Интегральный метод синтеза

В отличие от других методов синтеза, при которых схема синтезируется постепенно, по шагам (от малого к большому, т. е. индуктивно) при интегральном методе синтез осуществляется дедуктивно, т. е. от некоторой всеобъемлющей глобальной схемы к конкретной оптимальной схеме разделения. Глобальная (обобщенная, или интегральная) схема должна включать в себя все возможные схемы разделения. Это достигается путем соединения технологическими связями выходных и входных точек всех разделительных элементов.

Для каждой технологической связи вводится коэффициент структурного разделения потока. Решение задачи синтеза оптимальной схемы разделения сводится к отысканию оптимальных значений этих коэффициентов и одновременно — оптимальных параметров работы всех разделительных элементов. Таки образом, задача синтеза сводится к задаче непрерывной оптимизации.

Следует заметить, что пока работы по интегральному методу носят только методологический характер. Повидимому, решение практических задач интегральным методом будет наталкиваться на значительные трудности, связанные, главным образом, с большим объемом вычислений. Резкое возрастание объема вычислений по сравнению с другими методами обусловлено искусственным характером замены дискретной задачи синтеза непрерывной. Следует иметь в виду, что каждой возможной реальной схеме разделения будет, по-видимому, соответствовать локальный оптимум параметров оптимизации. Это является большим недостатком метода, чрезвычайно затрудняющим отыскание глобального оптимума. Кроме того, в процессе поиска оптимума неизбежно будет производиться большое число заведомо излишних расчетов для схем с числом ректификационных колонн, значительно превышающим необходимое.

Еще один подход к задаче синтеза оптимальных схем разделения — эволюционный. Согласно этому подходу для некоторой исходной схемы разделения генерируются «соседние» схемы с помощью определенных правил. Из них выбирается схема, обладающая наименьшей стоимостью, и вновь генерируются схемы, «соседние» с выбранной. Процесс эволюции схемы заканчивается, если прекращается уменьшение стоимости. Недостатком этого подхода является значительная вероятность получения локальных оптимумов.

Из других методов синтеза принципиальных технологических схем разделения может быть назван рекурсивный метод и метод «случайных матриц».

Если рассматривать разделение не только зеотропных, но и азеотропных смесей, то решение задачи синтеза можно разбить на следующие основные этапы: 1) выбор возможных разделительных элементов и комплексов; 2) синтез графа разделения; 3) оценка затрат на разделение для каждого разделительного элемента при оптимальных параметрах его работы; 4) выбор оптимальной схемы разделения.

На первых двух и частично на третьем этапе используются общие термодинамические закономерности процесса ректификации. Последний этап носит чисто комбинаторный характер. Для азеотропных смесей наиболее важное значение имеет этап синтеза графа разделения.

Методы ветвей и границ, динамического программирования и эвристические отвечают основным требованиям, предъявляемым к методам синтеза технологических схем разделения, однако целесообразно применять модификации методов ветвей и границ и динамического программирования, дополняя их эвристическими и другими ограничениями при решении конкретных задач.