Введение к работе
Актуальность работы. Аппаратурное оформление (АО), т.е. выбор типов, числа, геометрических размеров и параметров режима функционирования основных и вспомогательных аппаратов химико-технологических систем (ХТС), 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, кино-фотоматериалов, химических реактивов. Это обусловлено следующими обстоятельствами:
широкой номенклатурой выпускаемой продукции при небольших объемах, коротких сроках выпуска большинства ее марок и, как следствие, проектированием многопродуктовых ХТС, которые предназначены для выпуска нескольких продуктов, аналогичных по технологии синтеза;
частыми изменениями ассортимента и объемов выпуска продуктов, необходимостью приспосабливать имеющееся оборудование для выпуска новых продуктов;
преимущественно периодическим режимом работы ХТС 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,
определяющим влиянием параметров режима функционирования ХТС (размеров партий продуктов, длительностей операций их переработки, продолжигельностей циклов выпуска продуктов и др.) на АО стадий системы
Методологические принципы АО многопродуктовой ХТС периодического/полунепрерывного действия, математические формулировки задач выбора числа, определяющих геометрических размеров аппаратов ее стадий и параметров режима функционирования, методы и алгоритмы решения задач рассматривались в научных публикациях В.В. Кафа-рова, Л.С. Гордеева, В.В. Макарова, АФ. Егорова, СИ Дворецкого, И.Е. Гроссмана, Г.В. Реклейтиса и других ученых. Значительный вклад в разработку теории и методов автоматизации АО МХП внесли сотрудники научной школы "Теория и методы автоматизированного проектирования производств химического и машиностроительного профиля", созданной в Тамбовском государственном техническом университете (ТГТУ) под руководством Е Н. Малыгина
Анализ отечественных и зарубежных публикаций по проблеме АО МХП приводит к выводу, что предложенные до настоящего времени подходы к ее решению либо игнорируют ряд свойств и особенностей функционирования оборудования ХТС, существенно влияющих на АО, либо используют эвристические подходы, не позволяющие достаточно корректно обосновать оптимальность получаемых проектных решений Поэтому разработка методологии, которая, с одной стороны, учитывала бы все основные особенности функционирования промышленных ХТС, а с другой - позволяла избежать использования эвристических подходов, является, несомненно, актуальной
Работа выполнялась в соответствии с координационным планом Межвузовской НТП "Теоретические основы химической технологии" на период 1995 - 2000 гг., планами НИР Тамбовского института химического машиностроения в 1978 - 1993 гг., в том числе № ГР01880035179 "Разработка автоматизированной системы проектирования анилинокрасочных производств. Подсистема расчета и выбора оборудования совме-
щенных ХТС", (1986 - 1988 гг.), и Тамбовского государственного технического университета в 1994 - 2005 гг., в том числе № 18/97 "Разработка и внедрение математического и программного обеспечения подсистемы АСУП "Технологическое и организационное обеспечение выпуска продукции Производства дисперсных красителей" (1997 - 2002 гг), грантом РФФИ № 06-08-96352-р_центр_а "Разработка теории и методов интеллектуального автоматизированного проектирования производств химического и машиностроительного профиля (разработка новых и перепрофилирование действующих производств)" (2006 - 2007 гг.)
Объектом исследования в работе являются принципы и методы АО МХП, разрабатываемые с учетом свойств и особенностей функционирования промышленных ХТС, постановки задач оптимизации параметров режима функционирования и АО стадий ХТС, методика их совместного решения.
Предметом исследования являются свойства и особенности функционирования оборудования МХП, влияющие на организацию процессов выпуска продуктов и АО стадий ХТС, математические модели и критерии оптимальности проектных решений по выбору параметров режима функционирования ХТС и АО их стадий, постановки задач, условия их разрешимости (условия проектируемое ХТС МХП), методы и алгоритмы решения задач
Целью работы является разработка методологии АО проектируемых и действующих МХП, позволяющей решить проблему определения параметров режима функционирования ХТС (непрерывных переменных), и характеристик оборудования ее стадий (дискретных переменных) путем формирования иерархии задач, методика совместного решения которых базируется на условиях проектируемости ХТС МХП Для достижения цели необходимо.
