Оптимизация аппаратурно-технологического оформления реакторного узла некаталитической гидратации оксида этилена тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Аль-Омари Мохаммед Ибрагим Мифле

• Аль-Омари Мохаммед Ибрагим Мифле
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Аль-Омари Мохаммед Ибрагим Мифле

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Требования предъявляемые к реакторным системам для проведения многопродуктовых реакций.

1.2. Математическое описание реакторного узла сложной структуры.

1.3. Типовые задачи оптимизации реакторных процессов.

Выводы по литературному обзору и постановке задачи исследований.

Глава 2. Теоретические основы режимно-технологической оптимизации многопродуктовых процессов непрерывного типа.

2.1. Анализ теоретических закономерностей протекания реакций в различных аппаратах и обоснование гипотетической структуры реакторного узла.

2.2. Математическая модель однородной реакторной системы.

2.3. Математическое описание структуры гидродинамических потоков гипотетической однородной реакторной системы.

2.4. Критерий режимно-технологической оптимизации реакторной системы.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Алгоритмическое обеспечение моделирования и оптимизации многопродуктовых реакторных процессов.

3.1. Алгоритмическое и программное обеспечение моделирования однородных реакторных систем непрерывного типа.

3.2. Алгоритм режимно-технологической оптимизации реакторной системы.

3.3. Численный анализ и оптимизация типовой многопродуктовой реакторной системы на примере процесса оксиэтилирования метанола.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Оптимизация процесса некаталитической гидратации оксида этилена.

4.1. Постановка задачи исследований.

4.2. Разработка математической модели статики основных аппаратов реакторного узла.

4.3. Оптимизация процесса синтеза гликолей с целью создания гибкой реакторной системы.

4.4. Синтез системы управления.

Выводы к главе 4.

Основные результаты работы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация аппаратурно-технологического оформления реакторного узла некаталитической гидратации оксида этилена»

Актуальность темы. Сложные многостадийные реакции последовательно-параллельного типа, протекающие с образованием гаммы продуктов, широко распространены в технологии основного органического синтеза и являются физико-химической основой для создания многопродуктовых производств непрерывного типа.

Аппаратурно-технологическое оформление функционирующих в настоящее время производств спроектировано таким образом, что не позволяет учитывать динамического состояния рыночной экономики, и не отвечает требованиям малоотходное, так как ориентировано на выпуск одного, двух продуктов с фиксированной производительностью. Вместе с тем изменение конъюнктуры рынка, то есть изменение спроса и цены на исходные реагенты и те или иные продукты реакции, а также требования ресурсосбережения делают актуальной задачу создания работоспособных гибких многопродуктовых производств непрерывного типа, основной стадией которых является гибкая реакторная подсистема. Для этого необходимо решение задачи оптимального аппаратурно-технологического оформления и организации оптимального функционирования химико-технологической системы в изменяющихся условиях. Поэтому актуальной становится разработка математических методов и программно-алгоритмического обеспечения для решения поставленной задачи.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с межвузовской НТП "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" - проект 003.01.04.02 и единым заказ-нарядом ИГХТУ, утвержденным Минобразованием РФ.

Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ и программно-алгоритмического обеспечения решения задачи оптимального синтеза гибких многопродуктовых реакторных систем, для проведения жидкофазных последовательно-параллельных реакций и его использование для оптимизации промышленно важных реакторных процессов.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

- обоснована интегро-гипотетическая структура реакторного узла для реализации последовательно-параллельных реакций, позволяющая управлять селективностью процесса по различным продуктам;

- разработаны варианты математического описания реакторной системы, отражающего многоуровневый характер процессов и явлений, протекающих в отдельных блоках системы и учитывающего взаимовлияние блоков;

- сформулированы этапы оптимального синтеза системы;

- разработано программно-алгоритмическое обеспечение расчета и режимно-технологической и структурной оптимизации реакторной системы;

- решена задача оптимизации аппаратурно-технологического оформления реакторного узла получения этиленгликолей путем некаталитической гидратации оксида этилена.

Методы исследований. В работе использованы методология и математический аппарат системного анализа и синтеза химико-технологических систем, методы моделирования и оптимизации.

Научная новизна. Предложена интегро-гипотетическая структура гибкой реакторной системы для проведения последовательно-параллельных реакций, позволяющая управлять селективностью процесса по различным продуктам.

