книги / Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза

162 Часть /. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

правильно выявить все ограничения и учесть их при синтезе тех­ нологической схемы.

МЕТОДЫ СИНТЕЗА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ РАЗДЕЛЕНИЯ

Для проведения синтеза оптимальных технологических схем необходимо знать:

ОФизико-химические и химические свойства как чистых компо­ нентов, так и всех смесей, составляющих данную много­ компонентную смесь. Наиболее важно знать температуры кипения компонентов и смесей, параметры фазового равнове­ сия жидкость—жидкость, жидкость—газ, жидкость—пар, жид­ кость—твердое тело, а также химическую активность компо­ нентов и их термическую стойкость в процессе разделения. Эти свойства позволяют выявить все термодинамические, химиче­ ские и технологические ограничения, которые необходимо учи­

тывать при синтезе технологических схем разделения.

©Возможности различных методов разделения, области их ис­ пользования, преимущества и недостатки.

©Конструктивные особенности и возможности применения раз­ личных разделительных аппаратов, располагать классифи­ кацией таких аппаратов с описанием их основных характе­

ристик.

ОСтруктуру технологических комплексов различного функ­ ционального действия, состоящих из ряда аппаратов и приме­ няемых для разделения смесей, обладающих определенными специфическими свойствами. Эти комплексы позволяют преодолеть различные технологические ограничения, связан­ ные с азеотропией, и получить продукты нужного состава. Ком­ плексы могут состоять как из однотипных, так и разнотипных разделительных аппаратов.

©Методы синтеза технологических схем разделения. С этой це­

лью должны быть рассмотрены как безмашинные методы, так

иметоды, основанные на применении вычислительной тех­ ники. В последнем случае необходимо располагать математи­ ческими моделями как отдельных элементов и комплексов, так

исистемы в целом.

ФМетоды оптимизации технологических схем разделения. Важ­ но помнить, что оптимизацию технологической схемы необ-

164 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

Как уже отмечалось, трудности синтеза схем разделения про­ мышленных многокомпонентных смесей обусловлены большим числом компонентов и наличием в таких смесях азеотропов раз­ личной размерности, т. е. азеотропов, содержащих различное чис­ ло компонентов. Эти трудности усугубляются наличием областей расслаивания, химически активными и термически нестойкими компонентами и т. д.

В связи с этим, с одной стороны, с увеличением числа ком­ понентов количество вариантов схем увеличивается почти экспо­ ненциально, а, с другой стороны, с учетом всех ограничений, обус­ ловленных азеотропией и другими факторами, отсеивается или исключается из рассмотрения большая их часть. Вместе с тем ис­ пользование различных способов преодоления ограничений фи­ зико-химического характера приводит к поливариантности тех­ нологических схем разделения. Следовательно, при выборе оптимального варианта технологической схемы разделения весь­ ма актуальными являются задачи снижения размерности и разра­ ботка алгоритмов выбора схем при минимальном количестве про­ сматриваемых решений.

Существует несколько подходов к решению этих задач, в основе которых лежат формальные методы снижения размерности. К их чис­ лу можно отнести использование различных эвристических правил, применение метода динамического программирования для целена­ правленного поиска оптимального варианта на основе критерия оп­ тимальности, использование метода ветвей и границ, позволяющего установить допустимые границы критерия оптимальности, интег­ рально-гипотетический, информационно-энтропийный, эволюци­ онный и другие методы, а также их сочетание.

Методы синтеза, основанные на эвристических правилах, за­ ключаются в том, что в результате предварительного анализа дей­ ствующих схем разделения формируется набор специальных пра­ вил, определяющих стратегию синтеза технологических схем. Эти правила в целом отражают физико-химические закономерности протекающих процессов и могут быть формализованы для исполь­ зования в процессе компьютерного моделирования.

Эвристические правила, предложенные различными авторами, сводятся к следующим:

Одля зеотропных смесей при ректификационном методе разде­ ления предпочтение отдается «прямой» последовательности разделения, т. е. последовательности, в которой компоненты

выделяются один за другим, начиная с компонента, обладаю­ щего наибольшей летучестью (имеющего наименьшую темпе­ ратуру кипения) в отдельных колоннах;

©компонент, содержание которого существенно превышает со­ держание всех остальных компонентов исходной смеси, дол­ жен отбираться первым в общей последовательности выделе­ ния компонентов или фракций компонентов;

©процесс разделения наиболее трудноразделимой пары компо­ нентов или наиболее трудноразделимых фракций должен про­ водиться последним в общей последовательности разделения;

Онаиболее «агрессивный» по воздействию на аппаратуру ком­ понент должен выводиться из системы разделения в первую очередь;

©выбирается вариант схемы, в котором отношение количеств верхнего и нижнего продуктов в каждой колонне близко к единице;

Фвыбирается вариант схемы, в котором разделение осуще­ ствляется в порядке уменьшения различий в значениях отно­

сительных летучестей разделяемых ключевых компонентов;

©разделяющий агент необходимо выделять непосредственно по­ сле аппарата, в который он вводился.

