СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
УДК 66.013:001.8
ИЕРАРХИЯ ЗАДАЧ АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ МНОГОАССОРТИМЕНТНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ © 2014 г. А. Б. Борисенко, С. В. Карпушкин
Тамбов, Тамбовский государственный технический ун-т Поступила в редакцию 19.02.13 г., после доработки 22.01.14 г.
Предложена методика выполнения одного из этапов проектирования многоассортиментных химических производств — определения аппаратурного оформления технологических систем, предусматривающая формирование трехуровневой иерархической структуры задач: на верхнем уровне решается задача поиска параметров режима функционирования технологической системы, обеспечивающих требуемую производительность по продуктам; на среднем уровне — задачи выбора определяющих размеров и числа аппаратов, способов переработки партий продуктов для всех стадий системы; на нижнем уровне — задачи технологического и механического расчета отдельных аппаратов стадий. Декомпозиция задачи выбора оборудования технологической системы проектируемого производства на задачу поиска параметров режима функционирования системы и задачи выбора основного и вспомогательного оборудования каждой ее стадии позволяет заменить решение исходной задачи смешанного дискретно-нелинейного программирования решением одной задачи нелинейного программирования и задач дискретного программирования, количество которых соответствует числу стадий технологической системы, применить для решения задач известные методы оптимизации, существенно сократить затраты времени и повысить качество проектных решений. Определяются основные информационные связи между задачами разных уровней иерархии, приводятся общие постановки задач, алгоритм совместного решения задач верхнего и среднего уровней иерархии. В качестве примера задачи нижнего уровня иерархии рассматривается задача выбора и расчета механического перемешивающего устройства для вертикального емкостного аппарата.
Б01: 10.7868/80002338814030044
Введение. Аппаратурное оформление (АО), т.е. выбор типов, числа, геометрических размеров и параметров режима функционирования основных и вспомогательных аппаратов технологических систем (ТС), является ключевой проблемой проектирования нового химического производства и модернизации существующего с целью изменения номенклатуры и объемов выпуска продуктов. Наибольшие затруднения возникают при решении этой проблемы для многоассортиментных химических производств (МХП), примерами которых могут служить производства химических красителей и полупродуктов, добавок к полимерным материалам, фармацевтических препаратов, химических реактивов. К числу особенностей МХП относятся:
широкая номенклатура выпускаемой продукции при небольших объемах, коротких сроках выпуска большинства ее марок и, как следствие, проектирование многопродуктовых ТС, которые предназначены для выпуска нескольких продуктов, аналогичных по технологии синтеза;
частые изменения ассортимента и объемов выпуска продуктов, необходимость приспосабливать имеющееся оборудование для выпуска новых продуктов;
преимущественно периодический режим работы ТС этих производств (продукты выпускаются отдельными партиями, которые последовательно проходят все стадии переработки), при этом для реализации отдельных стадий могут быть использованы аппараты непрерывного действия, работающие в полунепрерывном режиме;
определяющее влияние параметров режима функционирования ТС (размеров партий продуктов, длительностей операций их переработки, продолжительностей циклов выпуска продуктов и др.) на АО стадий системы.
ТС МХП представляют собой совокупности обособленных аппаратурных стадий — установок, предназначенных для реализации физико-химических стадий процессов получения продуктов,
8
113
которые предусмотрены регламентами выпуска продуктов (подготовка сырья, химические превращения, выделение компонентов). Для них характерны широкий класс типов используемого технологического оборудования и видов реализуемых технологических процессов при далеко не полной информации о кинетических закономерностях и физико-химических характеристиках перерабатываемых веществ, неодинаковая степень загрузки технологического оборудования в различные периоды его работы.
АО ТС МХП является одним из этапов технологических расчетов при проектировании нового или перепрофилировании действующего производства на выпуск новой продукции. Основная задача этого этапа — выбор оборудования для каждой ТС производства, т.е. выбор определяющих геометрических размеров (рабочих объемов, рабочих поверхностей) и числа основных и вспомогательных аппаратов ее стадий, параметров режима функционирования ТС и оборудования ее стадий, которые обеспечивают требуемую производительность системы по каждому из продуктов заданного ассортимента. По окончании решения основной задачи для каждой ТС производства решаются задачи поиска оптимальных параметров конструкции и режима работы каждого основного и вспомогательного аппарата каждой стадии системы. В результате решения этих задач могут быть уточнены некоторые исходные данные основной задачи (материальные индексы, продолжительности операций на некоторых стадиях ТС) и принято решение о повторном выборе оборудования.
