Разработка энергосберегающих систем разделения углеводородных смесей с низкой температурой кипения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.04, кандидат наук Абсаттаров Артур Ильдарович

• Абсаттаров Артур Ильдарович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Абсаттаров Артур Ильдарович

Введение

1. Литературный обзор

1.1. Область исследования

1.1.1. Органические вещества с низкой температурой кипения

1.1.2. Применение процессов разделения смесей с НТК

1.2. Подходы к разработке технологических схем

1.2.1. Метод, основанный на применении эвристических правил

1.2.2. Метод эволюции

1.2.3. Метод концентрационных симплексов подмножества составов питания

1.2.4. Метод, основанный на динамическом программировании

1.2.5. Метод, основный на декомпозиции задачи разделения

1.2.6. Метод ветвей и границ

1.2.7. Метод суперструктуры

1.2.8. Метод CAFD

1.2.9. Выводы по главе

1.3. Критерии оптимизации

1.3.1. Критерий основанный на расходе пара через колонну

1.3.2. Коэффициент простоты сепарации

1.3.3. Критерии оптимизации, основанные на значениях флегмовых чисел

1.3.4. Критерии оценки ХТС, основанные на приведенных затратах

1.3.5. Выводы главе

1.4. Методы оптимизации тепловых затрат при разделении смесей с НТК

1.4.1. Теплоинтегрированные методы ректификации

1.4.2. Полуоткрытые холодильные циклы

1.4.3. Методика разработки энергоэффективных технологических схем - пинч-анализ

1.4.4. Выводы по главе

1.5. Выводы по главе

1.6. Постановка задач

2. Декомпозиция системы разделения смеси с НТК на элементы, и разработка критериев их оптимизации

2.1. Декомпозиция системы разделения

2.2. Вывод критериев оптимизации

2.2.1. Элемент А: разделение с применением водяного пара и хладагента

2.2.2. Элемент Б: разделение с применением хладагента для отвода тепловой энергии от дефлегматора и его же паров для обогрева кипятильника

2.2.3. Элемент В: разделение с конденсацией паров хладагента 1-ого холодильного цикла в кипятильнике колонны и с применением хладагента 2-ого ХЦ дефлегматоре

2.2.4. Элемент Г: разделение с водяным паром в качестве теплоносителя оборотной водой в качестве хладагента

2.2.5. Итоги вывода критериев оптимизации элементов разделения

2.3. Определение удельных затрат на подготовку хладагента

2.3.1. Водооборотный цикл

2.3.2. Холодильные циклы

2.3.3. Выводы по главе

3. Разработка метода и модели построения и оценки всего множества вариантов разделения многокомпонентной смеси

3.1. Анализ исходной смеси

3.2. Суперструктура множества вариантов последовательности разделения

3.3. Создание математической модели

3.3.1. Построение материального баланса

3.3.2. Определение оптимального соотношения числа тарелок, номера тарелки питания

и флегмового числа по критерию КК

3.3.3. Оптимизация элементов суперструктуры

3.3.4. Определение капитальных затрат

3.3.5. Выбор оптимальных параметров элементов

3.4. Выводы по главе

4. Определение оптимальной последовательности разделения смеси продуктов пиролиза

5. Сравнение схемы, соответствующей оптимальной последовательности со схемой

существующего производства

Выводы

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка энергосберегающих систем разделения углеводородных смесей с низкой температурой кипения»

Введение

Актуальность работы. Процессы разделения смесей с низкой температурой кипения применяют при производстве широкой номенклатуры продуктов органического синтеза. Такие процессы вследствие их крупнотоннажности и непрерывности характеризуются высокими затратами тепловой энергии. К ним, в частности, относится процесс разделения продуктов пиролиза. Современный объем производства продуктов пиролиза в России ограничен уровнем мощности предприятий, созданных в советский период, в то время как спрос на продукты их переработки значительно возрос. Стремление к устранению образовавшегося дисбаланса в условиях растущих требований к сбережению энергии и ограничению выбросов дымовых газов стимулирует российские компании проводить исследования, направленные на разработку технологических систем производства продуктов пиролиза, отвечающих пониженным значениям энергетических затрат.

Использование стандартных методов при разработке систем разделения продуктов пиролиза приводит в ряде случаев к сложностям, обусловленным особенностями разделения смесей с низкой температурой кипения. В этом случае оптимальные параметры процесса трудно определить на ранних этапах разработки по причине отсутствия критерия оптимизации, адекватно описывающего энергетические затраты. Текущая ситуация вынуждает проводить дополнительные вычислительные итерации и использовать отдельные положения существующих методов, дополняя их эвристическими правилами, что не всегда гарантирует оптимальный конечный результат. Таким образом, актуальным является разработка новых подходов к построению, оценке и выбору энергоэффективных систем разделения многокомпонентных смесей с низкой температурой кипения, что соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации.

Объект исследования. Объектом исследования являются технологиче-

ские системы разделения смесей с низкой температурой кипения, при разработке которых сталкиваются со сложностью выбора оптимального варианта системы из их общего множества. Поиск оптимального варианта заключается в оценке и сопоставлении всех вариантов системы, что представляет собой задачу высокой размерности, от решения которой зависит эффективность конечной технологической системы.

Степень разработанности темы. Из научно-технической литературы известен ряд методов разработки технологических схем и критерии их оценки. Применение методов продемонстрировано в литературе, преимущественно, к процессам разделения смесей с высокой температурой кипения, в то время как разработка систем разделения смесей с низкой температурой кипения продемонстрирована с применением отдельных положений существующих методов и эвристических правил.

Цель работы. Создание научно обоснованного метода построения энергосберегающих систем разделения углеводородных смесей с низкой температурой кипения.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести декомпозицию технологической системы разделения смеси с низкой температурой кипения на отдельные последовательно сопряженные между собой материальными и энергетическими элементы, отвечающими различным способам организации тепловых потоков между ректификационной колонной и блоком подготовки хладагента, а также предложить критерии их оптимизации.

