CC BY
21
Е. В. Бурляева, докт. техн. наук, профессор, Московский государственный университет тонких химических технологий им. М. В. Ломоносова, lenbur@yandex.ru, С. В. Разливинская, канд. техн. наук, Московский государственный университет тонких химических технологий им. М. В. Ломоносова, sveta@mitht.ru
А. В. Трегубов, аспирант, Московский государственный университет тонких химических технологий им. М. В. Ломоносова, cure4hedgehog@mail.ru
Разработка и применение обобщенной функциональной модели одностадийного химического производства
На основе неформального описания одностадийного химического производства построена обобщенная функциональная модель-шаблон. В качестве примера выполнена конкретизация этой модели для производства метил-трет-бутилового эфира. Построенные модели представляют собой формализованное иерархическое описание взаимосвязанных процессов производства и управления химическим предприятием. Такое описание является одним из первых этапов разработки средств информационной поддержки производственных процессов.
Ключевые слова: функциональное моделирование, модельно-управляемый подход, одностадийное химическое производство, метил-трет-бутиловый эфир, информационная поддержка производства.
Введение
Для российской химической промышленности разработка информационного обеспечения, направленного на создание и обновление технологических регламентов, повышение эффективности системы контроля качества продукции — важные и актуальные задачи. Существенной тенденцией развития средств информационной поддержки процессов производства и управления является приоритетная роль моделей предметной области, так называемый мо-дельно-управляемый подход [1]. В рамках этого подхода при взаимодействии с экспертами обеспечивается использование терминов, принятых в предметной области, с последующей трансляцией их в удобные для компьютерной обработки представления.
Модельно-управляемый подход основан на построении точного, достаточного, ла-
коничного, удобного для эксперта описания взаимосвязанных процессов производства и управления. Применение таких принципов системного анализа, как декомпозиция процессов и систем, построение иерархии, абстрагирование, позволяет, начав с наиболее общего описания производственных процессов, конкретизировать его вплоть до уровня, достаточного для корректного анализа и выработки эффективных управленческих решений.
Один из широко используемых в настоящее время методов формального анализа и верификации производственных процессов и различных вариантов их усовершенствования, удобных как для специалистов в области системного анализа, так и для инженеров-химиков-технологов, — функциональное моделирование. Методология функционального моделирования позволяет построить структу-
рированное, иерархическое, сколь угодно детализированное, формализованное описание процессов производства и управления.
Функциональное моделирование обеспечивает выявление однотипных операций, используемых в различных технологических процессах. В результате предлагается построить единое обобщенное описание одностадийных химических производств модель — шаблон. Настройка такого шаблона будет представлять собой конкретизацию элементов модели применительно к рассматриваемому технологическому процессу.
Методология функционального моделирования
Методы функционального моделирования предназначены для формального описания производственно-технических и организационно-экономических систем с помощью относительно небольшого набора типовых элементов [2]. Описание системы строится в виде иерархической структуры, отражающей различные уровни абстракции с ограниченным числом компонентов на каждом из уровней.
В России методология функционального моделирования изложена в Рекомендациях по стандартизации Р 50.1.028-2001 [3]. Эти рекомендации содержат описание синтаксиса графического языка, используемого в нотации функционального моделирования IDEF0. Основными компонентами нотации IDEF0 являются блоки, стрелки и диаграммы.
Графическая диаграмма — главный компонент модели. Диаграммы содержат блоки и стрелки. Блок описывает функцию, определяемую как деятельность, процесс, операцию или преобразование. Стрелки идентифицируют данные или материальные объекты. Сторона функционального блока, к которой присоединена стрелка, однозначно определяет роль стрелки. Декомпозиция функционального блока выполняется посредством создания дочерней диаграммы. Дочерняя
диаграмма описывает ту же функцию, что и исходный (родительский) функциональный блок, но более подробно. Таким образом, задается иерархия декомпозиции «родительский блок — дочерняя диаграмма». Название дочерней диаграммы совпадает с названием функционального блока, который она детализирует.
Обобщенная функциональная модель одностадийного химического производства
Как показано в [4], одностадийное химическое производство представляет собой ряд последовательных технологических операций. Используя неформальное описание этих операций, можно построить обобщенную функциональную модель такого производства.
При построении функциональной модели на начальном этапе химическое производство рассматривается как единый процесс. Для этого процесса необходимо описать входные ресурсы. Как правило, это сырье, используемое для производства. На обобщенной функциональной диаграмме сырье описано одной стрелкой, при описании конкретного производства могут использоваться отдельные стрелки для каждого вида сырья. Результаты процесса — готовая продукция и документы, удостоверяющие ее качество. Для «управления» этим процессом задаются стандарты (ГОСТ или ТУ), описывающие требования к качеству продукции. Исполнитель процесса, как правило, цех или производственный участок. Функциональная модель наивысшего уровня для химического производства приведена на рис. 1.
При декомпозиции этой диаграммы используем выделенные в [4] базовые технологические операции:
1) подготовка сырья;
2) химическое превращение;
3) очистка и конденсация;
4) разделение конденсата.
ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА / JOURNAL OF APPLIED INFORMATICS
[ Vol. 11. No. 1 (61). 2016 ] _
К этим операциям необходимо добавить процедуру контроля качества готовой продукции.
Обобщенная функциональная модель одностадийного химического производства представлена на рис. 2. Рассмотрим ее структуру более подробно.
Как правило, перед помещением сырья в химический реактор необходима его предварительная подготовка: нагрев, измельчение, растворение и т. п. На диаграмме стрелки с ролью «вход» указывают на функциональный блок 1, соответствующий процессу подготовки сырья. Для подготовки сырья часто используется отдельный производственный участок, который на диаграмме описан с помощью стрелки с ролью «механизм». Подготовленное сырье передается на следующий этап, как показывает стрелка с соответствующей меткой, связывающая выход функционального блока 1 с входом функционального блока 2.
Рис. 2. Детализированная функциональная диаграмма, описывающая одностадийное химическое производство
Fig. 2. Derived context diagram for one-stage chemical manufacturing
Оырьё
Огандарты
Химическое производство
Готовая продукция
Документ,
подтверждающий
качество
Производственный участок
Рис. 1. Функциональная диаграмма, описывающая химическое производство
Fig. 1. Top-level context diagram for chemical manufacturing
Функциональный блок 2 описывает процесс химического превращения, в котором обычно участвует катализатор. Стрелка, описывающая катализатор, является туннельной, поскольку она не представлена на родительской диаграмме. Химическое превращение
о
осуществляется в реакторе, но помимо реактора на этом этапе могут использоваться и другие аппараты. Стрелка с ролью «механизм» описывает аппаратное оформление химического превращения. Результатом химического превращения является реакторный газ, далее подвергаемый очистке и конденсации. Стрелка с меткой «реакторный газ» связывает выход функционального блока 2 с входом функционального блока 3.
В результате очистки реакторного газа, как правило, удается выделить частицы катализатора, которые можно повторно использовать для проведения химического превращения. Возврат катализатора описан с помощью стрелки обратной связи, связывающей выход функционального блока 3 с входом функционального блока 2. Основным результатом процесса очистки является конденсат, далее подвергаемый разделению. Стрелка с меткой «конденсат» связывает выход функционального блока 3 с входом функционального блока 4. Стрелка с ролью «механизм» описывает аппаратное оформление процесса очистки.
В процессе разделения, помимо целевого продукта, из конденсата удается выделить непрореагировавшее сырье и побочные продукты разделения. Часто при разделении конденсата используется последовательность ректификационных колонн. Стрелка с ролью «механизм» описывает участок ректификации. Побочные продукты выводятся из системы, что описано на диаграмме туннельной стрелкой с соответствующей меткой. Сырье возвращается на начальный этап. Для описания этого процесса используется стрелка обратной связи, связывающая выход функционального блока 4 с входом функционального блока 1.
Далее выполняется контроль качества продукции, этот процесс описывает функциональный блок 5. Стрелка «готовая продукция» связывает выход функционального блока 4 с входом функционального блока 5. Контроль качества выполняется в специализированной лаборатории, что показано на ди-
аграмме стрелкой с соответствующей меткой. Если произведенная продукция не соответствует требованиям качества, она возвращается для повторной переработки. Чаще всего необходимо повторное разделение — на диаграмме этот процесс описан стрелкой, связывающей выход функционального блока 5 с входом функционального блока 4. Возможен и возврат продукции на более ранние этапы, однако процедуры контроля качества, которыми должны завершаться отдельные этапы, предназначены для того, чтобы минимизировать такие процессы, поэтому на диаграмме соответствующие стрелки не представлены. Если процедура контроля качества пройдена успешно, в результате ее формируются документы, подтверждающие соответствие продукции стандартам качества.
