Software & Systems

При компьютерном моделировании энерго- и ресурсосберегающих процессов химической технологии необходимо учитывать различные аспекты, связанные с технологическими, экономическими и экологическими показателями производств. С позиций энерго- и ресурсосбережения учет экономической эффективности является необходимым на всех этапах решения задач компьютерного моделирования. Для оценки экономической эффективности химико-технологических процессов наиболее целесообраз- но использовать критерий приведенных (годовых) затрат как наиболее чувствительный к изменению режимных и конструкционных параметров аппаратов.

Применение системного подхода к технологическому проектированию химико-технологических процессов предполагает решение совокупности различных формализованных (вычислительных) и неформализованных (смысловых) задач, связанных с анализом, оптимизацией и синтезом технологических схем производств [1]. Важнейшая роль при этом отводится универсальным моделирующим программам (МП) [2], которые реализуются на компьютерах и дают возможность успешно решать различные формализованные (вычислительные) задачи компьютерного моделирования. Для решения неформализованных задач в МП могут включаться экспертные системы (ЭС) [3], которые позволяют специалистам более обоснованно получать решения смысловых задач выбора вычислительных методов в конкретных предметных областях [4], а именно:

·         методик расчета различных процессов;

·         моделей для описания механизмов протекания процессов;

·         необходимых вычислительных алгоритмов.

Для оценки эффективности энерго- и ресурсосберегающих технологий при выборе, например, конструкций аппаратов, оптимальных значений режимных параметров, структуры технологической схемы производства и др., наряду с технологическими критериями всегда следует принимать во внимание и экономические показатели как прямые, так и косвенные. Преимущество прямых экономических критериев (себестоимость, прибыль, норма прибыли, приведенные затраты и др.) состоит в том, что они позволяют непосредственно в стоимостном выражении представить экономическую эффективность производства. Косвенные показатели позволяют сравнивать различные варианты технических решений только в относительных единицах (например, по суммарной тепловой нагрузке на все теплообменники, кипятильники и конденсаторы ректификационных колонн).

Для определения капитальных и эксплуатационных затрат при расчете приведенных затрат, необходимых для оценки экономической эффективности производства, следует реализовать процедуру компьютерного моделирования, лучше всего с использованием универсальных МП. Применяемые при этом универсальные МП являются надежным инструментом для решения всего комплекса задач анализа, оптимизации и синтеза химических производств. В результате получается оптимальное технологическое оформление процесса – структура технологической схемы производства, режимные и конструктивные параметры в отдельных аппаратах, в том числе с учетом типоразмеров стандартных единиц оборудования. Таким образом, эффективно решается задача технологического проектирования химических производств и определяются оптимальные значения параметров технологического регламента как для новых, так и для действующих процессов.

Процедуру компьютерного моделирования химических производств с оценкой приведенных затрат на проведение процесса при технологическом проектировании можно разбить на 13 этапов:

-         выбор и изображение технологической схемы производства;

-         определение списка всех компонентов, участвующих в процессе;

-         выбор физико-химических методов и моделей для определения термодинамических свойств смесей;

-         задание параметров потоков, поступающих в технологическую схему процесса;

-         задание параметров для расчета отдельных аппаратов производства;

-         расчет технологической схемы производства;

-         сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными;

-         решение задач структурной и параметрической идентификации;

-         анализ результатов расчетов;

-         анализ параметрической чувствительности компьютерной модели производства;

-         решение задачи оптимизации;

-         синтез технологической схемы процесса;

-         определение приведенных затрат на производство.

На всех перечисленных этапах компьютерного моделирования решается определенный набор формализованных и неформализованных задач [5], в результате чего определяются экономические показатели производства в виде приведенных затрат.

На первом этапе при выборе и изображении технологической схемы процесса единицы оборудования могут отбираться из стандартной базы данных МП или строиться как комбинация типов аппаратов. При этом один и тот же физический аппарат может быть представлен различными расчетными модулями или комбинацией расчетных модулей МП, выбор которых зависит от специфики решаемой задачи.

Второй этап посвящается созданию списка компонентов, которые будут использоваться при компьютерном моделировании производства. Как правило, промышленная многокомпонентная смесь содержит целый ряд компонентов, которые отсутствуют в стандартной базе данных МП. В этом случае свойства отсутствующего индивидуального вещества могут быть либо введены в МП, либо рассчитаны в ней по приближенным методикам, в основном, для органических веществ. Иногда группы компонентов целесообразно представить в виде одного гомоморфного компонента, свойства которого подобны свойствам всей группы.

На третьем этапе необходимо выбрать методы расчета условий фазового равновесия в потоках: пар-жидкость-твердое и пар-жидкость-жидкость-твердое; а также методы расчета энтальпии, плотности, вязкости, теплопроводности и поверхностного натяжения потоков. Различные методы расчета могут быть заданы отдельно для разных аппаратов и различных секций аппаратов, например, слоя насадки или тарелки.

При задании параметров потоков и данных для расчета различных аппаратов (на четвертом и пятом этапе компьютерного моделирования) учитывается число степеней свободы решаемых при вычислениях систем уравнений математического описания процессов. При этом в зависимости от постановки задачи проверочного (оценочного) или проектного расчета и числа степеней свободы может задаваться большое разнообразие наборов параметров для расчета единиц оборудования технологической схемы процесса.