Большинство предложенных в научных публикациях вариантов постановки задачи выбора оборудования ТС МХП учитывают лишь некоторые из особенностей функционирования их аппаратуры (полный комплекс особенностей, влияющих на АО ТС, в том числе возможность изменения размеров партий продуктов в ходе их переработки, рассматривается в публикациях авторов данной работы). Кроме того, эта задача является задачей смешанного дискретно-нелинейного программирования (англоязычная аббревиатура — МШЬР), надежные эффективные методы решения которой до настоящего времени не разработаны.
Предлагаемая методика АО ТС МХП предусматривает декомпозицию основной задачи на поиск оптимальных параметров режима функционирования ТС (задача нелинейного программирования) и выбор оборудования каждой ее стадии (задачи дискретного программирования), т.е. предусматривает формирование трехуровневой иерархии задач: верхний уровень — задача поиска оптимальных параметров режима функционирования ТС, средний уровень — задачи выбора оборудования каждой ее стадии, нижний уровень — задачи оптимизации параметров конструкции и режима функционирования каждого основного и вспомогательного аппарата каждой стадии. При такой декомпозиции для решения задачи верхнего уровня необходимы некоторые результаты решения задач выбора оборудования стадий ТС, поэтому значения этих параметров приходится вначале прогнозировать, а затем уточнять в ходе итерационного процесса. Для выбора прогнозируемых значений используются разработанные нами условия разрешимости задач, методика проверки и обеспечения их выполнения.
Практическое применение методики возможно в проектных организациях, занимающихся проектированием МХП, а также в проектно-конструкторских подразделениях действующих предприятий для решения задач перепрофилирования ТС МХП на выпуск новой продукции.
1. Иерархия задач АО ТС МХП, информационные связи между ними. С середины 70-х годов прошлого века в научных публикациях в качестве основной задачи АО ТС МХП рассматривается задача выбора определяющих геометрических размеров и числа основных аппаратов каждой из стадий ТС, параметров режима функционирования системы в целом и оборудования ее стадий, которые обеспечивают выпуск каждого из продуктов заданного ассортимента в требуемом объеме в течение планового периода времени, см., например, [1—6]. К числу основных характеристик режима функционирования каждой конкретной ТС при выпуске каждого продукта относятся: размер партии продукта (масса партии, прошедшей все стадии переработки), а также длительность цикла выпуска продукта (промежуток времени между моментами окончания процессов получения двух его партий, выпускаемых одна за другой).
Заметим, что практически все математические формулировки основной задачи АО ТС МХП, представленные в отечественных и зарубежных публикациях, ориентированы только на основное оборудование стадий ТС (реакторы, фильтры, сушилки) и не включают соотношения для выбора вспомогательного. Между тем число вспомогательных аппаратов стадий ТС МХП существенно превышает число основных. Наиболее распространены мерники жидкого сырья, сборники промежуточных продуктов и отходов, насосы и теплообменники как выносные, так и встроенные в основные аппараты (рубашки, змеевики). Выбор вспомогательной аппаратуры
осуществляется по окончании выбора основной с использованием его результатов (параметров режима функционирования основных аппаратов стадий ТС).
Несмотря на существенные различия в постановках основной задачи АО ТС МХП, практически все авторы сходятся в том, что эта задача является задачей смешанного дискретно-нелинейного программирования. Основная проблема ее решения — это необходимость определения параметров режима функционирования ТС, изменяющихся непрерывно, вместе с дискретными характеристиками оборудования ее стадий. До настоящего времени среди разнообразных подходов к решению этой задачи, см. [1—9], отсутствует эффективный метод ее решения в достаточно полной постановке, учитывающей все основные особенности функционирования ТС МХП. Комплекс этих особенностей определен нами исходя из более чем 35-летнего опыта сотрудничества со специалистами в области проектирования и эксплуатации МХП, участия в проектировании и перепрофилировании десятков реальных производств:
структура материальных потоков ТС часто неодинакова при выпуске различных продуктов и может быть разветвленной (некоторые стадии переработки партий сырья и полупродуктов могут осуществляться параллельно);
продолжительности переработки партий продуктов на некоторых стадиях ТС (главным образом оснащаемых основными аппаратами непрерывного действия) зависят от размеров партий, определяющих размеров основных аппаратов и не могут быть зафиксированы предварительно;
операции загрузки/выгрузки основных аппаратов некоторых стадий ТС могут совмещаться с физико-химическими превраще
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.