Оптимальная одностадийная теплоинтеграция при синтезе и реконструкции систем ректификационных колонн тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат наук Емельянов Илья Игоревич

• Емельянов Илья Игоревич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Емельянов Илья Игоревич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Современное состояние вопросов по оптимальному синтезу и реконструкции систем простых ректификационных колонн с тепловой интеграцией

1.1. Обзор основных подходов к оптимальному синтезу систем

ректификационных колонн с тепловой интеграцией

1.1.1. Способы повышения энергоэффективности химико-технологических систем и систем разделения

1.1.2. Постановка задачи оптимального синтеза систем ректификационных колонн с тепловой интеграцией

1.1.3. Общая постановка задачи оптимального синтеза систем ректификационных колонн без тепловой интеграции

1.2. Постановка задачи оптимального синтеза систем теплообмена

1.3. Математическая модель теплообменного оборудования

1.4. Обзор основных подходов к синтезу оптимальной системы теплообмена

1.4.1. Эвристические методы

1.4.2. Термодинамические методы

1.4.3. Синтез оптимальной системы теплообмена как задача дискретно-нелинейного математического программирования

1.4.4. Современные методы, основанные на математическом программировании

1.4.5. Синтез системы теплообмена как задача о назначениях. Преимущества и недостатки

Выводы

Постановка задачи исследования. Цель и задачи

Глава 2. Разработка подхода к оптимальной одностадийной теплоинтеграции на основе задачи о назначениях при синтезе и реконструкции систем ректификационных колонн

2.1. Постановка задачи оптимальной теплоинтеграции в системе ректификационных колонн как задачи о назначениях

2.2. Описание метода решения задачи о назначении

2.3. Способ построения матрицы назначений в задаче оптимального синтеза системы теплообмена (способ назначения двоичных переменных)

2.4. Построение суперструктуры элементарных блоков теплообмена

2.5. Формализованная постановка оптимального проектирования элементарного блока системы теплообмена на основе суперструктуры

2.6. Классификация элементарных блоков систем теплообмена

2.7. Формализация постановок задач определения оптимальных оценок элементарных блоков системы теплообмена

2.8. Разработка подхода к сведению матрицы назначений к квадратному виду

2.9. Разработка подхода к синтезу системы теплообмена с несколькими горячими и холодными теплоносителями

2.10. Разработка подхода к синтезу системы теплообмена с использованием неклассических форм организации теплообмена

2.11. Синтез систем ректификационных колонн с рекуперацией тепла

Выводы

Глава 3. Разработка программного комплекса синтеза оптимальной системы теплообмена

3.1. Применение универсальных моделирующих программ для синтеза систем теплообмена

3.1.1. Выбор универсальной моделирующей программы для решения задачи синтеза систем теплообмена

3.1.2. Выбор методов расчета фазового равновесия и энтальпии

3.2. Выбор программных средств при разработке программной надстройки алгоритма синтеза систем теплообмена

3.3. Использование встроенных средств пакета прикладных программ Ма1ЪаЬ при решении задачи оптимизации

3.4. Описание структуры программного комплекса

3.5. Описание интерфейса пакета прикладных программ MatLab и

универсальной моделирующей программы Aspen Hysys

Выводы

Глава 4. Синтез оптимальной системы теплообмена при реконструкции установки ректификации этилового спирта как объекта теплоинтеграции

4.1. Системный анализ установки ректификации этилового спирта, как объекта теплоинтеграции

4.2. Расчет оптимальных оценок элементарных блоков системы теплообмена

4.3. Расчет оптимальных оценок элементарных блоков системы теплообмена с учетом выходных высокотемпературных потоков

4.4. Приведение матрицы экономических оценок к квадратному виду

4.5.Решение задачи синтеза оптимальной системы теплообмена установки

ректификации этилового спирта

Результаты и выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А. Результаты синтеза оптимальной системы теплообмена при

реконструкции установки ректификации этилового спирта

Приложение Б. Свидетельство о государственной регистрации программы

для ЭВМ

Акты об использовании результатов диссертационной работы

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Процессы химической технологии являются высокоэнергоемкими. При этом [32, 33, 76], основная доля энергетических затрат приходится на процессы ректификации, которые составляют 80-90% от общих энергетических затрат в химической и нефтехимической промышленности и в большой мере определяют суммарные приведенные капитальные и эксплуатационные затраты на разделение смесей веществ. Учитывая, что процессы ректификации характеризуются наличием множества источников и стоков тепловой энергии, особое место при решении задач синтеза энергоресурсосберегающих систем ректификационных колонн (СРК), занимают подходы, направленные на внутреннюю теплоинтеграцию технологических потоков. Этой проблеме отводится одна из решающих ролей в задаче проектирования и реконструкции экономичных и экологичных технологических систем. В связи с нарастающими темпами развития химической технологии и системотехники задача оптимальной тепловой интеграции за более чем пятидесятилетнюю историю приобрела большую актуальность, чем привлекла внимание специалистов как в России, так и за рубежом, среди которых стоит выделить: Grossmann I.E., Papoulias S. A., Yee T.F., Ciric A.R., Cerda J., Floudas C.A., Klemes J.J., Kravanja Z., Linnhoff B., Кафаров В.В., Мешалкин В.П., Островский Г.М., Цирлин А.М., Холоднов В.А., Викторов В.К. Известные методы, основанные на эмпирических правилах и термодинамическом подходе к энергетическому анализу, не гарантируют достижение глобального минимума критерия. Они также не позволяют оценить, насколько суммарные приведенные затраты на найденную структуру системы теплообмена близки к глобальному оптимуму. Данная проблема формулируется как задача математического программирования и является сложной комбинаторной задачей дискретно-нелинейного программирования, которой, как следствие, присуща еще и многоэкстремальность [39, 76]. Для решения этой задачи наиболее

эффективными являются методы, основанные на декомпозиции суперструктур, представляющих собой объединение всех возможных вариантов организации систем теплообмена [116]. Развитие новых подходов и методов решения обозначенной задачи, направленной на повышение эффективности предлагаемых вычислительных процедур, является актуальной задачей системного анализа объектов химической технологии.

Цель работы. Разработка метода оптимальной теплоинтеграции при синтезе и реконструкции систем ректификационных колонн.

Задачи исследования.

1. Анализ подходов к решению задачи теплоинтеграции при синтезе и реконструкции химико-технологических систем. Выявление особенностей решения задачи теплоинтеграции для систем ректификационных колонн;

2. Формализация постановки задачи оптимальной теплоинтеграции в системе ректификационных колонн, как задачи о назначениях;

3. Разработка классификации элементарных блоков системы теплообмена (ЭБСТ) при теплоинтеграции двух потоков;

4. Формализация постановок задач оптимального проектирования ЭБСТ по критерию суммарных приведенных капитальных и эксплуатационных затрат для получения экономических оценок элементов матрицы задачи о назначениях;

5. Разработка подхода и алгоритмов решения задач оптимального проектирования ЭБСТ;

6. Разработка подхода к построению матрицы назначений для случая неравного числа холодных и горячих потоков СРК;

7. Формализация задачи оптимального проектирования ЭБСТ при возможности использования нескольких внешних горячих и холодных утилит с различным термодинамическим потенциалом;

8. Исследование эффективности предложенных подходов, способов и алгоритмов на примере решения задачи оптимальной теплоинтеграции СРК производства этанола.

Научная новизна.

1. Сформулирована задача оптимальной теплоинтеграции в СРК, как задача о назначениях, отличающаяся от ранее известных тем, что задача об обеспечении заданных конечных температур, обменивающихся теплом потоков, переформулирована в задачу съема/передачи необходимого количества тепла, что позволило учесть фазовые переходы при испарении и конденсации интегрируемых тепловых потоков;

2. Предложен способ задания логических двоичных переменных в матрице назначений, который, в отличие от ранее разработанных, охватывает все возможные способы организации теплообмена;

3. Введены в научный оборот новые определения «элементарный блок системы теплообмена (ЭБСТ)» и «суперструктура элементарного блока системы теплообмена»;

4. Предложена суперструктура ЭБСТ, включающая все варианты схем теплообмена для двух потоков, на основе которой разработана классификация ЭБСТ, которая позволяет учесть в матрице оценок все варианты теплообмена, как с рекуперацией, так и без рекуперации тепла;

5. Разработаны формализованные постановки, подходы и алгоритмы решения задач оптимального проектирования ЭБСТ в зависимости от значений параметров потоков, анализируемых на возможность теплоинтеграции;

6. Предложен способ учета экономических оценок задачи о назначениях для случаев неравного числа холодных и горячих потоков, который заключается в дополнении строк/столбцов матрицы оценками на автономный нагрев либо охлаждение входных и выходных потоков колонн;

7. Предложен подход к синтезу простых СРК с учетом рекуперации тепла, который заключается в решении задачи теплоинтеграции для каждой промежуточной СРК дерева решений;

8. Предложен подход использования нескольких энергоносителей при решении задачи оптимизации ЭБСТ.

Практическая значимость.

1. На основе предложенных подходов, способов разработаны алгоритмы и программный комплекс решения задач теплоинтеграции при синтезе и реконструкции СРК. Программный комплекс построен в среде математического пакета MatLab и интегрирован с универсальной моделирующей программой Aspen Hysys;

2. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2017617266 «Программный комплекс оптимальной одностадийной теплоинтеграции на основе задачи о назначениях»;

3. Эффективность подходов показана на примере оптимальной теплоинтеграции установки ректификации этилового спирта;

4. Результаты работы переданы для внедрения в исследовательскую и проектную деятельность ООО «Технологии оптимального проектирования», ООО «НПО Высокие Технологии», а также внедрены в учебный процесс кафедры системотехники КНИТУ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимальная одностадийная теплоинтеграция при синтезе и реконструкции систем ректификационных колонн»

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-28 (Ярославль, 2015 г.); Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» «ЛЭРЭП-9-2015» (Смоленск, 2015 г.); VII Международной конференции Российского химического общества имени Д. И. Менделеева «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности» (Москва, 2015 г.); Международной научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы инновационного развития нефтехимии» (Нижнекамск, 2016 г.); IX Семинаре ВУЗов по теплофизике и энергетике (Казань, 2015 г.); Научных сессиях КНИТУ (КХТИ) (Казань, 2013-2017 гг.).

Работа выполнена по приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в Российской Федерации - «Энергетика и энергосбережение».

Публикации

Основные положения диссертации опубликованы в 13 научных работах, в том числе 7 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ (2 из которых в журналах, индексируемых в наукометрической базе Scopus), 5 статьях и тезисах докладов международных и российских научных и научно-практических конференций.

Структура и объем работы

Диссертация общим объемом 173 страницы, состоит из введения, 4 глав основного текста, выводов, списка использованной литературы из 171 наименования и приложений. Работа содержит 42 рисунка и 37 таблиц.

Первая глава посвящена обзору современного состояния вопросов по оптимальному синтезу и реконструкции систем простых ректификационных колонн с тепловой интеграцией. Показано, что подходы, направленные на внутреннюю теплоинтеграцию технологических потоков, занимают особое место при решении задач оптимального синтеза новых и реконструкции существующих технологических систем. Задачу синтеза системы теплообмена (СТО) необходимо рассматривать как внутреннюю процедуру при синтезе СРК с тепловой интеграцией. Разработка новых подходов к оптимальному синтезу СТО и дальнейшее их объединение с алгоритмами оптимального синтеза СРК (без тепловой интеграции) является первостепенной задачей, которая нуждается в полной автоматизации. Показано, что в настоящее время сформировано несколько направлений решения задачи теплоинтеграции. Они могут быть разделены на следующие три группы: термодинамический подход, математическое программирование и стохастические методы. Показано, что перспективным подходом к теплоинтеграции с точки зрения формализации, алгоритмизации, а также получения точного решения, является математическое

программирование на основе задачи о назначениях. Выявлены недостатки этого подхода, сформулированы цель работы и задачи, требующие своего решения.

