4.2. Химико-технологическая система как объект моделирования

Химическое производство в целом можно рассматривать как функци­ональную систему, представляющую совокупность технологических узлов или объектов (аппаратов, комплексов аппаратов, цехов, заводов), в каждом из которых осуществляется некоторый технологический процесс или несколько процессов (рис. 4.1).

z₁ z₂ z₃

ОБЪЕКТ

x₂ Объект y₂

x₃ y₃

u₁ u₂ u₃

Рис. 4.1 Структура объекта

Вне зависимости от сложности объектов или узлов они находятся под вли­янием различных факторов (параметров, переменных). Совокупность па-ра­метров, которые воздействуют на объект, делится на входные – х₁, х₂,,…, х_п; выходные – y₁, y₂,…y_n; управляющие воздействия (управление) – и₁, и₂,…, и_п; возмущающие воздействия – z₁, z₂,… z_n.

В качестве таких объектов, узлов выделяют отдельные повторяющиеся аппараты (реакторы, массобменные аппараты, теплообменники и т. д.) и их элементы, последовательности аппаратов и их комплексы (реактор-регене-ра­тор, реакционно-ректификационные установки, абсорбер-десорбер и т.п.).

Все узлы системы объединены технологическими потоками или ком­му­никациями, которые называются связями. Поток, входящий в технологи­чес­кий узел, является его входом, выходящий – выходом. Одна и та же связь может быть выходом из одного узла и входом в другой. Способ производства рассматривается как последовательное описание операций, протекающих при определенных условиях в определенных аппаратах. Такое описание называ­ется технологической схемой. Технологическая схема дает полную информа­цию об аппаратах, потоках, автоматическом регулировании параметров про­цесса и включает следующие данные:

- количество и химический состав исходных, промежуточных, вспомо­гательных и конечных продуктов, т. е. содержит все сведения, необходимые для составления материального баланса по производству в целом;

- термодинамические и физико-химические показатели всех веществ, т.е. содержит все сведения для составления энергетического баланса произ­водства в целом;

- последовательность отдельных операций и процессов;

- типы, число и взаимосвязь применяемых машин и аппаратов;

- способы автоматического регулирования всех потоков и контроля параметров, при которых происходит процесс.

Таким образом, технологическая схема отображает процессы тепло - и массообмена и способы управления этими процессами.

Технологическая схема, включающая аппараты, материальные потоки, энергоснабжение и т. д. является изоморфным отражением физической сис­темы. Изоморфными называют такие системы, в которых сохраняются соот­ношения между составляющими их элементами.

Объекты химической технологии разнообразны по сложности, типам вклю­ченных аппаратов и физической природе процессов. При этом они мо-гут состоять из большего или меньшего числа элементов, взаимосвязанных между собой.

Для изучения сложных систем их расчленяют на отдельные звенья. Та­кой метод изучения называется декомпозицией. Степень необходимой де­ком­позиции зависит от сложности объекта (комплекса).

Химико-технологическая система может быть представлена различ­ными моделями: символическими, математическими, иконографическими, топологическими, блочными и сетевыми.

Каждая модель имеет свою степень абстракции. В проектировании ча­ще всего используют иконографические модели в виде технологических схем. В связи с широким внедрением ЭВМ в последнее время в практику ис­сле­дований СХТС вошли более абстрактные матричные модели.

ХТС можно представить в виде топологической структуры – графа с указанием входных и выходных переменных.

Ориентированный граф, вершинами которого являются технологи­чес­кие звенья (операторы), а дугами – технологические связи, носит название топологической структуры схемы производства или графа производства. Обычно сложный технологический граф, соответствующий сложной техно­ло­ги­ческой системе, является комбинацией различного числа элементарных структур (последовательных, параллельных и охваченных обратной связью).