Краткая классификация специальных методов ректификационного разделения (стр. 2 из 2)
Для смесей образованных более чем двумя компонентами, в общем, нет строгих уравнений, позволяющих определить число теоретических тарелок и Rmin. Есть теоретические трудности и с определением самого понятия минимальное флегмовое число. В своих исследованиях я пользуюсь понятием оптимальное флегмовое число. В соответствии с вышесказанным, число теоретических тарелок, номер тарелки питания и оптимальное флегмовое число для смесей с числом компонентов более двух определяются итерационным способом при расчете ректификации по заданным составам исходной смеси и конечных продуктов. Фактически этот поиск производится методом подбора по заданному критерию (локальному), когда получаемые составы продуктов являются и целью функционирования и критерием оптимальности.
Разделение бинарных азеотропов (сравнение разделительных узлов)
Как мы уже видели, существует достаточно большой набор ректификационных методов разделения так называемых «составов с затруднениями для разделения» (смотри, например, рис. 7). Возможность поливариантности таких методов интересует нас в данном курсе с точки зрения выбора оптимального решения. Предположим, что имеются три метода разделения азеотропной смеси (реально их может быть больше или меньше) – узел экстрактивной ректификации, удел с разделяющим агентом с промежуточной температурой кипения и двухколонный агрегат, работающий при различных давлениях в колоннах. Все три выбранных метода позволяют реализовать цель функционирования.
Не будем рассматривать подробно сами выбираемые методы ректификационного разделения. Мы учитываем их наличие как данность. Ограничения в применении того или иного метода могут быть связаны только с особенностями физико-химической структуры концентрационного пространства подвергаемой разделению смеси. Например, незначительное изменение состава азеотропа при изменении давления, отсутствие подходящего разделяющего агента с промежуточной температурой кипения и т.п.
На рис. 10, несколько упрощенно, приведены схемы узлов разделения азеотропной бинарной смеси 12 с минимумом температуры кипения и графы соответствующих концентрационных пространств.
Рис.10. Схемы узлов разделения азеотропной бинарной смеси 12 с минимумом температуры кипения и графы соответствующих концентрационных пространств: а – двухколонный агрегат, работающий при различных давлениях в колоннах; б, в – схемы с разделяющим агентом с промежуточной температурой кипения; г, д – схемы экстрактивной ректификации.
Критерием оптимизации для схем из простых колонн может быть суммарное тепло, затраченное на подогрев куба колонны и охлаждение в дефлегматоре или общий тепловой баланс с учетом рекуперации. При оптимизации узлов вновь проектируемых схем включающих сложные колонны стоит применять критерии, включающие суммарные затраты. При реконструкции действующих производств выбор критерия следует производить с учетом цели и возможностей реконструкции.
Оптимизация на четвертом уровне иерархии
На этом уровне иерархии – уровне альтернативных схем - составляется окончательный список схем и продуктов, получаемых с помощью заданного набора процессов разделения. На этом этапе должны быть определены все необходимые величины для расчета выбранного критерия оптимизации для каждой схемы в списке.
Для процессов ректификационного разделения глобальным (общим для всей схемы) критерием оптимизации на стадии проектирования может быть совокупность эксплуатационных и капитальных (с учетом срока амортизации) затрат на процесс. Также, должны быть учтены, в том или ином виде, затраты на научно-исследовательские, проектные, конструторские и пусковые работы. Отметим некоторую характерную особенность процессов ректификационного разделения. Ректификация весьма энергоемкий процесс. В эксплуатациионных затратах затраты на тепло и холод могут составлять до 70%. Поэтому довольно часто при оптимизации схем ректификационного разделения используют энергитические критерии оптимизации вместо экономических критериев. При разработке таких схем стоит проблема рекуперации тепла и связывания тепловых потоков. Однако следует понимать, что это может привести к усложнению схемы (и удорожанию в том числе) в целом и системы управления процессом.
Химия
Задача выбора общих критериев и собственно оптимизации для узлов синтеза и ХТП в целом принципиально не отличается от рассмотренной нами на примере схем ректификационного разделения. Это также многоуровневая иерархическая задача с применением, как частных, так и глобальных критериев. Среди этих уровней обязательно будут уровни определения физико-химических особенностей системы, оптимизации основных узлов, параметрической оптимизации, генерации различных вариантов схемы и выбора оптимальной.
При этом должны быть учтены и особенности рассматриваемого объекта. Цепочка: цена исходных компонентов – катализатора – управления – тепла подводимого и отводимого – эксплуатации реактора – капитальные затраты - потребительская стоимость продукта и некоторые другие.
Чуть-чуть о математических методах поиска экстремумов
Поиск минимума целевой функции
Метод наименьших квадратов
Список литературы
1. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. «Химия», М., 1969, -568 с.
2. Кафаров В.В., Перов В.Л., Мешалкин В.П. Принципы математического моделирования химико-технологических систем. «Химия», М., 1974, -344 с.
3. Островский Г.М., Волин Ю.М. Методы оптимизации сложных химико-технологических схем. «Химия», М., 1970, -328 с.
4. Кафаров В.В., Глебов М.Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств. «Высшая школа», М., 1991, -400 с.