Во второй главе сформулирована задача оптимальной теплоинтеграции в СРК, как задачи о назначениях, отличающаяся от ранее известных тем, что задача об обеспечении заданных конечных температур обменивающихся теплом потоков переформулирована в задачу съема/передачи необходимого количества тепла, что позволило учесть фазовые переходы при испарении и конденсации интегрируемых тепловых потоков. Предложен способ задания логических двоичных переменных в матрице назначений, который охватывает все возможные способы организации теплообмена, в том числе автономный нагрев/охлаждение потоков. Введены в научный оборот новые определения «элементарный блок системы теплообмена (ЭБСТ)» и «суперструктура элементарного блока системы теплообмена». Разработана суперструктура ЭБСТ, включающая все варианты схем теплообмена для двух потоков. На основе предложенной суперструктуры ЭБСТ разработана классификация ЭБСТ, которая позволяет учесть в матрице оценок все варианты теплообмена как с рекуперацией, так и без рекуперации тепла. Для разработанной классификации проведен анализ ЭБСТ на возможность теплоинтеграции в зависимости от значений параметров потоков и предложены формализованные постановки задач получения оптимальных оценок ЭБСТ. Сформулирован подход использования нескольких энергоносителей при решении задачи оптимизации ЭБСТ. Описан новый способ учета экономических оценок задачи о назначениях для случаев неравного числа холодных и горячих потоков СРК, который заключается в дополнении строк/столбцов матрицы оценками на автономный нагрев либо охлаждение входных и выходных потоков колонн. Разработана модификация алгоритма синтеза оптимальной системы простых ректификационных колонн с учетом включения в него шагов, реализующих предложенный подход к теплоинтеграции.

В третьей главе в целях полной автоматизации процесса синтеза оптимальных систем теплообмена, получения достоверных результатов, показана

перспективность совместного использования универсальных моделирующих программ, которые включают строгие математические модели аппаратов химической технологии и математические пакеты, содержащие эффективные методы оптимизации. Для этого предложено использовать универсальную моделирующую программу Aspen Hysys и математический пакет MatLab. На основании проведенной с использованием литературных источников систематизации методов расчета парожидкостного равновесия разработана экспертная система выбора методов расчета парожидкостного равновесия на основе данных о химических составах, давлениях и температурах обменивающихся теплом материально-тепловых потоков и используемых внешних холодных и горячих утилит. Экспертная система является внешней надстройкой УМП Aspen Hysys. Проведена верификация полученных результатов путем сравнения с результатами, полученными с использованием встроенной экспертной системы УМП ChemCad. Разработана экспертная система определения типа ЭБСТ (в соответствии с предложенной в главе 2 классификацией) по результатам анализа параметров обменивающихся теплом потоков. Для каждого типа ЭБСТ разработаны алгоритмы решения задач оптимального проектирования с целью получения оптимальных оценок в матрице назначений. На основе разработанных алгоритмов в среде математического пакета MatLab c сопряжением с УМП Aspen Hysys создан программный комплекс для одностадийной оптимальной теплоинтеграции материально-тепловых потоков ХТС.

В четвертой главе приводятся результаты синтеза оптимальной одностадийной системы теплообмена установки выделения этилового спирта на основе задачи о назначениях, включающей предложенные модификации. Для этого разработана математическая модель исследуемой установки. Для установления возможности теплоинтеграции внутренних материально-тепловых потоков проведен системный термодинамический анализ. Потенциал к энергосбережению определен с использованием пинч-анализа установки на

основе построенных горячей и холодной композитных тепловых кривых. Построенная большая композитная кривая позволила определить типы и количества подводимого и отводимого тепла внешними горячими и холодными теплоносителями. В результате проведенных исследований эффективности решения задач оптимальной одностадийной теплоинтеграции системы теплообмена исследуемой установки, как задачи о назначениях, найдены ее оптимальная структура и режим функционирования.

Диссертация завершается основными результатами и выводами. В приложениях к диссертации приведены результаты вычислительных

экспериментов по проектированию ректификационных колонн, свидетельство о

государственной регистрации программы для ЭВМ, а также акты по

использованию результатов проведенных исследований.

Глава 1. Современное состояние вопросов по оптимальному синтезу и реконструкции систем простых ректификационных

колонн с тепловой интеграцией 1.1. Обзор основных подходов к оптимальному синтезу систем ректификационных колонн с тепловой интеграцией 1.1.1. Способы повышения энергоэффективности химико-технологических

систем и систем разделения

Продуктивное развитие химико-лесного комплекса тесно связано с эффективностью использования энергоресурсов, обеспечением экологической чистоты промышленных производств, решением задач проектирования малоотходных энергосберегающих систем. На рационализацию использования энергоресурсов при проектировании и реконструкции химико-технологических систем направлен ряд способов энергоресурсосбережения. В частности, к технологическим способам повышения энергоэффективности установок разделения многокомпонентных смесей, которые являются наиболее энергоемкими процессами химических технологий, относят [9, 33]:

1. Интенсификацию конструкции аппаратов разделения на различных иерархических уровнях, протекающих в них процессов [1, 2, 33]. К наиболее эффективным мероприятиям относятся замена контактных устройств с целью увеличения поверхности контакта фаз, секционирование внутриаппаратных потоков и т.д. В перспективе развития - использование технологий внутритепловой интеграции путем изменения конструкции ректификационных колонн ШТОЮ (Рисунок 1.1) [133].

2. Интенсификацию на уровне групп процессов и аппаратов. Использование комплексов с полносвязанными материально-тепловыми потоками FTCDS (Рисунок 1.2а) [54, 55], колонн с перегородкой DWC (Рисунок 1.2б) [68], а также колонн с частично связанными материально-тепловыми потоками PTCDS

(Рисунок 1.2в) [58, 79, 151]. На Рисунке 1.1 - технологические схемы этих процессов.

1X3—

Рисунок 1.1 - Информационная схема ректификационной колонны с

внутритепловой интеграцией

АВ

А В С

ВС

-*■ А

АВ

+В

В

ВС

/ \ / \

\ I

+В

А В С

+С

кг

-*■ А

>С

■*С

а б в

Рисунок 1.2 - Энергосберегающие схемы процесса ректификации а -FTCDS; б - DWC; в - PTCDS 3. Энергоэффективность также может быть достигнута за счет сопряжения в одном аппарате нескольких процессов. Примерами такого сопряжения служат реакционно-ректификационные процессы, экстрактивная кристаллизация, экстрактивно-азеотропная ректификация, реакционно-мембранный процесс, реверс-процессы, реакционно-сорбционный процесс и т.д. [32, 35].

4. Синтез оптимальных химико-технологических систем. Наибольший вклад вносят такие мероприятия, как определение последовательности разделения многокомпонентной смеси, поиск оптимального числа тарелок, определение оптимальных тарелок ввода сырьевых потоков, тепловая интеграция внутренних технологических потоков системы, многократное использование энергии [10, 17, 26, 27, 28, 36, 48, 49, 53, 63].

5. Оптимизация стационарного режима функционирования системы разделения фиксированной структуры по непрерывным (нахождение оптимального рабочего давления, флегмового числа и т.д.) и дискретным переменным (выбор оптимальной из возможных тарелок питания) [22, 49, 55, 66, 67].

6. Внедрение автоматизированных подсистем управления технологическим объектом, спроектированных с учетом критерия экономии энергоресурсов. Наиболее перспективным направлением развития такого подхода является разработка APC-систем (Advanced Process Control, усовершенствованное управление технологическим процессом). Предполагается, что такие системы будут обеспечивать совместное решение задач оптимизации режима функционирования системы в реальном времени и оптимального управления с предсказанием. Однако, трудности в решении этих задач заключаются в их формализации с учетом требований устойчивости и робастности, а также в необходимости решения задач динамической оптимизации в реальном времени [75, 77].

7. Повышение качества управления технологическими процессами путем подготовки оперативного персонала технологических установок на компьютерных тренажерах [51], направленных на приобретение навыков по освоению особенностей управления ректификационными установками по критерию минимальных энергозатрат [50, 52].

1.1.2. Постановка задачи оптимального синтеза систем ректификационных

колонн с тепловой интеграцией

Задача оптимального синтеза систем ректификационных колонн с тепловой интеграцией формулируется следующим образом: при заданных параметрах сырья, поступающего на разделение, требованиях на параметры продуктов разделения и выполнения условий физической реализуемости процессов тепломассообмена, необходимо определить топологию синтезируемой СРК, включающую последовательность ректификационных колонн, теплообменного оборудования (нагревателей, кипятильников, холодильников, конденсаторов, рекуперативных теплообменников), конструктивные и режимные параметры перечисленного оборудования, при которых критерий оптимальности - сумма приведенных капитальных и эксплуатационных затрат - принимает минимальное значение.

При решении поставленной задачи ключевым вопросом выступает поиск оптимальной системы теплообмена. Поскольку задачи синтеза оптимальных СРК и СТО могут быть сформулированы как задачи дискретно-непрерывного нелинейного программирования, согласно принципу декомпозиции, их принято рассматривать независимо друг от друга. Однако такой подход не учитывает свойство эмержентности систем химической технологии. Следовательно, задачу синтеза системы СТО необходимо рассматривать как внутреннюю процедуру при синтезе СРК с тепловой интеграцией. Следует отметить, что при оптимальном синтезе СТО необходимо учитывать важную особенность СРК, заключающуюся в том, что некоторые материально-тепловые потоки меняют свое фазовое состояние.

Большое число возможных комбинаций требует разработки процедуры поиска оптимальной системы теплообмена для каждой фиксированной структуры СРК. Таким образом, разработка новых подходов к оптимальному синтезу СТО и дальнейшее их объединение с алгоритмами оптимального синтеза СРК (без

тепловой интеграции) является первостепенной задачей при проектировании оптимальных СРК, которая нуждается в полной автоматизации.

1.1.3. Общая постановка задачи оптимального синтеза систем ректификационных колонн без тепловой интеграции

Оптимальный синтез системы ректификационных колонн без тепловой интеграции предполагает решение следующих задач [47]: определить структуру (топологию) схемы и состав ректификационных колонн (РК), которые будут использоваться в будущей схеме; число тарелок в каждой РК; место ввода питания в каждой РК; режимы работы в каждой РК. При этом значение критерия оптимальности (суммарные приведенные капитальные и эксплуатационные затраты) становится минимальным. В этой задаче структурные параметры, характеризующие топологию схемы, число тарелок в исчерпывающей и укрепляющей секциях ректификационной колонны являются дискретными переменными, а параметры, характеризующие режим функционирования колонн, являются непрерывными. Поэтому проблема оптимального синтеза СРК может быть сформулирована в виде задачи дискретно-непрерывного нелинейного программирования [47]. Особенность этой проблемы заключается в том, что число возможных вариантов схем разделения стремительно увеличивается с ростом числа продуктов фракционирования [32, 36, 157]. При большом числе разделений исходной смеси на конечные продукты поиск оптимальной СРК путем простого перебора различных топологий схем становится существенно трудоемким.

