6.4. Оптимизация процессов химической технологии. Оптимизация в химии и химической технологии
Оптимизация химических производств - Справочник химика 21
С позиций системного анализа решаются задачи моделирования, оптимизации, управления и оптимального проектирования химико-технологических систем в масштабе химического цеха, завода. Существо системного подхода в данном случае состоит в том, что вся информация, получаемая в лабораториях, на опытных и промышленных установках, последовательно накапливается и обогащается в процессе разработки полной математической модели химико-технологической системы. Построенная математическая модель затем используется для оптимизации химического производства или цеха в целом. [c.10]
В предлагаемой книге впервые сделана попытка систематизировать методы моделирования, анализа и оптимизации химических производств на основе использования топологических моделей и ЦВМ. Однако следует отметить, что в данной книге почти не рассмотрены некоторые методы математического моделирования сложных систем (эволюционные, семантические, эвристические и др.), поскольку они не нашли пока применения в химической технологии. [c.7]
ПРИКЛАДНАЯ ЭКОНОМИКА, ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ и ПРЕДПРИЯТИЙ [c.61]
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]
В процессе решения задач управления и оптимизации химического производства поиск оптимальных вариантов использования оборудования во многих случаях приходится сочетать с целым рядом операций переключения. Эти операции выполняются в соответствии с некоторой оптимальной стратегией переключений, которая формулируется в виде алгоритма управления [c.48]
Алгоритмы стратегии многоуровневой оптимизации химических производств - [c.229]
Сырьевые потоки, поступающие на вход моделируемой системы, состоящей из нескольких ректификационных аппаратов, являются, как правило, продуктами предыдущих процессов. Следовательно, учет затрат на сырье возможен и нужен при оптимизации химического производства в целом, т. е. в тех задачах, где исследуется влияние изменения производительности различных технологических звеньев друг на друга. При решении задачи моделирования и оптимизации химического производства на стадии его проектирования, когда мощность предприятия, а следовательно, и отдельных его звеньев, принимается постоянной и заданной, учет затрат на сырье при поиске экстремума критерия эффективности нецелесообразен. [c.130]
Авторы достигли цели, к которой стремились, и их книга должна облегчить работу тех, кто занимается вопросами управления и оптимизации химических производств. [c.13]
Как было отмечено ранее, по своему характеру и значению, а также по метода.м разрешения исследования в области экономической оптимизации химических производств являются технико-экономическими, т. е. в их основе лежит не только экономическая, но и техническая сторона процесса производства (с тем большим значением технических элементов, чем ниже уровень объекта). Главная задача таких исследований — изучение и моделирование показателей локальной эффективности производства в пределах рассматриваемого уровня системы [13, с. 7]. [c.28]
В производствах ООС и СК применяются самые разнообразные реакторы поэтому необходимо их четко классифицировать. В последние годы в научной литературе предложено много вариантов классификации реакционной аппаратуры. Во многих случаях эти предложения связаны с конкретными задачами, например, моделирования и оптимизации химических производств . [c.69]
Для лзгчшего усвоения материала книга иллюстрирована большим числом практических примеров анализа и оптимизации химических производств и технологических цехов. Для полного понимания содержания настоящей книги от читателя требуется знание материала, изложенного в книгах В. В. Кафарова Методы кибернетики в химии и химической технологии (Изд. 2-е. М., Химия , [c.7]
Наиболее общей постановкой оптимальной задачи является выражение критерия оптимальности в виде экономической оценки (производительность, себестоимость продукции, прибыль, рентабельность). Однако в частных задачах оптимизации, когда объект являится частью технологического процесса, не всегда удается выделить прямой экономический показатель, который бы полностью характеризовал эффективность работы рассматриваемого объекта. В таких случаях критерием оптимальности может служить технологическая характеристика, косвенно оценивающая экономичность работы агрегата (время контакта, выход продукта, степень превращения, температура). Как правило, для конкретных задач оптимизации химических производств критерий оптимальности не может быть записан в виде аналитического выражения. [c.379]
В литературе по моделированию и оптимизации химических производств приводятся примеры экономической оптимизации действующих ХТС. В частности, в монографии, посвященной алгоритмам оптимизации хи-мико-технологических процессов [18] приводится задача по моделированию и оптимизации производства стирола - сырья для получения многих Ьажнейщих продуктов в производстве синтетического каучука и пластических масс. В состав этого производства включены два отделения — дегидрирования и ректификации, связанных между собой потоками печного масла (F4 2) после отделения дегидрирования и возвратного этилбензола (F 7. 1) из отделения ректификации. Следует отметить, что в модели, разработанной авторами, удалось достаточно точно отразить влияние отдельных стадий друг на друга. При моделировании учитьшалось, что с увеличением количества возвратного этилбензола и содержания в нем стирола снижается производительность оборудования, увеличиваются потери по целевому продукту, в то же время с уменьшением его количества за счет интенсификации процесса в реакторе возрастают затраты по сырью. Увеличение количества печного масла [c.14]
В этом смысле проблемы экономической оптимизации химических производств становятся весьма актуальными. По своему характеру и значению, а также методам разрешения они являются не чисто техническими или экономическими, а технико-экокомиче-скими. [c.19]
О масштабе этих затрат свидетельствуют следующие данные. В 1962 г. около 60% западногерманских промышленных предприятий израсходовали на научные исследования 2,1 млрд. марок, в том числе только три фирмы И. Г. Фарбен —370 млн. марок, или 18% от указанной суммы. Из 10 тыс. химиков, работавших в химической промышленности (около 60% всех химиков ФРГ), не менее половины занималось научными исследованиями. Помимо химиков в этой отрасли имеется много физиков и математиков, которые исследуют проблемы по оптимизации химических производств. [c.37]
chem21.info
Оптимизация и химической технологии - Справочник химика 21
Предлагаемая читателю монография представляет восьмую книгу в единой серии работ авторов под общим названием Системный анализ процессов химической технологии , выпускаемых издательством Наука с 1976 г. Семь предыдущих монографий 1. Основы стратегии, 1976 г. 2. Топологический принцип формализации, 1979 г. 3. Статистические методы идентификации объектов химической технологии, 1982 г. 4. Процессы массовой кристаллизации из растворов и газовой фазы, 1983 г. 5. Процессы измельчения и смешения сыпучих материалов, 1985 г. 6. Применение метода нечетких множеств, 1986 г. 7. Энтропийный и вариационный методы неравновесной термодинамики в задачах анализа химических и биохимических систем, 1987 г.) посвящены отдельным вопросам теории системного анализа химико-технологических процессов и его практического применения для решения конкретных задач моделирования, расчета, проектирования и оптимизации технологических процессов, протекающих в гетерогенных средах в условиях сложной неоднородной гидродинамической обстановки. [c.3] 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]В книге с использованием математической статистики рассмотрены методы оптимизации экспериментальных исследований в химии и химической технологии. Последовательно излагаются способы определения параметров законов распрсдело-Е1ИЯ, проверка статистических гипотез, методы дисперсионного, корреляционного и регрессионного анализов и планирования экстремального эксперимента также рассмотрены вопросы выбора оптимальной стратегии эксперимента при исследовании свойств многокомпонентных систсм. Статистические методы анализа и планирования эксперимента иллюстрируются примерами конкретных исследований в химии и химической технологии. [c.2]
