Методология проектирования и реконструкции промышленных аппаратов разделения и превращения углеводородов

При заданных значениях температуры (, ) теплоносителя из уравнения теплового баланса (39) находится расход .

Поверхность теплопередачи определяется по известному уравнению теплопередачи.

Число труб реактора находится при выбранных значениях диаметра и высоты труб (d и H): .

На основе разработанного метода предлагается следующий порядок проектирования реактора: сначала задается расход исходной смеси , ее состав , степень превращения реагентов ; выбирается диаметр труб реактора d и высота H; рассчитывается первое приближение количества труб , поверхности теплопередачи . Количество труб реактора выбирается из условия пленочного режима движения реагентов через слой катализатора в трубах. Пленочный режим движения реакционной смеси через слой зернистого катализатора удовлетворяет условию . При этом чем меньше число тем меньше скорость движения реагентов, тем больше время их пребывания в слое и тем выше степень превращения. Учитывая зависимость где - плотность орошения (м³/м²с), d - внутренний диаметр труб (м), - удельная поверхность контакта фаз (м²/м³),- кинематическая вязкость смеси (м²/с) и условие пленочного режима движения смеси через слой катализатора получим на основе алгоритма, изложенного выше определяется профиль температуры реакционной массы по длине труб , начальная и конечная температура и , обеспечивающие заданную степень превращения реагентов в реакторе высотой H; определяется количество вступивших в реакцию реагентов и количество тепла химической реакции ; выбирается (задается) тип теплоносителя, его начальная и конечная температура, температурная схема процесса теплообмена; определяются геометрические и гидродинамические характеристики слоя катализатора. На основе модели теплоотдачи в слое катализатора находится коэффициент теплоотдачи . Рассчитывается коэффициент теплопередачи k; по температурной схеме процесса находится средняя движущая сила теплопередачи и поверхность теплообмена ; если расчетное значение поверхности , то число труб задано верно. В противном случае по величине расчетной поверхности определяется следующее приближение количества труб и расчет повторяется по алгоритму.

Итерационный процесс расчета продолжается до тех пор, пока расчетная величина на -ой итерации с некоторым запасом не станет близкой к . В этом случае принимается реактор с поверхностью . Если больше с некоторым запасом тогда принимается реактор с поверхностью . В случае, когда не удается определить поверхность теплопередачи , обеспечивающую заданную степень превращения в реакторе высотой H, тогда находится новое значение H или корректируется степень превращения .

На основе разработанной методики проведено проектирование промышленного трубчатого реактора синтеза эфиров из побочных C₅ фракций углеводородов по заданной степени превращения в допустимой области изменения расхода : 2000ч5000 кг/ч.

В седьмой главе разработан метод проектирования процессов, описываемых линейными дифференциальными уравнениями. Показатели качества процесса представлены в виде квадратичных функционалов, на которые наложены ограничения в виде неравенств. Решена задача проектирования технологических параметров в кубе ректификационной установки разделения эфиров.

Рассмотривается процесс, описываемый системой линейных дифференциальных уравнений

(40)

где - n-мерный вектор отклонений фазовых координат процесса от заданного или невозмущенного состояния ; - время или пространственная координата процесса; , - соответственно, nЧn, nЧr - непрерывные матрицы; - r-мерный вектор проектируемых параметров или функций управления; Т - время окончания процесса или граница пространственной координаты области.

На множестве функций и траекторий заданы функционалы , которые характеризуют интегральные квадратичные отклонения фазовых переменных от заданных значений. На эти функционалы наложены ограничения:

(41)

где - заданные весовые коэффициенты; - нижние и верхние предельно допустимые значения функционалов.

Требуется построить вектор управления для процесса (40), которое удовлетворяет неравенствам (41). Здесь - область допустимых значений проектируемых параметров или функций управления.

Введем обозначения

где

. (42)

Неравенства (41) эквивалентны неравенствам .

Необходимое и достаточное условие существования решения задачи, приведенное в пятой главе записывается в виде

(43)

где удовлетворяет равенствам (30).

В уравнениях (30) выражение в скобках обозначим через

. (44)

Условие минимума этого выражения запишется в виде

,. (45)

Решение данного уравнения позволяет найти структуру функции.

Используя полученное значение в соотношении (30), найдем уравнение для определения функции

. (46)

Функцию будем строить в виде определенно положительной квадратичной формы при условии для .

Построение допустимого управления проводится методом последовательных приближений. Первое приближение управления задается в виде линейной функции от . При управлении решается система уравнений (40), вычисляются функции (42), находится и составляется уравнение (46) при управлении . Решение данного уравнения дает первое приближение функции , и соответственно первое приближение . - решение задачи, если при выполняется условие

(47)

В противном случае одним из методов математического программирования находится следующее приближение управления и т.д до выполнения условия (47).

