Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Исследования по проблеме " гибкие много ассортиментные химические производства". современное состояние
1.1. Решение задач синтеза гибких многоассортиментных химических производств с позиций системного подхода 22
1.2.Оптимизация функционирования - как составная часть синтеза гибких многоассортиментных химических производств 31
1.3.Критерии, модели, методы и алгоритмы анализа и синтеза 34
1.4. Модульность построения - основа системного подхода при разработке энерго- ресурсосберегающих многоассортиментных химических производств 39
1.5.Создание гибких многоассортиментных химических производств модульного типа - задача системного анализа и синтеза 43
1.6.Системный анализ и характеристика объекта исследования 44
1.7.Цели и задачи диссертационной работы 51
Выводы к главе 1 52
ГЛАВА 2. Методологические основы определения гибкости оборудования много ассортиментных модульных периодических химических производств 55
2.1 .Гибкость - как показатель эффективности работы производства 59
2.2.Вопросы гибкости при проектировании 60
2.3.Основные этапы оценки гибкости многоассортиментных химических производств 62
2.3.1. Тест гибкости 63
2.3.1.1 .Метод идентификации потенциально активных состояний 68
2.3.1.2. Частные случаи постановки задачи теста гибкости (задачи Р2-Р4) 70
2.3.1.3.Алгоритм решения задачи теста гибкости 72
2.3.2.Индекс или количественная мера гибкости 73
2.3.2.1.Частные случаи постановки задачи количественного определения гибкости (задачи Р6-Р8) 75
2.3.2.2.Алгоритм и пример определения индекса гибкости 77
2.4.Стратегия изменения гибкости 82
2.4.1.Достижение заданной гибкости путем конструктивных изменений 83
2.4.2.Метод и алгоритм решения задачи 85
2.5.Оптимальная степень гибкости 93
2.6,Основные этапы синтеза оптимальных производств с учетом гибкости 96
Выводы к главе 2 100
ГЛАВА 3. Теоретические основы синтеза гибких много ассортиментных химических производств периодического действия модульного типа 101
3.1 .Разработка методики совмещения индивидуальных производств для выпуска продукции на единой технологической схеме 103
3.1.1.Ассортимент многопродуктовых химических производств и его классификация 105
3.1.2 . Анализ возможности совмещения производств 106
3.1.3.Формирование технологических и аппаратурных модулей 114
3.2 .Режимы функционирования многоассортиментных производств 121
3.2.1.Способы наработки ассортимента, их сравнительная характеристика 121
3.2.2.Мето дика выбора предпочтительного способа выпуска ассортимента 133
3.3.Разработка технологической структуры многоассортиментного производства 138
3.3.1.Согласование работы оборудования с помощью промежуточных емкостей. Разработка методики 139
3.3.2.Использование параллельных аппаратов в многоассортиментных производствах 150
3.3.2.1 .Теоретические исследования и обобщения 152
3.3.2.2.Разработка метода и алгоритма решения задачи использования параллельных аппаратов в многопродуктовых схемах 152
3.4.Методология оптимального выбора типового оборудования 163
3.4.1 .Разработка методики оптимального выбора оборудования 165
3.4.2.Пример выбора типового сушильного аппарата 168
3.4.3.Разработка состава и функциональной структуры системы автоматизированного подбора оборудования "Выбор" 173
3.5.Разработка состава и функциональной структуры библиотеки математических моделей типовых химико-технологических периодических процессов 177
3.5.1. Этапы построения математических моделей химико-технологических процессов 177
3.5.2.Блочно-модульный принцип построения математической модели жидкостного периодического реактора полимеризации 180
3.5.3.Гидравлический расчет аппарата - основа компоновочного решения аппаратурного модуля и производства 191
3.5.4.Разработка функциональной структуры банка математических моделей типовых периодических процессов и производств 196
3.6.Обобщенная задача синтеза многоассортиментных производств периодического действия 197
3.6.1.Математическая постановка задачи синтеза гибкого производства 198
3.6.2.Алгоритм решения задачи синтеза 203
3.7.Расписание работы гибкого производства - составная часть синтеза 208
3.7.1.Матричная форма представления расписания 212
3.7.2.Разработка метода составления расписания с учетом функции штрафов 216
3.7.3.Математическая постановка задачи оптимизации объемов выпуска 218
3.7.4.Алгоритм оптимизации объемов выпуска продукции 220
Выводы к главе 3 224
ГЛАВА 4. Программно-алгоритмическое и математическое обеспечение решения задач анализа и синтеза гибких много ассортиментных химических производств периодического действия модульного типа 226
4.1. Практические задачи синтеза оптимальных технологических схем многостадийных химических производств периодического действия 236
4.2.Автоматизированный синтез производств в модульном исполнении 249
4.3.Автоматизированная система математических описаний периодических процессов и совмещенных производств 253
4.4. Разработка автоматизированной системы "Синтез" 258
4.5.Практические аспекты синтеза многоассортиментных производств с учетом гибкости 270
4.5.1.Разработка методики определения гибкости оборудования и производства 270
4.5.1.1 .Постановка задачи определения гибкости 271
4.5.1.2.Выбор неопределенных и установившихся параметров 273
4.5.1.3 .Метод решения общей и частных задач 278
4.5.1 АПовышение гибкости проектируемого производства 284
4.5.2.Алгоритм решения задачи синтеза оптимальных производств с учетом гибкости 288
4.6.Экологическая экспертиза проектируемых и действующих химических производств. Система "Эколог" 293
4.7.Визуально-графическая поддержка проектирования гибких периодических производств модульного типа 309
4.8.Разработка состава и функциональной структуры компьютерно-интегрированной производственной химико-технологической системы
Выводы к главе 4 325
ГЛАВА 5. Разработка технологических схем гибких модульных многоассортиментных химических производств периодического действия
5.1 .Синтез оптимального гибкого производства органических реактивов 327
5.1.1 .Подбор аппаратов для гибкого производства 327
5.1.2.Анализ возможности совместного выпуска продуктов на единой технологической схеме 330
5.1.3.Классификация ассортимента на группы совместного выпуска 335
5.1.4.Алгоритм поиска структуры технологической схемы гибкого производства. 336
5.1.5.Синтез гибкого производства с одновременным составлением календарного плана выпуска продукции 339
5.1.5.1.Структурно-параметрический синтез 341
5.1.5.2.0птимизация объемов выпуска продукции 346
5.2.Разработка оптимального совмещенного производства сульфанила мидных препаратов 353
5.2.1.Анализ возможности совмещения производств получения лекарственных препаратов 353
5.2.2.Построение гибкого модульного производства 360
5.2.3.Математическая постановка задачи и алгоритм синтеза совмещенного производства 367
5.2.4,Оптимизация выпуска лекарственных препаратов 376
5.2.5.Поиск оптимальной структуры совмещенного производства с учетом гибкости 382
5.3. Разработка гибкой блочно-модульной установки регенерации органических растворителей 393
Выводы к главе 5 399
Заключение 401
Библиография 405
- Решение задач синтеза гибких многоассортиментных химических производств с позиций системного подхода
- Частные случаи постановки задачи теста гибкости (задачи Р2-Р4)
- Анализ возможности совмещения производств
- Практические задачи синтеза оптимальных технологических схем многостадийных химических производств периодического действия
Введение к работе
В химической и смежных отраслях промышленности за рубежом на периодические и полунепрерывные технологические процессы проходится около 70 %. Причем большинство из них составляют много ассортиментные (много продуктовые) производства различных отраслей химической промышленности: органические красители и лакокрасочные материалы, химические реактивы и особо чистые химические вещества, катализаторы, пестициды, синтетические лекарственные средства, продукты бытовой химии, кино-фотоматериалы, парфюмерные и косметические изделия)
Много ассортиментным химическим производствам присущ ряд особенностей, заключающихся в обширной номенклатуре выпускаемой продукции при небольшом валовом выпуске, сложность технологической структуры производства, преимущественно периодический способ организации технологических процессов и т. п. В много ассортиментных химических производствах с часто сменяемым ассортиментом продукции наибольший экономический эффект достигается за счет применения гибких автоматизированных производственных систем, которые должны обладать способностью с высокой степенью маневренности и минимальными затратами материальных и энергетических ресурсов автоматически перестраиваться на выпуск новой продукции и переработку новых видов сырья, быстро приспосабливаться к изменениям состава и поставок сырья и отгрузки продукции, состоянию технологического оборудования, спроса и рыночных цен на готовую продукцию, обеспечивая при этом высокое качество продукции, ритмичность работы и повышение коэффициента использования оборудования, повышение надежности технологических схем и высвобождение из сферы производства значительного количества обслуживающего персонала.
