Кравцов А.В. и др. Системный анализ химико-технологических процессов - файл n1.doc

приобрести
Кравцов А.В. и др. Системный анализ химико-технологических процессов
скачать (3023.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc3024kb.15.09.2012 23:49скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13
Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

А.В. Кравцов, Э.Д. Иванчина, Е.Н. Ивашкина,
Е.С. Шарова

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ


Рекомендовано в качестве учебного пособия
Редакционно-издательским советом
Томского политехнического университета



Издательство

Томского политехнического университета

2008

УДК 541.6:[54+53](075.8)

ББК 24.7

C90
Кравцов А.В.
С90 Системный анализ химико-технологических процессов: учебное пособие / А.В. Кравцов, Э.Д. Иванчина, Е.Н. Ивашкина, Е.С. Шарова. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. – 96 с.
В учебном пособии изложены методологические основы системного анализа химико-технологических процессов. Рассмотрена постановка задачи и принципы системного анализа химических производств как многоэтапной процедуры принятия решений. Дано обоснование научных концепций разработки и совершенствования химических производств. Показана с позиции системного анализа взаимосвязь явлений в отдельных процессах и аппаратах химико-технологических систем. Рассмотрена реализация стратегии системного анализа в диалоговом режиме инженера-технолога и ЭВМ посредством программной реализации математических моделей и моделей для представления знаний.

Предназначено для студентов химико-технологических специальностей, а также пособие будет полезно научным работникам, решающим задачи повышения эффективности химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств.
УДК 541.6:[54+53](075.8)

ББК 24.7
Рецензенты

Кандидат химических наук, профессор
«Киришинефтеоргсинтез»
Г.В. Костина

Кандидат технических наук, доцент
Института сильноточной электроники СО РАН
Н.Ф. Ковшаров

© Кравцов А.В., Иванчина Э.Д., Ивашкина Е.Н., Шарова Е.С., 2008

© Томский политехнический университет, 2008

© Оформление. Издательство Томского
политехнического университета, 2008
ОГЛАВЛЕНИЕ




ВВЕДЕНИЕ 6

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ КИБЕРНЕТИКИ И
СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА 8

1.1. Элементы ХТС. Относительность понятий элемент и система 13

1.2. Иерархическая структура химического производства.
Уровни иерархии ХТС 14

1.3. Системный анализ процесса компаундирования
товарных бензинов 14

2. МОДЕЛИ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА 19

2.1. Химические модели 19

2.2. Графические модели 20

2.3. Математические модели ХТС 23

3. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ – СТРАТЕГИЯ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ О ФУНКЦИОНИРОВАНИИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 26

3.1. Определение информации 26

3.2. Способы представления информации 26

4. РЕАЛИЗАЦИЯ СТРАТЕГИИ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА В ДИАЛОГОВОМ РЕЖИМЕ «ЧЕЛОВЕК-ЭВМ» И ПОСТРОЕНИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ В ХТ 33

4.1. Основные понятия интеллектуальной системы 33

4.2. Этапы построения интеллектуальной системы 35

4.3. Модели для представления знаний при разработке
интеллектуальной системы 36

4.4. Систематизация знаний типового процесса нефтепереработки 43

5. КОНЦЕПЦИИ СОЗДАНИЯ НОВЫХ И ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕЙСТВУЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВ – ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СТРАТЕГИИ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА 50

5.1. Необходимость использования концепций при проектировании и эксплуатации ХТС 50

5.2. Концепция глубины и полноты переработки сырья 50

5.3. Концепция: минимизация энергетических и тепловых затрат 54

5.4. Концепция: минимизация отходов 55

5.5. Концепция: оптимальное использование оборудования 56

5.6. Реализация концепций системного анализа на примере
нефтеперерабатывающих производств 59

6. ВЗАИМОСВЯЗЬ ЯВЛЕНИЙ В ПРОЦЕССАХ И АППАРАТАХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ 63

6.1. Анализ и синтез ХТС 63

6.2. Системный анализ – стратегия для синтеза математического описания ХТП 67

7. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ ПО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ, ЭКОНОМИЧЕСКИМ И ЭКОЛОГИЧЕСКИМ КРИТЕРИЯМ 78

7.1. Постановка задачи оптимизации 78

7.2. Основные этапы системного анализа 78

7.3. Критерии для системного анализа производственных процессов 81

7.4. Многокритериальный анализ химических производств 84

7.5. Компромиссное решение при оптимизации
химических производств 85

7.6. Методы решения задач многокритериального анализа 88

7.7. Системный анализ функционирования химических реакторов 90

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 98



ВВЕДЕНИЕ



На современном научно-техническом уровне повысить эффективность производства можно с использованием метода математического моделирования на физико-химической основе, который заключается в последовательном выполнении этапов:

1. Формирование механизма процесса (схемы реакций);

2. Оценка кинетических параметров;

3. Создание математической модели;

4. Расчет, оптимизация и прогнозирование производства.

