Тема Химикотехнологические системы Понятие об иерархии ХТС Синтез

Тема: “Химикотехнологические системы. Понятие об иерархии ХТС. Синтез и анализ ХТС”

План 1. Понятие о ХТС 2. Анализ и синтез ХТС

Литература 1. Кутепов 2. 3. 4. А. М. и др. Общая химическая технология – М. : Высшая школа, 1990 Общая химическая технология/Под ред. И. П. Мухлёнова – М. : Высшая школа, 1984, ч. 1 Соколов Р. С. Химическая технология – М. : ВЛАДОС, 2003, ч. 1 Бесков В. С. Общая химическая технология – М. : ИКЦ «Академкнига» , 2005

1. Понятие о ХТС

Система – объект, взаимодействующий с внешней средой и обладающий сложным внутренним строением, большим числом составных частей и элементов (аппаратов), взаимосвязанных технологическими потоками (связями) и действующих как единое целое. Элемент – самостоятельная и условно неделимая единица. Подсистема – группа элементов (агрегат), обладающая определённой целостностью и целенаправленностью. Самостоятельно функционирующая часть системы. Виды связей между подсистемами: §Материальная §Энергетическая §Тепловая §Информационная

Поток – перенос вещества, теплоты, энергии от элемента к элементу Структура системы – совокупность элементов и связей Признаки химико-технологических систем: §Существование общей цели функционирования §Большие размеры системы §Большое число параметров, характеризующих работу системы §Сложность поведения системы §Высокая степень автоматизации процессов управления производством §Необходимость создания потоков осведомительной и управляющей информации между элементами ХТС и управляющими устройствами

Типы технологических связей Последовательное соединение Параллельное соединение

Типы технологических связей Обводное (байпасное) Рециркуляционное соединение

Типы технологических связей Рециркуляционное соединение

Типы технологических связей Сложное (комбинированное) соединение

Иерархия ХТС: § Первый уровень – машины и аппараты для § § осуществления типовых процессов Второй уровень иерархии – машины и аппараты в масштабе аппаратурнотехнологической схемы производства товарного продукта. Третий уровень – производственный цех, совокупность производств, объединенных общим сырьем, вспомогательными службами, управлением. Четвертый уровень – завод, совокупность цехов, вспомогательных служб, энергохозяйства, складов, хранилищ, очистных сооружений и т. д. Пятый уровень – отрасль, подотрасль, крупный химический комбинат и т. п.

Классификация ХТС § характеристика производимых продуктов; § тип структуры; § вид функционирования; § область значения параметров процесса (температура, давление и т. д. ).

ХТС, предназначенные для производства одного продукта: §Непрерывно работающие ХТС. §Непрерывно-циклически работающие ХТС. §Непрерывно-переодически работающие ХТС. §Периодически работающие ХТС.

ХТС, предназначенная для производства нескольких продуктов: §ХТС многоцелевого производства (гибкая). Система периодического типа, ориентированная на реализацию нефиксированного множества технологических процессов, номенклатура продукции - переменная. §ХТС многоассортиментного производства (совмещенная). Система периодического типа, ориентированная на реализацию конечного фиксированного множества технологических процессов выпуска различных видов продукции.

Недостатки периодических ХТС: § большое число вспомогательных операций, § низкий коэффициент использования основного оборудования, обусловленный несогласованностью функционирования взаимодействующих аппаратурных стадий химикотехнологической системы

Преимущества периодических ХТС: §относительная независимость отдельных технологических стадий; §осуществление в технологических аппаратах режима идеального вытеснения во времени; §возможность промежуточной, постадийной корректировки технологических параметров; §инвариантность технологических стадий относительно аппаратурного оформления §отсутствие «жестких» материальных и энергетических связей между аппаратурными стадиями; §относительная простота проектирования и эксплуатации ХТС

Свойства ХТС § Чувствительность ХТС § Управляемость ХТС § Устойчивость ХТС § Надежность ХТС § Эмерджентность § Интерэктность

Свойства ХТС § Чувствительность ХТС к внешним и внутренним воздействиям – способность системы реагировать на них, изменяя параметры состояния. § Управляемость ХТС – способность системы достигать цели управления. § Устойчивость ХТС – способность системы возвращаться в исходное состояние после устранения причин, которые вывели ее из этого установившегося состояния.

Свойства ХТС § Надежность системы – это сохранять в течение времени свойство работоспособность заданного функционирования. § Эмерджентность – свойство сложных систем, заключающиеся в не сводимости свойства системы в целом к свойствам составляющих ее подсистем. § Интерэктность – это новые качества элементов системы, которые проявляются только при их работе в ХТС и отсутствуют при работе вне системы.

2. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ХТС

Цель разработки ХТС – создание высокоэффективного химического производства Проект ХТС должен содержать: §Определение технологической топологии системы §Определение значения входных переменных §Установление значений технологических параметров ХТС §Определение конструкционных параметров ХТС §Выбор параметров технологического режима в элементах ХТС §Выбор параметров технологических потоков

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ СОЗДАНИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ Решение задач проектирования ХТС, создание проекта ХТС Решение задач эксплуатации ХТС, интенсификация технологических процессов и оптимизация эффективности функционирования ХТС Принципы и методы синтеза ХТС Принципы и методы анализа ХТС Принципы и методы оптимизации ХТС Математическая модель ХТС

Первый уровень решения задачи – построение математической модели Параметры, влияющие на работу системы: §Входные переменные §Внешнее воздействие §Технологические параметры элементов системы §Конструкционные параметры Для всей системы учитывается: §Технологическая топология §Возникающие при соединении элементов внутренние потоки

Классификация моделей ХТС Модели ХТС Обобщённые (качественные) Операционноописательные Иконографические Математические Символические (аналитические) Иконографические Функциональные Топологические схемы Структурные блок-схемы Операционные схемы Сетевые Технологические схемы

Анализ ХТС – изучение свойств и эффективности функционирования ХТС в целом на основе её математической модели. Задача анализа ХТС – расчёт полной математической модели ХТС на основе математических моделей отдельных элементов и технологической топологии с целью определения параметров выходных технологических потоков при заданных технологических условиях и параметрах входных потоков

Последовательность анализа ХТС: 1. Определение главных и сильно связанных между собой элементов, образующих подсистемы. 2. Проведение декомпозиции по слабым связям. 3. Определение главных и значимых потоков и переменных систем и подсистем. 4. Составление материальных и тепловых балансов для систем и подсистем. 5. Использование упрощенных типовых моделей элементов системы.

Последовательность анализа ХТС: 6. Моделирование элементов ( включая эксперимент). 7. Проверка адекватности моделей. 8. Анализ структуры ХТС. 9. Расчет системы в целом. 10. Исследование свойств ХТС. 11. Оценка эффективности функционирования исследуемой ХТС. 12. Оценка степени использования сырья и энергии. 13. Выявление резервов повышения эффективности данной системы и путей их реализации.

Синтез ХТС – создание новой ХТС из заданных видов сырья, энергии, технологического оборудования, различных путей химического превращения исходных веществ в целевые продукты. Задача синтеза – создание ХТС, работающей с высокой эффективностью

Основные принципы синтеза ХТС: §Декомпозиционный §Эвристический §Интегральногипотетический §Эволюционный

Основные этапы синтеза ХТС: § Синтез структуры и выбор § § главных элементов системы; Составление материальных и энергетических балансов и предварительный расчет ХТС; Расчет ХТС; Модификация ХТС; Синтез системы автоматизированного управления.

Основные подходы к решению типовых задач анализа и синтеза ХТС: §моделирование элементов и структуры ХТС; §расчет ХТС; §оценка качеств и свойств системы. Подход к математическому моделированию элементов ХТС зависит от: §цели анализа (расчет балансов, определение главных размеров); §специфики существования ХТС (существующий, проектируемый объект); §объема изменяющейся информации о системе и т. д.

Математическоеописание включает §Балансовые уравнения (для вещества, энергии, иногда для импульса); §Кинетические уравнения (химическая кинетика, кинетика массо- и теплопереноса) §Уравнение состояния (фазовые равновесия).

Технологические принципы создания ХТС Принцип наилучшего использования сырья §Увеличение полноты переработки сырья §Комплексное использование сырья §Минимизация отходов производства Принцип рационального использования энергии Увеличение единичной мощности агрегатов Принцип защиты от загрязнений

Оценка свойств ХТС Носитель оценки того или иного свойства ХТС называется параметром качества или свойства, критерием качества ХТС.

Основные группы критериев §Критерии оценки степени использования сырья, энергии и качества выпускаемой продукции §Критерии оценки качества функционирования ХТС §Экологические критерии §Социально-психологические критерии §Экономические критерии

Задача оптимизации ХТС – нахождение экстремального значения выбранного критерия эффективности функционирования системы Виды оптимизации: Экспериментальная оптимизация осуществляется: §Адаптивными методами (адаптация с обучением, самонастраивание и др. ); §Методы распознавания ситуаций (на основе классификатора); §Методами эволюционного планирования эксперимента; §Последовательным симплексным методом.

Виды оптимизации §Построении эмпирической или статической модели ХТС на основе спланированных активных экспериментов или «пассивных» измерений. §Оптимизация ХТС на основе математической модели

Основные понятия ХТС – система, элемент, поток, структура Иерархия ХТС – 5 уровней Классификация ХТС – по типу функционирования Свойства ХТС Последовательность создания ХТС – математическая модель, анализ, синтез Решение задач анализа и синтеза на всех уровнях иерархии ХТС Принципы создания ХТС

выводы Создание принципиально новых видов высокоэффективного оборудования, агрегатов и технологических линий, обеспечивающих рациональное расходование сырьевых, топливно-энергетических, материальных и трудовых ресурсов и охрану окружающей среды, возможно только на основе глубокого изучения и использования современных достижений науки и техники.