Гибкость технологической структуры много ассортиментного производства обусловлена периодическим способом организации технологических процессов и обеспечивается перенастройкой функционирования технологического оборудования, а также за счет формирования новой структуры связей между технологическим оборудованием.
Гибкость производства достигается модульным принципом построения, инвариантностью (относительной независимостью) химико-технологического процесса и его аппаратурного оформления, а также способом организации технологических процессов. Гибкость определяется способностью оборудования выполнять несколько технологических задач за счет переменных технологических маршрутов получения за 9
данных веществ при незначительных затратах на переналадку оборудования (остановка на промывку оборудования, пере коммутация трубопроводов и т. д.). Однако, и в таких условиях выпуск продукции заданного количества требуемого состава должен быть гарантирован. Вот почему в последние годы в отечественной и зарубежной практике идет активная разработка теоретических вопросов организации совмещенных и гибких химических производств, выпускающих широкую гамму технологически подобных продуктов.
Для малотоннажных производств химической и смежных отраслей промышленности характерен широкий обновляющийся ассортимент продукции. Такие производства организованы преимущественно по периодическому способу. Основной путь повышения их технико-экономической эффективности - организация совмещенных гибких производств, использование блочно-модульного оборудования многофункционального назначения, что позволяет проектировать новые производства с учетом перспективного изменения номенклатуры продукции и размещать дополнительный ассортимент на оборудовании действующих.
Важнейшей задачей химической и смежных отраслей промышленности является создание ресурсо- и энергосберегающих производств на стадии проектирования и повышение эффективности использования капитальных вложений, материальных и энергетических ресурсов производств на стадии их эксплуатации.
Следует отметить, что многоассортиментность может быть обеспечена как для непрерывных (зачастую крупнотоннажных) производств, так и для дискретных и дискретно-непрерывных малотоннажных химических производств.
Многоассортиментные химические производства функционируют в условиях неопределенности, которая может быть вызвана случайным характером изменения возмущающих воздействий или недостаточностью знаний об объекте.
Разработанные академиком В.В. Кафаровым и учеными его школы принципы и методы кибернетической организации и стратегия системного анализа и синтеза позволили создать научные основы разработки и оптимального функционирования многоассортиментных химических производств.
Оптимальное функционирование многоассортиментных химических производств обеспечивается принятием адекватных решений, в соответствии с изменением целей, стратегии, алгоритмов и автоматизированных систем моделирования, оптимизации и синтеза в сложных производственно-экономических ситуациях с учетом технологических, экономических, социальных и экологических критериев и ограничений. До настоящего времени системному исследованию этих производств и разработке методов повышения их эффективности должного внимания не уделялось. Вопросы моделирования, а также анализа и синтеза производств периодического действия и периодических процессов, являющихся технологической и организационной базой гибких многоассортиментных производств, должного отражения в литературе не нашли. Поэтому автор исследовал периодические процессы и системы с позиций системного анализа.
При этом необходимо было сформулировать и решить ряд принципиально новых теоретических и практических задач разработки оптимальных гибких химических производств в условиях неопределенности.
В этой связи в работе была поставлена цель. Развить методологию системного подхода к исследованию многоассортиментных химических производств периодического действия, разработать математические модели, методы и универсальные методики анализа и синтеза модульных производств с учетом гибкости.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработка методологии оценки гибкости модульных многоассортиментных химических производств.
2. Разработка стратегии достижения заданной, максимальной и оптимальной гибкости многоассортиментного производства.
3. Разработка теоретических основ, моделей и методов решения общей и частных задач синтеза многоассортиментных производств с учетом гибкости.
4. Разработка универсального математического и программно-алгоритмического обеспечения для решения задач исследования и проектирования гибких производств.
5. Разработка состава и функциональной структуры компьютерно-интегрированного химического производства.
Настоящая диссертационная работа выполнялась в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ АН СССР по направлению «Теоретические основы химической технологии» на 1986-1990 г.г.; целевой комплексной НТП О.Ц.047 «Автоматизация в отраслях народного хозяйства на базе микропроцессорной техники машин, оборудования и технологических процессов во всех звеньях производства» на период 1985-1990г.г.; целевой комплексной НТП 0.80.02 "Создать и ввести в эксплуатацию системы автоматизированного производства и управления в народном .хозяйстве на основе интеграции автоматизированных систем управления различного уровня, применения вычислительной техники и микропроцессорных средств" на период 1985-1990г.г.; государственной НТП «Ресурсосберегающие и экологически чистые процессы в металлургии и химии». Направление «Малотоннажные химические производства» на период 1990-1995г.г. и межвузовской НТП "Теоретические основы химической технологии" на период 1990-1995г.г.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения.
Во введении обосновывается актуальность, научная новизна и практическая ценность результатов диссертационной работы. Сформулированы цели, основные направления исследований и положения, выносимые на защиту.
Глава 1 посвящена исследованиям по вопросу "Гибкие многоассортиментные химические производства периодического действия", где проводится анализ и оценка современного состояния проблемы. Здесь рассмотрены существующие подходы к синтезу многоассортиментных гибких химических производств периодического действия (методы, критерии и алгоритмы), их функционирование (методы составления расписания и вопросы календарного планирования и оперативного управления), модульный принцип построения производств, вопросы гибкости оборудования и химико-технологической системы (ХТС) в целом, идеи построения и использования систем автоматизированного проектирования (САПР).
Выявлены общие и отличительные особенности многоассортиментных химических производств дискретно-непрерывного действия с точки зрения технологии и организации.
