Синтез оптимальных теплоинтегрированных ректификационных систем
На правах рукописи
МАЛЮТИН АНДРЕЙ ЮРЬЕВИЧ
СИНТЕЗ ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕПЛОИНТЕГРИРОВАННЫХ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ
05.13.18 — Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург
2012
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»
| Научный руководитель- | доктор технических наук, профессор Викторов Валерий Кирович |
| Официальные оппоненты: | ||
| Холоднов Владислав Александрович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Моделирования и оптимизации химико-технологических процессов» ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» Хмельницкий Артур Константинович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Информационно-измерительных технологий и систем управления» ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров» | ||
| Ведущая организация | ФГУП «Прикладная химия», Санкт-Петербург | |
Защита состоится «26» апреля 2012 г. в 13.30 в ауд. № 61 на заседании диссертационного совета Д 212.230.03 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологических институт (технический университет)».
С диссертаций можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке института.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим отправлять по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр. д. 26, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Ученый совет.
Тел. (812) 494-93-75, факс (812) 712-77-91
Е-mail:[email protected].
Автореферат разослан « 23 » марта 2012 г.
Ученый секретарь совета,
Доктор технических наук, проф. В.И. Халимон
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОАТЫ
Актуальность работы. Для моделирования химико-технологических систем (ХТС) в настоящее время применяются несколько крупных программных комплексов Aspen Plus® (AspenTech), Aspen HYSYS® (AspenTech), ChemCAD (Сhemstations, Inc), Pro/II®(Invensys inc), UniSim® (Honeywell). Ни один из перечисленных продуктов не имеет модуля для синтеза оптимальных ХТС для разделения смеси с заданной точностью чистоты компонентов. Оптимизацию можно проводить только вручную, собирая и сравнивая различные варианты схем. В настоящей работе использовалась система AspenPlus® для сравнения полученных результатов.
При разработке систем ректификационных колонн (СРК) для нефтехимических производств обычно применяются очевидные структуры (с минимальной степенью рекуперации тепла). При подобном подходе к проектированию СРК теряется колоссальное количество тепловой энергии, которую можно было бы повторно использовать в системе. Скорость роста стоимости энергоносителей превосходит скорость роста стоимости теплообменной аппаратуры примерно в два-три раза. Теплоинтеграция в СРК может значительно снизить расход дорогостоящих энергоносителей и дать значительный экономический эффект.
Данная работа основана на работах в области оптимизации ХТС (Кафаров В.В., Мешалкин В.П., Островский Г.М., Гросман С.А., Туркай М., Йоманс Х.). Предложенные методики синтеза ОСРК используют теплоинтеграцию, только после того, как уже сформирована структура СРК. Теплообменная система строиться жестко на полученной СРК и не может повлиять на изменение ее структуры. А это не всегда даст ОСРК.
Поэтому тема данной диссертации является актуальной.
Объект исследований. Объектом исследования являются система ректификационных колонн.
Предмет исследования. Предметом исследования в данной работе являются разработка эффективного алгоритма поиска оптимальной структуры СРК. Критерием оптимальности является приведенные годовые затраты (ПГЗ).
Цель работы. Целью диссертационной работы является создание программно-алгоритмического комплекса для синтеза оптимальных теплоинтегрированных СРК. Для этой цели необходимо решить следующую задачу:
Разработать алгоритм синтеза оптимальной СРК с минимальными ПГЗ. Алгоритм должен учитывать возможность синтеза системы, как с рекуперацией тепла, так и без рекуперации тепла.
Разработка данного алгоритма — это большая, комплексная задача для решения, которой необходимо сделать следующее:
- Разработать алгоритм расчета всех возможных колонн при различных давлениях;
- Разработать алгоритм для генерации вариантов схем разделения;
- Разработать модуль поиска оптимальных давлений в РК;
- Разработать модуль расчета капитальных затрат на РК при данной схеме разделения и данных давлениях в РК;
- Разработать модуль расчета капитальных затрат на тепловое оборудование колонн: на дефлегматоры и кипятильники;
- Провести оценку качества работы программного комплекса, синтезирующего оптимальные СРК с минимальными ПГЗ.
Методы и средства исследования. При решении указанных задач использовались методы комбинаторики, теории оптимизации, математического моделирования, нелинейного и объектно-ориентированного программирования.
