На четвертом уровне иерархии - альтернативных схем - составляется список схем и продуктов, получаемых с помощью заданного набора процессов разделения. Выявление возможных вариантов последовательностей выделения конечных продуктов с учетом ограничений, налагаемых структурой концентрационного пространства, является последним этапом предсинтеза или первым этапом синтеза схем разделения многокомпонентных полиазеотропных смесей.
Существует несколько основных стратегий синтеза таких схем. Первая стратегия это направленный синтез по некоторым эвристическим правилам схемы, заранее считаемой оптимальной. Эвристический подход к синтезу схем наиболее прост и разработан ранее других. Вариантом такого подхода является, например, информационно-энтропийный, в соответствии с которым оптимальной схеме разделения отвечает максимум суммы информационных критериев разделительной способности всех ректификационных колонн. Эвристический подход в ряде случаев дает удовлетворительный результат, однако эвристики часто противоречат друг другу и в общем случае не обеспечивают оптимального решения.
Вторая стратегия это полный перебор всех возможных схем с последующим выбором оптимальной по принятому критерию. В качестве критерия предлагается использовать, например, суммарные энергетические затраты для всей схемы или комплексный критерий, сравнивающий: общее число ректификационных колонн, число получаемых чистых компонентов, число азеотропов. Использование стратегии полного перебора задача фактически неосуществимая на практике и к тому же не гарантирует нахождения нетривиальных вариантов схем.
Третья стратегия синтеза схем разделения является сочетанием первых двух. Из всех полученных на этапе предсинтеза схем выбираются, для дальнейшей оптимизации, только те, которые могут быть реализованы в технологически приемлемых условиях. Третья стратегия предполагает проводить, на промежуточном этапе, дискриминацию альтернативных схем на основе технологических ограничений.
Существует еще одна стратегия синтеза схем. В начале рассматриваются варианты разделения исходной смеси в режиме бесконечной разделительной способности (вариант граничных условий), затем при ректификации с конечной флегмой. Для промежуточных фракций, содержащих невыделенные продуктовые компоненты, рассматриваются возможности их получения в рамках имеющейся структуры фазовой диаграммы или с использованием разделяющих агентов и варьирования давления. Такую стратегию можно назвать сложной многокритериальной.
Весьма продуктивным является декомпозиционный подход к синтезу схем. При этом исходная задача сводится к некоторому числу задач меньшей размерности, для которых решение может быть найдено относительно легко. Здесь следует помнить, что при таком подходе глобальный оптимум может быть и не найден.
В реальной практике, как правило, для синтеза схемы разделения используется некая комбинированная стратегия, включающая в себя элементы всех приведенных выше. Выбор ее, каждый раз, определяется исходной смесью и поставленной целью разделения.
Кроме перечисленных выше уровней иерархии ХТ системы, в качестве отдельных уровней иерархии, можно выделить уровень составления материальных и тепловых балансов. Однако, в настоящем курсе его мы рассматривать не будем.
Оптимизация на первом уровне иерархии
Напомним, что на первом уровне иерархии, который условно можно назвать молекулярно-атомарным, определяются базисные физико-химические свойства подвергаемой разделению смеси. Цель функционирования на первом уровне иерархии получение качественной полной модели фазового равновесия в рассматриваемой поступившей на разделение многокомпонентной смеси. На этом уровне иерархии возникает множество задач локальной оптимизации
Как уже указывалось процессы, для которых влияние случайных возмущений велико называют стохастическими. Отметим, что, в этом случае, действие возмущающих параметров проявляется в том, что параметры состояния процесса при известной совокупности входных и управляющих параметров определяются неоднозначно. Исследование фазового равновесия и расчет параметров модели фазового равновесия являются ярким примером стохастических процессов. Для изучения стохастических процессов обычно используют математический аппарат теории вероятностей. С его помощью параметры состояния оцениваются в терминах математического ожидания, а возмущающие параметры характеризуются вероятностными законами распределения.
Оптимизация процесса определения параметров уравнений фазового равновесия и расчет самого фазового равновесия можно назвать параметрической оптимизацией. В качестве возмущающих параметров в данном случае можно рассматривать: разный исходный экспериментальный материал; разные уравнения, используемые для расчета фазового уравнения; разные целевые функции; разный вид параметров моделирующих уравнений;
Представим пример. Предположим, что для моделирования фазового равновесия жидкость-пар в бинарной системе А-В при 760 мм Hg представлены 1) несколько наборов экспериментальных данных; 2) несколько уравнений для расчета фазового равновесия; 3) два вида параметров моделирующих уравнений. Цель моделирования получение параметров модели фазового равновесия жидкость-пар. Имеется несколько основных целевых функций.