ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

Декомпозиция общей задачи синтеза на отдельные подзадачи (синтез стадии химического превращения, синтез стадии выделения продуктов, синтез теплообменной системы) существенно упрощает проблему разработки технологической схемы, однако при этом снижается и вероятность получения действительно оптимального варианта вследствие неадекватного воспроизведения взаимосвязей между подзадачами. Поэтому процесс выбора технологической схемы является итерационным, с внесением изменений в стратегию поиска оптимального решения на каждой из стадий.

Допустим, на основании вектора выходных переменных (состава и свойств целевых продуктов) Y необходимо определить стратегию получения продуктов и топологию технологической схемы G, а также вектор входных переменных М (состав и свойства исходного сырья), совокупности химических реакций R для получения требуемых продуктов и совокупности способов ведения процесса на отдельных стадиях Q (химическое превращение, разделение и т. д.) при оптимальном значении некоторого критерия эффективности производства:

где G = MJPJQ ; м = М (У, Q, В, Р, R = РQ, В, М, Q - Q (У М, R, В, <р); В - вектор параметров окружающей среды; Ф - предельное значение критерия эффективности производства.

Формально технологическая схема осуществляет функцию преобразования вектора входных переменных целенаправленно в вектор выходных переменных под действием обобщенного технологического оператора Т, что функционально можно отобразить в виде

где ?/= {Л, Q ) - вектор управляющих переменных.

Обобщенный технологический оператор Т является совокупностью простейших операторов, соответствующих различным типам процессов химического производства. К ним следует отнести операторы смешения, деления, изменения энтальпии, изменения давления, химического превращения. Оператор деления может быть двух типов: простой делитель потоков и выделение отдельных чистых веществ (или фракций). На основании физико-химических и технологических свойств процессов при разработке технологической схемы необходимо выбрать для каждого из них соответствующий оператор Т. Математическое описание технологического оператора будет основываться на законах сохранения массы, энергии и импульса, законах термодинамики многофазных систем, законах тепломассопереноса и т. д. На этапе расчета технологической схемы каждому технологическому оператору необходимо Сопоставить адекватный в смысле воспроизведения реальных условий оператор математического описания процесса, такой, что

Здесь L, является математическим образом реального оператора. Поскольку математическая модель описывает объект с некоторой неточностью, то и преобразование (1.54) должно обеспечить получение такого Y для которого справедливо У с Y Аналогично и для всего производства G с G.

Отображение пространства входных переменных М в пространство выходных Y не является единственным, а составляет множество вариантов G реализации технологической схемы:

Таким образом, задача разработки технологической схемы заключается в выборе такой схемы

которая отвечала бы экстремальному значению критерия (1.52) при выполнении совокупности ограничений типа требований к качеству, энергетике, потерям и т. п.

Прямой перебор всех вариантов множества технологических схем практически невозможен даже на современных ЭВМ. Поэтому необходима определенная стратегия поиска, эффективность которой зависит от степени изученности отдельных явлений.

Любая технологическая схема может рассматриваться как совокупность элементов, соединенных определенным образом (в общем случае не единственным), позволяющая перерабатывать входную информацию в желаемую выходную. После определения совокупностей М, R, Q и разработки или подбора соответствующих моделей, т. е. при определенной размерности обобщенного технологического оператора

где t, е Q, необходимо выполнить этап упорядочения элементов вектора Т таким образом, чтобы выполнялось функциональное соотношение (1.52) при условии (1.53).

Таким образом, при решении задачи синтеза необходимо, во-первых, определить совокупность элементов технологических схем (т. е. выбрать соответствующие типы преобразователей информации) и разработать математические модели для каждого из них и, во-вторых, разработать алгоритмы формирования технологических схем, т. е. математических моделей для установления последовательности их соединения при решении задач .химического производства.

В зависимости от типа элементов схемы (однородные или неоднородные) задача синтеза технологической схемы может ставиться по-разному. При выборе технологической схемы с однородными элементами (теплообменной системы, системы разделения многокомпонентных идеальных смесей методом ректификации) обычно отсутствует исходный вариант схемы и элементы могут соединяться между собой самыми различными способами. Задача состоит в том, чтобы найти оптимальный вариант их соединения (оптимальный в смысле критерия).

Так, например, в случае теплообменной системы задача синтеза может быть сформулирована следующим образом. Имеется М горячих потоков 40 = 1. 2,,.. М), которые необходимо охладить, и N холодных потоков SCj (у = 1, 2, ..., N), которые необходимо нагреть. Для каждого потока заданы начальная Гн, конечная Тк температуры и водяной эквивалент. Имеются также вспомогательные нагреватели и холодильники. Задача синтеза состоит в том, чтобы создать такую систему из рекуперативных теплообменников, нагревателей и холодильников, которая позволила бы достичь заданных конечных температур потоков при минимуме полной стоимости системы и заданных стоимостях элементов.

При выборе технологической схемы с разнородными элементами их взаимосвязи в некотором смысле определены, т. е. имеется исходный вариант технологической схемы. В этом случае синтез схемы состоит в выработке стратегии модификации исходного варианта таким образом, чтобы за минимальное число шагов получить оптимальный вариант. В процессе синтеза, естественно, могут частично изменяться и взаимосвязи элементов, т. е. соединения аппаратов. В этом смысле синтез технологической схемы с разнородными элементами аналогичен оптимизации действующих производств, соответственно могут использоваться аналогичные методы. Данные, полученные на этапе выбора способов ведения процесса, могут быть использованы в качестве начальных при синтезе.

Следует заметить, что синтез технологической схемы при известном начальном варианте является более общим, поскольку в случае соединения однородных элементов при наличии рециклических потоков (обратных связей) возникает необходимость последующей оптимизации схемы. Например, при синтезе схемы разделения реальной смеси получаемый вариант схемы может служить в дальнейшем для его усовершенствования. Исходный вариант в зависимости от метода синтеза является либо простейшей схемой производства, либо некоторой гипотетической схемой, включающей все возможные варианты соединения аппаратов, на основе которой получается одна или несколько схем, попадающих в окрестность квазиоптимальных.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >