Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Выбор аппаратурного оформления многоассортиментных химических производств: Монография

Голосов: 0

Предложена методика определения аппаратурного оформления химико-технологических систем многоассортиментных производств, широко распространенных в промышленности органического синтеза: рассмотрены основные особенности функционирования реальных химико-технологических систем; сформулированы задачи определения характеристик режима их работы и аппаратурного оформления стадий с оборудованием различных типов; представлены условия разрешимости задач, методы и алгоритмы их решения. Монография предназначена для специалистов, занимающихся расчетами технологического оборудования многоассортиментных химических производств, моделированием и оптимизацией процессов принятия проектных решений в данной области, а также аспирантов и студентов соответствующих специальностей.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                     С.В. Карпушкин


ВЫБОР АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ МНОГОАС-
  СОРТИМЕНТНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ




                       МОСКВА
           "ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1"
                         2006


                                            С.В. Карпушкин


  ВЫБОР АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ МНОГОАС-
   СОРТИМЕНТНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ




                                             МОСКВА
                                 "ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1"
                                               2006
УДК 66.001.2:65.011
ББК Л11-5
    К26

                                               Р е ц е н з е н т ы:
                                     Доктор технических наук, профессор
                                                А.Ф. Егоров

                                     Доктор технических наук, профессор
                                               С.И. Дворецкий




          Карпушкин С.В.
К26       Выбор аппаратурного оформления многоассортиментных
      химических производств. – М. : "Издательство Машиностроение-
      1", 2006. – 140 с.

          Предложена методика определения аппаратурного оформления хи-
      мико-технологических систем многоассортиментных производств, ши-
      роко распространенных в промышленности органического синтеза: рас-
      смотрены основные особенности функционирования реальных химико-
      технологических систем; сформулированы задачи определения характе-
      ристик режима их работы и аппаратурного оформления стадий с обору-
      дованием различных типов; представлены условия разрешимости задач,
      методы и алгоритмы их решения.
          Предназначена для специалистов, занимающихся расчетами техно-


      логического оборудования многоассортиментных химических произ-
      водств, моделированием и оптимизацией процессов принятия проектных
      решений в данной области, а также аспирантов и студентов соответст-
      вующих специальностей.
                                                  УДК 66.001.2:65.011
                                                  ББК Л11-5


ISBN 5-94275-262-1               © Карпушкин С.В., 2006
                                 © "Издательство Машиностроение-1",
                                                     2006




                                                Научное издание

                                      КАРПУШКИН Сергей Викторович

  ВЫБОР АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ МНОГОАССОРТИ-
         МЕНТНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
                                                  Монография

                                         Редактор З.Г. Чер нова
                               Компьютерное макетирование Е.В. Кор аб л ево й


                                           Подписано к печати 20.04.2006.
                       Формат 60 × 84/16. Гарнитура Times. Бумага офсетная. Печать офсетная.
                                       Объем: 8,14 усл. печ. л.; 8,05 уч.-изд. л.
                                              Тираж 400 экз. С. 222М
                      "Издательство Машиностроение-1", 107076, Москва, Стромынский пер., 4
                     Подготовлено к печати и отпечатано в Издательско-полиграфическом центре
                             Тамбовского государственного технического университета
                                       392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14


