Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
4.1. Постановка задачи проектирования аппаратурного оформления производства УВНМ
Проектирование и создание сложных химико-технологических систем, к которым относится и производство углеродных волокнистых наноматериалов, подразумевает наличие информации о количественных закономерностях, свойственные рассматриваемым объектам системы. Как уже было показано, процессы синтеза УВНМ являются сложной совокупностью элементарных стадий. А рассмотрение данных процессов совместно со вспомогательными, реализуемых в рамках технологической схемы, еще более увеличивают сложность взаимосвязей и размерность системы в целом.
Поэтому для технологической схемы производства УВНМ комплексный выбор ее оптимальных конструктивных и режимных параметров означает, с одной стороны, рассмотрение всех физико-химических, тепло-массообменных и экономических факторов, а с другой, полный учет многообразия связей для тех или иных конкретных условий, связанных со спецификой основных и вспомогательных процессов.
Принимая во внимание широкое разнообразие аппаратурного оформления технологических схем производства УВНМ, количество варьируемых параметров, характеризующих каждый аппарат схемы, число возможных структурных соединений аппаратов, легко убедиться в том, что число возможных вариантов исполнения промышленного производства наноматериалов огромно. Чтобы найти приемлемые варианты, необходимо проверить их техническую реализуемость, экономическую целесообразность и, сравнивая их между собой, выбрать наилучший из вариантов.
Решение подобной задачи сопряжено с определенными трудностями даже в случае исчерпывающих сведений о составе, внутренних связях и особенностях физико-химических взаимодействиях технологической схемы.
При поиске путей решения указанной задачи представляется целесообразным использовать методологию системного подхода к исследованию сложных и не полностью формализованных систем. Система состоит из множества связанных сложными взаимосвязями и взаимодействующих аппаратов и представляет собой не простое суммирование, а особое их соединение, придающее технологической схеме производства УВНМ в целом новые качества, отсутствующие у каждого аппарата в отдельности.
Методология системного анализа существенно облегчает решение таких проблем, и на его основе можно осуществлять следующие этапы исследования проблемы, оптимизации конструктивных и режимных параметров технологической схемы производства УВНМ.
Соответственно, проектирование технологической схемы производства УВНМ можно разделить на ряд задач.
1. Определение внутренней структуры исследуемой системы производства УВНМ, состава ее элементов и видов взаимосвязей между ними. Цель данного этапа – выявление иерархии технологической схемы.
2. Формулирование состава задач с целью распределения по уровням иерархии всего многообразия конкретных задач оптимизации.
3. Формулирование иерархии технико-экономической информации с целью определения состава тех показателей, которые необходимы для оптимизации системы.
4. Использование комплекса математических моделей физико-химических взаимодействий, который служит инструментом для решения задач оптимизации основного и вспомогательного аппаратурного оформления стадий производства УВНМ.
Перечисленные этапы системного подхода преодолевают первую трудность проблемы оптимизации – высокую размерность задачи.
Таким образом, декомпозиция сложной исходной задачи оптимизации достигается ценой сложной взаимоувязки частных решений, при этом задача оптимизации перестает быть принципиально неразрешимой и сводится к продолжительности расчета, а в итоге – к эффективности вычислительных средств. Кроме того, перебор вариантов исследуемой системы заменяется упорядоченным перебором меньшего количества вариантов по принятому критерию оптимальности.
При постановке задач оптимизации необходимо выбрать критерий качества, параметры оптимизации, ограничения на эти параметры, методику расчета критериев качества и функций ограничений.