Совершенствование процесса формирования качества серной кислоты контактным методом на базе компьютерного моделирования стадии абсорбции серного ангидрида тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Антохов, Матвей Владимирович

• Антохов, Матвей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Антохов, Матвей Владимирович

Введение

1 Объект исследования

1.1 Описание технологического процесса производства серной кислоты контактным способом

1.2 Декомпозиция технологического процесса .*.

2 Литературно-информационное исследование

• 2.1 Модели идеального смешения и идеального вытеснения

2.2 Диффузионная модель

2.3 Ячеечная модель

2.4 Комбинированные модели

3 Исследование процесса тепло- и массопереноса в абсорбционном аппарате

3.1 Базовое математическое описание процесса тепло- и массопереноса в абсорбционном аппарате

3.2 Механизм образования капель жидкости в объеме газа

3.3 Математическое описание конденсации пара на ядрах конденсации

3.4 Гомогенная конденсация пара

3.5 Скорость конденсации пара на поверхности капель

3.6 Дисперсность, численная и весовая концентрации тумана

3.7 Определение коэффициентов массоотдачи и массопередачи

4 Разработка компьютерной математической модели абсорбционного отделения сернокислотного производства

4.1 Математическое описание процесса абсорбции в насадочной абсорбционной колонне

4.2 Математическая модель теплообменного аппарата

41 4.3 Установление адекватности математической модели объекту исследования

5 Система управления формированием качества продукта

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование процесса формирования качества серной кислоты контактным методом на базе компьютерного моделирования стадии абсорбции серного ангидрида»

Современные химические технологические процессы имеют двойственную детерминированно-стохастическую природу. Участвующие в них потоки вещества, как правило, многофазные и многокомпонентные. В ходе протекания процесса в каждой точке фазы и на границах раздела происходит перенос импульса, энергии, массы. Весь процесс в целом протекает в аппарате с конкретными геометрическими характеристиками, оказывающими, в свою очередь, влияние на характер этого процесса.

Существенная особенность химико-технологических процессов состоит в том, что совокупность составляющих их явлений носит детерминиро-ванно-стохастическую природу, проявляющуюся в наложении стохастических особенностей гидродинамической обстановки в, аппарате на процессы массо-, теплопереноса и химического превращения. Это объясняется случайным взаимодействием составляющих компонентов фаз (соударением частиц, их дроблением, коалесценцией, случайным блужданием по объему аппарата) или случайным характером геометрии граничных условий в аппарате (случайное расположение элементов беспорядочно уложенной насадки, зерен катализатора, производственная ориентация межфазной границы движущихся сред) [1,3].

Подобного рода системы характеризуются чрезвычайно сложным взаимодействием составляющих их фаз и компонентов, вследствие чего изучение их с позиций классических детерминированных законов переноса и сохранения становится невозможным.

Ключ к решению этой проблемы дает метод математического моделирования, базирующийся на стратегии системного анализа, сущность которой заключается в представлении процесса как сложной взаимодействующей иерархической системы с последующим качественным анализом ее структуры, разработкой математического описания и оценкой неизвестных параметров.

Так, например, при рассмотрении явлений, возникающих в. процессе движения ансамбля частиц, капель или пузырьков газа в сплошной жидкой среде, выделяют пять уровней иерархии эффектов: совокупность явлений на атомарно-молекулярном уровне; эффекты в масштабе надмолекулярных или глобулярных структур; множество физико-химических явлений, связанных с движением единичного включения дисперсной фазы, с учетом химических реакций и явлений межфазного энерго- и массопереноса; физико-химические процессы в ансамбле включений, перемещающихся в сплошной фазе; совокупность процессов, определяющих макрогидродинамическую обстановку в масштабе аппарата. Такой подход позволяет наиболее полно установить совокупность явлений всего процесса и связей между ними.

Под математическим моделированием понимают изучение свойств объекта на математической модели. Его целью является определение оптимальных условий протекания процесса, управление им на основе математической модели и перенос результатов на объект.

Математическое моделирование включает три взаимосвязанных этапа:

- составление математического описания изучаемого объекта;

- выбор метода решения системы уравнений математического описания и реализация его в форме моделирующей программы;

- установление соответствия (адекватности) модели объекту.