Достоверность научных положений и полученных данных обеспечивается применяемыми математическими методами и подтверждается практической реализацией разработанных алгоритмов и методов в виде программно-алгоритмического комплекса синтеза оптимальных СРК. В качестве натурного эксперимента были проведены работы по сравнительному расчету ректификационных систем в программном комплексе Aspen Plus® компании AspenTech®. Полученные результаты подтвердили выводы, сделанные в диссертационной работе.
Научная новизна заключается в том, что получены новые научные результаты:
- Разработан алгоритм поиска оптимальной структуры СРК, основанный на разделении большой задачи на подзадачи непрерывной и дискретной оптимизации;
- Алгоритм поиска оптимальной структуры СРК с теплоинтеграцией, основанный на совместном решении задачи теплоинтеграции и задачи поиска оптимальной структуры системы колонн;
- Разработан метод «сжимающегося пространства» для поиска оптимальных СРК и обеспечения сходимости в процессе оптимизации.
Практическая значимость заключается в реализации разработанных алгоритмов при создании программно-алгоритмического комплекса синтеза оптимальных теплоинтегрированных ректификационных систем. Создано программное обеспечение под ОС Microsoft® Windows® с использованием объектно-ориентированного языка программирования Delphi®. Данный программный комплекс может быть использован на нефтехимических заводах и в проектных организациях; для модернизации существующих систем разделения веществ и разработки новых систем с минимальными ПГЗ. Применение разработанного алгоритма позволяет значительно сократить ПГЗ на 15-20%.
Положения выносимые на защиту:
- Алгоритм поиска оптимальной структуры СРК;
- Алгоритм поиска оптимальной структуры СРК с теплоинтеграцией;
- Метод «сжимающегося пространства».
Апробация работы. Результаты работы были представлены на конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-19 и ММТТ-20), «Актуальные проблемы науки и техники» АПНТ-2011.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 7 печатных работ: 2 в журналах, рецензируемом ВАК и 5 тезисов докладов. Получены 2 свидетельства о регистрации программ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, 4 главы, заключение, список литературы из 63 источников и приложение.
СОДЕРЖАНИ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и задачи исследования, указаны основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе сформулирована задача синтеза оптимальных ректификационных систем (ОРС) и произведен критический обзор существующих методов ее решения.
Задача дана смесь из n веществ. Необходимо найти СРК, разделяющих заданную смесь на n чистых веществ с минимальными приведенными годовыми затратами (ПГЗ). Допускаются простые колонны с подачей питания при температуре кипения.
СРК характеризуется следующими свободными параметрами оптимизации:
– схема или порядок разделения смеси;
– давление в колоннах;
– схема теплообмена между потоками системы;
S–конструктивно-технологические параметры рекуперативных тепло- обменников.
ПГЗ как функция Z(,,,S) рассчитывается следующим образом:
 | (1) |
где 
– коэффициент амортизации, 
– время работы системы в году, nK – число ректификационных колонн, Ci, CiK, Cid – капитальные затраты на колонну, кипятильник и дефлегматор i-ой колонны, QiK, Qid – мощность тепловых нагрузок на кипятильник и дефлегматор i-ой колонны, оставшаяся после рекуперации, Cг, Cх – стоимость единицы энергии греющего агента и хладоагента ( стоимость энергии зависит от температуры в кипятильнике TK и дефлегматоре Td), ZСРТ – ПГЗ для системы рекуперации тепла.
Для синтеза ректификационных систем необходимы математические модели следующих элементов: Ректификационная колонна, Теплообменник, Нагреватель (кипятильник), Холодильник (дефлегматор).
Перечисленные элементы можно разделить на два уровня.
I). Система ректификационных колонн.
II). Система внутреннего теплообмена.
Система ректификационных колонн.
В этой работе используется метод Фенске-Андервуда-Молоканова, так как он дает приемлемую точность для инженерного проектирования - 10-15%.
