1. 4. 4. 1. Синтез химико-технологической системы

На этапе синтеза формулируют цель создания химико-технологической системы, пути ее достижения. Разрабатываются конкурентоспособные варианты структур системы, подлежащие исследованию на стадии анализа.

Задача синтеза обычно многовариантна, т.к. одни и те же значения выходных параметров ХТС могут быть обеспечены при различной структуре системы и разных режимах функционирования ее элементов. Так при создании новой химико-технологической системы обычно имеется много возможностей выбора элементов и связей между ними. При реконструкции ХТС приходится сохранять все или часть элементов и связей между элементами.

1. 4. 4. 2. Анализ химико-технологической системы в целом

На стадии анализа детально исследуются отобранные варианты систем, режимы функционирования элементов которых (массо- теплообменные аппараты, химические реакторы, …) отвечают поставленным задачам. Задачи анализа химико-технологической системы подразделяются на анализ структуры и качества функционирования. Цель анализа структуры ХТС – выявление структурных особенностей и нахождение последовательности расчета элементов, а цель анализа качества функционирования ХТС – получение количественных оценок ее основных свойств: чувствительности, надежности, устойчивости и т.д.

Из анализируемых вариантов систем исключаются те, которые не отвечают в полной мере поставленным задачам и цели.

1. 4. 4. 3. Оптимизация химико-технологической системы

На этапе оптимизации осуществляется поиск наилучших технологических режимов функционирования химико-технологической системы в целом. Задача оптимизации является комплексной. Она включает в себя как оптимизацию структуры, так и оптимизацию режимов функционирования элементов. Цель оптимизации – обеспечение наиболее высоких технико-экономических показателей ХТС.

Первым шагом при постановке задачи оптимизации является выбор независимых параметров оптимизации из числа технологических параметров управления.

После выбора параметров оптимизации необходимо сформулировать критерий оптимизации, который формализует понятие, что такое «хорошо» для ХТС. Критерий оптимизации выбирают из числа показателей качества ХТС и ее элементов. Критерии оптимизации могут быть разнообразными: технологическими, экологическими, экономическими и т.д. Типичный технологический критерий – производительность ХТС по целевому продукту. Чем больше производительность системы, тем ХТС лучше, поэтому задача оптимизации по этому критерию превращается в задачу максимизации производительности. Однако, результаты оптимизации по такому критерию будут свидетельствовать об очень низкой эффективности использования сырьевых ресурсов, т.к. производительность пропорциональна скорости процесса, а последняя будет достигаться при низких степенях превращения исходного сырья. Но при этом металлоемкость ресурсоперерабатывающих аппаратов будет минимизирована. И наоборот, если оптимизировать по степени превращения сырья, то эффективность его использования будет максимальной при заданных термодинамических ограничениях при очень высокой материалоемкости. Во всех случаях наиболее объективными критериями оптимизации являются экономические. Типичный экономический критерий себестоимость продукта или приведенные годовые затраты на производство какого-то продукта. Чем они меньше, тем функционирование ХТС более эффективно. Поэтому возникает задача минимизации себестоимости или приведенных годовых затрат.

Типичный экологический критерий – количество выбросов из ХТС в окружающую среду, чем выбросов меньше, тем система функционирует лучше. Поэтому ставится задача минимизации выбросов. Следует отметить, что все критерии, как впрочем, и сама задача оптимизации, имеют экономический смысл. Этот смысл всегда может быть открыт тем или иным способом. Например, если умножить производительность ХТС на рыночную стоимость целевого продукта, то задача оптимизации превращается в задачу максимизации доходной части работы ХТС. Если количество выбросов умножить на стоимость очистки единицы количества какого-то выброса, то задача оптимизации превращается в задачу минимизации стоимости очистки внешней среды от выбросов данной ресурсоперерабатывающей системы.

Так или иначе, должен быть сформулирован некоторый критерий оптимизации Q, зависящий от независимых параметров управления ХТС:

,

где x – обобщенная характеристика (набор, вектор) параметров состояния системы, включающих параметры входных, промежуточных и выходных потоков ХТС, конструктивно-технологические параметры аппаратов, входящих в ее структуру;

u – обобщенная характеристика свободных параметров оптимизации (набор независимых параметров оптимизации).

Таким образом, математическая модель ХТС в рамках ее оптимизации принимает вид

f(x,u)= 0 ,

где f(x,u) имеет смысл матрицы производных параметров состояния системы по параметрам оптимизации.

В первом приближении задача оптимизации может быть сформулирована математически:

Найти такие параметры оптимизации u, чтобы Q достигал максимума или минимума при условии выполнения уравнений:

Без ограничения общности в задаче можно оставить только один знак max или min, так, например, от задачи минимизации легко перейти к задаче максимизации. Самый простой способ такого перехода – изменение знака критерия Q:

Практика постановки и решения конкретных задач оптимизации ХТС показала, что дополнительно должны быть учтены некоторые ограничения, налагаемые на параметры системы. Эти ограничения могут иметь простую пороговую форму:

Например, температура в химическом реакторе не может быть меньше температуры «зажигания» реакции и не может быть больше температуры спекания катализатора.

Ограничения облегчают задачу оптимизации, так как они суживают область поиска оптимальных параметров оптимизации. С другой стороны, они затрудняют сам процесс поиска, так как в процессе поиска приходится непрерывно проверять выполнения ограничений.

Из-за многовариантности решений самым сложным является этап выбора структуры химико-технологической системы, от которой зависит эффективность реализации технологических решений, принятых на предшествующих этапах анализа.

Отметим связь, которая существует между задачами оптимизации синтеза и анализа. Действительно, при создании нового производства выполняется синтез нескольких альтернативных вариантов ХТС, анализируется их технико-экономические показатели, происходит поиск окончательного оптимального варианта.

Для решения этих задач широко используются различные математические методы расчета ХТС, такие как итерационные и матричные (безытерационные) методы; представление структур ХТС в виде графов и таблиц и др.

Методы и алгоритмы расчета параметров состояния технологических потоков ХТС чрезвычайно трудоемки. Поэтому были созданы программы моделирования сложных технологических систем, которые обладают достаточной гибкостью и универсальностью и могут при минимальной доработке применяться для исследования ХТС произвольной структуры. Такие программы называются моделирующими, так как они предназначены для моделирования работы сложных систем. Наиболее известны программы РОСС, АСТР, НЕФТЕХИМ, САМХТС, SYNSYS 78, Cheohs, Chevron, SreedUp, macsim,Pacer, Flowtran.

Современные вычислительные методы, методы математического моделирования и быстродействующие компьютеры позволили разработать и внедрить в производство системы автоматизированного проектирования, которые широко применяются при проектировании новых и реконструкции старых химических и нефтеперерабатывающих производств.