Установлено, что перспективным направлением структурно-параметрического синтеза является модульный подход, заключающийся в формировании аппаратурных модулей, предназначенных для реализации в них одного или нескольких одностадийных процессов, работающих автономно или в составе ХТС, и обеспечивающих возможность выпуска ассортимента по переменным маршрутам.
Проведенный анализ позволил сформулировать новый обобщенный подход к анализу и синтезу гибких производств, заключающийся в декомпозиции проблемы синтеза на 9 относительно независимых этапов.
Установлено, что практически все выполненные ранее исследования посвящены отдельным, хотя и важным, но все же частным вопросам. Нами же поставлена и решена задача развития методологии нового направления анализа и синтеза многоассортиментных химических производств периодического действия модульного типа с учетом гибкости.
Глава 2 посвящена развитию методологии и разработке методики определения гибкости оборудования и много ассортиментного химического производства периодического действия модульного типа.
Гибкость - одна из важнейших характеристик химических производств, характеризующая способность системы к переориентации как отдельных элементов, так и всего производственного комплекса на выпуск другой продукции или переработку других видов сырья.
Оценка функционирования системы и ее гибкости осуществляется в едином пространстве технологических и конструктивных параметров и управляющих переменных с учетом неопределенности параметров системы и ограничений на них.
Для оценки гибкости модулей предложен подход, включающий два этапа.
1. Тест гибкости или оценка способности модуля или ХТС реализовать все требуемые химико-технологические процессы производства продуктов ассортимента.
2. Индекс гибкости - определение количественной меры гибкости модуля или системы.
Тест гибкости заключается в определении максимального диапазона изменения технологических параметров, при сохранении работоспособности системы в допустимой области функционирования. По тесту гибкости оценивается пригодность оборудования для реализации требуемых технологических процессов. Сформулирована общая и частные задачи теста гибкости и разработан метод решения, использующий стратегию активных состояний. Подобная стратегия позволяет уменьшить количество уравнений в исходной задаче и при поиске решения использовать лишь необходимое и достаточное их количество.
Для поиска активных состояний разработана методика их определения и сформулированы эвристические и практические правила и приемы, упрощающие решение. При реализации второго этапа определяем количественно величину гибкости или индекс гибкости.
В диссертации разработаны алгоритмы решения задач теста и индекса гибкости, с использованием стратегии активных состояний. Приведены примеры определения гибкости оборудования.
Теоретические исследования и практическое решение конкретных задач позволили предложить основные пути повышения гибкости: варьирование допустимого диапазона изменения технологических параметров; изменение состава и связей аппаратов в модуле; модификация маршрута получения продукта и изменение конструктивных параметров оборудования.
Установлено, что радикальным способом воздействия на гибкость является изменение конструктивных параметров оборудования. Автором разработан метод нахождения конструктивных параметров и их изменений, которые приводят к желаемому (максимальному) значению индекса гибкости (F=l).
Разработка модулей с заданной (максимальной) гибкостью приводит к существенному увеличению затрат на ее достижение. В работе сформулированы математическая постановка задачи, критерий, разработан алгоритм и метод решения, а также приведен пример определения оптимальной гибкости.
Разработанный подход определения оптимальной величины гибкости проиллюстрирован на примере аппаратурного модуля (AM) химического превращения. Практическое применение метода показало его пригодность для любых типов AM. Математическая формулировка задачи не изменяется, меняется лишь вид уравнений и их количество.
В заключительной части настоящей главы сформулированы основные этапы и разработана методика решения задачи синтеза много ассортиментного химического производства модульного типа с учетом гибкости, сопровождаемая примерами и практическими рекомендациями решения конкретных задач каждого этапа.
Глава 3 диссертации посвящена разработке математических моделей, алгоритмов, методов и методик решения задач анализа и синтеза много ассортиментных производств с учетом гибкости.
В работе сформулирована обобщенная математическая постановка задач анализа и синтеза много ассортиментного химического производства с учетом гибкости, позволяющая в зависимости от цели исследования решать следующие задачи: синтез по различным критериям (затраты, общее время выпуска, гибкость), составления расписания и т.п.
Для успешного решения задачи синтеза по обобщенной математической модели необходимо оценить совместимость ассортимента и выполнить поиск оптимальной технологической схемы гибкого производства.
Задача совместимости ассортимента решается следующим образом: оценивается принципиальная возможность совмещения; формируются технологические и аппаратурные модули; выбирается необходимое оборудование в составе модулей; определяется гибкость аппаратурных модулей.
Для оценки возможности выпуска продукции на единой технологической схеме разработана методика совместимости индивидуальных производств по 4 основным группам признаков. Совмещение производств оценивается качественно и количественно с учетом неравнозначности групп признаков. По его результатам принимается решение о возможности совмещения.
Процесс формирования технологических модулей (ТМ) заключается в выборе типа модуля по целевому назначению стадий и формирования требований к AM. Формирование AM проводится исходя из информационного описания соответствующих ТМ. В диссертации сформулированы основные положения модульного подхода и разработаны алгоритмы формирования модулей для проектируемых и действующих производств.
Для реализации технологических условий получения продуктов ассортимента необходимо выбрать наилучшим образом основное и вспомогательное оборудование в составе AM. Обычно этот вопрос решается сугубо индивидуально и зависит от опыта и интуиции исследователя-разработчика. Нами на основе анализа и обобщения существующих подходов к выбору оборудования сформулирован обобщенный метод, включающий три этапа:
1.Анализ и сравнение конструкционно-функциональных признаков (КФП) процесса и аппарата.
2.Оценка конструкции аппарата по экспертным оценкам.
3.Выбор оборудования на основе математических моделей. Такой метод позволяет наилучшим образом выбрать оборудование гибкого производства. Определение гибкости AM завершает этап оценки совместимости ассортимента. Гибкость не только характеризует универсальность оборудования, но и гарантирует работоспособность (функционирование в допустимой области!). В диссертации приведен пример определения гибкости модуля химического превращения, как наиболее распространенного.
После оценки совместимости приступаем к структурно-параметрической оптимизации синтезируемой схемы. Заметим, что синтез представляет смешанную дискретно-целочисленную задачу нелинейного программирования с ограничениями. Основным ограничением является плановый срок выпуска продукции. В работе получены соотношения для расчета времени выпуска ассортимента для традиционных способов (последовательный, циклический и группами) и обобщающее соотношение. Знание способа выпуска продукции существенно упрощает задачу синтеза. В диссертации разработана оригинальная методика предварительного выбора способа с учетом различных показателей качества работы схемы (критерии) и их взвешенных оценок без расчета самой схемы.
В общем случае выпуск ассортимента произволен, а это по существу вопрос составления расписания. Для составления расписания гибкого производства в диссертации разработана простая и эффективная матричная форма представления выпуска ассортимента. Элементы матрицы характеризуют количество производимой продукции, а движение по строкам и столбцам матрицы позволяет получать варианты расписания. Особенность метода в простоте реализации и высокой эффективности.
