Решение задач оптимизации химико-технологических процессов

В книге описываются современные методы оптимизации отдельных аппаратов и химико-технологических систем (ХТС). В ней рассмотрены два класса оптимизационных задач химической технологии к первому классу относятся задачи оптимизации ХТС фиксированной структуры, ко второму — задачи выбора оптимальной структуры ХТС (синтез ХТС). Эти задачи возникают как при интенсификации действующих, так и при создании новых химико-технологических процессов, в том числе при разработке автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). Несмотря на то, что методы решения задач синтеза ХТС начали развиваться в самое последнее время, их разработка стала одной их важнейших проблем математического моделирования химико-технологических процессов. Решение задач обоих классов должно стать неотъемлемой частью создания высокоэффективных химико-технологических процессов. [c.5]

При решении задач оптимизации химико-технологических процессов очень часто ограничения на управляющие переменные являются линейными. Часто они имеют характер простых ограничений на максимальные и минимальные значения соответствующих управляющих переменных (1,9). В схемах, как правило, имеются делители потоков, на коэффициенты деления которых налагаются линейные ограничения вида (1,7). Особенно много таких ограничений будет в задачах синтеза при применении метода структурных параметров (см. гл. VI). Конечно, для решения задачи оптимизации с линейными ограничениями, можно использовать общие методы, разработанные для случая произвольных ограничений. Однако этот случай можно рассматривать отдельно по двум причинам. Первая из них состоит в том, что в задачах, где имеются только линейные ограничения, удается построить более эффективные алгоритмы, используя линейный характер ограничений. Вторая причина состоит в следующем. Математические модели отдельных аппаратов часто могут работать только в некоторой допустимой области. Скажем, если во время оптимизационной процедуры концентраций какой-либо компоненты на входе реактора примет [c.149]

Предлагаемая читателю монография представляет восьмую книгу в единой серии работ авторов под общим названием Системный анализ процессов химической технологии , выпускаемых издательством Наука с 1976 г. Семь предыдущих монографий 1. Основы стратегии, 1976 г. 2. Топологический принцип формализации, 1979 г. 3. Статистические методы идентификации объектов химической технологии, 1982 г. 4. Процессы массовой кристаллизации из растворов и газовой фазы, 1983 г. 5. Процессы измельчения и смешения сыпучих материалов, 1985 г. 6. Применение метода нечетких множеств, 1986 г. 7. Энтропийный и вариационный методы неравновесной термодинамики в задачах анализа химических и биохимических систем, 1987 г.) посвящены отдельным вопросам теории системного анализа химико-технологических процессов и его практического применения для решения конкретных задач моделирования, расчета, проектирования и оптимизации технологических процессов, протекающих в гетерогенных средах в условиях сложной неоднородной гидродинамической обстановки. [c.3]

В учебнике описаны методы моделирования и области их применения, а также принципы построения и виды математических моделей. Подробно изложена методика составления кинетических и гидродинамических моделей. Рассмотрены математические модели химических реакторов и вопросы перехода от лабораторных опытных установок к промышленным аппаратам. Приведены примеры построения математических моделей некоторых аппаратов химической технологии. Отражены особенности статистических математических моделей, описана методика их составления как на основе пассивного, так и активного эксперимента. Изложены основные положения оптимизации химико-технологических процесссов, даны примеры решения задач оптимизации детерминированных и стохастических процессов. Учебник предназначен для студентов химико-технологических специальностей вузов. Его смогут использовать в своей практической работе также инженеры-химики. [c.2]

Одной из основных задач химической технологии является создание новых высокозффективных процессов и совершенствование уже действующих. Ее решение возможно только с помощью разработки и использования систем автоматизированного проектирования и оптимизации химико-технологических процессов. Системы автоматизированного проектирования уже внедряются в проектных и научно-исследовательских институтах, в конструкторских бюро. Их развитие обусловлено широким внедрением средств вычислительной техники и прикладного математического обеспечения. В основе таких систем лежит бурно развивающийся метод математического моделирования - изучение свойств объекта на математической модели. [c.4]

