Расчет и стратегия эксплуатации промышленных периодических процессов

 

Промышленный процесс состоит из ряда периодических операций (предварительной обработки субстрата, стерилизации, ферментации, выделения продукта, расфасовки). Разработка такого процесса предполагает решение ряда задач — от расчета отдельных операций до расчета всего процесса как комплекса взаимосвязанных операций и расчетов, связанных с производством нескольких продуктов. Эти задачи можно сформулировать следующим образом [44]:

1. Изучение и оптимизация отдельных операций и аппаратов.

2. Оптимизация процесса, состоящего из ряда последовательных периодических операций, целью которых является получение одного продукта.

3. Спецификация оборудования, необходимого для производства одного или нескольких продуктов.

4. Выбор схемы соединений отдельных аппаратов, обеспечивающей наиболее эффективное образование продукта.

5. Выбор режима эксплуатации, позволяющего производить несколько различных продуктов в течение заданного времени.

Первые из этих задач мы уже рассматривали с нескольких точек зрения. Чтобы понять, как изучение взаимосвязанных последовательных операций может повлиять на процесс в целом, рассмотрим простой пример. Пусть функция f(t) описывает долю исходных питательных веществ, превращающихся за время t в вещества, являющиеся исходными в следующей операции. Допустим также, что время очистки аппарата и его загрузки для проведения следующей операции равно t_cl. Рассматриваемая здесь целевая функция F описывает количество исходных веществ, превращаемых в единицу времени, следовательно:

(10.25)

Путем дифференцирования уравнения (10.25), приравнивания результата дифференцирования нулю и преобразования этого условия оптимального времени цикла (обозначенного символом t*) получим

(10.26)

Как показано на рис. 10.27, это условие имеет очень простую графическую интерпретацию; оптимальное время цикла периодической операции равно абсциссе точки, в которой прямая, проходящая через начало координат, касается кривой, отвечающей рабочей функции этой операции f(t—t_cl). На рис. 10.27 представлена также графическая интерпретация условия (10.25) для второй периодической операции с рабочей функцией g.

Теперь рассмотрим две последовательные периодические операции, характеризующиеся функциями f и g соответственно. Доля исходных веществ, которые за эти две операции превращаются в необходимый продукт, равна f(t—t_cl) f(t—t’_cl); обозначим эту функцию h(t). Здесь t’_cl — время, необходимое для чистки и зарядки аппаратов перед второй операцией. Для определения максимальной степени превращения исходных веществ в единицу времени найдем максимум функции

(10.27)

Так же, как и в предыдущем случае, максимальная степень превращения исходных веществ выражается графически как абсцисса точки касания, однако кривая в данном случае отвечает сложной рабочей функции h (рис. 10.27, в). Представленные на рис. 10.27 графики позволяют сделать следующий очень важный вывод: оптимальное время цикла для процесса, состоящего из двух последовательных периодических операций, может отличаться от оптимального времени цикла для любой из этих периодических операций.

Если оптимальное время цикла отдельных последовательных операций в периодическом процессе существенно различается, то возможно, что оптимальным вариантом для процесса в целом будут различные времена циклов отдельных повторяющихся операций. В простейшем случае для самой медленной операции выбирают время цикла, равное произведению продолжительности более быстрой операции на некоторое целое число m; тогда непрерывность процесса в целом будет обеспечена, если мы установим m аппаратов для проведения самой медленной операции.

В производственных условиях максимальную гибкость в выборе продолжительности повторяющихся периодических операций обеспечивают промежуточные хранилища для временного хранения продукта одной периодической операции до тех пор, пока он не потребуется в следующей операции. В периодических процессах промежуточные хранилища могут выполнять и другие полезные функции [45]. Подобно тому, как хранилища или уравнительные резервуары в непрерывных процессах могут сглаживать флуктуации, обусловленные неустановившимся режимом, промежуточные хранилища в периодических процессах позволяют сгладить помехи, вызванные поломкой оборудования, колебаниями во времени начала отдельных операций, а также довольно обычными в периодических микробиологических процессах флуктуациями параметров от цикла к циклу.Кроме того, промежуточные хранилища помогают устранить некоторые неудобства, которые могут возникнуть при переводе процесса на производство другого продукта.

При изучении вопроса о необходимости промежуточных хранилищ следует иметь в виду несколько предъявляемых к ним требований. Во-первых, на предприятии должно быть установлено достаточное число хранилищ каждого типа с тем, чтобы средняя пропускная способность всех операций процесса была одинаковой. Во-вторых, необходимо учитывать устойчивость исходных и промежуточных веществ при их хранении. Понятно, что неустойчивые соединения хранению не подлежат. Наконец, требование постоянства состава одной партии может перевесить любые экономические преимущества определенной технологической схемы периодического процесса. Постоянство состава партии требует, чтобы материалы, используемые в одной загрузке, обрабатывались отдельно от материалов другой загрузки и ни при каких обстоятельствах не смешивались друг с другом. Это требование, обычное в фармацевтической промышленности, гарантирует, что какую-либо часть продукта можно совершенно однозначно отнести к определенной партии. Однако, даже если необходимо соблюдать постоянство состава партии, промежуточные хранилища могут оказаться полезными для согласования различий в продолжительности отдельных операций и для выполнения других амортизирующих функций.

Множество интересных проблем возникает при проэктировании, оптимизации и эксплуатации процессов на предприятиях, производящих несколько конечных продуктов; в таких случаях расширяются и возможности подбора оборудования. Результаты изучения таких и ряда родственных проблем периодических и полупериодических процессов рассмотрены в литературе, приведенной в конце этой главы.