2. Осуществить построение из выделенных элементов полного множества вариантов последовательности разделения многокомпонентной смеси и представить их в виде суперструктуры.

3. Создать математическую модель суперструктуры в программе Aspen HYSYS® для одновременной оптимизации всех составляющих ее элементов. Дополнить стандартные функции программы уравнениями для вычисления критерия оптимизации.

4. Построить алгоритм оптимизации элементов и на его основе провести сравнение всех возможных вариантов последовательности разделения многокомпонентной смеси.

5. Использовать предложенный метод для разработки технологической системы разделения продуктов пиролиза, после чего сравнить ее с системой, соответствующей существующему производству.

Научная новизна.

1. Предложен научно-обоснованный метод построения, оценки и выбора систем разделения многокомпонентных смесей с низкой температурой кипения, позволяющий устанавливать их структуру и рабочие параметры, обеспечивающие сокращение энергетических затрат.

2. Выделены четыре структурных элемента технологической системы разделения смеси с низкой температурой кипения, отвечающих различной организации тепловых потоков между колонной ректификации и блоком подготовки хладагента, предложен критерий их оптимизации на основе энергетических затрат. Показана возможность использования предложенного критерия для выбора типа элементов технологической системы и определения оптимальных параметров ректификации.

3. Синтезирована суперструктура, включающая все возможные варианты технологических систем разделения смеси из 28 компонентов, характерных для процессов разделения смесей с низкой температурой кипения.

4. Разработан алгоритм оптимизации элементов и построения на основе них оптимальной системы разделения исходной смеси.

Практическая значимость.

На основе разработанного метода создана система разделения продуктов пиролиза, обеспечивающая снижение энергозатрат на ~ 6% по сравнению с показателями системы, соответствующей существующему производству. Последнее подтверждает преимущество предложенного в работе метода по сравнению с его аналогами.

Предложенные алгоритм, критерий оптимизации, математическая модель

6

суперструктуры разделения, реализованные в программном пакете Aspen HY-SYS®, а также построенные автором корреляционные уравнения позволяют проводить одновременную оптимизацию и оценку энергетических затрат множества возможных вариантов разделения смеси компонентов с низкой температурой кипения, оперируя большим массивом данных.

Применение разработанного метода и модели позволяет эффективно в короткие сроки решать задачу построения, оценки и выбора систем разделения многокомпонентных смесей с низкой температурой кипения. Результаты работы, оформленные в виде технологических рекомендаций, переданы на производство ООО «СИБУР-Кстово» и могут быть использованы при модернизации существующих и создании новых технологических систем разделения смесей веществ с низкими температурами кипения.

Методология работы: Работа выполнена с применением современных методов научного исследования химико-технологических систем, а именно: метод декомпозиции поставленной задачи, метод математического моделирования химико-технологических систем, метод группировки множества вариантов построения технологической системы в единую суперструктуру, проведен анализ объекта исследования и выведены корреляционные уравнения для описания его параметров, проведено сопоставление полученных результатов с ранее реализованной технологической системой.

Положения, выносимые на защиту:

1. Элементы технологической системы разделения, представляющие собой колонну ректификации, связанную тепловыми потоками с блоком подготовки хладагента, и выведенный для них критерий оптимизации.

2. Алгоритм построения и выбора оптимальной системы разделения многокомпонентной смеси из элементов технологической системы.

3. Математическая модель, представляющая суперструктуру, состоящую из элементов технологической системы, и включающую уравнения фазового равновесия разделяемой смеси, уравнения материального и энергетического

балансов, а также предложенные в работе корреляционные уравнения, предназначенные для вычисления критерия оптимизации.

4. Технологическая система разделения многокомпонентной смеси продуктов пиролиза, разработанная на основе предложенного метода.

Апробация работы: Результаты исследований, полученные в рамках диссертационной работы, представлены на научно-технических конференциях: «Наукоемкие химические технологии 2016» (г. Москва, 2016 г.); «Конференция по работе производств этилена и бензола 2016» (г. Звенигород, 2016 г.); «Химия и химическая технология в XXI веке» (г. Томск, 2019 г.).

Публикации: По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 3 статьи в журналах из списка, рекомендованных ВАК, 3 тезисов докладов.

Основное содержание работы: Диссертационная работа состоит из введения, 3-х глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 29 таблиц, 2 приложения, библиография включает 103 наименования.

1. Литературный обзор 1.1. Область исследования

1.1.1. Органические вещества с низкой температурой кипения

В работе рассматриваются органические смеси, содержащие вещества с температурой кипения ниже 20 °С. Такими веществами, преимущественно, являются соединения, содержащие не более четырех атомов углерода: метан, этан, этилен, пропан, пропилен, бутилен, бутадиен и др.

Указанные вещества являются незаменимым звеном в схеме превращении углеводородного сырья в продукты органического синтеза (см. рис 1.1) [1]-[3]. Из представленной схемы превращения видно, что древо продуктов пиролиза с низкой температурой кипения (далее НТК) наиболее разветвленное и цветущее, из чего следует, что от объемов их производства напрямую зависит производительность большого количества продуктов органического синтеза. Тем не менее, не смотря на увеличение спроса на продукты органического синтеза, производительность продуктов пиролиза в России практически не росла с 1980-х годов (см. рис. 1.2), что в конечном счете стало узким местом в технологической цепочке превращения углеводородного сырья в продукты органического синтеза и стало причиной их импорта в страну (см. рис. 1.3) [4].

Стремление к устранению образовавшегося дисбаланса стимулирует российские компании принимать меры для увеличения производительности продуктов пиролиза. В свою очередь, учитывая многотоннажность и непрерывность процесса их получения и разделения, повышение производительности характеризуется высоким ростом затрат энергетических ресурсов.

