Скачать презентацию Анализ и синтез ХТС Понятие ХТС n Скачать презентацию Анализ и синтез ХТС Понятие ХТС n

Анализ и синтез ХТС.1.ppt

  • Количество слайдов: 56

Анализ и синтез ХТС Анализ и синтез ХТС

Понятие ХТС n Химико-технологическая система – это целенаправленная совокупность процессов, аппаратов и машин химической Понятие ХТС n Химико-технологическая система – это целенаправленная совокупность процессов, аппаратов и машин химической технологии, которая обеспечивает проведение требуемых технологических операций химической и физической переработки сырья в продукты потребления и в промежуточные продукты.

Пример ХТС Установка для мокрой очистки и утилизации тепла горячих газов: 1 – кожухотрубчатый Пример ХТС Установка для мокрой очистки и утилизации тепла горячих газов: 1 – кожухотрубчатый теплообменник; 2 – мокрый пылеуловитель; 3 – встроенный змеевиковый теплообменник; 4 – решетка; 5 - циркуляционный насос; 6 – смеситель.

Принципиальная схема ХТС Структура ХТС – это строение системы, отражающее состав элементов и форму Принципиальная схема ХТС Структура ХТС – это строение системы, отражающее состав элементов и форму связи между ними G = G{Nэ(gэ), R, Nт. п. } где Nэ и gэ - число элементов конструкционного типа и протекающие в них технологические процессы; R - закон взаимосвязи между отдельными элементами; Nт. п. - число технологических потоков. Параметры ХТС – физические и химические величины, характеризующие особенности протекания, проведения и инженерно-аппаратурного оформления каждого ХТП системы. Параметры ХТС подразделяют на конструкционные и технологические.

Параметры ХТС n Конструкционные: это геометрические характеристики конструкций элементов системы (например, объем, площадь, диаметр Параметры ХТС n Конструкционные: это геометрические характеристики конструкций элементов системы (например, объем, площадь, диаметр и высота аппарата и т. п. ). n Технологические: физико-химические величины характеризующие свойства, механизм и кинетику ХТП, происходящих в элементах системы (например, константы скоростей реакций, коэффициенты тепло- массопередачи и т. п. ). n Технологического режима: основные физико-химические факторы внутри системы, влияющие на скорость протекания ХТП, на выход и качество продуктов (например, температура, давление, концентрация и т. п. ). n Входные переменные: параметры входных технологических потоков (ТП) системы, а также параметры физико-химических воздействий окружающей среды на ХТС (температура, давление, влажность и т. п. ). n Выходные переменные: параметры выходных ТП системы.

Анализ Мысленное или реальное расчленение (разложение, декомпозиция) объектов (предмет, явление, процесс) на составляющие его Анализ Мысленное или реальное расчленение (разложение, декомпозиция) объектов (предмет, явление, процесс) на составляющие его части или элементы (признаки, характеристики и т. п. ).

Синтез Мысленное объединение в единое целое различных частей объекта – операция обратная анализу. Под Синтез Мысленное объединение в единое целое различных частей объекта – операция обратная анализу. Под синтезом также понимают процесс рассуждения или последовательного получения некоторого нового утверждения, которое должно быть доказано на основе ранее уже доказанных утверждений или аксиом.

Оптимизация ХТС Целенаправленный поиск наилучших результатов функционирования ХТС при соответствующих условиях и ограничениях. Оптимизация ХТС Целенаправленный поиск наилучших результатов функционирования ХТС при соответствующих условиях и ограничениях.

Иерархия ХТС Иерархия ХТС

Графы и матрицы как средство структурного анализа ХТС Граф - геометрическое изображение, состоящее из Графы и матрицы как средство структурного анализа ХТС Граф - геометрическое изображение, состоящее из ряда ребер и вершин. Вершины графа символизируют объекты, а ребра – отношения связи между ними. Неориентированный граф Ориентированный граф

Свойства графов Маршрут – последовательность ребер, образующих непрерывный путь между исходной и конечной вершинами. Свойства графов Маршрут – последовательность ребер, образующих непрерывный путь между исходной и конечной вершинами. Для графа, описывающего конструктивную схему аппарата, последовательность ребер устанавливает взаимосвязь между отдельными элементами конструкции.