При структурно-параметрической оптимизации велика роль начального приближения. В нашем случае начальное приближение - это исходная структура технологической схемы (состав и связи). В работе выполнен анализ возможных вариантов использования параллельных аппаратов и согласующих емкостей в гибких производствах, выведены правила определения их местоположения и расчетные соотношения для определения размеров.
Решение задачи синтеза осуществляется в два этапа. На первом - оптимизация схемы с учетом гибкости, на втором - оптимизация функционирования синтезированной схемы производства.
Для структурно-параметрической оптимизации схемы разработан итерационный метод направленного перебора с использованием эвристических правил. В результате поиска получаем оптимальную структуру и оптимальные размеры оборудования. Здесь же представлена математическая формулировка задачи второго этапа и существо разработанного алгоритма решения задачи составления оптимального календарного плана (КП) работы производства по критерию прибыли. В результате решения получаем не только оптимальную технологическую схему производства, но и одновременно оптимальный КП выпуска продукции.
Таким образом, в предыдущих главах работы сформулированы и развиты методологические и теоретические основы, модели, алгоритмы и методы решения задач анализа и синтеза много ассортиментных химических производств с учетом гибкости.
Четвертая глава диссертационной работы посвящена разработке программно-алгоритмического обеспечения для анализа и синтеза оптимальных гибких химических производств. Все программные продукты реализованы в виде проблемно и методо-ориентированных прикладных программ и соответствующих баз данных.
Разработана методика анализа совместимости индивидуальных производств, методы и алгоритмы формирования аппаратурных модулей, оформленные в виде автоматизированной информационно-поисковой системы "Модуль". В работе рассмотрена методология формирования AM на примере модуля химического превращения с перемешиванием и теплообменом.
Для удобства работы с математическими моделями создана автоматизированная система "Модели". Каждое из приложений системы ("элементарные" операции и типовые процессы) включает теоретические положения; математическую модель и пример расчета; исходный текст программы на языке оригинала; откомпилированный ЕХЕ-файл; описание порядка общения с системой и его конкретного приложения. Система предусматривает возможность дополнения базы новыми процессами, математическими моделями и программами для расчетов.
Методика выбора основного и вспомогательного оборудования реализована в виде автоматизированной системы "Выбор", являющейся открытой для расширения ее возможностей (пополнение библиотеки типовых процессов и типовых аппаратов для их реализации).
Теоретические положения оценки гибкости воплощены в реальные программы, оформленные в виде оболочки многоуровневой системы "Гибкость", позволяющей автоматизировать процесс решения задачи оценки гибкости оборудования много ассортиментного химического производства (формирование основных балансовых соотношений и ограничений на переменные, формализация процесса построения математической модели, модификации гибкости путем конструктивных изменений, определение активных состояний и формирование активных выражений, решение задачи определения гибкости и др.).
В связи со сложностью проблемы и множества вопросов и частных задач, а также для удобства использования имеющегося обширного программно-алгоритмического обеспечения, разработана структура автоматизированной системы "Синтез", предусматривающей целевое обращение к готовым приложениям (ЕХЕ- файлы). Система включает формирование исходных данных для синтеза; расчет простоев оборудования; локализацию согласующих емкостей; классификацию ассортимента на группы независимого выпуска; структурно-параметрический синтез оптимальной совмещенной или гибкой схемы; составление оптимального расписания работы гибких производств; оптимизацию объемов выпуска продукции; подсистему выбора оборудования в составе модулей; библиотеку типовых математических моделей периодических процессов.
Автоматизированная подсистема "Эколог" позволяет оценить выбросы вредных веществ работающего оборудования и их распространение в атмосфере.
Для автоматизированного построения технологической схемы гибкого производства в модульном исполнении, созданы банки типовых конструкционных элементов графических изображений модулей и программных средств выбора и связи отдельных модулей в единую технологическую схему (автоматизированная подсистема "Графика").
В диссертации разработана функциональная структура комплекса программ для анализа и синтеза гибких производств и их взаимодействие при решении конкретных задач.
Разработанное методологическое, математическое и программно-алгоритмическое обеспечение использовалось для решения конкретных задач анализа и синтеза много ассортиментных химических производств.
Пятая глава посвящена практической реализации теоретических исследований диссертационной работы.
Решение задачи синтеза и последующего функционирования гибкого производства выполнялось на основе предложенных моделей и методов и разработанного программно-алгоритмического обеспечения на примере следующих производств: • совмещенное производство лекарственных препаратов сульфаниламидной группы;
• много ассортиментное производство органических химических реактивов (4,8-диаминоантраруфин, 2-амино,4-нитроанизол, 2-хлор,4,6-динитроанилин и перметри-новая кислота);
• регенерация отработанного моноэтаноламина в производстве больших интегральных схем.
Методы исследований. В работе использованы математический аппарат и методы системного анализа, линейного, нелинейного и смешанного дискретно-целочисленного программирования.
Достоверность полученных результатов подтверждается теоретическими доказательствами и проверкой по результатам экспериментальных исследований, внедрений и математического моделирования. Научная новизна.
1 .На основе системного подхода развита методология анализа и синтеза многоассортиментных химических производств периодического действия с учетом гибкости.
2.Разработана методика определения гибкости аппаратурных модулей и производства, а также стратегия достижения заданной, максимальной и оптимальной гибкости, позволяющая расширить функциональные возможности оборудования.
3.Сформулировано и развито новое направление исследования модульных производств периодического действия, заключающееся в определении их универсальности или гибкости, позволяющей с минимальными затратами выбрать конструкцию оборудования, оценить его пригодность для совмещенного производства, оценить возможность реализации в аппарате нового химико-технологического процесса, гарантировать работоспособность оборудования при изменении цели функционирования, повысить производительность, снизить затраты и определить размеры оборудования.
4.Разработаны теоретические принципы совместного выпуска ассортимента на гибких технологических схемах модульного типа, используемые в малотоннажных много ассортиментных производствах.
5.Разработан метод решения задачи синтеза гибкого производства, позволяющий не только определить оптимальную структуру и оптимальные размеры оборудования, но и разработать оптимальный календарный план выпуска продукции. 6. Разработаны и реализованы программно алгоритмы: моделирование режимов работы периодических аппаратов и производства; выбор аппаратурного оформления технологических стадий; определение местоположения и размеров емкостей, необходимых для согласования работы соседних аппаратов и схемы в целом; установка параллельных аппаратов на стадиях и способ их включения в работу; определение требуемого типа аппарата и его размеров; выбор оптимальных маршрутов получения продуктов; математическая постановка задачи оценки гибкости сложного оборудования, ее повышения и оптимизации; формализация процедуры формирования типов и аппаратурного состава модулей и их графического представления; математическая постановка задачи формирования групп независимого выпуска продуктов; синтез оптимальных технологических схем с учетом гибкости; расчет выбросов вредных веществ в атмосферу при различных режимах работы оборудования, а также математическая формализация задачи классификации жидких стоков производства, на основе которой разрабатывается гибкая схема регенерации и очистки.
Разработан комплекс проблемно и объектно-ориентированных прикладных программ для решения задач моделирования и синтеза гибких химических производств (ГХП): "Модуль", "Выбор", "Перемешивание", "Модели", "Гибкость", "Синтез", "Эколог", "Графика".
