ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Системный анализ в решении задач проектирования из "Основы автоматизированного проектирования химических производств" Отличительной особенностью химических производств как непрерывных процессов является вероятностно-стохастическая природа их протекания. Химическое превращение, теплол1ассообмен зависят от внутреннего состояния объекта и внешних условий. Поэтому для повышения эффективности производства необходимо обеспечить оптимальные режимы протекания отдельных процессов и благоприятные внешние условия. От того, насколько правильно организовано взаимодействие объекта с внешней средой, будут зависеть потери энергии, массы и в конечном итоге эффективность производства. При интенсивном росте промышленного производства, увеличении единичной мощности возрастание таких потерь уже приводит к заметным экологическим последствиям. [c.73] Современные вычислительные средства и метод математического моделирования позволили перейти от интуитивной системности исследований к количественному системному анализу химических производств. В соответствии с методологией системного анализа выделяются уровни иерархической структуры рассматриваемой системы начиная с молекулярного и до интегральных оценок с учетом взаимосвязей между отдельными уровнями. Каждый из уровней характеризуется соответствующим математическим описанием. С теоретической точки зрения такой подход позволяет познать явления, начиная с молекулярного уровня, а с практической — получать более адекватное представление о производстве по математическому описанию, выявлять более рациональные способы ведения процесса и решать задачи оптимизации на уровне технологической схемы. [c.74] В основе системного анализа лежит декомпозиция сложной системы (явления, химико-технологического процесса и т. д.) на от-дельные подсистемы й установление количественных связей между ними. Выделение подсистем (уровней) определяется не только сложностью рассматриваемого объекта, но и степенью изученности данного уровня и наличием математического описания. Рассматривая независимо каждую из подсистем с входными и выходными потоками (энергии, массы, импульса и т. д.) и оценивая потенциал этих потоков, можно выявить источники и стоки, определить допустимые по некоторому критерию потери, а также выявить резервы повышения эффективности отдельных аппаратов и схемы в целом. Например, эксергетический (термодинамический), анализ элементов технологической схемы позволяет не только выявить возможности вторичного использования энергии, но и определить оптимальный энергетический уровень схемы, обеспечивающий минимальные потери энергии в окружающую среду. [c.74] Недостаточная изученность отдельных явлений или процессов не позволяет иметь полностью математически формализованное описание объекта. Это определяет зачастую и выделение уровней иерархии, и установление отношений между явлениями. Поэтому до сих пор важным аспектом при реализации системного подхода является использование аналитической информации, экспериментальных данных и наблюдений. Наличие эмпирических и полуэм-пирических зависимостей диктует необходимость в таких данных. Методология системного анализа при разработке математической модели процесса приведена на рис. 4.1. [c.74] Разработка технологической схемы является многоуровневой проблемой и в общем случае может быть сформулирована следующим образом. [c.75] Где G = M U U = M Y,Q,B, P, (f), It = P T, Q, B, M, ф) Q = Q (Г, M, a, B, ф) В — вектор параметров окружающей среды ф — предельное значение критерия эффективности производства. [c.75] Здесь Ь-1 является математическим образом реального оператора. Поскольку математическая модель описывает объект с некоторой неточностью, то и преобразование (4.3) должно обеспечить получение такого Т , для которого справедливо Г (Ц Г. Аналогично и для всего производства СГ С. [c.76] Здесь рассматривается собственно технологическое проектирование. Вопросы выбора источников сырья, строительной площадки, размещения оборудования, строительства и т. д. рассмотрены в гл. 1, 2 и 10. [c.77] Каждый из этапов является достаточно емким, поскольку связан с выполнением ряда самостоятельных задач. Тем не менее они взаимосвязаны между собой конечной целью. Вероятность получения оптимального варианта схемы зависит от теоретической проработки каждого из этапов. Подготовленность математического обеспечения позволяет на каждом из них выделить ряд подзадач, соответствующих отдельным вопросам исследуемого явления. [c.77] На этом этапе необходимо, по существу, сформулировать задачу многокритериальной оптимизации. Исходной предпосылкой яв-ляется необходимость получения продукта (основного или промежуточного) с заданными свойствами при условии обеспечения экстремального значения критерия оптимальности. В общей задаче разработки технологической схемы речь идет о раскрытии функционального соотношения (4.3), т. е. выборе наилучшего процесса и типа аппарата. [c.78] Выбор процесса