Предложенная обобщенная функциональная модель может быть конкретизирована для описания любого одностадийного химического производства. Рассмотрим применение этой модели на примере производства метил-трет-бутилового эфира.
Функциональное моделирование производства метил-трет-бутилового эфира на основе обобщенной модели
Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) — один из главных кислородосодержащих высокооктановых компонентов, используемых при получении неэтилированных автомобильных бензинов. Применяется в качестве добавки к моторным топливам, повышающей октановое число бензинов. МТБЭ широко применяется в производстве высокооктановых бензинов, при этом выступает как нетоксичный высокооктановый компонент и как оксигенат (носитель кислорода), способствующий более полному сгоранию топлива и предотвращению коррозии металлов. Третбутиловые эфиры значительно более безопасны для окружающей среды и двигателей по сравнению с этиловой жидкостью (те- [ 67 ]
траэтилсвинцом) или ароматическими углеводородами, которые также используются для повышения октанового числа бензинов. Производство МТБЭ в России увеличивается с каждым годом.
Синтез МТБЭ в присутствии кислотного катализатора осуществляется путем алкили-рования метанола изобутиленом по обратимой реакции
ьС4Н8 + СН3ОН ~ СН3ОС (СН3)3.
Реакция протекает в жидкой фазе.
Рассмотрим, как реализуются обобщенные технологические процессы, описанные в построенной выше функциональной модели, при производстве МТБЭ. Функциональная диаграмма, описывающая 1-й уровень декомпозиции производства МТБЭ, представлена на рис. 3. Эта диаграмма обладает рядом особенностей по сравнению с обобщенной диаграммой.
Для синтеза МТБЭ используются изобу-тан-изобутиленовая фракция (ИИФ) и метанол. ИИФ получается путем дегидрирования изобутан-бутановой фракции (ИБФ), которая, в свою очередь, является одним из продуктов разделения широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ). Таким образом, процесс подготовки сырья представляет собой процесс получения ИИФ из ШФЛУ.
Поскольку реакция синтеза МТБЭ протекает в жидкой фазе, в результате процесса химического превращения образуется не реакторный газ, а реакционная масса. С помощью ректификационных колонн из этой массы выделяют МТБЭ, а непрореагировавшее сырье возвращают в реактор [5].
Каждый из представленных на рис. 3 процессов может быть, в свою очередь, декомпозирован сколь угодно подробно. Рассмотрим в качестве примера такой декомпозиции процесс контроля качества готовой продукции.
Рис. 3. Функциональная диаграмма «Производство МТБЭ»
Fig. 3. Derived diagram for MTBE manufacturing
Рис. 4. Функциональная диаграмма «Контроль качества»
Fig. 4. Derived diagram for quality management
Контроль качества МТБЭ в соответствии с ТУ 38.103704-90 состоит из 5 этапов. Функциональная диаграмма, описывающая процесс контроля качества, представлена на рис. 4. На вход функционального блока 1, описывающего отбор проб, поступает МТБЭ, результатом этого процесса является проба МТБЭ. Дуга, описывающая пробу МТБЭ, выходит из функционального блока 1 и входит в блоки 2 и 3. Функциональный блок 2 описывает контроль внешнего вида и наличия механических примесей в пробе МТБЭ. Контроль осуществляется визуально, что описано на диаграмме с помощью дуги с ролью «механизм». Функциональные блоки 3 и 4 описывают контроль состава пробы МТБЭ. Контроль осуществляется путем получения хроматограммы и ее последующего анализа. Результаты контроля являются основанием для оформления документа о качестве. Этот процесс описан с помощью функционального блока 5, входными для этого блока являются дуги, описывающие результаты визу-
ального контроля и результаты анализа хро-матограммы. Из этого блока выходит дуга, описывающая документ о качестве.
Заключение
Обобщенная функциональная модель описывает общие для всех одностадийных химических производств особенности процессов производства и управления. При конкретизации этой модели уточняются названия отдельных блоков и стрелок, однако общая структура модели сохраняется. Таким образом, обобщенная модель представляет собой шаблон, удобный для взаимодействия с экспертом химиком-технологом при построении формального описания процессов производства и управления химическим предприятием.
Список литературы
1. Schmidt D. Model-Driven Engineering // IEEE Computer. February 2006. Vol. 39. No. 2. P. 25-31.
2. Бурляева Е. В., Колыбанов К. Ю., Панова С. А. Информационная поддержка систем принятия решений на производственных предприятиях химического профиля. М.: Издательство МИТХТ им. М. В. Ломоносова, 2013. — 196 с.
3. Рекомендации по стандартизации. Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Методология функционального моделирования — Госстандарт России. М.: Издательство стандартов, 2001. — 19 с.
4. Тимофеев В. С., Серафимов Л. А., Тимошенко А. В. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза. М.: Высшая школа, 2010. — 408 с.
5. БурляеваЕ. В., ТарасенкоР. Ю. Функциональное моделирование производства метил-трет-бутилового эфира // Вестник МИТХТ. 2013. Т. 8. №> 5. С. 136-140.
References
1. Schmidt D. Model-Driven Engineering. IEEE Computer, February 2006, vol. 39, no. 2, pp. 25-31.
2. Burlyaeva E. V., Kolybanov K. Yu., Panova S. A. Infor-macionnaya podderzhka sistem prinyatiya reshenij na proizvodstvennuh predprijatiyah himicheskogoprofilya [Informational support of decision-making systems at chemical plants]. Moscow, MITHT Publ., 2013. 196 p.
3. Informacionnye tehnologii podderzhki zhiznennogo cikla produkcii. Metodologiya funkcionalnogo mode-lirovaniya [Recommendations for standardization. Information technology support of the product life cycle. Functional modling methodology]. Moscow, Gosstandart Publ, 2001. 19 p.
4. Timoffev V. S., Serafimov L. A., Timoshenko A. V. Princypy tehnologii osnovnogo organicheskogo i neftehimicheskogo sintesa [Principles of technology of basic organic and petrochemical synthesis]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 2010. 408 p.
5. Burlyaeva E. V., Tarasenko R. Yu. Functional simulation of production of methyl tertiary butyl ether. Vestnik MITHT, 2013, vol. VIII, no. 5, pp. 136-140 (in Russian).
E. Burlyaeva, Moscow State University of Fine Chemical Technologies, Moscow, Russia, lenbur@yandex.ru S. Razlivinskaya, Moscow State University of Fine Chemical Technologies, Moscow, Russia, sveta@mitht.ru A. Tregubov, Moscow State University of Fine Chemical Technologies, Moscow, Russia, cure4hedgehog@mail.ru
Development and application of the generalized functional model of one-stage chemical manufacturing
One of the approaches of chemical manufacturing information support is model-driven engineering which focuses on the abstract representation of the knowledge as the domain model. From one side, domain models are intuitive and user-friendly for the expert. From the other side, such models are formal and can be translated to software constructions. The IDEF specifications are used for the model definitions creating. First, we provide the generalized functional model on the basis of informal descriptions of one-step chemical manufacturing. We begin with top-level context diagram to specify the main inputs, outputs, controls and mechanisms of the chemical manufacturing. From this diagram the derived diagram is generated. The derived diagram describes the sequence of base technological steps such as row materials preparation, chemical transformation, product refinement and condensate separation. The quality inspection is added to the end of the sequence. Feedback arrows present recycles of raw materials. Then the implementation of this model for the production of methyl tertiary butyl ether is described. The detailing of the generalized model means naming of functional blocks and arrows while the model structure does not change. So the generalized model can be treated as a template for any chemical one-stage manufacturing model.
Keywords: functional modeling, model-driven engineering, one-step chemical manufacturing, methyl tertiary butyl ether, chemical manufacturing information support.
About authors:
E. Burlyaeva, Dr of Technique, Professor, S. Razlivinskaya, PhD in Technique; A. Tregubov, Postgraduate For citation: Burlyaeva E., Razlivinskaya S., Tregubov A. Development and application of the generalized functional model of one-stage chemical manufacturing. Prikladnaya Informatika — Journal of Applied Informatics, 2016, vol. 11, no. 1 (61), pp. 64 - 70 (in Russian).
