В.В.Кафаров

В.ПМешалкuн

Анализ и синтез

химико­

теХНОJIогичес их

систем

ДоnущеlLO ГосударсmвеЮlЫМ комитето.М СССР

по народному образованию в качестве учеБТnf1{:а

для студентов химuко-теХllОJlогuческuх

СllецuаЛЫlOсmей высших учебных заведе/lИЙ

МОСКВА

«ХИМИЯ»

1991

ББК 35.11

К 305

УДК 677.021.12.001.2.57 (075.8)

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Л. А. СерафLUVLOв, д-р техн. наук, проф. Г. ОсmРО8а,:uй 11-1.

Кафаров В. В., Мешалкии В. п.

К Анализ и синтез химик о-технологических систем. Учеб­ ник для вузов.- М.: Химия, С.: ил.

1991.- ISBN 5 - 7245 - Даны основы системного подхода к исследованию структуры и свойстg функционирования производств химической и смежных отраслей промышленности, представляющих собой разного уровня сложности хи­ мико-технологические системы (ХТС). Изложены ПРИНI~ипы математи­ ческого моделирования, методы и алгоритмы анализа ХТС на основе использования различных классов топологических моделей (графов), мате­ матического аппарата разреженных матриц, классической теории мно­ жеств, теории нечетких множеств и методов нелинейного программирова­ ния. Привсдены принципы синтеза ресурсосберегающих экологически безо­ пасных ХТС на основе использования теории искусственного интеллекта.

Изложена методика разработки специального программного обеспечения для решения задач анализа и синтеза ХТС в отраслевых системах автома­ тизированного проектиуювания и АСУ ТП.

Предназначается для студентов химико-технологических специальнос­ тей вузов.

Будет полезна для научных и инженерно-технических работников хими­ ческой и смежных отраслей промышленности, которые занимаются инже~ нерно-аппаратурным оформлением, расчетом и технологическим ПРQекти­ рованием ресурсосберегающих экологически безопасных производств.

2802000000 - БЕК К 35. 78- 050(01)- ISBN 5 - 724':; - 0366 © в. В. Кафаров, В. п. rlilешалкин,

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие Введение Основные сокращения 1.

Часть Общие положения теории анализа и синтеза химико-технологических систем Глава 1. Основные понятия математического моделирования, анализа и синтеза химик о-технологических систем. 1б Общая характеристика ХТС как объекта исследования.

1.1. Виды типовых технологических операторов ХТС.

1.2. '1.з..,'Классификация ХТС по особенностям технологической топологии 1.4. ' Классификация ХТС по способу функционирования. 1.5. Понятия малоотходных и ресурсосберегающих ХТС 1.6. Виды критериев эффективности ХТС. 1.7. Основные свойства ХТС. J.8. Классификация моделей и понятие идентификации ХТС 1.9. Основные сведения о проектировании и эксплуатации ХТС. 1.1 J. Контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы. Глава Принrщпы математического моделирования и анализа ХТС Операторно-символическая математическая модель ХТС.

Прямые методы идентификации статических режимов ХТС.

Математическое моделирование-основной метод решения задач 2.3, Постановка и принципы решения задач анализа ХТС.

Характеристика блочного принципа анализа ХТС.

Общий вид систем уравнений материально-тепловых балансов ХТС Подготовка исходных данных для составления систем уравнений 2.7.

Определение степени свободы ХТС.

Рекомендации по выбору регламентированных и оптимизирующих 2.10.

Контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы.

3.2. Стратегия решения информационно~разреженны:Х: сщ::тем уравнений Классификация модулей расчета технологических операторов ХТС Понятия коэффициентов разделения и коэффициентов полезного 3.4.

Матрицы преобразования технологических операторов ХТС.

Контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы.

4.1·. Классификация и назначение Т~I)ологичеСJ{ИХ М9де,лей хтс. ] Двудольные информационные графы.

Сигнальные графы ХТС.

Контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы.

Часть п. Методы и алгоритмы аиализа и оптимизации ХИМJJко-технологи­ Глава Топологическо-структурные методы и алгоритмы анализа ХТС Матричный метод анашва ХТС.

Контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы.

Алгоритмы оптимизации стратегии анализа сложных ХТС на основе 6.1.

9бщая характеристика алгоритмов и критерии оптимизации 6.1.2. Алгоритмы идентификации простых' контурных подсистем в Алгоритмы оптимизации стратегии решения систем уравнений ХТС с 6.2.

Контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы.

7.1.

Численные методы и алгоритмы решения систем нелинейных 7.2.

Методы решения систем линейных уравнений.

7.3.1. Общая характеристика численных методов решения систем Методы решения информационно-разреженных систем линейных 7.4.

7.4.2. Методы упорядочения информационно-разреженных систем Эффективность различных численных методов решения систем 7.5.

7.9. Контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы. Классификация исходных задач синтеза ХТС Краткая характеристика способов и приемов ресурсосбережения 8.2.

Классификация и общая характеристика принципов синтеза ХТС ;

Декомпозиционно-поисковый- принцип синтеза ХТС.

8.4.2. Стратегия декомпозиции постановки исходных задач синтеза 8.4.3. Редуктивно-граничная декомпозицИ?I множества решфий исходных задач синтеза. ' ' 8.4.4. Стратегия перспективно-отсекающей декомпозиции множества Эвристическо-декомпозиционный принцип синтеза ХТС.

Самообучающаяся процедура оптимального выбора эвристик Интегрально-гипотетический принrщп синтеза ХТС.

Операции упорядоченного поиска решений исходных задач синтеза 8.8.

8.9.

Глава 9. Декомпозиционно-эвристические методы синтеза ресурсосбере­ Многостадийный эвристическо-эволюционный метод синтеза ресур­ 9.1.

Постановка исходных задач синтеза ресурсосберегающих теплооб­ 9.2.

9.~. Декомпозиционные методы синтеза ресурсосберегающих теплооб­ 9.4. Постановка исходных задач синтеза ресурсосберегающих систем _ С7~ектификации многокомпонентных смесей.,~l / '.,.,..-",9.5.Декомпозиционные методы синтеза оптимальных ациклических Метод синтеза ресурсосберегающих систем ректификации со связан­

ПРЕДИСЛОВИЕ

Производства, или технологические установки, химической, неф­ теперераба тываЮlцей, газоперераба тыва ющей, нефтехимической и биохимической промышленности как объекты научно-инженер­ ной деятельности представляют собой различного уровня слож·· ности химик о-технологические системы (ХТС), потребляющие для выпуска разнообразных продуктов и полупродуктов огром­ ные количества всех видов сырья, топливно-энергетических ре­ и воздуха. Расчет и оптимизация технологических режимов от­ дельных химико-технологических процессов (ХТП) и аппаратов данного производства могут привести к неоптимальным зна~­ ниям параметров технологических режимов и показателей эф­ фективности функционирования всей технологической установки, т. е. ХТС в целом.

Успешное решение важнейших задач ускорения научно-техни­ ческого прогресса в химической и указанных смежных отраслях промышленности - задач интенсификации и реконструкции дей­ ствующих производств, а также задач проектирования и ввода в эксплуатацию в кратчайшие сроки ресурсосберегающих эколо­ гически безопасных и высоконадежных производств - стало воз­ можныIM в результате широкого применения ЭВМ и бурцого развития с конца 1960 и начала 1970 г.г. нового научного на­ правления в области теоретических основ химической технологии и кибернетики химико-технологических процессов - сисmемmnех­ ники химических nроизводств, которое в англоязычной научно­ технической литературе называется «Process Systems El1gil1eeril1g» (в ряде случаев употребляется также название «Process El1gineerillg»;

в немецкоязычной технической литера туре - «Systemverfahrel1stechl1ik»).

Предметом изучения системотехники химических производств являются химико-технологические системы (английские назва­ ния - синонимы: «Chemical Process», «Process System», «Process», «Chemical Processil1g Systems», «Processing System»; по-немецки «Verfahrenstechnische Systeme»).