В книге обобщен отечественный и зарубежный опыт применения поисковых методов оптимизации для решения задач оптимизации химико-технологических процессов (ХТП). [c.7]

Решение задач оптимизации химико-технологических процессов [c.409]

Для решения задач оптимизации химико-технологических процессов обычно используют методы нелинейного программирования (поисковые методы) [1, 3] и методы теории оптимального управления вариационного исчисления [4], динамического программирования 15], принципа максимума Понтрягина [6], дискретного принципа максимума 17]. Наибольшее распространение получили поисковые методы как наиболее гибкие и универсальные. Эти методы находят также широкое применение при решении задач идентификации (определение некоторых коэффициентов уравнений, представляющих собой математическую модель исследуемого процесса). Кроме того, поисковые методы могут быть эффективно использованы при синтезе оптимальной структуры химико-технологических систем, который в общем случае представляет собой задачу дискретно-непрерывного программирования в частности, они могут быть использованы при получении нижних оценок в методе ветвей и границ (см. гл. VI). [c.14]

В практике решения задач оптимизации химико-технологических процессов приходится иметь дело с разнообразными по своей природе варьируемыми переменными потоками химических реагентов, температурой, давлением, временем контакта и др., которые не только различаются по своим абсолютным значениям, но и по-разному влияют на режим процесса. [c.82]

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИНЦИПА ИЕРАРХИИ МАССООБМЕННОЙ СИСТЕМЫ ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ОПТИМИЗАЦИИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ [c.186]

Самойлов Н.А. Использование принципа иерархии массообменной системы при решении задач оптимизации химико-технологических процессов 186 [c.199]

Решение задач оптимизации химико-технологического процесса предусматривает знание термодинамических и кинетических закономерностей, механизма химических реакций при использовании различных инициаторов (теплота, свет, радиация, электрический ток, вещества, генерирующие свободные радикалы, и др.) и катализаторов (гомогенных и гетерогенных). Таким образом, химическая термодинамика и кинетика, включающая рассмотрение механизма реакций и катализ, являются основополагающими при изучении химических процессов и одними из важнейших составных частей научной основы химической технологии. [c.14]

Задача оптимизации химико-технологических процессов по существу сводится к нахождению некоторого компромисса между выбором определенных условий проведения процесса (характер цели) и ограниченностью ресурсов (средства достижения цели). Характер компромисса, принятого при решении конкретной задачи, сказывается на форме критерия оптимизации и в большинстве случаев предполагает наличие явного указания на ограниченность ресурсов определенного вида, например, расходов сырья. Кроме того, при проведении конкретного химико-технологического процесса обычно должны быть выдержаны определенные условия, т. е. ограничения, налагаемые на значения его параметров эти ограничения связаны с характером принятой технологии и т. п. Ограничения, встречающиеся в задачах оптимизации химико-технологических процессов, можно подразделить на две группы. [c.105]

Материал книги охватывает важнейшие проблемы современной инженерной химии приложение законов физической химии к решению инженерные задач, явления переноса массы, энергии и количества движения, вопросы теории подобия, теорию химических реакторов, проблемы нестационарные процессов. Специальные главы посвящены методам математической статистики и вопросам оптимизации химико-технологических процессов. [c.5]

При решении практических задач, связанных с системой уравнений (VI,47) оказалось, что особые управления отнюдь не исключение, а во многих случаях скорее даже правило. Большинство таких задач первоначально было обнаружено в области космической навигации. При оптимизации химико-технологических процессов особые управления встречаются, например, в задаче оптимального распределения хладоагента в химических реакторах [3, с. 127—129]. [c.125]

Одна из первых задач по оптимизации химико-технологического процесса была сформулирована Г. К. Боресковым [1]. Ряд задач по оптимизации химико-технологических процессов был рассмотрен в работе [2]. Большие работы по постановке и решению задач оптимального расчета и управления химико-технологическими процессами были проведены в США и Франции [3—5]. [c.24]

