Свойства ХТС ХТС - совокупность технологических операторов ХТП, объединенных технологическими связями. Объединение элементов в ХТС сопровождается взаимным наложением рабочих характеристик элементов. Ситуация усугубляется при усложнении технологических связей между элементами. Благодаря объединению элементов в систему, она приобретает новые качества, которыми не обладают элементы в отдельности.

Пример характеристики ХТС рабочие характеристики аппаратов, образующих ХТС, имеют монотонный характер, рабочая характеристика имеет экстремум

Эмержентность ХТС Реальные производства содержат десятки технологических аппаратов, соединенных различными типами соединений и работающих как единое целое. Даже при относительной простоте рабочих характеристик аппаратов, рабочая характеристика ХТС будет достаточно сложна, непредсказуема, и зависеть от топологии ХТС. Рабочая характеристика ХТС может изменяться даже при неизменном наборе элементов, но при изменении ее топологии. Данное свойство ХТС называется эмерджентностью.

Чувствительность ХТС Чувствительность ХТС к внешним и внутренним возмущениям (воздействиям) – это способность системы реагировать на них, т.е. изменять параметры состояния. Необходимо, чтобы система была малочувствительной к возмущениям.

Управляемость ХТС Управляемость ХТС – это свойство достигать цели управления. Обычно целью управления является выпуск заданного количества продукции требуемого качества. Для обеспечения требуемой управляемости, проектирование ХТС производится совместно с проектированием системы управления.

Надежность ХТС Надежность системы – свойство сохранять работоспособность в течение заданного времени функционирования. Данная задача решается на этапе проектирования таким образом, чтобы даже при выходе из строя некоторой части вспомогательного оборудования или части системы управления, система сохраняла свою работоспособность.

Устойчивость ХТС Устойчивость – способность ХТС возвращаться в исходное стационарное состояние после устранения возмущений, вызвавших выход системы из этого состояния.

Содержание проекта ХТС Технологическая топология ХТС (характер и порядок соединения отдельных аппаратов технологической схеме); Диапазоны изменений значений входных переменных, которыми являются физические параметры входных потоков сырья, а также параметры окружающей среды, влияющие на процесс функционирования ХТС; Диапазоны изменений значений технологических параметров ХТС (степени превращения, степени разделения компонентов, констант скоростей химических реакций, коэффициентов тепло- и массопередачи и т.д.);

Содержание проекта ХТС Конструкционные параметры ХТС (размеры аппаратов, высоты слоев насадки и т.д.); Рекомендуемые параметры технологического режима работы элементов ХТС (температуры, давления, типы катализатора и т.п.); Параметры технологических потоков, обеспечивающих работу ХТС в заданном режиме (температуры, давления, расходы, состав потоков и т.п.).

Формулировка задачи синтеза ХТС Дано: состав и состояние входного (сырьевого) потока ХТС; состав и состояние выходного (продуктового) потока ХТС; показатель качества функционирования ХТС (функция цели, критерий оптимальности); некоторые ограничения на параметры. Определить: состав ХТС (аппараты, входящие в ХТС), структуру ХТС (связи между аппаратами), режимные и конструктивные параметры аппаратов, критерий оптимальности при этом должен достигать экстремального значения.

Методы решения задачи синтеза Задача синтеза является общей задачей нелинейного программирования. Однако даже частные задачи синтеза не могут быть решены методами нелинейного программирования. Главные причины – большая размерность пространства поиска и многоэкстремальность целевой функции. Поэтому разработаны и развиваются специальные методы решения ЗС. Эти методы можно разделить на аналитические и эвристические, интегральные и последовательные.

Аналитические методы Аналитические методы – основаны на выборе решения, удовлетворяющего некоторым необходимым и/или достаточным условиям оптимальности искомых параметров ХТС. Аналитические методы, дающие точное решение, могут быть использованы только для некоторых частных задач синтеза подсистем, из-за невозможности получения условий оптимальности.

Эвристические методы Эвристические методы – основаны на выборе решения, удовлетворяющего некоторым эвристическим условиям оптимальности искомых параметров ХТС. Эвристический подход заключается в математической формализации интуитивно-эвристического метода, широко используемого проектировщиками, и, позволяющего высококвалифицированным специалистам интуитивно выбирать наиболее удачные варианты решения проблемы без полного перебора всех возможных альтернативных вариантов.

Типы эвристик эвристики обобщающие практический опыт (позволяющие выделить наименее эффективные элементы или узкие места в исходном варианте технологической топологии ХТС); интуитивные эвристики (позволяющие определить возможные варианты модификации или усовершенствования узких мест ХТС); эвристики, базирующиеся на знаниях высококвалифицированных специалистов (обеспечивающие возможность "стыковки" модифицированного элемента ХТС с немодифицированной частью ХТС).

Пути улучшения эвристик Эвристические условия могут быть получены для любой системы, но их качество не всегда хорошее и существенно зависит от способа получения. В настоящее время используется 3 основных способа формализации опыта проектировщиков путем статистической обработки результатов проектирования: определение весовых функций для различных эвристик; определение функций принадлежности к нечеткому множеству; причинно-следственный анализ. Эти способы используются при синтезе в составе самообучающихся адаптационных систем, где весовые функции или функции принадлежности изменяются по мере накопления опыта.