Цикл – последовательность ребер, в которой исходная и конечная вершины совпадают. Например, последовательность gfechg Цикл – последовательность ребер, в которой исходная и конечная вершины совпадают. Например, последовательность gfechg является циклом, так как она берет начало из вершины в которой заканчивается. Петля – последовательность дуг, в которой исходная и конечная вершины совпадают (BCD). Цикл Петля

Маршрут ориентированного графа Особенностью маршрута ориентированных графов является то, что можно перемещаться только в Маршрут ориентированного графа Особенностью маршрута ориентированных графов является то, что можно перемещаться только в соответствии с указанием стрелки. Так, маршрут acdged существует, а acde – нет, т. к. дуги de не существует, а есть только дуга ed.

Геометрия графов Геометрия графов

Планарные графы – две произвольные дуги графа не пересекаются друг с другом, например дерево Планарные графы – две произвольные дуги графа не пересекаются друг с другом, например дерево – граф без циклов. Полные графы (классические непланарные) - каждая из вершин соединена со всеми другими. Планарный граф (дерево) Полный граф

Представление графов с помощью матриц Представление графов с помощью матриц

Применение графов для описания иерархических структур химических агрегатов Применение графов для описания иерархических структур химических агрегатов

Пример описания иерархической структуры химического агрегата Принципиальная схема химического агрегата для сушки сыпучих материалов: Пример описания иерархической структуры химического агрегата Принципиальная схема химического агрегата для сушки сыпучих материалов: 1 – питатель; 2 – калорифер; 3 – сушилка; 4 – циклон; 5 – фильтр; 6 – газодувка

Иерархическая структура агрегата для сушки сыпучих материалов Иерархическая структура агрегата для сушки сыпучих материалов

Последовательность описания конструктивной схемы 1. выделение дискретных элементов конструкции; 2. построение графа конструктивной схемы Последовательность описания конструктивной схемы 1. выделение дискретных элементов конструкции; 2. построение графа конструктивной схемы (геометрическая модель конструктивной схемы аппарата); 3. построение компонентов векторов габаритных размеров и размеров, обеспечивающих возможность монтажа каждого элемента; 4. построение графов вертикальных и горизонтальных размеров элементов; 5. построение совмещенных графов вертикальных и горизонтальных размеров элементов (топологическая модель объекта); 6. построение матриц на основе совмещенных графов.

Применение графов для описания конструктивных особенностей химических аппаратов а – конструктивная схема; б – Применение графов для описания конструктивных особенностей химических аппаратов а – конструктивная схема; б – граф высот; в – граф диаметров Граф конструктивной схемы аппарата и его матрица смежности

Основные размеры сборочных единиц аппарата Основные размеры сборочных единиц аппарата

Графы высот и диаметров сборочных единиц аппарата Графы высот и диаметров сборочных единиц аппарата

Совмещенные графы а – высот с матрицей смежности; б – диаметров Совмещенные графы а – высот с матрицей смежности; б – диаметров

Перечень конструктивных элементов сборочной единицы № п/п З 1 З 2 Вид элемента конструкции Перечень конструктивных элементов сборочной единицы № п/п З 1 З 2 Вид элемента конструкции Кольцо Днище эллиптическое D 1 D 2 H Примечание d 1 d 2 1 1 Для плоского кольца его высота совпадает с толщиной d 2 D 3 h 2 2 Меньший диаметр равен диаметру центрального отверстия в днище З 3 Фланец d 3 d 4 3 3 В нашем случае приравнен к кольцу З 4 Штуцер d 42 d 41 h 4 4 Здесь штуцер – мелкая сборочная единица, выступает как КЭ