исследовать системные связи и закономерности аппаратурного оформления МХП, представить проблему в виде иерархической системы задач, определить содержание координирующих и информационных сигналов;
изучить свойства и особенности функционирования ХТС МХП, влияющие на их АО, разработать математические модели проектных решений по выбору параметров режима функционирования ХТС и АО их стадий;
обосновать выбор критериев оптимальности проектных решений, предусматривающих минимизацию затрат на оборудование стадий ХТС и энергоресурсы, потребляемые при реализации процессов выпуска продуктов,
разработать математические постановки задач оптимизации режима функционирования и АО стадий проектируемой ХТС, а также действующей системы при изменении плана выпуска ее продукции;
выявить условия проектируемости ХТС МХП (условия разрешимости поставленных задач) для вновь создаваемой и действующей ХТС, разработать методику проверки и обеспечения выполнения этих условий;
разработать методы и алгоритмы решения задач, методику их совместного решения для ситуаций проектирования нового производства и изменения планов выпуска продукции действующего;
разработать математические постановки и алгоритмы решения задач технологического и механического расчета наиболее распространенного в МХП основного оборудования,
разработать автоматизированную информационную систему (АИС) выбора и расчета технологического оборудования ХТС проектируемых и действующих МХП
Научная новизна. Предложена новая методология аппаратурного оформления МХП, предусматривающая формирование трехуровневой иерархической структуры задач на верхнем уровне решается задача поиска параметров режима функционирования ХТС, обеспечивающих требуемую производительность системы по продуктам, на среднем уровне - задачи выбора размеров и числа аппаратов, способов переработки партий продуктов (целиком, равными порциями последовательно или синхронно, нескольких партий одновременно) для всех стадий системы, на нижнем уровне - задачи технологического и механического расчета отдельных аппаратов стадий ХТС
На основе анализа комплекса свойств и особенностей функционирования оборудования реальных МХП, влияющих на организацию процессов выпуска продуктов и АО стадий ХТС, разработаны математические постановки задач верхнего и среднего уровня иерархии.
в качестве критерия оптимизации режима функционирования ХТС и оборудования ее стадий используется оценка затрат на энергоресурсы, потребляемые при реализации процессов выпуска продуктов в плановых объемах, а в качестве системы ограничений - математическая модель проектного решения, соотношения которой впервые формализуют разветвленную структуру материальных потоков системы, возможности дробления'укрупкения партий продуктов на некоторых стадиях, совмещения операций загрузки/выгрузки партий с физико-химическими превращениями,
целевой функцией задачи АО стадии ХТС является амортизация стоимости аппаратов за период выпуска продуктов, а ее ограничениями - соотношения математической модели проектного решения, впервые предусматривающие выбор способов переработки партий продуктов на стадиях, числа и определяющих размеров вспомогательных аппаратов
Определены информационные связи между задачами разных уровней иерархии. Разработаны алгоритмы решения задач оптимизации параметров режима функционирования ХТС и АО ее стадий, методика их совместного решения, предусматривающая прогноз и итерационное уточнение значений числа основных аппаратов, необходимого для переработки партий продуктов на стадиях системы, указателей способа их переработки и коэффициентов изменения размеров партий. Сформулированы условия разрешимости задач (условия проектируемое ХТС МХП), разработана методика проверки и обеспечения их выполнения, применение которой позволяет выбирать оптимальные значения прогнозируемых параметров, существенно сокращать объем вычислений при решении задач
Разработан вариант алгоритмической схемы локальной оптимизации решений задач АО ХТС, предусматривающий формирование окрестности начального (базового) решения задач верхнего и среднего уровней иерархии путем последовательного увеличения числа основных аппаратов стадий, лимитирующих производительности ХТС по продуктам.
Разработаны постановки задач оптимизации параметров режима функционирования и АО стадий ХТС действующего МХП при изменении плана выпуска продукции. Предложенные модификации целевых функций и соотношений математических моделей проектных решений впервые учитывают возможности установки на стадиях параллельных аппаратов разных размеров и исполнений, реализации с помощью 'оборудования одной и той же аппаратурной стадии ХТС нескольких стадий синтеза одного и того же продукта Разработаны модификации условий проектируемое ХТС МХП для действующего производства, алгоритмов решения зааач.
Автор защищает научно обоснованную методологию АО МХП, предусматривающую оптимизацию затрат на оборудование и энергетические ресурсы ХТС, учитывающую особенности функционирования оборудования реальных производств и не связанную с применением эвристических подходов:
иерархию задач оптимизации параметров режима функционирования ХТС МХП и АО ее стадий, технологического и механического расчета отдельных аппаратов стадий системы;
математические модели проектных решений по выбору параметров режима функционирования ХТС и АО ее стадий при проектировании нового МХП, изменении планов выпуска продукции действующего производства;
критерии оптимальности решений задач поиска параметров режима функционирования ХТС МХП и АО ее стадий при проектировании новой системы и модернизации действующей;
условия проектируемое ХТС МХП при разработке нового производства, изменении планов выпуска продукции действующего, методику проверки и обеспечения выполнения этих условий;
алгоритмы решения задач оптимизации параметров режима функционирования ХТС и АО ее стадий;
методику поиска базового решения задач верхнего и среднего уровней иерархии, схему его локальной оптимизации.
Методика исследования основана на использовании методов системного анализа, математического моделирования и условной оптимизации.
Практические результаты работы. На основе предложенной методологии разработана АИС выбора и расчета оборудования проектируемых и действующих МХП. основными функциями которой являются:
определение основных характеристик режима функционирования ХТС проектируемого МХП (размеров партий продуктов, длительностей циклов их переработки на стадиях ХТС, продолжительностей выпуска продуктов), размеров и числа аппаратов, способов переработки партий продуктов на стадиях;
выявление возможностей изменения производительности ХТС действующего МХП и выпуска с помощью имеющегося оборудования новых марок продукции, выбор наиболее предпочтительного варианта их выпуска.