Практическая значимость. Разработанные в диссертации методы и алгоритмы решения как частных задач анализа (расчет простоев оборудования, оценка эффективности теплового режима работы аппаратов, установка параллельных аппаратов и согласующих емкостей, организация рециклов для возврата в производство регенерированных растворителей и оборотной воды, оптимизация способа выпуска ассортимента, составление оптимального расписания и т.д.), так и общей задачи синтеза с учетом гибкости и одновременного составления оптимального плана работы схемы, представляют теоретическое и практическое значение и рекомендуются для разработки проектируемых и реконструкции действующих производств.
Разработка совмещенного производства с учетом гибкости позволяет снизить приведенные затраты на стадии проектирования -на 29,3%, а расчет величины гибкости действующего совмещенного производства показал возможность снижения приведенных затрат на 2% без изменения структуры схемы и размеров оборудования.
Внедрение гибкой блочно-модульной установки регенерации органических растворителей позволило вернуть в технологический процесс производства больших интегральных схем до 80% отработанного моноэтаноламина.
Результаты теоретических и экспериментальных работ нашли применение при анализе и синтезе совмещенного производства сульфаниламидных препаратов; гибкого производства органических реактивов; разработке гибкой блочно-модульной установки регенерации моноэтаноламина; совмещенного производства получения арбидола и эмоксипина; совмещенного производства получения лидокаина гидрохлорида и тетриндола; производства тетрациклина, с получением экономического эффекта 2 721,219 тыс.руб в год, за счет снижения себестоимости проектных разработок и увеличения производительности.
Теоретические и практические разработки широко используются в учебном процессе при подготовке студентов специальности 25 18 04 специализации "гибкие автоматизированные производственные химико-технологические системы" при чтении специальных дисциплин, выполнении научно-исследовательских и дипломных работ студентов и составили материал 2-х учебных пособий, являющихся базовыми разделами курсов "Математическое моделирование и методы синтеза гибких химических производств" и "Компьютерно-интегрированные системы проектирования гибких химических производств".
Рекомендации по использованию. Теоретические разработки, алгоритмы и программные продукты переданы в РНЦ Госнии «ИРЕА», гипрониимедпром, ЗАО "Научно-техническая фирма Корона- лак", ОАО "Ангстрем", где используются для анализа работы и проектирования гибких блочно-модульных установок и много ассортиментных химических производств периодического действия. Теоретические и методические разработки могут использоваться в научных и проектных организациях химической и смежных отраслях промышленности, а также в высших учебных заведениях химического и химико-технологического профиля.
Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Всесоюзной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов» (Москва, 1989г.), Всесоюзной конференции «Реахимтехни-ка-3» (Днепропетровск, 1989г.), Международных конференциях молодых ученых по химии и химической технологии «MKXT-V», «MKXT-VI» «MKXT-VII», МКХТ-95, МКХТ-97, МКХТ-98 (Москва, 1991,1992,1993,1995,1997,1998гг.), XXV, XXVI и XXVII научно-технических конференциях молодых ученых МХТИ имени Д.И. Менделеева (Москва, 1989, 1990, 1991 г.), Всероссийской конференции «Математические методы в химии » ММХ-8, ММХ-9, ММХ-10, ММХТ-11, ММТТ-12 (Тула, 1993г; Тверь, 1995; Тула, 1996; Владимир, 1998; Вел.Новгород,1999), ММТТ-2000. С-Петербург, ММТТ-ХУ.Тамбов,2002, IV Международной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов (KXTI1-IV-94)» (Москва, 1994 r.),Process Control "РС 96, РС 98" (Czech. Republic, 1996 и 1998 г.г.), XVI Международной конференции молодых ученых. М., РХТУ. 2002, отчетной конференции по подпрограмме N203 "Химия и химические продукты". НТП "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" за 2001 год. М., РХТУ. 2002, Международной конференции "Инженерная защита окружающей среды".М.МГУИЭ. 2002, Международной научно-практической конференции "Информационные технологии в науке и образовании". Шахты, 2002, "Совершенствование организации научных исследований по тематическим планам высших учебных заведений Мин образования России за 1999-2001 годы. М, РХТУ. 2002.
Таким образом, в диссертационной работе решается важная научная теоретическая и прикладная проблема по развитию методологических основ определения гибкости, разработке теоретических принципов, стратегии, новых методов, численных алгоритмов и автоматизированных подсистем для анализа и синтеза гибких много ассортиментных химических производств периодического действия модульного типа в условиях неопределенности исходной информации и целей функционирования и на защиту выносится следующий круг вопросов:
1. Разработка методологии оценки гибкости отдельных модулей и много ассортиментных химических производств.
2. Разработка стратегии достижения заданной и оптимальной гибкости много ассортиментного производства при минимальных затратах.
3. Развитие теоретических основ, моделей, алгоритмов и методов решения задач моделирования и проектирования гибких производств.
4. Разработка математического и программно-алгоритмического обеспечения для анализа и синтеза гибких производств.
Решение задач синтеза гибких многоассортиментных химических производств с позиций системного подхода
В данном разделе диссертации представлен системный анализ исследований по вопросам синтеза многоассортиментных химических производств. В настоящее время в химической и смежных с ней отраслях промышленности широко представлены гибкие многоассортиментные производства, ориентированные на выпуск широкого спектра продукции. К таким производствам относятся производства химических реактивов, лакокрасочных материалов, кинофотоматериалов, продукция химико-фармацевтической промышленности и др.
Многоассортиментность и малотоннажность перечисленных производств обусловливает тенденцию развития гибких и совмещенных технологических систем. Вопросами их организации занимались зарубежные и отечественные ученые. Среди отечественных следует отметить Кафарова В.В.[1-5], Макарова В.В.[1-3,6,7], Островского Г.М. [8-Ю], Бодрова В.И.[11-13], Дворецкого СИ. [14], Малыгина Е.Щ15], Бессарабова А.М.[16] , Шарикова Ю.В.[17], Егорова А.Ф. [18]. Среди зарубежных в этой области известны Гроссманн И.Е.[19-21], Риппин Д.В.ТГ22-25], Реклайтис Ж.В.[26,27], Сухами И. и Мах Р.С.Х.[28], Карими Л.А.[29], Задорский В.М.[30-31], Фам Куанг Баг [32], Нгуен Суан Нгуен [33] и др.[34-39] В отечественной науке вопросам создания гибких многоассортиментных производств химических реактивов посвящены работы Лысенко А.Ю. [40], Протасовой Л.В. [41], Малышева P.M. [42], Викулиной Т.Щ43], Козловой М.А.[44]; синтетических красителей - Кадосовой Е.С. [45], Макарова В.В [6], Сбоевой Ю.В. [46]; лекарственных препаратов - Савицкой Т.В. [47] и др.[48,49].
Первые публикации по вопросам организации, моделирования и проектирования гибких химических производств появились лишь в начале 80-х годов [50-66]. Эти работы рассматривали основные положения общей теории разработки таких производств: системного подхода [67-69], метода декомпозиции [70-72], методов моделирования [73,74], оптимизации [75-81] и проектирования [82-85], а также моделирования и синтеза в условиях неопределенности целей и задач [86-91].