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]
Все процессы химической технологии можно разделить иа шесть основных групп механические, гидродинамические, тепловые, диффузионные, или массообмен-пые, химические, управления и оптимизации ]1р()м )-водств. [c.87]
Термодинамический метод синтеза теплообменных систем [16]. Анализ процессов химической технологии на основе первого закона термодинамики находит широкое практическое применение. Наряду с этим все большее распространение получают методы анализа на основе второго начала термодинамики, в частности (используемые исходя из концепции эксергии как меры превратп-мости энергии), при оптимизации и проектировании технологических производств (см. гл. 7). Привлекательность этих методов заключается в том, что имеется возмо кность оценить в общем случае минимально возмо кные потери энергии за счет необратимости процесса и тем самым определить реальные перспективы совершенствования процесса. Развитие этих термодинамических методов идет по пути получения количественной информации о совершенстве протекания отдельных явлений. Что касается качественных выводов, то они хорошо известны. Например, потери превратимой энергии отсутствуют при смешении потоков, находящихся в термодинамическом равновесии, или потери энергии в противоточном теплообменнике выше, чем в прямоточном, равно как с увеличением поверхности теплообмзна потери за счет необратимости нроцесса снижаются. [c.466]
Основными данными при решении задач технологического проектирования и оптимизации являются физико-химические и теплофизические данные. Они обычно представляются в трех формах — в виде таблиц, диаграмм и уравнений. Наиболее распространенным способом все-таки является аналитическое представление, допускающее непосредственный расчет соответствующих параметров при заданных входных условиях. В химической технологии, особенно для целей проектирования, к наиболее распространенным данным обычно относятся давление пара, теплота испарения, удельная теплоемкость, плотность, теплопроводность, вязкость, теплота реакций, данные по пожаробезопасности, поверхностное натяжение, фазовое равновесие (жидкость—пар, жидкость—жидкость, жидкость—жидкость—пар, жидкость—твердое вещество, твердое вещество—пар, растворимость), кинетика реакций химического превращения, полимеризации, растворимости и т. д. [c.177]
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]
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КАК ОСНОВА ОПТИМИЗАЦИИ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ [c.40]
А95 Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии Учеб. пособие для химико-технологических вузов.— М. Высш. школа, 1978.— 319 с., ил. [c.2]
В современной технической литературе часто встречается термин оптимизация . По существу он уже знаком нам. В гл. 2 это понятие было выражено следующим образом человек или общества стремятся к удовлетворению своих потребностей с наименьшими затратами труда. Наука о процессах и аппаратах химической технологии, вычислительная техника, техника управления в наши дни достигли такого высокого уровня, что способы совершенствования технологических процессов, основанные только на производственном опыте, можно развить в сознательные, охватывающие все моменты инженерной деятельности методы оптимизации. [c.315]
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]
Алгоритмизация этого этана состоит в разработке математических моделей типовых процессов химической технологии. Необходимо не только качественное, но и количественное описание явлений, определяющих процесс. К настоящему времени известно большое количество алгоритмов расчета типовых процессов, отличающихся степейью детализации отдельных составляющих модели, но, по сути, предназначенных для решения систем уравнений материального и теплового балансов, нельнейность которых зависит от точности описания равновесия, химической кинетики, кинетики тепло- и массопереноса, гидродинамики потоков. Объем входной информации зависит от точности модели, однако выходная информация подавляющего большинства алгоритмов практически одинакова профили концентраций, потоков и температур по длине (высоте) аппарата, составы конечных продуктов. Правда, соответствие результатов расчета реальным данным будет определяться тем, насколько точно в модели воспроизведены реальные условия. И все же, несмотря на обилие алгоритмов, нельзя сказать, что проблема разработки моделей (и соответственно расчета) решена — по мере углубления знаний об объекте модели непрерывно совершенствуются. Тем более что до сих пор в определенном классе процессов отсутствуют алгоритмы, обеспечивающие получение решения в любой постановке задачи и обладающие абсолютной сходимостью. Надо учесть еще, что задача в проектной постановке часто решается как задача оптимизации с использованием алгоритмов в проверочной постановке. [c.120]
Единый подход к решению широкого класса задач па разыскание экстремума функции большого конечного числа переменных дает теория динамического программирования Веллмана [7]. Сущность этой теории покажем на примере типичной задачи оптимизации, возникающей в химической технологии. Требуется найти оптимальный режим для последовательности N реакторов (или Л -стадийного аппарата), причем на каждой стадии варьируется М независимых переменных. Пронумеруем реакторы в обратном порядке, так что первый номер присваивается последнему, а N-й — первому по ходу потока реактору. Состояние потока на выходе п-го реактора обозначим индексом 71 в соответствии с этим исходное состояние потока обозначается индексом -/V 1 (рис. 1Х.З). Состояние реагирующего потока в общем случае описывается некоторым вектором X. Вектор X часто совпадает с вектором состава С в более сложных случаях, однако, компонентами вектора X могут быть, помимо концентраций ключевых веществ, также и температура потока, давление и пр. [c.381]
Указанные направления научно-технического прогресса в промышленности поставили перед химической технологией объективную необходимость разработки методов решения следующих принципиально новых научных проблем разработка высокоэффективных технологических схем для выпуска требуемой продукции с оптимальной материалоемкостью оптимизация качества функционирования действующих производств с использованием обобщенных технико-экономических критериев эффективности (КЭ) передача функций управления собственно производству при разработке специальной структуры технологических потоков между оборудованием. [c.13]
В химической технологии более 50% исходных данных на проектирование и оптимизацию процессов составляют физико-химические и теплофизические свойства веществ [35]. Причем точность их имеет решающее значение для определения параметров процесса. Другим видом информации, необходимой для работы САПР, являются данные о технологическом оборудовании. Данные по оборудованию необходимы для работы подсистемы конструкционного расчета, а стоимостные характеристики — для оценки эффективности реализации процесса. По существу, это [c.112]
