Файл: Кафаров, В. В. Принципы математического моделирования химико-технологических систем (введение в системотехнику химических производств) учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 16.10.2024
Просмотров: 88
Скачиваний: 1
/
*
ш
ИЛ 4И Ч Е С К А Я
ИБ Е Р Н Е Т И К Л
Кафаров В. В.
Методы кибернетики в химии и химиче ской технологии. Изд. 2-е, 1971.
Минскер И. Н.
Оперативное управление химико-техноло гическими комплексами, 1972.
Рувинов Л. П .
Статистические методы оптимизации хими ческих процессов, 1972.
Голованов О. В.
Системы оперативного управления хими ческими производствами, 1973.
Липатов Л, Н.
Типовые процессы химической технологии как объекты управления, 1973.
Балакирев В. С., Софиев А. Э.
Применение средств пневмо- и гидроавто матики в химических производствах, 1973.
Полоцкий Л. МЛа пшенк о в Г. И.
Основы автоматики и автоматизации про изводственных процессов в химической промышленности. Изд. 2-еа 1973.
Закгейм А. Ю.
Введение в моделирование химико-техно логических процессов, 1973.
В. В. КАФАРОВ В. Л. П ЕРО В В. П.МЕШАЛКИН
.П р и н ц и п ы
МАТЕМАТИЧЕСКОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ
Х И М И К О - ТЕХ Н О Л О ГИ Ч ЕС К И Х С И С Т Е М
(ВВЕДЕНИЕ В СИСТЕМОТЕХНИКУ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ)
Д о п у щ е н о
Министерством высшего и среднего специального образования СССР
в качестве учебного пособия для студентов химико-технологических специальностей вузов
МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО «ХИМИЯ»
1974
6П7.05 |
Л l'f |
|
|
УДК 66.01.001.57 (075-8) |
|
________ 1x30 _ |
... . |
I |
' неская |
І( |
f ? К А C C C P ^ . , |
% \ ' \ 0 4 |
o % Cö |
К 30 |
В. В. Кафаров, В. JI. Перов, В. П. Мешалкин |
Принципы математического моделирования химико-тех нологических систем (Введение в системотехнику хими ческих производств). М., «Химия», 1974. (Серия «Хими ческая кибернетика»).
344стр.; 19 табл.; 210 рис.; список лит. 44 ссылки.
Вкниге рассмотрены основные принципы моделирова ния, анализа и синтеза сложных химико-технологических систем (ХТС). Приведены методы расчета материально энергетических балансов и степеней свободы ХТС; описаны математические модели технологических операторов (эле ментов систем), изложены основы матричного, детерминантного и топологического методов анализа ХТС. На основе
использования топологических моделей (теории графов) ХТС рассмотрены методы разработки оптимальной стратегии (алгоритмов) исследования и декомпозиционные принципы оптимизации ХТС. Даны методы построения специальных программ математического моделирования ХТС на ЦВМ.
Книга является пособием по курсу «Системотехника» («Основы технологического проектирования химических про изводств») для высших учебных заведений. Она представит большой интерес также для научных н инженерно-техниче ских работников химической и смежных с ней отраслей про мышленности.