                                          ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение ………………………………………………………………                              5
1. Проблема определения аппаратурного оформления химико-
   технологических систем многоассортиментных химических
   производств ………………………………………………………                           7
   1.1. Место и содержание определения АО ХТС …………….            8
         1.1.1. Этап разработки ХТС ……………………………                8
         1.1.2. Этап определения АО ХТС производства ……...     11
         1.1.3. Этапы компоновочных расчетов, составления
                расписания работы ХТС, утилизации отходов
                производства ………………………………………                   14
   1.2. Особенности функционирования оборудования ХТС
         МХП ..………………………………………………………                           16
         1.2.1. Порядок определения продолжительностей реа-
                лизации стадий выпуска продукта ………….......    17
         1.2.2. Варианты организации совместной работы ста-
                дий ХТС с различными основными аппаратами      19
         1.2.3. Организация переработки партий продукта на
                стадиях с несколькими основными аппаратами     23
         1.2.4. Изменения размера партии продукта в ходе ее
                переработки на стадиях ХТС ……………………            24
   1.3 Постановки и методы решения задач определения АО
         ХТС МХП ………………………………………………….                          30
         1.3.1. Постановки задачи определения АО ХТС при
                упрощенном представлении режима его работы     30
         1.3.2. Постановки задачи определения АО ХТС в усло-
                виях неопределенности значений некоторых па-
                раметров …………………………………………..                    36
         1.3.3. Постановки задач оптимизации режима функ-
                ционирования ХТС периодического действия …     39
         1.3.4. Методы решения задач определения АО и режи-
                ма функционирования ХТС периодического дей-
                ствия ………………….……………………….......                 47
2. Постановки задач определения аппаратурного оформления
   химико-технологических систем многоассортиментных хими-
   ческих производств ……………………………………………...                     56
   2.1. Предпосылки разработки математических постановок
         задач определения АО ХТС МХП ……………………….               56
         2.1.1. Допущения, принятые при постановке задач оп-
                ределения АО ХТС МХП …………………………                56
         2.1.2. Исходные данные и результаты решения задач
                определения АО ХТС МХП ………………………               60
   2.2. Постановка задачи выбора режима функционирования
         ХТС МХП …………………………………………………                           66
         2.2.1. Соотношения для определения характеристик
                режима функционирования ХТС ………………..           66
         2.2.2. Условия синхронизации циклов работы аппара-
                тов стадий ХТС ………………………………….                  70
         2.2.3 Критерий оптимизации режима функционирова-
                ния АО ХТС МХП ………………………………..                  73
   2.3. Постановки задач выбора оборудования стадий ХТС
         МХП ……………………………………………………….                            77
         2.3.1. Соотношения для выбора основной аппаратуры
                стадий ХТС МХП ………………………………….                  77
         2.3.2. Выбор вспомогательной аппаратуры стадий ХТС
                МХП ………………………………………..……...                     80
         2.3.3 Критерий оптимальности аппаратурного оформ-
                ления стадии ХТС …………………………………                 83


3.  Методы решения задач определения аппаратурного оформле-
    ния химико-технологических систем многоассортиментных
    химических производств …………………………………….….                      88
    3.1. Необходимые условия существования решений задач
         определения АО ХТС МХП ……………………………...                    89
         3.1.1. Условие существования диапазонов допустимых
                значений размеров партий продуктов ХТС ….......   90
         3.1.2. Условие существования допустимых вариантов
                АО стадий ХТС …………………………………...                    95
         3.1.3. Условие обеспечения требуемой производитель-
                ности ХТС …………………………………….…..                      99
    3.2. Алгоритмы решения задач определения АО ХТС МХП           102
         3.2.1. Алгоритм решения задачи определения характе-
                ристик режима функционирования ХТС ……….           103
         3.2.2. Алгоритм решения задач определения АО стадий
                ХТС ………………………………………………                            108
    3.3. Методика определения АО ХТС проектируемого МХП           113
         3.3.1. Схема улучшения базового варианта АО ХТС ….       116
         3.3.2. Примеры определения АО ХТС реальных МХП ….        120
Заключение ………………………..………………………………….                              129
Список литературы ……………………..…………………………….                          130
                                              ВВЕДЕНИЕ