Обеспечение и оптимизация надежности химических, нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств — одно из основных научно-технических направлений радикального повышения их безопасности и существенного роста экономической эффективности, создания благоприятных условий для охраны окружающей среды. Возникновение, формирование и развитие нового научного направления в области теоретических основ химической технологии — теории надежности химических производств — обусловили создание объективных предпосылок для успешной разработки научно обоснованных рещений по обеспечению оптимального уровня надежности оборудования и технологических схем. [c.6]
В СССР в 1974—1977 гг. на основе фундаментальных концепций системного анализа в химической технологии были выполнены исследования по методологии системного подхода к анализу и оптимизации надежности, по топологическим методам расчета и оптимизации показателей надежности химических производств. [c.6]
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 массонередача является основным фактором, определяющим их назначение. Примерами таких процессов служат ректификация, экстракция, абсорбция, десорбции и т. д., где лшссообмеи ироисходит между различными фазами, в результате чего достигается обогащение одной фазы одним или несколькими компонентами. В настоящее время ироцессы массоиередачи интенсивно исследуют методами математического моделирования что позволяет использовать методы оптимизации для оптимальной организации этих процессов. [c.66]
Развитие и внедрение системного анализа как современного подхода к решению задач химической технологии, большое число математических моделей и совершенствование средств вычислительной техники обусловили становление качественно нового направления в использовании вычислительных средств и метода математического моделирования. Это направление заключается в создании прикладных операционных систем (систем моделирования и оптимизации, систем управления, САПР и т. д.) как совокупности взаимодействующих элементов, объединенных единством цели или общими целенаправленными правилами взаимоотношений [35]. [c.147]
В последних работах по оптимизации рассматривается возможность улучшения рабочих параметров не только реактора, но и работающей в комплексе с ним аппаратуры. Метод решения этой проблемы с использованием понятия достижимых и недостижимых областей переменных параметров реактора изложен в докладе Хорна на Третьем Европейском конгрессе по процессам химической технологии (1964). На этом же симпозиуме Кюхлер и Ланг-бейн привели несколько интересных практических примеров оптимизации (хлорирование метана, полимеризация этилена, сульфирование нафталина), а Боресков и Слинько сообщили об удачном приложении принципа Понтрягина. [c.153]
В настоящее время принцип максимума нашел широкое п )пмеие-ппс в практике решения оптимальных задач оптимизации, отиося-ишхся области химической технологии . [c.320]
Авторы надеются, что книга будет полезна псследователям, работающим в области теоретических основ химической, нефтехимической и биохимической технологии, кибернетики и системного анализа химических и биохимических процессов, научным и инженерно-техническим работникам, занимающимся разработкой процессов п аппаратов химической технологии п работающим над проблемами оптимизации, управления и оптимального проектирования процессов химической, нефтехимической, микробиологической промышленности, а также аспирантам и студентам старших курсов. [c.4]
В химической технологии эксперименты могут проводиться на нескольких уровнях, а именно а) лабораторные исследования, целью которых является определение физико-химических характеристик процесса (явления), свойств веществ и соединений, отработка теоретических предположений б) исследования на опытных установках с целью выбора типов аппаратов, разработка технологического регламента, изучения диналшки объекта (выбора каналов управления) в) исследования на промышленных установках с целью оптимизации технологических и конструкционных параметров объекта, совершенствования технологии и оборудования г) исследования на математических моделях с целью выбора оптимальных условий эксплуатации, процесса, отработки алгоритмов управления, выбора связей между отдельными частями системы и т. д. [c.56]
Результаты эксперимента в химии и химической технологии были и остаются главным критерием при решении практических задач и при проверке теоретических гипотез. Изучение сложных технологических процессов сопряжено с трудоемким и длительным экспериментом. Для увеличения эффективности научных исследований, сокращения сроков разработки новых технологических процессов несбходима оптимизация экспериментальных исследований на всех стадиях разработки, исследования, внедрения и эксплуатации хи-ми ю-технологических процессов. [c.5]
Основным путем повышения эффективности использования математического обеспечения для решения задач химической технологии является разработка и применение программно-машинных комплексов широкого доступа в области оптимизации, ироектирования и управления. Применение таких систем повышает интеллектуальную вооруженность исследователя, позволяя в более короткие промежутки времени и на более высоком научном уровне принимать продуманные решения при анализе и, особенно, проектировании объектов химической технологии. [c.4]
chem21.info
Предисловие - Справочник химика 21
из "Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии"
Валшейшей задачей современной науки является максимальное сокращение сроков перехода от лабораторных исследований в промышленность, сокращение пути перехода от лабораторного стола к промышленной реализации. Методы кибернетики позволяют не только сократить этот путь, но и резко уменьшить число необходимых опытов, быстро выявить оптимальный вариант осуществления изучаемого процесса. Использование методов кибернетики и вычислительной техники изменяет, старые традиционные методы проведения эксперимента — от ручного управления, контроля, сбора и обработки информации дает возможность перейти к диалоговой системе экспериментатор — электронная управляющая машина. Эксперимент проводит машина, в которую предварительно заложена программа оптимизации эксперимента. Эта система в десятки раз ускоряет проведение эксперимента, повышает надежность получаемых данных. [c.3] Система автоматизированного эксперимента включает в себя следующие элементы экспериментальное оборудование, измерительное оборудование методики планирования, проведения эксперимента и обработки данных эксперимента средства отображения результатов и воздействия на экспериментальное оборудование. Таким образом идеология автоматизированной системы эксперимента состоит в планировании эксперимеата и обработке данных. В системе автоматизированного эксперимента экспериментатор выполняет следующие функции 1) введение исходной информации для проведения эксперимента 2) введение директивных априорных указаний для выполнения этапов экспериментирования 3) внесение изменений в ходе процесса экспериментирования 4) контроль правильности хода процесса 5) контроль достоверности получаемой количественной информации. [c.3] Оптимальное планирование эксперимента предполагает одновременное изменение всех параметров, влияющих на процесс, что позволяет сразу установить степень взаимодействия параметров и значительно сократить общее число опытов. Такой метод постановки опытоц известен как метод многофакторного планирования эксперимента. [c.4] Задача настоящего учебного пособия— на большом числе примеров научить студентов методикам обработки экспериментальных данных и планированию экспериментов для получения математических моделей изучаемых процессов и их оптимизации, без усвоения которых невозможно построение систем автоматизирован-, ного эксперимента. [c.4] Современным методом расчета и анализа процессов химической технологии является метод математического моделирования. Составная