Системный декомпозиционный анализ химико-технологических систем

 

Химическая технология товарных продуктов определяется совокупностью элементарных физических, физико-химических и химических процессов. В подавляющем большинстве случаев эта структура сложна, включает несколько стадий переработки. При проведении химических процессов каждая реакция характеризуется своим влиянием основных параметров – температуры, давления, концентрации. При этом от выбора технологического режима проведения реакций зависят показатели эффективности производства. Кроме того, реакции сопровождаются физическими процессами массообмена, выделением или поглощением теплоты и соответствующими процессами теплообмена. На протекание сложных химико-технологических процессов сильно влияет характер движения потоков реагирующих веществ, конструктивные особенности реакторов и другие факторы.

Для сложных химико-технологических процессов и систем задачу управления следует решать, используя разработанный для этой цели системный декомпозиционный уровневый метод анализа и управления.

Декомпозиционный уровневый метод заключается в том, что сложная система производства подвергается декомпозиции, и анализ технологических процессов с целью выбора рациональных технологических режимов и управления ими проводят не в сложной совокупности элементарных процессов, а по частям (уровням). Уровень – это простые составляющие протекающего сложного процесса в системе. Именно такой подход дает возможность наиболее правильного и быстрого выбора технологических режимов сложных процессов и управления ими, эффективного использования ресурсов, как с позиции экономии сырья, так и снижения материалоемкости (в том числе металлоемкости) производства. Анализ и описание сложных процессов проводят последовательно с учетом уровня их протекания.

Системный декомпозиционный метод предусматривает проведение анализа последовательно на четырех уровнях: молекулярно-кинетическом, макрокинетическом, аппаратурном, включающем уровень потока и реактора, и на уровне химико-технологической системы (единичного производства). При системном декомпозиционном методе анализа придерживаются двух правил:

1. Выводы, полученные на каждом предшествующем уровне, справедливы для всех последующих;

2. Выводы каждого последующего уровня уточняют выводы, полученные на предыдущих уровнях, или дают информацию о влиянии новых параметров управления.

 

 

1. 4. 1. Молекулярно-кинетический уровень

Первый уровеньпредполагает описание процессов, как молекулярное взаимодействие реагирующих веществ. Принимают, что реагирующие вещества хорошо перемешаны и их молекулы могут беспрепятственно вступать во взаимодействие друг с другом, диффузионные торможения отсутствуют и процесс протекает в кинетическом режиме. Протекание химико-технологического процесса описывается закономерностями кинетики химических реакций. При описании, анализе и расчете протекания химической реакции, как элемента сложного процесса, используют известные кинетические закономерности без вскрытия механизма реакции. Анализ на этом уровне проводят в два этапа. На первом этапе оценивают возможность самопроизвольного протекания реакций и условия термодинамического равновесия, рассчитывают предельные (равновесные) выходы продуктов и степени превращения компонентов сырья при заданных ограничениях по температуре, давлению и начальным концентрациям компонентов сырья, а также оценивают тепловые эффекты. Предельные значения степени превращения сырья и выходов продуктов при протекании обратимых химических процессов, или диапазон рабочих температур и давлений, при которых возможно достижение заданной степени использования сырья, прогнозируют на основе данных о равновесии реакций. На втором этапе прогнозируют влияние оперативных управляющих параметров на скорость и избирательность реакций. Влияние температуры, давления, концентраций реагентов на скорость реакции определяют, оперируя кинетическим уравнением реакции или другой известной информацией о кинетике реакции. В случае протекания сложных параллельных или последовательных реакций влияние управляющих параметров на избирательность прогнозируют на основе соотношения скоростей основной и побочной реакций.

Подробнее молекулярно-кинетический уровень анализа ХТС рассматривается в главах 2 и 3.

 

1. 4. 2. Макрокинетический уровень

Этот уровень описывает протекание гетерогенных процессов. Для этого используют закономерности протекания процесса взаимодействующих фаз в «малом объеме», характерном для анализируемого процесса. Это может быть частица твердого материала, реагирующего с газом или жидкостью, гранула катализатора, пузырек газа, поднимающийся в жидкости, капля жидкости, омываемая газом и др. Необходимость рассмотрения процессов на этом уровне связана с тем, что для анализа и расчета гетерогенных процессов знания закономерностей протекания только химических реакций в большинстве случаев недостаточно. Скорость реакции может ограничиваться скоростью массопередачи между потоком и поверхностью контакта фаз. Диффузионные торможения снижают теоретически возможную скорость реакции. В этом случае закономерности влияния параметров управления на скорость реакции необходимо дополнить закономерностями протекания физических процессов переноса массы и теплоты в «малом объеме». Для гетерогенно-каталитических процессов на этом уровне оценивают влияние геометрических размеров частицы катализатора и ее пористой структуры, скорости физических диффузионных процессов на наблюдаемую скорость процесса.

