Разработка энергосберегающих технологических схем ректификации многокомпонентных азеотропных смесей органических продуктов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.04, кандидат технических наук Кузина, Ольга Дмитриевна

• Кузина, Ольга Дмитриевна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кузина, Ольга Дмитриевна

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

I. ПОЛИВАРИАНТНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ РАЗДЕЛЕНИЯ.

1.1. Поливариантность систем из простых двухсекционных колонн.

1.2. Поливариантность технологических схем разделения, включающих сложные колонны.

1.3. Поливариантность схем, состоящих из простых и сложных колонн.

1.3.1. Метод, основанный на использовании «суперструктуры».

1.4. Методы выбора оптимальной технологической схемы разделения.

1.4.1. Методы, основанные на эвристическом методе синтеза.

1.4.2. Методы, основанные на декомпозиционном методе синтеза.

1.4.3. Методы, основанные на эволюционном методе синтеза.

1.4.4. Методы синтеза, использующие динамическое программирование.

1.4.5. Метод «ветвей и границ».

1.4.6. Метод, основанный на интегральном подходе.

1.5. Сопоставительный анализ схем ректификационного разделения.

1.5.1. Критерии оптимизации.

1.5.2 Сопоставительный анализ схем ректификационного разделения, состоящих из простых колонн.

1.5.3. Сопоставительный анализ схем ректификационного разделения, включающих сложные колонны.

1.6. Общие замечания.

1.7. Постановка задачи.

II. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАСЧЕТОВ.

III. СИНТЕЗ И АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ РАЗДЕЛЕНИЯ, СОСТОЯЩИХ ИЗ ПРОСТЫХ ДВУХСЕКЦИОННЫХ колонн, ЧЕТЫРЕХКОМПОНЕНТНЫХ ЗЕОТРОПНЫХ СМЕСЕЙ.

ITT.1. Геометрия распределения изокиитетшальных многообразий в концентрационных симплексах исходных составов питания четырехкомпонентных зеотропных смесей при высокой чистоте продуктовых потоков.

III.2. Геометрия распределения изокритериальных многообразий в концентрационных симплексах исходных составов питания четырехкомпонентных зеотропных смесей при изменении качества продуктовых потоков.

III.3. Топологические инварианты распределения изоэнергетических многообразий в концентрационных симплексах исходных составов питания.62 IV. СИНТЕЗ И АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ РЕКТИФИКАЦИОННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ, СОСТОЯЩИХ ИЗ КОЛОНН С

РАЗЛИЧНЫМ ЧИСЛОМ СЕКЦИЙ.

IV. 1. Распределение изоэнергетических многообразий при ректификации трехкомпонентных зеотропных смесей в схемах, состоящих как из простых двухсекционных колонн так и из сложных колонн с боковыми отборами.

IV.2. Распределение изоэнергетических многообразий в симплексах четырехкомпонентных зеотропных смесей при сопоставлении технологических схем ректификационного разделения, состоящих из простых двухсекционных колонн; из сложных колонн с двумя боковыми отборами, а также из последовательностей простая—сложная колонна с боковым отбором.

V. РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ

МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ.

V. 1. Разработка энергосберегающей технологии ректификации олигомеров пропилена.

V.2. Использование колонны с боковым отбором в процессе алкилирования фенола.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка энергосберегающих технологических схем ректификации многокомпонентных азеотропных смесей органических продуктов»

Процессы разделения многокомпонентных смесей органических продуктов являются одними из самых распространенных и сложных процессов химической и нефтехимической технологии. Они используются как на стадиях предварительной подготовки сырья, так и непосредственно в общей технологической схеме производства для разделения полупродуктов и получения продуктов высокой степени очистки. Эти процессы являются одними из самых энергоемких и их эффективность часто определяет экономику производства в целом. В ряде случаев на разделение методом ректификации смесей органических продуктов затрачивается до 70% всей энергии, необходимой для их производства. Таким образом, выбор оптимальной технологической схемы ректификации (ОТСР) является актуальной задачей химической технологии. Существующие эвристические и алгоритмические методы синтеза ОТСР, как правило, ориентированы на фиксированный исходный состав питания. Практически вне сферы внимания исследователей в последние годы остался вопрос о том, каким образом концентрационное множество исходных составов питания разделяется на подмножества, каждому из которых соответствует своя ОТСР. Решение этого вопроса позволит, наряду с получением начальных приближений для синтеза ОТСР, получить данные о характере взаиморасположения таких подмножеств. Тем самым удастся получить корреляцию: исходный состав питания—структура ОТСР.

