Философия науки и техники. Учебное пособие

ют функциональные связи между элементами технической системы, представляющие собой определенные математические зависимости. Например, рассмотрим функциональную схему электрической цепи. Это графическая форма ее математического описания. Порядок расположения элементов соответствует поточной электрической схеме.

Поточная схема состоит из отдельных элементов (блоков): емкостей, индуктивностей, идеальных источников тока и напряжения. Они получены путем идеализации конструктивных элементов электрической цепи: резистора, катушки индуктивностей, конденсатора. Каждому элементу соответствует своя математическая операция. Емкостному сопротивлению – интегрирование, а индуктивному – дифференцирование. Связь между ними устанавливается в результате прохождения тока через цепь и выражается законами Кирхгофа.

Поточные схемы служат для описания естественного процесса, протекающего в инженерном объекте. Блоки этих схем выражают различные действия, которые выполняются над естественным процессом. Поточные схемы могут отображать физические, химические и биологические процессы или потоки информации. Например, в теории электрических цепей поточная схема отображает электромагнитный процесс, который протекает в электротехническом устройстве. Например, сопротивление отражает потери электрической энергии в цепи в результате ее перехода в другие виды энергии – тепловую, химическую. Этот процесс выражается зависимостью физических параметров элементов, например, зависимостью напряжения от силы тока или электрического заряда от напряжения.

Структурные схемы в классической технической теории фиксируют конструктивное расположение элементов и связей системы. Это теоретический набросок, который перерастет в будущий проект. Блоки этих схем фиксируют конструктивно-технические параметры элементов объекта. Структурная схема отображает в идеализированной форме техническую реализацию физического процесса. Например, подобные схемы электротехники представляют собой идеализированное изображение реальной электрической цепи. В них абстрагируются от частных характеристик электротехнического устройства: габаритов, веса, способов монтажа. На этих схемах указываются технологические параметры резисторов, катушек индуктивности и других конструктивных элементов, способы их соединения и расположения. В современных человеко-машинных системах, например в информа-

121

ционных системах, реализация процессов может быть самой различной, в том числе и нетехнической. В этих случаях речь идет о конфигурациях систем, их обобщенной структуре. Поэтому термины «технические параметры» и «конструкция» для них непригодны.

15.5. Функционирование технической теории

Для функционирования используется «челночный», итерационный путь. Сначала формулируется инженерная задача создания технической системы, затем создается идеальная структурная схема, которая преобразуется в поточную, а для ее расчета строится функциональная схема. Математическое описание свойств различных блоков осуществляется путем дедукции. Этот путь называют анализом схем. Обратный путь – синтез схем – осуществляется тогда, когда нужно создать идеальную модель технической системы на основе конструктивных элементов по правилам дедукции. Затем модель транслируется на инженерный уровень деятельности, где происходят дополнительные расчеты и вводятся новые инженерные параметры. Здесь же происходит «стыковка» с социальными, экологическими и экономическими требованиями. На практике синтез схем встречается редко, так как все параметры технической системы уже даны в условиях задачи. Кроме того, многие структурные схемы уже существуют в готовом типовом виде и заимствуются в процессе инженерной деятельности. Поэтому синтез заключается в связывании типовых элементов схем со стандартными правилами их преобразования.

Особенность технической теории заключается в том, что:

1)основные понятия структурных схем непосредственно связаны

сэмпирическими конструктивно-техническими и технологическими знаниями;

2)структурные схемы ориентированы на инженерную деятель-

ность;

3)большая практическая направленность по сравнению с естественнонаучными теориями.

Техническая теория старается выработать множество типовых структурных схем с учетом всевозможных инженерных требований для проектировщика. В этом состоит конструктивная функция технической теории, которая заключается в ее опережающем, по отношению к практике развитии. Ее идеальным объектам должен соответст-

122

впростую и удобную для расчетов схему. Поэтому внимание направлено на разработку типовых способов решения инженерных задач. Это осуществляется с помощью математических замен и упрощений на теоретических схемах. Сущность метода аппроксимации состоит

вкомпромиссе между точностью и сложностью расчетных схем. Точная аппроксимация приводит к сложным математическим расчетам,

а упрощенная теоретическая схема снижает их точность. Поэтому для расчета теоретических схем технических устройств используются приближенные вычисления, пространные математические вычисления могут только помешать решению задачи.

Техническая теория является более многослойной, чем естественнонаучная. Она содержит разнообразные теоретические схемы, правила соответствия их друг другу, а также математические правила преобразования абстрактных объектов. Ведущую роль играют структурные схемы, поскольку через них теоретические результаты попадают в инженерную практику. В естественных науках подобные схемы выполняют вспомогательную роль, заключающуюся в описании эксперимента.