часть метода математического моделирования — установление адекватности математической модели изучаемому объекту. Адекватность может быть установлена с использованием статистико-вероятностных методов, позволяющих определить значения коэффициентов математической модели или действительного времени пребывания частиц потока, переносящих вещество или энергию. Поэтому применение таких приемов, как использование метода моментов, стало мощным средством математической оценки соответствия модели и объекта. [c.4] Описываемые в настоящем учебном пособии экспериментальностатистические методы позволяют получать математические модели таких процессов, строгое детерминированное описание которых вообще отсутствует. Основы математической статистики излагаются в книге применительно к задачам обработки экспериментов и,. моделирования химико-технологических процессов. Применяемый математический аппарат не выходит за рамки курса высшей математики втузов. [c.4] Основой книги послужил курс лекций, который читается с 1966 г. в Московском химико-технологическом- институте им. Д. И. Менделеева студентам специальности Кибернетика химико-технологических процессов . [c.4] Авторы выражают глубокую признательность рецензентам — коллективам кафедр процессов и аппаратов ЛХТИ им. Ленсовета (зав. кафедрой чл.-корр. П. Г. Романков) и химической кибернетики Казанского химико-технологического института им С. М. Кирова (зав. кафедрой доц. Ш. Г. Еникеев). [c.4] Результаты эксперимента в химии и химической технологии были и остаются главным критерием при решении практических задач и при проверке теоретических гипотез. Изучение сложных технологических процессов сопряжено с трудоемким и длительным экспериментом. Для увеличения эффективности научных исследований, сокращения сроков разработки новых технологических процессов необходима оптимизация экспериментальных исследований на всех стадиях разработки, исследования, внедрения и эксплуатации химико-технологических процессов. [c.5] В настоящее время мощным средством повышения эффективности научных исследований при решении задач расчета, анализа, -оптимизации и прогнозирования химико-технологических процессов стал метод математического моделирования [1]. При наличии полной информации о механизме процесса (термодинамике, кинетике, гидродинамике) составляют детерминированную математическую модель, представляющую собой систему дифференциальных уравнений обыкновенных или в частных производных. Для определения неизвестных констант, входящих в систему дифференциальных уравнений и проверки адекватности математической модели процесса, проводится эксперимент. [c.5] В качестве выходных величин рассматривают любой технологический или экономический показатель процесса. Используя при обработке опытных данных принципы регрессионного и корреляционного анализа, удается найти зависимость между переменными и определить условия оптимума. [c.6] Принято называть независимые переменные Х, Хг,. .., Хк факторами, координатное пространство с координатами х, хг,. .., — факторным пространством, а геометрическое изображение функции отклика в факторном пространстве — поверхностью отклика. [c.6] Любые контролируемые параметры технологических процессов (температура, давление, расход реагентов и др.) изменяются во времени случайным образом и, следовательно, являются случайными процессами. За время наблюдения случайный процесс принимает тот или иной конкретный вид, заранее неизвестный, называемый реализацией случайного процесса. Случайный процесс можно рассматривать как систему, состоящую из бесконечного множества случайных величин. Фиксируя значения случайного процесса через определенные интервалы времени, получаем систему случайных величин. Интервалы времени должны быть достаточно велики, чтобы значения случайных величин были получены из независимых опытов. [c.7] Различают стационарные (рис. 2) и нестационарные (рис. 3). случайные процессы. Стационарные случайные Ьроцессы протекают во времени приблизительно однородно и имеют вид случайных колебаний вокруг некоторого среднего значения, причем ни средняя амплитуда, ни характер этих колебаний не обнаруживают существенных изменений с течением времени. Исследуя стационарный процесс на любом участке времени, получают одни и те же характеристики. Нестационарные случайные процессы имеют определенную тенденцию развития во времени, характеристики такого процесса зависят от начала отсчета. Если изменение технологических параметров объекта ндсит характер нестационарного случайного процесса, принципиально невозможно получить модель процесса в виде алгебраического уравнения (3) с постоянными коэффициентами. Это встречается, например, при моделировании процесса в каталитическом реакторе, если характеристики катализатора резко меняются за период его эксплуатации. [c.7] Планирование эксперимента предложено английским ученым Р. Фишером в 30-х годах, однако современные методы широко применяемого экстремального планирования эксперимента связаны с работой американских ученых Бокса и Уилсона [8]. Несмотря на недостатки пассивного эксперимента и классического регрессионного анализа [2], этот метод широко применяется в производственных условиях, поскольку при этом информацию о свойствах объекта получают без нарушений технологического режима. В настоящее время методы планирования эксперимента, широко применяемые для изучения процессов в лабораторных и полузаводских условиях [9, 10, 11], в промышленных условиях применяются редко [12]. Однако развитие методов планирования эксперимента применительно к промышленным условиям и технический прогресс производства несомненно создадут предпосылки оптимизации эксперимента на всех стадиях изучения процесса. [c.8]Вернуться к основной статье
chem21.info
6.4. Оптимизация процессов химической технологии
Оптимизация предполагает достижения наилучших или определение наибо-
лее благоприятных условий проведения химического процесса. При оптимизации химико-технологических систем (ХТС) качество функционирования систем опре-
деляют с помощью критериев, или показателей эффективности, под которыми понимают числовые характеристики системы, оценивающие степень её приспособления к выполнению поставленных перед ней задач.
Основные показатели эффективности ХТС следующие:
- технологические показатели;
- качественные показатели выпускаемой продукции;
- экономические показатели.
Показателями эффективности отдельных аппаратов, узлов, отделений чаше всего являются технологические критерии - удельная производительность, выход целевого продукта, КПД и т.д.
Технологическими критериями эффективности являются степень конверсии, селективность (доля превращенного исходного реагента, израсходованная на обра-
зование данного продукта), выход продукта.
Различают две стадии оптимизации: статическую и динамическую. В зависимости от характера рассматриваемых математических моделей применяются различные математические методы оптимизации: аналитические, методы математического программирования, градиентные и статистические.
Пример 6.1. Параметр оптимизации - степень конверсии. В реакторе смешения протекает гетерогенно-каталитическая реакция гидрирования
А+ Н2 → В,
которая подчиняется кинетическому уравнению
Объем реактора Vр=10м3; давление P0 = 7МПа ; температура T=250оС. Суммарная скорость подачи реагентов 10 кмоль/с, коэффициенты bА= 10 МПа-1 и
bH = 10 МПа-1. Константа скорости реакции k =30кмоль/(м3 с МПа2).
Найти соотношение исходных реагентов, при которых степень конверсии вещества А (ХA) будет максимальной.
Решение: Для того чтобы выразить парциальные давления веществ через сте-
пень конверсии соединения А, составим парциальный мольный баланс:
=XA, где
Тогда
Здесь FB, FА, FH, FАо - производительность по целевому продукту В и по исходным веществам А и Н соответственно.