На этом уровне рассматриваются также фазовые переходы, сопровождающие химические реакции или использующиеся для процессов очистки и разделения веществ. К ним относятся: испарение, конденсация, плавление, кристаллизация, возгонка, сублимация, растворение, экстракция и др.

Некоторые вопросы макро-кинетического уровня анализа подробнее рассматриваются в главе 4.

1. 4. 3. Аппаратный уровень

Аппаратный уровень включает уровень потока и уровень реактора. На уровне потока рассматривается протекание процесса на совокупности твердых частиц, капель жидкости, зерен катализатора и других разновидностях «малого объема», находящихся в потоке реагирующих веществ. Для получения закономерностей функционирования реакционной зоны необходимо иметь информацию о температурных и концентрационных полях, описываемых математическими уравнениями или другими способами. Температурные и концентрационные поля зависят от характера движения потока, в частности, от интенсивности продольного и радиального перемешивания. Таким образом, анализ процесса на уровне потока сводится к анализу влияния температурных и концентрационных полей на среднюю скорость химико-технологического процесса или соотношение скоростей при протекании процессов со сложными последовательными или параллельными реакциями.

На уровне реактора учитывают конструктивные особенности реакционных зон, их число, взаимное расположение, соотношение технологических показателей процесса при прохождении потока из одной реакционной зоны в другую, а также взаимодействие нескольких потоков с различными фазовыми состояниями, протекающими через одну реакционную зону.

Аппаратный уровень анализа химико-технологических систем изучается в курсе «Процессы и аппараты, их конструирование для химических производств».

 

1. 4. 4. Уровень химико-технологической системы

Этот уровень является самым важным в системном декомпозиционном анализе. Здесь учитываются взаимные связи между реакторами, теплообменниками, смесителями и другими аппаратами, используемыми для переработки сырья в конечные продукты. От характеристик элементов ХТС и технологических характера связей зависит качество функционирования химических производств.

Эффективность работы ХТС можно повысить изменением технологических связей между существующими в системе аппаратами; улучшением функционирования основных элементов аппаратов ХТС путем изменения технологических режимов их работы (оперативное управление) или изменением типов аппаратов (стратегическое управление); введением в ХТС дополнительных элементов или образованием новых внешних связей.

Химико-технологические системы обладают совокупностью свойств, которые надо учитывать при проектировании нового и реконструкции старого производства.

· Чувствительность ХТС к внешним и внутренним возмущениям (воздействиям). Желательно, чтобы система была мало чувствительна к возмущениям.

· Управляемость системы. Для обеспечения требуемой управляемости необходимо совместное проектирование ХТС и соответствующей системы управления.

· Надежность системы – это свойство сохранять работоспособность в течение заданного времени функционирования.

· Помехозащищенность системы – это свойство ХТС эффективно противостоять внутренним и внешним возмущениям.

· Устойчивость системы, т.е. способность ХТС возвращаться в исходное состояние стационарное состояние после устранения возмущений, вызвавших выход системы из этого состояния.

· Эмерджентность – это свойство системы приобретать новые качества, которыми не обладают элементы в отдельности, благодаря объединению элементов в систему.

· Интерэктность системы, т.е. взаимное влияние друг на друга элементов, образующих ХТС.

При исследовании существующих и разработке новых химико-технологических систем выделяют задачи синтеза, анализа и оптимизации.

 

1. 4. 4. 1. Синтез химико-технологической системы

На этапе синтезаформулируют цель создания химико-технологической системы, пути ее достижения. Разрабатываются конкурентоспособные варианты структур системы, подлежащие исследованию на стадии анализа.

Задача синтеза обычно многовариантна, т.к. одни и те же значения выходных параметров ХТС могут быть обеспечены при различной структуре системы и разных режимах функционирования ее элементов. Так при создании новой химико-технологической системы обычно имеется много возможностей выбора элементов и связей между ними. При реконструкции ХТС приходится сохранять все или часть элементов и связей между элементами.

