Математические методы оптимизации химических 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]

За последние годы стремительно развивается и совершенствуется теория математического моделирования химико-технологических процессов (ХТП) и химико-технологических систем (ХТС). Значительные успехи в области математического моделирования ХТП, разработки методов синтеза, анализа и оптимизации ХТС, появление мощных быстродействующих ЭВМ третьего и четвертого поколений позволили в настоящее время создать целый ряд автоматизированных систем проектирования (АСП) химических производств. [c.8]

За последние годы литература по научным основам химической технологии значительно обогатилась, особенно в части теории химических реакторов, математических методов моделирования и оптимизации химико-технологических процессов. При этом широко используется метод теоретических обобщений, так хорошо себя оправдавший в общеинженерном курсе процессов и аппаратов химической технологии. [c.5]

Второй — новые, в смысле применения для оптимизации химических процессов, математические методы, учитывающие ранее недоступные или весьма ограниченно доступные для оптимизации области протекания процессов. Например, принцип максимума Л. С. Понтрягина [33] дает возможность определить оптимальный температурный профиль по длине реактора для любой сложной [c.10]

Таким образом, рециркуляция может дать и положительный, и отрицательный экономический эффект. Наличие двух противоположных качеств рециркуляции при практическом осуществлении рециркуляционного химического процесса вызывает необходимость компромиссного решения вопроса о количестве и составе посылаемого иа повторную переработку материального потока, о тех значениях глубины превращения и связанного с ней коэффициента рециркуляции, которые удовлетворяли бы достижению поставленной цели. Решение этой задачи предполагает математическое моделирование процесса с учетом параметров обратной связи и его оптимизацию. Благодаря появлению и развитию различных математических методов оптимизации и применению их в химической технологии задача эта стала разрешимой с помощью ЭВМ уже в 1960-е годы. В этой связи в последние 10—15 лет зарождаются и получают бурное развитие исследования по оптимизации в соответствии с экономическим критерием [57, 58]. Необходимым условием отыскания оптимального варианта является наличие математической модели процесса, представляющей собой систему уравнений кинетики, выражений для скоростей передачи теплоты, уравнений гидродинамики и экономического критерия оптимальности, удовлетворяющего определенным ограничениям. В случае оптимизации рециркуляционного химического реактора его математическая модель включает и уравнения обратной связи. [c.271]

В книге в доступной форме изложены основы методов оптимизации химических производств (классический анализ, вариационное исчисление, принцип максимума, динамическое, линейное, нелинейное и геометрическое программирование). Сформулированы общие положения, касающиеся выбора критериев оптимальности химико-технологических процессов, и приведены их математические модели. Рассмотрены задачи оптимизации конкретных процессов. Второе издание (первое издание выпущено в 1969 г.) дополнено изложением основ геометрического программирования, а также примерами, иллюстрирующими практическую реализацию методов нелинейного программирования. [c.4]

Основой методов оптимизации химико-технологических процессов служит достаточно подготовленный сейчас математический аппарат, средством реализации которого являются электронные вычислительные машины. На современном этапе важнейшая задача химической технологии заключается в составлении и использовании двух алгоритмов оптимального проектирования процесса и оптимального управления данным процессом. [c.9]

Анализ объектов химической технологии методами математического моделирования с применением средств вычислительной техники,. особенно цифровых машин, имеет большое теоретическое и практическое значение. Он позволяет, не прибегая к сложным и дорогим натуральным экспериментам, изучать многие характеристики проектируемых и существующих процессов, оценивать различные варианты аппаратурного оформления, а также использовать математические методы оптимизации для отыскания, оптимальных режимов эксплуатации и решения задач оптимального управления. Особое значение метод математического моделирования приобретает в системах автоматизированного проектирования, в которых математические модели проектируемых процессов решающим образом определяют эффективность функционирования системы в целом. [c.44]

Из термодинамики теория массопередачи целиком заимствует основные положения о физико-химическом равновесии в гетерогенных системах и методы описания диффузионных процессов, из статистической механики — теорию межмолекулярного взаимодействия, из гидродинамики — теорию пограничного слоя и, наконец, из кибернетики — методы математического моделирования противоточных разделительных каскадов и сложных технологических схем, а также методы оптимизации технологических процессов. [c.11]