Предложен подход к синтезу математического описания однородной реакторной системы как единого "большого" аппарата, базирующегося на допущении 6 состоянии микросмешения элементов жидкости в системе в целом. Модель в указанной форме позволяет существенно сократить затраты времени на расчет и оптимизацию схемы.

Разработана процедура полуаналитического определения вида и параметров функции распределения элементов жидкости по времени пребывания в сложной системе.

На примере типовой последовательно-параллельной реакции жидкофаз-ного оксиэтилирования метанола путем вычислительного эксперимента показано влияние технологических и структурных переменных на селективность процесса по различным продуктам и доказана возможность синтеза гибкой реакторной системы.

Теоретическое исследование системы дифференциальных уравнений, описывающих статику адиабатического реактора вытеснения для проведения реакции некаталитической гидратации оксида этилена позволило получить аналитические расчетные соотношения для концентраций продуктов при полном превращении оксида этилена при произвольных начальных условиях.

Практическая ценность. Разработано алгоритмическое и программно-математическое обеспечение моделирования статических режимов однородных реакторных систем, учитывающее структуру математического описания реакторного узла.

Разработан алгоритм и программные средства режимно-технологи-ческой оптимизации реакторной системы, которые могут использоваться как на стадии проектирования реакторного узла, так и при оптимизации действующих производств в составе автоматизированных систем управления или контроля.

Произведено исследование процесса некаталитической гидратации оксида этилена, в результате которого предложено оптимальное аппаратурно-технологическое оформление реакторного узла, повышающее гибкость системы.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на международной студенческой конференции "Фундаментальные науки - специалисту нового века" (г. Иваново, 2002г).

Публикации. Материалы диссертации получили отражение в трех публикациях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка литературы из 98 наименований. Работа изложена на 101 странице машинописного текста, содержит 16 рисунков и 4 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Аль-Омари Мохаммед Ибрагим Мифле

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Обоснована гипотетическая структура многопродуктовой реакторной подсистемы, обладающей свойством технологической и структурной гибкости, которая позволяет оперативно управлять селективностью процесса по различным продуктам.

2. Сформулирован критерий оптимальности реакторной подсистемы, отражающий степень близости технологического режима реакторной подсистемы к экономически целесообразному.

3. Предложен подход к расчету однородных реакторных систем с многопродуктовыми реакциями и разработано программно-алгоритмическое обеспечение расчета и оптимизации систем.

4. Методом вычислительного эксперимента на примере реакции оксиэтили-рования метанола доказана возможность создания многопродуктовой реакторной подсистемы, способной адаптироваться к изменяющемуся спросу на продукты реакции.

5. Разработано математическое описание статики и динамики процесса некаталитической гидратации оксида этилена. Теоретическое исследование системы дифференциальных уравнений описывающих статику адиабатического реактора вытеснения, позволило получить аналитические расчетные соотношения для концентраций продуктов при полном превращении оксида этилена и произвольных начальных условиях.

6. Предложено оптимальное аппаратурно-технологическое оформление реакторного узла, повышающее гибкость системы и позволяющее управлять селективностью процесса по целевым продуктам.

7. Разработана функциональная структура двухуровневой системы оптимального управления реакторным узлом в условиях отсутствия информации о текущих значениях концентраций исходных реагентов и продуктов реакции.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Аль-Омари Мохаммед Ибрагим Мифле, 2005 год

1. Кафаров B.B. Принципы создания безотходных химических производств. -М.: Химия, 1982. - 288 с.

2. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. Ресурсосберегающие химические производства // Итоги науки и техники / Серия: "Процессы и аппараты химической технологии". -М.: ВИНИТИ, 1987. -т.15. С. 85-159.

3. Кафаров В.В., Макаров В.В. Гибкие автоматизированные производственные системы в химической промышленности. -М.: Химия, 1990. 320 с.

4. Макаров В.В. Математическое моделирование периодических процессов и систем химической технологии. Учебное пособие МХТИ им. Д.И. Менделеева. -М., 1984. 54 с.

5. Кафаров В.В., Макаров В.В., Егоров А.Ф. Гибкие автоматизированные системы химической промышленности. // Итоги науки и техники / Серия: "Процессы и аппараты химической технологии". -М.: ВИНИТИ, 1988. -т.16.-С. 92-161.

6. Егоров А.Ф. Принципы и стратегия гибкого управления многоассортиментными химическими производствами в условиях неопределенности. // Автореферат диссертации доктора техн. наук. -М., 1995.