Но метод математического моделирования значительно усложняется в случае реакторных процессов переработки широких фракций углеводородного сырья. С одной стороны, учет в модели детального механизма позволяет решать задачи расчета конкретных аппаратов, прогнозирования работы установки на длительный период. С другой стороны, приводит к сложности математического описания, затрудняет практическое использование вследствие неточности определения параметров модели. Эти трудности могут быть решены сокращением размерности математического описания, но без потери чувствительности к составу сырья.

С этой целью в процессе разработки курса лекций использована стратегия системного анализа и создана методология построения диалоговых компьютерных систем, которые позволяют не только анализировать технологию производства, но и прогнозировать эффективные и безаварийные режимы ее эксплуатации. Системный анализ в этом случае есть результат применения к исследованию опыта изучения, создания и эксплуатации химической производственной системы [1, 2]. Это проводится в три этапа:

1. Выделяются параметры и элементы, которые определяют необходимые свойства производственной системы.

2. Устанавливаются функциональные зависимости выходных параметров от входных.

3. Проводится исследование производственной системы, то есть рассчитываются показатели, определяются свойства (особенности), изучается эволюция (развития, изменения) производственной системы для повышения эффективности ее функционирования. Большое значение при этом имеет накопленный опыт эксплуатации в виде данных и знаний.

Описание производственной системы, зависящей от множества параметров – сложная совокупность уравнений. Основным инструментом для этих исследований является компьютерная система, которая является интеллектуальной, т. к. она базируется на фактических данных по эксплуатации промышленных установок. Эти данные анализируются, делаются выводы и даются рекомендации. Физико-химическая модель – это программно реализованный главный блок этой системы, включающий расчеты по уравнениям материальных и тепловых балансов превращения углеводородов на поверхности катализатора, а также кинетические модели дезактивации вследствие процессов отравления, старения, блокировки активной реакционной поверхности коксом.

Единой методической основой написания данного пособия явилась стратегия системного анализа. Она применена для расчета, анализа и прогнозирования производства.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ КИБЕРНЕТИКИ И
СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА



Для кибернетики как науки предметом являются системы любой природы, а также их управляемость. Методом исследования является метод математического моделирования, который использует стратегию исследования – системный анализ.

Основным средством исследования в кибернетике является электронно-вычислительная техника.

Эволюция термина кибернетика связана с термином информатика и вычислительная машина. Кибернетика изучает системы, способные воспринимать, хранить и перерабатывать информацию. Для восприятия информации используются специальные приборы – датчики. Для хранения – всевозможные носители информации – диски, дискеты.

Для переработки информации кибернетика использует аппарат математического моделирования, компьютерные методы и соответствующие им программы обеспечения.

Кибернетика использует также определенную среду для переработки информации. В наше время наиболее распространенными являются WINDOS, ЮНИКС.

В отличие от кибернетики вообще химическая кибернетика изучает химико-технологические системы (ХТС) и химико-технологические процессы (ХТП).

Метод математического моделирования, применительно к задачам химической кибернетики, дает возможность получения результатов для анализа и синтеза высокоэффективных ХТС, а также прогноза их оптимального поведения в течение длительного времени и выявления оптимального алгоритма их управления.

ХТС – это совокупность физико-химических процессов, происходящих в системе, а также средств для их реализации.

Таким образом, ХТС включает в себя собственно химический процесс, аппараты, в которых он проводится, средства для контроля и управления, а также связи между ними.

Любое промышленное предприятие представляет собой совокупность систем, поэтому в целом предметом изучения кибернетики является производственный процесс или их совокупность.

Основные задачи, которые позволяет решить кибернетика для производства:

1. Компьютерный анализ эффективности функционирования каждого аппарата производства и всей системы в целом.

2. Синтез высокоэффективной системы процессов и аппаратов.

3. Оптимизация производства по технологическим, экономическим и экологическим критериям.

4. Диагностика отказов в работе оборудования и выдачи рекомендаций для их устранения.

5. Объективное тестирование существующих технологий производства и выдачи рекомендаций для реконструкции в данный момент существующего производства.

6. Создание «тренинг-систем» по аварийным и эксплуатационным ситуациям на производстве для повышения научно-технического уровня производственного персонала.

