книги / Математическое моделирование химико-технологических систем.-1

Применение каждого типа соединения позволяет придать ХТС новые свойства. Например, при синтезе и оптимизации ХТС обычно требуется рассматривать достаточно большое количество вариантов схем, отличающихся технологической топологией (последовательностью связей технологических операторов между собой). Сократить это количество, а следовательно, сэкономить время и средства на разработку помогает умение разработчиков эвристически (на основании имеющихся знаний) предварительно оценить эффект, который можно ожидать при различных видах соединений между элементами ХТС.

Так, в курсе «Моделирование ХТП» рассматривается, что каскад реакторов идеального смешения (РИС), представляющий собой ряд последовательно соединенных реакторов, вследствие изменения гидродинамической обстановки будет приближаться к реактору идеального вытеснения (РИВ). Таким образом, замена одного РИС на каскад РИС дает положительный эффект за счет приближения режима работы ХТС к режиму работы РИВ. Однако замена одного РИВ на каскад РИВ не дает никакого эффекта, но с точки зрения более компактной планировки оборудования иногда бывает более целесообразно заменить один большой реактор на каскад меньших реакторов.

В качестве примеров рассмотрим некоторые эвристики по применению различных видов связей между реакторами.

Последовательное соединение:

–замена одного РИВ на каскад РИС, т.е. последовательно соединенных аппаратов (без изменения общего времени контакта), позволяет достичь большей степени превращения за счет изменения гидродинамической обстановки и уменьшить конструктивный размер каждого реактора;

–применяют, когда необходимо провести химическое превращение в несколько стадий для эндоили экзотермических (особенно обратимых) реакций, протекающих в адиабатических реакторах, так как это позволяет за счет установки дополнительной теплообменной аппаратуры на каждой стадии поддерживать оптимальную темпера-

туру (например, каталитические реакторы окисления SO2 в SO3 или синтеза аммиака);

–используется, когда нужно провести технологический процесс

свыделением какого-либо компонента после каждой стадии (например, в многоступенчатом воздушном компрессоре после каждой ступени сжатия происходит охлаждение газа и выделение капельной влаги).

11

Параллельное соединение:

–замена одного РИВ или РИС на ряд параллельно работающих реакторов (без изменения общего времени контакта) не снижает общую эффективность, но уменьшает конструктивные размеры параллельно работающих реакторов;

–параллельное подключение дополнительного аппарата позволяет увеличить нагрузку по сырью при сохранении неизменной степени превращения или, возможно, достичь более высокой степени превращения (без изменения скорости подачи сырья) за счет увеличения времени пребывания;

–применяют, когда необходимо оптимальным образом распределить нагрузку между параллельно работающими линиями, отличающимися по производительности, например, вследствие падения активности катализатора, загрязнения теплообменной поверхности и т.п.;

–используют, когда нужно увеличить надежность производства и обеспечить возможность его работы с минимальной производительностью без снижения эффективности работы оборудования (в случае необходимости параллельные линии могут быть отключены по экономическим соображениям или для ремонта).

Байпасное соединение:

–при байпасном соединении вследствие уменьшения потока, идущего через реактор, увеличиваются время пребывания в реакторе и степень превращения сырья в продукты (в реакторе), снижается гидравлическое сопротивление и т.п.;

–применяется при конструировании реакторов для проведения обратимых экзотермических реакций путем смешения «горячего» потока после реактора с «холодным» байпасным потоком, что позволяет проводить процесс вблизи линии оптимальных температур (ЛОТ)

сдостижением высоких степеней превращения за счет высоких скоростей химических реакций (адиабатические каталитические реакто-

ры с несколькими слоями катализатора, например, окисления SO2 в SO3 или синтеза аммиака).

Рециркуляционное соединение:

–применяется в случаях, когда необходимо увеличить эффективность использования сырья или энергии за счет увеличения времени пребывания в рециркулируемых аппаратах без изменения гидродинамической обстановки или с целью утилизации тепла отходящих потоков;

–позволяет достичь максимального использования сырья (особенно для обратимых реакций) и увеличить скорость процесса за счет

12

увеличения концентрации исходных реагентов, которая достигается при выделении целевого продукта на линии рецикла и возврате исходных реагентов в «голову» процесса (например, цикл синтеза аммиака или метанола);

– позволяет уменьшить полноту протекания побочных химических реакций посредством разбавления сырья продуктами реакции, поступающими в «голову» процесса по линии рецикла.