Важнейшим этапом создания гибких производственных систем является синтез, в процессе которого определяется, так называемый, базовый набор технологического оборудования, формируется оптимальная технологическая и организационная структура системы и оптимизируется ее аппаратурное оформление. Вопросы синтеза решаются для индивидуальных, совмещенных и гибких производств фиксированного и переменного ассортимента [2]. Следует выделить два направления синтеза: структурный и структурно-параметрический.
В результате структурного синтеза формируется структура совмещенной или гибкой химико-технологической системы (ХТС), реализуемая на выбранных типах оборудования. Синтезу структур посвящены работы [2,28,41,50,92,93-97]. В ходе структурного синтеза решаются следующие задачи: о назначении аппаратурного оформления технологическим стадиям [2,28,92,93]; классификация ассортимента на группы путем объединения продуктов с аппаратурно различающимися технологическими стадиями [2,28,92-97].
Задача о назначении предполагает решение вопроса о подобии технологических стадий и инвариантности технологических стадий и их аппаратурного оформления. То есть проверяется возможность реализации технологически подобных стадий на различном оборудовании. В работах [41,48,50] даются критерии оценки подобия технологических стадий и степени пригодности аппарата для реализации в нем технологического процесса с учетом весовых коэффициентов значимости признаков информационных описаний технологических стадий и аппаратурного оформления.
Наличие в схемах аппаратурно-подобных технологических стадий позволяет организовывать производства с перестраиваемой структурой (с элементами гибкости) [48,50,93].
Классификация ассортимента на группы по общности используемого оборудования сводится к решению двух задач: определение групп продуктов для их совместного (одновременного) выпуска; организация выпуска групп продуктов.
В группы объединяются продукты, не использующие одинаковое оборудование, что позволяет организовать одновременный выпуск продуктов и различные последовательности выпуска групп. Это дает возможность, в зависимости от спроса на тот или иной вид продукции, в определенные плановые периоды времени нарабатывать заданные количества продуктов ассортимента фиксированного состава. Проблема объединения продуктов в группы рассмотрена в работах [13,28,43,94,96,97].
В [28,94,95] рассмотрены возможные маршруты выпуска, а в [95] задача группировки ассортимента рассматривается с точки зрения оптимального расписания выпуска продукции. Возможны способы выпуска продуктов в полном объеме и партиями. Критерием оптимизации выпуска ассортимента является общее время выпуска. Автором рассмотрены случаи разбиения планового срока выпуска на периоды, в каждый из которых выпускается группа из двух продуктов партиями, и дробления партий с целью выпуска их в различных периодах при неизменном составе групп. В работе [43] предлагается группировка ассортимента по аппаратурной независимости, а в [96] - по аппаратурной и временной независимости одновременно. Таким образом, классификация ассортимента по общности используемого оборудования позволяет организовать последовательно- параллельный выпуск продукции.
В результате реализации структурного синтеза определяется аппаратурный состав и связи многоассортиментного производства. Это направление применимо для фиксированного ассортимента и схем с неполным совмещением стадий (с элементами гибкости). Однако структурный синтез не решает проблему синтеза полностью, так как не позволяет определить размеры оборудования. Этот недостаток отсутствует в структурно-параметрическом направлении синтеза. Структурно-параметрическому синтезу посвящены работы [1-3,22,24,26,28-32,41,47,93-96,104-106,107-119,121-133,135,136,137-139-143,146,147]. Тематически эти исследования рассматривают следующие вопросы: синтез структур, состоящих из аппаратов только периодического [22,24,33,104-105,117,133,139 143] или периодического и полунепрерывного действия [1,2,26,127]; модификация структур за счет установки на стадиях параллельных аппаратов одинаковых или разных объемов [112,116-126]; создание структур с непосредственным соединением стадий [26,41] и согласование работы стадий через промежуточные емкости [29,41,102,103,107 118,127,137-138]; вопросы организации выпуска ассортимента [22,26,108,118119,122,124- 133,144-145,148-151]; вопросы моделирования и оптимизации синтезируемых структур по различным критериям [1-3,26,28,47,93,107-109,116,118,121,123,127,132,133,152,153]; оценка гибкости оборудования [31,40,47,133-136,154-157], а также специальным вопросам проектирования (наличие возмущений, надежность, оптимизация проектирования и тлі.) [158-162,163]. В общем случае по способу организации процессы химической технологии классифицируют на периодические, непрерывные и смешанные или дискретно-непрерывные. В соответствии с этим индивидуальные производства бывают периодическими, непрерывными или со смешанной организацией, содержащими стадии как периодического, так и непрерывного действия.
Частные случаи постановки задачи теста гибкости (задачи Р2-Р4)
Нами разработана стратегия синтеза гибкого многоассортиментного химического производства, основные этапы решения которой приведены ниже.
Синтез допустимых вариантов схемы. Определяем оптимальную технологическую схему производства по критерию затрат и находим размеры оборудования Vj, являющиеся исходными данными для оценки гибкости данной структуры. Данный вариант должен удовлетворять всем ограничениям.
