Характеристика технологических операторов

Общая стратегия системного подхода к построению математической модели ФХС.

Из вышесказанного следует, что процесс подготовки модулей ФХС для их использования в решении задач второго и третьего уровней иерархии включает большой комплекс процедур, начиная с формулировки основных физико-химических закономерностей, характеризующих ФХС, и кончая выдачей количественных соотношений между основными параметрами, определяющими поведение объекта.

Эффективное решение задач указанного выше комплекса требует выработки общей стратегии, систематизирующей и подчиняющей единой цели все промежуточные этапы процедуры подготовки математического описания процессов химической технологии. Эта стратегия определяет существо системного анализа процессов и состоит из ряда этапов: качественного анализа структуры ФХС, синтеза функционального оператора ФХС, проверка адекватности и идентификации операторов, формализации процедур на основе топологического принципа описания ФХС.

Ранее было сказано о том, что при исследовании процессов функционирования ХТС каждый элемент системы рассматривают как технологический оператор, качественно и (или) количественно преобразующий физические параметры входных материальных и энергетических технологических потоков х₁, х₂, … х_n в физические параметры выходных материальных и энергетических потоков у₁, у₂, … у_m (см. рис.1).

Например, химический реактор, в котором протекает экзотермическая реакция А + В → С + Q, где Q – тепловой эффект реакции, представляет собой технологический оператор, осуществляющий как качественное (в состав выходного технологического потока входит новых химический компонент), так и количественное (температура выходного технологического потока больше температуры входного потока) преобразование физических параметров входного технологического потока, включающего два компонента.

Теплообменник является технологическим оператором, осуществляющим количественное изменение температур входящих технологических потоков.

В общем случае число входных и выходных технологических потоков технологического оператора может быть произвольным, а именно n ≠ m. Кроме того, при любом значении n и m число физических параметров входных (i_n) и выходных (j_m) технологических потоков неодинаково.

Таким образом, каждый элемент ХТС представляет собой многомерный технологический оператор. Символическую математическую модель такого оператора выражают в виде функциональной зависимости

[Y] = [F([X],K)]

где [F([X],K)] – вектор функция от вектора физических параметров входных технологических потоков [X]; [Y] – вектор физических параметров выходных технологических потоков; К – конструкционные и технологические параметры элемента ХТС.

Каждый типовой процесс химической технологии можно считать типовым технологическим оператором. Типовые операторы подразделяют на основные и вспомогательные.

К основным относятся технологические операторы химического превращения (рис.2а), межфазного массообмена (рис.2б), смешения (рис.2в), разделения (рис.2г). Основные технологические операторы обеспечивают функционирование ХТС в требуемом целевом направлении.

Кроме основных технологических операторов, для повышения эффективности функционирования системы в ХТС используют вспомогательные типовые технологические операторы, изменяющие энергетическое и фазовое состояния технологических потоков. К ним относятся операторы нагрева или охлаждения (рис.3а), сжатия или расширения (рис.3б), изменения агрегатного (фазового) состояния вещества (рис.3в). Типовой технологический оператор изменения агрегатного состояния вещества соответствует физическим явлениям конденсации, испарения, растворения и т.п.

В зависимости от целей исследования процессов функционирования ХТС каждый технологический оператор (элемент системы) рассматривают либо как совокупность нескольких типовых операторов, либо как один типовой технологический оператор.

Например, подогреватель, в котором происходит химическая реакция разложения входного потока, представляет собой совокупность двух типовых технологических операторов – нагрева и химического превращения. Холодильник полагают технологическим оператором охлаждения, а ректификационную колонну можно представить либо как технологический оператор разделения, либо как совокупность технологических операторов межфазного массообмена.

Дата добавления: 2014-01-07