<<
>>

Лекция 4. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ ТЕХНОЛОГИЙ


Развитие химических и смежных технологий (на примере производства порошковых материалов - ПМ) идет по пути увеличения выпуска продукции, внедрения новой экологически безопасной техники, создания энергосберегающих и малоотходных производств.
Промышленные процессы протекают в так называемых химико-технологических системах (ХТС), каждая из которых представляет собой совокупность процессов и аппаратов, объединенных в единый производственный комплекс для выпуска ПМ различного назначения [1-5]. Основной метод исследования ХТС - математическое моделирование. Наряду с моделями отдельных аппаратов используют модель всей системы, так как процессы, протекающие в отдельных аппаратах, влияют друг на друга. Предполагается, что аппараты, обеспечивающие реализацию высокоэффективных малоотходных и энергосберегающих технологий, являются элементами (подсистемами) одной большой установки. Анализ структуры такой системы связан с декомпозицией ее элементов и подсистем, выявлением их устойчивых взаимоотношений и обычно проходит в две стадии. Первая стадия включает математическое моделирование отдельных подсистем, так называемое макроисследование, а вторая - микроисследование элементов подсистем. На второй стадии изучаются процессы, протекающие в машинах или агрегатах, и осуществляется усовершенствование применяемого оборудования.
Математическое моделирование используется при составлении моделей как на уровне отдельных процессов и аппаратов, так и на уровне их совокупностей. Модели должны учитывать принципы наилучшего использования сырья, повышения качества целевого продукта, рационального применения энергии, транспорта, информации, экологической защиты.
Процессы порошковых технологий отличаются большим ассортиментом продуктов, которые можно получить из одного и того же сырья, разнообразием оборудования для получения одного и того же продукта, динамикой промышленных выбросов (газообразных, жидких и твердых) и специфическими условиями их хранения и дальнейшей переработки (области использования). Поэтому за элемент системы принимают обычно технологическую операцию, включающую несколько физико-химических процессов. Превращение исходного сырья в промежуточный продукт или промежуточного продукта в конечное изделие происходит в результате нескольких операций, совокупность которых образует конкретную подсистему.
Учитывая условие агрегации таких подсистем в ХТС, можно ввести следующие уровни иерархии рассматриваемого производства ПМ:
Уровень иерархии ХТС              Типовой пример
Отрасль              Совокупность заводов, объединенных сырьем,
полупродуктами, целевыми продуктами.
Завод              Совокупность цехов, объединенных общим
сырьем или полупродуктами, или вторично используемыми отходами, включая вспомогательные службы.

Цех
Технологическая линия
Типовой процесс (элемент системы)
Совокупность отделений, работающих на выпуск заданной продукции: предварительной обработки сырья, выпуска товарной продукции, переработки отходов, обеспыливания и обезвреживания промышленных выбросов.
Процесс (измельчение, смешение и т.п.) или совокупность процессов (компактирование - классификация - транспортировка и т.п.), связанных общей производственной линией.

Дробилка, измельчитель, смеситель, валковый пресс, термический реактор и т.п.