     Ключевой проблемой разработки нового производства и обновления существующего с целью изменения
номенклатуры и объемов выпуска продуктов, а также реализации усовершенствованных (энергосберегающих,
экологически безопасных) технологий, является определение аппаратурного оформления (АО) входящих в его
состав химико-технологических систем (ХТС), т.е. типов, числа, геометрических размеров и характеристик ре-
жима функционирования основных и вспомогательных аппаратов каждой системы. При решении этой пробле-
мы приходится иметь дело с множеством разнообразных прикладных задач, связанных с определением опти-
мальных конструкционных и ре-жимных параметров единиц производственного оборудования. Самый широ-
кий комплекс задач приходится решать при определении аппаратурного оформления многоассортиментных
химических производств (МХП), примерами которых могут служить производства химических красителей и
полупродуктов, добавок к полимерным материалам, фармацевтических препаратов, кино-фотоматериалов, хи-
мических реактивов. Это обусловлено следующими обстоятельствами:
     • широкой номенклатурой выпускаемой продукции при небольших объемах (до 1000 т/год) и коротких
сроках выпуска большинства ее марок, частыми изменениями ассортимента и объемов выпускаемых продук-
тов;
     • большим разнообразием видов технологических процессов, способов их организации и осуществления,
типов технологического оборудования, характерных для химической промышленности;
     • преимущественно периодическим режимом работы ХТС этих производств (продукты выпускаются от-
дельными партиями, которые последовательно проходят все стадии переработки), при этом для реализации от-
дельных стадий часто используются аппараты непрерывного действия, работающие в квазинепрерывном режи-
ме;
     • формированием АО ХТС как совокупности обособленных аппаратурных стадий – установок, предна-
значенных для реализации физико-химических стадий процессов получения продуктов, которые предусмотре-
ны технологическими регламентами (подготовка сырья, химические превращения, выделение продуктов и т.д.);
     • неодинаковой степенью загрузки технологического оборудования в различные периоды его работы.
     Заметим, что в той или иной степени указанные особенности характерны для подавляющего большинства
производств основной химии и органического синтеза, так как кроме основной продукции все они выпускают
отходы, утилизация которых требует создания специальных ХТС и обеспечения их функционирования. Други-
ми словами, практически любое химическое предприятие можно рассматривать как многоассортиментное: це-
левые продукты поступают на рынок и обеспечивают прибыль, а отходы преобразуются в сырье для других
производств или утилизируются в экологически безопасное состояние, что увеличивает издержки и снижает
прибыль.
     Согласно принятой в последние годы классификации, среди производств, для которых характерен перио-
дический способ реализации технологических процессов, широкий ассортимент продуктов и небольшие объе-
мы их выпуска, выделяют следующие группы технологических систем [1 – 4]:
     − однопродуктовые, предназначенные для выпуска единственного продукта;
     − многопродуктовые, ориентированные на последовательный выпуск нескольких продуктов, причем чис-
ло задействованных аппаратурных стадий и структура материальных потоков при выпуске разных продуктов
могут быть неодинаковыми;
     − многоцелевые, способные выпускать несколько продуктов одновременно, причем маршруты следова-
ния разных партий одного и того же продукта по стадиям ХТС могут быть различными.


     Однопродуктовые ХТС являются частным случаем многопродуктовых. Многоцелевые не нашли широкого
применения в МХП по причинам сложности технологии выпуска продуктов и необходимости тщательной очи-
стки оборудования при переходах с выпуска одного продукта на другой. Предметом рассмотрения в предлагае-
мой работе являются многопродуктовые ХТС как наиболее распространенный способ организации выпуска
продукции МХП [3 – 7].
     Целью предлагаемой работы является развитие теории и методов автоматизации определения АО ХТС и
характеристик режима его функционирования при разработке проекта нового производства.
    1. ПРОБЛЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ ХИМИКО-
 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ МНОГОАССОРТИМЕНТНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗ-
                              ВОДСТВ


