4.8. Системный подход к разработке технологии производства

4.8.1. Методологические принципы

Разработка технологии химического производства – это многоэтапный процесс, включающий технические и организационные мероприятия. На каждом из этапов разработки возникает множество вопросов, решения по которым могут быть найдены только в результате глубокого и всестороннего исследования, как функционирования отдельных аппаратов, так и всей технологической системы в целом. Такая совокупность методов, включая и системный подход, представляет собой логически стройную последовательность этапов разработки и проектирования сложных систем и носит название системотехника.

Системотехника обеспечивает взаимосвязь между фундаментальными областями науки и технологией, а также максимальное использование достижений теории на практике. И это может быть осуществлено только на системной основе. Системотехника объединяет специалистов разных профилей для решения сложной задачи. Наиболее эффективно такие задачи могут решать опытные инженеры-химики-технологи широкого профиля.

Разработка любого реального химико-технологического объекта базируется на анализе комплекса химических, физико-химических, механических, теплотехнических и экономических явлений, характеризующих все процессы. Это связано с тем, что производство нельзя рассматривать как сумму отдельных технологических операций и процессов. Каждый отдельный агрегат производства непосредственно косвенно влияет на другие узлы или аппараты. В частности, нельзя игнорировать технологию разделения сложных смесей, не учитывая подсистему химического превращения сырья, и, наоборот, нельзя не учитывать особенности реакционной смеси при создании реакционной подсистемы. Решение этих задач складывается на основе системно-структурного анализа, рассматривающего каждую операцию как часть всего сложного процесса получения химического продукта.

В задачи системно-структурного анализа входят:

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

– характеристика иерархического строения систем и взаимосвязей различного уровня;

– определение общих свойств системы исходя из свойств составляющих ее подсистем;

– определение интегральной функции системы на основе функций ее отдельных элементов.

Следует отметить, что многоуровневый подход к решению сложных задач, таких как разработка и проектирование химического производства, как правило, является важным методом в системотехнике.

С системных позиций технологическая операция задается набором характеристик, функций и структурой.

Определение материальных и энергетических потоков с заданными свойствами и параметрами, а также параметров работы отдельных аппаратов позволяет оценить как характеристику, так и структуру любой подсистемы технологического объекта. При этом имеется в виду, что рассматриваемый объект предназначен для выполнения определенной функции, то есть осуществления конкретных операций, итогом которых является получение какого-либо продукта или полупродукта. Все это необходимо учитывать при разработке новой технологии.

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 технологической схемы;

– окончательный выбор технологической схемы производства.

Выполнение первого этапа возможно только после изучения химических превращений, физико-химических свойств разных материальных композиций, образующихся на всех этапах, и выявления возможных ограничений.

Ранее было отмечено, что каждую химическую технологию, как систему, следует рассматривать как единство противоположностей: целостности и расчлененности.

Расчлененность отражает одну из общих сторон структуры системы и характеризуется тремя признаками: качественной спецификой частей системы; числом частей, на которые можно расчленить систему; их взаимным расположением в пространстве и во времени.

При рассмотрении любого производства как сложной системы предварительно необходимо изучить связи между элементами системы (аппаратами), выявить совокупность управляемых и неуправляемых параметров, способных влиять на показатели разрабатываемого процесса. К ним относят составы потоков, их расходы и температуры, температуру и давление в аппаратах, количество подводимого и отводимого тепла, параметры теплоносителей и хладагентов. Это те показатели, от которых прежде всего зависит протекание химического превращения сырья, полнота и концентрация выделяемых продуктов, энергетические и капитальные затраты на производство товарных продуктов.

При разработке и исследовании сложных систем, характеризующих любой технологический объект, выделяют чаще всего два класса основных задач:

– задачи синтеза, состоящие в выборе структуры и значений параметров на основе заданных свойств системы;

– задачи анализа, связанные с изучением свойств и поведения системы в зависимости от ее структуры и значений параметров.

Синтез ХТС – это операция по выбору типов элементов и структуры технологических связей между ними, определению параметров элементов и технологических потоков системы, которые в итоге обеспечивают оптимальное значение критерия эффективности.

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

При синтезе ХТС могут решаться следующие задачи химической технологии:

– определение оптимального маршрута синтеза целевых продуктов из различных исходных веществ, используя известные типы реакций;

– при заданном химическом маршруте синтеза целевых продуктов из исходных веществ определение топологии ХТС (выявление технологической схемы), выбор параметров элементов и потоков, которые будут обеспечивать функционирование системы при оптимальном значении критерия эффективности;

– при заданных типах и свойствах её элементов, обеспечивающих осуществление различных технологических процессов, выбор элементов и определение структуры технологических связей ХТС, при которой будет достигаться оптимальный показатель эффективности;

– определение технологической схемы разделения, параметров элементов и технологических потоков при заданных типах разделительных элементов.

При разработке технологии химического производства и проектировании отдельных цехов или их совершенствования, а также при определении оптимальных режимов работы отдельных аппаратов и правильной их взаимосвязи в технологической схеме задачи анализа этих систем интерпретируются как оценка возможных вариантов отдельных комплексов или схемы в целом. Именно сопоставляя различные характеристики, можно получить первое представление о преимуществах и недостатках различных вариантов технологических схем.

Сходные проблемы возникают при проектировании реакторного блока, в котором могут быть реализованы несколько конструктивных вариантов реакционных устройств, несколько вариантов подвода или отвода тепла, несколько способов разделения реакционной массы и катализатора, несколько схем выделения целевого продукта.

Вместе с тем, необходимо принимать во внимание все ограничения при создании производства в целом и различных его подсистем в частности. Они могут быть связаны как с особенностями физико-химических свойств веществ и их композиций, участвующих в процессе, так и обусловлены технологическими факторами. При этом в первую очередь надо определить допустимые пределы изменения входных и выходных параметров, то есть выделить соответствующие ограничения для подсистем и всей системы, которые обусловлены:

– диаграммой фазового равновесия смеси;

– химической стабильностью и термической стойкостью компонентов при их разделении;

– концентрацией выделяемых целевых продуктов;

– пределами изменения концентрации исходной сырьевой смеси;

– возможностью применения определенного теплоносителя и/или хладагента в теплообменной аппаратуре;

– возможностью использования параметров определенной величины, например температуры или давления;

– конструктивными особенностями аппаратов.

Кроме того, при окончательном выборе варианта технологической схемы ХТС необходимо учитывать, что эффективность функционирования её зависит не только от топологии и параметров отдельных элементов, но и характеристических свойств всей системы. Среди них, как уже подчеркивалось, наиболее существенной для многотоннажных непрерывных производств является надежность. Поэтому очень важным является умение ее оценивать.