальные, идеальные, различ­­ной 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 человекомдля своих целей. Эти системы называют искусственными.

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

Далее рассмотрим только системы третьего класса, т.к. все химические производства от разработки до внедрения созданы человеком.

Дадим определения основным частям 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 установку ЭЛОУ-АВТ как систему. Тогда блоки ЭЛОУ, АТ, ВТ, вторичной 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 значимыми 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 подчинение 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. Но если технологическая установка имеет отмеченные свойства, 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. любой аппарат (реактор, колонна, теплообменник и т. д.) из всего множест­ва аппаратов связан, по крайней мере с одним другим аппаратом.

4. Химической отрасли, как и любой ее части, присуща еще опреде­ленная структура 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 в 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, изменение в одной подсистеме или элементе влечет изменение 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 относится 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 – этоспособность 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 характеристики свойственны как системам, так и подсистемам и отдельным ее элементам. Такие характеристики, как эмерджен­т­ность, и интерэктность относят только к системам.

Под эмерджентностью понимают способность системы приобретать новые свойства, которые отличаются от свойств отдельных элементов, образу­ющих 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).

4.2. Химико-технологическая система
как объект моделирования

Химическое производство в целом можно рассматривать как функци­ональную систему, представляющую совокупность технологических узлов или объектов (аппаратов, комплексов аппаратов, цехов, заводов), в каждом из которых осуществляется некоторый технологический процесс или несколько процессов (рис. 4.1).

z₁ z₂ z₃

x₂ Объект y₂

x₃ y₃

u₁ u₂ u₃

Рис. 4.1 Структура объекта

Вне зависимости от сложности объектов или узлов они находятся под вли­янием различных факторов (параметров, переменных). Совокупность пара­метров, которые воздействуют на объект, делится на входные – х₁, х₂,, …, х_п; выходные – y₁, y₂, …y_n; управляющие воздействия (управление) – и₁, и₂, …, и_п; возмущающие воздействия – z₁, z₂, … z_n.

В качестве таких объектов, узлов выделяют отдельные повторяющиеся аппараты (реакторы, массообменные аппараты, теплообменники и т. д.) и их элементы, последовательности аппаратов и их комплексы (реактор-регенера­тор, реакционно-ректификационные установки, абсорбер-десорбер и т.п.).

Все узлы системы объединены технологическими потоками или ком­му­никациями, которые называются связями. Поток, входящий в технологи­чес­кий узел, является его входом, выходящий – выходом. Одна и та же связь может быть выходом из одного узла и входом в другой. Способ производства рассматривается как последовательное описание операций, протекающих при определенных условиях в определенных аппаратах. Такое описание называ­ется технологической схемой. Технологическая схема дает полную информа­цию об аппаратах, потоках, автоматическом регулировании параметров про­цесса и включает следующие данные:

– количество и химический состав исходных, промежуточных, вспомо­гательных и конечных продуктов, т. е. содержит все сведения, необходимые для составления материального баланса по производству в целом;

– термодинамические и физико-химические показатели всех веществ, т.е. содержит все сведения для составления энергетического баланса произ­водства в целом;

– последовательность отдельных операций и процессов;

– типы, число и взаимосвязь применяемых машин и аппаратов;

– способы автоматического регулирования всех потоков и контроля параметров, при которых происходит процесс.

Таким образом, технологическая схема отображает процессы тепло- и массообмена и способы управления этими процессами.

Технологическая схема, включающая аппараты, материальные потоки, энергоснабжение и т.д., является изоморфным отражением физической сис­темы. Изоморфными называют такие системы, в которых сохраняются соот­ношения между составляющими их элементами.

Объекты химической технологии разнообразны по сложности, типам вклю­ченных аппаратов и физической природе процессов. При этом они могут состоять из большего или меньшего числа элементов, взаимосвязанных между собой.

Для изучения сложных систем их расчленяют на отдельные звенья. Та­кой метод изучения называется декомпозицией. Степень необходимой де­ком­позиции зависит от сложности объекта (комплекса).

Химико-технологическая система может быть представлена различ­ными моделями: символическими, математическими, иконографическими, топологическими, блочными и сетевыми.

Каждая модель имеет свою степень абстракции. В проектировании ча­ще всего используют иконографические модели в виде технологических схем.
В связи с широким внедрением ЭВМ в последнее время в практику ис­сле­дований СХТС вошли более абстрактные матричные модели.

ХТС можно представить в виде топологической структуры – графа с указанием входных и выходных переменных.

Ориентированный граф, вершинами которого являются технологи­чес­кие звенья (операторы), а дугами – технологические связи, носит название топологической структуры схемы производства или графа производства. Обычно сложный технологический граф, соответствующий сложной техно­ло­ги­ческой системе, является комбинацией различного числа элементарных структур (последовательных, параллельных и охваченных обратной связью).

4.3. Операторы

Функционирование подсистем складывается из функций операторов – простейших элементов подсистемы. Операторами в ХТС называют химичес­кие и физические процессы, с помощью которых осуществляется последова­тель­ное превращение исходного сырья в товарный продукт. Функцией опера­тора в подсистеме является преобразование физических параметров входя­щих в него материальных и энергетических потоков (состав, температура, давление и др.) в соответствующие параметры выходящих потоков. К приме­ру, оператор «нагрев» повышает температуру потока от Т_вх до Т _вых, а опера­тор «реакция» А В снижает концентрацию реагента А от С _Ао до С _Ак и уве­ли­чи­вает концентрацию продукта В от С _Во до С _Вк. Таким образом, с позиций моделирования каждой технологической операции соответствует свой оператор. На рисунке 4.1 показаны обозначения различного типа операторов.

Типовые технологические

операторы

Основные технологические Вспомогательные технологические операторы операторы

Химиче- Межфаз- Смеше- Разде- Нагрев Сжатие Изменение агрегатного

ское пре- ный мас- ние ление состояния вещества

вращение сообмен

Рис. 4.2. Обозначения операторов

Технологические операторы подразделяются на основные и вспомога­тельные. К основным относят операторы химического превращения, меж­фаз­ного массообмена, смешения и разделения, а к вспомогательным – опера­то­ры, изменяющие энергетическое и фазовое состояния технологических по­то­ков. Функционирование ХТС как целого осуществляется по линиям связей между элементами.

В любой ХТС устанавливается основное направление движения мате­риальных потоков. Нумеруя узлы модели ХТС, всегда придерживаются этого направления. При этом потоки, идущие из узлов с меньшими номерами к уз­лам с большими номерами, называют прямыми, а идущие в обратном напра­в­лении – обратными.

В качестве параметров, характеризующих качество структурной схемы при представлении ее графом, можно выделить следующие: связность графа, ранг элемента, множество сочленения.

Эти параметры позволяют распределить элементы схемы в порядке их значимости. Значимость элемента определяется количеством связей данного элемента с другими. Исходя из общего определения понятия мно­жества сочленения, его можно трактовать так же, как некоторый струк­турный параметр, указывающий на состояние системы при удалении элемен­тов, т.е. при удалении каких элементов системы она перестает сущест­вовать как единое целое.

На рисунке 4.3 а приведена схема разделения, а соответствующий ей ориен­тированный граф – на рисунке 4.3 б.

2 5

4 8 10 1