Парциальные давления реагирующих веществ составляют:
Характеристическое уравнение реактора идеального смешения имеет вид
Поэтому
Ввиду сложности аналитического решения полученного уравнения поиск β, соответствующего максимальной степени конверсии, проводят путем оптимизации функции вида
методом золотого сечения в диапазоне β от 1 до 3.
Ниже представлены численные значения XА при заданных β.
| β | 1,00 | 1,20 | 1,40 | 1,60 | 1,80 | 2,00 |
| ХА | 0,946 | 0,900 | 0,969 | 0,963 | 0,968 | 0,962 |
Максимальная степень конверсии ХА = 0,969 достигнута при избытке β= 1,40
Глава 7 уравнения материального баланса технологического процесса
7.1. Стехиометрические расчеты
Все количественные соотношения при расчете химических процессов основаны на стехиометрии реакций. Количество вещества при таких расчетах удобнее выражать в молях, или производных единицах (кмоль, ммоль, и т.д.). Моль является одной из основных единиц СИ. Один моль любого вещества соответствует его количеству, численно равному молекулярной массе. Поэтому молекулярную массу в этом случае следует считать величиной размерной с единицами: г/моль, кг/кмоль, кг/моль. Так, например, молекулярная масса азота 28 г/моль, 28 кг/кмоль, но 0,028 кг/моль.
Массовые и мольные количества вещества связаны известными соотношениями
NА = mА/МА; mА = NА МА,
где NА - количество компонента А, моль; mA - масса этого компонента, кг;
МА - молекулярная масса компонента А, кг/моль.
При непрерывных процессах поток вещества А можно выражать его моль-
ным количеством в единицу времени
WA = NA/τ,
где WA — мольный поток компонента А, моль/с; τ — время, с.
Для простой реакции, протекающей практически необратимо, обычно стехиомет
рическое уравнение записывается в виде
vAА + vBВ = vRR + vSS.
Однако удобнее записывать стехиометрическое уравнение в виде алгебраическо
го, принимая при этом, что стехиометрические коэффициенты реагентов отрицательны, а продуктов реакции положительны:
Тогда для каждой простой реакции можно записать следующие равенства:
Индекс «0» относится к начальному количеству компонента.
Эти равенства дают основание получить следующие уравнения материального баланса по компоненту для простой реакции:
Пример 7.1. Реакция гидрирования фенола до циклогексанола протекает по урав-
нению
С6Н5ОН + ЗН2 = С6Н11ОН, или А + ЗВ = R.
Вычислить количество образовавшегося продукта, если начальное количество компонента А было 235 кг, а конечное - 18,8 кг
Решение: Запишем реакцию в виде
R - А - ЗВ = 0.
Молекулярные массы компонентов: МА = 94 кг/кмоль, МВ = 2 кг/кмоль и
МR = 100 кг/кмоль. Тогда мольные количества фенола в начале и в конце реакции будут:
NA0 = 235/94 = 2,5; NA0 = 18,8/94 =0,2; n = (0,2 - 2,5)/(-1) = 2,3.
Количество образовавшегося циклогексанола будет равно
NR = 0 +1∙2,3 = 2,3 кмоль или mR = 100∙2,3 = 230 кг.
Определение стехиометрически независимых реакций в их системе при материальных и тепловых расчётах реакционных аппаратов необходимо для исключения реакций, являющихся суммой или разностью некоторых из них. Такую оценку наиболее просто можно осуществить по критерию Грама.
Чтобы не проводить излишних расчетов, следует оценить, является ли система стехиометрически зависимой. Для этих целей необходимо:
- транспонировать исходную матрицу системы реакций;
- умножить исходную матрицу на транспонированную;
- вычислить определитель полученной квадратной матрицы.
Если этот определитель равен нулю, то система реакций стехиометрически зависима.
Пример 7.2. Имеем систему реакций:
FеО + Н2 = Fе + Н2O;
Fе2О3+ 3Н2 = 2Fе + 3Н2O;
FеО + Fе2O3 + 4Н2 = 3Fе + 4Н2O.
Эта система стехиометрически зависима, так как третья реакция является суммой двух других. Составим матрицу
| FеО | Fе2O3 | h3 | Fе | h3O |
| -1 | 0 | -1 | 1 | 1 |
| 0 | -1 | -3 | 2 | 3 |
| -1 | -1 | -4 | 3 | 4 |
Определитель равен нулю. При отбрасывании третьей реакции определитель равен 28, т.е. две первых реакции стехиометрически независимы.
Для удаления стехиометрически зависимых реакций в системе необходимо составить матрицу системы. Допустим для системы реакций:
4NН3 + 5О2 = 4NО + 6Н2O; 4Nh4+ 3О2 = 6Н2O + 2N2;
4NН3 + 6Н2O = 5N2+ 6Н2O;
O2 + 2NO = 2NO2; 2NO = O2 + N2; 2O2 + N2 = 2NO2,
можно составить матрицу:
| Nh4 | O2 | NO | Н2O | N2 | NO2 |
| -4 | -5 | 4 | 6 | 0 | 0 |
| -4 | -3 | 0 | 6 | 2 | 0 |
| -4 | 0 | -6 | 6 | 5 | 0 |
| 0 | -1 | -2 | 0 | 0 | 2 |
| 0 | 1 | -2 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | -2 | 0 | 0 | -1 | 2 |
По сути, к данной матрице следует применить преобразование Гаусса. Заменим вторую и третью строку их разностями с первой и умножим на 2, разделим на 5 третью строку, которую вычтем из второй. Затем умножим четвертую и пятую строку на 2 и вычтем их из второй:
| -4 -5 | 4 | 6 | 0 | 0 | -4 | -5 | 4 | 6 | 0 | 0 | |
| 0 -2 | 4 | 0 | -2 | 0 | 0 | -2 | 4 | 0 | -2 | 0 | |
| 0 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| 0 -1 | -2 | 0 | 0 | 2 | 0 | 0 | 8 | 0 | -2 | -4 | |
| 0 1 | -2 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | -2 | 0 | 1 | 0 | |
| 0 -2 | 0 | 0 | -1 | 2 | 0 | -2 | 0 | 0 | -1 | 2 |
Умножим пятую строку на - 2 и вычтем ее из второй, а также вычтем из второй строки шестую. Умножив затем шестую строку на 2 и вычитая ее из четвертой, получим окончательно
| 4 | -5 | 4 | 6 | 0 | 0 |
| 0 | -2 | 4 | 0 | -2 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 8 | 0 | -2 | -4 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Отсюда видно, что третья, пятая и шестая реакции являются стехиометрически зависимыми. Окончательно система примет вид, если для простоты расчетов подставить вместо полученной четвертой реакции ее разность со второй
4Nh4 + 5O2 = 4NO + 6Н2O; 2NO = N2 + O2; 2NО + О2 = 2NO2
Одновременно с числом стехиометрически независимых реакций определяется равное ему число ключевых веществ, по которым можно составить материальный баланс реакций. В простой реакции основное вещество одно. В сложных реакциях выбор независимых реакций и основных веществ взаимосвязан и определяется тем, чтобы в каждой независимой реакции участвовало хотя бы одно основное вещество и, кроме того, выбранные основные вещества участвовали бы в одной или в некотором минимуме реакций. Так, в предыдущем примере в качестве основных можно выбрать аммиак, азот и диоксид азота.
