Планирование эксперимента при оптимизации процессов химической техн

2. Если рецикл «разорвать» нельзя, то моделировать процессы в системе следует на основе физико-химиче­ ских закономерностей. Идентификацию системы и оцен­ ку ее адекватности можно осуществить изложенными выше алгоритмами (см. 2.5). Напомним, что для этого необходимо иметь выборку экспериментальных данных.

Решение задачи оптимизации. В первом случае, ког­ да существует возможность «разрыва» рецикла, задача оптимизации системы решается так же, как и при после­ довательном соединении объектов. Находится

(3.18)

при условии, что модель в виде (3.16) получена. Далее определяется

«Стыковку» R2 (оптимальное значение для у2) и х®

можно рассчитать, используя, например, итерацию. Задача оптимизации системы по физико-химическим

моделям рассчитывается с использованием целого арсе­ нала поисковых методов.

3.2. Основные цели и задачи процесса исследования химико-технологических систем

Введение. Как уже упоминалось ранее, процесс ис­ следования в химии и химической технологии может быть представлен как некоторая система, предназначен­ ная для достижения определенных целей. Все операции по исследованию объектов химической технологии обыч­ но связаны некоторой логической схемой «добывания» информации и использования ее для решения постав­ ленных задач. В этой логической схеме исследования ме­ тоды планирования эксперимента позволяют решить отдельные задачи и задачу исследования в целом. В этом разделе рассмотрены основные принципы решения задач исследования, выделены цели логической схемы иссле­ дования и намечены пути использования системы алго­ ритмов теории эксперимента в существующем процессе исследования химико-технологических комплексов.

3.2.1. Основные принципы исследования химико-тех­ нологических комплексов. Практикой исследования на­

коплено много принципов, реализация которых в значи­ тельной мере способствует эффективности проводимых

экспериментов.

Ниже рассмотрены основные из них. Отметим, что одновременное использование большинства принципов характерно для исследователей с высокой культурой ис­ следования и большим опытом.

Ранее теория эксперимента не затрагивала эту сто­ рону деятельности исследователя. Однако теперь при создании автоматизированных систем эксперимента возникла необходимость сбора и обобщения опыта ис­ следования, как некоторого целенаправленного процес­ са. Изложенные ниже принципы не ранжировались по их значимости.

Определение. Процесс исследования в-целом можно рассматривать как совокупность операций над объектом исследования. Объект исследования (лабораторная уста­

обеспечением объединены в систему. Перед системой исследования поставлена цель. Вход в систему — суще­ ствующая вне ее информация, о свойствах продукта и способах его получения (возможно по аналогии с дру­ гими продуктами); выход — данные для проектирования химического предприятия определенной мощности.

Примечание: 1. Здесь и далее проблемы объединения технологической установки и ЭВМ в единый эксперимен­ тальный комплекс не рассматриваются.

Принцип 1. Процесс исследования — это анализ физи­ ческих и химических явлений на глубину, достаточную для получения информации и передачи ее в систему про­ ектирования. Логическая схема исследования (ЛСИ) строится так, чтобы последовательно, шаг за шагом, уве­ личить информацию об объеме исследования до уровня, достаточного для проектирования химико-технологичес­ кого комплекса. ЛСИ предполагает также организацию последовательных приближений и повторных циклов ис­ следований на отдельных этапах.

Принцип 2. При решении задач исследования всегда

Принятие решений — это «стыковочный узел» этапов исследования. Именно здесь можно учесть неформализу­

емые условия — ресурсы творческой активности, прог­ нозы специалистов п т. п.

Принцип 3. Логическая схема исследования имеет гло­ бальную цель (о ней говорилось во введении главы) и подцели, достижение которых позволяет решить задачу в целом. На каждом этапе, при достижении подцели, ис­ следователь пользуется определенной информацией, по­ лученной на предыдущем этапе или имеющейся вне системы. На всех этапах исследования можно пользо­ ваться информационным обеспечением (ИО) данной под­ системы или ИО более высокого уровня, например, от­ расли.