Необходимо отметить, что список указанных выше эвристик для реакторов не является конечным и может быть расширен. Кроме того, для других технологических операторов также можно составить подобные списки эвристик.

1.4. Свойства ХТС

Как известно, ХТС представляет собой совокупность технологических операторов (ХТП), соединенных технологическими связями. Поскольку каждый ХТП имеет собственную рабочую характеристику, определяющуюся сложностью элемента, то объединение элементов в ХТС будет сопровождаться взаимным наложением рабочих характеристик ее элементов. Ситуация будет усугубляться при усложнении технологических связей между элементами. Таким образом, благодаря объединению элементов в систему она приобретает новые качества, которыми не обладают элементы в отдельности. Простейший пример наложения характеристик элементов при их объединении в ХТС представлен на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Рабочие характеристики ХТС и ее элементов

13

На рис. 1.6 видно, что рабочие характеристики аппаратов, образующих ХТС, имеют монотонный характер без экстремумов, однако рабочая характеристика ХТС в значительной степени отличается от характеристик ее элементов и носит уже экстремальный характер.

Как известно, реальные производства содержат многие десятки технологических аппаратов, соединенных различными типами связей и работающих как единое целое. Таким образом, даже при относительной простоте рабочих характеристик аппаратов рабочая характеристика производства (ХТС) будет достаточно сложна, непредсказуема и будет зависеть как от характеристик аппаратов, так и от топологии ХТС, поэтому определение рабочей характеристики ХТС возможно только в результате расчетов или промышленных испытаний, а выход за установленные интервалы варьирования параметров работы аппаратов может привести к непредсказуемым последстви-

ям. Именно по этим причинам на действующем производстве требуется четкое поддержание технологических параметров в заданных интервалах, а также не допускается какая-либо модернизация производства без проведения предварительных проектных работ,

входе которых должна быть подтверждена возможность работы модернизируемого участка в требуемых интервалах параметров.

Рассмотрим свойства ХТС, которые необходимо учитывать при проектировании нового или реконструкции существующего производства, а также при эксплуатации существующего:

1.Чувствительность ХТС к внешним и внутренним возмущениям (воздействиям) – это способность системы реагировать на них, т.е. изменять параметры состояния. Необходимо, чтобы система была малочувствительной к возмущениям.

2.Управляемость ХТС – это свойство достигать цели управления. Обычно целью управления является выпуск заданного количества продукции требуемого качества. Для обеспечения требуемой управляемости проектирование ХТС производится совместно с проектированием системы управления.

3.Надежность системы – свойство сохранять работоспособность

втечение заданного времени функционирования. Данная задача решается на этапе проектирования таким образом, чтобы даже при выходе из строя некоторой части вспомогательного оборудования или части системы управления система сохраняла свою работоспособность.

4.Устойчивость – способность ХТС возвращаться в исходное стационарное состояние после устранения возмущений, вызвавших выход системы из этого состояния.

14

2. ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ХТС

Прежде чем приступить к изложению материала, необходимо определить, что относится к всеобъемлющему понятию «проектирование». По сути, проектирование обозначает составление проекта, т.е. плана будущих изменений. Таким образом, это понятие включает в себя не только создание новых производств и реконструкцию существующих, но и модернизацию действующих производств, так как какие-либо изменения на производстве обязательно должны сопровождаться составлением проектной документации вне зависимости от того, происходит ли замена части технологической схемы либо монтаж дополнительной линии трубопровода. В противном случае нет гарантии, что рабочая характеристика производства (ХТС) после модернизации или реконструкции будет совпадать с рабочей характеристикой до модернизации и производство после модернизации будет работоспособным. В принципе, при некачественном выполнении проекта или некачественной реализации проектных решения также велик риск получить после модернизации неработоспособное или неэффективно работающее производство, однако в данном случае будет иметься возможность определить непосредственного виновника возникших проблем.