Условия растущих требований к сбережению энергии и ограничению выбросов дымовых газов способствуют проведению исследований по разработке технологических систем производства продуктов пиролиза, отвечающих пониженным значениям энергетических затрат.

V ацетон

разложение

( Ацетальдегид, I Уксусная к-та

Окисление

^ Этилацетат СН3СООН

Дегидратация ы'

i к

►ГЭтиленЛ«

Этанол — Гидратация

i к

Биоорганический синтез

Ацетальдегид^)^— Изомеризация

Гликоли — Димеризация

Диоксан ^Этаноламины^-

Н2О

NHз

_! Окись

I этилен;

Окисление

С Полистирол, V__каучуки__

^Поливинлхлорид"^^— (^Поливинилацетат^—

С

Полиэтилен

Стирол

Алкилирование

к 1 г

Дегидрирование ^—МЭтилбензолЛ

^—^ Винилхлорид ^^ Хлорирование

4—Г Винилацетат СН3СООН

ГПропиленЛ*

Разделение, очистка

Г Сухой Л газ

Окислительное дегидрирование

Этан

Окислительная димеризация

-^МетанЛ

Термический крекинг (пиролиз)

Разделение, очистка

<

ППФ кат

крекинга

Окисление кислородом

(^Пропиленоксид^) ^кп"л"''а'" ) С ИПС

/Полиуретаны/\ гликоли, косметические

средства, медицинские препараты и др. . Фумигант. .

Лакокрасочные материалы и др.

NH3 + О2 -►^Акрилонитрил^^ Полимеризация ^ Синт. ^ ^чволокн а

Алкилирование -►(Кумо^)—► Окисление Фенол, ^ ацетон

Полимеризация

►^Полипропилен^

Рис. 1.1. Схема превращения продуктов пиролиза в продукты органического синтеза

Тыс. т/г этилена

45,00

40,00

35,00

30,00

25,00

20,00

15,00

10,00

5,00

0,00

а

г

а

в

а

2000 (94,00) 2005 (112,90) 2010 (132,80) 2015 (149,46) Год (Суммараная производительность, млн т)

Рис. 1.2. Динамика производительности этилена в России и в мире: а -

Российская Федерация; б - Западная Европа; в - Азия; г - Северная Америка.

г

Рис. 1.3. Динамика импорта продуктов органического синтеза: а - полиэтилен; б - полипропилен; в - полистирол и сополимеры полистирола; г - по-ливинилхлорид и его сополимеры; д - акриловые полимеры; е - химические

волокна и нити.

Проведенное нами исследование направлено на разработку нового метода построения, оценки и выбора оптимальных систем разделения органических веществ с НТК, предназначенного для создания новых технологических систем, отвечающих повышенными показателями эффективности использования тепловой энергии.

1.1.2. Применение процессов разделения смесей с НТК

Разделение смесей с НТК проводится как для разделения продуктов пиролиза, так и ряда других процессов. В табл. 1.1. представлены известные на сегодняшний день способы получения этилена и пропилена, некоторые из которых по сей день остаются теоретическими, не смотря на доказанную эффективность.

Таблица 1.1. Известные процессы получения этилена и пропилена

Процесс Краткое описание Реализация Комментарии Ссылки

Пиролиз Процесс глубокого расщепления под действием высоких температур различного углеводородного сырья. Реализован как в РФ, так и в других странах Процесс внедрен практически по всему миру, но не смотря на большой опыт эксплуатации, технологии данного процесса все еще продолжают оптимизировать с большими усилиями [3-6]

Получение из угля Процесс основан на широко известных процессах, как получение синтез газа из угля и получение метанола из синтез-газа. Однако в данном случае метанол не является конечным продуктом, а перерабатывается в этилен путем димериза-ции. Реализован за рубежом Процесс имеет высокую сложность, т.к. осуществляется через множество стадий. Процесс актуален при отсутствии возможности реализации альтернативных процессов. [7,8]

Процесс Краткое описание Реализация Комментарии Ссылки

Дегидратация спирта (далее ДГС) Процесс основан на дегидратации этанола, полученного путем брожения различных зерновых культур (кукуруза, пшеница и т.п.) Реализован в Бразилии Не смотря на ввод в эксплуатацию, технология процесса все еще требует оп-типиза-ции как в реакционной, так и в разделительной секциях [9-11]

Димериза-ция метана (далее ОДМ) Процесс основан на димеризации молекул метана. Исходный газ, метан, составляет основу природного газа. Не реализован В процессе разработок катализатора уже удалось достичь выхода целевого продукта близкого к теоретическому, требуются пилотные испытания, про-цесс имеет перспективы к дальнейшей разработке ввиду дешевого сырья [12]

Выделение отдельных компонентов из отходящих газов нефтепереработки (далее разделение СГ) Выделение базовых мономеров из побочных продуктов каталитического крекинга Реализован за рубежом Выделение базовых мономеров из побочных продуктов каталитического крекинга имеет широкую теоретическую базу, вариативность и высокий потенциал для реализации в местах, где данный процесс еще не реализован [13-16]

Окислительное дегидрирование (ОДЭ, ОДП) Окислительное дегидрирование соответствующих алка-нов Реализован для пропилена Получение этилена окислительным дегидрированием этана: катализаторы для данного процесса продолжают изучать и улучшать, и последние разработки показали высокий выход целевого продукта. Процесс имеет высокие перспективы к дальнейшей разработке в виду того, что выход целевого продукта при ОДЭ не ниже, чем при пиролизе, а аппаратурное оформление, в свою очередь, предполагает быть значительно проще. [17-20]

Из табл. 1.1 видно, что среди реализованных способов есть те, технологии которых которые имеют потенциал к модернизации и оптимизации, а среди

вновь разрабатываемых - перспективные для разработки в масштабах промышленных технологий. Для таких способов применение предложенного нами метода является наиболее актуальным, т.к. для них еще не были предложены схемы разделения реакционных смесей.

