7. Синтез с помощью эвристических приемов
Синтез с помощью эвристических приемов проведем благодаря автоматизированной информационно-поисковой системе. Уровень проектирования - химическая система.
Таблица 8 Синтез решений с помощью эвристических приемов
| Недостаток ТС | Улучшаемый параметр | Ухудшающийся параметр | Описание эвристического приема | Конкретные предложения для ТС |
| Низкий выход продукта | Снижение реакционной способности МЭГа в побочной реакции | Понижение реакционной способности в основной реакции | Эвристический прием №7: Изменить алгоритм функционирования. Например, использовать принцип предварительного действия-антидействия. Заранее выполнить требуемые действия, или, наоборот, антидействия. При этом а) требуемое действие или антидействие выполнить заранее полностью или частично б) использовать предварительное изменение реакционной способности молекул в) компенсировать невысокую (высокую) реакционную способность введением катализаторов, инициаторов (ингибиторов, стабилизаторов) комплексообразователей, регуляторов и т.д. | Введение ингибитора гидрохинона (>1 %) для ингибирования полимеризации МЭГа |
| Низкий выход продукта | Снижение реакционной способности МЭГа в побочной реакции | Понижение реакционной способности в основной реакции | Эвристический прием N 11: Принцип прерывности-непрерывности. Перейти от непрерывного действия к прерывному и наоборот. Использовать импульсную технологию. Обеспечивая непрерывность, устранить холостые и промежуточные ходы. Для достижения единства прерывности и непрерывности заполнить паузы одного действия другим действием. Следить за согласованием ритма внутренних и внешних процессов. Изменить время существования комплексов, промежуточных продуктов за счет специфической сольватации, повышения (понижения) температуры и т.д | Сначала разогреть греющую баню до температуры реакции (150 °С), и только затем погружать в нее реактор |
| Большое время реакции | Продолжительность реакции | Производительность | Эвристический прием N 18: Изменение химической реакционной способности. Изменить свойства молекулы введением функциональных групп с тем или иным мезомерным, индуктивным или стерическим эффектом. Изменить температуру, применить катализаторы, растворители или их смеси, краун-эфиры, комплексообразователи | Для активации реакции применить ионообменные смолы – катиониты (КУ-1, КУ-2) |
Таблица 9 Технические функции физических эффектов
| № | Элемент | ТФ | ФЭ | Конкретная реализация |
| 1 | электроплитка | повышение температуры | нагревание тела | изменение температуры тела под действием тепловой энергии, подведенной к телу или отведенной от него. Изменение температуры пропорционально количеству теплоты и определяется удельной теплоемкостью тела. |
| 2 | электроплитка | повышение температуры | Явление Томсона | Выделение или поглощение тепла (избыточного над Джоулевым) при прохождении тока по неравномерно нагретому однородному проводнику или полупроводнику |
| 4 | электроплитка | повышение температуры | Фазовые переходы первого рода | изменение плотности, агрегатного состояния веществ при определенной температуре, сопровождающееся выделением или поглощением тепла |
Таблица 10 Оценка вариантов технических решений (1)
| Наименование элемента | Оценка по категориям | ||
| Экономичность | Простота конструкции | Надежность | |
| Теплопередающее устройство | |||
| А11 Воздушная баня | 6 | 7 | 8 |
| А12 Глицериновая баня | 3 | 5 | 5 |
| А13 Масляная баня | 2 | 3 | 5 |
| Материал реактора | |||
| А21 Тюрингское стекло | 8 | 7 | 1 |
| А22 Иенское боросиликатное стекло | 5 | 6 | 5 |
| А23 Иенское стекло разотерм | 3 | 6 | 7 |
| А24 Кварцевое стекло | 1 | 3 | 7 |
| Форма реактора | |||
| А31 Круглый | 6 | 8 | 6 |
| А32 Грушевидный | 5 | 5 | 5 |
| А33 Эллиптический | 2 | 3 | 5 |
| Холодильник водяной | |||
| А41 Прямой | 8 | 8 | 7 |
| А42 Обратный | 6 | 5 | 6 |
| А43 Обратный со змеевиком внутри | 2 | 2 | 6 |
Таблица 11Оценка вариантов технических решений (2)
| Наименование элемента | Критерии оценки | ||
| Селективность | Время реакции | Выход | |
| Холодильник | |||
| Обратный | 5 | 5 | 6 |
| Шариковый | 5 | 7 | 7 |
| Змеевиковый | 5 | 7 | 6 |
| Состоящий из нескольких коротких шариковых | 5 | 8 | 8 |
| МЭГ | |||
| А21 Химически чистый | 6 | 6 | 5 |
| А22 МЭГ, содержащий разл. примеси | 3 | 4 | 3 |
| Ингибитор | |||
| А41 Cu | 4 | 3 | 3 |
| А42 Гидрохинон | 8 | 6 | 6 |
| Тип реакции | |||
| А51 Гомофазная ж-ж | 6 | 5 | 5 |
| Температура процесса | |||
| А61 150 0С | 7 | 7 | 6 |
| А62 130 0С | 4 | 3 | 2 |
Для реактора получено 216 комбинаций.
