ХТС, определение и свойства системы

1.

ХТС, ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СВОЙСТВА СИСТЕМЫ
Система есть совокупность элементов (подсистем),
для
которой
характерно
существование
интегративных качеств, которые присущи системе
в целом, но не свойственны ни одному ее элементу в
отдельности.
При определенных условиях элементы сами
могут рассматриваться как системы, а исследуемая
система – как элемент более сложной системы.
Связи между элементами в системе превосходят
по силе связи этих элементов с элементами, не
входящими в систему. Это свойство позволяет
выделить систему из среды.

2.

Первое свойство системы – по части системы нельзя
охарактеризовать всю систему.
Второе свойство - любая система является
частью
подсистемы (иерархический уровень): над
любой системой есть надсистема, которая находится на
более высоком уровне иерархии систем, и под каждой
системой есть подсистема на более низком уровне
иерархии. Каждый иерархический уровень связан с
вышележащими и нижележащими прямыми связями.
Третье фундаментальное свойство любой иерархической
системы – присуще наличие одного или нескольких
лимитирующих уровней .
Четвертое
свойство,
система
имеет
чувствительность к случайным воздействиям.

3.

Пятое
свойство
параметры
оптимизации
системы на каждом ее иерархическом уровне
различны по масштабу. На верхнем уровне
экономические показатели, на среднем-техникоэкономические, на самом нижнем кинетические,
массообменные.
Шестое свойство: для системы характерно :
многомерность, многосвязность, инерционность и
наличие запаздываний.

4. Сложность системы рассмотрим на простом примере. ХТС на низком уровне представляет собой совокупность технологических

аппаратов,
взаимосвязанных технологическими связями.
Так как каждый ХТПроцесс имеет собственную
рабочую характеристику аппарата, определяющуюся
сложностью элемента, то объединение
элементов(например,аппаратов) в ХТС будет
сопровождаться взаимным наложением рабочих
характеристик элементов
иногда с
неожиданными результатами.
Ситуация будет усугубляться при усложнении
технологических связей между элементами.

5.

Простейший пример наложения характеристик
элементов (аппаратов) при их объединении в ХТС
представлен на рисунке.

6. При сравнении ХТС учитываются 1. стоимость и доступность сырья, 2. возможные побочные реакции, снижающие выход целевого

продукта ,обуславливающие образование
отходов и необходимость их отделения,
3. расход энергии на переработку сырья при
сравнении вариантов
4. экологические последствия. и т.д.
Рассмотрение химических схем позволяет
предусмотреть аппаратурное оформление процессов,
выбор конструкционных материалов, возможность
автоматизация и др. т.е в первом приближении
оценить капитальные затраты.

7. Стандартный анализ функционирования ХТС 1. Проанализировать как режим одного аппарат сказывается на режим другого. 2. Проверить

как режим работы одиночного
аппарата отличается от работы его в схеме:

8. 3.Проверить работу режима на чувствительность к внешним и внутренним возмущениям. Под чувствительностью выходной переменной Y I

относительно параметра Pj будем понимать величину:
Не
следует
думать,
что
чем
выше
чувствительность, тем лучше схема. Иногда область
оптимума
находится
в
области
высокой
чувствительности и тогда любая флуктуация процесса
вызовет уход от оптимума. Лучше пожертвовать
частью оптимума и снизить чувствительность.
С помощью этого безразмерного параметра можно иногда
проранжировать их влияние на выходную величину.

9.

4. Оценить устойчивость (робастность)
ХТС к внезапным изменениям параметров.
Устойчивость – способность ХТС возвращаться
в исходное стационарное состояние после
устранения возмущений, вызвавших выход
системы из этого состояния.
Состояние устойчивости/неустойчивости
объясняется наличием обратных связей в
ХТС. Результат который трудно
предсказать.

10.

б
в
z
Примеры
устойчивых а и
систем с устойчивыми
и неустойчивыми
состояниями - б, в

11.

Реактор
Теплообменник
Сброс тепла
Пусть ТК на выходе из реактора временно
повысилась. Исходная смесь дополнительно
нагревается, что приведет к увеличению
скорости реакции и увеличение Тк (разогрев).
Если Тк понизится, то процесс пойдет на
затухание.

12.

Предположим, что регулятор на теплообменнике
сработал вовремя и понизил температуру. Опыт
показывает, что если восстановление температуры
происходит за условную единицу, то восстановление
в схеме (реакторе) занимает на порядок больше
времени. Такое повышение может привести к
аварийной ситуации.
Очевидно
техническое
решение:
для
поддержания устойчивости необходимо ослабить
связь-теплоообменник-реактор, т.е предусмотреть
сброс части тепла мимо теплообменника.
Данный вопрос относится к автоматическому
регулированию, однако технолог должен осознавать
проблему.

13.

5. Оценить надежность схемы ( число
возможных отказов и их причины).
Оценить возможность резервирования.
- проектно- расчетную надежность (или надежность
проектных решений);
- конструкционную надежность;
- эксплуатационную надежность;
-надежность
автоматизированных
систем
управления технолоrическими процессами
- надежность технолоrической тополоrии объекта состоит в нахождении скрытых структурных
недостатков в технологической схеме системы и в
определении минимального множества элементов,
отказ которых приводит к отказу системы в целом.

14.

Для резервирования используют
параллельное соединение. Назначение –
резервирование на случай выхода из
строя одного из аппаратов («холодное»
резервирование).

15. 6. Оценить эффективность использования материальных ресурсов – сырье, энергия (расходные коэффициенты),анализ вторичных

ресурсов,
экология.

16.

6а. Экологическая эффективностьзеленые решения
Лучше предотвратить выброс
загрязнений, чем потом от них
избавляться
Некоторые принципы противоречат традиционным
способам ведения процессаНапример, следует стремиться проводить
синтез при температуре окружающей среды и
нормальном давлении.

17.

6 б. Материальные ресурсы:
Расходный коэффициент – количество
затраченного сырья (энергии, вспомогательных материалов) на производство единицы
продукции.
Различают
теоретический
коэффициент, определяемый из стехиометрического уравнения реакции образования продукта из исходных веществ при
полном их превращении, и практический, т.е.
реально используемый в производстве. Их
отношение показывает
степень использования сырья.

18.

6 в. Вторичные энергоресурсы в химической технологии. Виды
ВЭР и их использование.
(ВЭР) – энергетический потенциал продукции, отходов,
дополнительных и промежуточных продуктов, который образуется
в технологических агрегатах и не используется в этом же
производстве, но может быть частично или полностью применен.
1.Горючие (топливные) ВЭР – это топливные вторичные продукты,
отходы, которые в своем составе содержат H2, CO и др. газы.
Пример: котельно-печное топливо, которое добавляют к
основному в мартеновских печах.
2. Тепловые – это материальные потоки с высокой температурой,
которые используют на предприятиях. Энергия отходящих газов,
жидкостей, пар из котлов-утилизаторов. (Низкопотенциальные,
Высокопотенциальные).
3.Силовые (ВЭР избыточного давления) -газы, жидкости под
высоким
давлением.
Используются
для
выработки
электроэнергии в турбинах для приводов, аппаратов машин.

19.

В качестве примера приведены данные по накоплению ВЭР на
химическом предприятии. Очевидно, что вода имеет самую
большое количество энергии, но низкую температуру, газовые
потоки –малые запасы тепла, но высокую температуру.

20.

Качество вторичных энергоресурсов, как впрочем и любых
энергоресурсов можно оценить.
Под качеством тут принято понимать способность(Q) энергии
переходить в работу (W). Эта величина определяется как
W= η Q,
Коэффициентом качества является кпд по Карно η = (1-Tо/ T ),
где То – температура окружающей среды; Т- температура
ресурса.
Очевидно, что чем выше Т, тем выше коэффициент
перехода, тем выше качество энергоресурса.
Поэтому, например, хотя и количество энергии
различных технологических вод велико, качество их
невысоко из-за низкой температуры. Наоборот,
количество энергии отходящих газов невелико, но из-за
высокой температуры их легче преобразовать в работу.