Всвязи с этим каждый проект ХТС должен содержать:

–технологическую топологию ХТС (технологической топологией называют характер и порядок соединения отдельных аппаратов по технологической схеме);

–диапазоны изменений значений входных переменных, которыми являются физические параметры входных потоков сырья, а также параметры окружающей среды, влияющие на процесс функционирования ХТС;

–диапазоны изменений значений технологических параметров элементов ХТС (степени превращения, степени разделения компонентов, констант скоростей химических реакций, коэффициентов тепло- и массопередачи и т.д.);

–конструкционные параметры ХТС (размеры аппаратов, высоты слоев насадки и др.);

–рекомендуемые параметры технологического режима работы элементов ХТС (температуры, давления, типы катализатора и т.п.);

15

–параметры технологических потоков, обеспечивающих работу ХТС в заданном режиме (температуры, давления, расходы, состав потоков и др.) и т.д.

Для того чтобы получить указанные выше параметры, необходимо последовательно решить ряд задач:

–синтеза ХТС;

–анализа структуры ХТС;

–расчета ХТС;

–оптимизации ХТС.

При решении задачи синтеза ХТС при известном наборе элементов ХТС, из которых может быть построена система заданных параметров сырья, и при наличии требований к целевым продуктам необходимо разработать структуру ХТС, требуемую для реализации технологического процесса, т.е. необходимо выбрать элементы из числа имеющихся, установить связи между ними, а также определить конструктивные и технологические параметры элементов ХТС, необходимые для дальнейшего решения задач анализа, расчета и оптимизации.

Следует отметить, что задача синтеза является многовариантной, т.е. одни и те же значения выходных параметров могут быть обеспечены при различной структуре системы и разных режимах функционирования элементов. Кроме того, задача синтеза ХТС имеет различные особенности при проектировании нового производства и при реконструкции существующего. Суть отличий заключается

втом, что при создании новой ХТС обычно имеется много возможностей выбора элементов и связей между ними, а при реконструкции ХТС требуется сохранить все или часть ее элементов, а также все или часть связей между элементами.

Задачи анализа ХТС подразделяются на анализ структуры ХТС и анализ качества функционирования ХТС. Основная цель анализа структуры ХТС заключается в выявлении ее структурных особенностей и нахождении оптимальной последовательности расчета ее элементов. Цель анализа качества функционирования ХТС состоит

вполучении количественных оценок ее основных свойств: чувствительности, надежности, устойчивости и т.д.

Задачи расчета ХТС заключаются в получении количественных характеристик как режимов функционирования элементов ХТС, так и всей системы.

16

Задача оптимизации ХТС является комплексной, поскольку она включает в себя как оптимизацию структуры, так и оптимизацию режимов функционирования элементов. Основной целью оптимизации ХТС является достижение наиболее высоких технико-экономических показателей.

В заключение следует отметить, что между задачами синтеза, анализа, расчета и оптимизации существует взаимосвязь, так как при создании нового или реконструкции существующего производства сначала выполняется синтез нескольких альтернативных вариантов ХТС, анализируются их технико-экономические показатели, а затем производится поиск оптимального варианта.

17

3. СИНТЕЗ ХТС

При проектировании нового или реконструкции существующего производства одной из главных задач является синтез варианта ХТС, т.е. разработка ее топологии.

При решении задачи синтеза ХТС первоначально должен быть определен путь проведения процесса (последовательность операций переработки сырья с целью получения готовой продукции), и только затем становится возможным произвести синтез структуры ХТС, определить параметры работы ее элементов и параметры технологических потоков, связывающих эти элементы. В связи с тем, что задача синтеза является сложной многовариантной задачей, ее решение возможно только при использовании определенной методологии и соответствующих подходов.

Для синтеза ХТС можно использовать четыре основных метода: перебора вариантов, эвристический, декомпозиционный и эволюционный.

Метод перебора вариантов является самым простым методом синтеза ХТС, позволяющим рассмотреть всевозможные варианты ХТС, однако в связи со сложностью ХТС и многовариантностью решения отдельных задач синтеза (взаимного соединения реакторов, теплообменников и т.п.) количество возможных вариантов ХТС будет достаточно велико. Причем данное количество возрастает в геометрической прогрессии с увеличением количества элементов ХТС даже при использовании только одного типа соединения между элементами (рис. 3.1). При дополнительном использовании других типов соединений (параллельного, байпасного или рециркуляционного) количество вариантов ХТС значительно возрастет.