     Процесс проектирования МХП складывается из трех основных стадий [5 – 7]: маркетинговые исследова-
ния (технико-экономическое обоснование), разработка проекта, разработка рабочей документации. В ходе мар-
кетинговых исследований определяются ассортимент и объемы выпуска продуктов, обосновывается способ их про-
изводства. При решении этих вопросов принимаются во внимание следующие обстоятельства:
     − ситуация на рынке сбыта подобной продукции, наличие заказов на продукцию проектируемого произ-
водства, предполагаемые сроки ее поставок;
     − доступность сырья, т.е. оценка затрат на его закупку и доставку или на собственное производство;
     − доступность регламентов выпуска продуктов, возможности их собственной разработки;
     − возможности приобретения необходимого оборудования, использования имеющегося;
     − вопросы размещения проектируемого производства (строительства новых или использования имею-
щихся производственных помещений).
     Проект производства включает технологические расчеты, общеинженерную часть и технико-
экономические расчеты. В ходе технологических расчетов определяется число и структура ХТС, парк техноло-
гического оборудования и его компоновка, календарный план работы производства, нормы расхода сырья и
энергии, способы утилизации отходов. Общеинженерная часть проекта включает транспортное обеспечение
производства, организацию строительных работ, организацию труда и технику безопасности, систему управле-
ния производством. Результатами технико-экономических расчетов являются калькуляции себестоимости гото-
вых продуктов, сметы на приобретение оборудования и сырья, строительные работы.
     Рабочая документация – это документы, согласно которым ведется монтаж ХТС производства (включая
строительство производственных зданий). В ее состав входят:
     − технологические схемы с нанесенным оборудованием, трубопроводами, средствами КИПиА;
     − планы и разрезы сооружений с привязкой транспортного и энергетического оборудования;
     − материалы по регламентам проведения всех видов работ, связанных с производством продукции;
     − пусковая инструкция.
     Наиболее важным и ответственным этапом стадии разработки проекта и процесса проектирования в целом
являются технологические расчеты. От качества проектных решений, принятых при их выполнении, во многом
зависит эффективность функционирования проектируемого производства.
     Определим место и содержание определения АО ХТС в процессе выполнения технологических расчетов
для проектируемого МХП.

                         1.1. МЕСТО И СОДЕРЖАНИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АО ХТС
     Исследования технологических расчетов методами системного анализа [8 – 11] привели нас к следующему
представлению о содержании и взаимосвязях их основных этапов, см. рис. 1.1. Координирующий сигнал K_TR
включает основные исходные данные для выполнения технологических расчетов: наименования продуктов и
рекомендуемые производительности по каждому из них (месячные, квартальные или годовые объемы выпуска),
технологические регламенты синтеза продуктов. Информационный сигнал I_TR содержит результаты выпол-
нения всех этапов технологических расчетов: число ХТС производства, ассортименты и объемы выпуска их
продукции за указанный период, аппаратурное оформление каждой ХТС, решения по компоновке оборудова-
ния в производственном помещении и трассировке технологических трубопроводов, календарный план работы
ХТС производства, график планово-предупредительных ремонтов (ППР) оборудования, расходные нормы и
графики потребления сырья и энергоресурсов, графики образования отходов производства и сведения о числе,
аппаратурном оформлении и режиме функционирования ХТС, осуществляющих утилизацию отходов.
     Рассмотрим содержание этапов технологических расчетов на стадии разработки проекта МХП и связи ме-
жду ними.

                                       1.1.1. Этап разработки ХТС
     Первым этапом технологических расчетов является разработка ХТС. Исходные данные для его выполне-
ния (координирующий сигнал K_TS) включают: наименования продуктов, планируемые объемы их выпуска за
указанный период, наименования стадий синтеза каждого продукта и рекомендации по типу и исполнению ос-
новных аппаратов, пригодных для реализации стадий.


                                                                 Рис. 1.1. Системное представление процесса разработки проекта МХП




     На верхнем уровне решается задача TS разделения ассортимента продукции производства на группы, каж-
дая из которых будет производиться отдельной ХТС. Целью ее решения является обеспечение выпуска всех
продуктов в указанных объемах с помощью минимального числа ХТС, причем не исключается возможность
выпуска одних и тех же продуктов разными ХТС. Основные ограничения задачи TS:
     − сходство технологий выпуска продуктов каждой ХТС (число стадий синтеза и требования к основной аппа-
ратуре для их реализации);
     − близость значений суммарных производительностей различных ХТС (для обеспечения минимального
разброса размеров однотипных основных аппаратов);
     − совместимость цветов продуктов ХТС (актуально для синтетических красителей).
     В практике проектирования МХП для решения вопросов определения числа ХТС производства и ассорти-
мента продукции каждой из них чаще всего привлекаются эксперты (опытные технологи). Подходы к поста-
новке и решению задачи TS представлены в [3, 12 – 14].
     Координирующий сигнал K_SSs с верхнего уровня к каждой конкретной ХТС (№ s) включает ассортимент
ее продуктов, наименования стадий их синтеза, указания по типам и исполнениям основных и вспомогательных
аппаратов стадий, перечень технологических операций каждой стадии и материальные индексы операций (объ-
ем или масса веществ, перерабатываемых в ходе операций согласно регламенту). Для каждой ХТС решается
задача SSs определения числа аппаратурных стадий, типов и исполнений основных и вспомогательных аппара-
тов каждой стадии, структуры материальных потоков при выпуске каждого продукта. Целью решения этой за-
дачи является обеспечение возможности реализации всех стадий синтеза продуктов ХТС № s с помощью ми-
нимального числа аппаратурных стадий. Основные ограничения:
     − соответствие типа и исполнения основного и вспомогательного оборудования каждой аппаратурной
стадии требованиям к аппаратам для реализации соответствующих стадий синтеза продуктов;