В последние годы эффективным подходом к решению задачи синтеза оптимальной СРК является использование суперструктур [76, 102, 152]. Суперструктура включает в себя, как частные случаи, все альтернативные варианты разделения, поэтому нахождение оптимальной схемы дает решение задачи синтеза СРК. Из разработанных к настоящему времени суперструктур наибольший интерес представляет суперструктура, предложенная в работе [152].

В этой суперструктуре РК рассматриваются также как делители потоков. Это придает суперструктуре стройный и компактный вид. На Рисунке 1.3 представлена суперструктура для синтеза СРК для четырехкомпонентной смеси.

Рисунок 1.3 - Суперструктура СРК для разделения четырех компонентной

смеси

В работе [103] предложен подход для решения такого класса задач: методом обобщенного дизъюнктивного программирования, а в работе [46] - метод ветвей и границ.

В формализованном виде задача оптимального синтеза СРК, как задача ДННП, выглядит следующим образом [47]:

мп

/ = ш1п £ /' (х1, и* Л ) ,

X У, т]. 1=1

I __I ,шах

Р (X, У Л) = 0, ] = 1,2 , * = 1,..., Нсоь, 1 <Л<Л

¥1 (X,и1) < 0 , * = 1,...,КсоЬ , Е*8 - Б8 = 0, - Ж8 = 0, £ = 1,.., N,

(1.1)

(1.2)

(1.3)

(1.4)

где ' - номер РК; Исоь - число РК в суперструктуре; я - индекс секций колонн (я = 1 укрепляющей и я = 2 исчерпывающей секции); х'- вектор переменных состояния ' -ой РК; - число тарелок в ¿-секции ' -ой РК (1 <ц'<ц';тах); и' -вектор управляющих переменных ' -ой РК; /' (х', и' ) - суммарные приведенные капитальные и эксплуатационные затраты ' -ой РК; (1.2) - ограничения типа равенств, характеризующие математические модели исчерпывающей и укрепляющей секций ' -ой РК; (1.3) - ограничения типа неравенств, характеризующие проектные требования I -ой РК; (1.4) - соотношения, характеризующие топологию СРК: из уравнения связи ¥ы - Б8 = 0 следует, что

дистиллят Б8 g-ой колонны является входным потоком ¥'8 для ^ -ой колонны; а уравнение связи ¥г - Ж8 = 0 означает, что кубовый продукт Ж8 g-ой колонны является потоком питания ¥Г в г -ой РК.

Как, следует из (1.1) - (1.4), решение задачи синтеза оптимальной СРК сопровождается решением задачи оптимального проектирования как отдельной колонны, так и оптимальной СРК с заданной топологией. Рассмотрим различные подходы к оптимальному проектированию ректификационных колонн. Для этого сначала рассмотрим математическую модель РК.

Ректификация является типовым примером многостадийного процесса, проводимого в тарельчатой колонне [31, 55]. Из этого следует трудность математического моделирования этих процессов. Перенос вещества из паровой фазы в жидкую и наоборот происходит в несколько стадий, на каждой из которых жидкость обогащается менее летучим компонентом, а пар - более летучим. Встречные потоки жидкости и пара в колонне создаются вследствие подвода тепла в кипятильник исчерпывающей части колонны, и отвода тепла из укрепляющей части.

Методы расчета ректификационных колонн делятся на два класса: упрощенные и строгие методы. Упрощенные методы расчета используются, когда существует допущение о четком разделении многокомпонентных смесей. Часто многокомпонентную смесь заменяют бинарной или же принимают другие

допущения. К упрощенным методам расчета относят методы: Львова, Джиллиленда, Робинсон - Джиллиленда, Михайловского, Гаусбранда, Сореля, Мак-Кэб и Тиле, характеристической температуры, ключевых компонентов, Хенстенбека. В работе [32] дан обзор этих методов.

Строгие методы используют потарелочные математические модели ректификации многокомпонентных смесей [32, 35, 60, 114].

Математическая модель ректификационной колонны. Информационные блок-схемы простой ректификационной колонны с конденсатором и кипятильником и /-ой тарелки представлены на Рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Структурная схема парожидкостных потоков колонны Обозначим индексом к - номер компонента Ыс - компонентной смеси (к = 1, 2,..., Ыс); / - порядковый номер тарелки ЫТ - тарельчатой колонны, в которой

примем ЫТ = Т + Т; через УИ и хы - массовые доли к -го компонента на /-ой тарелке в газовой и жидкой фазе, соответственно. Для каждой тарелки в колонне как У1 и Ь1 обозначим потоки пара и жидкости, соответственно, через ^ -входной поток, подаваемый на тарелку питания, Ру и Рь - боковые отборы с / тарелки паровых и жидкостных потоков соответственно. Количество теплоты,

подводимое и отводимое с тарелок колонны, обозначим Qt. Энтальпия каждого парового Hvap и жидкостного Hliq потоков рассчитывается как функция

температуры T на тарелках. Давление на каждой тарелке РК определим как p г.

С учетом данных обозначений, в состав строгой математической модели ректификационной колонны для разделения многокомпонентной смеси (так называемой MESH модели) входят следующие группы уравнений [30, 114]:

а) Уравнения покомпонентного материального баланса /-ой тарелки колонны:

Fizki + L-Л j-1 + V+1Уи+1 - (Р + L К, - (У + Ру,) Уы = 0, (15)

k = 1,...,Nc, 1 = 1,...,NT . (1.6)

б) Стехиометрические соотношения:

ZХк1 = 1, Zykl = 1, k = 1,...,Nc, 1 =1,...,NT. (1.7)

k

в) Уравнения расчета фазового равновесия для 1-ой тарелки колонны:

Уы = Кк1хи, (1.8)

Кк1 = К (Т, р, хы).

г) Уравнение расчета эффективности тарелки по компоненту:

= 1 -ехр(-Л? К™/VI), к = 1,...,Кс, / = 1,...,Кт. (1.9)

д) Уравнение состава паровой фазы, покидающей 1-ую тарелку:

Ук1 = Ук,- + Ек/(У*/- Ук— к = 1,..., N, ; = 1,..., N. (1.10)

е) Уравнения теплового баланса для 1-ой тарелки колонны:

ЕНР1 +11 -Н^- + V+1яуар,г+1 - (рЬ1 +11) н^ - (V; + рУ1 )яуар,г + а = о

I = ,

Нц,,/ = И(Г , р , X; ) , Ятар,г = Н(Г, Р , У; ) , Щ = НЕТ , р , ^ ). Математическая модель кипятильника колонны: а) Уравнение материального баланса:

-1 хкN-1 - (Ву + ^)хю - Вьхкь = 0.

(111)

(1.12)

k

б) Стехиометрические соотношения:

£ ъ = 1,1 у» = 1- (1'13)

Чв

к к

в) Уравнения расчета фазового равновесия:

Укв = КкВХкВ, (114)

Кв = К (Тв, Рв, Хкв).

г) Уравнения теплового баланса:

-В + ¥ы)ИУВ -БЬИ1В -агеЬ = 0, (1.15)

Нщ,в = КТв, Рв, Хв), Нтар,в = Н (Тв, Рв, Ув ). Математическая модель конденсатора колонны

а) Уравнение материального баланса:

КУкд -С + АоК -вуую = 0. (116)

б) Стехиометрические соотношения:

£ х№=1, £ уш=1. (1.17)

к к

в) Уравнения расчета фазового равновесия:

УкС = КюХю , (1Л8)

Кю = К Т, Рв, Хю).

г) Уравнения теплового баланса:

^Нтар,1 -С + А))Н11Ч,С -С^Нуар,д -£сои = 0, (1.19)

Ннч,0 = , Рс, Х0 ), = Н(Т0, Рв, ус),

где у* - равновесная концентрация к-го компонента на 1-ой тарелке колонны;

М1 - количество вещества на 1-ой тарелке РК; Ек 1 - эффективность 1-ой тарелки

по к-му компоненту; КМ(К) - коэффициент массопередачи. АМ - поверхность

массопередачи на 1-ой тарелке;

Уравнения расчета термодинамических параметров, такие, как константы фазового равновесия, энтальпия, записаны в неявной форме, и требуют

определения моделей расчета физических свойств смесей компонентов на тарелках колонны. Отметим, что при расчете конденсатора и куба колонны уравнения покомпонентного материального баланса и фазового равновесия могут быть исключены из системы, при условии, что потоки дистиллята и кубового продукта имеют одинаковое фазовое состояние.

Математическая модель ректификационной колонны включает (Ыт + 2)(3Ыс + 5) + 3 переменных и (Ыт + 2)(2Ыс + 3) + 2 уравнений. Определившись с числом тарелок в колонне, номерами тарелок питания, расходом, составом и энтальпией потока питания, получим Ыт + 1 степеней свободы, которые в общем случае могут использоваться при определении значений давлений на каждой тарелке колонны и флегмового числа, Я = Ь0 / Б.

Как и задача синтеза оптимальной СРК, задача оптимального проектирования ректификационной колонны с использованием строгих моделей является сложной задачей дискретно-непрерывного нелинейного программирования [44]. Это связано с тем, что поисковыми переменными наряду с непрерывными режимными переменными (давление в колонне, флегмовое число, температура в кубе, отбор продукта, качество продуктов разделения и пр.) выступают дискретные переменные (числа тарелок в исчерпывающей и укрепляющей секциях). Как правило, в качестве критерия оптимальности используют сумму приведенных капитальных и эксплуатационных затрат, которую необходимо минимизировать при заданной производительности по сырью, требованиям на качество продуктов разделения и условиям физической реализуемости. Таким образом, задача оптимального проектирования ректификационной колонны (впрочем, как и любых аппаратов химической технологии) заключается в поиске компромисса между капитальными и эксплуатационными затратами [26, 57].

Часто для решения задачи в данной постановке используются подходы, основанные на простом переборе. Так, при заданных значениях флегмового числа рассчитываются число тарелок и критерий приведенных затрат. Найденные значения критериев оптимальности сравниваются и из них выбирается

минимальный. В работе [34] дается описание подхода, в котором рассчитанные варианты оцениваются аппроксимацией зависимости значений приведенных затрат от флегмового числа. Полученные значения функции определяют наилучшее решение. В результате, такой подход позволяет сократить число расчетов при поиске оптимального решения.

В работе [69] задача проектирования ректификационных колонн сформулирована как задача оптимизации. В ней для оптимального проектирования колонн любой сложности использован модифицированный комплекс-метод Бокса в сочетании с #-методом.

Ниже рассмотрим основные группы методов проектирования оптимальной ректификационной колонны:

1) Методы коллокации. Это методы ортогональной коллокации [86, 108, 154, 158, 160], а также метод коллокации конечных элементов [159] на многотарельчатых колоннах. Данный класс методов обладает тем преимуществом, что при постановке задачи общее число тарелок в колонне и места ввода потоков питания могут рассматриваться как непрерывные. Эти методы удобны в применении к решению задач оптимизации РК с большим числом тарелок.