В связи с этим в главах I—VI рассматриваются общие методы моделирования и их использование для исследования, расчета и оптимизации преимущественно процессов разделения и компаундирования нефтепродуктов. В главах УИ—X освещено более детально математическое моделирование химических процессов [c.9]

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ СТАТИСТИКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ [c.35]

Описываются исследования предаварийных режимов потенциально опасных процессов на физических моделях — лабораторных и пилотных установках. Эти исследования дают возможность отработать методику эксперимента, обеспечивающую получение информации о нужных параметрах в условиях безопасности, а также установить количественные соотношения параметров предаварийного режима процессов. В этой связи описаны лабораторные и пилотные установки, на которых производились исследования потенциально опасных процессов нитрования и магнийорганического синтеза. На лабораторных установках удается получить качественную картину поведения процесса в предаварийных и даже в аварийных режимах и накопить необходимые данные для конструирования пилотной установки. На пилотных установках выявляются количественные соотношения с учетом требований масштабирования и с обеспечением безопасности. Последняя достигается применением особых методов ( метод искусственного снижения опасности ) и резервированием избыточной мощности защитных воздействий. В книге описаны также методы термоаналитических исследований химических процессов, позволяющие получить необходимые (и обычно отсутствующие у технологов) данные о кинетике процесса. Эти данные крайне необходимы для исследования процессов методами математического моделирования. Параллельное использование действующего объекта, привязанного к ЭВМ, и его модели позволяет максимально приблизить модель к реальности и провести ряд исследований с помощью специально разработанных алгоритмов проверки адекватности модели, оптимизации и других, [c.8]

Заново написаны разделы по цифровым вычислительным машинам и автоматическому управлению химико-технологическими системами, а также главы по математическому моделированию типовых процессов химической технологии и основам синтеза и анализа химикотехнологических систем и системному анализу. Введен раздел по составлению математических моделей экспериментально-статистическими методами и статистической оптимизации. Дополнены разделы по этапам математического моделирования, оптимизации (введено геометрическое программирование) и исследованию микро- и макро-кинетики. Приведен расчет каскада реакторов при наличии микро-и макроуровней смешения и др. [c.8]

Особенностью современного развития химической технологии является широкое применение методов математического моделирования, используемых для проведения расчетов, при проектировании и усовершенствовании химикотехнологических процессов. Являясь одним из разделов химической кибернетики, математические методы моделирования и оптимизации позволяют подойти к решению проблем создания промышленных реакторов и химических комплексов с экстремальными технико-экономическими показателями. [c.137]

Использование методов математического моделирования при создании новых химических производств, а также для оптимизации действующих объектов весьма актуально. Поскольку реакторные химические процессы в большинстве случаев определяют технологическую схему и схему автоматизации того или иного производства, возникает важная задача изучения химических реакторов как объектов математического моделирования. [c.7]

Наряду с изложенным следует указать, что задачу выявления закономерностей протекания химического процесса для масштабирования, оптимизации аппаратурного оформления и автоматизации можно значительно упростить и приложение для этих целей математических методов сделать более доступным, если кинетику изучать применительно к ограниченной (локальной) области изменения технологических параметров. [c.21]

Следует отметить, что моделирование многомерных регрессионных задач, проведенное с помощью ЭВМ на искусственных примерах [37], продемонстрировало влияние ошибок в измерении факторов и правомерность процедуры отбрасывания факторов. В результате этого исследования показано, что ошибки при измерении факторов и их коррелированность между собой приводит к значительному искажению исходного уравнения. Отсюда, конечно, не следует, что нужно полностью отказаться от пассивных методов исследования объектов химической технологии. Корреляционный и регрессионный анализы продолжают оставаться действенным средством текущего анализа производства. Но данных пассивного эксперимента, собранных при значительных ограничениях, высоком уровне помех и нередко низком уровне оснащенности производства контролирующими приборами, явно недостаточно, чтобы построить математические модели, пригодные для управления и оптимизации технологических процессов [31]. [c.215]

