Системный анализ процессов и аппаратов химической технологии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 
 
 
 
 
 
 
 
Э.Д. Иванчина, Е.С. Чернякова,  
Н.С. Белинская, Е.Н. Ивашкина 
 
 
 
 
 
 
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ 
ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ ХИМИЧЕСКОЙ 
ТЕХНОЛОГИИ 
 
 
 
Рекомендовано в качестве учебного пособия  
Редакционно-издательским советом 
Томского политехнического университета 
 
 
 
 
 
 
 
Издательство 
Томского политехнического университета 

2017 

 

УДК 66.02(075.8) 
ББК  35.11я73 
И23 
 
Иванчина Э.Д. 
И23 
 
Системный анализ процессов и аппаратов химической 
технологии : учебное пособие / Э.Д. Иванчина, Е.С. Чернякова, 
Н.С. Белинская, Е.Н. Ивашкина ; Томский политехнический 
университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического 
университета, 2017. – 115 с. 

ISBN 978-5-4387-0787-5 
 

В пособии изложены методологические основы системного анализа 

процессов и аппаратов химической технологии. Рассмотрены принципы 
системного анализа процессов и аппаратов химической технологии как 
многоэтапной процедуры принятия решений. Изложены научные концепции проектирования новых и оптимизации действующих химических 
производств. Показана с позиции системного анализа взаимосвязь явлений в отдельных процессах и аппаратах химико-технологических систем. 
Рассмотрены пути реализации стратегии системного анализа процессов и 
аппаратов химической технологии посредством программной реализации 
математических моделей и моделей для представления знаний.  

Предназначено для студентов химико-технологических специально
стей и инженеров-технологов химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. 
 
УДК 66.02(075.8) 
ББК 35.11я73 
 

Рецензенты 

Кандидат технических наук 
 начальник отдела технологического инжиниринга  
ОАО «ТомскНИПИнефть» 
Д.С. Полубоярцев 

Кандидат химических наук 
 научный сотрудник Института химии нефти СО РАН 
Е.Б. Кривцов 

 

ISBN 978-5-4387-0787-5   
© ФГАОУ ВО НИ ТПУ, 2017 
© Иванчина Э.Д., Чернякова Е.С., 
Белинская Н.С., Ивашкина Е.Н., 2017 
© Оформление. Издательство Томского  
политехнического университета, 2017 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................... 6 

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИСТЕМНОГО 
АНАЛИЗА ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ ХИМИЧЕСКОЙ 
ТЕХНОЛОГИИ ......................................................................................... 7 
1.1. Элемент и система ................................................................................ 10 
1.2. Иерархический принцип формирования  
химико-технологической системы ..................................................... 11 
1.3. Системный анализ процесса приготовления товарных бензинов .. 11 
Контрольные вопросы по разделу ............................................................. 14 

2. МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ  
ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ....................................................... 15 
2.1. Химические модели. Схемы превращения реагентов ...................... 15 
2.2. Графические модели ............................................................................. 16 
2.3. Знаковая (математическая) модель ..................................................... 17 
Контрольные вопросы по разделу ............................................................. 18 

3. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ – СТРАТЕГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ 
ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ ХИМИЧЕСКОЙ  
ТЕХНОЛОГИИ ....................................................................................... 19 
3.1. Определение и систематизация информации ................................... 19 
3.2. Способы представления информации о функционировании 
процессов и аппаратов химической технологии .............................. 19 
Контрольные вопросы по разделу ............................................................. 21 

4. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ 
ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ В РЕЖИМЕ ДИАЛОГА 
«ЧЕЛОВЕК–ЭВМ». ПОСТРОЕНИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ 
СИСТЕМ ДЛЯ РАСЧЕТА И ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ  
И АППАРАТОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ........................ 22 
4.1. Основные понятия и определения интеллектуальной системы ..... 22 
4.2. Основные этапы построения интеллектуальной системы .............. 23 
4.3. Модели знаний при разработке интеллектуальной системы .......... 23 
4.3.1. Логическая модель для представления знаний ..................... 23 
4.3.2. Фреймовые модели для представления знаний ..................... 25 
4.3.3. Семантическая модель для представления знаний ............... 27 
4.3.4. Продукционные модели для представления знаний ............. 27 
4.3.5. Фреймово-продукционная модель процесса пиролиза 
углеводородного сырья для представления знаний ............. 27 

4.4. Систематизация знаний процессов и аппаратов химической 
технологии ............................................................................................. 28 
Контрольные вопросы по разделу ............................................................. 30 