1.2. Подходы к разработке технологических схем

Исследования, направленные на систематизацию подходов к разработке химико-технологических систем появились в научной литературы в конце 1950-х годов [21,22]. Большой интерес был уделен развитию систем разделения, так как системы разделения занимают значительную долю энергетических затрат при производстве органических продуктов.

Целью разработки системного подхода является выделение оптимального варианта последовательности разделения многокомпонентной смеси общего множества вариантов, количество которых зависит от покомпонентного состава исходной смеси и состава целевых продуктовых потоков. Количество возможных вариантов последовательности Z определяется по уравнению Львова [23] (1)

где п - число целевых продуктов разделения; 5 - число возможных типовых

процессов разделения (ректификация, абсорбция, экстракция и др.).

Из уравнения (1) следует, что смеси, состоящей из 5 компонентов, соответствует 14 вариантов последовательности разделения, из шести - 42, из семи и более - больше ста вариантов. Учитывая количество возможных вариантов последовательности разделения многокомпонентной смеси, выбор оптимальной последовательности становится объемной и трудоемкой задачей.

Для упрощения данной задачи достигают за счет:

- идентификация и исключение из всего множества вариантов явно неэффективных;

(1)

п!х (п -1)!

- соблюдение баланса между точностью и скоростью оценки всех вариантов;

- выделение эффективных вариантов без тотальной оценки всего множества.

Методы разработки химико-технологических систем направленны на систематическое применение вышеперечисленных действий.

На сегодня известны различные методы для определения оптимальных вариантов технологических схем. К началу 1990-х годов они были классифицированы на три основные категории эвристические, эволюционные и алгоритмические [24,25].

Далее приведено подробное описание известных методов.

1.2.1. Метод, основанный на применении эвристических правил

Эвристические правила - правила, разработанные на основе опыта разработок и эксплуатации технологических производств.

Преимущество указанного метода заключается в последовательном применение правил, что позволяет значительно сузить область рассматриваемых вариантов разработки процесса и исключить неработоспособные и заведомо неэффективные варианты, что позволяет выделить эффективные варианты в короткий срок.

В свою очередь, при применении эвристических правил опускается детальная проработка всех возможных вариантов организации процесса, что не гарантирует эффективности выделенных вариантов.

Зачастую в качестве недостатка эвристических правил отмечают противоречия двух и более правил друг другу [26]. С целью избежание противоречий, при разработке стратегий применения эристических правил, производят ранжирование правил для последовательного применения. Таким образом, эффективность выделенных вариантов технологической системы также зависит от правильного расставления ранга применяемых эвристических правил [27, 28].

Известные эвристические правила и примеры их применения приведены в работах [25, 29, 30, 34-37]. Наиболее широко применяемые эвристические правила, представленные в литературе, приведены ниже:

1) выделение компонентов смеси по первому заданному разделению;

2) компоненты смеси, разделение которое представляет собой наибольшую сложность (азеотропные смеси, смеси с близкими значениями температуры кипения и относительной летучести) осуществлять в последнюю очередь;

3) предпочтительно разделять компоненты смеси в эквимолярном (или близких к эквимолярному) соотношении продуктов куба и дистиллята;

4) предпочтительно выделить из смеси в первую очередь компонент (фракцию), доля которого (которой) преобладает в смеси.

5) выделение (удаление) компонентов, образующих взрывоопасные смеси и коррозию в первую очередь;

6) предпочтительно использование обычной ректификации (избежание введения экстрактивного агента, проведение процесса под вакуумом, при высоком давлении и использования хладагентов);

7) регенерацию экстрактивного агента производить в следующей колонне, после той, в которую был введен экстрактивный агент;

8) исключение использования экстрактивного агента для регенерации другого экстрактивного агента;

Не смотря на то, что применение эвристических правил не дает полной гарантии в оптимальности получаемых результатов, они необходимы для решения множества технологических задач. Без применения эвристических правил задачи сводится к масштабам, которые очень сложно переработать и изучить [31].

В тоже время следует обоснованно выбирать эвристические правила и последовательность их применения [2,25,26,38].

1.2.2. Метод эволюции

Метод эволюции основывается на внесении изменений в базовую структуру технологической системы с целью генерации новых вариантов ведения процесса и выявления наиболее эффективных с точки зрения целевой функции вариантов, после чего вторичного применения изменений к выделенным вариантам. Применение изменений производится согласно установленным эволюционным правилам, и производится до тех пор, пока внесение изменений не будет влиять на целевую функцию [25].

В качестве базовой структуры технологической системы принимают существующую технологическую систему или систему, полученную на основе применения других методов.

Таким образом применение эволюционного подхода сводится к трем этапам [25]:

1) генерация первоначальной базовой структуры;

2) определение эволюционных правил;

3) определение эволюционной стратегии.

Авторами [34] был применен метод эволюции для базовой структуры, полученной путем применения эвристического метода. Базовую структуру подвергали изменению в соответствии с эволюционным правилами. Похожие принципы применены авторами [39,40].

Преимущество метода заключаются в строго направленном изменении структуры технологической системы с перебором множества вариантов ее изменения, что позволяет повысить эффективность разрабатываемой технологической системы [25].

Недостатком метода является вероятность определения локального оптимума в процессе эволюции и необходимость использования базовой структуры [24,31,39,41].

1.2.3. Метод концентрационных симплексов подмножества составов питания

В работах [25,42,43] предложен метод нахождения соответствий оптимальных вариантов систем разделения различным областям множества составов исходной смеси.

Поиск таких соответствий провели для трех- и четырехкомпонентных смесей. Результаты поиска представляли в виде концентрационного симплекса, разделенного на области, соответствующие составам исходных смесей, для которых были определены разные оптимальные системы разделения.

