Этапы оптимизации мы будем рассматривать на примере схемы ректификационного разделения.
Разработку схемы ректификационного разделения, как и любого химико-технологического процесса, можно рассматривать как сложную иерархическую задачу, разделив ее на несколько уровней иерархии. При этом результаты, полученные на более низком уровне, определяют результаты на более высоком уровне, а при неоднозначности решения на более высоком уровне предусматривается возможность возврата на более низкий. Каждый уровень иерархии может состоять из нескольких подуровней связанных или не связанных между собой обратными связями.
Целью оптимизации схемы ректификационного разделения в целом является получение заданного вещества или группы веществ с заданными качественными параметрами (например, составом). На каждом уровне иерархии может быть сформулирован свой критерий оптимизации, будут действовать свои ограничения и своя система корректирующих воздействий, функционировать своя цель оптимизации.
На первом уровне иерархии, который условно можно назвать молекулярно-атомарным, определяются базисные физико-химические свойства подвергаемой разделению смеси. Для эффективного проведения предсинтеза и синтеза схем многокомпонентной ректификации сложных полиазеотропных смесей необходимо располагать качественной информацией об индивидуальных и групповых свойствах компонентов составляющих исходную смесь. На первом уровне иерархии можно условно выделить ряд подуровней. В начале определяются свойства чистых веществ: плотности, теплоты испарения, температуры кипения и плавления, дипольные моменты и некоторые другие необходимые величины. На следующем подуровне - параметры бинарных и многокомпонентных азеотропов, фазовое равновесие жидкость-пар. На третьем – фазовое равновесие жидкость-жидкость, теплоты смешения в бинарных и многокомпонентных системах. Данные для первого уровня иерархии могут быть получены экспериментально, путем поиска в первоисточниках, справочниках и банках данных, а также расчетным путем. Отметим, что задача данного уровня может решаться только при развитом взаимодействии экспериментальных и расчетных методов.
Цель функционирования на первом уровне иерархии получение качественной полной модели фазового равновесия в рассматриваемой поступившей на разделение многокомпонентной смеси, расширенной при необходимости данными для привлеченных разделяющих агентов.
На втором уровне иерархии - качественного анализа структуры - выявляются особенности структуры концентрационного пространства исходной разделяемой смеси, обуславливающие выбор схемы ректификации. На первом подуровне, по данным, полученным на предыдущем иерархическом уровне, определяются типы особых точек в N-компонентной системе и в подсистемах меньшей размерности, проверяется соблюдение в них правила азеотропии. На втором подуровне определяются внутренние связи и граничные особые точки областей непрерывной ректификации и разделяющих многообразий. Далее анализируется внутренняя структура фазовых диаграмм. Определяется наличие и ход соединяющих линий поля нод-ренод (с-линий); многообразий на которых соблюдается: 1) равенство единице коэффициентов относительной летучести (единичные a-многообразия), 2) равенство единице констант фазового равновесия (единичные К-многообразия); 3) разделяющие областей одинаковых направлений нод-ренод (r-многообразия) и некоторые другие. На этом же уровне, при необходимости, определяется принадлежность точки исходного состава той или иной области непрерывной ректификации. В результате на втором уровне иерархии устанавливаются структурные ограничения на получение возможных конечных продуктов в процессе непрерывной ректификации.
На третьем уровне иерархии - элементарного процесса разделения - устанавливается соответствие различных способов разделения возможным конечным продуктам. На первом подуровне третьего уровня определяется список продуктов получаемых посредством процесса непрерывной ректификации и рекомендуемые режимные параметры для каждого аппарата. На втором подуровне анализируется возможность использования специальных методов ректификации для расширения гаммы конечных продуктов либо выделения заданных.
На четвертом уровне иерархии - альтернативных схем - составляется список схем и продуктов, получаемых с помощью заданного набора процессов разделения. Выявление возможных вариантов последовательностей выделения конечных продуктов с учетом ограничений, налагаемых структурой концентрационного пространства, является последним этапом предсинтеза или первым этапом синтеза схем разделения многокомпонентных полиазеотропных смесей.
Существует несколько основных стратегий синтеза таких схем. Первая стратегия это направленный синтез по некоторым эвристическим правилам схемы, заранее считаемой оптимальной. Эвристический подход к синтезу схем наиболее прост и разработан ранее других. Вариантом такого подхода является, например, информационно-энтропийный, в соответствии с которым оптимальной схеме разделения отвечает максимум суммы информационных критериев разделительной способности всех ректификационных колонн. Эвристический подход в ряде случаев дает удовлетворительный результат, однако эвристики часто противоречат друг другу и в общем случае не обеспечивают оптимального решения.
Вторая стратегия это полный перебор всех возможных схем с последующим выбором оптимальной по принятому критерию. В качестве критерия предлагается использовать, например, суммарные энергетические затраты для всей схемы или комплексный критерий, сравнивающий: общее число ректификационных колонн, число получаемых чистых компонентов, число азеотропов. Использование стратегии полного перебора задача фактически неосуществимая на практике и к тому же не гарантирует нахождения нетривиальных вариантов схем.
Третья стратегия синтеза схем разделения является сочетанием первых двух. Из всех полученных на этапе предсинтеза схем выбираются, для дальнейшей оптимизации, только те, которые могут быть реализованы в технологически приемлемых условиях. Третья стратегия предполагает проводить, на промежуточном этапе, дискриминацию альтернативных схем на основе технологических ограничений.
Существует еще одна стратегия синтеза схем. В начале рассматриваются варианты разделения исходной смеси в режиме бесконечной разделительной способности (вариант граничных условий), затем при ректификации с конечной флегмой. Для промежуточных фракций, содержащих невыделенные продуктовые компоненты, рассматриваются возможности их получения в рамках имеющейся структуры фазовой диаграммы или с использованием разделяющих агентов и варьирования давления. Такую стратегию можно назвать сложной многокритериальной.
Весьма продуктивным является декомпозиционный подход к синтезу схем. При этом исходная задача сводится к некоторому числу задач меньшей размерности, для которых решение может быть найдено относительно легко. Здесь следует помнить, что при таком подходе глобальный оптимум может быть и не найден.
В реальной практике, как правило, для синтеза схемы разделения используется некая комбинированная стратегия, включающая в себя элементы всех приведенных выше. Выбор ее, каждый раз, определяется исходной смесью и поставленной целью разделения.
Кроме перечисленных выше уровней иерархии ХТ системы, в качестве отдельных уровней иерархии, можно выделить уровень составления материальных и тепловых балансов. Однако, в настоящем курсе его мы рассматривать не будем.