Интегральные методы Интегральные методы основаны на поиске оптимальной структуры в результате глобального изменения структуры технологической схемы. Для интегральных методов необходима исходная (базисная) структура, которая, как правило строится эвристически.

Последовательные методы Последовательные методы предполагают последовательное изменение элементов системы. Действующие методы синтеза являются комбинированными: аналитические комбинируются с эвристическими, интегральные с последовательными.

Эволюционный метод синтеза Эволюционный метод синтеза ХТС заключается в последовательной модификации аппаратурного оформления и структуры технологических связей некоторого исходного варианта ХТС с использованием методов эвристики и оптимизации. Создается исходный вариант технологической топологии ХТС, например, с помощью эвристического принципа синтеза. С помощью методов анализа для данного варианта находится "узкое" место ХТС, определяется критерий оптимальности, и производится модификация аппаратурного оформления и структуры технологических связей. После этого снова производится расчет критерия оптимальности и новый поиск "узкого" места ХТС. Процесс модификации ХТС производится до тех пор, пока не будет достигнуто требуемое значение критерия оптимальности. Таким образом, процесс состоит из последовательного итерационного чередования этапов синтеза, анализа, оптимизации и модификации некоторого первоначально заданного технологического решения задачи синтеза ХТС или существующей технологической схемы.

Декомпозиционный метод синтеза ХТС Для снижения количества рассматриваемых вариантов обычно проводят декомпозицию задачи синтеза ХТС на ряд подзадач или уровней (декомпозиционный метод синтеза ХТС). При использовании двухуровневой декомпозиции, на верхнем уровне будет происходить синтез ХТС из подсистем (химического взаимодействия, разделения, смешения и пр.) и определяться значения параметров потоков, связывающих эти подсистемы. На нижнем уровне будет производиться синтез самих подсистем, и определяться значения параметров потоков, связывающих аппараты, входящие в данные подсистемы. Если вариант какой либо синтезированной схемы при ее расчете окажется неосуществимым, затраты на синтез, анализ, моделирование и расчет варианта ХТС будут меньше. Однако задача синтеза подсистем является достаточно сложной и требует дополнительных декомпозиций или применения других методов синтеза.

Пример декомпозиции Декомпозиция на 7 уровней 1. Выбор маршрутов и условий проведения реакций 2. Определение оптимальных систем химических реакторов 3. Определение оптимальных систем разделения смесей 4. Выбор вспомогательных подсистем 5. Определение оптимальных систем теплообменников 6. Качественный анализ надежности ХТС 7. Анализ динамических свойств ХТС

выводы Практика показывает, что функция цели наиболее чувствительна к структуре системы, поэтому синтез оптимальной структуры дает эффект на порядок больше, чем оптимизация режимных и конструктивных параметров при фиксированной структуре. Задача синтеза является многовариантной, т.е. одни и те же значения выходных параметров могут быть обеспечены при различной структуре системы и разных режимах функционирования элементов. Задача синтеза имеет особенности для проектирования нового производства (ХТС) и для реконструкции существующего. Суть отличий в том, что при создании новой ХТС имеется много возможностей выбора элементов и связей между ними, а при реконструкции ХТС требуется сохранить все или часть ее элементов, а также все или часть связей между элементами. Использование эволюционного принципа синтеза ХТС позволяет эффективно получить локальные оптимальные результаты, т.к. результат решения в значительной мере определяется принятыми концепциями при разработке исходного варианта топологии ХТС.

Частные задачи синтеза Синтез оптимальных схем теплообмена – ЗС ОСТО, Синтез оптимальных схем разделения смесей – ЗС ОСРС. В общем виде эти задачи формулируются следующим образом: ЗС ОСТО: Дано: количество горячих и холодных потоков, начальные и конечные температуры всех потоков, механические и теплофизические характеристики всех потоков. Определить: схему теплообмена, имеющую минимальные приведенные годовые затраты. ЗС ОСРС: Дано: смесь из N веществ со всеми необходимыми характеристиками. Определить: схему разделения смеси на чистые вещества, имеющую минимальные приведенные годовые затраты. Эти задачи называют задачами синтеза гомогенных систем, т.к. схемы состоят из одинаковых аппаратов. Гетерогенные схемы состоят из различных аппаратов.

Эвристики для ОСТО выбирается пара потоков, для которой количество передаваемого тепла является максимальным; выбирается пара потоков, для которой заданные конечные температуры потоков не достигнуты, а стоимость использования вспомогательных теплоносителей для доведения температуры этих потоков до заданных конечных значений является минимальной; выбирается пара потоков, стоимость нагрева/охлаждения которых вспомогательными тепло-/хладоносителями является максимальной; выбирается пара потоков, для которой стоимость теплообмена является минимальной;

Эвристики для ОСТО Выбираются для теплообмена горячий поток с наиболее высокой температурой на входе и холодный поток с наиболее высокой температурой на выходе. Выбираются для теплообмена горячий и холодный потоки с наиболее высокой температурой на входе. Выбираются те тепловые потоки, для теплообмена между которыми требуется теплообменник с минимальными затратами. Выбираются те холодные и горячие потоки для теплообмена, для которых заведомо известно, что требуются дорогостоящие дополнительные горячие или холодные потоки. Выбираются горячий и холодный потоки случайным образом.