Работа выполнялась в соответствии с Федеральной целевой научно-технической программой «Исследование и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения». Приоритетное направление 04 «Новые материалы и химические продукты», подпрограмма 04.03 «Новые принципы и методы получения химических веществ и материалов», направление Н02 «Принципы и методы создания новых технологии химических веществ», а также IvIHTH «Научные исследования высшей школы в области химии и химических продуктов», раздел 02.03.

Цель работы.

Настоящая работа посвящена синтезу оптимальных технологических схем ректификации органических продуктов на основе систематического изучения расположения подмножеств, каждому из которых соответствует своя ОТСР; определению критериев применимости сложных колонн с боковыми отборами как элементов ОТСР; разработке методов выбора начальных приближений для синтеза ОТСР, содержащих сложную колонну с боковым отбором.

Научная новизна.

Впервые на основе полученных данных по распределению изокритериальных многообразий с последующим тополого-графовым анализом показано, что не только геометрия, но и топология их взаиморасположения являются функцией физико-химических характеристик смесей продуктов органического синтеза.

Предложены критерии, определяющие возможность использования сложной колонны с боковым отбором как элемента ОТСР для разделения многокомпонентных смесей органических продуктов. Показано, что ОТСР, состоящая из простых двухсекционных колонн (ПДК), может быть использована как структура-прообраз для синтеза ОТСР, включающей сложные колонны с боковым отбором.

Практическая значимость.

Разработаны:

-методы выбора начального приближения для синтеза ОТСР органических продуктов, включающих сложную колонну с боковым отбором.

-технология ректификации смеси олигомеров пропилена, обеспечивающая снижение энергозатрат на разделение на 7% по сравнению со схемой из ПДК.

-технология разделения продуктов алкилирования фенола с получением паратретбутилфенола высшего сорта с пониженным содержанием смол.

Объем работы.

Диссертационная работа включает введение, обзор литературы, четыре основные главы, приложение и список использованной литературы.

Заключение диссертации по теме «Технология органических веществ», Кузина, Ольга Дмитриевна

выводы.

1. Определена геометрия распределения изоэнергетических многообразий в концентрационном симплексе исходных составов питания для трех- и четырехкомпонентных зеотропных смесей.

2. Получены топологические инварианты распределения подмножеств, каждому из которых соответствует своя оптимальная технологическая схема ректификации.

3. Показано, что не только геометрия, но и топология распределения изокритериальных многообразий в симплексе исходных составов питания является функцией физико-химических характеристик разделяемой смеси.

4. Разработаны критерии, позволяющие оценить эффективность использования сложной колонны со множеством боковых отборов как элемента технологической схемы ректификации.

5. Предложен алгоритм выбора начального приближения для структуры технологической схемы ректификации, содержащей сложные колонны с одним питанием и множеством боковых отборов.

6. Разработана технология разделения олигомеров пропилена в последовательностях разнородных ректификационных колонн, обеспечивающая снижение энергозатрат на разделение на 7%.

7. Разработана технология разделения продуктов алкилирования фенола, обеспечивающая за счет применения бокового отбора, получение паратретбутилфенола высшего сорта с пониженным содержанием смол.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кузина, Ольга Дмитриевна, 2000 год

1. Thompson R.W., King C.J. Systematic Synthesis of Separation Schemes.// AIChE Journal, 1972, v. 18, №5, p. 941-948.

2. Львов С.В. Некоторые вопросы ректификации бинарных и многокомпонентных смесей.— М.: Изд. АН.СССР, 1960, 125 с.

3. Серафимов Л.А., Мозжухин А.С., Науменкова Л.Б. Определение числа вариантов технологических схем ректификации п-компонентных зеотропных смесей.// ТОХТ, 1993, т.27 №3, с. 292-295.

4. Виленкин Н.Я. Комбинаторика.— М.: Наука, 1969.

5. Тимошенко А.В., Серафимов Л.А. Графометрический анализ однородных технологических схем.// Российский химический журнал, 1998, т. 42,с. 67-75.

6. Тимошенко А.В., Серафимов Л.А. Графометрия как метод системного анализа поливариантности организации технологических схем ректификационного разделения.// ТОХТ, 1997, т.31, №5, с. 527-533.