По минимуму затрат определяем требуемый размер аппарата, который обеспечит выпуск всех продуктов в заданных количествах. Однако, существует несколько или ряд аппаратов, которые можно успешно использовать для выпуска той же партии продуктов. Например, для выпуска двух продуктов в количестве PR] т/год 1-го продукта и PR.2 т/год 2-го продукта на схеме из трех технологических стадий подходят следующие аппараты: объемом VI. 1, VI.2 и VI.3 - для первой стадии; объемом V2.1 и V2.2 - для второй стадии и объемом V3.1, V3.2 и V3.3 - для третьей стадии. Исходя из условия минимума затрат, выбираем аппараты минимальных размеров, а потому и самые дешевые: VI.1 - 1-ая стадия; V2.1 - 2-ая стадия; V3.1 - 3-я стадия. Вполне возможно, что более крупные аппараты, несмотря на проигрыш по затратам, могут дать выигрыш в гибкости системы в целом, что приведет, в свою очередь, к повышению прибыли. При этом, если в результате расчетов мы получим, что для увеличения гибкости системы надо увеличивать размер аппаратов, то мы можем совершенствовать нашу ХТС, не меняя ее структуры и не синтезируя ее заново. Если же наоборот, гибкость системы растет с уменьшением размера аппарата, то нам придется заново синтезировать всю схему. Это приведет к изменению партий продуктов, а возможно и к изменению структуры схемы, появлению параллельных аппаратов и согласующих емкостей. 2. Расчет гибкости синтезированной схемы. В настоящей главе разработан метод оценки гибкости, реализуемый в два этапа: тест гибкости и индекс гибкости. Тест гиб кости заключается в проверке соответствия рабочего диапазона изменения технологиче ских параметров и допустимой области функционирования системы, определяемой кон струкцией аппаратурных модулей, и максимально допустимыми отклонениями техноло гических параметров, реализуемых в этих модулях. Тест гибкости является качествен ной мерой гибкости и позволяет определить гибкая система или нет. Количественной мерой гибкости является индекс гибкости, численно равный максимально допустимому скалярному значению вектора, характеризующему направление наискорейшего измене ния одного или нескольких технологических параметров, приводящему к критическим значениям этих параметров, превышение которых нарушает работоспособность систе мы. Используя метод решения, разработанный в диссертации, определяем гибкость системы. 3. Принятие решения относительно увеличения гибкости. Создание гибкого аппа ратурного модуля всегда связано с существенными дополнительными затратами и ино гда может оказаться экономически не выгодным. Поэтому в любом случае вопрос о це лесообразности разработки и применении такого модуля должен решаться на основании технико-экономического анализа. В качестве критерия можно, например, принять отношение приращения затрат на разработку гибких аппаратурных модулей к приращению потребительской ценности ассортимента выпускаемой продукции. Такой подход имеет смысл, когда речь идет о синтезе нового производства под новый ассортимент. В условиях же реконструкции действующих производств (модулей) показателем служит себестоимость выпускаемых продуктов до и после реконструкции. Заметим, что гибкость системы и себестоимость продукции связаны следующим образом : чем больше значение гибкости системы, тем ниже себестоимость продуктов или полупродуктов, выпускаемых на этой схеме, при условии, что реконструкция системы не требует дополнительных капитальных вложений, либо они незначительны. Это объясняется тем, что при увеличении объема производства, при тех же капитальных затратах, снижаются накладные расходы. Если же создание гибкого аппаратурного модуля связано с существенными капитальными затратами, то кривая имеет минимум (см. рис. 2.6), и при оценке экономической эффективности системы следует выбирать некоторый оптимальный уровень ее а) - модификация гибкости за счет конструктивных изменений оборудования (модулей) без изменения структуры и технологических маршрутов выпуска (изменение области функционирования). В этом случае осуществляется поиск наиболее эффективных конструктивных параметров и их изменений. Если новые размеры оборудования допустимы и не приводят к изменению структуры, а индекс гибкости достигает заданного значения, то расчет заканчивается. Если для изменения гибкости требуется увеличить размер аппарата и это возможно (размер стандартного аппарата выбран с запасом), то синтез производства с заданной гибкостью завершен. Если ресурс возможностей аппарата (ов) исчерпан, то есть необходимо изменить конструкцию (тип или размеры), то приходится повторять процедуру синтеза; б) - изменение маршрутов выпуска продуктов приводит к модификации состава и связей элементов в схеме производства, а, следовательно, и значений допустимых от клонений технологических параметров системы. Эта стратегия вводится в действие, ко гда, например, не существует аппарата нужного размера или требуемые партии продук тов не удовлетворяют основному ограничению на время выпуска продукции ассорти мента; в) - модификация структуры проектируемой ХТС, приводящей как к изменению области функционирования, так и к изменению области работоспособности системы. Это наиболее радикальный метод. 5. Задача определения оптимальной гибкости. Существуют два варианта: а) График "Гибкость - Затраты на достижение данной гибкости" имеет максимум. В этом случае оптимальная и максимальная гибкость не совпадают. Достижение макси мальной гибкости становится не целесообразным ,а имеет смысл стремиться к некоему оптимальному значению. б) График не имеет максимума. Например, это получается тогда, когда область функционирования данной системы (ее конструктивные возможности) не охватывает всю допустимую область изменения параметров системы, а занимает лишь какую-то часть. В этом случае меняется характер зависимости "Гибкость - Затраты на достижение заданной гибкости", что связано с изменением стоимости оборудования модулей и ка питальных затрат на систему в целом. В этом случае значение оптимальной гибкости обязательно меняет местоположение. В этом случае оптимальное значение гибкости на ходится за пределами функционирования данной системы.
Анализ возможности совмещения производств
Например, химизм может уточнить информацию о продукте или полупродукте: при каких температурах, в каком агрегатном состоянии он находится, в каких растворителях он растворим и с чем взаимодействует. Эти сведения должны быть учтены при возврате на уровень физико-химических свойств, и по уточненным сведениям проведено новое сравнение. Если химизм не дает достаточной информации, то некоторые из свойств могут быть уточнены в группе технологических признаков. Например, если известны материальные массовые и объемные потоки на стадиях, то по материальным балансам и правилу аддитивности можно рассчитать плотности входящих и выходящих со стадии полупродуктов. Если химизм и технология не дали дополнительной информации о физико-химических свойствах полупродуктов, то необходимо проведение экспериментальных исследований по определению этих свойств.
Совмещение по химизму процессов (см. рис.3.5).В этой группе могут быть выделены следующие признаки: количество стадий реакций химического синтеза; типы реакций (нейтрализация, хлорирование, азотирование, метоксилирование и т.п.); условия химических превращений (Т, Р, рН, катализатор, скорость реакции и т.д.);выходы реакций (высокие, низкие); наличие побочных реакций (на каких стадиях, их влияние на ход основного синтеза).
Далее проводится анализ совмещаемых продуктов по каждому признаку. Если по группе химизма невозможно решить вопрос совмещения, то следует проводить уточнение признаков по другим группам. Например, для различных типов реакций могут быть похожие технологические условия их получения. При неполном совпадении условий химического синтеза небольшие изменения в технологии или аппаратурном оформлении стадии могут привести к изменению самого химического синтеза и выходам реакций. Например, изменение подачи реагентов, использование другого нагревающего/охлаждающего агента или замена типа мешалки могут повлиять на химический синтез. Такие изменения необходимо учитывать при оценке возможности совмещения по группе химизма процессов. По всем признакам собирается информация о возможности совмещения и делается окончательный вывод о совмещении по всей группе признаков. При обязательности условия совмещения по группе химизма получения продуктов, в случае его невыполнения по одному из признаков, решение задачи совмещения пре кращается. Если совмещение по группе химизма процессов не строго обязательно, то независимо от результата переходим к анализу совмещения по следующей группе признаков. 3. Совмещение по технологии процессов (см. рис.3.6).В этой группе можно выделить следующие признаки: целевое назначение стадий ХТП получения продуктов (реакционные, массообменные и т.д.); технологические условия реализации стадий (диапазоны температур, давлений, нагревающие/охлаждающие агенты, загрузка/выгрузка твердых, сыпучих, газообразных агентов и т.д.). По каждому признаку проводится анализ, а затем принимается решение о возможности совмещения технологических процессов. При одинаковых (похожих) технологических условиях работы различных по целевому назначению стадий (например, реакция и кристаллизация и т.п.) и возможности их реализации в одном аппарате, целесообразно создание типовых технологических модулей для реализации нескольких одностадийных ХТП. Если же по технологическим условиям стадии не совмещаются и их реализация невозможна на типовых технологических модулях минимальной сложности, то их включают в совмещенную схему как индивидуальные технологические модули. В результате анализа совмещения ХТП на технологическом уровне определяются основные типы модулей для реализации на их основе совмещенной ХТС. Если в индивидуальных схемах неоднократно встречаются последовательности повторяющихся технологических стадий, на которых можно реализовать множество ХТП получения различных продуктов, то целесообразно совмещение на технологических блоках, состоящих из технологических модулей. Технологический блок - структура, состоящая из последовательности технологических модулей, объединенных общностью цели и предназначенная для реализации нескольких ХТП. В этом случае, совмещение по технологическим признакам может быть реализовано на основе типовых технологических блоков и типовых технологических модулей. 4. Совмещение по аппаратурному оформлению (см. рис.3.7). В этом случае рассматривается совмещение по основному и вспомогательному оборудованию индивидуальных многостадийных ХТП. Общность оборудования необходимо анализировать по следующим признакам: тип аппарата (емкостной, фильтр, центрифуга, сушилка и т.д.), тип перемешивающего устройства, тип обогрева/охлаждения (рубашка, змеевик), тип загрузки/выгрузки реагентов (труба для передавливания, самотек и т.п.), материал и требования к корозионной стойкости. Порядок оценки возможности совмещения следующий. Для основного оборудования выбирается тип аппарата, для которого проводится анализ по всем признакам этой группы. При положительном решении вопроса совмещения переходим к созданию аппаратурных модулей для реализации множества анализируемых одностадийных ХТП. Для каждого типа вспомогательного оборудования проводится также сравнение по группам признаков. Результатом использования методики совмещения многостадийных ХТП является определение состава модульной ХТС по типам модулей. На следующем этапе решается задача формирования минимального набора модулей для реализации ХТС. Фиксированный ассортимент. Для формирования гибкого производства в работе предлагается создание банков типовых и индивидуальных технологических и аппаратурных модулей.