Изложенный подход к решению задачи значительно упрощает математическое описание и моделирование реакторного химического процесса и делает широко доступным использование математических методов для масштабирования и автоматизации. Это в свою очередь позволяет также активно влиять на оптимизацию аппаратурно-технологического оформления процесса благодаря автоматизации его управления. [c.22]

Математическое описание в локальной области сложного химического процесса, протекающего в аппарате с перемешиванием в объеме, можно также выполнить на вычислительной машине, использовав рассмотренный алгоритм решения этой задачи аналитическим методом. На основании полученного математического описания можно построить математическую модель и провести исследование процесса для решения задач масштабирования, автоматизации и оптимизации процесса в выбранной локальной области или даже по отысканию направления оптимума методами направленного эксперимента. [c.183]

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]

Среди многообразия процессов химической технологии значительное место занимают процессы массообмена. По существу почти любой химико-технологический процесс в той или иной степени сопровождается явлениями массопередачи. Однако имеется большая группа процессов, для которых массопередача является основным, фактором, определяющим их назначение. Примерами таких процессов служат ректификация, экстракция, абсорбция, десорбция и т. д., где массообмен происходит между различными фазами, в результате чего достигается обогащение одной фазы одним или несколькими компонентами. В настоящее время процессы массопередачи интенсивно исследуют методами математического моделирования (5, 10, 14], что позволяет использовать методы оптимизации для оптимальной организации этих процессов. [c.69]

Проблемы создания математических моделей для процессов химической технологии несомненно являются наиболее важными при постановке задач оптимизации указанных процессов. Современный уровень теории оптимальных процессов и возможности математики, вооруженной средствами вычислительной техники, позволяют решать большинство возникающих в практике оптимальных задач. Поэтому широкое распространение методов оптимизации по существу немыслимо без детальной проработки вопросов математического моделирования существующих и на этой основе вновь проектируемых процессов. [c.90]

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]

Основу второй ступени иерархии (см. рис. 1-3) химического предприятия составляют производственные цеха и системы автоматического управления цехами. Цех — это взаимосвязанная совокупность отдельных типовых технологических процессов" и аппаратов, при взаимодействии которых возникают статистические распределенные по времени возмущения, т. е. существуют стохастические взаимосвязи между входными и выходными переменными подсистем. Для анализа функционирования подсистем второй ступени иерархии необходимо использовать статистико-вероятностные математические методы. Среди них широкое применение начинают получать сравнительно новые разделы математики, такие, как теория марковских цепей, теория графов, теория массового обслуживания и др. На этой ступени иерархии происходит статистическое обогащение информации, а при управлении подсистемами возникают задачи оптимизации и программирования для оптимальной координации работы аппаратов и оптимального распределения нагрузок между ними. [c.13]

Математическое моделирование позволяет решить основные задачи, возникаюш ие при проектировании химических процессов, в частности — каталитических экзотермических процессов. К ним относятся определение оптимального температурного режима в контактном аппарате, выбор оптимального-состава газовой смеси на входе в реактор, расчет минимального времени контакта для обеспечения заданной степени превраш,ения, определение области устойчивости процесса и др. Моделирование позволяет уменьшить объем опытных работ и сократить сроки пуска новых объектов. Б настояш ей работе рассматривается процесс получения окиси этилена — один из типичных экзотермических процессов. При этом ставились цели разработки и проверки методов моделирования и оптимизации каталитических экзотермических процессов. [c.88]

Выполнение расчетов на ЭВМ в значительной мере устраняет трудности, возникающие при решении многих задач химической технологии. Как известно, подобные задачи требовали ручного счета в течение многих лет, а в ряде случаев и не поддавались решению. Следует подчеркнуть, что в последние годы методы оптимизации стали составной частью технологических расчетов, эффективное применение которых требует построения математического описания исследуемого процесса и, как правило, использования ЭВМ. [c.7]

Рассмотрены общие принципы моделирования и математические методы оптимизации химических процессов, моделирование экзотермических и эндотермитеских процессов, а также процессов в псевдоожиженном слое. [c.2]