Метод Фенске-Андервуда-Молоканова
1. Минимальное число ступеней разделения Nm определяется из уравнения Фенске:
 | (2) |
Где A- легколетучий компонент, B- труднолетучий компонент, AB- относительно летучего компонента (среднеарифметическое), Nmin- минимальное число ступеней разделения, b- характеризует содержание компонентов в кубе испарителя (bottom), d- характеризует содержание компонентов в дистилляте (distillate).
 | (3) |
2. Минимальное флегмовое число Rm определяется из уравнений Андервуда:
 | (4) |
 | (5) |
Если в питании колонны отсутствуют пары, то 
 | (6) |
где 
– относительная летучесть i-го вещества относительно тяжелого ключевого компонента, 
— промежуточная неизвестная, определяемая из уравнения (4), 
— мольные доли i-го вещества в питании и в дистилляте, 
- доля паровой фазы в питании.
Рабочее флегмовое число R выбиралось по правилу R=1,2*Rm
3. Уточнение числа тарелок по формуле Молоканова
 | (7) |
Nmin- число теоретических тарелок из уравнения Фенске,
 | (8) |
 | (9) |
Диаметр колонны рассчитывался по формуле:
 | (10) |
 | (11) |
где D– расход дистиллята, V– средняя скорость пара в колонне, TD– температура точки росы вверху колонны, P– давление в колонне.
Высота колонны рассчитывалась по формуле:
 | (12) |
где — средний коэффициент эффективности тарелки.
Экономические показатели взяты из книги Peters M. S., Timmerhaus K. D. Plant design and economics for chemical engineers. McGrow-Hill, New York, 1991.
Капитальные затраты на РК рассчитывались по формуле:
 | (13) |
 |
Капитальные затраты на кипятильники CiK, на дефлегматоры Cid, на теплообменники Cij рассчитывались по формуле:
 | (14) |
 |
где F– поверхность соответствующего аппарата.
Цены единиц энергий греющего агента и хладагента СГ и СХ дискретно или непрерывно зависят от требуемой температуры греющего пара или хладагента:
 | (15) |
 |
Система теплообмена
Задача синтеза системы рекуперации тепла (ЗССРТ) формулируется следующим образом. Дано:
n холодных потоков с удельной мощностью Wi (i=1,…n) на 1К, которые должны быть нагреты от начальных температур tiн до конечных температур tiк.
m - горячих потоков с удельной мощностью Wj (j=1,…m) на 1K, которые должны быть охлаждены от начальных температур Tiн до конечных температур Tiк.
Требуется определить
- схему теплообмена bji=1, если есть теплообмен между j-м и i-м потоками, иначе 0;
- параметры теплообменников sij
так, чтобы ПГЗ были минимальными.
ПГЗ для системы рекуперации тепла определяются следующим образом:
 | (16) |
Где 
- число рекуперативных теплообменников,
минимально допустимая разность температур,
Цена единицы энергии внешнего греющего агента,
Цена единицы энергии внешнего хладагента,
Температуры i-го холодного и j-го горячего потоков на выходе из схемы теплообмена, с индексом к конечные заданные температуры,
cji Капитальные затраты на j, i-й теплообменники.
После постановки задачи синтеза оптимальной системы разделения в первой главе приведены и проанализированы существующие методы поиска оптимальных систем разделения веществ с помощью РК. Рассмотрены методы поиска оптимальных систем теплообмена. Недостатки предложенных методик синтеза СРК заключаются в том, что синтез теплообменной системы выносится за рамки общей задачи синтеза оптимальной СРК. Таким образом, две независимые задачи решаются последовательно. А это не даст схему с минимальными ПГЗ.
В заключение первой главы в соответствии с целью работы были сформулированы задачи.
Вторая глава посвящена разработке алгоритма для решения поставленной задачи, для этого необходимо найти решения нескольких оптимизационных подзадач, которые в совокупности представляют собой общую задачу синтеза оптимальных теплоинтегрированных ректификационных систем (ОТРС). Часть из них являются дискретными, другие имеют непрерывный характер. Главной причиной затрудняющей решение общей задачи является плохая сводимость подзадач дискретной и непрерывной оптимизации.
Основываясь на неоднородной природе общей оптимизационной задачи ее следует разделить на несколько подзадач:
 | (17) |
Решение будет происходить в четыре этапа. Блок схема алгоритма (Рисунок 1):
1. Генерирование последовательности разделения и структурной схемы системы колонн (дискретная оптимизация). На этом этапе происходит генерирование различных структурных схем системы колонн.
