2 Сущность системного подхода. Типовые задачи анализа, синтеза и управления хтс

Разработка технологии производства основного органического синтеза — многоэтапный процесс, характеризующийся различными техническими и организационными мероприятиями. На каждом из этапов разработки технологии возникает множество вопросов, ответы на которые могут быть найдены только в результате достаточно глубокого исследования как функционирования отдельных аппаратов или установок, так и всего производства. Такая совокупность методов, включая системный подход, представляющая логически стройную последовательность операций разработки и проектирования сложных систем, называется системотехникой. Системотехника обеспечивает взаимосвязь между фундаментальными областями науки и технологии, а также максимально эффективное использование теории на практике. Разработка любого реального химико-технологического объекта базируется на анализе комплекса химических, физико-химических, механических, теплотехнических и экономических явлений, характеризующих все процессы, поскольку производство нельзя рассматривать как сумму отдельных технологических операций и процессов. Каждый отдельный агрегат производства непосредственно или косвенно влияет на другие узлы. В частности, нельзя разрабатывать технологию разделения сложных смесей, не учитывая узел химического превращения сырья, и, наоборот, нельзя не учитывать особенности разделения реакционной смеси при создании реакторного узла. Решение этих задач осуществляется на основе системно-структурного анализа, рассматривающего каждую операцию как часть всего сложного процесса получения продукта ООС. В задачи системно-структурного анализа входят:

• разработка формализованных моделей, описывающих структуру, функции и свойства систем;

• характеристика иерархического строения систем и взаимосвязей объектов различных уровней;

• определение общих свойств системы, исходя из свойств составляющих ее подсистем;

• определение интегральной функции системы на основе функций отдельных элементов.

Многоуровневый подход к решению сложных задач, таких как разработка и проектирование производства ООС, как правило, является важным методом в системотехнике. Таким образом, разработку технологии производства, как химико-технологической системы, осуществляют по следующим этапам:

- согласование и распределение материальных и энергетических потоков, определение общей нагрузки на аппараты;

-выбор и расчет технологического оборудования;

-определение затрат на все производство и рассмотрение различных вариантов технологических схем;

-окончательный выбор технологической схемы производства.

Системный подход является междисциплинарным. В связи с этим для его применения в настоящее время развиваются три области системных исследований:

-создание универсальных систёмных концепций — разработка общей теории систем;

-развитие системного подхода — разработка методологических подходов для исследования систем разного типа (общая междисциплинарная методология);

- развитие системного анализа — набора методологических приемов для решения сложных задач со слабовыраженной структурой.

Для решения конкретных задач, например при создании технологии, выделяют четыре основные этапа системного исследования:

-анализ изучаемой технологии и определение иерархической структуры, т. е. выделение уровней элементов и взаимосвязей между ними на основе фундаментальных знаний, экспериментальных данных и опыта;

-формализация знаний о рассматриваемой технологии и ее элементах, принятие разумных упрощений с целью получения математического описания;

-реализация математического описания с использованием средств вычислительной техники в виде комплекса прикладных программ;

-идентификация математических моделей, т. е. установление степени соответствия результатов, полученных на модели и на реальном объекте.

Проектирование обозначает составление проекта, т.е. плана будущих изменений. Таким образом, под это понятие попадает не только создание новых производств и реконструкция существующих, а также модернизация действующих производств, т.к. какие-либо изменения на производстве обязательно должны сопровождаться составлением проектной документации вне зависимости от того, происходит ли замена части технологической схемы либо монтаж дополнительной линии трубопровода. В связи с этим, само понятие проект будет иметь ряд разновидностей, требования к каждой из которых четко определены в соответствующей нормативной документации.

Каждый проект ХТС должен содержать:

1. Технологическую топологию ХТС (технологической топологией называют характер и порядок соединения отдельных аппаратов технологической схеме);

2. Диапазоны изменений значений входных переменных, которыми являются физические параметры входных потоков сырья, а также параметры окружающей среды, влияющие на процесс функционирования ХТС;

3. Диапазоны изменений значений технологических параметров ХТС (степени превращения, степени разделения компонентов, констант скоростей химических реакций, коэффициентов тепло- и массопередачи и т.д.);

4. Конструкционные параметры ХТС (размеры аппаратов, высоты слоев насадки и т.д.);

5. Рекомендуемые параметры технологического режима работы элементов ХТС (температуры, давления, типы катализатора и т.п.);

6. Параметры технологических потоков, обеспечивающих работу ХТС в заданном режиме (температуры, давления, расходы, состав потоков и т.п.).

Для того, чтобы получить указанные выше параметры необходимо решить ряд задач синтеза ХТС, анализа ее структуры, расчета и оптимизации. Синтез ХТС — это операция выбора типов элементов и структуры технологических связей между ними, определения параметров элементов и технологических потоков системы, которые в конечном счете обеспечивают оптимальное значение критерия эффективности.

Анализ ХТС — это операция изучения свойств и эффективности функционирования системы в зависимости от структуры технологических связей между подсистемами и элементами, от значений технологических и конструкционных параметров, технологических режимов элементов.

Задача синтеза ХТС в общем случае формулируется следующим образом: известны элементы, из которых может быть построена система, сырье и целевые продукты. При решении задачи синтеза требуется разработать структуру ХТС, требуемую для реализации технологического процесса, т.е. необходимо выбрать элементы из числа имеющихся; установить связи между ними; определить конструктивные и технологические параметры элементов ХТС. Обычно задача синтеза является многовариантной, т.е. одни и те же значения выходных параметров могут быть обеспечены при различной структуре системы и разных режимах функционирования элементов. Следует отметить, что задача синтеза имеет особенности для проектирования нового производства (ХТС) и для реконструкции существующего. Суть отличий заключается в том, что при создании новой ХТС обычно имеется много возможностей выбора элементов и связей между ними, а при реконструкции ХТС требуется сохранить все или часть ее элементов, а также все или часть связей между элементами. Задачи анализа ХТС подразделяются на анализ структуры ХТС и анализ качества функционирования ХТС. Основная цель анализа структуры ХТС заключается в выявлении ее структурных особенностей и нахождение оптимальной последовательности расчета ее элементов, а цель анализа качества функционирования ХТС – получение количественных оценок ее основных свойств: чувствительности, надежности, устойчивости и т.д. Задача расчета ХТС заключается в получении количественных характеристик как режимов функционирования элементов ХТС, так и всей системы. Задача оптимизации ХТС является комплексной, т.к. она включает в себя как оптимизацию структуры, так и оптимизацию режимов функционирования элементов. Основной целью оптимизации ХТС является обеспечение наиболее высоких технико-экономических показателей. Т.о.между задачами синтеза, анализа, расчета и оптимизации существует взаимосвязь, т.к. при создании нового или реконструкции существующего производства сначала выполняется синтез нескольких альтернативных вариантов ХТС, анализируется их технико-экономические показатели, а затем производится поиск оптимального варианта.