     − доступность основных и вспомогательных аппаратов, необходимых для оснащения аппаратурных ста-
дий ХТС.
     Вопросы автоматизации определения типов и исполнений аппаратов стадий ХТС МХП, числа задейство-
ванных аппаратурных стадий и структуры материальных потоков при выпуске каждого продукта рассмотрены
в работах [2, 3, 13, 15 – 18].
     По результатам решения задачи SSs дополнительно определяются материальные индексы аппаратурных
стадий по продуктам – объем или масса веществ, которые необходимо переработать на стадии для получения
единицы массы (1 т) каждого продукта.
     На верхнем уровне осуществляется анализ содержания информационных сигналов I_SSs от каждой ХТС
(число аппаратурных стадий, число продуктов, партии которых обрабатываются на каждой аппаратурной ста-
дии, типы основных и вспомогательных аппаратов стадий, соотношение материальных индексов продуктов на
стадиях), который может привести к выводу о необходимости изменения числа ХТС или ассортимента их про-
дукции и повторного решения задач SSs. Информационный сигнал I_TS – это объединение сигналов I_SSs для
всех ХТС производства, формирование которых признано целесообразным.

                              1.1.2. Этап определения АО ХТС производства
      На этом этапе определяются характеристики режима функционирования оборудования каждой из ХТС (№
s), выбираются определяющие размеры и число основных и вспомогательных аппаратов каждой стадии систе-
мы (№ j), способ переработки партий продуктов на стадиях, осуществляется поиск оптимальных параметров
конструкции и режима функционирования каждого основного и вспомогательного аппарата (№ f ) каждой ста-
дии.
      К числу основных характеристик режима функционирования АО каждой конкретной ХТС при выпуске
каждого продукта относятся [1, 2, 4, 13, 19 – 22]:
      − размер партии продукта, т.е. масса его партии, прошедшей все стадии переработки;
      − длительность цикла работы ХТС, т.е. промежуток времени между моментами начала или окончания
процесса переработки двух партий продукта, нарабатываемых одна за другой.
      Для определения значения длительности цикла работы ХТС необходимо составить пооперационное рас-
писание циклов переработки партий продукта на стадиях ХТС (определить моменты начала и окончания всех
операций циклов работы основных аппаратов всех ее стадий) и рассчитать продолжительности периодов пере-
работки партий продукта на стадиях (промежутков времени между моментами начала первой и окончания по-
следней операции).
      Координирующий сигнал K_AОs включает наименования и объемы выпуска продуктов ХТС № s за ука-
занный период, число ее аппаратурных стадий и маршруты следования партий продуктов по стадиям, типы и
исполнения аппаратов стадий (основных и вспомогательных), материальные индексы стадий по продуктам и
данные регламентов выпуска продуктов: длительности операций, реализуемых на стадиях или (и) удельные
производительности основных аппаратов, диапазоны допустимых значений степени заполнения емкостных
аппаратов.
      Задача AОs – это задача выбора значений размеров партий продуктов и составления пооперационного рас-
писания циклов их переработки аппаратами всех стадий ХТС, обеспечивающих плановую производительность
системы по каждому продукту при минимальных затратах на основные виды потребляемых энергоресурсов.
Основные ограничения:
      − соотношения для определения длительностей, а также моментов начала и окончания всех операций
цикла работы аппаратов каждой стадии ХТС при выпуске каждого продукта;
      − соотношения для расчета продолжительностей периодов переработки партий продуктов на стадиях ХТС,
длительностей циклов работы ХТС при выпуске продуктов, продолжительностей выпуска продуктов;
      − ограничения на изменение значений размеров партий продуктов;
      − ограничение на сумму продолжительностей выпуска всех продуктов.
      Координирующий сигнал K_AOsj содержит все данные сигнала K_AОs, относящиеся к стадии № j ХТС, а
также значения продолжительностей периодов переработки партий продуктов на этой стадии, множества опре-
деляющих геометрических размеров аппаратов (основных и вспомогательных), подходящих для ее оснащения,
размеры партий и длительности циклов работы ХТС по продуктам. Задача AOsj – это задача выбора числа и
определяющих геометрических размеров основных и вспомогательных аппаратов для стадии № j, а также спо-
соба переработки партий продуктов на этой стадии (целиком, равными долями параллельно или последова-
тельно, с объединением нескольких партий). Критерием оптимальности решения задачи AOsj являются мини-
мальные капитальные затраты на технологическое оборудование стадии, а к числу основных ограничений от-
носятся:
      − принадлежность определяющих размеров основных и вспомогательных аппаратов стадии множествам
размеров доступных аппаратов выбранного типа (имеющихся на производстве и поставляемых по договорам);
      − условия выбора определяющих геометрических размеров основных и вспомогательных аппаратов ста-
дий ХТС;
      − соотношения для определения числа основных и вспомогательных аппаратов стадий ХТС.
      Заметим, что для решения задачи AОs необходимы данные, являющиеся результатами решения задач AOsj
(число основных аппаратов стадий ХТС, способы переработки партий продуктов на стадиях, определяющие


