Оптимизация химико-технологических процессов при частичной неопределенности исходной физико-химической информации Головашкин, Дмитрий Вячеславович

Введение к работе

Актуальность работы.

При проектировании химико-технологических процессов (ХТП) и интенсификации действующих производств должны быть удовлетворены следующие требования:

1. ХТП должен работать без аварийных ситуаций. Например, температура в трубках каталитического реактора должна быть ниже заданной величины, концентрации веществ должны удовлетворять требованиям взрывобезопасности и др.

2. Должны быть выполнены технологические требования на производительность процесса, качество продукции и др.

3. ХТП не должен наносить вред окружающей среде (экологические ограничения). Например, выход вредных побочных продуктов не должен превышать некоторых предельно допустимых норм.

Могут существовать и другие требования. Все эти ограничения характеризуют работоспособность ХТП. Решение задач проектирования, интенсификации уже действующего ХТП существенно усложняется частичной неопределенностью исходной физико-химической, технической и экономической информацией. Источниками неопределенности могут быть:

4. Исходная неточность коэффициентов в математических моделях (констант скоростей реакций, коэффициентов межфазного обмена, коэффициентов массо- и теплопереноса и т.д.).

5. Изменение некоторых коэффициентов в математической модели во время эксплуатации ХТП (например, коэффициента активности катализатора, тепло- и массообмена др.).

6. Изменение внешних условий функционирования ХТП (так, могут изменяться характеристики внешних потоков, температура, состав, расход и т.д.).

4. Изменение экономических условий функционирования ХТП.
Отсюда, очень важно учитывать существование неопределенности
информации в задачах анализа и оптимизации ХТП. Настоящая
работа посвящена разработке алгоритмов решения следующих
задач:

7. Задаче оптимизации ХТП при проектировании в условиях неопределенности (двухэтапная задача оптимизации).

8. Задаче оценки гибкости ХТП, т.е. его способности сохранять свою работоспособность при изменении внутренних и внешних факторов.

Анализ литературы показывает, что в настоящее время отсутствуют общие подходы к решению двухэтапной задачи оптимизации (ДЭЗО) ХТП, вычислению его функции гибкости, а существующие применимы только для частных постановок задач, узкого класса функций, описывающих функционирование ХТП.

Настоящая работа выполнена в рамках исследований, проводимых в лаборатории математического моделирования ГНЦ РФ НИФХИ им. Л. Я- Карпова при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (Проект 94-01-01814, 1994 - 1995 гг.).

Цель работы:

Разработка эффективного алгоритма решения двуэтапной задачи оптимизации ХТП с произвольной структурой, функционирование которого описывается произвольными гладкими функциями.

Разработка алгоритма вычисления функции гибкости ХТП.

Создание на основе проведенных теоретических исследований конкретной реализации разработанных алгоритмов .в виде универсального пакета программ для персонального компьютера, который может использоваться как для однократного решения двухэтапной задачи оптимизации ХТП, вычисления критерия гибкости ХТП, так и в качестве программно-математического обеспечения в иерархических автоматизированных системах проектирования и управления химико-технологическими процессами.

. Применение полученных, теоретических результатов и разработанного пакета программ для оптимизации процесса получения бензонитрила.

Научная новизна работы.

Разработаны новые, обоснованные методы и алгоритмы решения двухэтапнои задачи оптимизации ХТП, вычисления его функции гибкости. Рассматривается общий нелинейный случай. Исследованы вопросы сходимости ряда предложенных алгоритмов. Предложенные алгоритмы сводят решение поставленных задач (в явном виде требующих применения методов недифференцируемой оптимизации) к последовательности задач нелинейного программирования, что позволяет использовать мощные, хорошо разработанные методы решения такого класса задач (например метод последовательного квадратичного программирования).

В работе введены две новые оценки функции гибкости. Вычисление верхней сводится к решению некоторой дискретно-непрерывной задачи оптимизации. Для ее решения предложены одно- и двухуровневые схемы. Нижняя оценка связана с решением стандартной задачи нелинейного программирования.

Для вычисления критерия гибкости предложен итерационный метод, на каждой итерации которого проводится вычисление верхней и нижней оценок. Необходимо отметить, что в данной работе ограничение, налагаемое критерием гибкости ХТП, учитывается в явном виде при решении двухэтапнои задачи, оптимизации ХТП. Предложенные алгоритмы решения ДЭЗО позволяют находить оптимальные коэффициенты запаса для конструктивных переменных.

Автор защищает:

1. Результаты, связанные с разработкой эффективных алгоритмов

решения задач, возникающих при проектировании и

функционировании ХТП:

одноурорневая схема вычисления верхней оценки функции гибкости (ФГ),

двухуровневая схема вычисления верхней оценки ФГ, использующая метод группового покоординатного спуска,

алгоритм вычисления ФГ, использующий элементы обеих схем, на каждой итерации которого проводится вычисление верхней и нижней оценок,

алгоритмы решения двухэтапнои задачи оптимизации.

2. Разработанный на основе предложенных алгоритмов пакет прикладных программ.

3. Результаты использования развитой теории и разработанного программного обеспечения для решения задачи оптимизации процесса получения бензонитрила.

Апробация работы

Изложенные в диссертации результаты докладывались и обсуждались на: "6^th European Symposium on Computer Aided Process Engineering", ESCAPE-6, Греция, 1996; "3^rd UNAM-Cray Super Computing Conference", Мексика, 1996; международной конференции "Математические Методы в Химии", ММХ-9, г. Тверь, 1995; "Динамика химико-технологических процессов и аппаратов", Ярославль, 1994.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 7 научных работ.

Объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, трех гявв, выводов и списка литературы. Работа изложена на \ у ~? страницах машинописного текста, включая (^, рисунков и \ таблиц. Библиография включает /ЫПнаименования.