По экономичности:
1-я комбинация: 2-я комбинация:
Силиконовая баня: 6 Силиконовая баня: 6
Тюрингское стекло: 8 Тюрингское стекло: 8
Круглый: 6 Круглый: 6
Система шариковых: 8 Шариковый: 6
У=28 У=26
По простоте конструкции:
1-я комбинация: 2-я комбинация:
Силиконовая баня: 7 Силиконовая баня: 7
Тюрингское стекло: 7 Тюрингское стекло: 7
Круглый: 8 Круглый: 8
Обратный: 8 Шариковый: 5
У=30 У=27
По надежности:
1-я комбинация: 2-я комбинация:
Силиконовая баня: 8 Силиконовая баня: 8
Иенское стекло разотерм: 7 Иенское стекло разотерм: 7
Круглый: 6 Круглый: 6
Система шариковых: 7 Шариковый: 6
У=28 У=27
Для процесса: 32 комбинаций
По селективности:
1-я комбинация: 2-я комбинация:
Эфир с конц. не менее 98%: 5 Эфир с конц. не менее 98%: 5
МЭГ ХЧ: 6 МЭГ ХЧ: 6
Cu: 5 Cu: 5
Гидрохинон: 8 Гидрохинон : 8
Гомофазная ж-ж: 6 Гомофазная ж-ж: 6
1500С: 7 1300С: 4
У=37 У=34
По времени пребывания:
1-я комбинация: 2-я комбинация:
Эфир с конц. не менее 98%: 6 Эфир с конц. не менее 98%: 6
МЭГ ХЧ: 6 МЭГ ХЧ: 6
Cu: 5 Cu: 5
Гидрохинон: 6 Гидрохинон: 6
Гомофазная ж-ж: 5 Гомофазная ж-ж: 5
1500С: 7 1300С: 3
У=35 У=31
По степени конверсии:
1-я комбинация: 2-я комбинация:
Эфир с конц. не менее 98%: 6 Эфир с конц. не менее 98%: 6
МЭГ ХЧ: 5 МЭГ ХЧ: 5
Cu: 5 Cu: 5
Гидрохинон: 6 Гидрохинон: 6
Гомофазная ж-ж: 5 Гомофазная ж-ж: 5
1500С: 5 1300С: 2
У=32 У=29
Расчет Ки. Для реактора: По первому критерию:
| Экономичность | Простота конструкции | Надежность | |
| Силиконовая баня | 6 | 7 | 8 |
| Тюрингское стекло | 8 | 7 | 1 |
| круглый | 6 | 8 | 6 |
| Система шариковых | 8 | 8 | 7 |
л=0.3 л=0.4 л=0.3
Ки=(6·0.3+7·0.4+8·0.3)+(8·0.3+7·0.4+1·0.3)+(6·0.3+8·0.4+6·0.3)+(8·0.3+8·0.4+7·0.3)=27
По второму критерию:
| Экономичность | Простота конструкции | Надежность | |
| Силиконовая баня | 6 | 7 | 8 |
| Тюрингское стекло | 8 | 7 | 1 |
| круглый | 6 | 8 | 6 |
| Система шариковых | 8 | 8 | 7 |
л=0.3 л=0.4 л=0.3
Ки=(6·0.3+7·0.4+8·0.3)+(8·0.3+7·0.4+1·0.3)+(6·0.3+8·0.4+6·0.3)+(8·0.3+8·0.4+7·0.3)=27
По третьему критерию:
| Экономичность | Простота конструкции | Надежность | |
| Силиконовая баня | 6 | 7 | 8 |
| Иенское стекло разотерм | 3 | 6 | 7 |
| круглый | 6 | 8 | 6 |
| Система шариковых | 8 | 8 | 7 |
л=0.3 л=0.4 л=0.3
Ки=(6·0.3+7·0.4+8·0.3)+(3·0.3+6·0.4+7·0.3)+(6·0.3+8·0.4+6·0.3)+(8·0.3+8·0.4+7·0.3)=26.9
Для процесса: По первому критерию:
| Селективность | Время пребывания | Степень конверсии | |
| Эфир с конц. Не менее 98% | 5 | 6 | 6 |
| МЭГ ХЧ | 6 | 6 | 5 |
| Гидрохинон | 8 | 6 | 6 |
| Cu | 5 | 5 | 5 |
| Гомофазная ж-ж | 6 | 5 | 5 |
| 1500С | 7 | 7 | 6 |
л=0.2 л=0.5 л=0.3