7. Серафимов Л.А., Тимошенко А.В. Графометрия технологических схем ректификационного разделения многокомпонентных зеотропных смесей (Часть II): Учебное пособие.// М: ООО Полинор-М., 1996, 47 с.

8. Петлюк Ф.Б., Платонов В.М., Славинский Д.М. Термодинамически оптимальный способ разделения многокомпонентных смесей.// Хим. пром., 1965, №3, с. 46-49.

9. Петлюк Ф.Б., Платонов В.М., Аветьян B.C. Оптимальные схемы ректификации многокомпонентных смесей.// Хим. пром., 1966, №11, с. 6569.

10. Domenech S., Pibouleau L., Floquet P., Denombrement de cascades de colonnes de rectification complexes.// The Chemical Engineering Journal, 1991,v.45, p. 149-164.

11. Sargent R.W.H, Gaminibandara K. Optimum Design of Plate Distillation Columns.// Optimization in Action; Dixon, L.W.C., Ed.; Academic Press: London, 1976, p. 267-273.

12. Agrawal R. Synthesis of Distillation Column Configurations for a Multicomponent Separtion.// Ind.Eng.Chem.Res., 1996, v.35, p. 1059-1071.

13. Hu Z., Chen В., Rippin D.W.T. Synthesis of General Distillation—Based Separation System. Paper presented at the AIChE annual meeting, Los Angeles, 1991, CA, Nov. 17-22, 155b.

14. Novak Z., Kravanja Z., Grossman I.E., Simultaneous Optimization Model for Multicomponent Separtion.//Comput. Chem. Eng.,1994, v.18, p. S125-129.

15. King C.I. Separation Processes. McGrow-Hill, New-York, 1971, 740 pp.

16. Heaven D.L. Optimum Sequencing of Distillation Columns in Multicomponent Fractionations.// M.S. Thesis, Univ. of Calif., Berkeley, 1969.

17. Nishimura H., Hiraizumi Y. Optimal System Pattern for Multicomponent Distillation System.//Int. Chem. Eng. 1971,v.ll,p. 188-193.

18. Masso A.H., Rudd D.F. The Synthesis of System Designs II. Heuristic Structuring.//AIChE J., 1969, v. 15, №1, p. 10-15.

19. Siirola J.J., Rudd D.F. Computer-Aided Synthesis of Chemical Process Designs.// Ind. Eng. Chem. Fundamentals, 1971, v. 10, p. 353-362.

20. Freshwater D.C., Henry B.D. The Optimal Configuration of Multicomponent Distillation Trains.// Chem. Eng., 1975, 301, p. 533-536.

21. Powers C.I. Recognizing Patterns in the Synthesis of Chemical Processing System. Ph.D. thesis, Univ. Wise., Madison, 1971.

22. Powers G.I. Heuristic Synthesis in Process Development.// Chem. Eng. Prog., 1972, v.68, №8, p. 88-95.

23. Harbert W.D. Which Tower Goes Where?// Petrol. Ref., 1957, v.36, №3, p. 169174.

24. Тимошенко A.B., Серафимов JI.A. Правило дихотомии и выбор оптимальных схем ректификации зеотропных смесей.// ТОХТ, 1997, т.31, №6, с. 618-621.

25. Петлюк Ф. Б., Исаев Б.А. Расчетное исследование различных схем установок газофракционирования.// Нефтепереработка и нефтехимия,1978, №1, с. 22-25.

26. Майков В.П. Системно-структурное исследование оптимальных тепло и массообменных аппаратов и установок : Автореф. дисс. . доктора техн. наук.// IvI.; тИХ1у!,1972, 32^.

27. Hacker L., Hartmann K. Wissenschaftliche Zeitschrift TH.// Leuna-Merseburg, 1983, Bd 25, S.253-269.

28. Dohnal M., Hartman K. Processings of C.A.C.E.79. 12th Symposium on Computer Application in Chemical Engineering, Montreux, April, 8-11, 1979, p. 1301-1309.

29. N. Nishida, G. Stephanopoulos and A. W. Westerberg. A Review of Process Synthesis.//AIChE I., 1981,v.27,p. 321-351.

30. Motoh S. O., Ph. D. Thesis. Astor University, Birmingham, 1986.

31. Rudd D.F. The Synthesis of System Designs: I Elementary Decomposition Theory.// AIChE J., 1968, v. 14, №3, p. 343.

32. King C.J, Gantz D.W., Barner F.J. Systematic Evolutionary Process Synthesis.// Ind. and Eng. Process Des. and Develop., 1972, v.11, №2, p. 271-283.