Рассмотренные правила не охватывают все методы и случаи раз­ деления. Они часто противоречат друг другу и отражают некоторые приближенные оценки, применимые, главным образом, к ректифи­ кации зеотропных смесей, состоящих из химически и термически стойких веществ.

Синтез технологических схем только на основе указанных эв­ ристических правил не может быть осуществлен достаточно надеж­ но. Некоторые из этих правил все же могут быть использованы в случае выделения отдельных фракций при разделении полиазеотропных смесей или на определенном этапе, когда разделяются уже зеотропные смеси. Такой этап возможен после выделения азеотро­ пообразующих компонентов азеотропной подсистемы, после «уда­ ления» азеотропов и выделения «агрессивных» компонентов, а так­ же химически активных и термически нестойких веществ.

По мере накопления опыта разделения различных смесей спи­ сок эвристических правил будет, безусловно, дополняться, а сами правила трансформироваться и в ряде случаев расширяться. Вмес­ те с тем наиболее полно и точно можно осуществить синтез техно­ логических схем разделения (TCP) на основе глубокого изучения

166 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

физико-химических свойств разделяемых смесей и анализа термо­ динамических закономерностей.

Эвристики часто могут выступать в качестве ограничений на количество вариантов схем и позволяют свести задачу синтеза тех­ нологических схем к анализу значительно меньшего числа вариан­ тов. При этом остаются трудности формализации отбора и генери­ рования эвристик.

Метод динамического программирования в последнее время ис­ пользуется достаточно широко при синтезе технологических схем разделения. Основная идея метода заключается в том, что опти­ мальные схемы синтезируют шаг за шагом, начиная с конца схе­ мы. В данном случае технологическая схема рассматривается как многостадийный процесс разделения без обратных массовых и энергетических потоков. На начальном этапе рассматриваются колонны, в которых делятся бинарные смеси, а далее трех-, четы­ рехкомпонентные и т.д., с учетом оптимального варианта на пре­ дыдущем этапе.

Вкаждом случае отыскивается оптимальная по отношению

кпринятому критерию технологическая схема разделения. Сле­ довательно, принцип динамического программирования заклю­ чается в том, что любая часть оптимального пути является оп­ тимальной. Это позволяет отыскать оптимальный путь поэтапно, используя на каждом этапе части этого пути, найденные на преды­ дущих этапах.

Вконечном счете можно вычислить значения критерия оп­ тимальности для всех схем и выбрать оптимальный вариант. До­ стоинством данного метода синтеза оптимального варианта техно­ логической схемы разделения многокомпонентных смесей является строгий математический подход и снижение размерности задачи, т. е. сокращение расчетов всех возможных колонн при разделении многокомпонентной смеси. Однако учет рециркулируемых пото­ ков существенно усложняет метод динамического программирова­ ния. В связи с этим данный метод широко используется для синте­ за технологических схем разделения идеальных и зеотропных смесей и весьма ограниченно для азеотропных.

Метод ветвей и границ является другим методом синтеза оп­ тимальных технологических схем разделения, заключающийся в ге­ нерировании дерева разделения исходной смеси и выделении на этом дереве методом «поиска в глубину» оптимальной схемы раз­ деления. При этом используются соответствующие верхние и ниж­

ние оценки критерия оптимальности синтезируемой схемы разделе­ ния. Согласно методу ветвей и границ, расчет каждого варианта схе­ мы производится от начала схемы к ее концу. Некоторое сокраще­ ние числа рассматриваемых вариантов различных элементов достигается путем отбрасывания «ветвей дерева» разделения, если значение критерия оптимальности для части схемы превосходит зна­ чение верхней оценки критерия оптимальности. За значение верх­ ней оценки критерия оптимальности принимается его значение для наилучшей из рассчитанных к данному моменту схем разделения. Недостатком этого метода является то, что одни и те же раздели­ тельные элементы, входящие в разные схемы, рассчитываются много­ кратно, т. е. в каждой схеме. Вместе с тем метод ветвей и границ дает достаточно надежные результаты (так же как и предыдущий метод) в случае разделения зеотропных смесей. Что касается азеотропных смесей, то использование его в предлагаемом виде невозможно.