Для каждой из независимых реакций можно записать:
Здесь i - индекс, соответствующий веществу, j - индекс, соответствующий номеру реакции.
studfiles.net
Оптимизация процессов химической технологии - Справочник химика 21
Начиная с 1965 г., многие разделы книги читаются авторами в лекционных курсах Математическое моделирование процессов химической технологии для студентов технологических специальностей, Математическое моделирование и оптимизация процессов химической технологии для студентов, специализирующихся в химической кибернетике в Казанском химико-технологическом институте им. С. М. Кирова, в курсе Автоматизация химических производств , в Московском и Тамбовском институтах химического машиностроения для студентов, специализирующихся в автоматизации химических производств. Учитывая ограниченный объем книги, авторы сознательно не прибегали к детальному изложению всех полученных результатов. Так, не рассматриваются вопросы идентификации математических моделей [60, 72], алгоритмы обработки результатов промышленных экспериментов [53, 72], связь оптимального проектирования (с учетом динамических свойств объектов) и задач управления [73], вопросы динамической оптимизации [68]. [c.8] Одним из мощных, но, к сожалению, до сих пор скрытых и мало использованных резервов значительного повышения эффективности методов математического моделирования, управления и оптимизации процессов химической технологии является научно обоснованное использование и формализация априорной качественной информации об особенностях функционирования сложных систем. Перспективный способ формализации качественной информации представляет подход нечетких множеств, предложенный Л. Заде. [c.3]МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КАК ОСНОВА ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ [c.41]
Выше уже отмечалось, что метод динамического программирования находит весьма широкое применение при решении задач оптимизации процессов химической технологии. Значительное число примеров соответствующих оптимальных задач, сформулированных в терминах указанного метода, можно найти в литературе [2, 3]. В подавляющем большинстве практических задач конечное решение получают только в численной форме. Однако в очень простых случаях оно может быть найдено в аналитическом виде, что видно из приведенных ниже примеров, которые наглядно позволяют проследить основные моменты использования метода динамического программирования при решении задач оптимизации. [c.287]
Показано, что использование векторного подхода в задачах оптимизации процессов химической технологии является актуальным, так как подобные задачи возникают во многих сферах управления и планирования производством. [c.144]
Метод математического моделирования позволяет исследовать процессы в широком диапазоне изменение влияющих на них параметров и определять оптимальные условия их проведения. Благодаря большой познавательной силе этого метода математическое моделирование и оптимизация процессов химической технологии выделились в самостоятельные научные дисциплины. Важными достоинствами метода математического моделирования являются возможность изучения сложных процессов без создания дорогостоящих и трудоемких в обслуживании опытных установок и возможность исследования режимов, которые нельзя или трудно реализовать, исходя из требований техники безопасности, а также по экономическим или по конъюнктурным соображениям. [c.68]
Со времени выхода в свет первого издания этой книги прошло свыше двух десятилетий. За этот период наука о процессах и аппаратах химической технологии получила значительное развитие. Особенно ярким событием в науке явилось применение метода математического моделирования к анализу и оптимизации процессов химической технологии ири помощи ЭВМ. Этот метод, как известно, позволил значительно развить теорию химических реакторов и обеспечить быстрейший переход от лабораторных исследований к промышленному производству. Использование методов математического и физического моделирования (теории подобия) служит хорошей основой для дальнейшего обобщения экспериментальных данных, особенно в области кинетики основных процессов химической технологии и моделирования химической аппаратуры. [c.7]
Со времени выхода в свет первого издания книги прошло свыше трех десятилетий. За этот период наука о процессах и аппаратах химической технологии получила значительное развитие. Особенно плодотворным оказалось применение системного анализа, а также методов математического моделирования к исследованию и оптимизации процессов химической технологии с помощью ЭВМ. На этой основе существенно расширились пределы применения теории реакторов и ускорился переход от лабораторных исследований к промышленному производству. [c.5]
Книга является пособием по курсу Моделирование химико-технологических процессов . Она состоит из трех частей. Первая часть книги знакомит с основными понятиями и определениями, а также со способами моделирования. Вторая часть посвящена кинетике и макрокинетике процессов, рассмотрению влияния на нее тепловых и диффузионных факторов и гидродинамике потоков в аппаратах. В третьей части изложены принципы построения различных моделей и вопросы оптимизации процессов химической технологии. [c.319]
Книга представляет большой интерес для научных работников и инженеров, занимающихся вопросами оптимизации процессов химической технологии и оптимального управления, а также для специалистов по автоматике и вычислительной. технике и экономистов. Она может быть также использована как учебное пособие для студентов и аспирантов химических и химико-технологических специальностей высших учебных заведений. [c.4]
До недавнего времени анализ работы химических реакторов не выходил за пределы алгебраических расчетов материальных и тепловых потоков, проводимых без учета макрокинетики химических процессов, а временные характеристики, необходимые для управления процессом, совсем не учитывались. Вопросы оптимизации процессов химической технологии практически не рассматривались. Основным методом расчета таких процессов был метод теории подобия, сводившей дифференциальные уравнения процесса к соответствующему набору безразмерных комплексов физических величин (критериев подобия), нахождение связи между которыми и составляло основную задачу получения расчетных формул. Этот прием, оправдавший себя для детерминированных однозначно протекающих физических процессов в однофазных системах со строго фиксированными границами, позволил получить расчетные уравнения для ряда инженерных задач гидродинамики, теплообмена и в меньшей степени для массообмена, но оказался недостаточным для двухфазных систем и процессов, осложненных химическими реакциями. В последнем случае из-за несовместимости критериев [c.5]
В книге Робертса рассматриваются вопросы оптимизации как детерминированных, так и стохастических моделей многостадийных процессов химической технологии методом динамического программирования. Использование этого метода особенно целесообразно при оптимизации процессов химической технологии, осуществляемых через последовательность этапов превращений, таких, как ректификация, абсорбция, экстракция, а также химических процессов, проводимых в цепочке реакторов, в многослойных контактных аппаратах и т. п. Этот метод позволяет определить оптимальную стратегию проведения процессов и, следовательно, может служить основой составления оптимального алгоритма управления процессом. [c.7]
Однако несмотря на отмеченные недостатки, книга Робертса пока остается наиболее доступной для широкого круга специалистов, имеющих дело с вопросами оптимизации процессов химической технологии. Довольно простая форма изложения математических аспектов метода динамического программирования, четкое определение возможностей и границ применимости метода, наглядность и законченность решения приводимых задач делают ее настольным пособием при решении многих вопросов химической технологии и автоматизации химических процессов. [c.9]
Книга рассчитана на научных и инженерно-технических работников, проектировщиков и исследователей, занимающихся математическим моделированием и оптимизацией процессов химической технологии. Она будет полезна также преподавателям, аспирантам и студентам вузов. [c.4]
Появление и развитие вычислительной техники сделало актуальной разработку количественных методов применительно к различным областям знаний. Не является исключением и химическая технология. Математическому моделированию и оптимизации процессов химической технологии посвящено в по следние годы значительное число работ [2, 5, 16, 34] и др. [c.3]