7. Панченков Г.М., Лебедев В.П. Химическая кинетика и катализ. Учебное пособие для вузов. 3-е изд. испр. и доп. -М.: Химия, 1985. - 590 с.

8. Адельсон C.B., Вишнякова Т.П., Пушкин Я.М. Технология нефтехимического синтеза: учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. -М.:Химия,1985. - 608с.

9. Жоров Ю.М. Кинетика промышленных органических реакций. Справочник. -М.: Химия, 1989. 384 с.

10. Ю.Лебедев H.H., Манаков М.Н., Швец В.Ф. Теория технологических процессов основного органического и нефтехимического синтеза. -М.: Химия, 1975.-477 с.

11. Лебедев H.H. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. 2-е изд. -М.: Химия, 1981. 608 с.

12. Гехтман Б.Н. Кинетика многоступенчатых реакций. Новосибирск: Наука, 1980.- 110 с.

13. Н.О. Hartly // Technometrix. 1961. - v.3, №2. - p. 269-280.

14. Halemane K.P., Grossman I.E. // AICHE Journal. 1983. - v.29, №3. - p.425.

15. Островский Г.М., Волин Ю.М., Головацкий Д.В. Оценка гибкости в задачеоптимизации действующих ХТП. // IV Всероссийская научная конференция "Динамика процессов и аппаратов химической технологии". Ярославль, 1994,-С. 162-163.

16. Волин Ю.М., Островский Г.М. Оптимизация ХТП в условиях частичной неопределенности исходной информации. // Сб. рефератов IV Международной научной конференции "Методы кибернетики ХТП". -М., 1994, С. 78-80.

17. Островский Г.М., Волин Ю.М. // Докл. РАН. 1992. т.323, №2. - С. 341.

18. Писаренко В.Н. Идентификация математических моделей химических реакторов. // Итоги науки и техники / Серия: "Процессы и аппараты химической технологии". -М.: ВИНИТИ, т.9. 1981. - С. 3-86.

19. Островский Г.М., Волин Ю.М. Анализ гибкости химико-технологических процессов и многоэкстремальность. Теоретические основы химии и химической технологии, 1998, том 32, №4, с. 459-469.

20. Касаткин Л.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 8-е. М., Химия, 1971.-784 с.

21. Островский Г.М., Бережинский Т.А. Оптимизация ХТП. Теория и практика. -М.: Химия, 1984. 239 с.

22. Кафаров В.В., Мешалкин В.П., Перов В.Л. Математические основы автоматизированного проектирования химических производств. -М.: Химия, 1979.-315 с.

23. Жерновая И.М., Кафаров В.В. Процессы перемешивания в жидких средах. // Итоги науки и техники / Серия: "Процессы и аппараты химической технологии". -М: ВИНИТИ, 1975. т.2.

24. Гордеев JI.C. Жидкофазные химические реакторы. // Итоги науки и техники / Серия: "Процессы и аппараты химической технологии". М.: ВИНИТИ, - т.4. 1976. - С. 82-166.

25. Кафаров В.В., Жерновая И.М. Моделирование химических реакторов // Итоги науки и техники / Серия: "Процессы и аппараты химической технологии". М.: ВИНИТИ, 1980. т.8. - С. 3-76.

26. Бесков B.C., Флокк В. Моделирование каталитических процессов и реакторов. -М.: Химия, 1991. С. 253.

27. Математическое моделирование каталитических реакторов.// Сб. научных трудов под редакцией Ю.Ш. Матроса. Новосибирск: Наука. 1989. - 263с.

28. Жукова Т.Б. Исследование и моделирование барботажных реакторов колонного типа. // Итоги науки и техники / Серия: "Процессы и аппараты химической технологии". -М.: ВИНИТИ. 1991. -т.18. 99 с.

29. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии, -3-е изд., -М.: Химия, 1976. 496 с.

30. Математическое моделирование химических реакторов. Под редакцией Г.И. Марчук. Новосибирск: Наука, 1984. 164 с.

31. Масштабный переход в химической технологии. Разработка промышленных аппаратов методом гидродинамического моделирования./ Розен A.M., Мартюшин Е.И., Олевский В.М. и др. под ред. Розена A.M. М.: Химия, 1980.

32. Вертузаев Е.Д. Опыт масштабного перехода при разработке промышленных массообменных аппаратов. Хим. промышленность, 1990, №4, с. 223227.

33. Gyokhegyi Laszlo. A meretnoveles rol a vegyiparban, Mady. Kern. Lapja. 1988, v. 43, №9, p.321-324.

34. Розен A.M. Гидродинамическое моделирование экстракторов. Теоретические основы химической технологии. 1981, т. 15, № 1, с. 46-61.

35. Dankverts P.V. // Chem. Eng. Sei. 1958. - v.9, - p.23.

36. Zwetering T.N. // Chem. Eng. Sei. 1959. - v.l 1, - p.l.

37. Заев A.B. Математическое описание процессов в химических реакторах. Учебное пособие. -М.: МИХМ, 1977. 76 с.

38. Nishimura У., MatsubaraM. // Chem. Eng. Sei. 1970. - v.25, №12, - p.1785.

39. Goto S., Matsubara M. // Chem. Eng. Sei. 1975. - v.30, №1, - p. 61-70.

40. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов. Пер. с англ. / Под ред. М.Г. Слинько. -М.: Химия, 1969. 624 с.

41. Крамере X., Вестертерп К. Химические реакторы. Расчет и управление ими. -М.: Химия, 1967. 264 с.

42. Weinstein Н., Adler R.G. // Chem. Eng. Sei. 1967. - v.22, - p.65.

43. Susuki M. // Chem. Eng. Japan. 1971. - v.4, №4, - p. 354-358.

44. Гордеев Л.С., Кафаров B.B., Ескендиров Ш.З. // Тр. НИОХИМ. Автоматизация процессов содов. произв. -Л.: Химия, 1975. С. 77-80.

45. Лабутин А.Н. Разработка непрерывных процессов жидкофазного хлорирования на примере хлорирования ПВХ. // Автореферат кандидатской диссертации. -М., 1978.

46. Kocis G.R., Grossman I.E. //Comput. Chem. Engng. 1989. - v. 13, - p.797.

47. Duran M.A., Grossman I.E. // AI CHE Journal. 1980. - №32,- p. 592.

48. Островский Г.М., Бережинский T.A., Беляева A.P. Алгоритмы оптимизации химико-технологических процессов. -М.: Химия, 1978. 292 с.

49. Лапидус A.C. Экономическая оптимизация химических производств. -М.: Химия, 1986.-208 с.

50. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. -М.: Химия, 1975. 575 с.

51. Кривошеев В.П. Автоматизация непрерывных технологических процессов нефтехимических производств на основе двухуровневых систем управления. // Автореферат диссертации доктора технических наук. -М., 1989.

52. Gruhn G., Hartman К. System Verfahrentechniscer // Bd. 2, Leipzig, VEB,

53. Deutcher Verlag fur Grundstoffinolustrie, 1977, 186 p.

54. Бобров Д.А., Кафаров B.B., Перов В.Л. Оптимизация ХТС. -М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1979. 50 с.

55. Иванов В.А. Принципы оптимальной организации энергозамкнутых технологических схем. // Автореферат диссертации доктора технических наук. -М., 1986.

56. Сметанин Ю.В. Декомпозиционный подход математического моделирования и оптимизации химико-технологических систем. // ТОХТ. 1992. -№4. - С. 596-599.

57. Холодное В.А. Системный анализ и математическое моделирование статических режимов химико-технологических объектов на основе учета структуры уравнений математического описания. // Автореферат диссертации доктора технических наук. Санкт-Петербург, 1995.

58. Hartman К. Modelling and Optimirung Verfakrenteckniscer Systeme. // Berlin, Academic Verlag. 1978, 335 p.

59. Кафаров B.B., Мешалкин В.П. Докл. АН СССР. 1979. - т.246, №6. - С. 1435-1439.

60. Ьее К.Е., Masso А.Н., Rudd D.F. // Ind. Eng. Chem. Fundament. 1970. v.9, №11. - p. 48.

61. Gruhn G., Hartman K. System Verfahrentechniscer // Bd. 2, Leipzig, VEB, Deutcher Verlag fur Grundstoffinolustrie, 1977, 186 p.

62. Островский Г.М., Шевченко А.Л. // ТОХТ. 1979. - т. 13, №3. - с. 426.

63. Т 69.0стровский Г.М., Зиятдинов H.H., Борисевич Т.В. Методы избыточныхструктурных параметров в задаче синтеза ХТС. // Тезисы докладов IV Международной конференции "КХТП IV - 94". -М., 1994. - С. 104-105.

64. Островский Г.М., Волин Ю.М., Сенявин М.М., Бережинский Г.А. // ТОХТ. 1994.-T.28.-c. 54.

65. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии. Основы стратегии. -М: Наука, 1979. 430 с.

66. Лабутин А.Н. Оптимизация многопродуктовых реакторных систем непрерывного типа. // Изв. ВУЗов. Химия и хим. технология. 1999, - т.42,4 вып.1.-С. 117-122.

67. Лабутин А.Н. Оперативное управление гибкой многопродуктовой реакторной системой. // Межвуз. сб. научн. тр. "Проблемы экономики, финансов и управления производством". Иваново, 1998. - вып.2. - с. 321-334.

68. Уилкинсон Р. Справочник алгоритмов на языке Алгол. Линейная алгебра. Пер. с англ. -М.: Машиностроение, 1976. 390 с.

69. Кафаров В.В., Ветохин В.Н., Бояринов А.И. Программирование и вычислительные методы в химии и химической технологии. -М.: Наука, 1972. -420 с

70. Федоренко Р.П. Введение в вычислительную физику. М.: Издательство московского физико-технического института, 1994. - 526 с.

71. Титов Н.И., Успенский В.К. Моделирование систем с запаздыванием. -Л.: Энергия, 1978.-96 с.

72. Швец В.Ф., Цивинский Д.Н. Кинетика реакции оксиэтилирования спиртов в бинарных смесях спирт-окись этилена. // Кинетика и катализ. 1981. - т. 22.-С. 1192.

73. Швец В.Ф., Цивинский Д.Н. Кинетика оксиэтилирования спиртов в избытке окиси этилена. // Химическая промышленность.- 1978. № 5. - С. 330.

74. Швец В.Ф., Цивинский Д.Н., Макаров М.Г. Состав продуктов реакции окиси этилена с первичными спиртами в избытке окиси этилена. // Химическая промышленность. 1978. - № 10. - С. 737.

75. Макаров М.Г., Швец В.Ф., Д.Н., Сучков Ю.П. // Химическая промышленность. 1987.-№ 2. - С. 77.

76. Швец В.Ф. Математическое моделирование и оптимизация в химической технологии./АСоровский образовательный журнал. 1998, №10. с. 149-154.

77. Иоффе B.C., Новикова Т.А. Производство этиленгликоля за рубежом. -М.: НИИТЭХИМ, 1980.-36с.

78. Weismantel G.E. New technology sparks ethylene glycol debate // Chem. Eng. -1979. V.86, №2. -p. 67-68, 70.

79. Bergman J. Nya framstaUningsprocesser for etylenglycol // Kem. Tidskr. — 1976. -V.88, №11. -p. 62-63.

80. Дымент O.H. и др. Гликоли и другие производные окисей этилена и пропилена. М.: Химия, 1976. - 230с.

81. Разработка комплексных схем процессов получения алкиленгликолей: Отчет о НИР/промежуточ./; Руководитель С.З. Левин. — №ГР 74006425; инв.№Б414230. Ленинград, 1974. 73с.

82. Ethylene oxide & glygols // Hydrocarbon Process. 1981. - V. 60, №1 - p. 161.

83. Ethylene oxide & glygols // Hydrocarbon Process. 1981. - V. 60, №11 -p. 162.

84. Ethylene oxide & glygols // Hydrocarbon Process. 1981. - V. 60, №1 -p. 163.

85. Natta G., Mantica E. The distribution of products in a series consecutive competitive reactions//J. AM. Chem. Soc. 1952. - V.74, №12. - p. 3152-3156

86. Potter C., McDonald W.C. // Can J. Research. 1947. - №258. - p. 415

87. Сталл Д., Вестарм Э., Зинке Г. Химическая термодинамика органических соединений. -М.: Мир, 1971.

88. Лабутин А.Н., Головушкин Б.А., Головушкин А.А., Гордеев Л.С. Исследование динамических характеристик адиабатических реакторов идеальноговытеснения. // Известия ВУЗов. Химия и хим. Технология. 1995. - т.38, вып. 1-2. — С. 164-169.

89. Шаргородский М.А., Гордеев Л.С., Грошев Г.Л., Лабутин А.Н. Моделирование кинетики реакции некаталитической гидратации оксида этилена. // Известия ВУЗов. Химия и хим. Технология. 1986. - т.29, вып. 10. - С. 136139.

90. Лебедев H.H., Савельянов В.П., Баранов Ю.И. О закономерностях в распределении окиси этилена при ее реакции со спиртами и водой и расчет состава образующихся продуктов. // ЖПХ. 1969. - т.42, №8. - С. 18151824.