В работе [42] для многообразия составов трехкомпонентной смеси были рассмотрены 8 вариантов разделения (рис. 1.4). На концентрационных симплексах определены зоны составов, предполагающие оптимальные, с точки зрения капитальных и энергетических затрат, параметры разделения (рис. 1.5).

Зоны на концентрационных симплексах определили для двух вариантов, в зависимости от коэффициента простоты сепарации ESI, который определяется как:

«12

ESI =

«23

(2)

где ai2 - коэффициент относительной летучести первого и второго компонентов; ai3 - коэффициент относительной летучести второго и третьего компонентов.

C III

I

И

2

IV

VI

VII

VIII

Рис. 1.4. Варианты системы разделения трехкомпонентной смеси

А

A

B

A

A

B

2

1

2

B

2

2

I

V

C

C

B

1

B

A

A

A

A

3

B

2

1

1

B

B

C

C

C

C

C

Рог ЕЙ1<1.6 Рог Е51^ 1.6

Рис. 1.5. Концентрационные симплексы, включающие зоны оптимальности составов, соответствующих рассмотренным вариантом разделения

Таким образом, разработчик, имея состав исходной смеси, используя концентрационные симплексы может определить оптимальный вариант разделения.

Недостатком данного метода является то, что при определении зон оптимальности не учитывается ряд факторов, влияющих на стоимость организации процесса, в связи с чем нельзя точно сказать о правильности расположения границ зон оптимальности [25]. Кроме того, затруднено использование метода для смесей, содержащих более 3-х компонентов.

1.2.4. Метод, основанный на динамическом программировании

Метод динамического программирования впервые был предложен Хендри и Хагресом в 1972 году [44]. В процессе разработки технологических систем методом динамического программирования на первом этапе производили выбор оптимальных с точки зрения затрат на разделение бинарных пар компонентов смеси. По результатам первого этапа, аналогичным образом определяли оптимальные для разделения трех-, четырехкомпонентные смеси.

Таким образом от конца к началу, от отдельных компонентов к общей смеси, производили построение последовательности разделения, состоящей из

ряда оптимальных этапов разделения.

Применение метода было продемонстрировано в работах [45,46] на примере 5-компонентной смеси. На основе метода динамического программирования был разработан алгоритм, с помощью которого были синтезированы схемы установок ГФУ [47-50].

Преимуществом данного метода считают высокую точность определения оптимальных параметров разделения компонентов смеси на отдельных этапах.

К недостаткам метода относят то, что разделение компонентов на разных этапах может рассматриваться только абсолютно независимо друг от друга, т.е. в процессе разработки схем исключены всевозможные материальные и энергетические связи между стадиями разделения, что сильно ограничивает данный метод в применении [24, 25].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Абсаттаров Артур Ильдарович, 2020 год

Список литературы

1. Брагинский О.Б. // Этилен продолжает оставаться важнейшим базовым полупродуктом мировой нефтегазохимии // НефтеГазоХимия. 2016. Т. 2. С. 14.

2. Westerberg A. // Unsolved problems in process/product systems engineering // Proc. Ohio State University Chemical Engineering Centennial Symposium, April 24 and 25 (2003).

3. А. П. Клименко. Получение этилена из нефти и газа / Москва: ГОСТО-ПТЕХИЗДАТ, 1962.

4. Основные показатели работы химического комплекса России // Вестник химической промышленности. 2016. Т. 93. № 6. С. 28.

5. Мухина Т.Н., Барабанов Н.Л., Бабаш С.Е. Пиролиз углеводородного сырья / Москва: Химия. 1987.

6. Черный И.Р. Производство сырья для нефтехимических синтезов / Москва: Химия. 1983.

7. Левин В.О, Потехин В.М., Кудимова М.В. // Производство низших олефи-нов как базис развития газонефтехимии в России // Нефтепереработка и Нефтехимия. 2017. № 4ю С. 28.

8. US Patent № 2015141726 A1, UOP LLC. Process for producing olefins from coal feed // 21.25.2015.

9. Вильданов Ф.Ш., Латыпова Ф. Н., Чанышев Р. Р., Николаева С. В. // Получение этилена из биоэтанола - альтернативный путь производства углеводородного сырья для нефтехимических процессов // Башкирский химический журнал. 2011. Том 18. № 3. С. 132.

10. Овчинникова Е.В., Исупова Л.А., Данилова И.Г., Данилевич В.В., Чума-ченко В.А. // Исследование кислотно-модифицированных оксидова алюминия, получаемых по технологии центробежной термической активации, в дегидратации этанола // Журнал прикладной химии. 2016. Т. 9. Вып. 5. С. 545.

11. Бензаракцаева С.П., Овчинникова Е.В., Верниковская Н.В., Чума-ченко В.А. Оптимизация процесса каталитической дегидратации этанола в этилен в трубчатом реакторе // Сборник тезисов Российского конгресса по катализу «Роскатализ». Нижний Новгород, 22-26 мая 2017 г. С. 491.

12. Абсаттаров А.И., Зеленцова Н.И., Писаренко Ю.А. // Альтернативные методы получения этилена // Конференция по работе производств этилена и бензола 2016: тезисы докл. междун. конф. Звенигород. 2016. ООО «Маркет Скип-пер» журнал Химическая техника. 2016. № 11. С 41.

13. Абсаттаров А.И., Писаренко Ю.А., Зеленцова Н.И. // Применение сухого газа как источника нефтехимических продуктов // Тонкие химические технологии. 2015. Том 10. № 4. С. 32.

14. Патент РФ № 2501779С1, 20.12.2013. Зеленцова Н.И., Чурилин А.С., Ковешников А.В., Ермизин К.В., Иванов В.А., Артемов А.Е. Способ выделения этилена полимеризационной чистоты из газов каталитического крекинга // ООО «ВНИИОС-наука»

15. Патент РФ № 2013156899/04, 10.02.2012. Мнушкин И. А. Способ глубокой переработки нефтезаводского углеводородного газа // Патент России № 2540270 С1. 2013.