Интегрально-гипотетический метод предполагает синтез от не­ которой всеобъемлющей глобальной схемы к конкретной оп­ тимальной схеме разделения. Глобальная схема должна включать все возможные варианты. Таким образом, интегрально-ги­ потетический метод включает в себя два основных этапа:

Осинтез гипотетической обобщенной технологической схемы разделения;

©анализ и оптимизация гипотетической обобщенной техно­ логической схемы.

Вцелом решение задачи синтеза оптимальной схемы разде­ ления с использованием этого метода сводится к решению задачи определения значений коэффициентов структурного разделения потоков и параметров элементов, входящих в исходную ги­ потетическую схему, которые обеспечивают оптимальное функ­ ционирование системы. Таким образом, задача синтеза в данном случае сводится к непрерывной оптимизации. Синтез оптималь­ ных схем с использованием этого метода связан с большим объе­ мом вычислений. В этом случае постоянно приходится сталкиваться

слокальным оптимумом, и трудно найти глобальный оптимум, со­ ответствующий оптимальному варианту схемы.

Эволюционный метод заключается в том, что для исходной (принятой за основу) схемы разделения генерируются «соседние» схемы разделения с помощью определенных правил. Затем из них выбирается схема, по которой достигается разделение с меньшими затратами, и вновь генерируются «соседние» с выбранной схемой.

168 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

Процесс прекращают, если найдена схема, характеризующаяся ми­ нимальными затратами. Таким образом, общая стратегия эволю­ ционного метода включает следующие этапы:

О синтез какого-либо простейшего исходного варианта схемы;

©определение в соответствии с некоторым коэффициентом эф­ фективности наименее эффективного элемента в исходном ва­ рианте;

©исключение этого элемента из схемы;

©модификация данного элемента;

©стыковка модифицированного элемента с оставшейся частью схемы и коррекция схемы;

Фопределение коэффициента эффективности для вновь полу­ ченного варианта схемы. Указанные этапы итерационно повто­ ряются до тех пор, пока не будет синтезирована оптимальная схема.

Недостатком этого метода является, как было указано ранее, значительная вероятность получения локальных оптимумов.

Информационно-энтропийный метод можно рассматривать как разновидность эвристического метода, хотя он имеет опре­ деленное теоретическое обоснование. По этому методу опти­ мальная схема разделения сопоставляется с наиболее эффек­ тивным процессом получения информации. Следовательно, оптимальной системе соответствует максимум суммы информа­ ционных критериев разделительной способности всех раздели­ тельных аппаратов. Применение информационно-энтропийного подхода приводит к тем же результатам, что и при использовании эвристического правила дихотомии. Сравнение получаемых этим методом оптимальных вариантов технологических схем с вари­ антами, являющимися оптимальными по приведенным затратам, показали значительное их расхождение.

Кроме рассмотренных применяется также рекурсивный метод и метод «случайных матриц». В ряде случаев можно использовать сочетание нескольких методов.

Сопоставление рассмотренных методов синтеза оптимальных технологических схем разделения проведено на примере синтеза оптимальной технологической схемы газофракционирующей уста­ новки производительностью 12 млн т нефти в год. На этой уста­ новке выделяют семь товарных продуктов, из которых получают сырье для продуктов основного органического и нефтехимическо­ го синтеза. К ним относятся следующие фракции: пропановая, изо­

бутановая, бутановая, изопентановая, пентановая, изогексановая и гексановая.

Расход, состав сырья и производительность по продуктам раз­ деления приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Расход, сост ав сырья и производит ельност ь по продукт ам

разделения

Исходя из уравнения 4.42, в случае смеси, содержащей 7 ком­ понентов, возможны 132 варианта технологических схем разделе­ ния этой смеси, некоторые из них представлены на рис. 4.2. Ре­ зультаты расчетов по капитальным, энергетическим и приведенным затратам для каждой схемы можно видеть на рис. 4.3. Суммарные приведенные затраты существенно различны для разных схем раз­ деления. При этом максимальная разница достигает 87 %, а в слу­ чае десятой и первой схем она составяет 10 %. Основная доля в при­ веденных затратах приходится на энергетическую составляющую.

Было проведено сравнение оптимальной схемы разделения (рис. 4.2,а) со схемами, полученными по эвристическим правилам: «разделение в первой по ходу схемы колонне —самое дешевое» (рис. 4.2,6); прямая последовательность отделения легких компо­ нентов (рис. 4.2,в), правила «дихотомии» и на базе информацион­ ного подхода (рис. 4.2,д). Кроме того, для сравнения представлена схема, разработанная без ЭВМ (рис. 4.2,г), а также схема с после-

170 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

V V У»=СбУ»=С4

бЛс> ЛИUЛ'с' гПU L>

У _ у У=с6 у=с6 У=с5

Рис. 4.2. Варианты схем установки газофракционирования с получением семи продуктов