2. Организация рекуперации тепла (непрерывная оптимизация). На этом этапе будет осуществляться поиск оптимальных давлений в ректификационных колоннах. Это позволит увеличить степень рекуперации тепла и, соответственно, приведет к сокращению затрат на нагрев и охлаждение материальных потоков.
3. Синтез оптимальной СРТ (дискретная оптимизация). На этом этапе производится поиск оптимальной схемы рекуперации тепла. Синтезируется система оптимального теплообмена.
4. Оптимизация СРТ по Tmin и промежуточным температурам.
Схема разделения смеси
При поиске оптимальной последовательности разделения веществ лучше всего использовать полный перебор по схеме динамического программирования.
Для увеличения степени теплоинтеграции в системе необходимо использовать неизобарические колонны. Оптимизационная задача поиска давлений является по своей природе задачей непрерывной оптимизацией с ограничением:
 | (18) |
Четвертый уровень поиска скрыт в блоке синтеза оптимальной системы теплообмена.
Поиск состоит из nK этапов, на 
-ом этапе давление в i-ой колонне pi изменяется дискретно:
 | (19) |
| K=1,…,nK i=1,…,n-1 l = 0,…,np |
шаг pK изменения определяется следующим образом
 К=2,…n—1  | (20) | |
 | ||
| Рисунок 1 Блок схема синтеза оптимальной СРК | ||
Начальное давление 
определяется в результате решения следующей задачи дискретной минимизации:
    | (21) |
Где Z-ПГЗ.
Число этапов поиска nK задается, исходя из требуемой точности 
определения оптимальных давлений:
 | (22) |
Согласно рекуррентной формуле (20):
 | (23) |
Откуда 
определяется через 
следующим образом
 | (24) |
Решением задачи являются давления 
, полученные в результате решения задачи на nK -м этапе. Метод является глобальным.
Необходимо отметить, что описанный поиск ведется на заранее рассчитанных для всех колонн таблицах путем интерполяции в диапазоне давлений (18).
Анализ результатов синтеза СРК показал, что для 5-компонентных смесей метод «сжимающегося пространства» всегда дает точное решение задачи оптимизации по давлениям за приемлемое время.
Алгоритм синтеза ОСРТ
При заданных начальных температурах потоков определим число теплообменников nТО, схему их соединения Р, свободные температуры потоков Т так, чтобы выходные температуры были равны заданным, а ПГЗ были минимальны.
Такая постановка задачи позволяет использовать двухуровневый метод решения: на верхнем уровне ищется nТО и схема Р, на нижнем - значения температур промежуточных потоков.
Так как промежуточные температуры имеют незначительное влияние на ПГЗ, то можно использовать эвристику «о передаче максимальной мощности» (в теплообменнике), исключив оптимизацию по промежуточным потокам. Увеличение ПГЗ составляет не более 3-4%, а скорость работы программы резко возрастает.
Существуют различные методы решения ЗСОСРТ, но все они, как показали решения тестовых задач, требуют значительные ресурсы машинного времени. Для ускорения работы необходимо упростить задачу синтеза. ЗСОСРТ будет решаться только для конденсирующихся вверху колонн и испаряющихся внизу колонн потоков.
Задача синтеза системы рекуперации тепла для входных, выходных, промежуточных и остаточных конденсирующихся/испаряющихся потоков будет решаться отдельно после того, как будет закончен синтез СРК с рекуперацией тепла только конденсирующихся/испаряющихся потоков. Такое упрощение позволяет решить задачу синтеза за разумное время.
Был построен специальный метод решения задачи, синтеза системы рекуперации тепла для потоков с не изменяющимися при теплообмене температурами.
После упорядочивания производится синтез ОСРТ по алгоритму (Рисунок 2).
Qi, ti мощность и температура i-го холодного кубового потока в упорядоченной последовательности,
Qj, Tj мощность и температура j-го горячего потока дистиллята в упорядоченной последовательности.
 |
| Рисунок 2 Блок схема синтеза ОСРТ |
Схема работы алгоритма проиллюстрирована стрелками, указывающими направление возможной передачи тепла (Рисунок 3).
 |
| Рисунок 3 Упорядочивание потоков и схема синтеза системы теплообмена |
Данный алгоритм синтезирует системы рекуперации тепла, в которых,
- во-первых, передается максимальная мощность, потому что j-ый горячий поток всегда отдает тепло самому горячему из возможных холодных потоков,
- во-вторых, используются, более дешевые греющие и хладагенты, потому что в первую очередь вступают в теплообмен горячие потоки с низкой температурой и холодные потоки с высокой температурой. Ясно, что системы рекуперации тепла, обладающие приведенными двумя свойствами должны быть оптимальными, т. е. обладать минимальными ПГЗ.