Оптимизация химико-технологических процессов в настоящее время является самостоятельной научной дисциплиной. Принятие оптимальных решений для производства, включающего большое число отдельных типовых процессов, требует системного подхода, учитывающего взаимное влияние этих процессов, а также систем контроля и управления производством. Рассмотрение этих вопросов не входит в задачу настоящей книги. [c.11]

При оптимизации химико-технологических процессов или объектов в математические модели входят параметры, определяемые с разной степенью точности. Кроме того, при реализации процесса возможны непредсказуемые изменения некоторых параметров. Следовательно, для окончательного решения задачи необходимо знать влияние такого рода факторов на выбор оптимального варианта. Это возможно сделать при анализе чувствительности целевой функции по отношению к отклонению параметров от оптимального режима. При этом необходим определенный компромисс между оптимальностью и чувствительностью. [c.78]

Этап принятия решений об интенсификации технологических процессов и оптимизации эффективности ХТС включен в число основных этапов блок-схемы общей стратегии решения задачи эксплуатации химико-технологических систем (см. рис. 11). Как показано далее, степень обоснованности принимаемых решений может значительно возрасти, если наряду с построением математических моделей ХТС по материалам экспериментальных исследований будут разрабатываться соответствующие ЭММ, позволяющие дать предварительную оценку имеющимся резервам снижения себестоимости выпускаемой продукции и повышения производительности оборудования. [c.91]

Современные химико-технологические процессы отличаются чрезвычайной сложностью. Соответственно сложна и кинетика химических процессов, протекающих в реакторах. Поэтому оптимизация работы химического производства является очень трудной задачей. Один из возможных путей ее решения — это отработка элементов конструкций и технологии на действующих аппаратах производственных размеров. Такой экспериментально-эмпирический метод хотя и дает надежные результаты, связан с большими затратами средств и времени, а в ряде случаев может оказаться и небезопасным, например, когда необходимо выяснить допустимые пределы изменения параметров системы и воспроизводить предельные, т. е. аварийные режимы. [c.321]

Формализация и автоматизация процедуры построения математической модели ФХС. Из сказанного ясно, что эффективность процесса моделирования и последующего использования математической модели для решения задач оптимизации, построения модулей, анализа и синтеза химико-технологических систем в значительной мере обусловлена тем, насколько удачно учтены все перечисленные выше аспекты математического моделирования. Это в свою очередь во многом зависит от опыта, интуиции и степени квалификации исследователя, т. е. от того, что составляет субъективный фактор процесса моделирования. Удельный вес субъективного фактора при построении модели можно существенно уменьшить созданием специальной системы формализации и автоматизации процедур синтеза математических моделей. При этом вычислительная техника может и должна активно использоваться не только для решения уже готовых систем уравнений, но и на стадии формирования математического описания объекта. Такой [c.203]

Основная цель системного подхода — раскрытие реального механизма функционирования рассматриваемой циклической адсорбционной системы с учетом ее управления для облегчения адаптации к изменяющимся внешним условиям. Анализ циклических адсорбционно-десорбционных процессов показывает, что современные установки могут служить объектом системного анализа. Во-первых, адсорбционно-десорбционный процесс — это сложная система, которая, с одной стороны, является составной частью более общей химико-технологической системы, определяющей цели и ограничения режимов функционирования с другой стороны, адсорбционно-десорбционная установка представляет собой сложную совокупность процессов в системе периодически повторяющихся в определенной последовательности взаимосвязанных явлений. Во-вторых, задачи оптимизации адсорбционной установки совпадают с целью системного анализа — выбрать наилучшие пути приспособления исследуемой системы к постоянно меняющимся и не вполне определенным условиям. Таким образом, подтверждается принципиальная возможность и необходимость системного подхода к решению задачи оптимизации адсорбционных установок. [c.8]