Практические задачи синтеза оптимальных технологических схем многостадийных химических производств периодического действия
Для малотоннажных производств химической и смежных отраслей промышленности (органических промежуточных продуктов и красителей, лакокрасочных материалов, химических реактивов и особо чистых веществ, пестицидов, лекарственных препаратов, товаров бытовой химии и др.) характерен широкий обновляющийся ассортимент продукции. Такие производства организованы преимущественно по периодическому способу. Основной путь повышения их технико-экономической эффективности - организация совмещенных гибких систем, использование блочно-модульного оборудования многофункционального назначения, что позволяет проектировать новые производства с учетом перспективного изменения номенклатуры продукции и размещать дополнительный ассортимент на оборудовании действующих химико-технологических систем (ХТС).
В многопродуктовых производствах малотоннажных химических продуктов применяется разнообразное технологическое оборудование, работающее в периодическом и полунепрерывном режимах. Оно представлено аппаратурой для стадий химического синтеза, подготовки сырья, разделения целевых и промежуточных продуктов, утилизации отходов производства и т.п.
Основным аппаратом для большинства процессов химического синтеза является реактор емкостного типа с перемешивающим устройством и системой нагревания или охлаждения реакционной массы.
Подготовка сырья представлена процессами измельчения, смешения, гомогенизации и др. Разделение и очистка продуктов реакции осуществляется в результате различных гидромеханических, тепловых, диффузионных процессов. Аппаратура для разделения представлена ректификационными колоннами, экстракторами, кристаллизаторами, аппаратами для простого дистилляционного обмена, разделения и классификации суспензии (фильтры, центрифуги, отстойники) и т.п. Большая часть технологических процессов разделения и подготовки сырья выполняется в периодическом варианте.
Наряду с аппаратами периодического действия в составе ХТС имеется также оборудование полунепрерывного действия. В пределах технологического цикла оно работает как обычное непрерывное оборудование. В промежутках между циклами работы это оборудование находится в режиме ожидания. Математические модели этих аппаратов не отличаются от соответствующих моделей оборудования непрерывного действия. По числу производимых продуктов ХТС делятся на однопродуктовые (или индивидуальные), ориентированные на единственный многостадийный технологический процесс, и многопродуктовые, на которых реализуется несколько технологически подобных процессов. Многопродуктовые ХТС делятся на схемы с полной совмещенностью, в которых маршруты производства продуктов совпадают полностью; схемы с частичной совмещенностью, в которых маршруты производства продуктов совпадают лишь частично, и гибкие схемы, в которых маршруты производства продуктов могут изменяться. Исходными данными для проектирования многостадийных ХТС периодического действия являются: данные технологических регламентов процессов, содержащие расходные нормы сырья и энергии, длительности технологических операций в аппаратах периодического действия, плотности технологических потоков, рекомендуемые коэффициенты заполнения объемов аппаратов; ряды размеров аппаратов, содержащиеся в каталогах стандартного оборудования; цены аппаратов, содержащиеся в прейскурантах. Синтез ХТС - это этап технологического проектирования, в результате которого должен быть рассчитан оптимальный вариант технологической структуры и аппаратурного оформления ХТС. Синтез осуществляется на основе предварительно разработанных математических моделей, конкретный вид которых зависит от количества производимых продуктов, числа и типов стадий, а также способа соединения аппаратурных стадий между собой [140]. Объектом автоматизированного синтеза является ХТС с последовательно-парал -лельной технологической структурой, при которой каждая аппаратурная стадия системы образована произвольным числом Nj (J: = т) параллельно соединенных аппаратов, работающих с временным сдвигом, а аппаратурные стадии соединены последовательно. В совмещенной ХТС принят последовательный режим производства продуктов, каждый из которых выпускается в требуемом количестве партий (порций). Таким образом, синтез ХТС периодического действия с заданной структурой состоит в определении оптимальных размеров и количества единиц основного технологического оборудования на каждой аппаратурной стадии (при их непосредственном взаимодействии), а также объемов вспомогательных емкостей, используемых в системе для лучшего согласования режимов функционирования основного оборудования (при взаимодействии аппаратурных стадий через вспомогательную емкость). Размещение продуктов дополнительного ассортимента при частичном сокращении выпуска продуктов основного ассортимента заключается в установлении наличия необходимых материальных связей между аппаратурными стадиями и проверке условий достаточности объемов технологических аппаратов с учетом согласования режимов их функционирования. Поэтому задачу размещения можно рассматривать как разновидность синтеза схемы без изменения ее аппаратурного состава. Синтез однопродуктовой ХТС периодического действия. Аппаратурное оформление многостадийных ХТС может включать аппараты периодического действия (АПД), аппараты полунепрерывного действия (АПНД) и промежуточные емкости. Аппараты периодического действия работают в циклическом режиме. Цикл работы аппарата периодического действия образован упорядоченной последовательностью технологических операций - загрузки реагентов, нагревания массы, технологического процесса, охлаждения продуктов, выгрузки. Продолжительность технологического цикла -есть сумма длительностей технологических операций, включая ожидание. Технологическая структура и аппаратурный состав ХТС периодического действия зависят от временного режима работы аппаратов. Поэтому конкретный вариант проектируемой ХТС определяется временным графиком, с построения которого начинается процесс проектирования. Варианты аппаратурного оформления ХТС и соответствующие им графики временных режимов функционирования изображены на рис. 4.1-4.3. На рис. 4.1а и рис.4.2а изображена трех стадийная ХТС с непосредственным взаимодействием аппаратурных стадий. Это означает, что реакционная масса из аппаратов предыдущей стадии непосредственно поступает в аппараты следующей стадии.