Таким образом, задачу о передаче максимальной мощности можно сформулировать в виде задачи линейного программирования:
 | (25) |
 j=2,…n-1 | (26) |
 i=2,…n-1 | (27) |
Где Qji-мощность, передаваемая от j-ого горячего потока к i-му холодному,
Qj, qi мощности i-ого холодного и j-ого горячего потоков.
По рассматриваемому алгоритму решение задачи (25)—(27) происходит в следующем порядке и по следующему правилу:
 i=n+1,…, n-1, j=2,…,n-1  | (28) |
Порядок теплообмена, определяемый алгоритмом (27) и блок-схемой (Рисунок 2), может быть представлен в виде следующей таблицы
| Г1 | Г2 | Г3 | Г4 | ||
| Х1 | 0 | 0 | 0 | 0 | q1 |
| Х2 | 0 | 0 | 0 | 4 | q2 |
| Х3 | 0 | 0 | 2 | 5 | q3 |
| Х4 | 0 | 1 | 3 | 6 | q4 |
| Q1 | Q2 | Q3 | Q4 |
Любая вариация решения (28) либо не изменяет максимально передаваемую мощность, либо уменьшает ее. Если начнем перераспределять тепло j-го горячего потока 
между холодными потоками i=nj+1,…,n1 в пределах ограничения (26), передаваемая мощность не будет изменяться до тех пор, пока не будет нарушено ни одно из ограничений (27). Как только одно из ограничений (26) выйдет на границу, дальнейшее перераспределение может привести только к уменьшению передаваемой мощности. Поэтому решение (28), полученное по рассматриваемому алгоритму является решением задачи (25)—(27), то есть решением, обеспечивающим передачу максимальной суммарной мощности.
После того как произведен синтез ОСРТ с применением описанного упрощенного метода синтеза OCPT для потоков с неизменяющимися температурами, производится синтез ОСРТ для входных, выходных, промежуточных, а также кубовых потоков и потоков дистиллятов, которые еще не исчерпали своей мощности после синтеза ОСРТ. Поэтому предлагаемый метод и назван последовательным.
Поэтому для поиска оптимальной теплоинтегрированной СРК при n > 5 следует использовать метод с последовательным синтезом двух систем рекуперации тепла.
В третьей главе описывается программно-вычислительный комплекс AutoDesign СDC созданный в среде Delphi на основе алгоритмов разработанных во второй главе. На главной форме (Рисунок 4) пользователь может задать компоненты исходной смеси и их процентное содержание, указать, как проводить синтез СРК (с теплоинтеграцией или без нее). На этой же форме показывается время поиска.
 |  |
| Рисунок 4 Главная форма AutoDesign CDC | Рисунок 5 Настройка параметров поиска СРК в AutoDesign CDC |
Если необходимо изменить параметры поиска, то в главном окне программы (Рисунок 4) в меню надо последовательно нажать Правка Исходные данные, после чего появиться окно «Исходные данные» (Рисунок 5). В этом окне можно изменить параметры входного потока (температуру и расход), чистоту компонентов, рабочее флегмовое число, данные для расчета системы теплообмена, набор давлений (для определения набора колон с оптимальными давлениями), экономические показатели для расчета ПГЗ.
Если при работе окажется, что в программе отсутствуют требуемые вещества, то их можно будет добавить в базу данных для этого в меню главного окна программы (Рисунок 4) надо последовательно нажать Правка База данных.
Появиться окно Database (Рисунок 6), где можно внести коэффициенты для
 |
| Рисунок 6 База физико-химических данных в СРК в AutoDesign CDC |
уравнений Антуана и Галахера. Таблица 1 содержит сводные данные по ПГЗ в зависимости от количества веществ в смеси и использования в СРК теплоинтеграции. Так же в таблице указанно среднее время поиска подобных задач.