В совокупность недетерминированно заданных показателей А входят главным образом технико-экономические величины, необходимые для определения стоимости отдельных элементов аппаратов и сырья и установки в целом, затрат на адсорбент, пар, воду, амортизацию оборудования и его ремонт, а также другие затраты, необходимые для определения функции цели. Вектор Е содержит величины, используемые для массообменного, гидравлического и конструктивно-компоновочного расчетов химико-технологической схемы установки и входящего в нее оборудования. Совокупность показателей Л включает в себя величины, характеризующие требования технологичности изготовления и длительной надежной эксплуатации адсорбционной установки. В частности, в эту совокупность входят многочисленные показатели прочности используемых металлов и других материалов. Наличие в ограничениях (1.3.17), (1.3.18) неоднозначных показателей Е и Л существенно усложняет не только процесс решения задачи, но и ее постановку. Для корректности постановки необходимо дополнительно указать, что понимается под решением задачи оптимизации. Если нарушение [c.18]

Рассмотренные выше примеры математических моделей химико-технологических процессов при сильно упрощенных условиях их проведения, естественно, иллюстрируют лишь незначительную часть всего многообразия процессов химической технологии и не имеют целью охватить все стороны проблемы математического моделирования. Вместе с тем следует еще раз подчеркнуть, что успешное решение задачи построения в достаточной мере адекватных математических моделей определяет и успешное применение методов оптимизации, от которых при этом можно ожидать реального экономического эффекта. [c.90]

На современном этапе успешное решение поставленных задач возможно на основе использования методов и средств кибернетики. Поэтому особое значение имеют исследования по составлению математических моделей, оптимизации и управлению отдельными химико-технологическими процессами и химико-технологическими системами, что неразрывно связано с усовершенствованием химико-технологического образования и подготовкой высококвалифицированных кадров. Инженеры химики-технологи должны владеть прикладной математикой, технической кибернетикой и уметь применять электронно-вычислительную технику. [c.6]

Выше химико-технологический процесс рассматривался в виде единого блока с заданными входными и выходными переменными. Однако иа самом деле химико-технологический процесс представляет собой систему блоков, связанных друг с другом материальными и энергетическими потоками, так что выходные переменные одних блоков оказываются входными переменными других, пли, иными словами, является сложной химико-технологической схемой, или просто сложной схемой. Точное математическое определение сложной схемы в виде, отвечающем целям настоящей монографии, дано ниже. В такой схеме, как правило, взаимное влияние отдельных блоков на общий критерий оптимизации оказывается весьма сложным. Тем пе менее, как доказано в последующих главах, для сложной схемы могут быть развиты эффективные методы решения, позволяющие производить декомпозицию оптимальной задачи в соответствии со структурой сложной схемы. [c.16]

Результаты эксперимента в химии и химической технологии были и остаются главным критерием при решении практических задач и при проверке теоретических гипотез. Изучение сложных технологических процессов сопряжено с трудоемким и длительным экспериментом. Для увеличения эффективности научных исследований, сокращения сроков разработки новых технологических процессов необходима оптимизация экспериментальных исследований на всех стадиях разработки, исследования, внедрения и эксплуатации химико-технологических процессов. [c.5]

В настоящее время мощным средством повышения эффективности научных исследований при решении задач расчета, анализа, -оптимизации и прогнозирования химико-технологических процессов стал метод математического моделирования [1]. При наличии полной информации о механизме процесса (термодинамике, кинетике, гидродинамике) составляют детерминированную математическую модель, представляющую собой систему дифференциальных уравнений обыкновенных или в частных производных. Для определения неизвестных констант, входящих в систему дифференциальных уравнений и проверки адекватности математической модели процесса, проводится эксперимент. [c.5]

Проиллюстрируем творческое участие человека в процессе отсеивания неудачных или неперспективных решений задач многокритериальной оптимизации некоторого химико-технологического процесса. [c.385]

Пусть предстоит сделать выбор между несколькими вариантами решения задачи оптимизации некоторого ХТП ш, Ыг,. .., Un. Здесь каждый вариант решения — это вектор технологических и конструкционных параметров ХТП. Эффективность рассматриваемого химико-технологического процесса оценивается двумя локальными критериями производительностью G и себестоимостью L выпущенных продуктов. Первый критерий желательно максимизировать, второй — минимизировать. Каждый вариант значений оптимизируемых параметров ХТП приводит к каким-то значениям обоих локальных критериев. Для наглядности представим каждый вариант решения задачи оптимизации ХТП в виде точки и,- на плоскости вариантов решений GOL (рис. IX-4). Координаты плоскости GOL представляют собой значения обоих локальных критериев G и L для любого -то варианта. [c.385]