1. Рассматривается процесс, описываемый уравнением

(48)

где , - заданные коэффициенты; и - скалярные функции. Требуется определить вектор управления процессом (48), при котором выполняются условия:

. (49)

Вводя функционалы условия (49) запишутся в виде: . Функцию примем в виде . Производная в силу уравнения (48) примет вид .

Метод последовательных приближений дает следующие решения:

1. получим

2. получим

3. получим

4. получим .

2. Одним из важных параметров управления процессом разделения эфиров в ректификационной установке является уровень жидкой смеси в кубе колонны.

Уравнение материального баланса в отклонениях от заданного значения:

(50)

с начальными условиями - измеряемая величина отклонения уровня в начальный момент времени . Здесь - сечение куба; x, u - отклонения уровня жидкости и парового потока от заданных значений.

Задача проектирования: требуется найти закон управления для процесса, описываемого уравнением (50), при котором отклонения уровня и расхода пара от заданных значений не превосходят допустимых величин:

(51)

где - предельно допустимые заданные значения интегральных отклонений.

Определение технологических параметров в кубе на основе метода последовательных приближений приводит к следующим решениям:

1.

2.

3. .

В зависимости от величины коэффициента пропорциональности изменяется время переходного процесса (время регулирования).

Время регулирования уровня в кубе колонны с погрешностью 5% будет равно . Увеличение коэффициента пропорциональности приводит к уменьшению времени регулирования . Поэтому значение коэффициента пропорциональности выбирается, в зависимости от отклонения , из неравенства

.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

На основе современных методов математического и физического моделирования получены новые результаты для теории проектирования промышленных аппаратов, в решении важных прикладных задач проектирования установок разделения и превращения углеводородов.

1. Разработана методология проектирования многокритериальных многорежимных аппаратов и технологических систем в стационарных условиях функционирования, в основе которой лежат методы математического моделирования процесса, нелинейного и динамического программирования, получены условия существования решения задачи проектирования и алгоритмы расчета, позволяющие определить конструктивные, технологические параметры и допустимую область изменения параметров сырья, в пределах которой конструкция аппаратов не меняется.

2. Разработаны методы проектирования многокритериальных промышленных аппаратов в нестационарных условиях функционирования, описываемых системой обыкновенных линейных и нелинейных дифференциальных уравнений. Показатели функционирования представляются в виде функционалов, на которые наложены ограничения в форме неравенств. Получены условия существования решения задачи проектирования в виде функционального уравнения и неравенства, на основе которых методом последовательных приближений проводится определение проектируемых параметров аппаратов.

3. Проведены экспериментальные исследования химической реакции синтеза эфиров из С₅ фракций углеводородов. Получены кинетические характеристики реакций и уравнения химической кинетики превращения изоамиленов и пипериленов. На основе предложенных методов разработана методология проектирования трубчатых реакторов по заданной степени превращения реагентов исходной многокомпонентной реакционной смеси. Результаты проектирования удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными промышленного реактора синтеза МТАЭ и МВАЭ.

4. Определены геометрические и гидродинамические характеристики слоя зернистого катализатора в трубном пространстве трубчатого химического реактора. На основе теории ламинарного пограничного слоя на зерне катализатора разработана математическая модель теплоотдачи в трубном пространстве реактора.

5. Разработана и экспериментально исследована новая конструкция регулярной рулонной насадки и выполнены обобщения полученных опытных данных в виде расчетных уравнений по перепаду давлений, задержке жидкости и массообменным характеристикам.

6. Проведена диагностика ректификационной установки разделения гликолей, установлены причины низкой разделительной способности колонны и предложен вариант реконструкции на заводе окиси этилена ОАО «Нижнекамскнефтихим». В результате проведенной реконструкции колонна оснащена новыми распределителями фаз и насадкой рулонного типа. Промышленная эксплуатация установки показала удовлетворительные результаты по качеству разделения смеси.

7. На основе предложенной методологии проектирования промышленных аппаратов разработан метод определения конструктивных и технологических параметров установки разделения широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ), допустимой области изменения характеристик сырья на входе технологической схемы, в пределах которой конструкция аппаратов и схема инвариантны.

8. Проведена оптимизация газофракционирующей установки разделения ШФЛУ с цель сокращения энергозатрат путем выбора оптимальных расходов флегмы в колоннах. Результаты оптимизации внедрены на заводе дивинила ОАО «Нижнекамскнефтехим», получен экономический эффект.

9. Установлены зависимости расходов флегмы от потоков на входе каскада ректификационных колонн разделения хлорметил-изобутиленовой фракции завода бутилкаучука и определена область изменения параметров сырья, в пределах которой конструкция аппаратов неизменна.

