Компьютерное моделирование энерго- и ресурсосберегающих химических производств

Основная часть

Компьютерное моделирование – метод решения задачи анализа или синтеза сложной системы на основе использования ее компьютерной модели. Суть компьютерного моделирования заключена в получении количественных и качественных результатов по имеющейся модели. Качественные выводы, получаемые по результатам анализа, позволяют обнаружить неизвестные ранее свойства сложной системы: ее структуру, динамику развития, устойчивость, целостность и др. Количественные выводы в основном носят характер прогноза некоторых будущих или объяснения прошлых значений переменных, характеризирующих систему. Компьютерное моделирование для рождения новой информации использует любую информацию, которую можно актуализировать с помощью ЭВМ.

Компьютерное моделирование химико-технологических систем (ХТС) к настоящему времени полностью доказало свою актуальность и перспективность. С его помощью удается повысить эффективность и качество функционирования ХТС и управления технологическими процессами. Но особенно большое значение компьютерное моделирование и оптимизация имеют для синтеза работоспособных и экономичных ХТС, а также для сокращения сроков их проектирования.

Энерго и ресурсосбережение можно рассматривать как оптимизацию материальных и энергетических составляющих существующих технологических процессов. В то же время эту задачу можно понимать и более широко как поиск новых путей рационального использования сырья и энергии для получения необходимых продуктов. Задачи рационального использования сырьевых и энергетических ресурсов можно рассматривать на различных уровнях, начиная от молекулярного и заканчивая окружающей средой и рынком.

Можно выделить два этапа в развитии компьютерного моделирования ХТС.

Первый этап компьютерного моделирования был связан с переводом расчета материальных и тепловых балансов ХТС с ручного на компьютерный. Начало этого этапа датируется 1958 г. и знаменуется появлением первой моделирующей системы Flexible Flowsheet. Его становление и развитие шло на протяжении 1960–1970 гг. Концепцией моделирующей программы стала, библиотеки модулей для расчета химико-технологических процессов и аппаратов, банка физико-химических свойств и библиотеки математических модулей. Так было создано несколько десятков универсальных моделирующих программ: CHEOPS, CHEVRON, SPEED-UP, MACSIM, NETWORK 67, CHESS, PACER 245, FLOWTRAN, FLOWPACK, PROCESS и др.

 С появлением персональных компьютеров начался расцвет компьютерного моделирования. К этому времени в результате длительного процесса из общего числа выделились четыре универсальные моделирующие программы, которые заняли лидирующее положение в мире: ASPEN PLUS, HYSIS, CHEMCAD и PRO/II. Эти программы обладают обширными библиотеками технологических модулей, большими банками физико-химических свойств и удобным для пользователя интерфейсом. Сегодня указанные программы широко используют при перепрофилировании действующих и проектировании новых ХТС.

 Кроме того, следует отметить, что существует тенденция переходить на использование в расчетах все более сложных и, соответственно, более адекватных математических моделей технологических процессов и аппаратов.

 На сегодняшний день, в мировой практике, накоплен большой опыт использования универсальных моделирующих программ для расчета стационарных режимов (а также, в меньшей степени, и динамических режимов) ХТС. При совершенствовании универсальных моделирующих программ были созданы наибольшие возможности компьютерного моделирования ХТС и связаны они не с передачей компьютеру традиционных для проектировщиков функций по расчету материальных и тепловых балансов, а с реализацией с помощью компьютера функций оптимизации и управления действующими ХТС, а также синтеза (оптимального проектирования) новых ХТС.

Что же касается второго этапа, то его началом в развитии компьютерного моделирования можно условно отнести ко второй половине 1980-х гг., когда в течение короткого времени произошел переход к персональным компьютерам и появились первые прототипы универсальных моделирующих программ ASPEN PLUS, HYSIS, CHEMCAD и PRO/II. В данные программы были введены оптимизационные процедуры, и так их стали применять не только для расчета отдельных технологических схем, но и для оптимизации стационарных режимов ХТС. Однако, вплоть до настоящего времени универсальные моделирующие программы гораздо чаще применяют в своей первой функции – расчет материальных и тепловых балансов с использованием наиболее полных и совершенных модулей для расчета аппаратов и банка физико-химических свойств, снабженного новейшими данными. Причиной здесь стали математические трудности оптимизационного расчета и в непривычности целевой функции оптимизации для проектировщиков. Кроме того, главное и принципиальное затруднение, связано с неопределенностью исходной информации, которой мы располагаем при решении задачи оптимизации. Неопределенность практически всегда имеет место на этапе проектирования и часто – на этапе эксплуатации ХТС. Поэтому учет неопределенности информации требует как разработки новых математических постановок задач, так и новых подходов и методов их решения.