Такая формализация рассматриваемой ХТС и ее иерархическая структура является важными предпосылками к созданию и внедрению на предприятиях высокоэффективных порошковых технологий (модулей), базирующих ся на рассмотренных принципах и позволяющих реализовать в каждом конкретном случае наиболее рациональную ХТС подготовки и переработки ПМ Далее кратко остановимся на общем описании предложенных уровней иерархии, а также рассмотрим некоторые задачи, характерные для каждого уровня Необходимо принимать во внимание, что элементы верхнего уровня иерархии - отрасли или завода - связаны между собой и окружающей средой многочисленными подсистемами для транспорта сырья, энергии, полупродуктов и т.п. Они также содержат многовариантные подсистемы для закупки, распределения, хранения сырья, продуктов, сроков ввода новых объектов и т.д.
Для решения задач на верхнем уровне предложено использовать технико-экономические линейные модели, которые отражают взаимосвязь по линии «сырье - продукты» (пример типовой системы изображен на р и с. 4.1)
Имеющееся количество сырья 7“ПГТ              Г-|              ¦¦
ON I | ON-1              їgt;2              I              I              04
Информационная схема (алгоритм) для построения математической модели «отрасль»
Рис. 4.1. Информационная схема (алгоритм) для построения математической модели «отрасль»
m
Gi + ^ aijxj + 9i “0;
Gj ^ Sj, gi ^ dj, Xj s pj,
j = 1, 2, ..., m; і -1, 2,              n,
где G, _ количество /-го вещества - сырья; m - число технологий (производственных систем); а,у - коэффициент эффективности переработки /-го продукта в j-й подсистеме; а# lt; 0, если і - сырье; ау gt; 0, если і - продукт производства; а - характеризует матрицу преобразования вещества в результате реализации технологий; Ху - количество вещества, перерабатываемого в у-й подсистеме; д, - количество /-го вещества - продукта производства; S, - количество сырья; с/, - требуемое количество /-го сырья; р, - ограничение по мощности у-й подсистемы; п - число различных веществ в системе (сырье, полупродукты, продукты).
Аналогичные модели можно построить и для других балансовых величин - энергии, стоимости. Используя соответствующую целевую функцию, можно найти требуемые оптимальные решения.
Для решения задач на среднем и нижнем уровнях иерархии (с учетом применения для процессов предварительной подготовки и последующей переработки ПМ самой разнообразной аппаратуры, которую желательно рассматривать в свете функционирования всей технологической линии, то есть решать основную задачу ХТС) необходимо иметь в виду следующее.
Анализ основных процессов подготовки и переработки ПМ (проведен на примере стекольных шихт) показал, что обобщающей стороной технологии является процесс активации сырья (механической, химической, термической или их совокупностью) с целью повышения показателей эффективности процесса стекловарения (интенсификация процесса плавления, повышение производительности печи, прогнозирование свойств стекол, снижение безвозвратных потерь компонентов). В связи с этим выделяют пять основных (приоритетных) подсистем, обладающих с одной стороны полной автономностью, с другой - тесной взаимосвязью в рамках рассматриваемой технологии (рис. 4.2) и имеющих следующие цели:
/. Подсистема подготовки:
Измельчение - образовать из сырья полупродукт с нарушенной кристаллической решеткой заданного гранулометрического состава, часто с удалением влаги и декарбонизацией.
Дозировка - обеспечить отмеривание исходных компонентов в таких количествах, соотношение которых обеспечивает соответствие показателей качества смеси требуемым значениям.
Смешение - получить химически и механически однородную смесь ингредиентов шихты или их групп, иногда с добавлением технологического связующего и отходов основного производства.
Компактирование - получить из многокомпонентного полидисперсного порошка компактные плитки (гранулы) необходимой прочности, плотности и влажности.
Схема системной постадийнойразработки и усовершенствования ресурсосберегающей техники подготовки и переработки стекольных шихт
Рис. 4.2. Схема системной постадийнойразработки и усовершенствования ресурсосберегающей техники подготовки и переработки стекольных шихт
  1. Подсистема надежности (обеспечения стабильности подготовки):

Износостойкость узлов и (или) конструкционных материалов - обеспечить заданные технологией режимные параметры процесса.
Структурно-механические характеристики сырья - снизить интенсивность отказов и интенсифицировать активационные эффекты.
  1. Подсистема оценки качества полупродукта:

Активность компонентов и шихты - прогнозировать степень модификации сырья (шихты) и характеристики (структуру) будущих расплавов (стекол, волокон).
  1. Подсистема переработки:

Стекловарение - переработать подготовленный полупродукт (шихту) в стекломассу (чаще в стеклоизделия, например, стеклошарики) с заданными характеристиками.
Формование стеклянных нитей - перевести расплав шихты или стек- ЛОшариков в твердую фазу - элементарное волокно.
  1. Подсистема природоохранной стратегии:

Экологическая безопасность и ресурсосбережение - выявить приоритетные загрязнения окружающей среды, минимизировать их и оценить ХТС на соответствие критериям мало- и безотходных технологий.
Из сказанного следует, что производственные процессы получения стекла и стеклянного волокна характеризуются большим разнообразием выпускаемой продукции и сложностью. Общей чертой этих процессов является то, что для превращения исходного сырья (отдельных компонентов) в шихту или полупродуктов (шихты, стеклошариков, стекломассы) в целевой конечный продукт - стекловолокно - необходимо большое число функционально различных ступеней подготовки и переработки. Для целенаправленного осуществления этих технологий требуются разные виды энергии, вспомогательных веществ и информации, так называемые параметры процесса. В литературе (системном анализе) принято деление параметров на входные, управляющие, возмущающие и выходные.
Установить влияние характера взаимодействий различных фаз системы Т-Т; Ж-Т; Г-Т и т.п. (например, порошковой или гранулированной шихты, расплава стекла и его твердых отходов, режимных параметров оборудования и др.) на количество и состав промышленных выбросов, качество стеклоизделий, срок службы оборудования и так далее можно следующим образом. Для этого графически исходную технологическую линию представляют в виде блок-схемы (прямоугольника), ограничивающего систему, которая содержит от 2 до 6 прямоугольников, ограничивающих подсистему. В подсистему входят несколько операторов, отражающих сущность технологической операции или операций, выполняемых в машине или агрегате. Границы оператора совпадают с границами такой машины или операции. Оператор содержит один или несколько процессоров, под которыми понимают физико-химические процессы. Связи между операторами выражают в виде линий материальных потоков.

Изображения типовых процессоров представлены на рис, 4,3, опера торной модели линии - на рис. 13.1 (см. лекцию 13).