Принцип 4. При решении задач в рамках системы ис­ следования удобно и оправдано пользоваться математи­ ческими моделями физических и химических явлений. Однако, следует отметить, что на протяжении исследова­ ния р о л ь м а т е м а т и ч е с к и х м о д е л е й меняется. Если отрабатывается технологический режим на лабора­ торной установке,то математическая модель используется как средство достижения оптимального технологического режима (например, максимального выхода продукта). Если «нарабатывается» информация для проектирова­ ния, то математическая модель является целью процесса исследования, и эта цель достигается некоторым опти­

ения технологических комплексов предлагает четыре типа таких узлов: подготовки сырья А, химического превра­ щения В, разделения продуктов реакции С и переработки и обезвреживания отходов производства D. Декомпози­ ция ABCD-комплексов на составляющие узлы позволяет эффективно проводить новые исследования или пользо­ ваться известной информацией с уточнением параметров по результатам эксперимента.

Принцип 6. В процессе исследования соблюдается п р и н ц и п г л а в н о г о т е х н о л о г и ч е с к о г о у з л а (чаще всего это химический процесс). От степени изучен­ ности главного технологического узла в значительной сте­ пени зависят дальнейшие проектные решения. В процессе

ющего основные решения в логической схеме исследо­ вания.

Принцип 7. В процессе исследования существует и е- р а р х и я п р и н и м а е м ы х р е ш е н и й (например^, принятие решений на уровне руководителя исследований и технического Совета).

Принцип 8. Процесс исследования имеет свой д о к у ­ м е н т о о б о р о т и свои способы его организации, в том числе и способы связи с процессом проектирования. С внедрением ЭВМ в процесс исследования эти принципы подвергаются коренной перестройке.

Перечисленные принципы являются основными в про­ цессе исследования. Они сохраняются и при автомати­ зированном эксперименте, хотя организация всего про­ цесса исследования, использование и переработка инфор­ мации, безусловно, меняются.

3. 2. 2. Логические схемы исследования (ЛСИ). Суще­ ствует множество логических схем исследования. Их раз­ нообразие обусловлено возможностями современной науки, ограничениями, которые накладывают исследуе­ мые процессы, и конкретными условиями существования данного исследовательского подразделения (традиции НИИ). Самым сильным ограничением, накладываемым на химико-технологические процессы, является неадекват­ ность масштабного перехода от изучения явления на услов­ ном микроуровне к изучению условий на макроуровне. Информация,полученная на микроуровне,не может быть полностью использована на макроуровне. Приходится организовывать многоступенчатую систему исследования, причем шаг ступени нельзя заранее определить точно,

целях структура рассматриваемых ЛСИ значительно упрощена.

Многоступенчатая ЛСИ. Эта логическая схема более всего отражает трудности, с которыми приходится стал­ киваться, когда учитывается неадекватность масштабно­ го перехода. Многоступенчатость вызвана стремлением учесть неадекватность масштабного перехода. Заранее преполагается, что есть такой шаг масштабного перехода, в пределах которого неадекватность сводится к миниму­ му или практически ею можно пренебречь. К сожалению, выбор величины этого шага ни теоретически, ни экономи-

ному переходу, а затем предоставить эту информацию для проектирования предприятий любой мощности. Одна­ ко некоторые специалисты считают, что расходование ре­ сурсов в многоступенчатой и одноступенчатой схемах при­ мерно одинаково (сравнительный анализ этих ЛСИ не проводился). Это связано с тем, что реализация односту­ пенчатой ЛСИ требует очень тонких и дорогостоящих ис­ следований в рамках системы автоматизированного экс­ перимента. Тем не менее, ожидаемое сокращение време­ ни исследования позволяет считать, что в будущем будут использоваться одноступенчатые логические схемы ис­ следования.

Компромиссная ЛСИ. Для большинства технологиче­ ских исследований тех производств, которые часто меня­ ются, значительные затраты на исследования не оправда­ ны. Поэтому предлагаются и существуют различные компромиссные схемы исследования. Компромисс нахо­ дят в основном между глубиной исследования и временем выдачи результатов. В рассматриваемой здесь компро­ миссной ЛСИ это достигается за счет использования ряда узлов Л, В, С, D различной производительности.