16. Чурилин А.С., Зеленцова Н.И. // Методы очистки и выделения этилена из сухих газов каталитического крекинга // Экспозиция Нефть Газ. 2013. № 1. С. 49.

17. US Patent № 6518476 B1, Union Carbide Chemicals & Plastics. Methods for manufacturing olefins from lower alkans by oxidative dehyprogenation // 11.02.2003.

18. US Patent № 2016/0237005 A1, Shell Oil Company. Process for oxidative dehyprogenation of ethane to ethylene // 18.09.2016.

19. US Patent № 2010/0256432 A1, Process for producing ethylene via oxidative dehyprogenation (ODH) of ethane // 11.02.2003.

20. Хаджиев С.Н. и др. // Окислительное дегидрирование этана в этилен в системе с циркулирующим микросферическим оксиднометаллическим переносчиком кислорода: 1. Синтез и изучение каталитической системы // Нефтехимия. 2015. Том 55. № 6. С. 506.

21. Львов C.B. // О ректификации многокомпонентных смесей. // Химическая промышленность. 1947. № 6. С. 15.

22. Lockhart F.J. // Multi-column Distillation of Natural Gasoline. // Petrol. Réf. 1947. V.26. № 8. P. 169.

23. Львов С.В. Некоторые вопросы ректификации бинарных и многокомпонентных смесей. / АН СССР. 1960.

24. Тимофеев В.С., Серафимов Л.А. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза / Москва: Высшая школа, 2003.

25. NishidaN., Stephanopoulos G., WesterbergA. // A review of Process Synthesis // AlChE Jornal. 1981. Vol. 27. № 3. P. 321.

26. Paterson W.R. // On some separation heuristics. // Chem. Eng. Sci. 1987. V. 42. №1. P. 186.

27. Powers C.I. // Heyristic Synthesis in Process development. // Chem. Eng. Prog. 1972. V.68/ № 8, P. 88.

28. Хартманн К. // Синтез оптимальных химико-технологических систем. // Журнал Прикладной Химии. 1986. № 9. C. 1920.

29. Shuguang X., Xiaoping J., Hongqin Y., Fangyn H. // A Stepwise Framework for Flowsheet Integration in Extractive Distillation // Chemical Engineering transactions. 2007. Vol. 12. P. 37.

30. Абдель-Аал Х.К. // Исследование технологических инноваций для установок по производству этилена // Нефтегазовые технологии и аналитика. 2017. Октябрь. С. 49.

31. Westerberg A. // A retrospective on design and process synthesis // Computers and Chemical Engineering. Elsevier. 2004. Vol. 28 P. 447.

32. Turton R., Bailie R., Whiting W., Shaeiwitz J. Analysis and design of chemical process. / Pearson Education, Inc. 2009.

33. Szabo L., Nemeth S., Szeifert F. // Separation of multicomponent mixtures // Hungarian journal of industrial chemistry. 2011. Vol. 39. № 2. P. 295.

34. Sedar J.D. and Westerberg A. W. // A combined heuristic and evolutionary strategy for the synthesis of simple separation sequences // AlChE Jornal. 1977. Vol. 23. P. 951.

35. Heaven D.L. // Optimum Sequencing of Distillation Columns in Multi-component Fractionations. // M.S.Thesis. Univ. of Calif. Berkeley. 1969.

36. Nishimura H., Haraizumi Y. // Optimal System Pattern for Multi-component Distillation Systems. // Int. Chem. Eng. 1971. V. 11. №1. P. 188.

37. Freshwater D.C., Henry B.D. // The Optimal Configuration of Multi-component Distillation Trains. // Chem. Eng. 1975. 301. P. 353.

38. Nagdir V.M., Liu Y.A. // Studies in Chemical Process Design and Synthesis // AlChE Jornal. 1983. Vol. 29. № 6. P. 926.

39. Stephanopoulos G., WesterbergA.W. // Studies in process synthesis - II. Evolutionary synthesis of optima process flowsheet // Chem. Eng. Sci. 1976. Vol. 31. P. 195.

40. Nath R., Motard R.L. // Evolutionary synthesis separation process // AlChE Jornal. 1981. Vol. 27. P. 578.

41. Dimian A. Integrated design and simulation of chemical processes / Elsevier. 2003.

42. Tedder D.W., Rudd D.F. // Parametric Studies in industrial distillation. Part II: Heuristic optimization // AlChE Jornal. 1978. Vol. 24. P. 316.

43. Hendry, J. E., D. F. Rudd and J. D. Seader // Synthesis in the design of chemical processes // AIChE. 1973. Vol. 19 № 1

44. Hendry J.E., HagresR.R. // Generating Separation Process Flowsheets // Chem. Eng. Progr. 1972. V.68. №6. P. 71.

45. Rathore R.N.S., Van WormerК.А., Powers G.J. // Synthesis Strategies for Mul-ticomponent Separation Systems with Energy Integration //AJChE J. 1974. V.20. №3. P.491.

46. Rathore R.N.S., Van Wormer K.A., Powers G.J. // Synthesis Distillation Systems with Energy Integration. //AJChE J. 1974. V.20. №5. P. 940.

47. Кафаров В.В., Петлюк Ф.Б., Гройсман С.А. // Синтез оптимальных схем ректификации многокомпонентных смесей методом динамического программирования //Теор. Осн. Хим. Технол. 1975. Т.9. №2. С. 262.

48. Исаев Б.А., Петлюк Ф.Б., Гордон М.Д. и др. // Программа синтеза технологических схем многоколонных установок для разделения углеводородных смесей // Информационный бюллетень СЭВ по химической промышленности. М. 1980. №5. С. 16.

49. Исаев Б.А., Петлюк Ф.Б., Гройсман С.А. // Выбор оптимальной схемы установки газофракционирования // Нефтепереработка и нефтехимия. 1977. №12. С. 22.