Необходимо подчеркнуть, что системотехника химических производств использует результаты научных исследований по типовым процессам химической технологии и оборудованию химических производств (английские понятия: «Ul1it operation», «ul1it equipmel1t»), которые являются предметом изучения научно­ направления - nроцессы Системотехника химических производств - молодая бурно развивающаяся область науки. Первый международный журнал по системотехнике химических производств «Process Engineering Magazine (РЕМ)>> начал издаваться в 1981 г. в Англии.

Первый Международный конгресс по системотехнике x:r-'.l ческих производств состоялся в 1982 г. в Японии (г. Токио);

второй-в 1985 г. в Англии (г. Лондон); третий-в 1988 г. в Авст­ ралии (г. Сидней); четвертый-в 1991 г. в Канаде (г. Монтебелло).

Первая Всесоюзная научная конференция «Математическое моделирование сложных ХТС ( состоялась в 1975 г.

(г. Ереван), а Всесоюзная научная конференция «CXTC-V»-B 1988 г. (г. Казань).

В книге обобщены: методы и алгоритмы анализа ХТС на основе использования системного подхода в химической техноло­ гии и различных классов топологических моделей (графов);

декомпозиционные методы решения многомерных систем урав­ нений математических моделей ХТС с учетом разреженности (неплотности) их информационной структуры, а также двухуров­ невые методы оптимизации ХТС.

Впервые подробно изложена методология поиска оптималь­ ных решений задач синтеза ресурсосберегающих ХТС, представ­ ляющих собой интеллектуальные творческие, или неформализуе­ мые, задачи; излагаются методы и алгоритмы автоматизирован­ ного синтеза (по-английски: «Computer Aided Synthesis»; по­ немецки: «Automatisierte Synthese») ресурсосберегающих ХТС на основе теории искусственного интеллекта.

Особое внимание в книге уделено описанию принципов созда­ ния специального программного обеспечения для автома тизиро­ ванного анализа и синтеза ХТС, которое позволяет инженеру химику-технологу в интеллектуальном диалоге с ЭВМ практичес­ ки решать разнообразные задачи проектирования и эксплуатации производств с целью повышения их экономической эффектив­ ности, надежности и экологической безопасности.

Основные теоретические вопросы поясняются практическими примерами расчета и оптимизации ХТС крупнотоннажных про­ изводств ряда неорганических и органических веществ. Показано применение методов и алгоритмов синтеза ресурсосберегающих ХТС дЛЯ автоматизированного проектирования (по английски:

«Computer- Aided Design»; по-немецки: «Automatisierte Projektirung - Automatisierter Entwurf») технологических схем хлорорга­ нических производств и установок первичной нефтепереработки с оптимальными удельными расходами сырья, ТЭР и конструк­ ционных материалов.

Излагаемый в книге теоретический материал поясняется ре­ шениями многочисленных задач, каждая глава завершается конт­ рольными вопросами и заданиями для самостоятельной работы, которые должны обеспечить при обретение читателем основных практических навыков.

При написании книги в довольно компактной форме отраже­ ны основные результаты оригинальных научных исследований авторов по ПРИНIJ,ипам разработки топологических моделей (графов) ХТС, по топологическим методам и алгоритмам опти­ мальной стратегии анализа ХТС,.по декомпозиционным принци­ пам автоматизированного синтеза оптимальных ХТС на основе теории искусственного интеллекта, по диалоговым эвристическо­ эволюционным методам синтеза ресурсосберегающих ХТС, ко­ торые получили международное признание.

В книге кратко обобll~ены материалы многолетних научных исследований по системотехнике химических производств, вы­ полненных крупными зарубежными и советскими учеными (1. М. Douglas, S. Bretsznaider, G. (Jгuhп, Е.1. Henley, D. М. Himmel- \ blau, У. Hlavacek, W. R. Jol1ns, С. J. King, R. W. Н. Sargent, Geo Stephanopoulos, Чэнь Б., О. W. Т. Rippin, D. А. Rudd, А. W. Westerberg, У. VaClavek, М. Ф. Нагиев, Г. М. Островский, В. Л. Перов, Ф. Б. Петлюк, Л. С. Попырин, Л. А. Серафимов).