33. Stephanopoulus G., Westerberg A.W., Studies of Process Synthesis.// Chem. Engng. Sci., 1976, v.31,№3,p. 195-204.

34. Seader Y.D., Westerberg A.W. Combined Heuristic and Evolutionary Strategy for Synthesis of Simple Separation Sequences.// AIChE J., 1977, v.23, №6, p. 951-954.

35. Machalec V., Motard R, Bauman E. Evolutionary search for optimal process flowsheet.//Сотр. and Chem. Eng., 1978, v. 1, №2, p. 149-160.

36. Muraki M., Hayakawa T. Separation Process Synthesis for Multicomponent Products.//J. chem. Engng. Jap., 1984, v. 17, 533-538.

37. Muraki M., Hayakawa T. Evolutionary Synthesis of a Multiproduct Separation Process.//Chem. Engng. Sci., 1986, v.41, №7, p. 1843-1850.

38. Nath R., Motard R.L. Evolutionary Synthesis of Separation Processes.// AIChE J., 1981, v.27,№4,p. 578-587.

39. Hendry J.E., Haghes R.R. Generating Separation Process Flowsheets.// Chem. Eng. Progr., 1972, v.68, №6, p. 71-76.

40. Rathore R.N.S., YanWormer K.A., Powers G.I. Synthesis Strategies for Multicomponent Separation Systems with Energy Integration.// AIChE J., 1974, v.20,№3, p. 491-502.

41. Косунов А.О. Синтез систем ректификации многокомпонентных смесей. Автореф. дисс. канд.тех. наук. М., МХТИ, 1976, 17 с.

42. Кафаров В.В., Петлюк Ф.Б., Гройсман С.А., Телков Ю.К., Белов М.В. Синтез оптимальных схем ректификации многокомпонентных смесей методом динамического программирования.// ТОХТ, 1975, т.9, №2, с. 262269.

43. Кафаров В.В., Бояринов А.И., Новиков А.И., Косунов А.О. Стратегия синтеза сложных схем ректификации многокомпонентных смесей. Автоматизация химических производств.// НИИТЭХИМ, 1975, вып.6, с. 3641.

44. Кафаров В.В., Бояринов А.И., Ветохин В.Н., Новиков А.И., Щипин Ю.К., Гартман Т.Н.// Системный анализ процессов разделения. Доклады I Всесоюзной конференции по математическому моделированию сложных химико-технологических систем, Ереван, 1975, с. 99-105.

45. Косунов А.О., Кафаров В.В., Бояринов А.И., Новиков А.И. Синтез сложных схем разделения многокомпонентных смесей.// Труды МХТИ, вып. 88, 1975, с. 33-41.

46. Гройсман С.А. Анализ и синтез технологических схем разделения смесей углеводородов в промышленности основного органического синтеза. Автореф. дис. . канд.тех.наук.// МИТХТ, М., 1977, 24 сс.

47. Westerberg A.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.963-977.

48. Островский Г.М., Бережинский Т.А. Об одном подходе к решению задач синтеза химико-технологических систем.// ТОХТ, 1993, т.27, №6, с. 622-627.

49. Floudas C.A., Aggarwal A., Ciric A.R. Global optimum search for non convex NLP and MINLP problems.//Сотр. Chem. Engng., 1989, v.13, p.l 117-1121.

50. Sahinidis N.V., Grossman I.E. Convergence Properties of Generalized Benders Decomposition.// Сотр. Chem. Engng., 1991, v. 15, 481.

51. Rod V., Marek J. Separation Sequences in Milticomponent Rectification.// Collect. Czech. Chem. Commun., 1959, v.24,p. 3240-3248.

52. Rudd D.F., Powers G.J., Siirola J.J. Process Synthesis. 37, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1973.

53. Nadgir V.M., Liu Y.A. Studies in Chemical Process Design and Synthesis V.A Simple Heuristic Method for Multicomponent Separation.// AIChE J., 1983, v.29, №6, p. 926-934.

