Файл: Кафаров, В. В. Принципы математического моделирования химико-технологических систем (введение в системотехнику химических производств) учеб. пособие.pdf

В ХТС с последовательно-обводной технологической связью (рис. 1-14, а) к-бутан поступает в каталитический реактор 1, где изомеризуется при определенной степени превращения. Продукты

Рис. 1-13. Упрощенная технологическая схема производства аммиака из при­ родного газа:

1 , 6 — смеситель; 2 — реактор гидрирования сероорганических соединений; 3 — серопогло-

двуокиси углерода (метанатор); 16 — холодильник; 17 — влагоотделитель; 19 — компрессор;

в которой разделяются на верхний продукт, состоящий из изобутана требуемой чистоты, и нижний — w-бутан, изомеризующийся в ка-

Рис. 1-14. Операторные схемы ХТС изомеризации к-бутана с последовательно* обводной (а) и с обратной технологическими связями (б):

1 , 3 — каталитические реакторы; 2 — ректификационная колонна; 4 — смеситель.

талитическом реакторе 3. Продукт изомеризации из реактора 3 соединяется с верхним продуктом в смесителе 4 и выходит из него в виде готового продукта.

32

Изомеризацию «-бутана можно осущестшіть в ХТС с обратной технологической связью (рис. 1-14, б). Технологический поток н-бу­ тана поступает в смеситель 4, смешивается с нижним продуктом из колонны 2 и направляется в реактор 1, где изомеризуется при определенной степени превращения. Продукты изомеризации из реактора / подаются в колонну 2, где происходит разделение гото­ вой продукции (верхний продукт) и рециркуляционной смеси (ниж­ ний продукт).

Выбор технологической топологии, обеспечивающей оптималь­ ность показателя эффективности ХТС, является важным этапом проектирования новых химических предприятий.

5. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ХТС

Среди задач, возникающих в связи с исследованиями ХТС, можно выделить задачи двух основных классов: задачи анализа и синтеза.

Задачи анализа ХТС — это задачи изучения свойств и эффектив­ ности функционирования системы в зависимости от структуры тех­ нологических связей между элементами и подсистемами, а также в зависимости от значений конструкционных и технологических параметров системы и от параметров технологических режимов элементов.

Задачи синтеза ХТС состоят в выборе структуры технологиче­ ских связей, значений параметров системы и параметров техноло­ гических режимов элементов, исходя из заданных свойств и показа­ телей эффективности функционирования ХТС, имеющих оптималь­ ные в некотором смысле значения.

Фундаментальная цель задачи анализа ХТС заключается в том, чтобы математически связать характеристики состояния системы (значения выходных переменных) с параметрами и характеристиками состояния элементов (подсистем) в зависимости от структуры тех­ нологических связей между элементами (подсистемами) ХТС. На практике при решении задач проектирования сложных ХТС, их мо­ дернизации, а также при определении оптимальных технологиче­ ских режимов функционирования задачи анализа наиболее часто трактуются как задачи оценки возможных вариантов системы (вы­ бор возможной структуры технологических связей между элемен­ тами, значений параметров ХТС). Для каждого из возможных иссле­ дуемых вариантов ХТС необходимо вычислить совокупность пока­ зателей эффективности функционирования системы. Сопоставляя значения этих показателей эффективности ХТС, можно получить первое представление о недостатках и достоинствах тех или иных вариантов системы.

Необходимо заметить, что при выборе практически подходящего варианта системы нужно обращать внимание не только на то, чтобы показатели, характеризующие ее свойства, имели оптимальные зна­ чения, но также и на стабильность их при изменении в определен­ ных пределах самих параметров системы. Учет этого фактора часто

оказывается решающим при окончательной оценке качества изучае­ мого варианта системы.

Нетрудно видеть, что, начав с рассмотрения задачи анализа сложных ХТС, мы постепенно подошли к решению задач син­ теза ХТС.

Процесс синтеза химико-технологической системы в общем случае связан с решением трех основных задач:

1) при заданных типах и свойствах элементов ХТС необходимо определить структуру технологических связей между этими элемен­ тами, которая обеспечивает оптимальные значения показателей эффективности функционирования системы;

2)при заданных типах элементов и структуре технологических связей между ними нужно выбрать такие параметры и характеристи­ ки элементов, которые обеспечивают оптимальность показателей эффективности ХТС;

3)при заданных типах и свойствах элементов и заданной струк­ туре технологических связей между ними необходимо выбрать такую систему автоматического управления и осуществить некоторую коррекцию структуры технологических связей с введением новых элементов, чтобы обеспечить оптимальность показателей эффектив­

ности функционирования ХТС в условиях эксплуатации (наличие внутренних и внешних возмущающих воздействий, нестабильность параметров элементов и т. п.).

Показатели, характеризующие свойства и процесс функциони­ рования ХТС, можно определить одним из двух способов: а) путем обработки информации, полученной в ходе натурного эксперимента, и б) методом математического моделирования процесса функциони­ рования сложной системы на ЦВМ. Второй метод весьма эффективен для оценки вариантов структуры технологических связей между элементами сложной системы на стадии ее проектирования.

К задачам оценки возможных вариантов структуры технологиче­ ских связей сложных ХТС тесно примыкают задачи, обусловленные выбором таких параметров элементов ХТС, которые обеспечивают согласование элементов между собой по их производительности в процессе функционирования системы. Для этого необходимо по результатам моделирования оценить производительность отдельных элементов, провести расчеты для выбора соответствующих конструк­ ционных и технологических параметров, проверив приемлемость полученных результатов путем комплексного моделирования всей системы в целом.

Важное значение имеют исследования сложных ХТС в связи с вопросами управления. Современная система автоматизированного управления ХТС представляет собой весьма сложный комплекс обо­ рудования, выполняющего функции сбора информации о состояниях элементов оборудования, ее обработки, оптимального планирования и формирования управляющих сигналов. Для расчета систем упра­ вления такого типа нужно решать задачи, связанные с оценкой структуры информационных потоков и законов управления про­

34

цессами, синтезом алгоритмов обработки информации и оптимального управления.

Существенной областью применения метода математического мо­ делирования является сравнительная оценка различных алгоритмов

Рис. 1-15. Блок-схема методики технологического проектирования ХТС:

I — формулирование проблемы; II — синтез решений; III — анализ решений;

'IV — выбор оптимальных решений.

автоматического управления на технологическом и организационном уровнях. Моделирование сложной ХТС и САУ с воспроизведением соответствующего алгоритма управления позволяет обнаружить недостатки алгоритма, выявить случай некачественной его работы, сбоев, отказов или прямых ошибок. Накопленная информация о ра­ ботоспособности алгоритма представляет большой интерес для