50. Петлюк Ф.Б., Исаев Б.А. // Расчетное исследование различных схем установок газофракционирования // Нефтепереработка и нефтехимия. 1978. №1. С. 22.

51. Кузина О.Д. Разработка энергосберегающих технологических схем ректификации многокомпонентных зеотропных смесей органических продуктов / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. МИТХТ им. М.В. Ломоносова. 2000. Москва.

52. Борисенко А.Б., Карпушкин С.В. // Применение метода ветвей и границ для оптимального выбора аппаратурного оформления химико-технологических систем // Вычислительные технологии. 2012. Том 17. № 1.

53. WesterbergA.W., Stephanopoulos G. // Studies in Process Synthesis I. Branch and Bound Strategy with list Techniques for the Synthesis of Separation Schemes.// Chem. Eng. Sci. 1975. V. 30. P. 963.

54. Fernando R. Rodrigo В., Seader J.D. // Synthesis of Separation Sequences by Ordered Branch Search. //AJChE J. 1975. V.21. №5. P. 885.

55. Douglas J.M., KirkwoodR.L. // Design education in chemical engineering P. 1: Deriving conceptual design tools // Chemical engineering education. 1989. Vol. 21, № 1. P. 22.

56. Douglas J.M., Kirkwood R.L. // Design education in chemical engineering P. 2: Using design tools // Chemical engineering education. 1989. Vol. 21, P. 120.

57. Douglas J.M. // Synthesis of separation system flowsheet // AIChE. 1995. Vol. 41. № 12. P. 2522.

58. Chwan D., Manan Z.A., Selvan M., McGuire M.L. // Integrate process simulation and process synthesis // CEP. 2006. December. P. 25.

59. Smith R. Chemical process design and integration / John Wiley & Sons Ltd.

2005.

60. Lo'ic d'Anterroches. Process Flow Sheet Generation & Design through a Group Contribution Approach / Thesis for the Ph.D.-degree at Danmarks Tekniske Universitet. 2006.

61. Rod V., Marek J. // Separation Sequences in Milticomponent Rectifica-tion.//Collect. Czech. Chem. Commun. 1959. V.24. P.3240.

62. Береговых В.В., Корабелъников М.М., Ермак Н.В., Рудаковская Т.С., Серафимов Л. А., Львов С. В. // Особенности ректификации четырехкомпо-нентной системы бензол-толуол-этилбензол-а-метилстирол.// Промышленность СК. 1977. №5. С. 4.

63. Александров И.А., Серафимов Л.А., Петлюк Ф.Б., Гройсман С.А. // К выбору области оптимальных параметров четкой ректификации близкоки-пящих смесей углеводородов // Известия ВУЗов -1975. №6. С.45.

64. Голованов М.Л. / Разработка энергосберегающей технологии ректификации продуктов каталитического крекинга. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. МИТХТ им. М.В. Ломоносова.

2006. Москва.

65. Голованов М.Л., Востоплятова С.А., Тимошенко А.В. // Возможность снижения энергетических затрат при газофракционировании на НПЗ // Химическая промышленность сегодня. 2007. № 6. С. 49.

66. Кочарян С.О., Рудаков А.Г., Тимошенко А.В. // Энергетическая эффективность сложной колонны при разделении продуктов пиролиза в зависимости от состава питания // Тонкие химические технологии. 2017. Т. 12. № 3. С. 33.

67. Fonyo Z, Benko N // Comparison of Various Heat Pump Assisted Distillation Configurations // Chemical Engineering Research and Design. 1998. V.76. Is.3 P. 348. DOI: 10.1205/026387698524776

68. Янтовский Е.И., Левин Л.А. / Промышленные тепловые насосы. М.: Энергоиздат. 1989. 128 с.

69. Амерханов Р.А. / Тепловые насосы. М.: Энергоатомиздат, 2005. 160 с.

70. Бараненко А.В., Бухарин Н.Н., Пекарев В.И. и др. / Холодильные машины. Под общ. ред. Л.С. Тимофеевского. СПб.: Политехника, 2006. 944 с.

71. Kiss A.A., Servando J. Flores Landaeta, Carlos A. Infante Ferreira // Towards energy efficient distillation technologies-making the right choice // Energy. 2012. V.47 Is.1. P.531. D01:10.1016/j.energy.2012.09.038

72. McCabe D.L., Vivona M.A. // Treating process wastewater employing vacuum distillation using mechanical vapor recompression // Environ Prog. 1999. V.18 Is.1. P.30.

73. Schmal J.P., Van der Kooi H.J., De Rijke A. et al // Internal versus external heat integration operational and economic analysis // Chem. Eng. Res. Des. 2006. V.84. Is.5. P.374. D0I:10.1205/cherd05041.

74. Ульев Л.М., Зебешев Т.З., Рябова И.Б., Васильев М.А., Маатоук А. // Интеграция теплового насоса в процесс разделения легких углеводородов // Научные труды Одесской национальной академии пищевых технологий. 2016. Т. 80. № 1. С. 8.

75. Alca'ntara-Avila J.R., Gomez-Castro F.I., Segovia-Herna'ndez J.G. et al // Optimal design of cryogenic distillation columns with side heat pumps for the propylene/propane separation // Chem. Eng. Process. 2014. V.82. P.112. D0I:10.1016/j.cep.2014.06.006

76. Z Oluji C, L. Sun, A. de Rijke, P.J. Jansens // Conceptual design of an internally heatintegrated propylene-propane splitter // Energy. 2006. V. 31. P. 3083.

77. T.-S. Ho, C.-T. Huang, J.-M. Lin, L.-S. Lee // Dynamic simulation for internal-lyheat-integrated distillation columns (HIDiC) for propylene-propane system // Comput. Chem. Eng. 2009. V. 33. P. 1187.

