ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Общая характеристика методов синтеза ХТС из "Процессы и аппараты химической технологии Том 2" Технологические системы характеризуются двумя основными особенностями 1) природа или характер элементов системы и характер их взаимосвязей 2) производительность и режимные параметры элементов системы. Синтез оптимальной технологической схемы предполагает прямой поиск оптималь-лой ее структуры в области асех возможных конфигураций структур с поиском оптимальных параметров системы в пределах каждой возможной структуры [9]. [c.7] В то время как на этапе анализа теория оптимизации является основным методом оценки [10], методом, использующим уже разработанные принципы, синтез структуры технологической схемы является самым узким местом проекта в силу его недостаточной теоретической разработки. Как следствие, основные аспекты синтеза процессов в проектировании наиболее часто решаются эмпирически и новые схемы разрабатываются на основе имеющегося опыта предыдущих работ или по аналогии с существующими процессами. [c.7] К настоящему времени разработаны следующие основные методы синтеза методы декомпозиции [7, 9, 11—59], эвристические методы [2, 14, 60—68], методы прямого поиска структуры [13— 16, 28, 44—46, 69—и эволюционные стратегии синтеза [100—102]. Эти методы обычно используются как в отдельности, так и. в сочетании друг с другом. [c.7] Метод декомпозиции. Основной трудностью, возникающей при синтезе структуры, с заданными общими свойствами, является существование огромного числа возможных вариантов допустимых сочетаний отдельных единиц оборудования, которые к тому же должны быть связаны оптимальным образом. Исследование всех допустимых вариантов схемы, не представляется возможным и методы оптимизации, предназначенные для решения задач с дискретным набором переменных, используются лишь в задачах малой размерности [9]. Таким образом, синтез схемы процесса, начинающийся с детализированного описания единиц оборудования, в общем случае не представляется возможным. [c.7] Если обозначить область известных технологических решений как Я, а совокупность ограничений, определяющих эффективность системы X, то в случае, когда экономические требования к технологии Е Х) удовлетворяются при ХаЯ, проблемы синтеза не существует, т. е. желаемая схема может быть выбрана среди известных технологических решений. [c.8] Таким образом, исходная задача разбита на подзадачи при условиях Х[иТ и пиТ, а 0 (Х1иТ) и и П —Целевые функции для каждой из подзадач. [c.8] Условия разрыва Т выбираются произвольно и внутренняя оптимизация полностью определяет Т так, чтобы получить оптимальную величину суммы частных критериев оптимальности для подзадач I и И. Внешняя оптимизация определяет распределение X и состоит в оптимизации, проводимой в пределах структуры системы. [c.9] Ошибки первого типа ведут к ошибочной оптимизации сис- темы и могут быть устранены при использовании стандартных методов оптимизации определенных структур [10]. Ошибки второго типа могут привести к созданию ошибочной конфигурации системы и могут быть обнаружены путем сравнения желаемого значения целевой функции и значения целевой функции синтезированной системы [9]. [c.9] В общем случае использование метода декомпозиции не всегда обеспечивает синтез оптимальной структуры [9, И]. Попытки преодолевания трудностей, обусловленных выбором оптимальной организации разрывов, приводят к необходимости использования эвристических методов синтеза. [c.9] Эвристические методы. Эти методы позволяют находить решение поставленной задачи с помощью вероятных, но возможно не безошибочных предположений. Эвристические правила дискриминации возможных решений довольно широко распространены в практике проектирования процессов химической технологии, примером -чего является известная проблема определения оптимального флегмового числа для колонн ректификации. [c.9] Эвристический метод используется и в сочетании с методом декомпозиции для решения проблем, связанных с выбором подсистем. Результаты исследований [62, 65] показали, что несмотря на то, что эвристические методы синтеза обладают потенциальными преимуществами как методы решения сложных задач проектирования, необходимо серьезное изучение этих методов и возможностей их применения до того, как они получат практическое значение. В частности было обнаружено, что необходимо включать правила случайного выбора в систему декомпозиционных эвристик, для того чтобы исключить возможность систематического отбрасывания структур определенного типа [62]. [c.9] Объединенный эвристически-декомпозиционный метод использовался также при решении задачи синтеза схемы потоков-в химическом производстве [65]. [c.9] Несмотря на отмеченные в ряде работ [9, 62—68] преимущества использования эвристических методов синтеза, подчеркивается также, что конечный результат синтеза полностью определяется успещным выбором типа используемых эвристик и функций, определяющих эффективность рещений, принимаемых на различных уровнях декомпозиции системы. [c.10] Синтез методом прямой оптимизации. Методы прямой оптимизации предполагают использование на этапе синтеза таких известных методов как динамическое, линейное и нелинейное программирование [10]. В частности, эти методы использовались при решении задач синтеза схем проведения реакторных процессов, построения оптимальных схем разделения многокомпонентных смесей [13, 93—96]. Метод заключается в том, что определяется конфигурация синтезируемой системы, в которую входят все возможные варианты объединения отдельных групп оборудования или единиц оборудования. При этом каждой возможной взаимосвязи между отдельными элементами системы ставится в соответствие некоторый коэффициент, величина которого лежит в пределах от О до 1. Тогда задача синтеза оптимальной системы сводится к определению оптимальных величин этих коэффициентов для каждой возможной взаимосвязи элементов системы совместно с определением оптимальных проектных параметров для каждого элемента системы. [c.10] С использованием этого метода проводился синтез оптимальной схемы процесса, в состав которого входили два реактора полного перемешивания и две простые ректификационные колонны [13]. В данном случае исследователи не столкнулись с какими-либо трудностями как расчетного, так и общего характера. При большем числе переменных было предложено использовать метод прямой оптимизациии в сочетании с ранее разработанным методом декомпозиции [31]. К общим недостаткам методов прямой оптимизации следует отнести прежде всего то, что все дискретные переменные рассматриваются как непрерывные и возникает проблема соответствия получаемого оптимального решения дискретной природе процесса. В связи с этим следует отметить, что обобщение результатов полученного таким образом решения на целочисленные переменные может привести к неоптимальному решению задачи в целом и, кроме того, возникает большая вероятность определения локальных оптимумов для основных проектных и режимных переменных в пределах неоптимальной структуры [9, 13]. Если учесть также трудности, связанные с разработкой схемы, включающей в себя все возможные структурные связи между элементами системы, то использование методов прямой оптимизации ограничивается задачами синтеза систем очень малой размерности и не имеет практически никаких преимуществ перед другими методами синтеза. [c.10] Эволюционные методы синтеза ХТС. Под эволюционным методом синтеза понимается синтез, проводимый как последовательная модификация некоторой первоначально постулируемой структуры системы. Наиболее детально данный метод описан в работе [100], где представлены результаты синтеза колонны-де-метанизатора в производстве этилена и проектирования процесса сжижения метана. В каждом из рассматриваемых случаев использовалось три уровня эвристик 1-й уровень — для определения наименее эффективной по отношению к выбранному критерию составляющей процесса 2-й — для определения характера возможной модификации выявленной худшей составляющей с целью повышения эффективности процесса в целом 3-й — возможно необходимые эвристики для обеспечения соответствия модифицированной составляющей процесса с оставшимися без изменений. В качестве критериев оптимальности в первом случае использовались потери этилена с хвостойыми газами, а во втором — минимальные энергозатраты на единицу получаемой продукции. При решении задачи синтеза ректификационной колонны-деметанизатора второй уровень эвристик не применялся, т. е. характер вносимых на каждом этапе синтеза модификаций полностью определялся инженерной интуицией и опытом работы проектировщика в данной области химической технологии. Вторая задача полностью решалась с использованием ЭВМ, т. е. влияние субъективных причин на результаты синтеза сводилось к минимуму. Все же на основе полученных данных не представляется возможным судить об эффективности эволюционного метода синтеза, так как в первом случае результативность его использования полностью определяется субъективными факторами, а во втором случае проводился синтез хорошо исследованного процесса в области оптимальных технологий. [c.11] Более теоретически разработанным представляется метод эволюционного синтеза, используемый совместно с методом декомпозиции [101], представленный в работе [90]. Относительно эволюционных методов синтеза прежде всего следует подчеркнуть, что они являются в некотором смысле локальными, так как оптимальная схема полностью определяется принятой на первом этапе синтеза основной концепцией построения процесса. Очевидно, более разумно использовать эволюционные методы лишь после того как исходный вариант процесса синтезирован с использованием некоторых иных принципов построения оптимальных химико-технологических систем. [c.11] Вернуться к основной статье