Перейдем к рассмотрению изменения профилей различных параметров вдоль реактора в системе с рециркуляционной петлей. Необходимое превращение на выходе из реактора может быть получено различными изменениями вдоль реактора параметров системы — температуры, давления, концентрации. Оно связано с количеством рециркулируемых в начало реактора компонентов. Естественно, что для каждой конкретной реакции роль указанных факторов проявляется по-разному. Несомненно, что широкое использование результатов одновременного поиска изменения профилей различных параметров может привести к весьма интересным результатам. Однако для решения этой задачи желательно дальнейшее совершенствование математических методов оптимизации и более детальное изучение химических аспектов процесса. Рассмотрение реакции дегидрирования этана показало, что существует определенный профиль температуры, который отвечает максимальной нроизвоцительности реактора по целевому продукту. При этом расход исходного сырья не является максимальным и соответствует строго определенной селективности и глубине превращения на выходе из реактора. Следовательно оптимальные профили изменения параметров режима эксплуатации действующих реакторов должны определяться одновременным изменением производительности аппарата. В частности, исследования по определению оптимального температурного профиля для консекутивной реакции показали, что в этом случае необ ходимо реакцию начать с самой высокой температуры оптимального профиля. Затем углубление процесса следует проводить по мере снижения температуры также в соответствии с оптимальным профилем, найденным, подчеркиваю, для рециркуляционной системы. Кстати, в этом плане применение увеличенной рециркуляции непрореагпровавшего сырья в адиабатических реакторах (таких, как реактор для каталитического дегидрирования этилбензола в стирол) люжет значительно повысить их мощность по свежему сырью. Прп такой постановке вопроса реакторы должны конструироваться таким образом, чтобы они удовлетворяли требованиям теории. Это противоречит существующему укоренившемуся положению, когда реакция осуществляется в готовой конструкции реактора в зависимости от его возможностей, [c.15]

Поиски оптимальных решений привели к созданию специальных математических методов и уже в XVIII в, были заложены математические основы оптимизации (математический аппарат бесконечно малого, вариационное исчисление, численные методы и др.). Однако до второй половины XX в. методы оптимизации во многих областях науки и техники применялись очень редко, поскольку практическое использование математических методов оптимизации требовало огромной вычислительной работы, которую реализовать без быстродействующей вычислительной техники было крайне трудно, а в ряде случаев и невозможно. Особенно большие трудности возникали при решении задач оптимизации процессов в химической технологии. [c.241]

I.0. Левевшпиль, Инженерное офо мление химических процессов, Изд. Химия , 1969. — 2. В. В. Кафаров, Методы кибернетики в химии и химической технология, Над. Химия , 1968. — 3. И. И. Иоффе, Л. М. П и с ь м е н. Инженерная химия гетерогенного катализа. Изд. Химия , 1965.— 4. Г. М. Островский, Ю. М. Волин, Методы оптимизации химических реакторов. Изд. Химия , 1967. — 5. С. М. К о р с а -ков-Вогатков. Химические реакторы как объекты математического моделирования. Изд. Химия , 1967. — 6. Я. М. Б р а й н е с. Введение в теорию и расчеты химических и нефтехимических реакторов. Изд. Химия , 1968. — 7. Р. А р и с. Оптимальное проектирование химических реакторов, ИЛ, 1963. — 8. С. в э й л а с. Химическая кинетика и расчеты промышленных реакторов. Изд. Химия , 1967. — 9. К. Д е н б и г, Теория химических реакторов. Изд. Наука , 1968. — 10. Е. М. Вигдорчик, А. Б. Шейнин, ДАН. СССР, 160, 661 (1965). [c.246]

Исходя из основных положений теории рециркуляции в комплексных системах, недостаточно оптимизировать локально отдельные агрегаты или даже целые регионы, состоящие либо из одной, либо из ряда однотипных установок и имеющие общие элементы. Оптимальная работа отдельно взятых составляющих химического комплекса будет коренным образом отличаться от оптимальной работы их в условиях, когда они испытывают влияние сопряженной работы других установок. Поэтому определение условий проведения отдельных процессов должно проводиться в соответствии с лаилучшими результатами работы всего комплекса. Оптимизацию сложных комплексов теория рециркуляции осуществляет на базе математического описания всей совокупности и взаимосвязи химических, физических, физико-химических процессов и их экономики. Такая оптимизация названа глобальной созданы методы ее практического осуществления [55.......58]. [c.272]

