ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Расчет материальных и энергетических балансов ХТС из "Методы кибернетики в химии и химической технологии Издание 3 1976" В главе I была рассмотрена общая схема иерархии химического производства. Принципам кибернетического анализа типовых процессов химической технологии и химических процессов, составляющих нижний уровень иерархии, были посвящены предыдущие главы. [c.430] В настоящей главе рассмотрены кибернетические принципы синтеза и анализа не отдельных процессов, а их совокупности в виде агрегатов, составляющих технологическую нитку аппаратов на втором уровне иерархии — на уровне цеха химического завода. [c.430] Если на первой ступени иерархии отыскиваются оптимальные режимы работы отдельных аппаратов, то на второй ступени иерархии при синтезе из типовых процессов агрегатов оптимум для отдельных аппаратов может измениться под влиянием воздействий аппаратов в агрегате друг на друга. Поэтому синтез химико-технологической системы (ХТС) должен предусматривать оптимизацию агрегатов в целом, определяя наличие общей цели оптимального функционирования всей системы. [c.430] Химико-технологическая система — это упорядоченное множество взаимосвязанных технологическими потоками и действующих как одно целое аппаратов, в которых протекают химико-технологические процессы, осуществляющие требуемую совокупность трех основных операций подготовки сырья, собственно химического превращения и выделения целевых продуктов. Элемент ХТС — это аппарат, в котором проводится некоторый химико-технологический процесс. [c.430] Обычно синтез ХТС есть сложная задача, которой присущи все особенности комбинаторных задач. Если предположить, что ХТС состоит из N стадий, то число возможных вариантов структур при отсутствии в системе рециклов или байпасов равно Ы-, если же учесть дополнительно также рециклы и байпасы, то это число будет уже равно (Л —1) . Решение описанной задачи сопряжено со значительными вычислительными трудностями. Известные в настоящее время способы синтеза оптимальных структур имеют целью преодоление указанных трудностей, связанных с высокой размерностью задачи. Все методы обычно исходят из учета свойств конкретной ХТС. [c.430] Все существующие ХТС можно разделить на гомогенные, т. е. состоящие из однотипных процессов (например, только реакторных процессов или только процессов разделения), и гетерогенные, т. е. состоящие из разнотипных процессов. Способы синтеза оптимальной гомогенной и гетерогенной системы принципиально различаются между собой. В соответствии с указанными свойствами ХТС все методы синтеза их структур можно разбить на две группы универсальные методы, несвязанные непосредственно с особенностями проектируемой ХТС методы, в которых выбор структуры основывается на характерных свойствах проектируемой ХТС, позволяющих вынести правила (алгоритм) определения структуры. [c.431] Методы поиска оптимальных структур ХТС можно также классифицировать по признаку применяемого математического аппарата. По этому признаку также выделяются две группы методов методы, использующие математическое описание ХТС и реализующие некоторую последовательность математических операций (аналитические методы, методы математического программирования) методы, использующие предшествующий технологический опыт или самообучающиеся алгоритмы. [c.431] Методы, в которых правила (алгоритм) выбора структуры проектируемой ХТС определяются ее свойствами, с успехом применяются при проектировании гомогенных ХТС. В качестве примеров можно указать на выбор оптимальной структуры системы теплообмена и разделительных систем. Напротив, для гетерогенных систем ввиду их сложности предпочтительнее использовать методы первой группы, т. е. зависящие от свойств системы. [c.431] Для того чтобы избежать анализа всех возможных вариантов комбинаторной задачи, можно применить эвристический метод поиска оптимальных структур. Суть метода состоит в выводе правила (алгоритма), позволяющего исключить из рассмотрения некоторые физически реализуемые структуры и тем самым значительно снизить размерность решаемой задачи. [c.431] Из методов, использующих математическое описание ХТС, получили распространение методы математического программирования (алгоритмические методы). Их суть состоит в введении соответствующего структурного параметра и сведения исходной задачи синтеза ХТС к одной из задач математического программирования. [c.431] Известны различные модификации эволюционных методов поиска оптимальных структур. Эволюционные методы заключаются в выводе некоторого правила выбора основных элементов структуры, подлежащих замене или вводимых в систему вновь, причем это правило вырабатывается в процессе пробных изменений в структуре. Если правило замены основных элементов структуры выводится из полученных ранее технологических данных, то такой метод синтеза структуры называется эвристическим эволюционным синтезом. [c.431] При решении задач синтеза и анализа ХТС типовой технологический процесс можно представить как элементарный технологический оператор, осуществляющий качественное или количественное воздействие на материальные и энергетические потоки в системе. Основные операторы в химической технологии (рис. 1Х-1, а—в) оператор смешения, оператор химического превращения и оператор разделения. Эти три типа операторов составляют основу любого технологического процесса. Кроме того, в системе участвуют вспомогательные операторы, осуществляющие нагрев (охлаждение) и сжатие (расширение) (рис. 1Х-1,г,д). [c.432] При синтезе любых химических производств могут быть использованы следующие типы технологических связей между аппаратами последовательный поток (рис. 1Х-2,а), который применяют в блочных химико-технологических системах (например, производство аммиака), а также в случае необходимости повышения эффективности данного технологического оператора (например, для достижения более высокой степени превращения используют каскад химических реакторов) параллельный поток (рис. 1Х-2,б), который применяют в случае, если нужно увеличить мощность системы, а также при параллельном получении полупродуктов Л и В, идущих на производство продукта С обратный поток —рецикл (рис. 1Х-2, в), применяемый для более полного использования сырья или энергии, а также для целей регенерации перекрестный поток (рис. 1Х-2,г), обеспечивающий эффективное использование энергии в системе. [c.432] При синтезе химических производств, могут быть поставлены две задачи. [c.432] И оптимизировать их режимные показатели. Решение указанных задач предполагает наличие математической модели ХТС. Реализация вычислительной программы для решения задач анализа, синтеза и оптимизации ХТС включает три основных стадии. [c.433] Первая стадия — анализ структуры технологических связей сложных ХТС с целью декомпозиции сложной системы на подсистемы (отдельные аппараты или связанная совокупность аппаратов) определение оптимальной последовательности расчета подсистем и выявление минимального числа рециклических параметров подсистем с рециклическими потоками, что значительно сокращает размерность и трудоемкость решаемой задачи. [c.433] Вторая стадия — разработка наиболее эффективных и простых методов осуществления итерационных процедур по рецикли-ческим параметрам для определения материальных и энергетических потоков в сложной ХТС. [c.433] Третья стадия — максимальная оптимизация всех вычислительных и подготовительных работ с применением ЭВМ. [c.433] Таким образом, основные трудности, возникающие при математическом моделировании, анализе и синтезе сложных ХТС состоят в проблеме многомерности решаемых задач и связанной с ней проблеме декомпозиции, а также в способе представления математического описания отдельных процессов. [c.433] Для получения упрощенных математических моделей элементов используют методы линеаризации, теории приближений функций, методы планирования эксперимента на сложной математической модели элемента, созданной на основе моделей типовых процессов химической технологии, а также методы аппроксимации непрерывных элементов с распределенными параметрами дискретными элементами с сосредоточенными параметрами. [c.434] Вернуться к основной статье