5. КОНЦЕПЦИИ СОЗДАНИЯ НОВЫХ И ПОВЫШЕНИЯ 
ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕЙСТВУЮЩИХ ПРОЦЕССОВ И 
АППАРАТОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ............................ 31 
5.1. Концепции при проектировании и эксплуатации ХТС ................... 31 
5.2. Концепция глубины и полноты переработки сырья ........................ 31 
5.3. Концепция минимизации энергетических и тепловых затрат ........ 34 
5.4. Концепция минимизации производственных отходов .................... 36 
5.5. Концепция оптимального использования процессов  
и аппаратов химической технологии ................................................. 36 
5.6. Реализация концепций системного анализа процессов  
и аппаратов химической технологии ................................................. 39 
Контрольные вопросы по разделу ............................................................. 43 

6. ОСНОВНОЙ ПРИНЦИП СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА – 
ВЗАИМОСВЯЗЬ ЯВЛЕНИЙ В ПРОЦЕССАХ  
И АППАРАТАХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ ....................... 44 
6.1. Задачи анализа и синтеза процессов и аппаратов  
химической технологии ....................................................................... 44 
6.1.1. Анализ процессов и аппаратов химической технологии ..... 44 
6.1.2. Материальный и тепловой балансы процессов  
и аппаратов химической технологии ..................................... 45 
6.2. Стратегия синтеза математического описания процессов  
и аппаратов химической технологии ................................................. 48 
6.2.1. Моделирование кинетики гомогенных  
и гетерогенных реакций .......................................................... 48 
6.2.2. Иерархическая структура математического описания 
процессов и аппаратов химической технологии ................... 49 
6.2.3. Элементарные акты химического превращения вещества  
в процессах и аппаратах химических производств .............. 50 
6.2.4. Взаимосвязь явлений в процессах энергомассопереноса ..... 51 
6.2.5. Определение значений кинетических параметров  
при математическом моделировании процессов  
и аппаратов химической технологии ..................................... 53 
6.2.6. Решение обратной кинетической задачи ............................... 54 
6.2.7. Составление регулирующего алгоритма ................................ 54 
6.2.8. Расчет параметров регуляризации .......................................... 55 
Контрольные вопросы по разделу ............................................................. 55 

7. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ 
ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ, 
ЭКОНОМИЧЕСКИМ И ЭКОЛОГИЧЕСКИМ КРИТЕРИЯМ .... 57 
7.1. Постановка задачи оптимизации процессов и аппаратов 
химической технологии ....................................................................... 57 
7.2. Основные этапы системного анализа процессов и аппаратов 
химической технологии ....................................................................... 57 
7.3. Критерии для системного анализа процессов и аппаратов 
химической технологии ....................................................................... 60 
7.3.1. Классификация критериев оптимизации ............................... 60 
7.4. Мультиобъектный анализ химических производств ....................... 62 
7.4.1. Задачи анализа процессов и аппаратов химической 
технологии ................................................................................ 63 
7.5. Компромиссное решение при оптимизации процессов  
и аппаратов химической технологии ................................................. 63 
7.6. Методы решения задач многокритериального анализа ................... 66 
7.7. Процесс компаундирование товарных бензинов .............................. 68 
7.8. Решение задач многоцелевой оптимизации  
(Парето-оптимизация) .......................................................................... 71 
7.9. Описание алгоритма оптимизации процесса компаундирования .. 72 
7.10. Календарное планирование производства бензинов  
на основе планов Aspen Pims .............................................................. 75 
Контрольные вопросы по разделу ............................................................. 79 

8. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ 
ТЕХНОЛОГИИ ТОПЛИВА  
И ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ ................................ 80 

9. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ..................................................... 82 
Лабораторная работа № 1. Системный анализ процесса 
компаундирования товарных бензинов ............................................. 82 
Лабораторная работа № 2. Модульный принцип расчета ХТС ............. 89 
Лабораторная работа № 3. Построение интеллектуальной  
системы для диагностики причин отклонений в работе 
промышленной установки ................................................................. 104 
Лабораторная работа № 4. Идентификация значений  
кинетических параметров при математическом  
моделировании химических превращений ..................................... 108 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………….115

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................................... 116 
 

ВВЕДЕНИЕ 

В процессе разработки пособия использована стратегия системного 

анализа. Системный анализ есть результат применения к исследованию 
опыта изучения, создания и эксплуатации химико-технологической 
ческой системы [1, 2]. Можно выделить основные этапы: 

1. Выделяются параметры и элементы, которые определяют необ
ходимые свойства процессов и аппаратов химической технологии. 

2. Устанавливаются зависимости выходных параметров процессов 

и аппаратов химической технологии от входных. 

3. Проводится исследование процессов и аппаратов химической 

технологии, то есть рассчитываются показатели, определяются свойства 
(особенности), изучается эволюция (развития, изменения) производственной системы для повышения эффективности ее функционирования. 
Большое значение при этом имеет накопленный опыт эксплуатации в 
виде данных и знаний. 

