Свойства химико-технологических систем

Каждая ХТС обладает разнообразными свойствами.

Свойство ХТС– определенная специфическая характеристика системы, которая обуславливает особенности её функционирования, различия или сходства системы с другими системами и проявляется либо во взаимосвязях между элементами данной ХТС, либо во взаимодействии этой системы с другими ХТС или окружающей средой.

К основным свойствам ХТС относятся: надежность, безопасность, чувствительность, помехозащищенность, устойчивость, управляемость, эмерджентность, сложность.

Надежность ХТС – свойство системы выполнять требуемые функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей (производительность, качество продукции, расход материальных ресурсов) в заданных пределах в соответствии с заданным режимом и условием работы. Надежность как комплексное свойство ХТС характеризуется частными свойствами:

- безотказность и ремонтопригодность – способность ХТС в течение определенного промежутка времени сохранять свою работоспособность;

- работоспособность ХТС – состояние ХТС, при котором она может выполнять задания, функции, сохраняя значения основных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией.

Таблица 1– Фазы работы ХТС с изменяющейся структурой

Безопасность ХТС – это свойство ХТС сохранять такое техническое состояние, при котором исключается или сводятся к минимуму аварийные ситуации (разгерметизация оборудования и утечка токсичных веществ; возникновение пожаров, взрывов, приводящие к тяжелым последствиям для жизни человека и окружающей среды). Стихийные бедствия (удар молнии, гроза, землетрясение, наводнение и др.) резко снижают безопасность ХТС. Разгерметизация оборудования ведет к загрязнению воздуха в рабочих помещениях и атмосферы, потерям продукта (утечка технологических газов в контактном отделении производства серной кислоты из серы из отверстия с приведенным диаметром 3 мм в течение года ведет к потери 30 тонн кислоты или 10 тонн серы) и наносит значительный ущерб окружающей среде.

Чувствительность ХТС – это свойство систем изменять переменные состояния и величину коэффициента эффективности (КЭ) их функционирования в результате изменений параметров элементов и параметров технологического режима. Изменения параметров ХТС – это любые их отклонения от значений, принятых за исходные. Для повышения качества функционирования очень важна параметрическая чувствительность (П), которая математически выражается как производная выходного параметра (у) по i- му входному (х)

(1)

Чем больше , тем сильнее влияние данного параметра на выходную величину.

Если параметрическая чувствительность велика, то процесс становиться трудно управляемым. Даже незначительные колебания входного параметра приводят к резким колебаниям технологического режима. При этом необходимо либо стабилизировать входной параметр, либо тем или иным способом снижать чувствительность.

Предельный случай параметрической чувствительности, когда , т.е. бесконечно малое изменение входного параметра вызывает конечное изменение выходной величины. Это наблюдается при неустойчивости системы.

Помехозащищенность ХТС – свойство систем эффективно функционировать в условиях действия внутренних и внешних помех. Типичными помехами (или случайными возмущениями) являются: изменение активности катализатора, изменение температуры или давления в элементах (внутренние помехи); изменение атмосферных условий, массового расхода и состава сырья, нарушение режимов поставки сырья и режимов отгрузки готовой продукции и т.д. (внешние помехи).

При эксплуатации ХТС существует взаимосвязь между помехозащищенностью, надежностью и чувствительностью системы. Наличие помех влияет на показатели надежности и чувствительности ХТС, которые в свою очередь изменяют эффективность систем.

Устойчивость ХТС – способность системы сохранять требуемые свойства после малых возмущающих воздействий. Понятие устойчивости системы впервые сформулировал А. М. Ляпунов: «Система называется устойчивой, если после наложения какого- либо возмущения она возвращается в прежнее состояние при снятии этого возмущения». Если систему, находящуюся в неустойчивом состоянии, вывести из него, а затем предоставить самой себе, то она будет самопроизвольно продолжать отклоняться от исходного состояния, пока не придет к новому устойчивому равновесию. При этом важно, чтобы требуемые свойства системы оставались неизменными. Поэтому понятие устойчивости относиться не к системе так таковой, а к какому- либо свойству её функционирования. Так, система может быть устойчива к некоторым возмущениям в отношении одного свойства и неустойчива в отношении другого свойства.

Управляемость ХТС – свойство систем достигать желаемых целей управлением (заданного качества продукции, заданной производительности и т. д.) при тех ограниченных ресурсах управления, которыми располагает данная система в реальных условиях эксплуатации.

Эмерджентность – способность системы приобретать новые свойства целостности, которые отличаются от свойств отдельных элементов, образующих эту ХТС. Например, система, включающая каталитический реактор для проведения экзотермической реакции и теплообменник, имеет три стационарных режима, один из которых неустойчивый, однако каждый из элементов ХТС ( реактор и теплообменник) в отдельности имеют лишь устойчивые стационарные режимы.

Сложность ХТС можно оценить уравнением сложности физико- химических явлений разнообразных ХТП, протекающих в элементах системы; числом элементов; числом параметров состояния ХТС; степенью использования ЭВМ для управления ХТС и др.