Сборочная единица «крышка» : конструктивные элементы и их геометрические графы Сборочная единица «крышка» : конструктивные элементы и их геометрические графы

Совмещенные графы сборочной единицы «крышка» : а – высот; б – диаметров Совмещенные графы сборочной единицы «крышка» : а – высот; б – диаметров

Преимущества применения декомпозиции объекта 1. дан метод компактной, удобной для хранения в ЭВМ записи Преимущества применения декомпозиции объекта 1. дан метод компактной, удобной для хранения в ЭВМ записи информации о конструктивных особенностях химического агрегата и его сборочных единиц; 2. предложенный метод декомпозиции позволяет автоматизировать с помощью ЭВМ: - проверку правильности задания геометрических размеров КЭ; - определение недостающих размеров КЭ с их последующей коррекцией; - процесс компоновки аппарата из отдельных СЕ или СЕ из отдельных конструктивных элементов; 3. в рамках рассматриваемого метода представляется возможным подойти к решению задачи комплексного расчета аппарата по основным критериям работоспособности; 4. используемый метод декомпозиции при его дальнейшем развитии позволит построить законченную информационную модель аппарата, необходимую для создания баз данных аппаратов химических производств.

Геометрические модели отдельных конструктивных элементов Геометрические модели отдельных конструктивных элементов

Виды геометрического моделирования элементов конструкций: Виды геометрического моделирования элементов конструкций:

Описание технологических особенностей ХТС • • Отличительная особенность химико-технологических систем – наличие двух типов Описание технологических особенностей ХТС • • Отличительная особенность химико-технологических систем – наличие двух типов иерархических структур: Структура конструктивного типа. Структура технологического типа. Наименьшей именованной единицей химико-технологических систем является Элемент ХТС

Элемент ХТС и его характеристики Элемент ХТС – неделимая в проводимом рассмотрении часть ХТС. Элемент ХТС и его характеристики Элемент ХТС – неделимая в проводимом рассмотрении часть ХТС. Это аппарат (совокупность аппаратов, или отдельная часть аппарата), в котором протекает химико-технологический процесс, качественно и (или) количественно преобразующий входные параметры материальных и энергетических потоков в их выходные параметры.

Параметры элементов ХТС • Входные – параметры входных технологических потоков элемента ХТС: расход, концентрация, Параметры элементов ХТС • Входные – параметры входных технологических потоков элемента ХТС: расход, концентрация, давление, температура, теплоемкость, вязкость, плотность и т. д. • Выходные – параметры выходных технологических потоков элемента ХТС. • Конструктивные – геометрические размеры аппарата: объем катализатора, число тарелок, площадь поверхности теплообмена и др. • Технологические: константы скоростей химических реакций; флегмовое число; плотность орошения и др. Конструктивные и технологические параметры позволяют управлять процессом, поэтому их называют управляющими переменными, или просто управлениями. Т. О. каждый элемент ХТС подобно самой ХТС осуществляет преобразование, которое может быть представлено функциональной зависимостью:

Типы элементов ХТС • Входной – если в него попадает поток, внешний по отношению Типы элементов ХТС • Входной – если в него попадает поток, внешний по отношению к данной системе. • Выходной – если он имеет выходной поток, который не подается ни в один из элементов системы. • Промежуточный – все остальные элементы системы.

Процессы, протекающие в аппаратах, представляют на схемах в виде типовых технологических операторов (ТО), которые Процессы, протекающие в аппаратах, представляют на схемах в виде типовых технологических операторов (ТО), которые подразделяют на основные и вспомогательные.

Технологическая схема производства сульфата бария: 1, 2 – растворители Ba. Cl 2 и Na Технологическая схема производства сульфата бария: 1, 2 – растворители Ba. Cl 2 и Na 2 SO 4; 3 – реактор; 4 – промыватель; 5 – центрифуга; 6 – сушилка. Соединяя операторы технологическими связями можно строить различные структуры ХТС.