При этом необходимо отметить, что не все варианты ХТС, полученные методом перебора без конкретизации элементов (реактор, теплообменник, смеситель, делитель и т.п.), могут быть принципиально реализованы. Например, нет смысла рассматривать варианты ХТС, в которых предусматривается передача тепла от холодного потока горячему или достигается степень превращения выше равновесной, однако в случае простого перебора различных вариантов параметры функционирования элементов могут быть определены только после синтеза топологии ХТС, составления ее математической модели, необходимой для расчета, и проведения

18

самого расчета. Таким образом, в данном случае даже потенциально неосуществимые варианты будут требовать рассмотрения, а следовательно, дополнительных затрат.

Рис. 3.1. Варианты ХТС, полученные методом перебора при использовании только последовательного соединения между элементами:

а – из одного элемента; б – из двух элементов; в – из трех элементов

Эвристический метод синтеза позволяет более эффективно решить задачу синтеза ХТС, так как позволяет значительно сократить количество рассматриваемых вариантов топологии ХТС. Суть данного метода заключается в математической формализации ин- туитивно-эвристического метода, широко используемого проектировщиками и позволяющего высококвалифицированным специалистам интуитивно выбирать наиболее удачные варианты решения проблемы без полного перебора всех возможных альтернативных вариантов, как это представлено на рис. 3.1. При использовании данного метода принятие решения происходит без обоснования его с помощью доказательств. Например, за основу разработки нового производства могут быть взяты технические решения с аналогичного действующего производства.

В качестве примера рассмотрим некоторые эвристики, применяемые при разработке технологических схем тепловых подсистем (систем теплообменников):

–для передачи тепла выбирается пара потоков, для которой количество передаваемого тепла является максимальным;

–для передачи тепла выбирается пара потоков, для которой заданные конечные температуры потоков не достигнуты, а стоимость

19

использования вспомогательных теплоносителей для доведения температуры этих потоков до заданных конечных значений является минимальной;

–для передачи тепла выбирается пара потоков, стоимость нагрева или охлаждения которых вспомогательными теплоносителями или хладагентами является максимальной;

–для передачи тепла выбирается пара потоков, для которой стоимость теплообмена является минимальной и т.д.

Однако при применении эвристического принципа синтеза успех

восновном зависит от того, насколько близки эвристические условия к условиям достижения оптимальности рассматриваемой подсистемы ХТС (например, насколько близка технология проектируемого производства к технологии прототипа), а также от типа синтезируемой подсистемы, ее сложности, параметров потоков, квалификации специалистов и т.д.

Декомпозиционный метод синтеза позволяет сократить слож-

ность задачи синтеза ХТС посредством декомпозиции задачи синтеза на ряд подзадач или уровней. Например, при использовании

двухуровневой декомпозиции на верхнем уровне будет происхо-

дить синтез ХТС из подсистем (блоков) в общем виде, а также будут определяться значения параметров потоков, связывающих эти подсистемы (блоки), например, как это представлено на рис. 1.2. В свою очередь, на нижнем уровне будет производиться синтез самих подсистем (блоков), как это представлено, например, на рис. 1.3, и в ходе расчетов будут определяться значения параметров потоков, связывающих аппараты, входящие в эти подсистемы (блоки). В данном случае, если вариант какой-либо синтезированной схемы при ее расчете окажется неосуществимым, затраты на синтез, анализ, моделирование и расчет варианта ХТС будут меньше.

При этом необходимо отметить, что задачи синтеза подсистем и согласования параметров технологических потоков на верхнем уровне являются достаточно сложными и многовариантными, поэтому могут требовать дополнительных декомпозиций или применения других методов синтеза.

Эволюционный метод синтеза ХТС наиболее широко применя-

ются при реконструкции существующих производств, так как основа эволюционного принципа синтеза ХТС заключается в последовательной модификации аппаратурного оформления и коррекции структуры технологических связей исходного варианта ХТС с использованием методов эвристики и оптимизации.

20