Эвристики для ОСТО (конструкции теплообменников) Используются противоточные теплообменники, везде, где это возможно. Проводится теплообмен до тех пор, пока разность температур не достигнет. Проводится теплообмен до тех пор, пока разность температур не превзошла. Прекращается теплообмен, если достигнута максимально допустимая поверхность теплообмена. Прекращается теплообмен, если передано максимально возможное количество теплоты. Не проводится теплообмен, если передаваемое тепло меньше Пусть при теплообмене переходит максимально возможное количество теплоты, допускаемое Теплообменник должен иметь минимальную стоимость при максимальной ремонтопригодности

Эвристики для ОСРС выбирается вариант с последовательным выделением целевых продуктов в виде легких продуктов элементов подсистемы; выбирается вариант, в котором отношение количеств верхнего и нижнего продуктов в каждом элементе подсистемы наиболее близко к 1; выбирается вариант, в котором разделение компонентов осуществляется в порядке уменьшения различий в значениях относительных летучестей разделяемых ключевых компонентов; ректификационные колонны, требующие наибольших затрат на разделение вследствие близких относительных летучестей ключевых компонентов или высоких требований к чистоте продуктов, должны быть помещены в конце схемы разделения; выбирается вариант, характеризующийся минимальной величиной приведенных затрат на реализацию данного технологического процесса в элементе подсистемы и т.д.

Эвристики для реакторных схем замена одного РИС на каскад РИС без изменения общего времени контакта, позволяет достичь большей степени превращения за счет изменения гидродинамической обстановки и уменьшить конструктивный размер каждого реактора. Замена одного РИВ на каскад РИВ позволяет только сократить конструктивный размер каждого реактора; замена одного РИВ или РИС на ряд параллельно работающих реакторов не снижает общую эффективность, уменьшает конструктивные размеры параллельно работающих реакторов; параллельное подключение дополнительного аппарата позволяет увеличить нагрузку по сырью при сохранении неизменной степени превращения; последовательное соединение применяют, когда необходимо провести химическое превращение в несколько стадий для эндо- или экзотермических реакций (особенно обратимых) протекающих в адиабатических реакторах, т.к. позволяет на каждой стадии поддерживать оптимальную температуру;

Эвристики для реакторных схем последовательное соединение применяют, когда необходимо провести технологический процесс с выделением какого либо компонента после каждой стадии; параллельное соединение применяют, когда необходимо оптимальным образом распределить нагрузку между параллельно работающими линиями, отличающимися по производительности, например, вследствие падения активности катализатора, загрязнения теплообменной поверхности и пр.; параллельное соединение применяют, когда необходимо увеличить надежность производства и обеспечить возможность его работы с минимальной производительностью без снижения эффективности работы оборудования (параллельные линии могут быть отключены по экономическим соображениям или для ремонта); при байпасном соединении вследствие уменьшения потока, идущего через реактор, увеличивается время пребывания в реакторе и увеличивается степень превращения сырья в (в реакторе);

Эвристики для реакторных схем байпас применяется при конструировании реакторов для проведения обратимых экзотермических реакций путем смешения "горячего" потока после реактора с "холодным" байпасом, что позволяет достичь высокой степени превращения и оптимальных температур; рециркуляция применяется когда необходимо увеличить эффективность использования сырья и оборудования за счет увеличения времени пребывания в рециркулируемых аппаратах без изменения размеров оборудования и гидродинамической обстановки; рециркуляция позволяет достичь максимального превращения сырья (особенно для обратимых реакций) и увеличить скорость процесса за счет увеличения концентрации исходных реагентов, которая достигается при выделении целевого продукта на линии рецикла и возвратом исходных реагентов на вход процесса; рециркуляция позволяет уменьшить полноту протекания побочных химических реакций посредством разбавления сырья продуктами реакции, поступающими на вход процесса по линии рецикла.

Пример синтеза ОСТО При синтезе будем использовать следующие эвристики: Выбираем для теплообмена горячий поток с наиболее высокой температурой на входе и холодный поток с наиболее высокой температурой на выходе. Прекращаем теплообмен, начиная с горячего конца теплообменника, если передано максимально возможное количество теплоты.

Графическая формулировка задачи

Синтез ОСТО Используя первую эвристику для первого теплообмена выбираем Г1, Х1 Анализируем оставшиеся потоки.

Синтез ОСТО Для потока Х1 передано необходимое количество тепла. Из оставшихся потоков на основе первой эвристики выбираем Г2, Х2 для второго проводим между потоками Г1ост, Х2ост. Получаем схему теплообмена :

Если бы мы выбрали другие эвристики из списка, то получили бы другую схему теплообмена. Такой произвол – основной недостаток метода. Число вариантов равно (NхNГ)n