На шестом этапе реализуется процедура расчета параметров всех аппаратов технологической схемы и соединяющих их потоков, в том числе и обратных (рециклических). Для отдельных аппаратов, например колонных и теплообменных, выполняется конструкционный расчет с выбором их типоразмеров в соответствии с определенными стандартами и нормативами. С учетом этих данных выполняется уточненный расчет процессов, например, разделения в колонных аппаратах с массопередачей на тарелках и в слое насадки. В результате получаются надежные данные по материальному и тепловому балансу всего производства.

Проверка соответствия расчетных результатов экспериментальным данным (проверка адекватности) проводится на седьмом этапе. Как правило, имеется в распоряжении ограниченный набор экспериментальных исследований, выполненных на различных иерархических уровнях реального производства (например, данных по фазовому равновесию или данных по составам потоков на входе и выходе из аппаратов). Сравнение экспериментальных данных с расчетными целесообразно проводить всегда с целью определения степени достоверности результатов компьютерного моделирования.

На восьмом этапе по экспериментальным данным корректируются параметры используемых при расчетах моделей и решается задача структурной и параметрической идентификации [6] единиц оборудования. Для уточнения коэффициентов моделей (параметрическая идентификация) чаще всего используется регрессионный метод. Если этого недостаточно для совпадения расчетных и экспериментальных данных, следует пересмотреть структуру компьютерной модели процесса и построить ее в соответствии с другой системой уравнений математического описания процесса (структурная идентификация).

Анализ расчетных результатов выполняется на девятом этапе. Определяются целый ряд необходимых для технологического проектирования свойств внутренних и внешних потоков технологической схемы производства. Может оказаться, что должны быть выполнены определенные условия по ограничению свойств некоторых потоков, например, по температурам и содержанию вредных серосодержащих соединений.

На десятом этапе выполняется анализ параметрической чувствительности компьютерной модели производства. Получаются зависимости одних параметров от других, которые представляются в графическом виде. Выявляются параметры, наиболее сильно (слабо) влияющие друг на друга. Исходя из полученных данных, определяются ресурсы оптимизации и управления производством.

Задачи оптимизации решаются на одиннадцатом этапе. Как правило, используются декомпозиционные методы оптимизации [7], так как размерность решаемых задач обычно достаточно высока. При этом стоят смысловые задачи выбора целевой (целевых) функции оптимизации и алгоритмов нелинейного программирования, используемых для получения оптимальных параметров процесса.

На двенадцатом этапе решается задача выбора оптимальной энерго- и ресурсосберегающей технологии, которая основана на совмещении эволюционного, эвристического и декомпозиционного принципов синтеза химических производств [1].

На завершающем, тринадцатом этапе определяются приведенные затраты на производство как сумма приведенных затрат на проведение процессов в отдельных аппаратах. При этом капитальные затраты зависят от выбранного типоразмера аппарата, а эксплутационные – от режимных параметров протекающих процессов (затрат на горячую воду и греющий пар при подогреве, на холодную воду при охлаждении, на электроэнергию и т.д.). Например, в МП ХЕМКАД для типовых аппаратов из стандартной базы данных единиц оборудования можно рассчитать стоимость аппаратов.

Необходимо подчеркнуть, что деление процедуры компьютерного моделирования на отдельные этапы является условным, и представленную последовательность этапов нельзя считать однозначной. При этом на всех этапах наряду с вычислительными (формализованными) задачами приходится решать и неформализованные (смысловые) задачи выбора либо расчетных методов, либо технологического оформления процесса или критерия оценки эффективности производства. Наличие ЭС в некоторых универсальных МП (например, в МП ХЕМКАД при выборе метода расчета фазового равновесия для заданной многокомпонентной смеси и в определенном диапазоне давлений и температур) способствует более корректному решению смысловых задач специалистами. Однако для большинства решаемых неформализованных задач ЭС в настоящее время либо отсутствуют, либо их применимость вызывает сомнения.

Предложенная процедура компьютерного моделирования химических производств обладает рядом достоинств, наиболее эффективных для энерго- и ресурсосберегающих технологий. Во-первых, она применима как для решения общей задачи технологического проектирования, так и для решения отдельных задач анализа, оптимизации и синтеза химико-технологических процессов. Во-вторых, на всех этапах технологического проектирования она позволяет получать численные решения не только вычислительных (формализованных) задач, но автоматизировать процедуры нахождения смысловых решений неформализованных задач. В-третьих, оценка результатов решения формализованных и неформализованных задач (принимаемых смысловых реше- ний) при компьютерном моделировании химичес- ких производств проводится с учетом критерия экономической эффективности в виде приведенных затрат.

Список литературы

1. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. Анализ и синтез химико-технологических систем: Учебник для вузов. – М.:Химия, 1991.-432 с.

2. Chemcad.chemcad batch.chemcad reacs. User guide. – Texas; Chemstations Inc., 1998. – 210 p.

3. Мешалкин В.П., Экспертные системы в химической технологии.- М.: Химия, 1995.- 368 с.

4. Гартман Т.Н. Анализ и синтез систем непрерывной ректификации на основе автоматизированного накопления и классификации информации: Дис. … д-ра техн. наук. – М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2000. – 514 с.

5. Гартман Т.Н., Бояринов А.И. Комплекс интеллектуальных программ для технологического проектирования химических производств // Докл. РАН –1999. – Т. 366.- № 4. – C. 503 –506.

6. Бард Й. Нелинейное оценивание параметров. – М.: Статистика,1979.– 349 с.

7. Островский В.М., Бережинский В.А. Оптимизация химико-технологических процессов. Теория и практика.- М.: Химия, 1984. – 240 с.