С помощью АИС осуществлено АО рада ХТС проектируемых МХП (более 20-ти - для Верхнезаволжского химкомбината, Сивашского анилинокрасочного завода, ОАО "Пигмент", г. Тамбов, экспортных предложений МНПО "НИОПиК"), решены задачи организации выпуска новой продукции для ряда производств ОАО "Пигмент". Эксплуатация системы в условиях реального производства (в технолого-монтажном отделе ОАО "Экохимпроект", г. Тамбов, проектно-конструкторском отделе ОАО "Пигмент") показала, что ее применение позволяет сократить продолжительность АО ХТС МХП в 5 - 8 раз при улучшении качества проектных решений на 15 - 25 %. Система зарегистрирована Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам в Реестре программ для ЭВМ.
Предложены постановки, методы и алгоритмы решения задач технологического и механического расчета наиболее распространенного основного аппарата МХП -вертикального емкостного аппарата с механическим перемешивающим устройством: задачи определения оптимальной конструкции перемешивающего устройства, рассматриваемой впервые; задачи выбора теплоносителей и хладагентов для реализации
операций переработки партий продуктов; задачи выбора типа и исполнения стандартного корпуса аппарата.
Разработаны программы выбора оптимальной конструкции механического перемешивающего устройства вертикального емкостного аппарата и выбора фильтровального оборудования для разделения суспензий, с помощью которых проведены технологические расчеты и определены конструкции ряда промышленных аппаратов ОАО "Пигмент", г. Тамбов
Теоретические положения работы и разработанное программное обеспечение активно используются в учебном процессе "ПТУ - при подготовке дипломированных специалистов по направлению 240800 "Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии", бакалавров и магистров по направлению 150400 "Технологические машины и оборудование".
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзных конференциях. "Автоматизация проектных и конструкторских работ" (Москва, 1979 г.), "Методы кибернетики химико-технологических процессов" (Москва, 1984 г.), "Реахимтехника-2" (г. Днепропетровск, 1985 г.), "Автоматизация и роботизация в химической промышленности" (г. Тамбов, 1986 г.), "Теория и практика перемешивания в жидких средах" (Ленинград, 1986 г.), "Математическое моделирование сложных химико-технологических систем" (г. Казань, 1988 г), "Моделирование САПР, АСНИ, ГАП" (г. Тамбов, 1989 г.), "Новые процессы, оборудование и ГПС для многономенклатурных химических производств" (г. Днепропетровск, 1989 г.), "Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического и машинного моделирования" (г. Тамбов, 1991 г.), "Математические методы в химии -ММХ-7" (г. Казань, 1991 г.), "Математическое и машинное моделирование" (г. Воронеж, 1991 г.), - на Всероссийских конференциях. "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" (г. Ярославль, 1994 г.), "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве" (г. Нижний Новгород, 1999 г.), - на Международных конференциях: "Математические методы в химии и химической технологии - ММХ-9" (г Тверь, 1995 г.), "Мягкие вычисления и измерения - SCM'99" (Санкт-Петербург, 1999 г.), "Методы и средства управления технологическими процессами" (г. Саранск, 1999 г.), "Динамика систем, механизмов и машин" (г. Омск, 1999 г.), "Успехи в химии и химической технологии - МКХТ-2000" (Москва, 2000 г.), "Новые информационные технологии и системы" (г. Пенза, 2000 г.), "Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике" (г. Новочеркасск, 2001 г.), "Математическое моделирование в образовании, науке и производстве" (г. Тирасполь, 2001 г.), "Компьютерные науки и информационные технологии" (г. Саратов, 2002 г.), "Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии" (г. Уфа, 2002 г.), "Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта - CAD/CAM/PDM" (Москва, 2002, 2003 гг), "Математические методы в технике и технологиях - ММТТ" (г. Великий Новгород, 1999 г.; Санкт-Петербург, 2000 г.; г. Смоленск, 2001 г.; г. Тамбов, 2002 г.; г. Ростов н/Д, 2003 г.; г Казань, 2005 г.; г. Воронеж, 2006 г.).
Публикации. По материалам исследований опубликовано 87 печатных работ, в том числе монография, статьи в реферируемых журналах и сборниках, доклады на конференциях различного уровня, учебные пособия и учебно-методические издания, получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ Все основные научные результаты получены автором Вклад автора в результаты работ, опубликованных в соавторстве, состоит в постановке задач, разработке теоретических
положений, а также в непосредственном участии во всех этапах прикладных исследований
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, пять глав, основные выводы и результаты, список литературы (326 наименований) и шесть приложений. Работа изложена на 354 страницах основного текста, содержит 58 рисунков и 14 таблиц.