2) Метод распределенных потоков [75, 119]. В рассматриваемом методе потоки подаются на каждую из множеств возможных тарелок ввода питания, флегмы, а боковые продукты отбираются из множества возможных тарелок отбора в зависимости от дифференциальной функции распределения массовых расходов этих потоков. Таким образом, при оптимизации мест ввода питания, флегмы и бокового отбора тарелки колонны можно представить как непрерывные переменные, тем самым разрешив проблему дискретности. Этот метод позволяет оптимизировать системы ректификационных колонн (СРК) используя алгоритмы нелинейного программирования с поиском оптимального размещения потоков ввода питания, флегмы, боковых отборов и числа тарелок. Метод обладает следующими принципиальными особенностями: описание дифференциальной функции распределения включается в модель колонны и в задачу оптимизации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Емельянов Илья Игоревич, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Башаров, М.М. Энергосбережение и энергоэффективность на объектах промышленной теплоэнергетики в нефтегазохимическом комплексе / М.М. Башаров, А.Г. Лаптев // Вестник Казанского государственного энергетического университета. - 2014. - Т. 24. - № 4. - С. 7-18.

2. Башаров М.М. Энергоресурсосберегающая модернизация теплоиспользующих установок в производстве фенола: дисс. ... канд. тех. наук / М.М. Башаров. -Казань: Казанский государственный энергетический университет, 2011. - 229 с.

3. Белоконь, Н.И. Термодинамические процессы газотурбинных двигателей / Н.И. Белоконь. -М.: Недра, 1969. -238 с.

4. Вагнер, Г. Основы исследования операций / Г. Вагнер. -М.: Мир, 1972. - Т. 1. -335 с.

5. Гартман, Т.Н. Основы компьютерного моделирования химико-технологических процессов: учеб. пособие для вузов / Т.Н. Гартман, Д.В. Клушин. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. - 416 с.

6. Гурьева, Л.В. Автоматизированное проектирование технологических схем отделений рекуперации тепловой энергии нефтеперерабатывающих производств на основе решения задачи о назначениях: автореф. дисс. ... канд. тех. наук / Л.В. Гурьева. - М.: МХТИ, 1980. - 19 с.

7. Данциг, Д. Линейное программирование, его применения и обобщения / Д. Данциг. - М.: Прогресс, 1966. - 600 с.

8. Дворецкий, С.И. Компьютерное моделирование и оптимизация технологических процессов и оборудования / С.И. Дворецкий, А.Ф. Егоров, Д.С. Дворецкий. - Тамбов: Изд-во Тамбов. гос. технич. ун-та, 2003. - 224 с.

9. Дорохов, И.Н. Интеллектуальные системы и инженерное творчество в задачах интенсификации химико-технологических процессов и производств / И.Н. Дорохов, В.В. Меньшиков; РАН, ин-т общ. и неорг. химии им Н.С. Курнакова. - М.: Наука, 2005. - 584 с.

10.Егоров А.Ф. Математическое моделирование и методы синтеза гибких химических производств. Автоматизированный лабораторный комплекс / А.Ф. Егоров, Т.В. Савицкая, В.П. Бельков, А.В. Горанский; под. ред. проф. А.Ф. Егорова. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2008. - 202 с.

11.Емельянов, И.И. Реконструкция установок ректификации с целью рекуперации тепла VII Международная конференция Российского химического общества имени Д. И. Менделеева: тезисы докладов. - М.: РХО имени Д.И. Менделеева : РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2015. - 204 с.

12.Емельянов, И.И. Синтез оптимальных одностадийных сетей теплообмена химико-технологических систем / И.И. Емельянов, Н.Н. Зиятдинов, Г.М. Островский // Вестник Казанского технологического университета. - 2016. - Т. 19. - № 17. - С. 132-137.

13.Емельянов, И.И. Синтез оптимальной системы теплообмена при реконструкции установок ректификации / И.И. Емельянов, Н.Н. Зиятдинов, Г.М. Островский, Математические методы в технике и технологиях. Сб. трудов 28-й Международ. науч. конф. - Ярославль, 02-04.06.2015. - Т.1. - С. 51-57. (научная статья).

14. Емельянов, И.И. Новый программный комплекс синтеза сетей теплообмена при реконструкции химико-технологических систем / И.И. Емельянов, Н.Н. Зиятдинов, Г.М. Островский // IX Международная научно-практическая конференция «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» (МНПК «ЛЭРЭП-9-2015»): сборник научных трудов. -Смоленск, 9-11.2015. - C. 231-235. (научная статья).

15. Емельянов, И.И. Теплоинтеграция в системах простых ректификационных колонн на основе модификации задачи о назначениях / И.И. Емельянов, Н.Н. Зиятдинов, Г.М. Островский // IX Семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике: сборник материалов докладов / в 4 т.- Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 21-24.10.2015. - Т. IV. - C. 8-15. (научная статья)

16.Емельянов, И.И. Об одном подходе к оптимальной теплоинтеграции нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств / И.И. Емельянов,

Н.Н. Зиятдинов, Г.М. Островский // Материалы IX международной научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы инновационного развития нефтехимии». ООО «Нефтехим Медиа», 2016. С. 151. (тезисы)

17.Закирова, Ф.У. О новом подходе к оптимальному проектированию ректификационной колонны / Ф.У. Закирова, Н.Н. Зиятдинов, И.И. Емельянов // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. - № 5.-С. 202-206.

18. Зиятдинов, Н.Н. Компьютерное моделирование и оптимизация в химической технологии / Н.Н. Зиятдинов // Теорет. основы хим. технологии. - 2014. - Т. 48. - № 5. - С. 483.

19. Зиятдинов, Н. Н. Системный анализ установки ректификации этилового спирта как объекта теплоинтеграции / Н.Н. Зиятдинов, И.И. Емельянов, Г.З. Баймухаметова, Л.К. Туен // Вестник Казанского технологического университета. - 2016. - Т. 19. - № 15. - С. 131-136.

20.Зиятдинов, Н.Н. Построение системы теплообмена при реконструкции и синтезе оптимальных систем ректификационных колонн / Н.Н. Зиятдинов, Г.М. Островский, И.И. Емельянов // Теоретические основы химической технологии. - 2016. - Т. 50. - № 2. - С. 184-193.

21.Зиятдинов, Н.Н. Математическое моделирование химико-технологических систем с использованием программы ChemCad: учебно-методическое пособие / Н.Н. Зиятдинов, Т.В. Лаптева, Д.А. Рыжов. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2008. - 160 с.

22.Зиятдинов, Н.Н. Моделирование и оптимизация химико-технологических процессов и систем / Н.Н. Зиятдинов // Теоретические основы химической технологии. - 2017. - Т. 51. - № 6. - С. 613.

23.Каневец, Г.Е. Обобщенные методы расчета теплообменников / Г. Е. Каневец. -Киев: Наук. Думка, 1979. - 352 с.

24. Канторович, Л. В. Применение математических методов в вопросах анализа грузопотоков / Л. В. Канторович, М.К. Гавурин // Сб. ст. Проблемы повышения эффективности работы транспорта, АН СССР. - 1949. - С. 110—138.

25. Канторович, Л.В. Математические методы организации и планирования производства / Л.В. Канторович // Применение математики в экономических исследованиях (под ред. В.С. Немчинова). - М.: Соцэкгиз. -1961. - Т. 2. - С. 251—309.

26.Кафаров, В.В. Основы автоматизированного проектирования химических производств / В. В. Кафаров, В. Н. Ветохин. - М.: Наука, 1987. - 623 с.

27. Кафаров, В.В. Оптимизация теплообменных процессов и систем / В.В. Кафаров, В.П. Мешалкин, Л.В. Гурьева. - М.: Энергоатомиздат, 1988. -192 с.: ил.

28.Кафаров В.В. Анализ и синтез химико-технологических систем / В.В. Кафаров, В.П. Мешалкин. Учебник для вузов. - М.: Химия, 1991. - 432 с.

29.Кафаров, В.В. Метод построения двудольного графа для формализации задачи синтеза теплообменных систем как задачи оптимального назначения / В.В. Кафаров, В.П. Мешалкин, Л.В. Гурьева // Доклады АН СССР. -1979. - Т. 247. -№ 1. -С. 165-169.

30.Комиссаров, Ю.А. Многокомпонентная ректификация: учебное пособие для вузов / Ю.А. Комиссаров, Дам Куанг Шанг. - М.: Химия, 2013. - 272 с.

31. Комиссаров, Ю.А. Научные основы процессов ректификации: учебное пособие для вузов / Ю.А. Комиссаров, Л.С. Гордеев, Д.П. Вент; под ред. Л.А. Серафимова. - М.: Химия, 2004. - Т.1. - 270 с.

32. Комиссаров, Ю.А. Научные основы процессов ректификации: учебное пособие для вузов / Ю.А. Комиссаров, Л.С. Гордеев, Д. П. Вент; под ред. Л.А. Серафимова. - М.: Химия, 2004. - Т.2. - 416 с.

33. Лаптев, А.Г. Эффективность тепломассообмена и разделения гетерогенных сред в аппаратах нефтегазохимического комплекса: монография / А.Г. Лаптев, М.М. Башаров // - Казань: Центр инновационных технологий, 2016. -344 с.

34. Лаптев, А.Г. Теоретические основы и расчет аппаратов разделения гомогенных смесей: Учеб. Пособие / А.Г. Лаптев, А.М. Конахин, Н.Г. Минеев // - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2007.

35. Лаптев, А.Г. Основы расчета и модернизации тепломассообменных установок в нефтехимии / А.Г. Лаптев, М.И. Фарахов, Н.Г. Минеев. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2010. - 574 с.

36.Лисицын, Н.В. Химико-технологические системы: оптимизация и ресурсосбережение / Н.В. Лисицын, В.К. Викторов, Н.В. Кузичкин. - СПб.: Менделеев, 2007. - 312 с.

37.Мешалкин, В.П. Экспертные системы в химической технологии / В.П. Мешалкин. - М.: Химия, 1995. - 368 с.

38.Морачевский, А.Г. Термодинамика равновесия жидкость-пар / А.Г. Морачевский, Е.М. Пиотровская и др. - Л.: Химия, 1989. - 344 с.

39. Островский, Г.М. Оптимизация химико-технологических процессов: теория и практика / Г. М. Островский, Т. А. Бережинский. - М.: Химия, 1984. - 240 с.

40. Островский, Г.М. Синтез химико-технологических систем модифицированным методом структурных параметров / Г.М. Островский, Н.Н. Зиятдинов, Т.В. Борисевич // Теорет. основы хим. технологии. - 1997. - Т. 31. - №1. - С. 88.

41. Островский, Г.М. Методы оптимизации химико-технологических процессов: учебное пособие / Г.М. Островский, Ю.М. Волин, Н.Н. Зиятдинов. - М.: КДУ, 2008. - 423 с. : ил., табл.

42. Островский, Г.М. Оптимизация в химической технологии / Г.М. Островский, Ю.М. Волин, Н.Н. Зиятдинов // - Казань: Изд-во «Фэн» Академии наук РТ, 2005. - 394 с.

43.Островский, Г.М. Синтез оптимальных систем простых ректификационных колонн с рекуперацией тепла / Г.М. Островский, Н.Н. Зиятдинов, И.И. Емельянов // Доклады Академии наук. - 2015. - Т. 461. - № 2. - С. 189-192.

44. Островский, Г.М. Оптимизация технических систем. / Г. М. Островский, Н. Н. Зиятдинов, Т. В. Лаптева. - М.: КНОРУС, 2012. - 432 с.

45. Островский, Г.М. Оптимальное проектирование системы ректификационных колонн / Г.М. Островский, Н.Н. Зиятдинов, Т.В. Лаптева, Н.Ю. Богула // Доклады Академии наук. - 2010. - Т. 431. - № 6. - С. 768-771.