Синтез технологического комплекса осуществляется условно за счет емкостей накопления продукта. Это дает возможность не строить опытной установки, которая, как известно, должна быть согласована по производитель­ ности. Компромиссная принципиальная схема исследова­ ния представлена на рис. 3. 5.

Преимущество компромиссного подхода — быстрота получения информации за счет использования ряда уз­ лов А, В, С, D различной производительности в модель­ ном цехе. На рис. 3. 5 пример такого соединения — Л2 В\ Сп Из'- подготовка сырья в узле А производительностью 1, накопление сырья в емкости 1, химическое превращение в узле В производительностью 4, накопление продукта в емкости 2, разделение продукта на ректификационной колонне С производительностью п, накопление продуктов в емкости 5, очистка выбросов в узле D производитель­ ностью 3. В сочетании с принципом главного узла (этому узлу уделяется особое внимание, например, он может быть создан заново) такая схема имеет высокую эффек­ тивность. Она особенно хороша, когда есть общий вид математических моделей и необходимо уточнить их па­ раметры (здесь резко возрастает роль методов иденти­ фикации).

отсутствие сведений о технологическом режиме замкну­ той схемы (аппараты различной производительности Нельзя соединить в схему иначе как последовательно че­ рез емкости}. Действующие рециклы возможны только в схеме с аппаратами примерно равной производительно­ сти. Таким образом, материальные и тепловые балансы технологической схемы с рециклами (замкнутой схемы) можно рассчитать только на этапе проектирования.

Более полная, чем предыдущие ЛСИ, компромиссная логическая схема изображена на рис. 3. 6.

3. 2. 3. Временная и объектная декомпозиция про­ цесса исследования. Выше упоминалось, что процесс ана­ лиза объекта исследования строится иерархически и главная его цель — получение информации, достаточной для проектирования. Также известно, что процесс иссле­ дования является итерационным — если на последую­ щем этапе обнаружится недостаток информации или ее ошибочность, то исследователь возвращается на преды­ дущий этап и пополняет или исправляет информацию. Для организации этого итерационного процесса необхо-

димо провести декомпозицию как по времени (этапам исследования), так и по объекту исследования (решение этой задачи в общем определяет логическую структуру системы автоматизированного эксперимента).

В предыдущем разделе рассматривалась компромис­ сная ЛСИ, принятая в некоторых научно-исследователь­ ских институтах. В этой ЛСИ декомпозиция объекта ис­ следования не идет далее узлов технологической схемы. Очевидно, что единых рецептов глубины декомпозиции предложить нельзя. Однако успешная работа системы исследования, включая и ЭВМ, зависит от тщательно аргументированной декомпозиции процесса исследования по времени и по объекту.

Предлагается по времени декомпозировать объект ис­

декомпозиции объекта исследования, функциональный — анализ функционирования подсистем некоторого уровня (или работоспособности подсистем определенной струк­ туры).

По объекту исследования предлагается выделить че­ тыре уровня декомпозиции. Первый уровень, наиболее общий — это уровень объекта (О) исследования в целом. На этом уровне анализируются способ производства за­ данного продукта, связи его с окружающей средой (рын­ ком, отраслями и т. д .); возможности функционирования производства (изменения, вносимые в окружающую сре­ ду выпуском продукта), анализируются сырье, катализа­ торы, энергетика и т. д.

Второй уровень — это уровень анализа узлов А, В, С, D технологического комплекса (ТК), их связей с узлами промышленного здания и системой управления.

Третий уровень — это уровень анализа законов функ­ ционирования (ЗФ) процессов в узлах технологического комплекса (технологических аппаратах) в связях этих узлов друг с другом (трубопроводах) и системой управ­ ления. Четвертый уровень связан с анализом элементар­ ных законов функционирования в процессах и анализом существующих между явлениями связей. Выделение это­ го уровня сулит исследователям значительные выгоды, особенно при использовании ЭВМ. Временная и объект­ ная декомпозиция процесса исследования представлена в табл. 3.1.