Можно выделить два этапа формирования технической теории. На первом этапе формируются исследовательское направление и частные теоретические схемы. Для этого из базовой естественнонаучной теории заимствуются средства решения инженерных задач – поточная схема, из смежной технической науки – структурная схема, из математики – функциональная схема. Если базового естественнонаучного раздела нет, то он создается заново. Дальше происходят адаптация схем к новому эмпирическому материалу и их модификация за счет введения новых идеальных элементов.

На втором этапе происходит построение технической теории. Завершается разработка обобщенной теоретической схемы на базе поточных, конструктивных и функциональных схем. Дальше техническая теория развивается относительно самостоятельно.

123

16.ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ: ИСТОРИЯ

ИМЕТОДОЛОГИЯ

16.1.Факторы развития химической технологии

Химическая технология – это наука о наиболее экономичных и экологически целесообразных методах и средствах химической переработки сырья в продукты потребления. В ее задачи входит как описание явлений на различных стадиях химико-технологического процесса, так и их моделирование на основе теоретических знаний. Эти задачи определяют две тенденции развития химической технологии.

Рассмотрим первую тенденцию. Химическая технология неразрывно связана с теоретической химией, является знанием и в этом смысле ничем не отличается от других естественных наук. В настоящее время эта связь усиливается из-за сближения интересов теоретической химии и потребностей технологии на микро- и наноуровне изучаемых процессов, так как они определяют потребительские свойства целевых продуктов. Необходимо изучение связи «структура– свойство» на молекулярном и наноуровне для производства веществ с заранее заданными свойствами.

Вторая тенденция связана с уникальностью химической технологии, выделяющей ее среди других наук. Она заключается в связи технологий с промышленностью. Процессы и методы химической технологии используются в горном деле и металлургии, в производстве строительных материалов, энергии и топлива, в нефтехимии

инефтепереработке, в фармацевтической и медицинской промышленности, в пищевой и биопромышленности, в легкой и текстильной промышленности, при производстве пластмасс и химических волокон, в химической промышленности и в производстве машин и аппаратов. Прогресс в области технологий ведет как к возникновению новых отраслей промышленности (производство связанного азота, пластмасс, полимеров), так и к появлению передовых разделов современной технологии (биотехнологии и нанотехнологии). Связь технологии с промышленностью является главным фактором их развития.

Внастоящее время на развитие технологии оказывает влияние еще один фактор – социальный. Потребности общества ставят цели

изадачи перед ним, формируют ее облик. Если в 70-е гг. XX в. технология должна была удовлетворить потребности общества в пище, жи-

124

лье и одежде, то в настоящее время выдвигаются не только экономические, но и экологические потребности. Система ценностей общества изменилась: экономика и экология больше не противопоставляются друг другу. Например, еще тридцать лет назад очистные сооружения рассматривались как необходимые, но делающие производство гораздо дороже. Теперь химический продукт должен соответствовать экологическим стандартам, а без этого его просто невозможно продать на рынке. На передний план выходят экологические требования к технологии, к использованию возобновляемых материалов и источников энергии.

16.2. Этапы развития химической технологии

Историческими основами технологии являются промыслы, которые не имели под собой научной основы. Сначала был собран и обобщен фактический материал по ремеслам, а в XIX в. – по различным производствам. Первое внедрение естествознания в технологию происходит в середине XIX в., а первое рациональное обобщение накопившегося научно-исследовательского и опытно-промышленного материала относится к 20-м гг. XX в. Тогда была выдвинута концепция процессов и аппаратов химической технологии, которая с помощью теории подобия и полуэмпирических моделей смогла систематизировать накопленный материал. В дальнейшем на создание теоретических основ химической технологии оказала влияние практика разделения смесей. В 40–60-е гг. существовала потребность в разделении изотопов урана, водорода и ряда легких элементов в военных целях. В то время была создана теория разделения смесей. Но теоретический фундамент химической технологии был сформирован в России, Англии и США позднее, к концу 1950-х гг. Он был сформулирован на основе общих законов количества движения, энергии и массы в условиях химических превращений. В 70-е гг. XX в. происходит проникновение в технологию идей, методов и средств кибернетики: математического моделирования и системного подхода. Возникают новые методы технологии: оптимизация и автоматизированное управление хи- мико-технологическими процессами.

Современный этап развития технологии характеризуется глубинными изменениями методов и объектов исследования. От макроструктуры вещества перешли к управлению микроструктурой. Неструкту-

125

рированная среда заменяется структурированной (мицелла, кластер). Энергию вводят в виде плазмы или электрического поля. Вместо нормального состояния фаз используются надкристаллические флюиды

ижидкие кристаллы. Основным познавательным методом технологии является моделирование. Учитываются механизм реакций, влияние гидродинамических факторов, а также процессы переноса теплоты

ивещества.

Для новых процессов эти факторы не являются хорошо изученными. Расчет начинают на упрощенных моделях, а затем отрабатывают весь процесс на пилотной установке. Моделирование в промышленном масштабе возможно лишь в очень редких случаях, когда весь процесс хорошо известен. В этом случае оно представляет собой расчет на ЭВМ. Моделирование сложных процессов без промежуточных испытаний требует очень точных моделей, особенно для реакционной зоны. Причем модель должна дать надежное описание процесса

идля лабораторной установки, и для заводского агрегата. Здесь на помощь приходит вычислительный аппарат гидромеханики, который используется для моделирования потоков жидкостей и газов, а также для потоков микросмешения. Уже сегодня вычислительная гидромеханика открывает возможности для точного описания взаимовлияния кинетики и гидродинамических условий. Это позволяет совмещать

иразделять реакцию в одном аппарате в оптимальных условиях. Методы моделирования очень важны для современной технологии, поскольку они позволяют объединять производства отдельных продуктов комплексы с едиными материальными и энергетическими потоками, что существенно снижает энергозатраты

16.3.Масштабы химической технологии

Внаши дни масштабы химической технологии необычайно возросли. Это вызвано тем, что технологическая схема уже не ограничивается рамками завода и включает в себя взаимодействие с внешней средой и рынком сбыта. Технологическая схема начинает разрастаться еще и потому, что химические продукты и материалы должны соответствовать экологическим требованиям. По завершении своего жизненного цикла они должны быть переработаны и вторично использованы.

Поэтому диапазон процессов существенно возрастает. Он может простираться от нанодо мегамасштаба. Характерной чертой техноло-

126

гических процессов в XXI в. является их сдвиг к наномасштабу. Если до этого времени процессы ограничивались макромасштабом, процессы протекали на молекулярном уровне, на зерне катализатора, капле, пузырьке газа или их ансамблях, то теперь путем уменьшения размеров частиц можно достигнуть квантовых эффектов, когда фактор размерности начинает влиять на физические свойства системы. Соответственно, открываются новые перспективы их применения. Частицы наномасштаба уже начинают привлекаться для разработки процессов искусственного фотосинтеза, новой технологии сенсоров, обработки информации и создания катализаторов. Другое направление применения наночастиц как молекулярных систем со специфическими свойствами заключается в создании полупроницаемых мембран для разделения смесей, мембранных реакторов и органических электропроводящих материалов. Сейчас наблюдается бурное развитие нанотехнологии как раздела технологии химической. На молекулярном уровне границы между химией и химической технологией становятся размытыми. Они начинают различаться не по объектам (атом, молекула), а по целям исследований. Цель технологии – практическая: переход от синтеза единичных молекул со специфическими свойствами к их массовому производству. Цель химии – познавательная: синтез новых молекул и изучение их свойств.

16.4. Химическая технология как теоретическое знание

Внастоящее время теоретические основы химической технологии представляют собой область знаний, которая называется инженерной химией. Она изучает взаимодействие физических, химических

ибиологических явлений в химико-технологических системах.

Втеоретические основы инженерной химии входят фундаментальные законы науки и соответствующие им фундаментальные принципы технологии. Фундаментальные законы науки включают в себя законы физической, квантовой, координационной, органической и неорганической химии, биохимии. Использовать законы естественных наук в технологиях сразу нельзя, необходим перевод с языка науки на язык технологии. Для этого используются общие, отраслевые и частные принципы химической технологии. К общим принципам можно отнести:

1. Принцип малостадийности химических производств.

2. Принцип доступности и дешевизны сырья.

127

3.Принцип сопряжения химических знаний и различных про-

цессов.

4.Принцип совмещения химических и массообменных процессов.

На каждом иерархическом уровне принципы разделяются на фундаментальные и прикладные. Фундаментальные принципы могут быть химическими, физико-химическими, физическими, биологическими, экологическими и экономическими.

Например, в неорганическом материаловедении существуют такие фундаментальные принципы технологии, как: 1) принцип периодичности изменения свойств неорганических соединений как конкретное проявление закона Д. И. Менделеева. Согласно ему выделяется подмножество, соответствующее металлам, ферромагнетикам, сверхпроводникам, диэлектрикам, полупроводникам. Принцип используется при разработке каталитических систем; 2) принцип термического, термодинамического и структурного подобия используется для создания новых материалов и при расчетах физико-химических свойств; 3) принцип непрерывности и соответствия составляет основу физико-химического анализа; 4) принцип химического усложнения используется в исследовании полимеров и при создании новых материалов, например, в легировании и модификации.

