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 (рисунок 4.1).

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 их элементы, последовательности аппаратов и их комплексы (реактор-регенератор, реакционно-ректификационные установки, абсорбер-десорбер).

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, то есть содержит все сведения, необходимые для составления материального баланса по производству в целом;

– термодинамические и физико-химические показатели всех веществ, то есть 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, 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 ХТС 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).