среди возможных заключается в анализе условий его реализуемости на основе некоторого критерия, нанример минимума приведенных затрат. Прежде всего необходимо решить вопрос о принципиальной возможности промышленной реализации данного способа. Решение его возможно как экспериментальным, так и расчетным путем. Естественно, предпочтение следует отдать расчетному методу как наиболее дешевому и быстрому. Это не исключает, однако, проведение экспериментальных исследований, но позволяет свести их к минимуму. [c.78] Уже на стадии выбора отдельных способов ведения процесса необходимо решать системные вопросы. Это означает, что проектирование отдельного аппарата не является самоцелью, а должно проводиться с учетом возможности исключения потерь массы и энергии. Чаще всего критерий оптимальности технологической схемы не является аддитивной функцией критериев отдельных ее элементов, а представляет собой сложную функцию параметров отдельных процессов и параметров, характеризующих взаимодействие между ними в пределах технологической схемы и с окружающей средой. Это связано прежде всего с утилизацией материальных и энергетических потоков. [c.79] В соответствии со стратегией системного анализа оптимизирующие переменные технологической схемы удобно разделить на две группы — локальные и системные (или глобальные). Оптимальные значения системных параметров будут определять оптимальные условия эксплуатации всего производства, но не обязательно отдельных элементов. Например, при вторичном использовании тепла верхнего продукта ректификационной колонны в качестве источника энергии для подогрева кубового продукта (при наличии необходимой разности температур) флегмовое число может превышать оптимальное для данной колонны, поскольку помимо разности температур поток должен обладать соответствующей тепловой мощностью. [c.79] К локальным переменным следует отнести параметры, характеризующие условия работы отдельного аппарата, например скорость парового потока, число тарелок или высоту насадки. Эти параметры при фиксированных значениях системных полностью характеризуют оптимальный режим работы аппарата, однако при изменении последних их значения будут также изменяться. [c.79] Системные параметры составляют критерий оптимальности технологической схемы и включают помимо отдельных характеристик аппаратов обобщенные параметры схемы. При проектировании отдельных аппаратов или установок значения этих параметров или их составляющих являются ограничениями типа неравенств. На основании критерия оптимальности, включающего системные параметры, производится окончательный выбор способа выделения отдельных продуктов из группы альтернативных по локальным характеристикам способов. [c.79] Исходя из блочной структуры модели, типовые процессы химического производства можно представить в виде отдельных составляющих, как это показано на рис. 4.3. В зависимости от назначения отдельных моделей эти составляющие будут иметь описание различной степени детализации. Например, при описании диффузионного процесса гидродинамика перемещения потока в трубопроводах подвода сырья и отвода продуктов может на стадии оценки явлений массотеплопереноса не учитываться, а выступать определяющим фактором при гидравлическом расчете трубопроводов. [c.80] Отдельные стадии химического производства содержат обычно различные типовые процессы, объединяемые назначением. Например, стадия химического превращения содержит реакторы различного типа, стадия выделения — различные массообменные (преимущественно) процессы, стадия подготовки сырья — обычно наиболее разнородную группу типовых процессов в зависилюсти от агрегатного состояния и степени подготовленности сырья. Это могут быть и массообменные процессы (абсорбция, адсорбция) для очистки от нежелательных сопутствующих газовых примесей, гидродинамические процессы для разделения неоднородных гетеро-фазных систем, механические процессы и т. д. Поэтому в дальнейшем будет рассматриваться не эта группа процессов отдельно, а лишь составляющие ее способы в стадиях химического превращения и выделения продуктов химических реакдий. [c.81] Химические превращения. При решении задач проектирования химических реакторов необходимо рассматривать последние на микро- и макроуровнях. На макроуровне определяются закономерности протекания химических превращений при воздействии на них процессов переноса массы, тепла, импульса, т, е. решается вопрос о выборе наилучшего типа промышленного реактора и определения его конструкционных и рабочих условий. [c.81] Исследования на микроуровне проводятся для В)сех типов реакторов. Они заключаются в определении механизма протекания химических реакций и построении кинетических моделей. Для этого необходимо выполнить следующее [9]. [c.81] Для непротиворечивой априорной информации о механизмах и кинетических моделях провести построение стандартного плана эксперимента. По его результатам оценить константы конкурирующих кинетических моделей. [c.81] Вернуться к основной статье