Структурный анализ и структурный синтез сложных

Технологических систем

Сложные системы характеризуются функцией, целью и структурой. Для выполнения цели функционирования система должна иметь необходимый набор элементов, объединенных внутренними связями и образующими структуру, необходимую для функционирования в направлении достижения поставленной цели. При этом каждый элемент рассматриваемой системы, может иметь в свою очередь сложный состав и характеризоваться своей собственной структурой, элементным составом и целью, которая не противоречит общей цели функционирования системы более высокого уровня. Для создания математических моделей, используемых для исследования поведения и свойств систем, используют обычно системный подход, состоящий из системного анализа и системного синтеза. В соответствии с этим подходом сложная система анализируется и расчленяется на боле простые системы, вплоть до элементарных процессов. Эта процедура называется системным анализом.

В процессе системного анализа реальная система и ее элементы упрощаются, схематизируются, и полученная схема описывается в зависимости от сложности явления с помощью основных физико-химических закономерностей и подходящего математического аппарата. В полученной таким образом модели должны быть учтены все основные черты рассматриваемого объекта, и вместе с тем, она не должна содержать мелких, второстепенных деталей, усложняющих ее и делающих затруднительным анализ.

На основании системного подхода выполняется анализ всех элементов системы, выясняется, какие элементарные процессы протекают при функционировании системы и ее элементов, составляется математическое описание отдельных элементарных процессов, а затем составляется общее математическое описание функционирования технологического объекта. Составление общего математического описания объекта производится на основании структуры объекта, с учетом характера связей между элементарными процессами, протекающими в объекте. Расчленение сложного процесса в объекте на элементарные стадии называется системным анализом процесса. Объединение математических описаний отдельных элементарных процессов в единое математическое описание объекта называется системным синтезом.

После построения модели необходимо проверить насколько верно описывает модель качественные и количественные характеристики объекта моделирования. Для этого проверяют адекватность модели. Адекватность модели проверяется путем сопоставления результатов моделирования с результатами наблюдения за характеристиками системы в процессе ее функционирования. Адекватность модели зависит от того, насколько справедливы упрощения, сделанные при формулировке модели. Если модель адекватна, ее можно использовать для дальнейшего анализа поведения моделируемого объекта и системы в целом. Если модель не адекватна, необходимо либо пересмотреть значения параметров модели. Это так называемая параметрическая идентификация. Либо пересмотреть структуру модели. Эта процедура называется структурной идентификацией модели. При построении модели используется блочная структура модели. В соответствии с этой структурой модель представляется в виде совокупности отдельных блоков, описывающих элементарные процессы в объекте. Блоки объединяются в модель в соответствии со структурой объекта.

Процессы в технологических объектах происходят, как правило, в движущихся многофазных потоках, они сопровождаются переносом тепла и массы движущимися потоками и сопровождаются химическими превращениями исходных исходного сырья в продукты переработки. Эти процессы обычно сопровождаются выделением или поглощением тепла. Для поддержания необходимого температурного режима к технологическому объекту подводится (или отводится) тепло из окружающей среды.

В соответствии с этим, структура технологического объекта как системы может быть представлена в следующем виде:

Рис.2.1. Структурная схема технологического объекта

2.2. Обобщенная структурная модель

металлургического процесса.

В настоящее время в рудной технологии освоено производство более 70 металлов. Технология производства большинства из них включает десятки процессов, проводимых в разнообразных металлургических аппаратах. В основе всех металлургических технологий лежит совокупность взаимосвязанных физико-химических превращений, направленных на разрушение химических соединений, присутствующих в рудах (концентратах) превращение металлов в элементарный вид, очистку от примесей. По существу металлургические технологии являются химическими технологиями, что позволяет при описании металлургических процессов использовать многие подходы, применяемые при описании и моделировании химических процессов. Совокупность всех процессов, реализуемых в данном аппарате при переработке исходного сырья в конечные продукты, называется технологическим процессом ТЕП.

Как известно, металлургические процессы можно разделить на две группы:

• Пирометаллургические
• Гидрометаллургичесие

Первые осуществляют при повышенных температурах, вторые – в водных средах или других растворителях при умеренных температурах.

Аппараты, предназначенные для осуществления пирометаллургических процессов, называют металлургическими печами. Во всех печах нужен источник генерации тепловой энергии и в соответствии с этим выделяют три группы печей:

1) Топливные

2) Электрические

3) Автогенные.

Существуют и другие типы классификации печей

Гидрометаллургические аппараты иногда называют баковыми.

Эти аппараты можно классифицировать в первую очередь по технологическому предназначению:

1) Смесители – емкости с перемешивающими устройствами различного типа – механическими мешалками, с эрлифтным перемешиванием и др. типами

2) Реакторы – аппараты для выщелачивания, экстракторы, автоклавы и др.

3) Аппараты для разделения фаз – сгустители, тканевые фильтры рамного типа, фильтр-прессы, патронные фильтры, циклоны, центрифуги

4) Колонная аппаратура - экстракционные и ректификационные колонны, абсорберы, адсорберы

5) Сушилки - барабанного типа, с взвешенным слоем и др.

Рис.2.2 Обобщенная структура металлургического процесса:

а) схема первого приближения, б) развернутая схема

ТЭП - технолого – энергетический процесс; ЭП- энергетический процесс; ТОП- теплообменные процессы; ТЕП- технологический процесс; ФМП – физико-механические процессы: ГАП – гидроаэродинамические процессы.

В 60-х годах А. Диомидовский предложил обобщенную структурную схему металлургического процесса. Хотя первоначально эта схема была предложена для пирометаллургических процессов, в дальнейшем оказалось, что она применима и для гидрометаллургических процессов. На схеме приведена обобщенная (а) и более детальная часть процесса (б). Определенное сочетание указанных на рис.2.2 процессов и их режимных особенностей и называют обычно собственно технологией процесса, т.е. технологией технологического объекта управления – ТОУ. Основным является технологический процесс – ТЕП. Он и является, по существу, объектом управления, Остальные процессы являются обеспечивающими необходимое функционирование ТЕП.

В соответствии с представленной структурой мы рассмотрим закономерности отдельных элементарных процессов, происходящих в технологических объектах. Начнем рассмотрение с процессов переноса массы в движущихся средах.