Таблица 1 Время поиска и ПГЗ
| Кол-во веществ смеси | ПГЗ | Разрядная сетка | Время, сек | |||
| Без ТИ | С ТИ | % | Без ТИ | С ТИ | ||
| 3 | 604097 | 596030 | 1 | 10 | 0 | 0 |
| 4 | 588466 | 540183 | 9 | 0 | 0 | |
| 5 | 947109 | 752527 | 26 | 1 | 1 | |
| 6 | 999472 | 784945 | 27 | 32 | 38 | |
| 999921 | 785590 | 27 | 5 | 1 | 1 | |
| 7 | 1115869 | 868023 | 29 | 10 | 3073 | 3286 |
| 1115430 | 911983 | 22 | 5 | 41 | 53 | |
Сравнение синтезированных систем с рассчитанными в Aspen Plus®. Для сравнения получаемых результатов были использован программный комплекс Aspen Plus®, хорошо зарекомендовавших себя при решении химико-технологических задач. Аппаратное оформление схемы в Aspen Plus® (Рисунок 8) будет отличаться от схемы полученной в AutoDesign CDC (Рисунок 7), из-за особенностей работы Aspen Plus®. Сводные таблицы 24 по ключевым параметрам в сравниваемых схемах приведены ниже.
 |
| Рисунок 7 ХТС полученная в AutoDesign CDC |
 |
| Рисунок 8 Система в Aspen Plus® |
Таблица 2 Параметры первой колонны (В1)
| Название параметра | AutoDesign CDC | Aspen Plus |
| Давление, бар | 4 | 4 |
| Флегмовое число | 1,2 | 1,38 |
| Число тарелок | 16 | 16 |
| Температура питания, оС | 66,3 | 65,6 |
| Температура дистиллята оС | 42,4 | 43,4 |
| Температура куба, оС | 98,4 | 94,7 |
| Тепловая нагрузка дефлегматора, MMkcal/hr | 0,417 | 0,379 |
Таблица 3 Параметры второй колонны (В2)
| Название параметра | AutoDesign CDC | Aspen Plus |
| Давление, бар | 15 | 15 |
| Флегмовое число | 2,6 | 3,3 |
| Число тарелок | 22 | 22 |
| Температура питания, оС | 164,6 | 160,5 |
| Температура дистиллята, оС | 147,3 | 144,0 |
| Температура куба, оС | 189,5 | 188,9 |
| Тепловая нагрузка ребойлера, MMkcal/hr | 0,421 | 0,581 |
Таблица 4 Тепловая нагрузка на теплообменник (В6)
| Теплообменник | AutoDesign CDC | Aspen Plus |
| Тепловая нагрузка, MMkcal/hr | 0,421 | 0,436 |
В результате сравнения схем полученных в AutoDesign CDC и Aspen Plus отклонения по ключевым параметрам не значительные. За исключением флегмовых чисел в колоннах. Это является причиной того, что чистота компонентов несколько отличается. Кроме флегмовых чисел в колоннах есть расхождение в тепловых нагрузках на теплообменник.
Аттракторообразование при синтезе. При анализе схем полученных с помощью программы AutoDesign CDC было выявлено, что без теплоинтеграции получаются схемы различной структуры, а при синтезе схем с теплоинтеграцией структуры систем часто совпадают. Если рассматривать эту ситуацию с точки зрения синергетики, то схемы без теплоинтеграции представляют собой некое пространство, в котором существуют всевозможные варианты схем разделения и их достаточно много. Использование теплоинтеграции является своего рода аттракторообразующим фактором, в результате чего в вероятностном пространстве образуются некоторое количество аттракторов, к которым тяготеют оптимальные схемы с теплоинтеграцией для различных составов исходных смесей. Разработанный комплекс позволяет получить некоторые теоретические результаты, носящие общесистемный характер СРК. Было проведено исследование влияния состава исходной смеси на оптимальную последовательность разделения без теплоинтеграции и с теплоинтеграции
(Таблицы 57).
|
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
В четверной главе приводятся решения практических задач. Для апробации работы программы был проведен поиск оптимальных СРК без теплоинтеграции (СРКбТ) и СРК с теплоинтеграцией (СРКсТ) для разделения смесей различных веществ. Поиск оптимальных систем проводился при одинаковых начальных условиях.
