Левые части уравнений – есть функции факторов x1,…xn. Поэтому решение системы (1) дает оптимальное значение факторов. Если оптимизируется технологический процесс, то этому решению соответствует оптимальный режим.
Рассмотрим частные задачи оптимизации ХТП с использованием математических моделей
ЧАСТНЫЕ ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ
(оптимизация с использованием математических моделей).
I. Оптимизация РИС
В реакторе ИС протекает реакция:
|
K1 |
K |
|
A |
B |
2 |
С |
|
Целевой продукт.
Определить оптимальное время пребывания реагентов в реакторе, при котором достигается максимальный выход целевого продукта B.
С
CA0
CBmax |
СС |
0 |
опт. |
|
dCA 1 C |
|
C |
|
k C ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
|
A |
1 A |
dt |
|
||||
|
|
0 |
|
|
|
dC |
B |
1 |
|
|
C |
|
k C |
k C |
|
|
C |
|
|
; |
|||||
|
|
|
|||||||
dt |
|
|
B |
|
B |
1 A |
2 B |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
dCC 1 C |
C |
|
k C ; |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
C |
2 B |
|
dt |
|||||
|
|
0 |
|
|
|
СВ
СА
(1)
(2)
(3)
|
dCB |
|
0; |
C |
B |
0; |
|
|
|||||
|
dt |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
1 C |
B |
k C |
A |
k C |
B |
0; |
|||||||
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|||||||
k1C A CB k2CB ; |
|||||||||||||
CB |
|
k1C A |
|
|
; |
|
|
|
|
||||
|
1 k2 |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
C A ?
|
(1) |
|
приравниваем к нулю |
|
|
|
|
||||||||
CA |
CA k1CA 0; |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
C |
1 k |
; |
|
|
|
|
|
||||||
|
A0 |
|
|
A |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CA |
|
|
|
|
|
k1CA |
|
|
|
||
C |
|
|
|
|
0 |
;C |
|
|
|
|
0 |
|
|
; |
|
A |
1 k |
B |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1 k 1 k |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
1 |
|
|
Для определения оптимального для
выхода максимального значения концентрации СВ, необходимо уравнение продифференцировать по и приравнять
производную к 0.
dF d
k C (1 k ) 1 k |
|
k C |
k |
1 k |
k |
1 k |
|
|||||||||
1 A |
1 |
|
2 |
|
1 A |
|
|
|
2 |
|
2 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|||||||||
0 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0; |
|
|
|
|
1 k |
1 k |
2 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
опт. |
|
1 |
|
|
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
k1 k2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
k1CA |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
k k |
|
|
|
||||||||
F CB |
|
|
|
|
0 |
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
; |
|||
|
|
k |
|
|
|
|
k |
|
|
||||||||
max |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
1 |
|
1 |
|
1 |
|
2 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
k k |
k k |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
1 2 |
|
|
|
|
1 2 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
II. Задача поиска оптимальной температуры обратимой химической реакции.
Если химическая реакция протекает без побочных стадий, |
|
то критерием оптимальности может быть скорость |
|
реакции. |
|
Установим ограничения и выберем оптимизирующие |
|
параметры. |
k1 |
|
|
А |
В |
|
k2 |
Целевая функции имеет вид:
|
E1 |
|
|
E2 |
|
|
F W k |
e RT C |
A |
k |
e RT C |
B |
; |
01 |
|
02 |
|
|
Критерий оптимальности F зависит от трех параметров T, CA и CB.
Но СА и СВ не можем выбрать в качестве оптимизирующих параметров, т.к. они не являются входами (не являются независимыми) системы, а являются результатами реакции.
Так, для увеличения скорости необходимо иметь как можно больше СА и меньше СВ. Цель же процесса противоположная – увеличить СВ и уменьшить СА. Поэтому СА и СВ нельзя считать независимыми факторами.
Следовательно, есть лишь один независимый фактор, влияющий на F – температура.
При различных CA и CB, влияние температуры может быть различным.
Поэтому ставим задачу следующим образом: найти оптимальную температуру при фиксированных CA и CB. Т.е. CA и CB выступают как ограничения в виде равенств.
C |
A/t 0 |
C |
A |
; |
|
|
|
||
|
|
|
0 |
|
|
|
CB |
|
|
CB/t 0 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
Второе ограничение типа неравенств (обязательное) температура не может превысить некоторого максимального
значения Tmax.
T Tmax;
|
|
|
|
E |
|
|
|
|
|
E |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
W k |
C |
A |
e RT |
k |
2,0 |
C |
B |
e RT |
; |
|||
1,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
dW |
0; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E1 |
|
|
E |
|
1 |
|
|
|
|
|
E2 |
|
E |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
k |
C |
|
e RT |
|
1 |
|
|
k |
|
C |
B |
e RT |
2 |
|
0; |
||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
1,0 |
|
A |
|
|
|
|
R |
T 2 |
|
2,0 |
|
|
|
|
R |
T 2 |
|
||||
T ? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