Решение задач оптимизации химико-технологического процесса предусматривает звание механизма и кинетики химических реакций, обосвование выбора аппаратуры, в частности реакционных устройств, и т. д. [c.181]

Задача оценки переменных состояния химико-технологического процесса, к которым можно отнести температуру, дав.ттение, составы фаз, расходы жидких и газообразных среди т. д., состоит в том, чтобы по показаниям измерительных приборов, функционирующих в условиях случайных помех, восстановить значения переменных состояния системы, наиболее близкие в смысле заданного критерия к истинным значениям. Применительно к химико-технологическим процессам важность решения задач оценки переменных состояния и определения неизвестных параметров модели объекта имеет три аспекта открывается возможность получать непрерывно информацию о тех переменных состояния слон<-ного объекта, непосредственное измерение которых невозможно по технологическим причинам (например, концентрации промежуточных веществ, параметры состояния межфазной поверхности, доля свободных активных мест катализатора и т. п.) реализация непрерывной (в темпе с процессом) оценки переменных состояния и поиска неизвестных параметров модели создает предпосылки для прямого цифрового оптимального управления технологическим процессом решение задач идентификации решает проблему непрерывной оптимальной адаптации нелинейной математической модели к моделируемому процессу в условиях случайных помех и дрейфа технологических характеристик последнего, что необходимо для осуществления статической и динамической оптимизации. [c.283]

На основании сказанного цель авторов состояла в том, чтобы дать представление о некоторых основных классах задач оптимизации в химической технологии, рассказать в доступной для инженеров форме о развитых в самое пос-теднее время методах оптимизации, показать их сравнительную эффективность как при решении тестовых, так и реальных практических задач оптимизации химико-технологических процессов.- [c.8]

При решении крупномасштабных задач оптимизации химико-технологических процессов на учебных практических и лабораторных занятиях целесообразно выделить уровни иерархии системы, на ее основе провести декомпозицию задачи с идентификацией простешпих элементов задачи и формированием алгоритмов их решения, а затем в ходе синтеза глобального алгоритма и его компьютерной реализации получить численное решение позиции оптимума. Реализация такого подхода рассмотрена при поиске оптимального режима работы концентрационной ректификационной колонны при разделении бинарной смеси углеводородов. [c.186]

Книга посвящена проблеме оптимизации, имико-технологических процессов, возникающей при проектировании новых процессов и интенсификации действующих производств, а также при разработке автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). Б ней рассматриваются основные этапы этой задачи (расчет стационарных режимов химико-технологических систем, методы безусловной минимизации, алгоритмы учета ограничений), приводятся многочисленные примеры использования описанных методов при решении тестовых и реальных задач оптимизации химико-технологиче-ских процессов. Большое внимание уделено проблеме синтеза хнмико-технологических систем — новому и быстро развивающемуся разделу теории математического моделирования. [c.2]

Проведенные расчеты показывают, что в ряде случаев, например, когда известно хорошее начальное приближение к ОТП, применение прямых вариационных методов позволяет значительно уменьшить трудоемкость общей процедур оптимизации. В связи о этим нагл представляется, что прямые вариационные методы при решении задач оптишзации химико-технологических- процессов должны находить все большее использование. [c.122]

Этап 7 — завершающий. Он представляет собой математическую задачу нахождения максимума критерия Q в области изменения управляемых переменных, определяемой ограничениями системы. Слоновость этого этана обусловливается сложностью математических моделей отдельных блоков системы, сложностью структуры системы и числом управляемых переменных. Общее рассмотрение задачи оптимизации химико-технологического процесса и последовательности этапов ее выполнения можно найти в литературе Применительно к задаче оптимизации химического реактора детальный анализ этапов ее решения содержится в статье К. К. Кирдина и М. Г. Слинько . [c.19]