10. Разработан программно-вычислительный комплекс проектирования инвариантных, в допустимой области изменения параметров сырья, промышленных аппаратов разделения и трубчатого реактора синтеза эфиров.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Дьяконов, С.Г. Теоретические основы проектирования промышленных аппаратов химической технологии на базе сопряженного физического и математического моделирования/ С.Г. Дьяконов, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров. - Казань: Изд-во КГТУ, 2009. - 456 с.

в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях по перечню ВАК:

2. Капустин, П.П. Кинетика реакций метанола с 2-метил-бутеном-1 и 2-метилбутеном-2 в присутствии сульфокислотного катализатора / П.П. Капустин, В.З.Кузьмин, В.В. Елизаров [и др.]. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. - 2000. - Т. 43. - Вып. 2. - С. 21-28.

3. Дьяконов, С.Г. Гидравлические и массообменные характеристики рулонной насадки / С.Г. Дьяконов, В.В. Елизаров, М.И. Фарахов // Изв. вузов. Химия и хим. технология . -2003. -Т. 46, Вып.5. - С. 143-147.

4. Дьяконов, С.Г. Реконструкция установки и моделирование процесса разделения водногликолевого раствора / С.Г. Дьяконов, В.В. Елизаров, М.И. Фарахов // Изв. вузов. Химия и хим. технология. - Т.46. - Вып.5. - С.148-151.

5. Галеев, Э.Р. Математическое моделирование технологических аппаратов инвариантных в области изменения входных параметров / Э.Р. Галеев, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров // Изв. вузов. Химия и хим. технология. - 2006. - Т. 49. - Вып. 11. - С. 106-114.

6. Галеев, Э.Р. Математическое моделирование аппаратов технологической схемы при переменных параметрах сырья / Э.Р. Галеев, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров // Изв. вузов. Химия и хим. технология. - 2007. - Т. 50. - Вып. 10. - С. 98-105.

7. Галеев, Э.Р. Аналитическое проектирование технологических процессов по условиям удовлетворительного функционирования / Э.Р. Галеев, В.В. Елизаров // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. - 2007. - № 3. - С. 98-104.

8. Долганов, А.В. Применение метода динамического программирования в задаче аналитического проектирования динамических систем / А.В. Долганов, В.В. Елизаров // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. ? 2008. ? № 1. ? C.79-82.

9. Долганов, А.В. Синтез управления в задаче аналитического проектирования линейных систем / А.В. Долганов, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. ? 2008. ? № 2. ? C.64-70.

10. Долганов, А.В. Математическое моделирование технологического процесса синтеза эфиров в трубчатом реакторе / А.В. Долганов, В.В. Елизаров // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. - 2009. - № 1. - C. 94-99.

11. Долганов, А.В. Предпроектная разработка трубчатого реактора синтеза эфиров / А.В. Долганов, В.В. Елизаров // Вестник Казан. технол. ун-та, 2009. - №3. Ч.1. - С 64 - 72.

12. Дьяконов, С.Г. Определение эффективности контактных устройств на основе гидродинамической аналогии / С.Г. Дьяконов, В.В. Елизаров, Д.В.Елизаров, С.А. Мерзляков // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2009. - № 3. - С. 57-63.

в журналах и сборниках:

13. Капустин, П.П. Моделирование процесса получения циклопентана из побочных С₅ фракций углеводородов / П.П. Капустин, В.И. Елизаров, В.В. Елизаров // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-14. Сб. трудов Международ. науч. конф. - Смоленск, 2001. - С. 72-73.

14. Дьяконов, С.Г. Моделирование процесса разделения в насадочных аппаратах при низкой плотности орошения / С.Г. Дьяконов, В.В. Елизаров, М.И. Фарахов // Математические методы в технике и технологиях ММТ-14: сб. тр. Междун. научн. конф. - Смоленск, 2001. - С. 27-28.

15. Дьяконов, С.Г. Моделирование и реконструкция установки разделения гликолей в производстве окиси этилена / С.Г. Дьяконов, В.В. Елизаров, М.И. Фарахов [и др.] // Математические методы в технике и технологиях: сб. труд. XV Междунар. науч. конф. - Тамбов, 2002. - С. 89-90.

16. Елизаров, В.И. Моделирование и модернизация технологической схемы узла перегонки окиси этилена / В.И. Елизаров, Н.В. Лежнева, В.В. Елизаров // Математические методы в технике и технологиях: сб. тр. XVI Междунар. науч. конф. - СПб, 2003. - С. 77-79.

17. Дьяконов, С.Г. Технология проектирования тарельчато-насадочных аппаратов разделения водных растворов / С.Г. Дьяконов, В.В. Елизаров// Материалы межвузовской научно-практической конференции «Инновационные процессы в области образования, науки и производства». - Нижнекамск, 2004. - Т.1. - С. 1-5.