Прикладные принципы представляют собой применение фундаментальных в конкретных процессах. Например, фундаментальный принцип совмещения химических и массообменных процессов, альтернативный раздельному проведению химических реакций и выделению целевых продуктов в аппаратах, стал прикладным в реакционноректификационных процессах, позволяющих разделять азеотропы. Некоторые прикладные принципы не связаны напрямую с фундаментальными. Они могут представлять собой технологические приемы, которые отображают закономерности, устанавливаемые из опыта проектирования, пуска и эксплуатации производства. Технологические приемы могут вырабатываться и самостоятельно, если принципы еще не сформулированы.

Кроме концептуального аппарата (законов, принципов, общих понятий) во всех технологиях можно выделить общие подсистемы знаний:

1. Знание химических, физических и физико-химических процессов. Каждый из них характеризуется своей областью практического применения и своими математическими моделями.

128

2.Знание техники, т. е. аппаратов и машин, с помощью которых осуществляются процессы. Здесь на первое место выступают такие процессы как подвод или съем тепла, распределение температуры

ивещества в аппарате.

3.Знание законов управления технологическими процессами.

4.Экономическая подсистема знания. Отражает взаимодействие технологии с рынком.

5.Экологическая подсистема знания. Отражает взаимодействие технологии с природой.

Разработка технологии включает поэтапный переход от первой подсистемы к пятой. Третья, четвертая и пятая могут дать заключение о непригодности технологии. Третья подсистема может признать технологию несостоятельной на основании принципа устойчивого функционирования, четвертая – сделать заключение о ее неэкономичности, а пятая – признать ее экологически грязной.

16.5. Математизация химической технологии

По применяемому математическому аппарату технологии можно условно разделить на «плохо» математизированные и «хорошо» математизированные. «Плохо» математизированные являются следствием необычайной сложности изучаемых явлений и недостаточности общего научного уровня. К ним можно отнести производство эластомеров, новых материалов, крекинг, пиролиз, процессы нефтепереработки. При разработке этих технологий доминирует рецептурный эмпирический подход и используется принцип внешнего изоморфизма (сходства) между изучаемыми явлениями и математическими моделями. Разработка технологии осуществляется поэтапно. Сначала исследователь исходит из какой-либо концепции и опыта предшественников, затем последовательность его действий регулируется отрицательной обратной связью – неудачей эксперимента – до тех пор, пока не будут получены необходимые свойства продукта. Центр исследований смещается в область планирования эксперимента и статистической обработки результатов.

«Хорошо» математизированные технологии основаны на развитых теориях (например, на теории множеств, топологии и различных разделах качественной математики). Математические модели включают уравнения химической термодинамики, кинетики и катализа и описывают явления на уровне межмолекулярных взаимодействий.

129

Используется принцип внутреннего изоморфизма модели и изучаемого объекта. Вектор развития математического моделирования направлен в область статистической термодинамики. К «хорошо» математизированным технологиям можно отнести процессы ректификации, экстракции, адсорбции, абсорбции.

Развитие математического аппарата позволило перейти к созданию наукоемких химических технологий. Происходит широкое внедрение различных разделов математики в разработки, которые проводятся на основе современной вычислительной техники. Здесь необходимо выделить автоматизированное проектирование, автоматизацию научных исследований и проектирование систем автоматизированного управления процессами. Методы математического программирования используются для построения различных технологических схем. Это позволяет отказаться от последовательности разработки технологии по принципу «аппарат – технологическая схема» и перейти к другому – «технологическая схема – аппарат» В этом случае на основе первичной физико-химической информации о процессе сначала создают технологическую схему, а затем осуществляют оптимизацию работы отдельных аппаратов на основе математических методов.

Дальнейшее развитие научных основ технологий будет связано с изучением процессов на микро- и наноуровнях. Главной задачей является совместное описание механизма реакции и процессов переноса в конкретной гидродинамической обстановке для многокомпонентных систем в неравновесных условиях. Связь «структура – свойство» должна быть ясна на молекулярном уровне, поскольку она оказывает решающее влияние на свойства конечного продукта. Можно выделить несколько теоретических областей технологий, которые интенсивно разрабатываются в настоящее время: гетерогенный катализ, разделение смесей и математическое моделирование нелинейных процессов массообмена.

130