31402-108 К 050 (01)-74 108-74 6П7.05
© Издательство «Химия», 1974
|
|
|
|
|
/ |
СОДЕРЖАНИЕ |
||
П-р е д и с л о в II е |
|
|
|
|
7 |
|||
|
|
|
|
|
||||
ГГв е д е н и е ........................................................................................................ |
|
|
|
|
|
9 |
||
Г л а в а |
I. Основные |
понятия н общая характеристика |
химико-техно |
|
||||
|
|
логических с и с т е м ................................................................ |
|
|
11 |
|
||
1. |
Понятие химико-технологической системы (Х Т С )................... |
|
II |
13 |
||||
2. |
Химическое предприятие как сложная кибернетическая |
система |
||||||
3. |
Классификация |
моделей Х Т С ................................................... |
|
|
18 |
|
||
4. |
Характеристика технологических операторов. Понятие техноло |
|
||||||
5. |
гической топологии Х Т С ................................................................ |
|
|
20 |
|
|||
Постановка задач анализа и синтеза Х Т С ............................... |
|
33 |
|
|||||
Г л а в а |
II. Расчет материально-энергетических балансов и определение |
37 |
||||||
|
|
степеней свободы химико-технологических |
систем . . . . |
|||||
1. |
Общий вид системы уравнений балансов................................... |
|
38 |
13 |
||||
2. |
Совместность и определенность систем уравненийбалансов ХТС |
|||||||
3. |
Системы уравнений материальных балансов ХТС с типовыми |
50 |
||||||
4. |
технологическими с в я з я м и ....................................................................... |
|
|
|
||||
Понятие степени свободы Х Т С ............................................................... |
|
|
|
58 |
||||
5. Регламентированные и |
оптимизирующие проектные переменные |
63 |
||||||
6. |
ХТС ................................................................................................................. |
|
|
|
|
|
||
Определение числа степеней свободы Х Т С .......................................... |
|
|
67 |
|||||
7. |
Стратегия решения систем уравнений математических моделей |
72 |
||||||
8. |
ХТС ................................................................................... |
|
|
, |
......................... |
|||
Общая методика составления и решения систем уравнений балан |
79 |
|||||||
|
сов ХТС ........................................................................................................ |
|
|
|
|
|
||
Г л а в а ІІІ.Математические |
модели |
технологических |
операторов. |
|
||||
|
|
Матричный и детерминантный методы анализа |
химико |
82 |
||||
|
|
технологических |
систем |
........................................................... |
|
|
||
1. |
Формы представления символических математических моделей |
83 |
||||||
2. |
технологических операторов Х Т С ........................................................... |
|
|
|||||
Методы определения матриц преобразования технологических |
89 |
|||||||
|
операторов ХТС ........................................................................................ |
. . , ............................................................... |
||||||
|
|
Аналитический |
метод |
89 |
||||
3. |
|
Статистический |
метод |
........................................................................... |
|
|
|
98 |
Матричный метод анализа Х Т С .............................................................. |
Х Т С |
|
|
103 |
||||
4. |
Детерминантный метод анализа |
|
|
109 |
||||
Г л а в а |
IV. Топологический |
метод анализа и топологические |
модели |
114 |
||||
|
|
химико-технологических систем ........................................... |
|
|
||||
1. |
Основные понятия и определения теорииграф ов............................... |
|
|
115 |
||||
2. |
Представление графов с помощью м атриц .......................................... |
|
|
122 |
||||
5
3.Характеристика и принципы построения топологических моделей
(графов) X T G ................................................................................................ |
|
|
128 |
|
Потоковые |
графы Х Т С ........................................................................... |
|
128 |
|
Структурные графы |
Х Т С ....................................................................... |
|
136 |
|
Информационно-потоковые мультиграфы |
Х Т С ............................. |
143 |
||
Информационные графы Х Т С ............................................................... |
|
150 |
||
Сигнальные |
графы |
Х Т С ....................................................................... |
|
154 |
Г л а в а V. Разработка оптимальной стратегии |
исследования химико |
|
||
технологических систем на основе топологических моделей |
212 |
|||
1. Расчет материальных и тепловых балансов ХТС на основе матери |
|
|||
альных и тепловых потоковых граф ов .................................................. |
|
213 |
||
2.Выбор измеряемых параметров технологических потоков при рас чете балансов ХТС с использованием материальных потоковых
3. |
графов ......................................................................................................... |
|
232 |
Определение матриц преобразования технологических операторов |
242 |
||
4. |