46. Островский, Г.М. Оптимальный синтез системы ректификационных колонн / Г.М. Островский, Н.Н. Зиятдинов, Ф.У. Мустафина // Доклады Академии наук.

- 2013. - Т. 450. - № 1. - С. 58.

47.Островский, Г.М. Оптимальный синтез системы простых ректификационных колонн / Г.М. Островский, Н.Н. Зиятдинов, Ф.У. Мустафина, Д.А. Рыжов // Теорет. основы хим. технологии. - 2013. - Т. 47. - №6. - С. 646.

48. Островский, Г.М. Оптимальное проектирование системы ректификационных колонн с заданной топологией / Г.М. Островский, Н.Н. Зиятдинов, Т.В. Лаптева, Н.Ю. Богула // Теорет. основы хим. технологии. - 2011. - Т. 45. - №1,

- С. 88.

49. Островский, Г.М. Выбор оптимальных тарелок питания в замкнутой системе ректификационных колонн / Г.М. Островский, Н.Н. Зиятдинов, Т.В. Лаптева, Д.А. Рыжов // Теорет. основы хим. технологии. - 2008. - Т. 42. - № 3. - С. 401412.

50. Павлов, Ю.Л. Системный анализ и тренажер для управления ректификационными колоннами по критерию энергозатрат / Ю.Л. Павлов, Н.Н. Зиятдинов, И.И. Емельянов // Вестник Казанского технологического университета. - 2016.- Т. 19. № 10.- С. 125-128.

51. Павлов, Ю.Л. Создание тренажерного комплекса с использованием упрощенных динамических моделей химико-технологических процессов / Ю.Л. Павлов, Н.Н. Зиятдинов, И.И. Емельянов // Вестник Казанского технологического университета. - 2014.- Т. 17. - № 20. - С. 316-319.

52. Павлов, Ю.Л. Особенности управления типовыми объектами химической технологии: учебное пособие / Ю.Л. Павлов, Н.Н. Зиятдинов, И.И. Емельянов // М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. - Казань: Изд-во КНИТУ, 2015. - 89 с.

53. Панкрушина, А.В. Анализ эффективности ректификационных комплексов разделения зеотропной жидкой системы путем оценки суммарных тепловых нагрузок кипятильников и конденсаторов / А.В. Панкрушина, Т.Н. Гартман, Е.П. Моргунова // Успехи в химии и химической технологии. - 2016. - Т. 30. -№ 2 (171). - С. 132-134.

54. Петлюк, Ф.Б. Термодинамически оптимальный способ разделения многокомпонентных смесей / Ф.Б. Петлюк, В.М. Платонов, Д.М. Славинский // Химическая промышленность. - 1965. - № 3. - С. 206-211.

55. Петлюк, Ф.Б. Многокомпонентная ректификация: теория и расчет. / Ф.Б. Петлюк, Л.А. Серафимов. - М.: Химия, 1983. - 304 с.

56. Рид, Р. Свойства газов и жидкостей: справочное пособие / Р. Рид, Дж. Праусниц, Т. Шервуд; пер. с англ. под ред. Б.И. Соколова. - Л.: Химия, 1982. -592 с.

57. Смит, Р. Основы интеграции тепловых процессов / Р. Смит, Й. Клемеш, Л. Л. Товажнянский, П. А. Капустенко, Л. М. Ульев // Библиотека журнала ИТЭ. -Харьков: НТУ "ХПИ", 2000. 457 с.

58. Тимошенко, А.В. Комплексы экстрактивной ректификации, включающие сложные колонны с частично связанными тепловыми и материальными потоками / А.В. Тимошенко, Е.А. Анохина, Л.В. Иванова // Теор. основы хим. технологии. - 2005. - Т. 39. - № 5. - С. 491-498.

59. Хемди, А. Введение в исследование операций / А. Хемди, Таха. - 7-е изд. -СПб.: Вильямс, 2005. - 901 с.

60. Холланд, Ч.Д. Многокомпонентная ректификация / Ч.Д. Холланд; пер. с англ. Ч.Д. Холланд. - М.: Химия, 1969. - 350 с.

61. Холоднов, В.А. Математическое моделирование и оптимизация химико-технологических процессов / В.А. Холоднов, В.П. Дьяконов, Е.Н. Иванова, Л.С. Кирьянова. - СПб.: АНО НПО «Профессионал», 2003. - 480 с.

62. Цирлин, А.М. Минимальная необратимость, оптимальное распределение поверхности и тепловой нагрузки теплообменных систем / А.М. Цирлин, А.А.

Ахременков, И.Н. Григоревский // Теор. основы хим. технологии. - 2008. - Т. 42. -№ 1.- С. 1-8.

63. Цирлин, А.М. Оценки затрат энергии и выбор оптимальной последовательности разделения многокомпонентных смесей / А.М. Цирлин,

A.И. Балунов, И.А. Сукин // Теор. основы хим. технологии. - 2016. - Т. 50. -№ 3. - С. 258.

64. Цирлин, А.М. О форме границы множества реализуемости преобразователей теплоты в работу / А.М. Цирлин, Г.М. Островский // Теор. основы хим. технологии. - 2017. - Т. 51. - № 5. - С. 546-554.

65. Цыганков, П.С. Ректификационные установки спиртовой промышленности / П.С. Цыганков. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. - 336 с.

66. Шарифуллин В.Н., Шарифуллин А.В. Оптимизация мембранных процессов. /

B.Н. Шарифуллин, А.В. Шарифуллин // Энергосбережение и водоподготовка. -2015. - № 6. - С. 31-35.

67. Шарифуллин, В.Н. Оптимизация системы оборотного охлаждения по расходу циркуляционной воды / В.Н. Шарифуллин, А.И. Бадриев, А.В. Шарифуллин // Промышленная энергетика. - 2016. - № 7. - С. 30-33.

68. Patent No. 2,471,134 U.S. Wright, R.O. Fractionation Apparatus. 1949.

69. Al-Haj-Ali, N.S. "Way to Find Distillation Optimum" / N.S. Al-Haj-Ali, C.D. Holland // Hydrocarbon Processing. -1979. - V. 58(7). - P. 165.

70. Androulakis, I.P. Genetic Algorithm Framework for Process Design and Optimization / I.P. Androulakis, V.A. Venkatasubramanian // Comput. Chem. Eng. -1991. - V. 15 (4). - P. 217-228.

71. AspenTech: Optimizing Process Manufacturing [Электронный ресурс]. —Режим доступа: http://www.aspentech.com/products/aspenone-engineering/

72. Athier, G. Synthesis of heat exchanger network by simulated annealing and NLP procedures / G. Athier, P. Floquet, L. Pibouleau, S. Domenech // American Institute of Chemical Engineering Journal. - 1997. - V. 43. - P. 3007.

73. Barbara, A. New rigorous one-step MILP formulation for heat exchanger network synthesis / A. Barbaro, M.J. Bagajewicz // Comput. Chem. Eng. - 2005. - V. 29(9). - P. 1945-1976.

74. Bertsekas, D.P. "Auction Algorithms for Network Flow Problems: a Tutorial Introduction."/ D. P. Bertsekas // Computational Optimization and Applications. -1992. - V. 1. - P. 7-66.

75. Biegler, L.T. Nonlinear Programming: concepts, algorithms and application to chemical processes / L.T. Biegler // Society for industrial and Applied Mathematics and the Mathematical Optimization Society, 2010. - 416 p.

76. Biegler, L.T. Systematic methods of chemical process design / L.T. Biegler, I.E. Grossmann, A.W. Westerberg. - New Jersey: Prentice Hall PTR; 1997.

77. Biegler, L.T. Advances in sensitivity-based nonlinear model predictive control and dynamic real-time optimization / L.T. Biegler, X. Yang, G.A.G. Fischer // Journal of Process Control. - 2015. - V. 30. - P. 104-116,

78. Caballero, N.Q.J.A. A Novel Disjunctive Model for the Simultaneous Optimization and Heat Integration / N.Q.J.A. Caballero, I.E. Grossmann // Computers & Chemical Engineering. - 2017. - V. 96. - P. 149-168.

79. Caballero, J.A. Optimal synthesis of thermally coupled distillation sequences using a novel MILP approach / J.A. Caballero, I.E. Grossmann // Comput. Chem. Eng. -2014. - V. 61. - P. 118.

80. Cena, V. Synthesis of Heat Exchange Networks: A Non-Iterative Approach / V. Cena, C. Mustacchi, F. Natali // Chem. Eng. Sci. - 1977. - V. 32. - P. 1227-1231.

81. Cerda, J. Synthesizing heat exchanger networks having restricted stream/stream matches using transportation problem formulation / J. Cerda, A.W. Westerberg // Chem. Eng. Sci. - 1983b. - V. 38(10). - P. 1723-1740.

82. Cerda, J. Minimum Utility Usage in Heat Exchanger Network Synthesis / J. Cerda, A.W. Westerberg, D. Mason, B. Linnhoff // Chem. Eng. Sci. - 1983. - V. 38(3). -P. 373-387.

83. ChemCad [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.chemstations.com/Products/

84. Chen, Y. Computational strategies for large-scale MILP transshipment models for heat exchanger network synthesis / Y. Chen, I.E. Grossmann, D.C. Miller // Computers and Chemical Engineering. - 2015. - V. 82. - P. 68-83.

85. Chen, B. Development of an Expert System for Synthesis of Heat Exchanger Networks / B. Chen, J. Shen, Q. Sun; S. Hu // Comput. Chem. Eng. - 1989. - V. 13 (11/12). - P. 1221-1227.

86. Chow, Y. "Reduced Order Steady State and Dynamic Models for Separation Processes" / Y. Chow, B. Joseph // AIChE J. - 1983. - V. 29. - P. 261.

87. CiteSpaceII [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //cluster. cis. drexel. edu/~cchen/citespace/

88. Ciric, A.R. Heat exchanger network synthesis without decomposition / A.R. Ciric, C.A. Floudas // Comput. Chem. Eng. - 1991. - V. 15(6). - P. 385-396.

89. Corbetta, M. Process simulator-based optimization of biorefinery downstream processes under the Generalized Disjunctive Programming framework / M. Corbetta, I.E. Grossmann, F. Manenti // Comput Chem Eng. - 2016. - V. 88. - P. 73-85.

90. Couper, J.R., Chemical Process Equipment: Selection and Design, 2nd edition, Elsevier / J.R. Couper, W.R. Penney, J.R. Fair, S.M. Walas // Gulf Professional Publishing, Oxford, 2005. - P. 8701.

91.Daichendt, M.M. Preliminary Screening Procedure for the MINLP Synthesis of Process Systems - I. Aggregation and Decomposition / M.M. Daichendt, I.E. Grossmann // Comput. Chem. Eng. - 1994. - V. 18 (8). - P. 663-677.

92.Daichendt, M.M. Process Systems - II. Heat Exchanger Networks / M.M. Daichendt, I.E. Grossmann // Comput. Chem. Eng. - 1994. - V. 18 (8). - P. 679-709.

93. Dantzig, G.B. 'The Simplex Method'/ G.B. Dantzig // Rand Corp. Rept. - 1956. - P. 891.

94. Dolan, W.B. Process Optimization via Simulated Annealing: Application to Network Design / W.B. Dolan, P.T. Cummings, M.D.L. Van // AIChE J. - 1989. -V. 35 (5). - P. 725-736.

95. Duran, M.A. Simultaneous optimization and heat integration of chemical processes / M.A. Duran, I.E. Grossmann // AIChE J. - 1986. - V. 32. - P. 123-138.