Ки=(5•0.2+6•0.5+6•0.3)+(6•0.2+6•0.5+5•0.3)+(5•0.2+5•0.5+5•0.3)+(8•0.2+6•0.5+6•0.3)++(6•0.2+5•0.5+5•0.3)+(7•0.2+7•0.5+6•0.3)=34.8
По второму критерию:
| Селективность | Время пребывания | Степень конверсии | |
| Эфир с конц. Не менее 98% | 5 | 6 | 6 |
| МЭГ ХЧ | 6 | 6 | 5 |
| Cu | 5 | 5 | 5 |
| Гидрохинон | 8 | 6 | 6 |
| Гомофазная ж-ж | 6 | 5 | 5 |
| 1500С | 7 | 7 | 6 |
л=0.2 л=0.5 л=0.3
Ки=(5•0.2+6•0.5+6•0.3)+(6•0.2+6•0.5+5•0.3)+(5•0.2+5•0.5+5•0.3)+(8•0.2+6•0.5+6•0.3)+(6•0.2+5•0.5+5•0.3)+(7•0.2+7•0.5+6•0.3)=34.8
По третьему критерию:
| Селективность | Время пребывания | Степень конверсии | |
| Эфир с конц. Не менее 98% | 5 | 6 | 6 |
| МЭГ ХЧ | 6 | 6 | 5 |
| Cu | 5 | 5 | 5 |
| Гидрохинон | 8 | 6 | 6 |
| Гомофазная ж-ж | 6 | 5 | 5 |
| 1500С | 7 | 7 | 6 |
л=0.2 л=0.5 л=0.3
Ки=(5•0.2+6•0.5+6•0.3)+(6•0.2+6•0.5+5•0.3)+(5•0.2+5•0.5+5•0.3)+(8•0.2+6•0.5+6•0.3)+(6•0.2+5•0.5+5•0.3)+(7•0.2+7•0.5+6•0.3)=34.8
Выводы
1. На основе системного подхода проведен функционально-физический анализ процесса переэтерификации диметилового эфира β-цианоэтилфосфоновой кислоты моноэтиленгликоль(мет)акрилатом и реактора для его проведения.
В результате были выявлены следующие недостатки:
а) низкий выход продукта реакции;
б) большое время синтеза.
2. Для разрешения конфликтов в технических и химических системах предложены решения:
а) для реактора: введение системы водяных шариковых холодильников меньшей длины.
б) для процесса: использование в качестве ингибитора побочной реакции смеси меди и гидрохинона.
3. Массив проектных решений для реактора составил 216 комбинаций, для процесса- 32 комбинации.
Определены лучшие варианты по критериям экономичности, простоты конструкции, надежности (для реактора), селективности, времени пребывания, степени конверсии (для процесса).
На основе аддитивной свертки критериев для реактора определен наиболее оптимальный проектный вариант по аппарату: круглый реактор, изготовленный из тюрингского стекла, снабженный системой водяных шариковых холодильников, в качестве теплопередающего устройства используется силиконовая баня.
На основе аддитивной свертки критериев определен наиболее проектный вариант по процессу: использование в качестве исходных реагентов “чистых” эфира и МЭГа, в качестве ингибитора – смесь Сu и гидрохинона, синтез ведут при температуре 150 0С в гомофазной системе ж-ж.
4. Произведена постановка задачи синтеза нового технического решения для реактора. Введение системы водяных шариковых холодильников небольшой длины.
5. Произведена постановка задачи синтеза нового технического решения для процесса. Использование в качестве ингибитора смеси меди и гидрохинона.
0 комментариев