ХТС с применением структурных и сигнальных граф ов ................. |
|
|
Выбор свободных переменных ХТС с применением информационно |
249 |
||
|
потоковых мультиграфов ........................................................... . |
. . |
|
5.Выбор свободных и выходных переменных систем уравнений ма тематических моделей ХТС с применением информационных гра
|
фов ................................................................................................................. |
стратегии анализа |
ХТС на основе параметрических |
258 |
|||
6. Разработка |
277 |
||||||
|
потоковых |
графов .................................................................................... |
|
|
|
||
Г л а в а |
VI. Принципы оптимизации |
химико-технологических |
систем |
|
|||
|
|
на основе применения топологических м оделей....... |
|
295 |
|
||
1. |
Общая постановка и основные этапы задачи оптимизации ХТС |
. |
295 |
||||
2. |
Организация вычислительных процедур при оптимизации |
ХТС |
301 |
||||
3. |
Декомпозиция задачи оптимизации ХТС на основе классического |
306 |
|||||
4. |
вариационного приближения |
............................................................... |
|
313 |
|||
Многоуровневый метод оптимизации Х Т С ................................ |
|
|
|||||
Г л а в а |
VII. Специальные программы математического моделирования |
324 |
|||||
|
|
химике-технологических |
систем .......................................... |
|
|
||
1. |
Принципы построения специальных программ моделирования ХТС |
324 |
|||||
2. |
Организация программы моделирования ХТС «PACER» . . . . |
|
330 |
||||
3. |
Использование в специальных программах термоэкономического |
336 |
|||||
|
критерия для оценки эффективности моделируемой ХТС. . |
. . |
|
||||
Л и т е р а т у р а |
................................................................................................. |
|
|
|
339 |
||
П р е д м е т н ы й |
у к а з а т е л ь ......................................................... |
|
|
341 |
|
||
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящее время в системе химико-технологического образо вания студентам читается курс «Математическое моделирование хи мико-технологических процессов», представляющий собой количе ственный анализ с помощью математических моделей типовых про цессов химической технологии (гидродинамических, тепловых, диффузионных и химических). Курс лекций, в котором рассма триваются принципы соединения отдельных типовых процессов, т. е. принципы построения технологических схем и агрегатов любых про изводств химических и нефтехимических предприятий, впервые начал читаться немногим более 10 лет назад при подготовке ин женеров по кибернетике химико-технологических процессов в МХТИ им. Д. И. Менделеева.
Врезультате научно-методических разработок, чтения лекций, проведения практических занятий на базе методов кибернетики, системотехники, топологии и оптимизации с применением цифровых вычислительных машин (ЦВМ) удалось определить систему знаний, которыми необходимо вооружить будущих химиков-технологов и без которых невозможны построение новых оптимальных техноло гических схем и интенсификация действующих производств.
Указанная система знаний составила самостоятельный курс «Принципы математического моделирования химико-технологиче ских систем» («Введение в системотехнику химических производств»), читаемый в МХТИ им. Д. И. Менделеева.
Впредлагаемой книге впервые сделана попытка системати зировать методы моделирования, анализа и оптимизации хими ческих производств на основе использования топологических мо
делей 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.
Для лучшего усвоения материала книга иллюстрирована боль шим числом практических примеров анализа и оптимизации хими ческих производств и технологических цехов. Для полного пони мания содержания настоящей книги от читателя требуется знание материала, изложенного в книгах В. В. Кафарова «Методы кибер нетики в химии и химической технологии» (Изд. 2-е. М., «Химия»,
7
1971), А. И. Бояринова и В. В. Кафарова «Методы оптимизации в химической технологии» (М., «Химия», 1969), а также В. В. Ка фарова, В. Н. Ветохина и А. И. Бояринова «Программирование и вычислительные методы в химии и химической технологии» (М., «Наука», 1973) и Г. М. Островского и Ю. М. Волина «Методы оптимизации сложных химико-технологических схем» (М., «Химия», 1970).
По мнению авторов, настоящая книга может служить не только в качестве учебного пособия для студентов химико-технологических специальностей вузов, но, несомненно, будет полезна широкому кругу научных и инженерно-технических работников предприятий, исследовательских и проектных организаций, занимающихся техно логическим проектированием и автоматизацией производств хими ческой и смежных с ней отраслей промышленности.
Авторы считают своим приятным долгом выразить благодарность кафедре процессов и аппаратов ЛТИ им. Ленсовета, чл.-корр. АН СССР П. Г. Романкову, проф. И. Н. Таганову и проф. Г. М. Ост ровскому за внимательное рецензирование рукописи книги и ряд ценных советов.
Авторы с благодарностью примут все пожелания и замечания по содержанию книги, которые будут высказаны читателями.
Авторы