размеры основных аппаратов некоторых стадий), значения которых вначале прогнозируются, а затем уточня-
ются в результате итерационного процесса решения задачи AОs и задач AOsj.
     Координирующий сигнал K_ASsjf включает исходную информацию для решения задачи ASsjf оптимиза-
ции параметров конструкции и режима функционирования аппарата № f стадии № j ХТС № s (основного или
вспомогательного). Сигнал K_ASsjf содержит тип аппарата, определяющий геометрический размер, перечень
реализуемых операций (возможно, различных при выпуске разных продуктов), их регламентные длительности
и материальные балансы, рекомендации по режиму реализации операций (температура, давление, гидродина-
мическая обстановка), физико-химические характеристики рабочих сред, виды тепло-хладагентов, а также пе-
речень составных частей аппарата, подлежащих механическому расчету, материалы, из которых они изготовле-
ны, и способы их соединения. Задачи ASsjf подразделяются на задачи технологического и механического рас-
чета аппарата.
     В ходе технологического расчета уточняется определяющий размер аппарата (рабочий объем, рабочая по-
верхность) и выбирается оптимальный режим реализации операций рабочего цикла при выпуске всех продук-
тов. В качестве критерия оптимальности здесь могут быть использованы максимум выхода целевого продукта,
минимум энергозатрат, минимальная длительность операции, минимальный рабочий размер аппарата при не-
обходимом уровне эффективности. Основные ограничения – соотношения математических моделей операций,
реализуемых при выпуске каждого продукта. В результате решения этих задач могут быть уточнены регла-
ментные значения материальных индексов стадий выпуска продуктов и длительностей операций переработки
партий продуктов на стадиях, что может потребовать повторного решения задач AОsj и задачи AОs.
     Механический расчет основного или вспомогательного аппарата № f стадии № j – это определение гео-
метрических размеров элементов аппаратов (толщин стенок, диаметров валов), обеспечивающих выполнение
условий их прочности, устойчивости, жесткости и других условий при реализации всех операций на этой ста-
дии в процессе выпуска каждого продукта. Критерий оптимальности решения этой задачи – минимальная мате-
риалоемкость составных частей аппарата. Для стандартных аппаратов выполняются поверочные механические
расчеты.
     Информационный сигнал I_ASsjf, включает уточненный определяющий размер аппарата № f стадии № j,
уточненные характеристики режима реализации операций при выпуске каждого продукта: материальные ба-
лансы, длительности, температурный режим, давление и кинетические характеристики, а также геометрические
размеры составных частей аппаратов, обеспечивающие выполнение условий их прочности, устойчивости и др.
(для стандартных аппаратов – сведения о выполнении или невыполнении этих условий при фиксированных
размерах составных частей).
     Информационный сигнал I_AOsj включает значения числа и определяющих геометрических размеров ос-
новных и вспомогательных аппаратов стадии № j ХТС и указателей способов переработки партий продуктов
аппаратами стадии. Информационный сигнал I_AОs – данные об аппаратурном оформлении всех стадий систе-
мы и пооперационном расписании циклов переработки партий всех продуктов аппаратами всех стадий ХТС, а
также рассчитанные на его основе значения продолжительностей периодов переработки партий продуктов на
стадиях и длительностей циклов работы ХТС по продуктам, продолжительностей выпуска продуктов.