 

 

1. 4. 4. 2. Анализ химико-технологической системы в целом

На стадии анализа детально исследуются отобранные варианты систем, режимы функционирования элементов которых (массо- теплообменные аппараты, химические реакторы, …) отвечают поставленным задачам. Задачи анализа химико-технологической системы подразделяются на анализ структуры и качества функционирования. Цель анализа структуры ХТС – выявление структурных особенностей и нахождение последовательности расчета элементов, а цель анализа качества функционирования ХТС – получение количественных оценок ее основных свойств: чувствительности, надежности, устойчивости и т.д.

Из анализируемых вариантов систем исключаются те, которые не отвечают в полной мере поставленным задачам и цели.

 

1. 4. 4. 3. Оптимизация химико-технологической системы

На этапе оптимизации осуществляется поиск наилучших технологических режимов функционирования химико-технологической системы в целом. Задача оптимизации является комплексной. Она включает в себя как оптимизацию структуры, так и оптимизацию режимов функционирования элементов. Цель оптимизации – обеспечение наиболее высоких технико-экономических показателей ХТС.

Первым шагом при постановке задачи оптимизации является выбор независимых параметров оптимизации из числа технологических параметров управления.

После выбора параметров оптимизации необходимо сформулировать критерий оптимизации, который формализует понятие, что такое «хорошо» для ХТС. Критерий оптимизации выбирают из числа показателей качества ХТС и ее элементов. Критерии оптимизации могут быть разнообразными: технологическими, экологическими, экономическими и т.д. Типичный технологический критерий – производительность ХТС по целевому продукту. Чем больше производительность системы, тем ХТС лучше, поэтому задача оптимизации по этому критерию превращается в задачу максимизации производительности. Однако, результаты оптимизации по такому критерию будут свидетельствовать об очень низкой эффективности использования сырьевых ресурсов, т.к. производительность пропорциональна скорости процесса, а последняя будет достигаться при низких степенях превращения исходного сырья. Но при этом металлоемкость ресурсоперерабатывающих аппаратов будет минимизирована. И наоборот, если оптимизировать по степени превращения сырья, то эффективность его использования будет максимальной при заданных термодинамических ограничениях при очень высокой материалоемкости. Во всех случаях наиболее объективными критериями оптимизации являются экономические. Типичный экономический критерий себестоимость продукта или приведенные годовые затраты на производство какого-то продукта. Чем они меньше, тем функционирование ХТС более эффективно. Поэтому возникает задача минимизации себестоимости или приведенных годовых затрат.

Типичный экологический критерий – количество выбросов из ХТС в окружающую среду, чем выбросов меньше, тем система функционирует лучше. Поэтому ставится задача минимизации выбросов. Следует отметить, что все критерии, как впрочем, и сама задача оптимизации, имеют экономический смысл. Этот смысл всегда может быть открыт тем или иным способом. Например, если умножить производительность ХТС на рыночную стоимость целевого продукта, то задача оптимизации превращается в задачу максимизации доходной части работы ХТС. Если количество выбросов умножить на стоимость очистки единицы количества какого-то выброса, то задача оптимизации превращается в задачу минимизации стоимости очистки внешней среды от выбросов данной ресурсоперерабатывающей системы.

Так или иначе, должен быть сформулирован некоторый критерий оптимизации Q, зависящий от независимых параметров управления ХТС:

,

где x – обобщенная характеристика (набор, вектор) параметров состояния системы, включающих параметры входных, промежуточных и выходных потоков ХТС, конструктивно-технологические параметры аппаратов, входящих в ее структуру;

u – обобщенная характеристика свободных параметров оптимизации (набор независимых параметров оптимизации).

Таким образом, математическая модель ХТС в рамках ее оптимизации принимает вид

f (x, u) = 0,

где f(x, u) имеет смысл матрицы производных параметров состояния системы по параметрам оптимизации.

В первом приближении задача оптимизации может быть сформулирована математически:

Найти такие параметры оптимизации u, чтобы Q достигал максимума или минимума при условии выполнения уравнений:

Без ограничения общности в задаче можно оставить только один знак max или min, так, например, от задачи минимизации легко перейти к задаче максимизации. Самый простой способ такого перехода – изменение знака критерия Q:

Практика постановки и решения конкретных задач оптимизации ХТС показала, что дополнительно должны быть учтены некоторые ограничения, налагаемые на параметры системы. Эти ограничения могут иметь простую пороговую форму:

Например, температура в химическом реакторе не может быть меньше температуры «зажигания» реакции и не может быть больше температуры спекания катализатора.

Ограничения облегчают задачу оптимизации, так как они суживают область поиска оптимальных параметров оптимизации. С другой стороны, они затрудняют сам процесс поиска, так как в процессе поиска приходится непрерывно проверять выполнения ограничений.