Описание системы процессов и аппаратов химической технологии, 

зависящей от множества параметров – сложная совокупность функциональных зависимостей. Система является интеллектуальной, т. к. она базируется на фактических данных по эксплуатации промышленных процессов и аппаратов химической технологии. Эти данные анализируются, делаются выводы и даются рекомендации. Физико-химическая модель – это программно реализованный главный блок этой системы, 
включающий расчеты по уравнениям материальных и тепловых балансов превращения углеводородов на поверхности катализатора, а также 
кинетические модели дезактивации вследствие процессов отравления, 
старения, блокировки активной реакционной поверхности коксом. 

Единой методической основой написания данного пособия яви
лась стратегия системного анализа. Она применена для расчета, анализа 
и прогнозирования процессов и аппаратов химической технологии. 

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 
СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ 
ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ 

Предметом изучения являются системы различной природы. Методом исследования является метод математического моделирования, 
который использует стратегию системного анализа процессов и аппаратов химической технологии. 
Основным инструментом в системном анализе процессов и аппаратов химической технологии является компьютер. 
Системный анализ процессов и аппаратов химической технологии выполняется изучением системы, способной воспринимать, хранить 
и перерабатывать информацию. Для восприятия информации используются специальные приборы – датчики. Для хранения – всевозможные 
носители информации – диски, дискеты. 
Для переработки информации используется метод математического 
моделирования, компьютерные методы и программы обеспечения. 
Химико-технологическая система (ХТС) – это совокупность физико-химических процессов, происходящих в системе, а также средств 
для их реализации.  
Основные задачи, которые позволяет решить системный анализ 
процессов и аппаратов химической технологии: 
1. Компьютерный анализ эффективности функционирования каждого аппарата производства и всей системы в целом. 
2. Синтез ресурсоэффективной системы процессов и аппаратов. 
3. Оптимизация процессов и аппаратов химической технологии 
по технологическим, экономическим и экологическим критериям. 
4. Диагностика отказов в работе процессов и аппаратов химической технологии и выдачи рекомендаций для их устранения. 
5. Объективное тестирование существующих процессов и аппаратов химической технологии технологий и выдачи рекомендаций для 
реконструкции в данный момент существующего производства. 
6. Мониторинг и прогнозирование производства. 
Любая система процессов и аппаратов химической технологии 
взаимодействует с внешней средой и характеризуется входными и выходными параметрами. 
Компонентами входных параметров является химический состав 
сырья, его расход, а также технологические условия проведения процесса. Выходными параметрами являются показатели качества продукта 
и общее количество производимой продукции. 

Рис. 1. Параметры системы: 

x
 – входные; y
 – выходные; z

 – вектор управления 
 
Реактор является элементом системы. 
Внешняя среда 

Д

ИМ

Р

П

У

Объект

 
 
Рис. 2. Схема воздействия управляющих параметров на систему: 
Д – система датчика; У – усилитель, П – преобразователь; Р – регулятор;  
ИМ – исполнительный механизм 
 

 
Рис. 3. Системный анализ – стратегия  
для изучения химико-технологической системы 

Система 

Системный анализ – обобщение и систематизация знаний в теории 
и практике химических производств. 
Описание системы, состоящей из сотен элементов и связей из систем алгебраических или дифференциальных уравнений, основное 
средство системного анализа – ЭВМ. 
Эвристические решения – накопленный опыт исследования химического производства. 
При моделировании химико-технологических процессов применяется системный подход, в соответствии с которым процессы и аппараты 
химической технологии рассматриваются как некоторая функциональная система. 

x

y


 
Рис. 4. Параметры системы: 

x

– входные; y


– выходные 
 
Системный подход к оптимизации процессов и аппаратов химической технологии дает возможность осуществить моделирование процессов и  аппаратов и  их совокупности (химическое производство). 
На рис. 5 представлена химико-технологическая система получения целевого продукта Р из сырья с компонентами А и В. Рецикл по 
непревращенным компонентам сырья увеличивает его степень превращения. 

 
Рис. 5. Технологическая схема превращения целевого продукта Р 
 
Целевой продукт Р образует с компонентом Е азеотропную смесь 
максимальной температурой кипения, часть его попадает в куб ректификационной колонны. Чтобы снизить потери целевого продукта Р, 
необходимо организовать рецикл. 

x

y


 
Рис. 6. Взаимодействие подсистем в процессе преобразования 
сырья x



 в продукт y

  

1.1. Элемент и система 

Понятия системы и элемента являются относительными. Система 
может быть элементом другой системы более крупного масштаба. Элементы систем могут  быть разделены на  части. Реакторный узел – система по отношению к одному реактору. Но одновременно реакторный 
блок является реакционным элементом по отношению к химикотехнологической системе. Рассмотрим условное обозначение элементов 
ХТС, которые она включает: 
 
реактор 
 
 
 
 

 
 

теплообменник 
 
 
 
 
 
 
 
 

смеситель 
 
 

делитель 
 
 
 
 

компрессор 

 
Большим системам, в отличие от малых, присуща определенная целостность, наличие общих целей и назначений. Примером больших систем может быть цех или завод.