В предлагаемом учебном пособии описаны математические методы оптимизации, получившие за последние годы распространение в химической технологии. Систематизация и прикладная направленность этих методов позволили сформировать курс лекций, читаемый в течение нескольких лет на кафедре кибернетики химико-техполо-гических процессов Московского химико-технологического института им. Д. И. Менделеева. Со1[ержание книги в основном соответствует принятому изложению лекционного материала, за исключением глав I и II, где приведены краткие сведения, рассматриваемые в других курсах кафедры и нужные для иллюстрации методов решения оптимальных задач. Кроме того, некоторые специальные математические вопросы, не относящиеся непосредственно к методам оптимизации, но необходимые при их изложении, вынесены в Приложение к книге. Такое построение учебного пособия исключает необходимость предварительного знакомства с дисциплинами, выхо-дяилимп за рамки обычных курсов химико-технологических вузов, и делает его доступным для инженеров-химиков и технологов, занимающихся оптимизацией химических производств и владеющих математической подготовкой в объеме технического вуза. Книга может оказаться также полезной аспирантам химико-технологических специальностей и химических факультетов университетов. [c.10]

Конечная цель системного анализа на уровне отдельного химико-технологического процесса — построение функционального оператора (модуля химико-технологического процесса), который используется в дальнейшем для решения задач оптимизации, управления, проектирования процессов, а также для решения задач выс-щих ступеней иерархии химического производства. Необходимость применения системного подхода особенно остро стоит при анализе сложных ФХС, т. е. систем, для которых характерны многообразие явлений, совмещенность и взаимодействие явлений различной физико-химической природы. К таким системам можно отнести процессы массовой кристаллизации из растворов и газовой фазы. [c.3]

Так появилась необходимость в дальнейшем усовершенствовании науки о химической технологии, а по существу в развитии нового научного направления по созданию теоретических основ химической технологии. Его основная задача — разработка методов нахождения оптимальных инженерных решений на базе системного подхода, т. е. рассмотрения химического производства как сложной системы, состоящей из большого числа взаимодействующих типовых процессов, на основе детального анализа закономерностей протекания этих процессов. Возникли новые научные дисциплины химическая кибернетика, оптимизация химико-технологических процессов и др. Все они опираются на закономерности протекания типовых процессов химической технологии. Теоретические основы химической технологии в нашей стране разрабатываются Н. М. Жаворонковым, В. В. Кафаровым, В. А. Малюсовым и многими другими учеными. [c.8]

Модели, основанные на линеаризации. При оптимизации сложных химико-технологических систем плодотворной оказывается идея использования двухуровневых моделей — точных и приближенных. Точная модель представляет собой детальное описание рассматриваемого процесса на всех уровнях (например, по фазовому равновесию, кинетике химического превращения и массопереноса и т. д.). Однако ее применение при решении задач оптимизации ХТС весьма громоздко и времяемко. Поэтому основным назначением точных моделей является получение и коррекция упрощенных моделей. Упрощенная модель используется вместо точной итеративно сначала совместно с ограниче- [c.427]

Автоматизированная система анализа и синтеза ХТС (АСАС ХТС SYNSYS), разработанная на кафедре кибернетики химико-технологических процессов МХТИ им. Д. И. Менделеева, предназначена для решения широкого круга задач, связанных с цифровым моделированием, анализом, оптимизацией и синтезом оптимальных химико-технологических систем [1, 2]. Она содержит три основных уровня уровень автоматизированного моделирования уровень синтеза ХТС уровень анализа ХТС (рис. 11.1). [c.588]

Книга посвящена одному из важнейших разделов общей теории математического моделирования химико-технологи-ческих процессов — проблеме их оптимизации. В книге дается характеристика основных задач оптимизации, возни-каюищх при проектировании новых процессов и интенсификации действующих производств, при разработке автоматизированных систем управления химико-технологическими процессами (АСУТП), и излагается ряд поисковых алгоритмов решения этих задач. Приведены решения задач оптимизации конкретных процессов. [c.4]