54. Александров И.А., Серафимов Jl.A., Петлюк Ф.Б., Гройсман С.А. К выбору области оптимальных параметров четкой ректификации близкокипящих смесей углеводородов.// Известия ВУЗов, 1975, №6, с. 45-50.

55. Береговых В.В. Промышленность СК, М., ЦНИИТЭнефтехим., 1977, №5, с. 4-6.

56. Underwood A.J.V. Fractional Distillation of Ternary Mixtures. Part I. // J. Inst. Petrol., 1945, v.31, p.l 11-118; Part II. // ibid.-1946, v.32, p. 598-613

57. Underwood A.J.V. Fractional Distillation of Multicomponent Mixtures.// Chem.Eng.Progr., 1948, v.44, №8, p. 603-614.

58. Гройсман C.A., Александров И.А., Петлюк Ф.Б., Стрельцов Л.В. К определению оптимальных параметров технологических схем разделения многокомпонентных смесей.// Нефтепереработка и нефтехимия, 1974, №1, с. 34-36.

59. Береговых В.В., Корабельников М.М., Серафимов JI.A. Выбор оптимальной технологической схемы ректификации тройных зеотропных смесей.//Хим-фарм.журнал, 1984, №3, с. 350-355.

60. Береговых В.В., Корабельников М.М., Ермак Н.В., Рудаковская Т.С., Серафимов Л.А., Львов С.В. Особенности ректификации четырехкомпонентной системы бензол толуол - изопропилбензол - а-метилстирол.//Промышленность СК, i 977, J^i i, с. 1-4.

61. Береговых В.В., Корабельников М.М., Серафимов JI.A. Стратегия синтеза и анализа технологических схем ректификации.// Хим-фарм. журнал, 1985, №3, с. 202-207.

62. Деменков В.Н. Схемы фракционирования смесей в сложных колоннах.// Химия и технология топлив и масел, 1997, №2, с. 6-8.

63. Elaahi A., Luyben W.L., Alternative Distillation Configuration for Energy Conversation in Four-Component Separation.// Ind.Eng.Chem.Process Des.Dev., 1983, v.22,p. 80-86.

64. Платонов B.M., Петлюк Ф.Б., Жванецкий И.Б. О термодинамической эффективности ректификационных установок со стриппинг-секциями.// Химия и технология топлив и масел, 1971, №3, с. 32-36.

65. Agrawal R., Woodward D.W., Modi А.К Coproduction of High Purity Products Using Thermally-Linked Columns. Symposium on Distillation and Absorption, 1997, Maastricht, 511-520.

66. Dimian A.C., Kersten S.R.A. Compact Distillation System for High Purity Product. Symposium on Distillation and Absorption, 1997, Maastricht, 279-288.

67. D.W. Tedder, D.F.Rudd Parametric Studies in Industrial Distillation.// AIChE J., 1978, v.24, №2, p. 303-334.

68. Исаев Б.А. Разработка методов синтеза и исследования оптимальных технологических схем ректификации многокомпонентных смесей. Дисс. . канд. тех. наук., М.: МИТХТ им Ломоносова, 1988.

69. Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром.— М: «Наука», 1966.

70. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей.— Л.: «Химия», 1982, 532.

71. Тимошенко А.В., Серафимов Л.А. Топологические инварианты распределения изоэнергетических многообразий в концентрационных симплексах исходных составов питания.// ТОХТ, 1999, т.ЗЗ, №2, 164.

72. Серафимов Л.А. Теоретические принципы построения технологических схем ректификации многокомпонентных смесей. Дисс. . докт. техн. наук., м.: lviwiXT, i968.

73. Серафимов Л.А., Тимошенко А.В. Графометрия технологических схем ректификационного разделения многокомпонентных зеотропных смесей, часть I.— М.: МИТХТ, 1995.

74. Тимошенко А.В., Тимофеев B.C., Паткина О.Д. Оптимальные по энергозатратам схемы ректификации смесей бензола и алкилбензолов.// Хим. пром., 1998, №4, с.41-44.

75. Паткина О.Д., Тимошенко А.В., Тимофеев B.C. Оптимальные по энергозатратам схемы ректификации смесей бензола и алкилбензолов.// В сб.: Тез. V Международной конференции «Наукоемкие химические технологии» т. 1, Ярославль, ЯрГТУ, 53.

76. Новые процессы органического синтеза. Под ред. Черных С.П.— М.: «Химия», 1989, 400с.