                       1.1.3. Этапы компоновочных расчетов, составления расписания
                                работы ХТС, утилизации отходов производства
     Этап компоновочных расчетов включает размещение технологического оборудования всех ХТС в произ-
водственном помещении (решение задачи RО) и трассировку технологических трубопроводов (решение задачи
ТТ) с учетом рекомендаций по способам транспорта веществ между аппаратами. Задача RО заключается в оп-
ределении типа (многоэтажное, ангарное), этажности и габаритов производственного здания (если планируется
его строительство), координат размещаемых аппаратов. Критерий оптимальности решения задачи RО – мини-
мальный производственный объем, занимаемый размещаемыми аппаратами. Цель решения задачи ТТ – опре-
деление пространственного положения трасс всех технологических трубопроводов производства (координаты
начал и окончаний, всех точек изменения направления), диаметров и материалов трубопроводов, способов
транспорта веществ по каждому из них (если не указан заранее), длительностей транспортных операций, типов
и координат размещения трубопроводной арматуры на каждой трассе. Критерий оптимальности решения зада-
чи ТТ – минимальные совокупные затраты на технологические трубопроводы, трубопроводную арматуру и
транспорт веществ по трубопроводам. Анализ содержания информационного сигнала I_KR (результаты реше-
ния задач RО и ТТ) может привести к выводу о необходимости уточнения числа аппаратурных стадий некото-
рых ХТС и структуры их материальных потоков (введение дополнительных стадий для обеспечения условий
транспорта веществ), а также может потребовать корректировки результатов определения АО ХТС и характе-
ристик режима его функционирования в связи с уточнением значений продолжительностей транспортных опе-
раций.
     Составление расписания работы ХТС производства (решение задачи RR) представляет собой итерацион-
ный процесс последовательного решения задач KP (составление календарного плана работы ХТС) и GR (со-
ставление графика ППР оборудования стадий системы). Цель решения задачи KP – определение календарного
срока выпуска каждой партии каждого продукта в течение планируемого периода Тр эксплуатации ХТС при
минимальных совокупных простоях оборудования ее стадий и затратах времени на переходы с выпуска одних
продуктов на другие. По результатам решения задачи KP определяется пробег каждого аппарата ХТС за период
Тр и решается задача GR – календарные сроки техобслуживания и ремонтов оборудования ХТС устанавлива-
ются так, чтобы минимизировать периоды прекращения выпуска продукции (по возможности, совместить ППР