Технологическая схема производства сульфата бария представленная технологическими операторами ХТС: 1, 2 – растворители Ba. Технологическая схема производства сульфата бария представленная технологическими операторами ХТС: 1, 2 – растворители Ba. Cl 2 и Na 2 SO 4; 3, 4 – реакторы; 5, 6 – промыватели; 7, 8 – центрифуги; 9 -12 – сушилка. Входящие в ХТС аппараты могут выполнять одновременно функции нескольких ТО.

Типы связей между элементами ХТС а – последовательная; б – параллельная; в – последовательно-параллельная; Типы связей между элементами ХТС а – последовательная; б – параллельная; в – последовательно-параллельная; г – обратная По особенностям технологической структуры ХТС подразделяют на разомкнутые и замкнутые. В разомкнутых ХТС технологические потоки проходят через любой элемент системы только один раз (а-в). В замкнутых ХТС имеется хотя бы одна обратная технологическая связь (г).

Классификация переменных величин, характеризующих работу ХТС . Классификация переменных величин, характеризующих работу ХТС .

Типы переменных ХТС Связи между элементами ХТС, структура и математическая модель ХТС Типы переменных ХТС Связи между элементами ХТС, структура и математическая модель ХТС

Виды переменных Все входящие в уравнения (7. 3 и 7. 4) переменные называют информационными Виды переменных Все входящие в уравнения (7. 3 и 7. 4) переменные называют информационными

Свойства ХТС n Чувствительность – способность системы реагировать на внешние воздействия и внутренние возмущения. Свойства ХТС n Чувствительность – способность системы реагировать на внешние воздействия и внутренние возмущения. Желательно, чтобы система обладала малой чувствительностью к возмущениям. n Управляемость – свойство системы достигать цели управления. Обычно целью управления является выпуск заданного количества продукции необходимого качества. Для обеспечения управляемости необходимо совместное проектирование ХТС и соответствующей системы управления. n Надежность – свойство системы сохранять работоспособность в течение заданного времени. n Помехозащищенность – свойство системы противостоять внутренним и внешним воздействиям. n Устойчивость – способность системы возвращаться в исходное состояние после устранения возмущений. n Сложность – определяется сложностью протекающих в системе процессов, числом входящих в нее элементов, числом и видом связи между элементами и т. п. n Эмерджентность – свойство системы приобретать новые качества при объединении элементов, которые по отдельности этими качествами не обладают. n Интерэктность – взаимное влияние элементов системы друг на друга.

Задачи, решаемые при проектировании ХТС Анализ – это мысленное или реальное расчленение (разложение, декомпозиция) Задачи, решаемые при проектировании ХТС Анализ – это мысленное или реальное расчленение (разложение, декомпозиция) объекта (предмет, явление, процесс) на составляющие его части или элементы (признаки, характеристики и т. п. ). Задачи анализа ХТС: анализ структуры и анализ качества функционирования. Цель анализа структуры – выявление элементов системы и связей между ними, нахождение последовательности расчета элементов. Цель анализа качества функционирования – получение количественных оценок ее основных свойств: чувствительности, надежности, устойчивости и т. д.

Синтез – это мысленное объединение в единое целое различных частей объекта, т. е. это Синтез – это мысленное объединение в единое целое различных частей объекта, т. е. это операция обратная анализу. В общем случае задачу синтеза можно сформулировать следующим образом: Заданы элементы, из которых может быть построена система, а также сырье и целевые продукты. Требуется разработать структуру ХТС для реализации технологического процесса, т. е. необходимо выбрать элементы из числа имеющихся; установить между ними связи; определить конструктивные и технологические параметры элементов ХТС. Задача синтеза обычно многовариантна, т. к. одни и те же значения выходных параметров могут быть обеспечены при различной структуре системы и различных режимах функционирования ее элементов.