18. Галеев, Э.Р. Аналитическое проектирование технологических аппаратов инвариантных к изменению параметров входных потоков / Э.Р. Галеев, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-18. Сб. трудов XVIII Международ. науч. конф..- Казань: Изд-во Казанского гос. технол. ун-та, 2005. - Т. 2. - С. 33-35.

19. Галеев, Э.Р. Аналитическое проектирование непрерывных процессов / Э.Р. Галеев, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-18. Сб. трудов XVIII Международ. науч. конф.- Казань: Изд-во Казанского гос. технол. ун-та, 2005. - Т. 2. - С. 42-44.

20. Галеев, Э.Р. Аналитическое конструирование регуляторов в многокритериальных задачах синтеза технических систем / Э.Р. Галеев, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-18. Сб. трудов XVIII Международ. науч. конф. - Казань: Изд-во Казанского гос. технол. ун-та, 2005. - Т. 2. - С. 116-118.

21. Галеев, Э.Р. Автоматизированный расчет технологических аппаратов на примере ректификационной установки разделения хлорметил-изобутиленовой фракции / Э.Р. Галеев, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров // Материалы VII международной конференции по интенсификации нефтехимических процессов “Нефтехимия-2005”. Нижнекамск, 2005. - С. 166-167.

22. Галеев, Э.Р. Математическое моделирование технологической схемы, инвариантной к изменению параметров входных потоков / Э.Р. Галеев, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-19. Сб. трудов XIX Международ. науч. конф. - Воронеж: Воронеж. гос. технол. акад., 2006. - Т. 3. - С. 5-7.

23. Галеев, Э.Р. Математическое моделирование газофракционирующей установки, инвариантной к изменению параметров сырья / Э.Р. Галеев, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-20: сб. тр. XX Междунар. науч. конф..- Ярославль : Изд-во Яросл. гос. технол. ун-та, 2007. - Т. 3. - С. 66-70.

24. Галеев, Э.Р. Определение границ и величины риска при проектировании технологического процесса синтеза и выделения эфиров / Э.Р. Галеев, В.В. Елизаров // Проблемы человеческого риска. - 2007. - № 2. - С. 83-91.

25. Галеев, Э.Р. Определение допустимой области изменения параметров сырья в технологической схеме получения эфиров / Э.Р. Галеев, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21: сб. тр. XXI Междунар. науч. конф. - Саратов: Изд-во Сарат. гос. технол. ун-та, 2008. - Т. 3. - С. 26-31

26. Долганов, А.В. Решение многокритериальной задачи синтеза методом перебора функционалов / А.В. Долганов, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров // Математические методы в технике и технологиях - MMTT-21 (27 - 30 мая 2008 года): сб. тр. XXI Междунар. науч. конф.? Саратов: Изд-во Сарат. гос. техн. ун-та, 2008. ? C. 20 - 23.

27. Долганов, А.В. Управление многокритериальными процессами с применением динамического программирования / А.В. Долганов, В.В. Елизаров // Аналитическая механика, устойчивость и управление движением: матер. Всерос. семинара, посвященного 100-летию П.А. Кузьмина. Казань, 2008 г. ? Казань: Изд-во КГТУ им. А.Н. Туполева, 2008. ? С.122-123.

28. Долганов, А.В. Математическое моделирование температурных полей в трубчатом реакторе синтеза эфиров / А.В. Долганов, В.В. Елизаров // Математические методы в технике и технологиях - MMTT-22: сб. тр. XXII Междунар. науч. конф. ? Псков. - 2009. - Т. 3. - C. 100-104.

29. Долганов, А.В. Математическая модель теплопередачи и алгоритм проектирования трубчатого реактора синтеза эфиров / А.В. Долганов, В.В. Елизаров // Математические методы в технике и технологиях - MMTT-22: сб. тр. XXII Междунар. науч. конф. ? Псков. - 2009. - Т. 3. - C. 104-108.

30. Долганов, А.В. Аналитическое конструирование регулятора в многокритериальных задачах управления / А.В. Долганов, В.В. Елизаров // Математические методы в технике и технологиях - MMTT-22: сб. тр. XXII Междунар. науч. конф. ? Псков. - 2009. - Т. 2. - C. 118-122.

31. Галеев, Э.Р. Стабилизация материального и теплового балансов процесса получения эфиров / Э.Р. Галеев, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Инновации и высокие технологии XXI». Нижнекамск. ? 2009. - Т. 1. - C. 226-230.

32. Регулярная насадка для массообменных аппаратов / М.И. Фарахов, В.В. Елизаров [и др.]; заявители и обладатели ООО «ИВЦ Инжехим», ОАО «Нижнекамскнефтехим». - №2000114968 // Свидетельство на полезную модель № 17011, 2001.

Размещено на Allbest.ru