If
Ю

Схема технологических процессов производства стекловолокна
15
14
13

Рис. 4.3. Схема технологических процессов производства стекловолокна:
1 - соединение без сохранения поверхности раздела исходных компонентов (стадия сили катообразования); 2 - соединение с сохранением поверхности раздела исходных компонентов исходной шихты (смешение); 3 - уплотнение (комлактирование) шихты с частичным сохранен и ем поверхности раздела исходных компонентов при небольшом или среднем давлении прессо вания, 4 - комлактирование шихты без сохранения поверхности раздела компонентов при высо ком давлении прессования; 5-дробление; 6- сложный процессор (комплекс физических, хими ческих, тепло- и массообменных процессов); 7 - придание стекломассе формы; 8 - термообра ботка (нагрев, расплавление, отжиг, охлаждение); 9- изменение агрегатного состояния; 10- до зирование, 11 - перемешивание шихты без изменения агрегатного состояния, 12- разделение (классификация); 13- вторичное использование (рекуперация) теплоты, 14 - формование пучка волокон, 15- соединение пучка волокон в нить
Анализ операторной модели линии, целей подсистем и их параметров показал, что работу всей системы определяют подсистемы образования компактированной шихты и стекломассы. При их исследовании и функциональном анализе целесообразно рассматривать не систему машин и аппаратов, а систему протекающих в них процессов. При этом технологический процесс может быть представлен как преобразование множества входов (исходное состояние шихты) в множество выходов (промежуточное или ко нечное состояние изделия).
Сложный характер взаимосвязей элементов подсистем может быть выявлен при использовании статистических методов планирования эксперимента и вычислительной техники.
Таким образом, результаты системного анализа можно использовать для разных целей: сбора информации о процессах и структуре связей ме жду элементами и подсистемами в зависимости от технологических и конструкционных параметров систем, составления топологических моделей
проведения многофакторных экспериментов в производственных условиях, а главное - при синтезе новых технологических схем, обеспечивающих работу линии в оптимальном режиме по эколого-экономическим показателям.
Рассмотрим в общем виде некоторые варианты применения операторной модели по указанным целям.
Производство ПМ состоит из множества процессов, на которые влияет огромное количество факторов. При оптимизации таких процессов с помощью многофакторного эксперимента используют априорное ранжирование факторов и определяют их уровни. Важно правильно выбрать критерий оптимизации (например, качество изделия, экологическую безопасность процесса или материала, комплексность применения сырьевых, вторичных и энергетических ресурсов, стабильность процессов, протекающих в подсистемах и т.д.). Таких критериев может быть несколько и они определяются конкретными условиями производства. Выбранный критерий связывает существенные факторы в математическую модель (полином). Применяя статистические методы планирования эксперимента, в зависимости от цели работы минимизируют или максимизируют критерий оптимизации. Например, определяют минимум предельно допустимых выбросов (ПДВ) по целевому или токсичному компоненту, или максимум BMP (возвратных или покупных), применяемых как основной ингредиент смеси при сохранении стабильности комплексного показателя качества изделий. Причем в качестве управляющих факторов могут использоваться параметры различных подсистем: влажность порошковой шихты или гранул, плотность и прочность гранул, режимные характеристики оборудования, выбросы (сбросы) В биосферу, здоровье человека и т.д.
Остановимся подробнее, с учетом накопленного опыта и последних достижений науки и техники, на реализации принципов формирования и синтеза ХТС рассмотренных уровней иерархии. В соответствии с предлагаемой методологией далее будут изложены особенности их функционирования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
  1. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Арутюнов СЮ. Системный анализ процессов химической технологии. М : Наука, 1985. 440 с.
  2. БальцерД., Вайс В., Викторов В.К. и др. Химико-технологические системы. Л.: Химия, 1986. 424 с.
  3. Попов Ю.П., Брянская Э.А.. Смирнов Л.А. Многовариантный синтез оптимальных химико-технологических схем и аппаратуры/Юптимальное проектирование в задачах химического машиностроения. М.: Изд-во МИХМ, 1983. С. 39-43.
  4. Калыгин В.Г. Разработка и совершенствование ресурсосберегающей техники подготовки и переработки стекольных шихт. Автореф. диссертации д-ра техн. наук. М.. Изд-во МИХМ, 1991. 32 с.
  5. Кафаров В.В. Принципы создания безотходных производств. М.: Химия, 1982. 288 с.

<< | >>
Источник: Калыгин В.Г.. Промышленная экология. Курс лекций. - М.: Изд-во МНЭПУ,2000. - 240 с.. 2000 {original}

Еще по теме Лекция 4. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ ТЕХНОЛОГИЙ:

  1. Тема II. ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ (ТЕХНИКА) ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ
  2. Лекция 1. ОСНОВОПОЛАГАЮЩИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПРИНЦИПЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ (ЭКОЛОГИЯ И ОХРАНА БИОСФЕРЫ)
  3. 4.1.3. Возможность применения принципа регулирования процесса расширения в силикатной технологии
  4. Принцип системности Предпосылки системного подхода в психологии
  5. Организация экологически чистых автохозяйств
  6. Критерии экологически чистых объектов и промышленных производств
  7. Сооружение экологически чистых временных поселков строителей
  8. Категориальный анализ научного аппарата
  9. 4.1. ПОНЯТИЯ И АППАРАТ АНАЛИЗА ОПАСНОСТЕЙ
  10. Системный анализ в моделировании
  11. Глава 11. Экологическая паспортизация объектов и технологий
  12. Системный подход к анализу структуры управления
  13. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД И ПРОЦЕСС ОРГАНИЗАЦИИ
  14. Иванец В.Н., Крохалев А.А., Бакин И.А., Потапов А.Н.. ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ Часть 1 конспект лекций для студентов заочной формы обучения, 2002
  15. КЛАССИФИКАЦИЯ ОПАСНОСТЕЙ. РИСКИ. ПОНЯТИЕ О СИСТЕМНОМ АНАЛИЗЕ БЕЗОПАСНОСТИ