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ [c.160]
Книга служит учебным пособием по курсу сМоделирование химико-технологических процессов . Знакомит с важнейшими понятиями метода моделирования, в первую очередь, математического моделирования. Изложены основы математического описания и оптимизации, процессов химической технологии. [c.4]
chem21.info
Оптимизация химического - Справочник химика 21
С позиций системного анализа решаются задачи моделирования, оптимизации, управления и оптимального проектирования химико-технологических систем в масштабе химического цеха, завода. Существо системного подхода в данном случае состоит в том, что вся информация, получаемая в лабораториях, на опытных и промышленных установках, последовательно накапливается и обогащается в процессе разработки полной математической модели химико-технологической системы. Построенная математическая модель затем используется для оптимизации химического производства или цеха в целом. [c.10] МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КАК ОСНОВА ОПТИМИЗАЦИИ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ [c.40]Термоэкономическая оптимизация химических производств [c.413]
В последние годы в Советском Союзе издан ряд книг по вопросам математического моделирования, расчета и оптимизации химических реакторов. Тем не менее, перевод и издание монографии Р. Ариса, крупного американского специалиста в этой области, представляется весьма целесообразным. Предлагаемая читателю книга отличается от других книг этого направления тем, что в ней с максимальной последовательностью проводится строгий математический подход в постановке и решении рассматриваемых задач. Некоторое абстрагирование от излишних физических и химических деталей предмета и четкая формализация проблемы представляются особенно необходимыми сейчас, в период становления научных основ проектирования и эксплуатации химических реакторов и отхода в этой области техники от чисто эмпирических методов. Вероятно, наибольшую ценность такой подход имеет при обучении студентов и аспирантов, для которых автор и предназначает свою книгу. [c.5]
Расчет и оптимизация химических реакторов [c.179]
Кинетические описания, позволяющие решать любые задачи оптимизации химических процессов, являются более универсальными, чем статистические, однако они значительно сложное. [c.54]
В предлагаемой книге впервые сделана попытка систематизировать методы моделирования, анализа и оптимизации химических производств на основе использования топологических моделей и ЦВМ. Однако следует отметить, что в данной книге почти не рассмотрены некоторые методы математического моделирования сложных систем (эволюционные, семантические, эвристические и др.), поскольку они не нашли пока применения в химической технологии. [c.7]
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]
Из большого числа работ по оптимизации химических реакторов лишь немногие посвящены анализу функционирования реакторов с рециклом. [c.301]
В книге собраны и подробно изложены основные сведения, необходимые для оптимального проектирования химических реакторов и управления ими. В ней приведены основы расчетов и оптимизации химических реакторов рассмотрен вопрос о распределении времени контактирования и перемешивании в непрерывных проточных реакторах, описаны химические реакции в гетерогенных системах. [c.4]
ОПТИМИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ [c.197]
К вопросу глобальной оптимизации химических предприятий, Азерб. хим.[ж., № 3, 64 (1966). [c.550]
Большой цикл исследований был посвящен оптимизации химического состава каталитически активных солей при определенных физических характеристиках носителя. Кроме повышения активности важно добиться ее сохранения при высоких температурах, снижения падения давления из-за засорения пылью первого слоя катализатора и увеличения механической прочности катализатора, чтобы сократить его потери при просеивании [97]. [c.253]
Таким образом, предлагаемая технология за счет комбинирования экстракционного и гидрокаталитического методов и оптимизации химического состава сырья для каждого из процессов позволяет обеспечить высокую эффективность получения товарного дизельного топлива, удовлетворяюш,его экологическим требованиям без существенных потерь потенциального ресурса. [c.108]
ПРИКЛАДНАЯ ЭКОНОМИКА, ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ и ПРЕДПРИЯТИЙ [c.61]
Рассмотренные до сих пор методы и примеры решения задач оптимизации химически.х реакторов основывались на предположеппи об известном механизме химической реакции, проводимой в аппарате, 1 ип которого задан в постановке оптимальной задачи. В.месте с тем, иа практике часто встречаются случаи, когда исчерпывакзщая информация о механизме реакции в форме кинетических уравнений отсутствует. В таких случаях может оказаться полезной информация [c.128]
Для решения уравнения Беллмана можно воспользоваться численным м е т о д о м , а в ряде случаев, особенно при ре-шенин целого класса задач оптимизации химических реакторов,— методом характеристи [c.313]
Боресков Г. K., Слннько М. Г., Основные принципы моделирования и оптимизации химических реакторов, Хим. пром., № 1, 22 (1964). [c.178]
Физико-химические оп 1сания, позволяющие решать любые задачи оптимизации химических нроцессов, являются более универсальными. Однако эти описания значительно сложнее, [c.78]
Для лзгчшего усвоения материала книга иллюстрирована большим числом практических примеров анализа и оптимизации химических производств и технологических цехов. Для полного понимания содержания настоящей книги от читателя требуется знание материала, изложенного в книгах В. В. Кафарова Методы кибернетики в химии и химической технологии (Изд. 2-е. М., Химия , [c.7]
Глава VI посвящена оптимизации химических реакторов — области, которая в настоящее время быстро расширяется. Мы ограничили анализ эконолгпческими и техническими принципами и описанием нескольких практических результатов. Некоторые математические методы получения оптимума упоминаются в конце главы. [c.12]
Второе нзданйе книги значительно усовершенствовано по сравнению с первым. В него включены новые примеры расчетов процессов, связанных с охраной природы, которые можно выполнять с применением вычислительных машин. Дан расширенный пример расчета целой химико-технологической системы (ХТС) с применением электронной вычислительной машины (ЭВМ). Этот расчет (см. пример 39) разработан преподавателями кафедр Математическое моделирование и оптимизация химических процессов ЛТИ им. Ленсовета и Системотехника Высшей технической школы им. К. Шорлеммера (ГДР, Лейна-Мерзебург) под руководством и при участии профессора К- Хартмана и ассистента В. Коллерта. Одновременно с включением новых примеров изъяты менее удачные примеры, которые были в первом издании. Внесены уточняющие исправления во многие примеры расчетов. [c.4]
Пример разработан преподавателями кафедр Математическое моделирование н оптимизация химических процессов ЛТИ им. Ленсовета и Системотехника Высшей технической школы им. К. Шорлеммера (ГДР, Лейна-Мерзебург). В работе принимали участие К. Хартманн, В. А. Холоднов, Н. В. Кузич-кии, В. Д. Сидоров, В. Коллерт. [c.209]
chem21.info
Математическое моделирование и оптимизация в химической технологии
Кафедра«Высшей математики»Математическое моделирование и оптимизация в химической технологииВыполнил: Марин Е.Н.Группа 31-ТМПроверил: Шапакляк Л.К.На химических заводах и комбинатах из сырья минерального, растительного или животного происхождения и различных промежуточных продуктов их переработки производят свыше миллиарда тонн в год химической продукции сотен тысяч наименований. При огромных различиях в масштабах производства (от десятков тонн до десятков миллионов тонн в год) и номенклатуре продукции все химические предприятия имеют общие принципы построения и общие направления развития и совершенствования. Любое химическое производство включает технологические стадии приема и подготовки сырья, химического превращения разделения реакционной массы, выделения целевого продукта, его очистки, отгрузки и отправки потребителю, а также очистки и переработки отходов и выбросов. Кроме сырья химические производства в значительных количествах потребляют пар воду, электроэнергию.Эффективность химического производства определяется экономическими показателями, и ее повышение достигается различными методами, одним из которых является метод математического моделирования.