В книге в доступной форме изложены основы методом оптимизации (классический анализ, вариационное исчисление, принцип максимума, динамическое, линейное и нелинейное программирование) с иллюстрацией их на объектах химической технологии. Сформулированы общие положения, касающиеся выбора критериев о[1ти-мальности химико-технологических процессов, и приведены их математические модели. Рассмотрены задачи, связанные с оптимизацией конкретных процессов. [c.4]

Книга посвящена актуальному в настоящее время вопросу применения математических методов для расчета оптимальных (наилучших) режимов технологических процессов. Дана характеристика основных этапов работ по статической, квазистатической и динамической оптимиаации как действующих химических реакторов, так и при их проектировании. Сопоставлены два важнейших метода оптимизации — метод поиска на объекте и метод оптимизации с помощью математической модели. Большое внимание уделено математическим способам оптимизации — нелинейному программированию и Принципу максимума. [c.4]

Для успешного применения вычислительных машин с целью оптимизации химических реакторов необходимы а) развитие теоретических и практических исследований в области математического описания процессов, происходящих в реакторах, что, в свою очередь, требует изучения кинетики химических превращений, процессов тепло- и л1ассообмена б) создание методов расчета оптимальных режимов работы химических реакторов. [c.8]

Возникновение, сущность и сферы приложения концепции математического моделирования эксперимента освещены во многих доступных источниках [4, 35]. Впервые идея применения методов математической статистики к решению экстремальных задач оптимизации процессов была выдвинута в 1951 г. и вскоре — уже в 1955—1956 гг. — нашла практическую реализацию в химической технологии. Широкое распространение идей и метолоа плян ровя-ния эксперимента у нас в стране началось именно с оптимизации химического эксперимента, а конкретнее — с экспериментов, преследующих цели оптимизации промышленных химических процессов [4]. [c.159]

И, наконец, отметим, что назрело время для создания специальной информационно-математической системы, которая, обладая информацией о больдюм многообразии химических процессов и их возможных сочетаниях, будет в соответствии с поставленной задачей определять оптимальную структуру и режим работы разрабатываемого ХТК. Такая система будет способна моделировать работу любого действующего или проектируемого ХТК, позволит изучить и проанализировать деятельнос.ть всего объекта или его отдельных звеньев в любом отрезке времени и всевозможных ситуациях. Эта система должна иметь широкие возможности для выбора и применения разлп шых методов оптимизации и сретства для систематического пополнения новыми достижениями прикладной математики, химической технологии и информацией о новых процессах. [c.23]

Известно, что основной целью математического моделирования является оптимизация химико-технологических процессов. В книге Р. Фрэнкса вопросы оптимизации только затрагиваются, но практически не решаются. Это — следующий этап, требующий знания специальных разделов математики. В отечественной и зарубежной технической литературе имеется ряд работ, посвященных отдельным вопросам оптимизации химико-технологических процессов. Систематическое изложение этих вопросов читатель найдет в недавно выпущенной издательством Химия книге А. И. Бояринова и В. В. Кафа-рова Методы оптимизации в химической технологии . [c.10]

Метод математического моделирования за короткое время нашел конкретное применение в исследованиях и расчетах химико-технологических процессов. При наличии математических моделей успешно решаются задачи оптимизации технологических процессов и управления ими. Однако еще сравнительно мало специалистов химической промышленности достаточно знакомы с принципами построения математических моделей и методами их исследования для получения исходных данных в проектировании новых или осуществлении оптимальных режимов действующих химических производств. Это объясняется, во-первых, сложностью и недостаточной изученностью процессов химической технологии и, во-вторых, сравнительно слабым знанием инже-нерами-химиками основ кибернетики. [c.4]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология