Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
Современное химическое производство состоит из большого числа разнотипных аппаратов, связанных в единую технологическую систему. Характер этих связей различен: продукты, получаемые в одних аппаратах, передаются в другие; тепло, выделяющееся в результате химической реакции в реакционных устройствах, утилизируется в котлах-утилизаторах и т. д.
При разработке технологии производства необходимо не только выбрать наиболее эффективный режим работы каждого аппарата, но и установить между всеми элементами системы связи, обеспечивающие оптимальный режим работы всего производства в целом.
Так как создание производства связано с большими трудностями, целесообразно общую задачу разбить на отдельные части.
4.9.1. Декомпозиция химико-технологических систем. Химическое производство представляет собой сложную иерархическую систему, состоящую из комплекса взаимосвязанных подсистем разного типа. Эти подсистемы, в свою очередь, состоят из отдельных аппаратов или их комплексов. Поэтому исследование и проектирование такого производства требует предварительного изучения «поведения» всей системы и отдельных ее элементов. При этом решаются задачи синтеза и анализа технологических схем производства, а также оптимизации работы отдельной установки или всего производства. Для решения этих задач широкое применение нашел метод декомпозиции сложной системы, в результате которого проводят расчленение большой исходной задачи на более простые задачи.
Для этой цели чаще всего применяют методы, лежащие в основе теории сложных систем. Например, применяя метод декомпозиции для синтеза и анализа ХТС, математическое описание заключается в получении уравнений состояния всей системы на основе уравнений состояния отдельных ее частей. Поэтому при разработке производства, представляющего собой сложную физико-химическую и технологическую систему, проектирование и создание его ведут путем разбивки на отдельные подсистемы и даже на отдельные аппараты. При этом необходимо представлять, что при независимой оптимизации работы отдельных аппаратов или подсистем их критерии оптимизации могут вступать в противоречие друг с другом, и формальное соединение оптимизированных подсистем и аппаратов не обязательно приведет к оптими-зации всей системы.
4.9.2. Оптимизация химико-технологических систем. Под термином оптимизация в данном случае понимают согласованную деятельность научных, проектных и производственных организаций, направленную на создание производства, имеющего наибольшую эффективность в принятых условиях. Решение такой задачи начинается с постановки целей оптимизации.
При наличии конкурирующих свойств системы (качество-количество продукции, количество продукции – расход сырья и энергии и т. д.) за основу оптимизации можно взять только одну величину.
Оптимизация технологических процессов для химических производств особенно необходима там, где имеется многомаршрутность процесса. Следовательно, из многих вариантов необходимо выбрать наилучший. Решение такой задачи возможно, т. к. среди параметров всей системы существуют пере-менные, которые можно выбрать в определенных пределах произвольно. При этом каждый вариант набора независимых переменных определяет и вариант процесса, и процесс технологически осуществим при любом их допустимом значении.
Для решения какой-либо оптимальной задачи (синтез ХТС, определение оптимального режима работы аппарата, создание математической модели объекта на основании данных эксперимента и т. д.) требуется ее форма-лизация.
Оптимизации предшествуют четыре основные задачи:
1. Выбор критерия эффективности производства. Эффективность оценивается количественными показателями или критериями эффективности. Характеристики эффективности могут быть сгруппированы по следующим признакам:
- производительности;
- надежности;
- стоимости;
- капитальным затратам;
- энергетическим затратам.
Следовательно, в качестве критерия эффективности можно выбрать максимум скорости химической реакции, минимум стоимости исходного сырья, минимум себестоимости целевых продуктов или какую-нибудь комбинацию переменных. Этот критерий в химическом моделировании называют функцией отклика или целевой функцией.
2. Определение переменных, значения которых в процессе оптимизации можно независимо менять. Такие переменные называют варьируемые (температура подачи сырья в реактор или хладагента, подаваемого в холодильник).
3. Определение влияния ограничений на технологические переменные или на некоторую функцию. Так, например, температура в реакторе ограничивается верхним и нижним пределами. Нижний предел ограничивают, чтобы скорость реакции не слишком понизилась. Верхний предел может быть ограничен недопустимой интенсификацией побочных реакций.
4. Выбор метода оптимизации. Количественной мерой, позволяющей сравнивать все технологически осуществимые процессы и определить оптимальный вариант эксплуатации объекта, является критерий оптимизации, на основе которого выявляется целевая функция.
К целевой функции предъявляются требования: она должна быть численной и однозначной, а также универсальной, учитывающей адекватно как все затраты (стоимость) производства, так и все доходы (прибыль) при функционировании производства. Если целевая функция выбрана верно, то ее максимальное или минимальное значение будет критерием оптимальности выбранной технологии.
Наиболее распространенным критерием оптимизации производства вы-ступает прибыль, которая определяется по формуле:
Р = qiyi – S (4.1)
где Р – прибыль;
уi – производительность предприятия (цеха, установки) по целевому продукту;
q1 – цена продукта;
S – затраты производства.
Целью оптимизации в данном случае является максимализация целевой функции, т. е. прибыли Р.
В качестве критерия может быть выбрана себестоимость продукции:
С = S / уi (4.2)
Такой критерий наиболее удобен, если выпускается один целевой про-дукт уi. При этом стоимость побочных продуктов qi yi вычитается из затрат S:
С = (S – qр yр) / уi (4.3)
Тогда целью оптимизации будет достижение минимума себестоимости С при заданной производительности.
Возможен выбор и других критериев оптимизации.
Критерии оптимизации выбирают для всего производства, т. е. для всей системы. Однако чаще приходится сталкиваться с оптимизацией части технологического процесса. При этом решаются частные вопросы оптимизации.
В частных задачах оптимизации, когда необходимо получить экстремальное значение какого-нибудь параметра работы отдельного аппарата, речь идет о некоторых экстремальных свойствах самого объекта оптимиза-ции, которые обусловлены химическими или физико-химическими свойства-ми проходящего в данном объекте процесса. В таких случаях критерием оптимальности служат технологические характеристики, косвенно оценивающие эффективность работы агрегата (время контакта, выход целевого продукта, температура, концентрация и т. д.).
Примерами таких задач являются: выбор оптимального времени пребы-вания реакционной массы, оптимального температурного профиля по фронту реактора вытеснения, величина флегмового числа при заданной чистоте продукта и т. д.
Таким образом, постановка задачи оптимизации предполагает наличие:
- объекта и выявление цели оптимизации; при этом устанавливается экстремальное значение только одной величины;
- возможности выбора значений некоторых параметров оптимизируемого объекта; при этом сам объект должен обладать определенными степенями свободы, т. е. при воздействии внешних факторов на систему можно изменять ее первоначальное состояние в соответствии с заданными требованиями;
- количественной оценки оптимизируемой величины, позволяющей выявлять влияние управляющих воздействий.
При решении задач оптимизации ее критерий должен быть выражен в аналитическом виде. Это тем более необходимо при применении современной вычислительной техники. В общем случае критерий оптимальности – это функция входных, выходных параметров и управляющих воздействий:
Ф = Ф(х1, х2,…хп, у1, у2,…уп, и1, и2,…ип) (4.4)
Для описания совокупности входных, выходных параметров и управляющих воздействий часто применяют векторную форму записи:
X = (х1, х2,…,хп) (4.5)
Y = (у1, у2,…,уп) (4.6)
U = (и1, и2,…,ип) (4.7)
Тогда функцию можно записать следующим образом:
Ф = Ф (Х, Y, U) (4.8)
Задачи статической оптимизации решаются для процессов, протекающих в установившихся режимах, а задачи динамической оптимизации – для процессов с неустановившимися режимами. Во втором случае требуется изучение динамики процессов.
Для оптимизации сложных систем, каковыми являются химические производства, применяют декомпозиционный метод, который предполагает решение общей задачи через последовательное решение задач оптимизации отдельных блоков системы по соответствующим критериям.
При декомпозиционной оптимизации сложных химико-технологичес-ких систем, соответствующих разным частям производств, необходимо:
- разбить систему на составные части – подсистемы;
- выбрать метод, с помощью которого можно общую задачу оптимизации системы можно свести к последовательному решению частных задач для отдельных подсистем;
- определить показатель сходимости предложенной, в т. ч. итерационной процедуры;
- показать, что полученное решение соответствует истинному.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение понятия ХТС и укажите ее свойства.
2. Что предполагает системный подход в рамках ХТС? Каковы его основные положения?
3. Что такое подсистема? Какие подсистемы в химико-технологичес-ком процессе присутствуют? Поясните на примере.
4. Какая система является основой ХТС?
5. Опишите подсистему подготовки сырья. Поясните на примере.
6. Опишите подсистему химического (физического) превращения. При-ведите пример.
7. Опишите подсистему выделения целевого продукта. Дайте пример.
8. Опишите подсистему обработки технического целевого продукта. Приведите пример.
9. Что такое материально-потоковый граф? Приведите пример.
10. Что такое матрица процессов?
11. Что такое матрица потоков?
12. Что такое матрица инцинденций?
13. Что такое матрица смежности?
14. Дайте определение понятие оператора в ХТС. Приведите примеры.
15. Что такое связь в ХТС? Какие бывают связи?
16. Какие типы схем имеются в ХТС? Дайте им определения.
17. Что такое технологическая схема? Дайте классификацию технологических схем. Что на ней изображают?
18. Какие задачи решаются при синтезе ХТС?
19. Какие задачи предшествуют этапу оптимизации производства?
20. Какие показатели могут быть взяты в качестве критерия эффективности химического производства и целевой функции?
21. Какой критерий оптимизации производства является наиболее распространенным?
ТЕМА 5
Дата публикования: 2015-10-09; Прочитано: 1509 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!