Настоящая книга представляет собой учебник по одной из базовых дисциплин «Анализ и синтез ХТС'», которая изучается студентами химик о-технологических вузов по специальности «Основные процессы химических производств и химическая 25. кибернетика». Методика изложения материа.[Iа и использованные приемы обучения основаны на многолетнем опыте авторов по чтению лекций, про ведению семинаров и лабораторных занятий на кафедре кибернетики химико-технологических процессов Мос­ ковского ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени химико-технологического института им. Д. И. Менделеева.

Для изучения дисциплины «Анализ и синтез ХТС» студенты должны владеть основными знаниями по общеобразоваmеЛЫiЫJvt дисциплинам: высшая математика, вычислительная математика и программирование, применение ЭВМ в химической техноло­ гии; по инженерно-технологическим дисциплинам: процессы и ап­ параты химической технологии, общая химическая технология и основы промышленной экологии; автоматизация ХТП; по специальным дисциплинам: методы кибернетики ХТП, математи­ ческое моделирование и оптимизация ХТП - в объеме, предусмот­ ренном типовыми программами химико-технологических вузов.

В предлагаемом учебнике излагаются сведения по теории математического моделирования анализа и синтеза ХТС, кото­ рые имеют важнейшее значение при подготовке высококвалифи­ циpoBaHHыx инженеров химиков-технологов широкого профиля, способных творчески решать актуальные задачи ускорения науч­ но-технического прогресса в различных отраслях химико-лесного комплекса.

Книга рекомендуется для использования в качестве учебника студентам всех химик о-технологических специальностей как при углубленном самостоятельном изучении теоретических основ технологического проектирования химических производств, об­ щей химической технологии и основ промышленной экологии, так и при выполнении курсовых и дипломных проектов. Учебник может быть использован студентами специальностей: «Машины и аппараты химических производств» и «Автоматизация произ­ водственных процессов» при изучении дисциплины «Математи­ ческое моделирование производственных процессов».

Учебник может служить методическим руководством для преподавателей и аспирантов химико-технологических вузов и химических факультетов университетов, а также для слушателей Институтов повышения квалификации руководящих работников и специалистов химических отраслей промышленности.

Авторы убеждены, что наряду с этим книга может быть полезна инженерно-техническим и научным работникам научно­ исследовательских институтов, проектно-конструкторских и пус­ ко-наладочных организаций химической и смежных с ней отрас­ лей промышленности, занимающихся инженерно-аппа ра турным оформлением, расчетом и проектированием технологических схем ресурсосберегающих производств, а также разработкой специального программного обеспечения систем автоматизиро­ ванного проектирования (САПР) и АСУ ТП.

Доступность изложения теоретического материала, сравни­ тельная простота используемого математического аппарата, на­ глядность приводимых примеров и подробное описание про­ цедур решения разнообразных задач анализа и синтеза ХТС дают возможность заинтересованному читателю не только активно овладеть основными понятиями, принципами и методами систе­ мотехники химических производств, но также приобрести навыки их практического применения.

Авторы выражают благодарность научным сотрудникам, ин­ женерам и аспирантам научно-исследовательской группы «Ана­ лиз и синтез ХТС» кафедры кибернетики химико-технологи­ ческих процессов МХТИ им. Д. И. Менделеева, оказавшим не,­ оценимую помощь в подготовке рукописи книги к изданию.

Все пожелания и критические замечания, которые могут способствовать улучшению содержания учебника, будут с при­ знательностью приняты авторами.

ВВЕДЕНИЕ

Химико-технологическая система (ХТС) -это целенаправленная совокупность процессов, аппаратов и машин химической техно­ логии, которая обеспечивает проведение требуемых технологи­ ческих операций химической и физйческой переработки сырья в продукты потребления и в промежуточные ПрОJD'кты. Различ­ ного уровня сложности ХТС соответствуют либо тt!хнологичес­ ким блокам и технологическим узлам, входящим в состав технологических установок, либо производствам, т. е. техно­ логическим установкам в целом химической, нефтеперераба­ тывающей, газоперерабатывающей, нефтехимической и биохи­ мической промышленности. Познавательная и практичес­ кая деятельность инженеров химиков-технологов при решении задач эксплуатации, интенсификации и реконструкции действую­ щих производств, а также задач проектирования новых высоко­ эффективных производств связана с выполнением операций ана­ лиза, синтеза и оптимизации. Вначале кратко рассмотрим сущность познавательных операций анализа и синтеза.