с технологическими простоями оборудования – периодами ожидания подачи следующей партии на переработку
и переходами с выпуска одних продуктов на другие). На каждой следующей итерации календарный план кор-
ректируется с учетом простоев оборудования, связанных с проведением ППР, причем в ходе этой коррекции
сроки проведения ППР могут изменяться в допустимых пределах. Учет графика ППР оборудования ХТС, орга-
низация переходов с выпуска одних продуктов на другие в соответствии с графиком их поставок могут пони-
зить производительность выбранного АО системы и привести к необходимости коррекции фонда ее рабочего
времени, ассортимента или/и объемов выпуска продуктов и возврата на этап формирования ее АО. На основе
результатов решения задач KP и GR решается задача SE определения графиков потребления и расходных норм
всех видов сырья и энергии на единицу массы каждого продукта. В ходе решения этой задачи дополнительно
определяется количество и состав, формируются графики образования сточных вод и газовых выбросов в атмо-
сферу.
      На этапе утилизации отходов решается задача OP формирования ХТС переработки отходов производства,
т.е. выбирается технология утилизации каждого их вида, определяется число ХТС и виды отходов, перерабаты-
ваемые на каждой из них, материальные индексы, типы основных и вспомогательных аппаратов стадий. Цель ре-
шения задачи OP – обеспечение возможности приведения отходов в экологически безопасное состояние с по-
мощью минимального совокупного числа аппаратурных стадий. На основе результатов решения задачи OP
формируются координирующие сигналы K_ SOsu, содержащие исходные данные для решения задач SOsu расче-
тов технологического оборудования отдельных ХТС утилизации отходов. Цель решения задач SOsu – определе-
ние числа основных аппаратов стадий утилизации и определяющих геометрических размеров основных и
вспомогательных аппаратов, обеспечивающих переработку указанных видов отходов в соответствии с графи-
ками их образования при минимальных затратах на технологическое оборудование этих ХТС.
      Как видно, процесс выполнения технологических расчетов при разработке проекта МХП является итера-
ционным: значения исходных данных предыдущих этапов уточняются по результатам выполнения последую-
щих и расчеты повторяются. Предлагаемый нами подход к автоматизации выполнения технологических расче-
тов базируется на принципах:
      − системного подхода [2, 3, 8 – 11, 23 – 25] и применения CALS-технологий [26 – 29];
      − как можно более полного учета особенностей функционирования ХТС реальных МХП;
      − математического моделирования процессов принятия проектных решений,
      − теории оптимального управления, т.е. формулировки и решения всех рассматриваемых задач как задач
оптимизации;
      − применения современных информационных технологий.
      Эти принципы положены в основу разработки постановок задач, методов и алгоритмов определения АО и
характеристик режима функционирования ХТС проектируемых МХП, представленных в работах [10, 30 – 39].
Научные результаты и разработанные на их основе программные продукты использовались при проектирова-
нии нескольких десятков ХТС реальных производств (цех отбеливателей Верхнезаволжского ХК, цеха азокра-
сителей Сивашского АКЗ, цеха полупродуктов, азопигментов и дисперсных красителей Тамбовского ОАО
"Пигмент", экспортные предложения МНПО "НИОПиК" и др.).
      Перейдем к рассмотрению особенностей функционирования оборудования стадий ХТС МХП, которые не-
обходимо учитывать при выборе их АО и определении характеристик режима работы.

                               1.2. ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
                                       ОБОРУДОВАНИЯ ХТС МХП
    Из литературных источников [1, 2, 4, 13, 19 – 21], нашего собственного 25-летнего опыта проектирования
и перепрофилирования ХТС МХП известно, что наиболее важными характеристиками режима их работы, во
многом определяющими состав аппаратурного оформления стадий и эффективность его функционирования,
являются:
    • длительность цикла переработки партий каждого продукта – минимально возможный промежуток вре-
мени между моментами начала (завершения) процессов выпуска партий продукта Тцi, i = 1, I , где I – число про-
дуктов, выпускаемых ХТС;
    • размер партии каждого продукта – масса партии, прошедшей все стадии переработки, wi, i = 1, I .
    Эти характеристики связаны между собой соотношением
                                                                           Q       
                                                           Ti =   ∑ τij +  wii − 1 T цi, i = 1, I ,
                                                                          
                                                                          
                                                                                   
                                                                                   
                                                                                                        (1.1)
                                                                   j
где Qi − объем выпуска i-го продукта; Ti − продолжительность его выпуска; τij – продолжительность реализа-
ции стадии j переработки партии i-го продукта.
     Проанализируем влияние различных вариантов организации совместной работы оборудования соседних
стадий и способов переработки партий продуктов на стадиях с основными аппаратами различных типов на зна-
чения длительностей циклов. Значения Тцi для продуктов ХТС определяются независимо, поэтому дальнейшие
рассуждения поведем для системы, выпускающей единственный продукт. Предположим также, что структура
материальных потоков ХТС линейна, т.е. стадии выпуска продукта реализуются последовательно, и их число
совпадает с числом аппаратурных стадий системы J.



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика