化工過程分析與合成6

1、化工過程分析與合成6前言按最終產(chǎn)品的輸出形式，工業(yè)加工過程可分為：連續(xù)、離散和間歇過程間歇過程在化工生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪姓加兄匾牡匚痪毣?、生物化工等高技術密集和知識密集的新興產(chǎn)業(yè)廣泛用于食品、聚合物、藥品、分子篩、增塑劑、抗氧劑、染料和涂料等產(chǎn)品生產(chǎn)歷史30年代以前，絕大多數(shù)化工過程采用間歇操作，自動化水平低，勞動強度大，而且產(chǎn)品質量不穩(wěn)定向連續(xù)化生產(chǎn)過渡80年代以來，從商品化學品生產(chǎn)轉向專用的功能化學品生產(chǎn)；從大規(guī)模過程轉向小規(guī)模的具有彈性的過程；從連續(xù)加工轉向間歇加工；從過去靠價格競爭轉向現(xiàn)在靠質量競爭；從過去靠投資來推動開展轉向靠信息來推動開展等等從技術上講，目前有91的間歇過程可

2、以用連續(xù)過程來替代間歇過程具有靈活多變的特性，即它可以用同一套多用途、多功能的設備生產(chǎn)多種類型的產(chǎn)品因此間歇過程仍占有重要地位6.1 間歇過程與連續(xù)過程習慣上稱非連續(xù)化工過程為間歇化工過程。間歇過程通常被定義為“將有限量的物料，按規(guī)定的加工順序，在一個或多個設備中加工，以獲得有限量產(chǎn)品的加工過程。如果需要更多的產(chǎn)品，必須重復該過程。間歇過程既不是連續(xù)過程也不是離散過程。但具有連續(xù)過程和離散過程的特點間歇與連續(xù)過程在有關部門的應用情況技術密集性動態(tài)性多樣性柔韌性不確定性6.1.1 間歇化工的特點6.1.2 間歇過程與連續(xù)過程的比較動態(tài)特性是間歇過程的本質，而連續(xù)過程的本質是穩(wěn)態(tài)操作在間歇過程中，

3、原料必須按配方規(guī)定的加工任務和順序，在適宜的設備中進展加工。在連續(xù)過程中，原料連續(xù)參加，各加工任務同時進展通過詳細的系統(tǒng)分析，可找到連續(xù)過程的瓶頸問題，而間歇過程的瓶頸問題隨產(chǎn)品及操作策略而改變。間歇過程中的設備尺寸的設計并不是很準確的能夠用來生產(chǎn)多個產(chǎn)品。連續(xù)過程中的平安系統(tǒng)，主要是降低系統(tǒng)的停車時間。間歇過程不需要。間歇過程通常為小批量、高附加值的化學品而設計的，一個生產(chǎn)周期只能生產(chǎn)一批產(chǎn)品。連續(xù)過程通常是為需求量很大的特定產(chǎn)品而設計的，原料連續(xù)參加，產(chǎn)品連續(xù)排出。間歇過程必須對整個生產(chǎn)過程，進展有效的排序或進展生產(chǎn)時間表安排。由于間歇過程的柔韌性和彈性，它適合于市場供求不穩(wěn)定的產(chǎn)品的生產(chǎn)

4、。連續(xù)過程那么適合于市場供求穩(wěn)定的產(chǎn)品的生產(chǎn)。對于市場需求量很大的產(chǎn)品，其初始階段一般也是用間歇過程生產(chǎn)的6.1.3 間歇過程根本概念間歇過程的設備單純的間歇設備TBU半連續(xù)設備SCU中間存貯設備IS間歇過程的分類根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量根據(jù)生產(chǎn)流程的構造間歇過程的操作方式間歇設備或間歇級的根本操作順序是：進料、加工、等待倒空、倒空、清洗、等待進料、進料，構成了一個操作循環(huán)。在間歇j獨立操作過程中，某臺設備加工兩批物料的時間間隔稱為“該設備的循環(huán)時間，整個間歇級加工兩批物料的時間間隔稱為“間歇級j的循環(huán)時間。順序地從工廠得到兩批產(chǎn)品之間的時間間隔稱為“限定循環(huán)時間LCT，也稱為“批間隔，記為TL。假

5、設間歇級j的循環(huán)時間等于TL，那么該間歇級構成了間歇操作過程的“瓶頸，因此把它稱為“時間限制級。在同一個間歇級中可能有多臺平行操作設備，它們可以同步或異步方式操作。所謂異步操作是指第j個間歇級有mj臺一樣設備，在不同時間交替加工第j-1級來的不同物料。這時該間歇級的循環(huán)時間為該級中一臺設備循環(huán)時間的1/mj。假設將第j-1級來的同一批物料分配在第j級的mj個平行設備中同時加工，那么稱這些平行單元為“同步操作。此時間歇級j的批量為該級中一臺設備批量的mj倍非覆蓋式操作限定循環(huán)時間和一批進料完全通過此過程的停留時間TR相等覆蓋式操作過程的限定循環(huán)時間或批間隔，取決于具有最大級循環(huán)時間的限制級即時間

6、限制級異步覆蓋式操作過程的限定循環(huán)時間或批間隔，取決于具有最大級循環(huán)時間的限制級即時間限制級6.2 過程動態(tài)模型及模擬所有間歇操作過程都是非穩(wěn)態(tài)或動態(tài)過程。對間歇過程的建模要求，比對連續(xù)過程中由于擾動所產(chǎn)生的動態(tài)過程更嚴格間歇過程的模擬可用來了解過程中各參數(shù)隨時間的變化，以確定此間歇單元過程的操作時間和最適宜操作條件間歇過程的根本操作單元有：加料、反響、冷卻、加熱、混合、過濾、精餾、枯燥、溶劑萃取和結晶等6.2.1 混合過程操作目標是：混合后產(chǎn)物流中組分A的濃度CA和溫度T符合規(guī)定要求由于是二元體系，確定了一種組分的濃度，另一組分濃度也就確定了。因此，此例中對B組分的濃度不必另行考慮根據(jù)過程的

7、特征和操作目標，可以確定過程的狀態(tài)變量為：槽中液位h 反響混合物中組分A的濃度CA混合物的溫度T總物料衡算：組分A衡算方程分部所以假設取液態(tài)純A和純B為基準物態(tài)，0為基準溫度，那么物流i的焓可表示為系統(tǒng)的能量衡算方程可列出能量衡算混合過程可望在良好的控制下進展，以至產(chǎn)物流濃度CA的變化不大。在此條件下，HS可以假定為常數(shù)。假設再假定Cp1=Cp2=Cp整理可得6.2.2 間歇、半連續(xù)反響過程的模型、模擬和優(yōu)化1. 間歇操作反響器對于間歇操作的理想攪拌反響器，可以認為反響混合物是均勻的，也就是說既不出現(xiàn)溫度梯度也不出現(xiàn)濃度梯度質量衡算:與環(huán)境交換的熱量：由一般熱量衡算式可得：生產(chǎn)能力LP是指單位

8、時間產(chǎn)物Ai的生產(chǎn)量。間歇操作反響器的LP是基于整個反響周期的持續(xù)時間t2的生產(chǎn)量計算的，t2包括到達預期轉化率所需的時間tR和反響器裝量、卸料、清洗、加熱和冷卻所需輔助時間ta因為X=(ni,0-ni)/ni,0，故有通過將表達式X/(tR+ta)對tR求導數(shù)，并設為零，即可求解。其結果經(jīng)變換后為將轉化率對反響時間作圖，那么可產(chǎn)生最正確轉化率在動力學的情況下，隨著準備時間的增加，為了使反響器的生產(chǎn)能力最大，必須提高轉化率6.3 間歇過程的最優(yōu)時間表6.3.1 時間表問題時間表問題或稱生產(chǎn)調度，是間歇生產(chǎn)安排中的重要局部。生產(chǎn)時間表的開發(fā)是間歇過程優(yōu)化的主要問題。時間表的需要不是來自加工操作的

9、本質，如連續(xù)，半連續(xù)或間歇，也不是由被加工的物料的性質決定的，而是因為在不同產(chǎn)品之間必須劃分出一個裝置上的生產(chǎn)時間，所以需要時間表例：有四種產(chǎn)品A、B、C和D需要用四臺間歇設備、和按一定的順序進展加工可能的方案：1.按產(chǎn)品次序，一個產(chǎn)品加工完成后再加工另一個。缺點是一些設備的閑置時間過長。2. 穿插使用各臺設備?？赡艿臅r間表表中遵循了一個約束條件，即各產(chǎn)品均有它自己的加工次序。在排序理論中稱表中的加工次序為“技術約束，與此技術約束相容的時間表為“可行時間表，反之為“不可行時間表。對于簡單問題，可用觀察方法列出所有的可行和不可行時間表。n個產(chǎn)品、m臺設備，在一個特定設備上每一種排列均可給出n!m

10、種排列的加工次序。n4，m4 有4！4331776種可能5個產(chǎn)品，4臺設備的問題，時間表總數(shù)為5！42.1108。此數(shù)據(jù)說明，解時間表問題有很大困難，必須采用很巧妙的方法，有時即使用了很巧妙的方法，某些問題求解所用的時間也可能很長四產(chǎn)品四設備問題的最優(yōu)化時間表1. 時間表問題的主要假設、符號說明和目標函數(shù)假設有n個產(chǎn)品J1，J2，,Jn，需要在m臺間歇設備M1，M2， ,Mm上進展加工，用Oij表示第i個產(chǎn)品用第j臺設備處理。在排序理論中將產(chǎn)品視為“作業(yè)(Job) ，而將設備視為“處理器(Processor)主要假設(a) 各個產(chǎn)品是一個實體。盡管此產(chǎn)品可承受不同的操作，但不能同時進展同一產(chǎn)品

11、的兩個操作。因此，在我們的討論中不能有這樣的情況，即同時生產(chǎn)幾種中間體，然后再將它們摻合成最終的產(chǎn)品。(b) 沒有優(yōu)先問題。各個操作一旦開場以后，必須在這臺處理器加工直到完成規(guī)定的操作。(c各產(chǎn)品有m個不同的操作，在每一臺設備上完成一個操作。不允許在同一臺設備上對某一產(chǎn)品加工兩次。同樣，應堅持在每一臺設備上加工各個產(chǎn)品，產(chǎn)品不允許跳過一臺或多臺設備。(d) 不能中途放棄，各產(chǎn)品必須被加工到完成。(e)加工時間與時間表無關，設備調整到正常狀態(tài)所需要的時間與操作次序無關；在兩臺設備之間輸送產(chǎn)品的時間可忽略。(f) 允許有中間貯罐，產(chǎn)品可等待到下一臺要用的設備空出來。但在有的問題中被加工的產(chǎn)品必須連

12、續(xù)地從一個操作到另一個操作。(g) 各類設備只有一臺，即不允許在產(chǎn)品的加工中選擇設備。此假設與前面介紹的用兩臺同步或異步操作的設備，來消除尺寸上的瓶頸或循環(huán)時間上的瓶頸是矛盾的。(h) 可以有閑置的設備。(i) 沒有一臺設備能同時進展兩個操作。(j) 設備不會發(fā)生故障，對整個時間表期間是有效的。(k) 技術約束是事先知道的，且在操作過程中是不變的。(l) 以下物理量，即：產(chǎn)品數(shù)、設備數(shù)、加工時間、就緒時間和對規(guī)定一個特定的問題所需的全部其它物理量，是的，而且是恒定不變的。符號說明ri和pij分別為作業(yè)Ji的就緒時間和加工時間di是交貨日期(due date)，即至這個時間應已完成產(chǎn)品Ji的生產(chǎn)

13、2. 時間表的分類n/m/A/Bn 作業(yè)(產(chǎn)品)的數(shù)目m 機器(設備)的數(shù)目A 被用來說明流經(jīng)此車間或工廠的模式，當m=1時，A可以是空白的。A也可以是P、F或G。P 排列的多產(chǎn)品過程(Permutation Flowshop)，不僅對所有產(chǎn)品的設備順序一樣，而且現(xiàn)在還限制搜索對各臺設備來說產(chǎn)品順序也是一樣的時間表。故時間表完全由數(shù)字1，2，n的單一的排列所規(guī)定。F：多產(chǎn)品過程Flowshop情況，即對所有產(chǎn)品的設備順序一樣。G：一般的多目的過程Jobshop, 在這種情況下對技術約束的形式?jīng)]有限制B： 指目標函數(shù)，即用此目標函數(shù)或準那么來估計時間表，它可取前面討論過的任何一種形式。例如n/2

14、/F/Cmax 是指n個產(chǎn)品，2臺設備，多產(chǎn)品過程問題，在時間表的建立中以總生產(chǎn)時間最少為目標函數(shù)6.3.2 簡單多產(chǎn)品和多目的間歇過程的最優(yōu)時間表的計算規(guī)那么“計算規(guī)那么指用來嚴格確定加工次序的一組簡單規(guī)那么，從問題的數(shù)據(jù)來建立最優(yōu)解。除了在第(i)節(jié)中提出的假設之外，這里還假設對所有的Ji(i=1，2，n)，就緒時間為零，即ri=0。在多產(chǎn)品廠中技術約束的要求是產(chǎn)品以同樣的次序在兩臺設備之間通過1. n/2/F/Fmax問題的Johnson規(guī)那么n個產(chǎn)品用兩個單元M1和M2加工，每個產(chǎn)品都先用M1加工，然后用M2加工，目標函數(shù)是使最大的流經(jīng)時間最小。由于所有產(chǎn)品的就緒時間為零，所以Fmax

15、Cmax。先在M1上從具有最短加工時間的產(chǎn)品開場加工使在M2上具有最短加工時間的產(chǎn)品后完畢加工最優(yōu)時間安排應是一個J1，J2，n，排列問題，目標是使在加工順序中較早的產(chǎn)品在M2上有較短的加工時間。Johnson規(guī)那么：令ai為Ji在M1上的加工時間，bi為Ji在M2上的加工時間，那么有ai=pi1，bi=pi2。此規(guī)那么采用從兩端向中間移動的方式建立加工順序。從K=1開場，隨順序中第1,2,3,4,個位置被填充，而增加到2，3，4，從L=n開場，隨順序中第n,n-1,n-2,個位置被填充，而減少到n-1，n-2，步驟1: 令K=1，L=n步驟2: 令現(xiàn)在的未被排進時間表的產(chǎn)品列是J1，J2，步

16、驟3: 對現(xiàn)在未被排進時間表的產(chǎn)品尋找所有ai和bi最小者,假設有兩個或兩個以上的產(chǎn)品具有最短的時間，那么從中任選一個Ji步驟4： 假設在M1上Ji具有最短時間，即ai最小()將Ji排在加工順序中的第K位置()從現(xiàn)在未排進時間表的產(chǎn)品列中消去Ji;()令K=K+1;()去步驟6步驟5: 假設在M2 上Ji 具有最短時間，即bi 是最小的，那么進展與4相似的操作步驟6: 假設有任何未被排進時間表的產(chǎn)品，那么去步驟3。否那么，停頓計算()將Ji 排入加工順序中的第L位置;()從現(xiàn)在的未排進時間表的產(chǎn)品列中消去;()令L=L-1 ;()去步驟6例6-2: 7/2/F/Fmax問題，應用Johnson

17、規(guī)那么。各產(chǎn)品在設備M1和M2上的加工時間如下：用Johnson規(guī)那么建立時間表產(chǎn)品4列入時間表：4產(chǎn)品5列入時間表：45產(chǎn)品2列入時間表：42 5產(chǎn)品3列入時間表：4 23 5產(chǎn)品1列入時間表：4 2 1 3 5產(chǎn)品6列入時間表：4 2 61 3 5產(chǎn)品7列入時間表：4 2 6 7 1 3 5產(chǎn)品順序為4，2，6，7，1，3，52. n/2/G/Fmax問題的Johnson規(guī)那么取消關于各個產(chǎn)品必須通過全部單元這一假設假設產(chǎn)品組J1,J2,Jn中產(chǎn)品可被分為以下四類A類: 只需在單元M1上加工的產(chǎn)品B類： 只需在單元M2上加工的產(chǎn)品C類： 以M1，M2次序在兩個單元上加工的產(chǎn)品D類： 以M2

18、，M1次序在兩個單元上加工的產(chǎn)品(i) A類產(chǎn)品以任意次序安排時間,得到順序SA；(ii) B類產(chǎn)品任意次序安排時間，而得到順序SB；(iii) C類產(chǎn)品，可將它視為n/2/F/Fmax問題，用Johnson規(guī)那么安排時間而得到順序SC;(iv) 對D類產(chǎn)品，也將它視為n/2/F/Fmax問題，用Johnson算法安排時間而得到順序SD。(M2是第一個單元，M1是第二個單元)最優(yōu)時間表對單元M1為SC，SA，SD，而對單元M2為SD，SB，SC。例： 9/2/G/Fmax問題，用Johnson規(guī)那么尋找最優(yōu)時間表。A類產(chǎn)品：產(chǎn)品7僅在M1上加工，順序為7；B類產(chǎn)品：產(chǎn)品8和9需要M2，故任選順

19、序(8,9)；C類產(chǎn)品：產(chǎn)品1,2,3,4先用M1，后用M2。用Johnson規(guī)那么解此4/2/F/Fmax問題，得到的順序為4，3，2，1；D類產(chǎn)品：產(chǎn)品5和6先用M2，后用M1。用Johnson規(guī)那么解此2/2/F/Fmax問題，得到順序5，6，記住M1現(xiàn)在是第二單元。單元M1上產(chǎn)品的加工順序為4,3,2,1,7,5,6單元M2上的加工順序為(5,6,8,9,4,3,2,1)按此順序進展加工的Gantt圖如下圖，可以看出Fmax443. 特殊的n/3/F/Fmax問題用于n/2/F/Fmax問題的Johnson規(guī)那么可被推廣到特殊的n/3/F/Fmax問題。需要的條件是或即在第二單元上的最

20、大加工時間不大于在第一或第三單元上的最小時間虛擬時間：令ai=pi1+pi2 bi=pi2+pi3對于n/3/F/Fmax問題，視同于兩個虛擬時間下的n/2/F/Fmax問題，用Johnson規(guī)那么可以產(chǎn)生最優(yōu)時間表例：6/3/F/Fmax問題，說明Johnson規(guī)那么在特殊的n/3/F/Fmax問題上的應用首先對此問題檢查是否滿足條件因此可以兩個虛擬時間為準，用Johnson規(guī)那么求取最優(yōu)時間表6.4 多產(chǎn)品間歇過程的設備設計與優(yōu)化確定一個產(chǎn)品的年生產(chǎn)周數(shù)Hai時應選擇哪一臺設備進展優(yōu)化。選擇原那么：1. 選擇所有產(chǎn)品都要使用的設備；2.盡可能選最昂貴的設備以保證投資的有效利用；3.選擇處理量不允許有較大變化的設備，如蒸餾塔；4.假設存在著對操作時間起限制作用的設備，一般應選