Оптимизация ХТС – это целенаправленный поиск наилучших результатов функционирования ХТС при соответствующих условиях и Оптимизация ХТС – это целенаправленный поиск наилучших результатов функционирования ХТС при соответствующих условиях и ограничениях. Задача оптимизации является комплексной. Она включает в себя как оптимизацию структуры, так и оптимизацию режимов функционирования элементов. Между задачами анализа, синтеза и оптимизации существует связь. Например, при создании нового оборудования выполняется синтез нескольких альтернативных вариантов ХТС, анализируются их технико-экономические показатели, происходит поиск окончательного оптимального варианта.

Методы расчета материальных и тепловых балансов ХТС Основная задача расчета материальных и тепловых балансов Методы расчета материальных и тепловых балансов ХТС Основная задача расчета материальных и тепловых балансов ХТС – нахождение параметров состояния потоков технологической схемы: расход, концентрация, температура, энтальпия и т. п. Методы решения этой задачи можно разбить на две группы: интегральные и декомпозиционные. Суть интегральных методов – объединение систем уравнений, описывающих работу отдельных аппаратов, в общую систему уравнений и решение этой системы. Основной недостаток интегральных методов - сложность решения системы уравнений большой размерности. Суть декомпозиционных методов - каждый аппарат или группу аппаратов рассчитывают отдельно, а расчет всей ХТС состоит из последовательного расчета отдельных аппаратов. Обе группы методов подразделяют на итерационные и безитерационные

Система уравнений материального и теплового балансов При известных значениях общего расхода, температуры и состава Система уравнений материального и теплового балансов При известных значениях общего расхода, температуры и состава всех потоков технологической схемы из уравнений легко определить тепловые нагрузки и массовые компонентные расходы каждого элемента ХТС.

Способы задания исходных данных для расчета параметров состояния потоков ХТС - задан набор переменных Способы задания исходных данных для расчета параметров состояния потоков ХТС - задан набор переменных входных потоков и управляющих параметров каждого элемента требуется вычислить значения переменных промежуточных и выходных потоков; - заданы значения управляющих параметров и некоторых входных, промежуточных и выходных переменных требуется рассчитать значения остальных переменных всех технологических потоков системы. Первый способ Общее число информационных связей ХТС равно М 1 + М 2, где М 1 – число уравнений, описывающих зависимость между входными и выходными переменными всех элементов ХТС, М 2 – число уравнений, задающих значения входных и управляющих переменных – исходные данные. Общее количество переменных ХТС: N = N 1 + N 2 + N 3, где N 1 – число выходных и промежуточных переменных; N 2 – число входных переменных; N 3 – число управлений. Очевидно, что М 1 = N 1, М 2 = N 2 + N 3, т. е. число степеней свободы при первом способе задания всегда равно нулю.

Расчет параметров состояния разомкнутой схемы Расчет параметров состояния разомкнутой схемы

Расчет параметров состояния замкнутой схемы Расчет параметров состояния замкнутой схемы

Безитерационный декомпозиционный метод расчета разомкнутой ХТС (на примере схемы утилизации тепла и очистки отходящих Безитерационный декомпозиционный метод расчета разомкнутой ХТС (на примере схемы утилизации тепла и очистки отходящих газов)

Схема утилизации тепла и очистки отходящих газов, представленная ТО (а) и потоковым графом (б) Схема утилизации тепла и очистки отходящих газов, представленная ТО (а) и потоковым графом (б)

Итерационный декомпозиционный метод расчета замкнутой ХТС Итерационный декомпозиционный метод расчета замкнутой ХТС

Схема утилизации тепла и очистки отходящих газов, представленная ТО (а) и потоковым графом (б) Схема утилизации тепла и очистки отходящих газов, представленная ТО (а) и потоковым графом (б)