7. Мониторинг и прогнозирование производства.

Любая система взаимодействует с внешней средой и характеризуется входными параметрами и выходными .

Компонентами входных параметров является химический состав сырья, его количественный расход, а также технологические условия проведения процесса. Выходными параметрами являются показатели качества продукта и общее количество производимой продукции. Любая система имеет также управляющее воздействие:


Рис. 1. Параметры системы:

входные; выходные; вектор управления
Рассмотрим, каким образом управляющий параметр воздействует на систему. Пусть управляемым объектом будет реактор (рис. 2). Течение процесса в реакторе регулируется датчиком Д, поступающий сигнал из датчика усиливается специально установленным усилителем У, далее преобразовывается из электрических сигналов в механические. Преобразованный таким образом сигнал воздействует механически на регулятор Р, который оказывает воздействие, например, с помощью клапана или задвижки на исполнительный механизм ИМ, который регулирует расходы сырья или линии ввода теплоносителя и хладагента для изменения температуры. Реактор является элементом ХТС.

Внешняя среда


Рис. 2. Схема воздействия управляющих параметров на систему:

Д – система датчика; У – усилитель, П – преобразователь; Р – регулятор; ИМ – исполнительный механизм
Системный анализ – совокупность методов и средств изучения сложных ХТС (flout shut карта потоков).

Системный анализ – результат успешного применения к исследованию и разработке ХТС опыта изучения, создания и эксплуатации химических производств с привлечением методов, используемых в различных областях науки и техники.

Рис. 3. Системный анализ – стратегия для изучения ХТС
Системный анализ – обобщение и систематизация знаний в теории и практики химических производств.

Описание системы, состоящей из сотен элементов и связей состоящих из систем алгебраических или дифференциальных уравнений, основное средство системного анализа – ЭВМ.

Эвристические решения – накопленный опыт исследования химического производства.

Архимед нашел ответ на вопрос: из чистого ли золота сделана корона его правителя. Для этого нужно знать массу и объем короны, но сложная формула не позволила вычислить объем. Принимая ванну, великий ученый обратил внимание, как вытесняет воду его тело при погружении. Сейчас этот способ известен всем.

При моделировании ХТП применяется системный подход, в соответствии с которым ХТС рассматривается как некоторая функциональная система.



Рис. 4. Параметры системы:

входные; выходные
Системный подход дает возможность осуществить математическую формализацию задачи при построении математических моделей как процессов в отдельных аппаратах (типовой ХТП), так и в их совокупности (химическое производство). Это обеспечивает возможность изучения физико-химических закономерностей протекания процессов, получения количественных и качественных заключений.

Любая схема состоит из взаимосвязанных и взаимодействующих между собой и с внешней средой частей и, в определенном смысле, представляет собой замкнутый контур.

Объект, представляющий собой один аппарат или секцию аппаратов (типовой ХТП), в котором протекают физико-химические процессы, называют физико-химической системой (ФХС-1, ФХС-2, …), рис. 6.

Объект, представляющий собой совокупность соединенных между собой аппаратов, является ХТС.

В соответствии с этим, для отображения зависимости х от y используется физико-химический или химико-технологический оператор.

Важнейшим этапом построения адекватной математической модели химических процессов является анализ структуры ХТС.

При этом осуществляется декомпозиция сложной системы на более простые подсистемы (модульный принцип) в соответствии со следующими принципами:

1. Определение иерархической структуры системы, т. е. выделение ее иерархических ступеней и взаимосвязей между ними на основе фундаментальных знаний, экспериментальных данных и опыта специалиста.

2. Реализация принципа иерархической соподчиненности при формализации знаний об изучаемых элементах системы и принятии разумных допущений, что выражается в учете наиболее важных процессов.

3. Комплексное исследование физико-химических процессов с учетом влияния параметров этих процессов на явление других уровней иерархии.

На рис. 5 представлена ХТС получения целевого продукта Р из сырья с компонентами А и В. Рецикл по непревращенным компонентам сырья увеличивает его степень превращения.



Рис. 5. Технологическая схема превращения целевого продукта Р
А + В ? Р

А + В ? С

В + С ? Р+Е

С + Р* ? G
Целевой продукт Р образует с компонентом Е азеотропную смесь максимальной температурой кипения, часть его попадает в куб ректификационной колонны. Чтобы снизить потери целевого продукта Р, необходимо организовать рецикл.



Рис. 6. Взаимодействие подсистем в процессе преобразования
сырья
в продукт
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации