4.8. Системный подход к разработке технологии производства

4.8.1. Методологические принципы. Разработка технологии химичес­кого производства – это многоэтапный процесс, включающий технические и организационные мероприятия. На каждом из этапов разработки возникает множество вопросов, решения по которым могут быть найдены только в ре­зультате глубокого и всестороннего исследования, как функционирования от­дельных аппаратов, так и всей технологической системы. Такая совокуп­ность методов, включая и системный подход, представляет собой логически строй-ную последовательность этапов разработки и проектирования сложных си­стем и носит название «системотехника».

Системотехника обеспечивает взаимосвязь между фундаментальными областями науки и технологией, а также максимальное использование дости­жений теории на практике. И это может быть осуществлено только на сис-тем­ной основе. Системотехник объединяет всех специалистов разных профи­лей для решения сложной задачи. Наиболее эффективно такие задачи могут ре­шать опытные иженеры-химики-технологи широкого профиля.

Разработка любого реального химико-технологического объекта бази­руется на анализе комплекса химических, физико-химических, механичес­ких, теплотехнических и экономических явлений, характеризующих все про­цессы. Это связано с тем, что производство нельзя рассматривать как сумму отдельных технологических операций и процессов. Каждый отдельный агре­гат производства непосредственно косвенно влияет на другие узлы или аппа­раты. В частности, нельзя разрабатывать технологию разделения слож­ных смесей, не учитывая подсистему химического превращения сырья, и, наобо-рот, нельзя не учитывать особенности реакционной смеси при создании реак-ционной подсистемы. Решение этих задач складывается на основе сис­темно-структурного анализа, рассматривающего каждую операцию как часть всего сложного процесса получения химического продукта.

В задачи системно-структурного анализа входят:

- разработка формализованных моделей, описывающих структуру, фун-к­ции и свойства систем;

- характеристика иерархического строения систем и взаимосвязей раз­лич­ного уровня;

- определение общих свойств системы, исходя из свойств составля­ю­щих ее подсистем;

- определение интегральной функции системы на основе функций ее отдельных элементов.

Следует отметить, что многоуровневый подход к решению сложных за-дач, таких как разработка и проектирование химического производства, как правило, является важным методом в системотехнике.

С системных позиций технологическая операция задается набором характеристик z, функций Ф и структурой Q.

Определение материальных и энергетических потоков, обладающих определенными свойствами и параметрами, а также параметров работы отдельных аппаратов позволяет оценить как характеристику, так и структуру любой подсистемы технологического объекта. При этом имеется в виду, что рассматриваемый объект предназначен для выполнения определенной функ­ции, т.е. осуществления конкретных операций, итогом которых является по-лучение какого-либо продукта или полупродукта. Все это необходимо учиты­вать при разработке новой технологии.

Таким образом, разработку технологии производства, как химико-тех-нологической системы, осуществляют по следующим этапам:

- согласование и распределение материальных и энергетических потоков, определение общей нагрузки на аппараты;

- выбор и расчет технологического оборудования;

- определение затрат на все производство и рассмотрение различных вариантов технологической схемы;

- окончательный выбор технологической схемы производства.

Выполнение первого этапа возможно только после изучения химичес­ких превращений, физико-химических свойств разных материальных ком­по­зиций, образующихся на всех этапах, и выявления возможных ограничений.

Ранее было отмечено, что каждую химическую технологию, как систе­му, следует рассматривать как единство противоположностей: целостности и расчлененности.

Расчлененность отражает одну из общих сторон структуры системы и характеризуется тремя признаками: качественной спецификой частей систе­мы; числом частей, на которые можно расчленить систему; их взаимным рас­положением в пространстве и во времени.

При рассмотрении любого производства как сложной системы предва­ри­тельно необходимо изучить связи между элементами системы (аппара­та­ми), выявить совокупность управляемых и неуправляемых параметров, спо­­­собных влиять на показатели разрабатываемого процесса. К ним относят со­ставы потоков, их расходы и температуры, температуру и давление в аппа­ра­тах, количество подводимого и отводимого тепла, параметры теплоноси­телей и хладагентов и т. д. Это те показатели, от которых прежде всего за­висит про­текание химического превращения сырья, полнота и концент­рация выде-ля­емых продуктов, энергетические и капитальные затраты на произ­вод­ство товарных продуктов.

При разработке и исследовании сложных систем, характеризующих лю­бой технологический объект, выделяют чаще всего два класса основных задач:

- задачи синтеза, состоящие в выборе структуры и значений параметров на основе заданных свойств системы;

- задачи анализа, связанные с изучением свойств и поведения системы в зависимости от ее структуры и значений параметров.

Синтез ХТС – это операция по выбору типов элементов и структуры тех­нологических связей между ними, определению параметров элементов и технологических потоков системы, которые в итоге обеспечивают оптималь­ное значение критерия эффективности.

Анализ ХТС – это операция по изучению свойств и эффективности функционирования системы в зависимости от структуры технологических свя­зей между подсистемами и элементами, от значений технологических и конструкционных параметров, технологических режимов элементов.

При синтезе ХТС могут решаться следующие задачи химической технологии:

- по определению оптимального маршрута синтеза целевых продуктов из различных исходных веществ, используя известные типы реакций;

- при заданном химическом маршруте синтеза целевых продуктов из исходных веществ определяют топологию ХТС (выявляют технологическую схему), выбирают параметры элементов и потоков, которые будут обеспе­чивать функционирование системы при оптимальном значении критерия эф­фективности;

- при заданных типах и свойствах элементов ХТС, обеспечивающих осуществление различных технологических процессов, выбирают элементы и определяют структуру технологических связей ХТС, при которой будет достигаться оптимальный показатель эффективности;

- при заданных типах разделительных элементов определяют техноло­ги­ческую схему разделения, параметры элементов и технологических пото­ков.

При разработке технологии химического производства и проектирова­нии отдельных цехов или их совершенствования, а также при определении оптимальных режимах работы отдельных аппаратов и правильной их взаимо­связи в технологической схеме задачи анализа этих систем интерпрети­руют­ся как оценка возможных вариантов отдельных комплексов или схемы в це­лом. Именно сопоставляя различные характеристики, можно получить пер-вое представление о преимуществах и недостатках различных вариантов тех­нологических схем.

Сходные проблемы возникают при проектировании реакторного блока, в котором могут быть реализован ряд конструктивных вариантов реакцион­ных устройств, несколько вариантов подвода или отвода тепла, несколько спо­собов разделения реакционной массы и катализатора, несколько схем вы-деления целевого продукта и т.д.

Вместе с тем, необходимо принимать во внимание при создании произ­водства в целом и различных его подсистем в частности все ограничения. Они могут быть связаны как с особенностями физико-химических свойств веществ и их композиций, участвующих в процессе, так и обусловленные тех­нологическими факторами и др. При этом, в первую очередь, надо опре­делить допустимые пределы изменения входных и выходных параметров, т.е. выделить соответствующие ограничения для подсистем и всей системы, которые обусловлены:

- диаграммой фазового равновесия смеси;

- химической стабильностью и термической стойкостью компонентов при их разделении;

- концентрацией выделяемых целевых продуктов;

- пределами изменения концентрации исходной сырьевой смеси;

- возможностью применения определенного теплоносителя и/или хлад­агента в теплообменной аппаратуре;

- возможностью использования параметров определенной величины, на­пример, температуры или давления;

- конструктивными особенностями аппаратов.

Кроме того, при окончательном выборе варианта технологической схе­мы ХТС необходимо учитывать, что эффективность функционирования дан­ной схемы зависит не только от топологии и параметров отдельных элемен­тов, но и всей системы, ее характеристических свойств. Среди них, как уже подчеркивалось, наиболее существенной для многотоннажных непрерывных производств является надежность. Поэтому очень важным является умение ее оценивать.

4.8.2. Выбор технологии производства продукции. При разработке технологических схем химических производств и их проектировании необхо-димо решить две основные задачи:

- выбор технологической схемы и экспериментальная проверка ее рабо-тоспособности;

- оптимизация выбранной технологии

Последняя задача, в свою очередь разбивается на две части:

- нахождение варианта получения целевых продуктов необходимой чи­стоты с минимальными затратами;

- анализ этой схемы с точки зрения ее надежности и устойчивости ра-боты.

Таким образом, разрабатываются, сравниваются и оптимизируются раз­личные варианты технологических схем производства, из которых выбирают оптимальный вариант. При этом количество рассматриваемых схем значи-тельно сокращается за счет различного рода ограничений, связанных с физи­ко-химическими, технологическими и экономическими факторами.

Разработка и проектирование направлена на достижение следующих целей:

- минимизации энергетических и капитальных затрат;

- получение продуктов заданной чистоты;

- максимального выхода целевых продуктов;

- подбора наиболее устойчивых режимов работы аппаратов;

- минимизации выбросов в окружающую среду.

Одновременное достижение всех перечисленных целей практически невыполнимо, т.к. некоторые из них вступают в противоречие друг с другом. Примером может служить диалектическая пара выход – качество продукта. Поэтому в реальных условиях перечень целей, как правило, ограничивают це­лями минимизации затрат для получения продукта необходимой степени чистоты при минимуме сбросов в окружающую среду.

Решить задачу выбора оптимальной технологической схемы можно, рас­сматривая производство как сложную систему – комплекс взаимосвя­зан­ных элементов, обладающих определенной структурой. Системный подход в данном случае предусматривает:

- определение цели, границ системы, независимых переменных, огра­ни­чений и внешних параметров. Для этой цели изучаются кинетика и термодинамика процессов, физико-химические свойства как отдельных ком­понентов (термическая и химическая стойкость, температура кипения, упру­гость паров и т. д.), так и их смесей (растворимость, фазовое равновесие в системах жидкость-жидкость и жидкость-пар и т. д.) и другие свойства;

- разработку технологических схем и предварительный выбор подходя­щего варианта.

Задача может рационально решаться при рассмотрении всей технологи­ческой схемы (сложной системы) по частям, т. е. при расчленении системы на подсистемы. При этом экспериментальная проверка работоспособности под­систем, элементов и комплексов позволяет в итоге определять работо­способность производства с выбранным вариантом технологической схемы. Применение подобной методологии разработки, анализа и проверки работо­способности технологических схем производства позволяет проектировать установки, предусматривающие меньшие энергетические и капитальные зат­раты при условии получения продукта необходимой чистоты. Одновременно эта методика дает возможность при разработке технологических схем хими­чес­ких производств и их проектировании использовать вычислительную тех­нику, что, с одной стороны, сокращает период разработки и проектирования, а с другой – обеспечивает переход к автоматизированному проектированию химико-технологических комплексов любой степени сложности.