На рисунках 9, 10 представлены схемы, полученные при поиске оптимальной СРК в AutoDesign CDC для 7-ми компонентной смеси. Из таблицы 1 видно, что использование теплоинтеграции позволяет снизить ПГЗ приблизительно на 22 %.
Следует отметить, что функция ПГЗ имеет много разрывов, неустойчивых и локальных экстремумов и вероятность, того, что будет найдена схема с минимальными ПГЗ (в неустойчивых экстремумах или возле точек разрыва) очень велика. Такие схемы будут очень чувствительны к изменению каких-либо параметров.
 | |
| Рисунок 9 Система ректификационных колонн для 7-компонентной смеси без теплоинтеграции | |
 | |
| Рисунок 10 Система ректификационных колонн для 7-компонентной смеси с теплоинтеграцией | |
Поэтому для поиска оптимальной системы ректификационных колонн (ОСРК) недостаточно найти систему с минимальными ПГЗ. Необходимо проводить проверки СРК на устойчивость, к колебаниям входных параметров. Интервал изменения входных параметров необходимо выбирать в зависимости от специфики конкретной задачи.
ВЫВОДЫ
- Разработан алгоритм для синтеза оптимальных теплоинтегрированных ректификационных систем с целью минимизации приведенных годовых затрат. Четырехуровневый алгоритм проводит декомпозицию общей задачи на две подзадачи дискретной оптимизации и две подзадачи непрерывной оптимизации. Такой подход позволяет использовать для решения каждой подзадачи свои специфические, а потому наиболее эффективные методы.
- На основе алгоритма разработан комплекс программ AutoDesign CDC для ЭВМ, функционирующих под управлением операционной системы Microsoft® Windows®.
- В результате решения задач синтеза показано, что ПГЗ снижаются на 15-20% если в ректификационных системах разделения используется теплоинтеграция.
- AutoDesign CDC применен для решения типовых задач синтеза газофракционирующих систем нефтепереработки и подобных систем в общехимических производствах.
- Была разработана и внедрена в учебный процесс по курсу «Синтез оптимальных ХТС» программа Syntes 1.5.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Викторов В. К., Малютин А. Ю. Синтез оптимальных теплоинтегрированных ректификационных систем // Сборник трудов XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». Воронеж: ВГТА, 2006. Т. 10. С. 58.
2. Викторов В. К., Малютин А. Ю. Структурная оптимизация ректификационных систем // Сборник трудов XX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». Ярославль: ЯГТУ, 2007. Т. 6. С. 8788.
3. Викторов В. К., Малютин А. Ю. Использование Aspen Plus для проектирования систем многокомпонентной ректификации // Сборник трудов XX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». Ярославль: ЯГТУ, 2007. Том 6, С. 273274.
4. Лисицын Н. В., Викторов В. К., Малютин А. Ю. Программный комплекс для синтеза оптимальных энергосберегающих ректификационных систем // Химия и химическая технология. 2009. Т. 52, №. 8 С. 96-99.
5. Викторов В. К., Малютин А. Ю. Синтез газофракционирующих установок // Сборник научных трудов III Международной научно–практической конференции «Актуальные проблемы науки и техники». Уфа: Нефтегазовое дело, 2011. Том 1,
С. 114116.
6. Малютин А. Ю. Syntes 2.1 система для автоматизации поиска комплекса ректификационных колонн. // Синтез газофракционирующих установок // Сборник научных трудов III Международной научно–практической конференции «Актуальные проблемы науки и техники». Уфа: Нефтегазовое дело, 2011. Том 1,
С. 262-263.
7. Малютин А. Ю. Свидетельство о регистрации электронного ресурса «Программно-вычислительный комплекс Syntes 1.5» // № 17582 от 15.11.2011.
8. Малютин А. Ю. Свидетельство о регистрации электронного ресурса «AutoDesign CDC (AutoDesign Complex Distillations Columns» // № 17583 от 15.11.2011.
9. Викторов В.К., Малютин А.Ю. Метод синтеза химико-технологических систем ректификационных колонн // Известия Санкт-петербургского государственного технологического института (технического университета). 2012. №14 (40). С. 96-99.