Анализ как познавательная операция - это мысленное, а также часто и реальное расчленение (разложение, или декомпозиция) некоторого объекта (предмета, явления или процесса), свойства предметов или отношений (взаимосвязей) между предметами на некоторые части (элементы), признаки, характеристики, факторы.

Синтез как познавательная операция - это мысленное объеди­ нение в единое целое различных частей (элементов), свойств или сторон некоторых объектов; воссоединение целого из частей;

иногда под синтезом понимают процесс рассуждения или после­ довательного получения некоторого нового утверждения, кото­ рое должно быть доказано на основе ранее уже доказанных утверждений или аксиом.

Оптимизация - это целенаправленная деятельность, обеспечи­ Baющaя получение наилучших в определенном смысле результа­ тов при соответствующих условиях и ограничениях.

Кратко рассмотрим сущность практических инженерно-тех­ нических операций анализа и синтеза ХТС. Анализ ХТС как ХТС, расчет характеристик и показателей качества функциониро­ вания ХТС, определение влияния параметров ХТС на ее характе­ ристики.

Синтез ХТС как инженерно-техническая операция-это созда­ ние принципов и способа функционирования ХТС; разработка структуры ХТС, определение параметров и характеристик, вхо­ дящих в систему ХТП, которые обеспечивают требуемые цели функционирования ХТС.

Решение задач анализа и оптимизации ХТС, а также задач синтеза ресурсосберегающих ХТС возможно лишь при наличии математических моделей ХТС, которые в формализованном виде отображают не только физико-химическую сущность входящих в систему ХТП, но и особенности технологических взаимосвязей между отдельными ХТП, имеющими каждый в отдельности разные, а иногда и противоречивые цели функционирования.

Математическое моделирование ХТС - это метод изучения свойств некоторых реальных ХТС путем проведения вычисли­ тельных экспериментов с математическими моделями этих ХТС на ЭВМ с использованием различных вычислительно-логических алгоритмов.

Теория анализа и синтеза ХТС представляет собой научную базу для решения важнейших задач ускорения научно-техническо­ го прогресса в химических отраслях промышленности: реконст­ рукции действующих производств для повышения их эффектив­ ности; оптимизации технологических режимов производств с целью экономии сырья и ТЭР на предприятиях; проектирования ресурсосберегающих и экологически безопасных производств.

Наряду с этим методы анализа и синтеза ХТС как важнейшие компоненты методического и специального математического обеспечения отраслевых САПР и АСУ ТП позволяют получать оптимальные проектные решения в краткие сроки и интенсифици­ ровать технологические режимы действующих производств. В связи С этим развитие теории анализа и синтеза ХТС способст­ вует широкому применению ЭВМ в научных исследованиях, в проектировании и промышленности.

Методологией системотехники химических производств ~IВля­ ется системный подход в химической технологии.

Системный подход в химической технологии - это методоло­ гическое направление, основная цель которого состоит в разра­ ботке обlцей стратегии, а также неформализованных, или эврис­ тических~.и, формаЛИЗОЩlнцых,м,етодов комплексного исследова­ ния и создания сложных ХТП и ХТС разных типов и классов, Системный подход предполагает, что взаимосвязь и взаимодей­ ствие ХТП, входящих в некоторую ХТС. обеспечивают появле­ ние у этой ХТС принципиально новых свойств;..которые не присущи ее отдельным невзаимосвязанным ХIП~/ Системный подход основан на одном из важнейших законов диалектического материализма - законе всеобщей взаимосвязи, взаимодействия и взаимообусловленности явлений и объектов в мире и обществе.

Исходя из этого закона, любые изучаемые явления и объекты рассматриваются не только как самостоятельные системы, но и как подсистеМ_~I ~екоторой большей системы.

В последн~е,~ОД~I_сформировались следующие основные разделы с'истеМотехники химических производств: тео­