96. Floudas, C.A. Automatic Synthesis of Optimum Heat Exchanger Network Configurations / C.A. Floudas, A.R. Ciric, I.E. Grossmann // AIChE J. - 1986. - V. 32 (2). - P. 276-290.

97. Furman, K.C. A critical review and annotated bibliography for heat exchanger network synthesis in the 20th century / K.C. Furman, N.V. Sahinidis // Ind. Eng. Chem. Res. - 2002. - V. 41(10). - P. 2335-2370.

98.Ghiasvand, A. Optimization of Heat Exchanger Networks Using an Evolutionary Method / A. Ghiasvand, A.R. Fazlali, T.S. Ghiasi, M.A. Shoorehdeli, A.H. Mohammadi // Advances in Energy Research, Nova Science Publishers, Inc., USA. - 2014. - V. 18.

99.Glavic, P. Heat integration of reactors — I. Criteria for the placement of reactors into process flowsheet / P. Glavic, Z. Kravanja, M. Homs^ak // Chem. Eng. Sci. - 1988. -V. 43. - P. 593-608.

100. Grossmann, I. E. A Rigorous Disjunctive Optimization Model for Simultaneous Flowsheet Optimization and Heat Integration / I.E. Grossmann, H. Yeomans, Z. Kravanja, // Comput. Chem. Eng. - 1998. - V. 22 (Suppl.). - P. S157-S164.

101. Grossmann, I. E. Mathematical methods for heat exchanger network synthesis / I.E. Grossmann // Carnegie Mellon University: Engineering Design Research Center. Department of Chemical Engineering. - 1992. - Paper 187.

102. Grossmann, I. Optimal synthesis of complex distillation columns using rigorous models / I. Grossmann, P. Aguirre, M. Barttfeld // Comput. Chem. Eng. - 2005. - V. 29. - P. 1203.

103. Grossmann, I. Generalized disjunctive programming: a framework for formulation and alternative algorithms for MINLP optimization / I. Grossmann, J. Ruiz // The IMA Volumes in Mathematics and its Applications. Mixed Integer Nonlinear Programming. - 2012. - № 154. - P. 93.

104. Gundersen, T. The synthesis of cost optimal heat exchanger networks: An industrial review of the state of the art / T. Gundersen, L. Naess // Comput. Chem. Eng. - 1988. - V. 12(6). - P. 503-530.

105. Hoffman, A.J. A Note on Shortest Path, Assignment and Transportation Problems / A.J. Hoffman, H.M. Markowitz // Naval Research Logistics Quarterly. - 1963. - V. 10.- P. 375-379

106. Hohmann, E.C. Optimum networks for heat exchange: Ph.D. Thesis / E.C. Hohmann. University of Southern California, 1971.

107. Hopcroft, J.E. "An n5/2 algorithm for maximum matchings in bipartite graphs"/ J.E. Hopcroft, R.M. Karp // SIAM Journal on Computing. - 1973. - V. 2 (4). - P. 225231

108. Huss, R.S. "Collocation Methods for Distillation Design" / R.S. Huss, A.W. Westerberg // Ind. Egn. Chem. Res. -1996. - V. 35. - P. 1603.

109. Hwa, C.S. Mathematical Formulation and Optimization of Heat Exchanger Networks Using Separable Programming / C.S. Hwa // AIChE - IChemE Symposium Series 4; AIChE - IChemE: New York. - 1965. - P. 101-106.

110. HYSYS: Simulation Basis. Aspen Technology, Inc. - 2006. - 311 p.

111. Ivakhnenko, V.I. A Method for Optimal Synthesis of Heat-Exchanger Systems / V.I. Ivakhnenko, G.M. Ostrovskii, T.A. Berezhinskii // Theor. Found. Chem. Eng. -1983. - V. 16 (3). - P. 250-255.

112. Jez^owski, J. Selected Problems of Heat Exchanger Network Synthesis / J. Jez^owski // Hung. J. Ind. Chem. - 1982. -V. 10. - P. 345-356.

113. Kesler, M.G. Optimal Networks of Heat Exchange / M.G. Kesler, R.O. Parker // Chem. Eng. Prog. Symp. Ser. - 1969. -V. 65 (92). - P. 111-120.

114. Kister, H.Z. Distillation design / H.Z. Kister // McGraw-Hill Professional, 1992. -710 p.

115. Klein, M. A. Primal Method for Minimal Cost Flows with Applications to the Assignment and Transportation Problems / M. A. Klein // Management Science. -1967. - V. 14. - P. 205 - 220.

116. Klemes, J.J. Forty years of heat integration: pinch analysis (PA) and mathematical programming (MP) / J.J. Klemes, Z. Kravanja // Current Opinion in Chemical Engineering. - 2013. - V. 2(4). - P. 461-474.

117. Kobayashi, S. Synthesis of optimal heater exchange system an approach by the optimal assignement in linear programming / S. Kobayashi, T. Umeda, A. Ichikawa // Chem. Eng. Sci. - 1971. - V. 26. - P. 1367-1380.

118. Kuhn, H.W. The Hungarian Method for the assignment problem / H.W. Kuhn // Naval Research Logistics Quarterly. -1955. - V. 2. - P. 83-97.

119. Lang, Y-D. "Distributed Stream method for Tray Optimization" / Y-D Lang, L.T. Biegler // Process Systems Engineering, - 2002. - V. 48. - P. 582.

120. Lee, K.F. Branch and Bound Synthesis of Integrated Process Designs / K.F. Lee, A.H. Masso, D.F. Rudd // Ind. Eng. Chem. Fundam. - 1970. - V. 9 (1). - P. 48-58.

121. Lewin, D.R. A Generalized Method for HEN Synthesis Using Stochastic Optimizations I. General Framework and MER Optimal Synthesis / D.R. Lewin, H. Wang, O. Shalev // Comput. Chem. Eng. - 1998. - V. 22 (10). - P. 1503-1513.

122. Li, Z.H. Modeling and Optimizing for Heat Exchanger Networks Synthesis Based on Expert System and Exergo-Economic Objective Function / Z.H. Li, B. Hua // Comput. Chem. Eng. - 2000, - V. 24 (2-7). - P. 1223-1228.

123. Linnhoff, B. Pinch analysis - a state-of-the-art overview / B. Linnhoff // Chem Eng Res Des. -1993. - V. 71. - P. 503-522.

124. Linnhoff, B. Heat integration of distillation columns into overall processes / B. Linnhoff, H. Dunford, R. Smith // Chem Eng Sci - 1983. - V. 38. - P. 1175-1188.

125. Linnhoff, B. Synthesis of Heat Exchanger Networks II. Evolutionary Generation of Networks with Various Criteria of Optimality / B. Linnhoff, J.R. Flower. - 1978. - V. 24. - P. 642-654.

126. Linnhoff, B. "Synthesis of Heat Exchanger Networks. I. Systematic Generation of Energy Optimal Networks"/ B. Linnhoff, J.R. Flower // AIChE. - 1978. - V. 24. - P. 633-642.

127. Linnhoff, B. The pinch design method of heat exchanger networks / B. Linnhoff, E. Hindmarsh // Chem. Eng. Sci. - 1983. - V. 38(5). - P. 745-763.

128. Little, J.D.C. An Algorithm for the Traveling Salesman Problem / J.D.C. Little, K.G. Murty, D.W. Sweeney, C. Karel // Operations Research. - 1963. - № 11. - P. 972-989

129. Mack, C. The Bradford Method for the Assignment Problem / C. Mack // The New J. of Stats, and Op. Res.- 1969. - V. 1. - P. 17-29.

130. Matlab [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://matlab.ru/

131. Maiorano, M. Heat Exchangers Networks Synthesis and Optimisation Performed by an Exergy-Based Expert System / M. Maiorano, E. Sciubba // Int. J. Appl. Thermodyn. - 2000. - V. 3 (1). - P. 1-19.

132. Morar, M. Review: Important contributions in development and improvement of the heat integration techniques / M. Morar, P.S. Agachi // Comput. Chem. Eng. -2010. - V. 34(8). - P. 1171-1179.

133. Nakaiwa, M. Internally heat-integrated distillation columns / M. Nakaiwa, K. Huang, A. Endo, T. Ohmori, T. Akiya, T. Takamatsu // A Review, Chem Eng Res Des, -2003. - V. 81. - P. 162-177.

134. Navarro-Amoros, M.A. An alternative disjunctive optimization model for heat integration with variable temperatures / M.A. Navarro-Amoros, J.A. Caballero, R. Ruiz-Femenia, I.E. Grossmann // Comput Chem Eng. - 2013. - V. 56. - P. 12-26.

135. Nguyen, D.Q. All-at-once and step-wise detailed retrofit of heat exchanger networks using an MILP model / D.Q. Nguyen, A. Barbaro, N. Vipanurat, M.J. Bagajewicz // Ind. Eng. Chem. Res. - 2010. - V. 49(13). - P. 6080-6103.

136. Nielsen, J.S. Heat Exchanger Network Modeling Framework for Optimal Design and Retrofitting / J.S. Nielsen, M.W. Hansen, S.B. Joergensen // Comput. Chem. Eng. - 1996. - V. 20 (Suppl.). - S249-S254.

137. Nishida, N. Studies in Chemical Process Design and Synthesiss III. A Simple and Practical Appr oach to the Optimal Synthesis of Heat Exchanger Networks / N. Nishida, Y. A. Liu, L. Lapidus // AIChE J. - 1977. -V. 23 (1). - P. 77-93.

138. Ostrovsky, G.M. Synthesis of Heat Exchanger Networks / G.M. Ostrovsky, V.I. Ivakhnenko, M.G.O. Vinokurov, T.A. Berezhinsky // Hung. J. Ind. Chem. -1985. -V. 13 (1). - P. 107-119.

139. Qassim, R.Y. Heat Exchanger Network Synthesis: The Goal Programming Approach / R.Y. Qassim, C.S. Silveira // Comput. Chem. Eng. - 1988. - V. 12 (11). - P. 1163-1165.

140. Papoulias, S.A. A Structural Optimization Approach in Process Synthesiss II. Heat Recovery Networks / S.A. Papoulias, I.E. Grossmann // Comput. Chem. Eng. -1983. - V. 7 (6). - P. 707-721.

141. Papoulias, S.A. A structural optimization approach in process synthesis — III. Total processing systems / S.A. Papoulias, I.E. Grossmann // Comput Chem Eng. -1983. - V. 7. - P. 723-734.

142. PetroSim [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.kbcat.com/technology/process-simulation-software

143. PRO/II [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://software.schneider-electric.com/products/simsci/design/pro-ii/

144. Ponton, J.W. A fast method for the synthesis of optimal heat exchanger networks / J.W. Ponton, R.A.B. Donaldson // Chemical Engineering Science. - 1974. - V. 29(12). - P. 2375-2377.

145. Raman, R. Relation between MILP modeling and logical inference for chemical process synthesis / R. Raman, I. Grossmann // Comp. Chem. Eng. - 1991. -V. 15. -№2. p. 73.

146. Raman, R. Integration of logic and heuristic knowledge in MINLP optimization for process synthesis / R. Raman, I. Grossmann // Comp. Chem. Eng. - 1993. - V. 16. - №3. p. 155.

147. Raman, R. Modeling and computational techniques for logical based integer programming / R. Raman, I. Grossmann // Comp. Chem. Eng. -1994. -V. 18. - №7. - P. 563.

148. Raman, R. Symbolic integration of logic in mixed integer linear programming techniques for process synthesis / R. Raman, I. Grossmann // Comp. Chem. Eng. -1993. - V. 17. - №9. p. 904.

149. Rathore, R.N.S. A Forward Branching Scheme for the Synthesis of Energy Recovery Systems / R.N.S. Rathore, G.J. Powers // Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. - 1975. - V. 14 (2). - P. 175-181.

150. Ravagnani, M.A.S.S. Heat exchanger network synthesis and optimisation using genetic algorithm / M.A.S.S. Ravagnani, A.P. Silva, P.A. Arroyo, A.A. Constantino // Applied Thermal Engineering. -2005. - V. 25. - P. 1003-1017.

151. Rong, B.G. Partially thermally coupled distillation systems for multicomponent separations / B.G. Rong, A. Kraslawski // AIChE Journal. - V. 49 (5). - P. 13401347.

152. Sargent, R.W.H. A functional approach to process synthesis and its application to distillation systems / R.W.H. Sargent // Com. Chem. Eng. - 1998. - V. 22. - P. 31.

153. Seider, W.D. Product and Process Design Principles: Synthesis, Analysis, and Evaluation, Third Edition / W.D. Seider, J.D. Seader, D.R. Lewin, S. Widagdo // John Wiley, 2009.

154. Seferlis, P. "Adaptive Collocation of Finite Element Models for the Optimization of Multi-Stage Distillation Units" / P. Seferlis, A. Hrymak // Chem. Eng. Sci. -1994. - V. 49. - P. 1396.

155. Shethna, H.K. A new methodology for simultaneous optimization of capital and operating cost targets in heat exchanger network design / H.K. Shethna, J.M. Jezowski, F.J.L. Castillo // Appl. Therm. Eng. - 2000. - V. 20 (15-16). - P. 15771587.

156. Sieniutycz, S. Minimal dissipation conditions of heat exchange systems / S. Sieniutycz, A.M. Tsirlin, A.A. Akhremenkov // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2017. - V. 110. - P. 539-544.

157. Skvortsova, M.I. Synthesis of partially thermally coupled distillation flowsheets: zeotropic mixtures / M.I. Skvortsova, A.V. Timoshenko, D.G. Rudakov // Theor. Found. Chem. Eng. - 2011. - V. 45, № 1. - P. 99.

158. Stewart, W.E "Simulation of Fractionation by Orthogonal collocation" / W.E Stewart, K. Levien, M. Morari // Chem. Eng. Sci. -1985. - V. 43. - P. 409.

159. Srivastava, R.K. "Reduced Order Models for Staged Separation Columns, IV. Treatment of Columns with Multiple Feeds and Sidestreams" / R.K. Srivastava, B. Joseph // Comp. Chem. Eng. - 1987. - V. 11. - P. 159.

160. Swartz, C.L. "A collocation Approach for Distillation column Design" / C.L. Swartz, W.E. Stewart // AIChE J. - 1986. - V. 32. - P. 1832.

161. Townsend, D.W. Heat and power networks in process design. Part II: Design procedure for equipment selection and process matching / D.W. Townsend, B. Linnhoff // AIChE J. - 1983. - V. 29. - P. 748-771.

162. Umeda, T. Heat exchanger systems synthesis / T. Umeda, J. Itoh, K. Shiroko // Chem Eng Prog. - 1978. - V. 74. - P. 70-76.

163. Unisim [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www. honeywellprocess. com/en-US/explore/products/advanced-applications/unisim/Pages/default.aspx

164. Viktorov, V.K. New Combinatorial Method for Synthesis of Heat Exchanger Networks / V.K. Viktorov // Chem. Eng. Res. Des. -1995. -V. 73 (A). - P. 915-918.

165. Wang, K. A New Retrofit Approach for Heat Exchanger Networks-Improved Genetic Algorithm / K. Wang, P. Yao, Y. Yuan, F. Yu, G. Shi // Chin. J. Chem. Eng. - 1997. - V. 5 (4). - P. 347- 358.

166. Westbrook, G. Use this Method to Size Each Stage for Best Operation / G. Westbrook // Hydrocarbon Process. Pet. Refin. -1961. - V. 40 (9). - P. 201-206.

167. Yee, T.F. Optimization models for heat integration — II. Heat exchanger network synthesis / T.F. Yee, I.E. Grossmann // Comput. Chem. Eng. -1990. -V. 14. - P. 1165-1184.

168. Yee, T.F. Simultaneous optimization models for heat integration - II. Synthesis of heat exchanger networks / T.F. Yee, I.E. Grossmann // Comput. Chem. Eng. -1990. -V. 14(10). - P. 1165-1184.

169. Yee, T.F. Simultaneous optimization models for heat integration — III. Process and heat exchanger network optimization / T.F. Yee, I.E. Grossmann, Z. Kravanja // Comput. Chem. Eng. -1990. - V. 14. - P. 1185-1200.

170. Yuan, X. Experiments in Process Synthesis via Mixed-Integer Programming / X. Yuan, L. Pibouleau, S. Domenech // Chem. Eng. Process. - 1989. - V. 25 (2). - P. 99-116.

171. Zhu, X.X. Diagnosis and optimization approach for heat exchanger network retrofit / X.X. Zhu, N.D.K. Asante // AIChE J. - 1999. -V. 45. - P. 1488-1503.

Приложение А. Результаты синтеза оптимальной системы теплообмена при реконструкции установки ректификации этилового спирта

Таблица А.1 - Оптимальные тепловые нагрузки рекуперативных

теплообменников (МВт*ч)

1Ь 2И 3И 4И 5И 6И 7И 8И 9И 10Ь

1с 3,91 4,04 4,04 1,6 1,81 3,88 0,62 0,02 0,07 0,04

2с 0 0 9,9 0 0 3,88 0 0 0 0

3с 0 0 5,21 0 0 3,88 0 0 0 0

4с 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

5с 1,1 4,34 5,19 0 0 3,88 0 0 0 0

6с 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

7с 0,52 0,52 0,52 0,52 0 0,52 0 0 0,01 0

8с 0 0 0,26 0 0 0,17 0 0 0 0

8с 0 0 0,26 0 0 0,17 0 0 0 0

9с 1,83 2,49 2,58 1,60 1,12 2,58 0,62 0,03 0,08 0,05

10с 0,00 0,01 0,31 0,00 0,00 0,28 0,00 0,00 0,00 0,00

Таблица А.2 - Оптимальные тепловые нагрузки кипятильников (МВт*ч)

1И 2И 3И 4И 5И 6И 7И 8И 9И 10Ь

1с 0,13 0 0 2,44 2,23 0,17 3,43 4,02 3,97 4

2с 9,9 9,9 0 9,9 9,9 6,02 9,9 9,9 9,9 9,9

3с 5,21 5,21 0 5,21 5,21 1,34 5,21 5,21 5,21 5,21

4с 11,46 11,46 11,46 11,46 11,46 11,46 11,46 11,46 11,46 11,46

5с 4,08 0,85 0 5,19 5,19 1,31 5,19 5,19 5,19 5,19

6с 4,17 4,17 4,17 4,17 4,17 4,17 4,17 4,17 4,17 4,17

7с 0 0 0 0 0,52 0 0,52 0,52 0,51 0,52

8с 1,85 1,85 1,59 1,85 1,85 1,69 1,85 1,85 1,85 1,85

9с 0,75 0,09 0 0,98 1,46 0 1,96 2,55 2,5 2,53

10с 0,67 0,66 0,36 0,67 0,67 0,4 0,67 0,67 0,67 0,67

Таблица А.3 - Оптимальные тепловые нагрузки холодильников (МВт*ч)

1И 2И 3И 4И 5И 6И 7И 8И 9И 10Ь

1с 4,13 0,3 6,74 0 3,64 0 0 0,01 0,01 0,01

2с 8,04 4,34 0,88 1,6 5,46 0 0,62 0,03 0,08 0,05

3с 8,04 4,34 5,57 1,6 5,46 0 0,62 0,03 0,08 0,05

4с 8,04 4,34 10,78 1,6 5,46 3,88 0,62 0,03 0,08 0,05

5с 6,94 0 5,6 1,6 5,46 0 0,62 0,03 0,08 0,05

6с 8,04 4,34 10,78 1,6 5,46 3,88 0,62 0,03 0,08 0,05

7с 7,52 3,82 10,26 1,08 5,46 3,35 0,62 0,03 0,07 0,05

8с 8,04 4,34 10,52 1,6 5,46 3,71 0,62 0,03 0,08 0,05

9с 6,21 1,85 8,2 0 4,34 1,30 0,00 0 0 0

10с 8,04 4,33 10,48 1,6 5,46 3,60 0,62 0,03 0,08 0,05

Таблица А.4 - Оптимальные значения площадей теплообмена рекуперативных

2

теплообменников (м )

1И 2И 3И 4И 5И 6И 7И 8И 9И 10И

1с 270,3 143,7 82,8 70,7 168,8 81,4 39,9 2,7 4,2 4,1

2с 0 0 624,7 0 0 281,4 0 0 0 0

3с 0 0 479,6 0 0 419,6 0 0 0 0

4с 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

5с 202,3 296,6 141,1 0 0 111,7 0 0 0 0

6с 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

7с 51 20,7 12,6 78,6 0 13,3 0 0 1,6 0

8с 0 0 38,8 0 0 29,4 0 0 0 0

9с 99,5 122,8 63,5 87,1 77,2 67,4 28,1 1,9 2,8 2,7

10с 0 2,1 29 0 0 28,5 0 0 0 0

Таблица А.5 - Оптимальные значения площадей теплообмена кипятильников

(м2)

1И 2И 3И 4И 5И 6И 7И 8И 9И 10И

1с 1,1 0 0 19,1 17,5 1,4 26,1 30,2 29,8 30,1

2с 99,4 99,4 0 99,4 99,4 58,1 99,4 99,4 99,4 99,4

3с 55,6 55,6 0 55,6 55,6 14,4 55,6 55,6 55,6 55,6

4с 305 305 305 305 305 305 305 305 305 305

5с 33,4 6,9 0 42,5 42,5 10,7 42,5 42,5 42,5 42,5

6с 100,1 100,1 100,1 100,1 100,1 100,1 100,1 100,1 100,1 100,1

7с 0 0 0 0 4,1 0 4,1 4,1 4 4,1

8с 26,9 26,9 23,7 26,9 26,9 24,9 26,9 26,9 26,9 26,9

9с 6,9 0,9 0 8,8 12,6 0 16,2 20,1 19,8 20

10с 8,4 8,3 5 8,4 8,4 5,4 8,4 8,4 8,4 8,4

Таблица А.6 - Оптимальные значения площадей теплообмена холодильников

( м2 )

1И 2И 3И 4И 5И 6И 7И 8И 9И 10И

1с 173,5 8,3 144,2 0 167,9 0 0 0,9 0,5 0,9

2с 326,4 116,8 17,3 62,1 251,4 0 29,6 2,2 3,9 4,1

3с 326,4 116,8 113,1 62,1 251,4 0 29,6 2,2 3,9 4,1

4с 326,4 116,8 235,7 62,1 251,4 83,2 29,6 2,2 3,9 4,1

5с 281,9 0 118,8 62,1 251,4 0 29,6 2,2 3,9 4,1

6с 326,4 116,8 235,7 62,1 251,4 83,2 29,6 2,2 3,9 4,1

7с 302,9 107,1 225 41,7 251,4 71,5 29,6 2,2 3,3 4,1

8с 326,4 116,8 229,6 62,1 251,4 79,4 29,6 2,2 3,9 4,1

9с 254,6 52,4 176,2 0 199,9 26,5 0 0 0 0

10с 326,4 126,6 228,5 62,1 251,4 77 29,6 2,2 3,9 4,1

Таблица А.7 - Найденные оптимальные значения расходов горячих

теплоносителей (кг/с)

1Ь 2И 3И 4И 5И 6И 7И 8И 9И 10Ь

1с 0,06 0 0 1 0,91 0,07 1,38 1,6 1,58 1,59

2с 4,43 4,43 0 4,43 4,43 2,69 4,43 4,43 4,43 4,43

3с 2,35 2,35 0 2,35 2,35 0,61 2,35 2,35 2,35 2,35

4с 6,45 6,45 6,45 6,45 6,45 6,45 6,45 6,45 6,45 6,45

5с 1,73 0,36 0 2,2 2,2 0,56 2,2 2,2 2,2 2,2

6с 2,28 2,28 2,28 2,28 2,28 2,28 2,28 2,28 2,28 2,28

7с 0 0 0 0 0,22 0 0,22 0,22 0,21 0,22

8с 0,84 0,84 0,73 0,84 0,84 0,78 0,84 0,84 0,84 0,84

9с 0,32 0,04 0 0,41 0,6 0 0,79 0,99 0,98 0,98

10с 0,3 0,29 0,17 0,3 0,3 0,18 0,3 0,3 0,3 0,3

Таблица А.8 - Найденные оптимальные значения расходов холодных

теплоносителей (кг/с)

1Ь 2И 3И 4И 5И 6И 7И 8И 9И 10Ь

1с 25,24 1,52 22,51 0 32,2 0 0 0,22 0,12 0,29

2с 43,48 18,88 3,06 9,58 48,21 0 5,73 0,45 0,52 0,5

3с 43,48 18,88 18,99 9,58 48,21 0 5,73 0,45 0,52 0,5

4с 43,48 18,88 35,7 9,58 48,21 13,33 5,73 0,45 0,52 0,5

5с 38,78 0 18,74 9,58 48,21 0 5,73 0,45 0,52 0,5

6с 43,48 18,88 35,7 9,58 48,21 13,33 5,73 0,45 0,52 0,5

7с 41,57 16,97 34 6,74 48,21 11,64 5,73 0,45 0,49 0,5

8с 43,48 18,88 34,9 9,58 48,21 12,84 5,73 0,45 0,52 0,5

9с 35,33 9,02 27,36 0 38,34 4,57 0 0 0 0

10с 43,48 18,17 34,75 9,58 48,21 12,47 5,73 0,45 0,52 0,5

Таблица А.9 - Приведенные капитальные затраты на рекуперативные теплообменники (у.е./год)

1Ь 2Ь 3Ь 4Ь 5Ь 6Ь 7Ь 8Ь 9Ь 10Ь

1с 156462 94505 61350 54272 107424 60553 35213 6781 8372 8232

2с 0 0 307709 0 0 161577 0 0 0 0

3с 0 0 248421 0 0 222971 0 0 0 0

4с 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

5с 124052 168556 93183 0 0 77495 0 0 0 0

6с 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

7с 42321 21897 15721 58917 0 16254 0 0 5558 0

8с 0 0 34481 0 0 28157 0 0 0 0

9с 70814 83496 49968 63786 58115 52330 27229 5914 6961 6825

10с 0 6163 27867 0 0 27486 0 0 0 0

Таблица А.10 - Суммарные приведенные капитальные и эксплуатационные

затраты на холодильники (у.е./год)

1Ь 2Ь 3Ь 4Ь 5Ь 6Ь 7Ь 8Ь 9Ь 10Ь

1с 487855 35874 430575 0 576514 0 0 8259 6255 9049

2с 831389 361903 66395 194727 846331 0 114458 13423 16796 16869

3с 831389 361903 360611 194727 846331 0 114458 13423 16796 16869

4с 831389 361903 669382 194727 846331 262059 114458 13423 16796 16869

5с 740656 0 361662 194727 846331 0 114458 13423 16796 16869

6с 831389 361903 669382 194727 846331 262059 114458 13423 16796 16869

7с 791146 329171 639599 139130 846331 229997 114458 13423 15688 16869

8с 831389 361903 654711 194727 846331 252497 114458 13423 16796 16869

9с 677038 178921 517924 0 680515 95925 0 0 0 0

10с 831389 359815 652024 194727 846331 245568 114458 13423 16796 16869

Таблица А.11 - Суммарные приведенные капитальные и эксплуатационные затраты на кипятильники (у.е./год)

1Ь 2И 3И 4И 5И 6И 7И 8И 9И 10Ь

1с 681536 0 0 11809914 10824481 850840 16302390 18938241 18716714 18856051

2с 52418596 52418596 0 52418596 52418596 31903974 52418596 52418596 52418596 52418596

3с 27875167 27875167 0 27875167 27875167 7195863 27875167 27875167 27875167 27875167

4с 76455967 76455967 76455967 76455967 76455967 76455967 76455967 76455967 76455967 76455967

5с 20506836 4259922 0 26050626 26050626 6594312 26050626 26050626 26050626 26050626

6с 27024009 27024009 27024009 27024009 27024009 27024009 27024009 27024009 27024009 27024009

7с 0 0 0 0 2593299 0 2593299 2593299 2542965 2593299

8с 10022010 10022010 8719634 10022010 10022010 9200634 10022010 10022010 10022010 10022010

9с 3789088 468307 0 4874549 7100914 0 9303042 11738437 11552942 11658418

10с 35367501 3483763 2002638 35367501 35367501 2173029 35367501 35367501 35367501 35367501

0\ 6

Таблица А.12 - Оптимальные тепловые нагрузки рекуперативных теплообменников и кипятильников (МВт)

Рекуперативный теплообменник Кипятильник

11Ь 12Ь 13Ь 11Ь 12Ь 13Ь

1с 1,62 4,04 4,04 2,42 0 0

2с 0,69 2,02 0 9,21 7,88 9,90

3с 0,62 1,85 0 4,59 3,36 5,21

4с 0 0 0 11,46 11,46 11,46

5с 1,07 3,07 1,66 4,12 2,12 3,53

6с 0 0 0 4,17 4,17 4,17

7с 0,52 0,52 0,52 0 0 0

8с 0,57 1,69 0 1,29 0,16 1,85

9с 1,84 2,58 2,43 0,74 0 0,15

10с 0,67 0,67 0 0 0 0,67

Таблица А.13 - Оптимальные значения площадей теплообмена рекуперативных теплообменников и кипятильников (м )

Рекуперативный теплообменник Кипятильник

11Ь 12Ь 13Ь 11Ь 12Ь 13Ь

1с 59,7 117,3 265,4 18,9 0 0

2с 38,8 110,2 0 92,4 79,1 99,4

3с 37,7 107,9 0 49,0 36,0 55,6

4с 0 0 0 305,0 305,0 305,0

5с 46,3 129,1 149,1 33,7 17,4 28,9

6с 0 0 0 100,1 100,1 100,1

7с 9,9 7,9 22,9 0 0 0

8с 43,7 223,9 0 19,9 2,9 26,9

9с 81,8 49,7 143,8 6,8 0 1,5

10с 57,1 26,7 0 0 0 8,4

Таблица А.14 - Оптимальные значения расходов горячих теплоносителей (кг/с)

11Ь 12Ь 13Ь

1с 0,99 0 0

2с 4,12 3,52 4,43

3с 2,07 1,52 2,35

4с 6,45 6,45 6,45

5с 1,75 0,90 1,50

6с 2,28 2,28 2,28

7с 0 0 0

8с 0,61 0,08 0,84

9с 0,31 0 0,07

10с 0 0 0,30

Таблица А.15 - Приведенные капитальные затраты на рекуперативные теплообменники и суммарные приведенные капитальные и эксплуатационные затраты на кипятильники (у.е./год)

Рекуперативный теплообменник Кипятильник

11Ь 12Ь 13Ь 11Ь 12Ь 13Ь

1с 47709 80564 154192 11710004 0 0

2с 34510 76689 0 48765512 41710843 52418596

3с 33749 75403 0 24560219 18033903 27875167

4с 0 0 0 76455967 76455967 76455967

5с 39319 86843 97315 20690326 10654332 17739397

6с 0 0 0 27024009 27024009 27024009

7с 13473 11796 23518 0 0 0

8с 37702 134535 0 7180332 976445 100220010

9с 60752 41517 94599 3725748 0 807666

10с 46079 26283 0 0 0 3536751

Приложение Б. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

Акты об использовании результатов диссертационной работы

ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ

«Технологии Оптимального Проектирования»

ИНН 1655355503, КПП 165501001

Юрид. адрес: 420107, РТ, г. Казань, ул. Островского, д.79, офис 302 Почт, адрес: 420107, РТ, г. Казань, ул. Островского, д.79, офис 302 Конт.тел.: [phone] факс: [phone] e-mail:

р/с 40702810845020000909 в ПАР «АК БАРС» БАНК к/с 30101810000000000805 БИК 049205805

АКТ

об использовании результатов диссертационной работы соискателя кафедры системотехники Казанского национального исследовательского технологического университета Емельянова Ильи Игоревича на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Настоящий акт составлен о том, что результаты диссертационной работы «Оптимальная одностадийная теплоинтеграция при синтезе и реконструкции систем ректификационных колонн», выполненные соискателем кафедры системотехники Казанского национального исследовательского технологического университета Емельяновым Ильей Игоревичем, переданы для использования в ООО «Технологии Оптимального Проектирования» для решения задач энергоресурсосбережения при технологических систем.

С уважением, Директор ООО «ТОП»

УТВЕРЖДАЮ,

КНИТУ

£ Г.О. Ежкова

2017г.

акт

об использовании результатов диссертационной работы «Оптимальная одностадийная теплоинтеграция при синтезе и реконструкции систем ректификационных колонн» Емельянова И.И. в учебном процессе кафедры системотехники ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Настоящий акт составлен о том, что в учебном процессе кафедры системотехники ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» используются следующие материалы диссертационной работы Емельянова И.И, представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук:

1. Введены в учебный и научный оборот новые определения: «суперструктура элементарного блока системы теплообмена (СЭБСТ)» и «элементарный блок системы теплообмена (ЭБСТ)».

2. Методика синтеза оптимальных одностадийных систем теплообмена на основе задачи о назначениях включающая предложенные подходы, способы и алгоритмы теплоинтеграции.

3. Компьютерную модель установки ректификации этилового спирта, реализованную в среде универсальной моделирующей программы итзут/Нузуэ.

4. Программный комплекс оптимального синтеза оптимальных систем одностадийного теплообмена построенный в среде математического пакета МаЙЬаЬ и интегрированного с универсальной моделирующей программой ишэут/Нузуз.

Указанные материалы используются в лекционных курсах и при проведении лабораторных занятий по дисциплинам «Математическое моделирование объектов химической технологии», «Компьютерное

моделирование объектов химической технологии», «Анализ и синтез химико-технологических процессов и систем», «Методы оптимизации»» направления бакалавриата 27.03.03 «Системный анализ и управление в химических технологиях», а также в дисциплинах подготовки аспирантов направления 27.06.01 «Управление в технических системах», направленности «Системный анализ, управление и обработка информации (в химической технологии)».

Директор института УАиИТ, к.т.н., доцент

Р.К. Нургалиев

Заведующий кафедрой системотехники, д.т.н., профессор