Основные функции компьютера при моделировании:

• выполнять роль вспомогательного средства для решения задач, решаемых обычными вычислительными средствами, алгоритмами, технологиями;
• выполнять роль средства постановки и решения новых задач, не решаемых традиционными средствами, алгоритмами, технологиями;
• выполнять роль средства конструирования компьютерных обучающе-моделирующих сред;
• выполнять роль средства моделирования для получения новых знаний;
• выполнять роль «обучения» новых моделей (самообучающиеся модели).

Разновидностью компьютерного моделирования является вычислительный эксперимент. Компьютерное моделирование, вычислительный эксперимент становится новым инструментом, методом научного познания, новой технологией также из-за возрастающей необходимости перехода от исследования линейных математических моделей систем.

Отображая физическую систему (объект) на математическую систему (например, математический аппарат уравнений) получим физико-математическую модель системы или математическую модель физической системы. В частности, физиологическая система - система кровообращения человека, подчиняется некоторым законам термодинамики и описав эту систему на физическом (термодинамическом) языке получим физическую, термодинамическую модель физиологической системы. Если записать эти законы на математическом языке, например, выписать соответствующие термодинамические уравнения, то получим математическую модель системы кровообращения. Эту модель можно назвать физиолого-физико-математической моделью или физико-математической моделью.

В химических отраслях промышленности широко используются реакционные, гидромеханические, механические, тепловые и массообменные процессы. Каждый из процессов имеет определенные ограничения, связанные с техническими возможностями, экономической и экологической целесообразностью. Большая часть технических ограничений обусловлена специфическими свойствами перерабатываемых веществ.

Так, для реакционных процессов считаются характерными термодинамические и кинетические ограничения, для массообменных–физико-химические ограничения. Преодоление этих ограничений представляет собой довольно сложную задачу, которая может быть решена интеграцией процессов. Например, совмещением реакционных и массообменных процессов, когда образующиеся продукты принудительно удаляются из зоны реакции (реакционно-ректификационные процессы, мембранные реакторы и др.).

Применение системного подхода к технологическому проектированию химико-технологических процессов предполагает решение совокупности различных формализованных (вычислительных) и неформализованных (смысловых) задач, связанных с анализом, оптимизацией и синтезом технологических схем производств.

Развитие и широкое распространение информационных технологий (ИТ-технологий), внедрение локальных (ЛВС) и глобальных (ГВС) вычислительных сетей, интернет-технологий дают возможность развивать и совершенствовать современные системы прикладной информатики – автоматизированные (компьютерные) системы (АС).

К ним относятся:

• автоматизированные информационные системы (АИС);
• системы автоматизированного проектирования (САПР);
• автоматизированные системы научных исследований (АСНИ);
• автоматизированные системы управления (АСУ);
• автоматизированные обучающие системы (АОС).

При применении указанных АС для решения задач химической технологии предполагается использование компьютерных моделей реальных процессов и производств, в частности результатов компьютерного моделирования химико-технологических процессов. При этом автоматизированные системы, в соответствии с требованиями к новым информационным технологиям, должны включать в себя методологии решения задач с применением прикладных систем искусственного интеллекта (ИИ) и экспертных систем (ЭС), с использованием которых удается моделировать некоторые интеллектуальные функции специалистов в конкретной проблемной (предметной) области, а соответственно, и увеличить надежность принимаемых решений неформализованных задач (НФЗ).