Важнейшими характеристиками работы промышленного химического реактора являются удельная производимость (количество целевого продукта, образующегося в единицу времени в единице объема реактора) и селективность (доля превращенного сырья, использованного на образование целевого продукта). Для достижения наилучших экономических результатов необходимо добиваться возможно более высоких значений этих показателей. Для этого необходимо выбрать соответствующие условия протекания процесса с использованием его математической модели, который основан на использовании законов природы, лежащих в основе химических и физических процессов, протекающих в реакторе и других аппаратах различных технологических стадий. К ним относятся уравнения химической кинетики и термодинамики, описывающие скорости образования основных и побочных продуктов реакции и состав реакционной массы как функцию температуры, давления, начальных концентраций реагентов и степени их конверсии, уравнения гидродинамических, тепловых и массообменных процессов, сопровождающих реакцию или протекающую в отдельных аппаратах. Эти уравнения используют затем для построения функции себестоимости или дохода связывающие эти критерии с параметрами процесса.
Рассмотрим на конкретном примере решение проблемы оптимизации химико-технологического процесса с использованием простейших моделей.
В качестве примера решим задачу подбора параметров процесса для обеспечения максимальной производительности.
Предположим что производство продукта Bобразующегося по реакции АВ.функционирует с 40-х годов по старой технологии. Согласно производственному регламенту, реакция проводится в периодическом реакторе, в который загружается раствор исходного реагента А с начальной концентрацией СА,0 = 1моль/л. В количестве V=100л. реакционная масса термостатируется с помощью теплообменных устройств реактора (рубашка змеевик) в течение времени t= 3ч. За это время часть исходного реагента А превращается в продукт реакции В. При этом степень конверсии Х исходного реагента А в В:
(1)
где СА и СВ - концентрации А и В (моль/л) в реакторе в момент времени t=3ч.
При достижение заданной конверсии реакционная масса охлаждается, продукт реакции В отделяется, а не превращенный исходный реагент А попадает в отходы производства. Суммарное время загрузки и выгрузки реакционной массы составляет t0=1 ч.
Для таких регламентных показателей загрузки реагента А для проведения одной операции составляет nА,0 =V .СА,0=100 моль, а количество образовавшегося за время реакции продукта nB= nA,0.X=100 . 0,75=75 моль. Отсюда часовая производительность П установки, выраженная в молях продукта В, полученного в единицу времени :
моль/ч, или
18,75 . 24 = 450 моль/л . ч
Для решения поставленной задачи максимальной производительности проведем исследования кинетики реакции АВ. Находим, что ее скорость описывается кинетическим уравнением второго порядка:
моль/л .ч (2)
с константой скорости k = 1 л/моль. ч. Уравнение (2) представляет собой в данном случае математическую модель описанного выше периодического реактора. Воспользуемся этой моделью для определения степени конверсии Х и времени t, обеспечивающих максимальную производительность установки. Очевидно, что такое время существует, поскольку при малом времени реакции t, несмотря на высокую скорость реакции (СА близко к СА,0), общая производительность установки мала из - за большой доли непроизводительных затрат времени t0. К тому же при большом времени реакции t доля непроизводительных затрат снизится и скорость реакции из - за малой концентрации СА к концу реакции (см. ур. 2).
Для определения оптимальных значений Х и t выразим через СА через Х (СА=СА,0( 1 - Х )), подставим в уравнение (2)
и проинтегрируем
Или
Подставив приведенные выше значения k и CA,0 в последнее уравнение, получим
(3)
Запишем теперь уравнение для расчета производительности установки. Для этого количество молей продукта В, производимых за одну операцию,
nB=VCB=VCA,0=100X
разделим на время операции t+t0:
моль/ч.
Используя соотношение (3) получим
П=100Х( 1 - Х)
Теперь легко найти оптимальное значение Х для обеспечения максимального значения П. Для этого продифференцируем П по Х и приравняем производную нулю:
Отсюда оптимальное значение Х=0.5, а максимальное значение производительности, согласно (5), П = 25 моль/ч. или 25*24 = 600 моль/сут, что на 33,3 % выше регламентного показателя.
В целом на производстве основная доля затрат приходится на сырье (70%) и энергию ( до 40%). Снижение их расхода на единицу продукции дает наибольший экономический эффект. Кардинальный путь снижения этих затрат состоит в использовании новых технологий, но дополнительного снижения затрат на производстве достигают оптимизацией процессов на всех технологических стадиях.
Литература
1. Темкин О.Н. Промышленный катализ и экологические безопасные технологии // Cоросовский Образовательный Журнал. 1997. №3. С. 42-50.
2. Швец В.Ф. Совершенствование химических производств // Cоросовский Образовательный Журнал. 1997. №6. С. 49-55.
3. Неймарк Ю.И. Простые математические модели и их роль в постижении мира // Cоросовский Образовательный Журнал. 1997. №3. С. 139-143.
referatwork.ru