78. V. Kumar, B. Kiran, A.K. Jana, A.N. Samanta // A novel multistage vapor recom-pression reactive distillation system with intermediate reboilers // AIChE J. 2013. V. 59 N. 3. P. 761.

79. D. Chen, X. Yuan, L. Xu, K.T. Yu // Comparison between different configurations ofinternally and externally heat-integrated distillation by numerical simulation // Ind. Eng. Chem. Res. 2013. V. 53. P. 5781.

80. Y. Wang, K. Huang, S. Wang // A simplified scheme of externally heat-inte-grateddouble distillation columns (EHIDDiC) with three external heat exchangers // Ind. Eng. Chem. Res. 2010. V. 49. P. 3349.

81. J.R. Alcántara-Avila, M. Kano, S. Hasebe // New synthesis procedure to find theoptimal distillation sequence with internal and external heat integrations // Ind.Eng. Chem. Res. 2013. V. 52. 4851.

82. Harwardt A, Marquardt W. // Heat-integrated distillation columns: vapor recompression or internal heat integration? // AIChE J. 2012 V. 58 N 12. P.3740

83. S.M. Mauhar, B.G. Barjaktarovi'c, M.N. Sovilj, Optimization of propylene-propane distillation process, Chem. Pap. 58 (6) (2004) 386

84. Чурилин А.С., Фролкова А.К., Зеленцова Н.И. // Снижение энергопотребления производства за счет использования открытого холодильного цикла // Химическая промышленность сегодня - 2011. № 12. С 42.

85. Gadalla M.A. // A new graphical method for Pinch Analysis applications: Heat exchanger network retrofit and energy integration // Energy. 2015. March. V. 81. P. 159.

86. Коновалов В.И., Кудра Т., Пахомов А.Н., Орлов А.Ю. // Современные аналитические подходы к энергосбережению. интегрированный подход. пинч-анализ. Луковичная модель. // Вестник ТГТУ. 2008. Т. 14. № 3. С. 560.

87. Matsuda K., Kansha Y., Fushimi C., Tsutsumi A., Kishimoto A. Advanced Energy Saving and its Applications in Industry / Springer, 2013.

88. Dhole V.R., Linnhoff B. // Distillation column targets // Computers and Chemical Engineering. 1993. May-June. V. 17. Is. 5-6. P. 549.

89. Ian C.K. Pinch Analysis and Process Integration A User Guide on Process Integration for the Efficient Use of Energy Second edition / Oxford: Elsevier, 2007.

90. Turton R., Bailie R.C., Whiting W.B., Shaeiwitz J. Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes Third Edition / A. Boston: Pearson Education Inc., 2009.

91. Pinch Technology: A Primer / Eds. Karp A., Smith R., Ahmad S. Leesburg: Linnhoff March, Inc. 1990.

92. Smith J.C. Chemical Process Design and Integration / John Wiley & Sons Ltd, 2005.

93. ЗахаровМ.К., Швец А.А., Бойчук А.А. // Расчет минимального флегмового числа при ректификации некоторых реальных бинарных смесей // Тонкие химические технологии. 2015. Т 10. № 6. С. 53.

94. Жулаев С.В. // Пинч-анализ и Оптимизация промышленных объектов // Нефтегазовое дело. 2012. № 2. С. 392.

95. Товажнянский Л.Л., Капустенко П.А., Ульев Л.М., Болдырев С.А., Арсе-нъева О.П., Тарновский М.В. // Интеграция тепловых процессов на установке первичной переработки нефти АВТ В12/2 при работе в зимнее время // Теорет. основы хим. технологии. 2009. Т. 43. № 6. С. 665.

96. Ul 'ev L.M., Vasil 'ev M.A. Heat and Power Integration of Processes for the Refinement of Coking Products // Theor. Found. Chem. Eng. 2015. V. 49. № 5. P. 676. [Ульев Л.М., Васильев М.А. Теплоэнергетическая интеграция процессов переработки продуктов коксования // Теорет. основы хим. технологии. 2015. Т. 49. № 5. С. 582.]

97. Мешалкин В.П., Товажнянский Л.Л., Улъев Л.М., Мелъниковская Л.А., Ходченко С.М. // Энергоресурсоэффективная реконструкция установки нефтепереработки на основе пинч-анализа с учетом внешних тепловых потерь // Теорет. основы хим. технологии. 2012. Т. 46. № 5. С. 491.

98. Абсаттаров А.И., Писаренко Ю.А., МихайловМ.В. // Анализ эффективности работы теплообменной системы процесса производства стирола; пинч-анализ // Теорет. основы хим. технологии. 2019. Т. 53. № 4. С. 468.

99. А. И. Абсаттаров, Ю.А. Писаренко, И.П. Семенов // Разработка критериев оптимизации для процессов разделения низкокипящих газов // Химическая технология. 2019. Т. 20. №. 11. С. 511.

100. А. С. Чурилин / «Разработка технологии выделения этилена из сухого газа каталитического крекинга» дис. канд. техн. наук - МИТХТ, Москва, 2013.

101. Henry Z. Kister // Distillation Design // McGraw-Hill Inc. 1992. P. 722.

102. К. Ф. Павлов, П. Г. Романков и А. А. Носков // Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии // Ленинград: «Химия» 1987.

103. А. И. Абсаттаров, Ю.А. Писаренко // Метод выбора оптимальных систем разделения многокомпонентных смесей органических веществ с низкой температурой кипения // Химическая технология органических веществ. 2020. Т. 13. № 1. С. 38.

Приложение А. Расчетные схемы

Рис. П.1. Схема моделирования элемента разделения А

Рис. П.2. Схема моделирования элемента разделения Б

Рис. П.3. Схема моделирования элемента разделения В

Рис. П.4. Схема моделирования элемента разделения Г

Рис. П.5. Схема моделирования холодильных циклов

Рис. П.6. Модель суперструктуры разделения смеси компонентов с никой

температурой кипения

Приложение Б. Письмо о принятии результатов работы