В отличие от формализованных задач (ФЗ), для решения которых требуется реализация вычислительных алгоритмов на компьютерах, рациональные решения для НФЗ получаются в результате творческой деятельности специалистов, которая требует, прежде всего, переработки большого количества смысловой (семантической) информации и непосредственно не связана с проведением каких-либо вычислений. Для поиска семантических решений НФЗ необходимо применять не вычислительные алгоритмы, как в случае с ФЗ, а эвристическо-эволюционные процедуры.

Экспертные системы (ЭС) – это интеллектуальные системы, которые способны в диалоге с квалифицированным пользователем – лицом, принимающим решение, на основе накопления и переработки специальных знаний и правил принятия решений проводить экспертизу, контролтровать и давать рекомендации по выбору действий (операций), распозновать ситуации, ставить диагноз и обосновывать заключения при поиске решений НФЗ некоторой проблемной (предметной) области. ЭС можно рассматривать как своеобразные программно-технические усилители интеллектуальной творческой деятельности лица, принимающего решение. Такие интеллектуально-диалоговые системы представляют собой сложные человеко-машинные системы, так называемые системы эргатического типа, применение которых обеспечивает получение наиболее надежных результатов решения задач химической технологии.

Компьютерное моделирование химико-технологических процессов предполагает решение следующих основных задач:

• построения математической модели процесса и ее реализацию на компьютере;
• идентификации (отождествления) разработанной математической модели с моделируемым процессом с целью обеспечения ее адекватности, т. е. определения оптимальных режимных и конструкционных параметров процессов, которые обеспечивают наибольшее или наименьшее значение выбранного критерия оптимальности (целевой функции), характеризующего эффективность реального процесса.

Для решения задач компьютерного моделирования применяется системный подход, в соответствии с которым химико-технологический процесс (ХТП).

Системный подход дает возможность осуществить математическую формализацию задачи при построении математических моделей как процессов в отдельных аппаратах (типовой ХТП), так и в их совокупности (химическое производство), обеспечивая возможности познания физико-химических механизмов протекающих процессов и получение широких обобщений и количественных закономерностей.

Любая система состоит из взаимосвязанных и взаимодействующих между собой и с внешней средой частей и, в определенном смысле, представляет собой замкнутое целое. Объект, являющийся совокупностью соединенных между собой аппаратов (химическое производство), в частности, для производства некоторого целевого продукта, называется химико-технологической системой (ХТС).

Работа по конструированию математической модели чаще всего проводится объединенными усилиями физиков (химиков, биологов, медиков, экономистов), т. е. специалистов, хорошо знающих данную предметную область, и математиков, представляющих себе уровень развития соответствующего раздела прикладной математики и способных оценить возможность решения возникающей математической задачи. Разновидностью компьютерного моделирования является вычислительный эксперимент. Компьютерное моделирование, вычислительный эксперимент становится новым инструментом, методом научного познания, новой технологией также из-за возрастающей необходимости перехода от исследования линейных математических моделей систем. Вычислительный эксперимент не отвергает традиционных классических методов анализа, скорее напротив, предполагает их самое активное использование. Кроме того, на долю математиков выпадает и предварительное исследование математической модели – корректно ли поставлена задача, имеет ли она решение, единственно ли оно и т. д. Однако, для актуальных сложных задач, которые представляет современная наука и техника, подобное исследование удается выполнить лишь в исключительных случаях.

Заключение

Химическая технология – наука о наиболее экономичных и экологически обоснованных методах химической переработки сырых природных материалов в предметы потребления и средства производства. Процессы химической технологии включают химическую переработку сырья, основанную на сложных по своей природе химических и физико-химических явлениях.

Важной отраслью химической технологии является переработка полезных ископаемых и производство на их основе новых видов химических продуктов и сырья многоцелевого назначения.

Суть компьютерного моделирования заключена в получении количественных и качественных результатов по имеющейся модели. Качественные выводы, получаемые по результатам анализа, позволяют обнаружить неизвестные ранее свойства сложной системы: ее структуру, динамику развития, устойчивость, целостность и др. Количественные выводы в основном носят характер прогноза некоторых будущих или объяснения прошлых значений переменных, характеризирующих систему. Компьютерное моделирование для рождения новой информации использует любую информацию, которую можно актуализировать с помощью ЭВМ.