Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время компьютерное моделирование химико-технологических систем (ХТС) доказало свою актуальность и перспективность, поскольку позволяет выполнять расчет материальных, тепловых балансов и осуществлять поиск наилучших режимов функционирования проектируемой или эксплуатируемой ХТС, что в условиях рыночной экономики имеет решающее значение.
В России и за рубежом для расчетов используют различные интерактивные информационно-моделирующие программы (ИИМП): UNISIM, ASPEN PLUS, gPROMS и др. Существует специализированное программное обеспечение, содержащее в своих базах данных адекватные математические модели различных процессов, что определяет границы их применимости для исследования ХТС.
При моделировании и оптимизации ХТС практически всегда имеет место неопределенность. Для решения такого рода задач появилось новое научное направление «анализ гибкости». В работе рассматривается решение такого рода задач в условиях интервальной и вероятностной неопределенности исходной информации. За рубежом и в России «анализом гибкости» применительно к процессам химической технологии занимается ряд ученых: Grossmann I. E., Hartmann К., Островский Г. М., Дворецкий С.И., Егоров А.Ф., Зиятдинов Н.Н., Холоднов В.А. и др. Большой вклад в развитие методов «анализа гибкости» внесли работы по интервальному анализу Вощинина А.П., Нариньяни А.С., Шарого С.П., Шокина Ю.И., Левин В.И. и др.
Следует отметить, что в ИИМП отсутствует инструмент для решения задач моделирования и оптимизации ХТС в условиях неопределенности.
Таким образом, наметилось отставание возможностей для моделирования и оптимизации ХТС в ИИМП от имеющихся подходов к решению задач «анализа гибкости» ХТС.
В работе предложены методики и программы для моделирования и оптимизации ХТС с учетом неопределенностей исходной информации, которые дают возможность решать сложные оптимизационные задачи с использованием существующих ИИМП, а при отсутствии такой возможности с помощью предложенных в диссертационном исследовании методик по программам, которые разрабатываются пользователем.
В диссертационном исследовании приведены разработанные автором методики, алгоритмы и программы для моделирования ХТС в условиях неопределенности исходной информации ,что определяет актуальность настоящего диссертационного исследования.
Объект исследования. Математические модели ХТС в условиях частичной неопределенности исходной информации.
Предмет исследования. Методики и алгоритмы моделирования и оптимизации ХТС (применительно к процессу получения винилхлорида) в условиях неопределенности, в том числе и с использованием интерактивных информационно-моделирующих программ (ИИМП).
Методы исследования. Математическое моделирование и оптимизация химико-технологических процессов и систем, системный анализ, математический анализ и статистика, нелинейное и стохастическое программирование, вычислительная математика.
Инструменты исследования. Интерактивные вычислительные системы MathCAD, Excel, SPSS, интерактивная информационно-моделирующая программа ASPEN 7.2.
Цель диссертационной работы
Модификация методов, алгоритмов и программ для исследования ХТС в условиях частичной неопределенности исходной информации (в дальнейшем просто в условиях неопределенности).
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи:
-
Разработка и модификация методов, алгоритмов и программ для исследования ХТС в условиях неопределенности, в том числе и с использованием ИИМП.
-
Оптимизация систем разделения в условиях неопределенности: экстрактивная ректификация смеси уксусная кислота-вода, ректификация смеси бензол-толуол-ксилол, для процесса получения винилхлорида. Синтез систем ректификационных колонн для ХТС получения винилхлорида (ХТС ВХ) с использованием разработанного способа на основе нечетких множеств и предложенных функций принадлежности.
-
Математическое моделирование ХТС ВХ с использованием ИИМП (в статике и динамике). Разрабатывались методики для оптимизации ХТС в условиях неопределенности с использованием вычислительного эксперимента на ИИМП (на примере ХТС ВХ).
-
Исследование влияния неопределенных параметров (степень превращения в реакторах, флегмовые числа в колоннах) на статический и динамический режимы ХТС ВХ в условиях неопределенности.
-
Исследование ректификационной колонны в условиях неопределенности (возмущения по потоку питания) для разделения смеси бензол-толул-ксилол.
Обоснованность научных результатов обеспечивается применением общепринятых математических методов решения задач оптимизации и тестированием программ на контрольных примерах.
Достоверность теоретических разработок подтверждена совпадением результатов вычислительного эксперимента на ПК с известными данными, что позволяет сделать вывод об эффективности разработанных методик, алгоритмов и программ для исследования ХТС в условиях неопределенности. Достоверность обеспечивается применением строгих математических методов моделирования, использованием фундаментальных условий и критериев соответствия моделей.
Научная новизна
Проведено комплексное исследование ХТС, в том числе и на примере получения винилхлорида, в условиях неопределенности исходной информации с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента:
1. Разработана методика оптимизации непрерывных стационарных ХТС (НС ХТС) в условиях интервальной неопределенности и стратегия оптимизации НС ХТС в условиях вероятностной неопределенности.
2. Предложен способ оптимизации НС ХТС в условиях неопределенности на основе минимальной чувствительности критерия оптимизации к изменению управляющего воздействия (неточности осуществления оптимального режима).
3. Исследована компромиссная стратегия оптимизации НС ХТС в условиях неопределенности (минимальная чувствительность критерия оптимизации к изменению управляющих переменных и неопределенным параметрам).
4. Разработана методика минимакса для НС ХТС в условиях интервальной и вероятностной неопределенности (на примере получения винилхлорида).
5. Определены условия неопределенности процесса ректификации для ХТС ВХ при исследовании его в составе ХТС в статике, динамике и при управлении.
6. Предложен метод синтеза систем ректификационных колонн для ХТС ВХ в условиях неопределенности с использованием алгоритма нечетких множеств и предложенных функций принадлежности.
7. Решена задача оптимизация ХТС ВХ в условиях неопределенности на основе предложенных методик, алгоритмов и программ с использованием ИИМП ASPEN 7.2.
Основные положения, выносимые на защиту:
Модифицированные методы, алгоритмы и программы для исследования моделей ХТС в условиях неопределенности с помощью вычислительного эксперимента на ИИМП.
Методика синтеза систем ректификационных колонн для ХТС ВХ в условиях неопределенности с использованием нечетких множеств и функций принадлежности.
Исследование ХТС ВХ в условиях неопределенности с помощью предложенных методик.
Оптимизация систем разделения многокомпонентных смесей на основе разработанных методик.
Практическая значимость и реализация результатов работы. На основе теоретических результатов работы предложены и разработаны алгоритмы и программы для решения задач оптимизации ХТС в условиях неопределенности исходной информации. Для иллюстрации работоспособности предлагаемых методов и алгоритмов решены задачи по комплексному исследованию ХТС с применением современных технологий системного анализа и вычислительного эксперимента на ПК. Результаты диссертационного исследования вносят вклад в развитие приближенных аналитических методов исследований на предварительном этапе математического моделирования и оптимизации ХТС в условиях неопределенности.
Разработанные методы, алгоритмы и программы используются в учебном процессе в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте, Казанском химико-технологическом университете, Березниковском филиале Пермского государственного технического университета и в Тамбовском государственном техническом университете.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на 19 Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Воронеж, 2006), на 20 Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Ярославль, 2007), на международной конференции «Системы компьютерной математики и их приложения» (Смоленск, 2008).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 123 страницах основного текста, содержит 51 рисунок, 61 таблицу, библиографический список литературы включает 105 наименований.
