Компьютерные программы моделирования и оптимизации ХТС

Применение информационных технологий для анализа и оптимизации химико-технологических систем с целью повышения качества и эффективности работы полностью доказало свою перспективность и актуальность. С помощью методов компьютерного моделировании возможно проектировать значительно более экономичные и надежные химико-технологические системы и более эффективно управлять работой действующих.

Для крупнотоннажной ХТС экономия затрат даже на 2-3 % составляет значительную величину. Кроме того, сокращение затрат - энергетических расходов и металлоемкости оборудования - означает увеличение эффективности производства в целом и конкурентоспособности товара, что в условиях рыночной экономики может иметь решающее значение.

Развитие компьютерного моделирования было связано с появлением первой моделирующей системы Flexible Flowsheet в 1958 г для перевода расчетов материальных и тепловых балансов ХТС с ручного на компьютерное. Этот этап продолжался на протяжении 60%70-х гг. Тогда была выработана общая концепция универсальной моделирующей программы (УМП) для моделирования ХТС, состоящей из 4 частей:

· организующей программы,

· библиотеки модулей для расчета химико-технологических аппаратов,

· банка физико-химических свойств,

· библиотеки математических модулей и создано несколько десятков УМП: Flexible Flowsheet, Cheops, Chevron, Sreed Up, Macsim, Network67, Chess, Pacer 245, Flowtran, Flowpack, Process и др.

Ряд программ для моделирования ХТС был создан в странах-членах СЭВ, причем особенно значительные работы проводились в СССР. В Советском Союзе было разработано несколько моделирующих программ: РСС и РОСС (НИФХИ им. Л. Я. Карпова), АСТР и БАСТР (ГИАП), НЕФТЕХИМ (ВНИ ПИНЕФТЬ), САМХТС (НИУИФ), SYNSYS-78 (МХТИ им. Д. И. Менделеева) и др.

Развитие компьютерного моделирования началось с появлением персональных компьютеров. К этому времени в результате длительного процесса из общего числа выделились четыре УМП, которые заняли лидирующее положение в мире: Aspen Plus, Hysys, ChemСad и Pro/II.

Указанные УМП обладают большими библиотеками технологических модулей, обширными банками физико-химических свойств и удобным для пользователя интерфейсом. Их широко используют при проектировании новых ХТС и при реконструкции действующих. При этом можно отметить как общую тенденцию стремление переходить на использование в расчетах все более и более сложных и, соответственно, более адекватных математических моделей технологических аппаратов, с чем упомянутые УМП успешно справляются.

В России к началу 90%х годов был создан крупный научный и программный задел в отношении УМП (включая успехи в структурном анализе, разработке алгоритмов расчета материальных и тепловых балансов, алгоритмов оптимизации и расчета чувствительности), но экономические трудности переходного периода стали непреодолимым препятствием на пути его использования и развития. В настоящее время практически все организации и предприятия в России, а также учебные институты используют для расчетов в качестве УМП одну из программ Aspen Plus, Hysys, ChemСad или Pro/II.

Начало второго этапа в развитии компьютерного моделирования можно условно отнести ко второй половине 80-х годов, когда в течение короткого времени произошел переход к персональным компьютерам и появились первые прототипы четырех вышеназванных УМП. В эти УМП были введены оптимизационные процедуры, и они стали применяться не только для расчета отдельных вариантов, но и для оптимизации ХТС в целом. Для решения задачи нелинейного программирования современные УМП имеют математические программы, основанные на методе последовательного квадратичного программирования, который занимает одно из лидирующих положений среди других методов.

Задачи нелинейного программирования могут быть также решены с помощью универсальных оптимизационных программ. Таковыми являются программные пакеты GAMS, NAG, MINOS, NLPQL и др. Эти программы (например, GAMS или NAG), являясь более компактными в обращении по сравнению с пакетами химико-технологической направленности (Aspen Plus и др.), позволяют реализовать алгоритмы для оптимизации, однако препятствием для их эффективного применения служит их универсализм, не учитывающий особенности задач химической технологии.