На этапе составления математического описания предварительно выделяют основные явления и элементы в объекте и затем устанавливают связи между ними. Далее, для каждого выделенного элемента и явления записывают уравнение (или систему уравнений), отражающее его функционирование. Кроме того, в математическое описание включают уравнения связи между различными выделенными явлениями. В зависимости от процесса математическое описание может быть представлено в виде системы алгебраических, дифференциальных, интегральных и интегрально-дифференциальных уравнений.

Построенная на основе физических представлений модель должна верно качественно и количественно описывать свойства моделируемого процесса, то есть она должна быть адекватна моделируемому процессу. Для проверки адекватности математической модели реальному процессу нужно сравнить результаты измерений на объекте в ходе процесса с результатами предсказания модели в идентичных условиях.

Серная кислота является одним из важнейших продуктов химической промышленности. Большую роль на сернокислотных производствах играют автоматический контроль и управление технологическим процессом. Наиболее приемлемыми вариантами оптимального управления технологическими процессами являются варианты, базирующиеся на принципах прямого цифрового управления. Реализация последних возможна при наличии достаточно полного математического описания процессов. Это позволяет практически исключить ручной труд и оградить людей от вредного воздействия серной кислоты.

В производстве серной кислоты абсорбцию серного ангидрида осуществляют в неизотермических условиях в насадочных абсорберах, где на входе при наличии влаги в газе может протекать конденсация паров серной кислоты в объеме газовой смеси с образованием тумана [4]. Содержание влаги в газе на входе в контактный аппарат в системах на сере и режим работы абсорбера определяют массу и дисперсность тумана на выходе из первой стадии абсорбции. Это в свою очередь влияет на степень очистки газа в фильтрах после первого моногидратного абсорбера и на состояние теплообменников контактного узла.

Опыт эксплуатации производства показывает, что от 75 до 80 % паров h2s04 конденсируется в первом абсорбере без образования тумана. Для определения режима, отвечающего наименьшему количеству тумана, достаточно полно осаждающегося в волокнистых фильтрах после моногидратного абсорбера, необходимо знать взаимосвязь множества различных факторов, влияющих на процесс конденсации паров серной кислоты.

Данная работа посвящена вопросам рационализации автоматического управления сушильно-абсорбционного отделения производства серной кислоты контактным способом, созданию компьютерной модели процесса абсорбции серного ангидрида в абсорберах насадочного типа и управления процессом формирования качества конечного продукта.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Антохов, Матвей Владимирович

Заключение

В итоге проведения исследовательской работы, получены следующие результаты:

- усовершенствовано математическое описание тепломассопереноса в абсорбционном аппарате насадочного типа, на основе которой создана математическая модель.

- построена математическая модель формирования качества серной кислоты контактным методом на базе компьютерного моделирования стадии абсорбции серного ангидрида.

- разработан комплекс технических и программных средств, предложен алгоритм и способ прямого цифрового управления получения серной кислоты, который позволит уменьшить потери готового продукта при заданном значении качества и уменьшить нагрузку технологического оборудования.

- разработана и внедрена автоматизированная система управления технологическим процессом получения серной кислоты на ФГУП "Бийский олеумный завод".

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Антохов, Матвей Владимирович, 2004 год

1. Кафаров, В.В. Математическое моделирование основных процессов химических производств Текст. / В.В. Кафаров, М.Б. Глебов. М.: Высшая школа, 1991.-400 с.

2. Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химических технологий Текст. М. : Химия, 1973. - 752 с.

3. Закгейм, А.Ю. Введение в моделирование химико-технологических процессов Текст. 2-е изд., доп. - М.: Химия, 1982. - 288 с.

4. Амелин, А.Г. Производство серной кислоты Текст. / А.Г. Амелин, Е.В. Яшке. М.: Высшая школа, 1974. - 220 с.

5. Амелин, А.Г. Технология серной кислоты Текст. 2-е изд. перераб. -М.: Химия, 1983.-360 с.

6. Леонов, Г.В. Разработка и исследование высокоэффективного оборудования для концентрирования серной кислоты на базе компьютерного и натурного моделирования Текст. / Г.В. Леонов, О.И. Пята, Ю.Н. Жуков,

7. B.Б. Варганов // Химическая промышленность. 1995. - №3. - С.172-176.

8. Айнштейн, В.Г. Расчет неизотермической абсорбции Текст. / В.Г. Айнштейн, М.К. Захаров // Химическая промышленность. 1997. - №61. C. 57-60.

9. Франк-Каменецкий, Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике Текст. 2-е изд., перераб. - М.: Наука, 1967. - 491 с.

10. Александров, А.И. Ректификационные и абсорбционные аппараты. Методы расчёта и конструирования Текст. 3-е изд., перераб. - М. : Химия, 1978. - 280 с.

11. Туревский, Е.Н. Схемы и методы расчёта процесса абсорбции Текст. / Е.Н. Туревский, А.И. Александров, А.Л. Халиф. М. : ВНИИЭгазпром, 1969.-51 с.

12. Хоблер, Т. Массопередача и абсорбция Текст. : [пер. с польск.] JI. : Химия, 1964. - 497 с.

13. Коган, В.Б. Равновесие между жидкостью и паром Текст. / В.Б. Коган, В.М. Фридман, В.В. Кафаров. JI. : Наука, 1966. - 344 с.

14. Кафаров, В.В. Основы массопередачи Текст. : учебник для студентов вузов. 3-е изд., перераб. - М. : Высшая школа, 1979. - 439 с.

15. Рид, Р. Свойства газов и жидкостей Текст. : справочное пособие : [пер. с англ.] / Р. Рид, Дж. Праусниц, Т. Шервуд 3-е изд. перераб. - JI. : Химия, 1982. - 592 с.

16. Шервуд, Т. Массопередача Текст. : [пер. с англ.] / Т. Шервуд, Р. Пиг-форд, Ч. Уилки. М.: Химия, 1982. - 696 с.

17. Броунштейн, Б.И. Гидродинамика, массо- и теплообмен в дисперсных системах Текст. / Б.И. Броунштейн, Г. А. Фишбейн. Л. : Химия, 1977280 с.

18. Броунштейн, Б.И. Гидродинамика, массо- и теплообмен в колонных аппаратах Текст. / Б.И. Броунштейн, В.В. Щеголев. Л. : Химия, 1988. -336 с.

19. Рамм, В.М. Абсорбция газов Текст. 2-е изд., переработ, и доп. - М. : Химия, 1976.- 656 с.

20. Бондарь, А.Г. Математичекое моделирование в химической технологии Текст.- Киев : Вища школа, 1973. 279 с.

21. Макина, И.В. Определение истинных коэффициентов массоотдачи в на-садочных абсорбционных апаратах Текст. / И.В. Макина, Н.И. Гельпе-рин, В.И. Соколов, В.Л. Новобратский // Химическая промышленность. -1986. -№11. -С.39-41.

22. Лыков, А.В. Тепломассообмен Текст. М.: Энергия, 1971. - 560 с.

23. Исаченко, В.П. Теплопередача Текст. : учебник для вузов. М. : Энергия, 1975.-488 с.

24. Амелин, А.Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара Текст. М.: Химия, 1972. - 282 с.

25. Скобло, А.И. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности Текст. / А.И. Скобло, И.А. Трегубова, Ю.К. Молоканов. М. : Химия, 1982. - 356 с.

26. Идельчик, И.Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов. Подвод, отвод и распределение потока по сечению аппаратов Текст. М. : Машиностроение, 1983.-351 с.

27. Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии Текст. / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. -JI.: Химия, 1981. 560с.

28. Беннет, К.О. Гидродинамика, теплообмен и массообмен Текст. : [пер. с англ.] / К.О. Беннет, Дж.Е. Майерс. М.: Недра, 1966- 728 с.

29. Ефимов, А.И. Свойства неорганических соединений Текст. / А.И. Ефимов, Л.П. Белорукова, И.В. Василькова, В.П. Чечев. М. : Химия, 1983389 с.

30. Батунер, Л.М. Математические методы в химической технике Текст. / Л.М. Батунер, М.Е. Позин ; под общ. ред. М.Е. Позина. Л. : Химия, 1971.-824 с.

31. Малин, К.М. Справочник сернокислотчика Текст. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1971. - 322 с.

32. Яблонский, П.А. Проектирование тепло- и массообменной аппаратуры химической промышленности Текст. 8-е изд., перераб: - Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1978. - 86 с.

33. Михайлов, Г.В. Анализ процесса неизотермической абсорбции серного ангидрида на основе математической модели Текст. / Г.В. Михайлов, Е.В. Яшке, Н.И. Новикова, О.В. Русиновская // Химическая промышленность. 1986. - №9. - С.42-44.

34. Кикоин, И.К. Таблицы физических величин Текст. : справочник. М. : Атомиздат, 1976. - 1008 с.

35. Олевский, В.М. Ректификация термически нестойких продуктов Текст.- М.: Химия, 1972. 200 с.

36. Михеев, М.А. Основы теплопередачи Текст. / М.А. Михеев, И.М. Ми-хеева. М.: Энергия, 1973. - 319 с.

37. Маньковский, О.Н. Тегоюобменная аппаратура химических производств Текст. / О.Н. Маньковский, А.Р. Толчинский, М.В. Александров. JI. : Химия, 1976. - 376 с.

38. Исаченко, В.П. Теплопередача Текст. / В.П. Исаченко, В.А. Осипова,

39. A.С. Сукомел. М.: Энергия, 1975. - 488 с.

40. Балакирев, B.C. Оптимальное управление процессами в химических технологиях (экстремальные задачи в АСУ) Текст. / B.C. Балакирев,

41. B.М. Володин, A.M. Цирлин. М. : Химия, 1978. - 384 с.

42. Филиппов, Г.Г. Математическое обеспечение расчётов ректификационных колонн на ЭЦВМ. Метод характеристических температур Текст. / Г.Г. Филиппов, Л.И. Шевырева. М.: НИИТЭхим, 1972. - 31 с.

43. Кутателадзе, С.С. Основы теории теплообмена Текст. 4-е изд. - Новосибирск : Наука, 1970. - 659 с.

44. Бернштейн, И.М. Автоматизация управления сернокислотным производством Текст. / И.М. Бернштейн, Б.Т. Васильев, А.И. Голант, B.C. Петровский. М.: Химия, 1975. - 248 с.

45. Полоцкий, JI.M. Основы автоматики и автоматизации производственных процесов в химической промышленности Текст. / JI.M. Полоцкий, Г.И. Лапшенков. М.: Химия, 1973. - 320 с.

46. Форсайт, Дж. Машинные методы математических вычислений Текст. / Дж. Форсайт, М. Малькольм, К. Моулер. М.: Мир, 1980. - 279 с.

47. Фаронов, В.В. Delphi 4. Учебный курс Текст. М. : "Нолидж", 1999. -464 с.

48. Лебедовский, М.С. Автоматизация в промышленности Текст. : справочная книга / М.С. Лебедовский, А.И. Федотов. Л. : Лениздат, 1976. -256с.

49. Волков, Е.А. Численные методы Текст. М.: Наука : Гл. ред. физ.-мат. лит-ры, 1982.-256 с.

50. Бронштейн, И.Н. Справочник по математике Текст. / И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. М. : Наука, 1964. - 608 с.

51. Самарский, А.А. Численные методы Текст. / А.А. Самарский, А.В. Гу-лин. М.: Наука, 1989. - 432с.

52. Адлер, Ю.П. Введение в планирование эксперимента Текст. М. : Металлургия, 1969. - 226 с.

53. Налимов, В.В. Статистические методы планирования экстремального эксперимента Текст. / В.В. Налимов, Н.А. Чернова. М. : Наука, 1966. -342 с.

54. Елисеева, И.И. Общая теория статистики Текст. / И.И. Елисеева, М.М. Юзбашев. М.: Финансы и статистика, 2003. - 480 с.

55. Решетников, М.Т. Планирование эксперимента и статистическая обработка данных Текст. Томск : Томский Государственный Университет систем управления и радиоэлектроники, 2000. - 231 с.

56. Крылов, В.И. Вычислительные методы Текст. : учеб. пособие для ВТУ-Зов/В.И. Крылов, В.В. Бобков, П.И. Монастырный. -М. : Наука, 1976303 с.

57. Кафаров, В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии Текст. М. : Высшая школа, 1979. - 439с.

58. Острём, К. Системы управления с ЭВМ Текст. : [пер. с англ.] / К. Ост-рём, Б. Виттенмарк. М.: Мир, 1987. - 480 с.

59. Азбелев, Н.В. Автоматизация химических производств на базе математического моделирования Текст. : сборник статей. М. : Наука, 1974. -159 с.

60. Антохов, С.В. Автоматизация производства серной кислоты контактным способом Текст. / С.В. Антохов, М.В. Антохов // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях: Межвузовский сборник. Бийск, 2002. - С.66-75.

61. Понамарев, В.А. СОМ и ActiveX в Delphi Текст. СПб. : БХВ-Петербург, 2001- 320 с.

62. Антохов, С.В. Применение математического моделирования при проектировании АСУ реального времени в производстве серной кислоты Текст. / С.В. Антохов, М.В. Антохов, Г.В. Леонов // Промышленные АСУ и контроллеры. 2004. - №4. - С.31-34.

63. Дытнерский, Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии Текст. М. : Химия, 1995. - 560 с.

64. Бояринов, А.И. Методы оптимизации в химической технологии Текст. / А.И. Бояринов, В.В. Кафаров. -М. : Химия, 1973. 575 с.

65. Данквертс, П.В. Газо-жидкостные реакции Текст.: [пер. с англ.] -М.: Химия, 1973.-296с.

66. Рамм, В.М. Абсорбционные процессы в химической промышленности Текст. М.: Госхимиздат, 1951. - 352 с.

67. Левич, В.Г. Физико-химическая гидродинамика Текст. изд. 2-е. - М.: Физматгиз, 1959. - 669 с.

68. Ландау, Л.Д. Механика сплошных сред Текст. / Л.Д. Ландау, Е.М. Лившиц. 2-е изд. - М.: Гостехтеориздат, 1954. - 795с.

69. Астарита, Дж. Массопередача с химической реакцией Текст.: [пер. с англ.]. Л.: Химия, 1971. - 224 с.

70. Багатуров, С.А. Основы теории и расчета перегонки и ректификации Текст. 3-е изд. - М.: Химия, 1974. - 440 с.

71. Ицкович, Э.Л. ЭВМ в системе управления предприятиями Текст. М.: Наука, 1980. - 189 с.

72. Перов, Б.Н. Управление химико-технологическими системами Текст. / Б.Н. Перов, А.Ф. Егоров, А.Ю. Хабарин. М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1981.-52 с.

73. Бобров, Д.А. Оптимизация химико-технологических систем Текст. / Д.А. Бобров, В.В. Кафаров, В.Л. Перов. М. : МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1979. - 50 с.

74. Ли, Т.Г. Управление процессами с помощью ЭВМ. Моделирование и оптимизация Текст. / Т.Г. Ли, Г.Э. Адаме, У.М. Гейнз. М. : Советское радио, 1972.-306 с.

75. Штейнберг, Ш.Е. Промышленные автоматические регуляторы Текст. -М. : Энергия, 1973. 420 с.

76. Спиди, К. Теория управления Текст. / К. Спиди, Р. Браун, А. Гудвин. -М.: Мир, 1973.-247 с.

77. Ицкович, Э.Л. Алгоритмы централизованного контроля и управления производством Текст. / Э.Л. Ицкович, Э.А. Трахтенгерц. М.: Советское радио, 1967. - 351 с.

78. Розенкноп, З.П. Извлечение двуокиси серы из газов Текст. М. : Гос-химиздат, 1952. - 192 с.

79. Ландау, Л.Д. Теоретическая физика. Гидродинамика Текст.: учебное пособие / Л.Д. Ландау, В.М. Лифшиц. М.: Наука, 1988. - 736 с.

80. Кэй, Д. Таблицы физических и химических постоянных Текст. / Д. Кэй, Т. Лэби. М. : Физматгиз, 1962. - 443 с.

81. Бретшнайдер, С. Свойства газов и жидкостей. Инженерные методы расчета Текст. Л.: Химия, 1970. - 535 с.

82. Хинце, И.О. Турбулентность Текст.: [пер. с англ.]. М.: Физматгиз, 1963.-680 с.

83. Арис, Р. Анализ работы химических реакторов Текст. М. : Химия, 1967.-282 с.

84. Иоффе, И.И. Инженерная химия гетерогенного катализа Текст. / И.И. Иоффе, Л.М. Письмен. -Л. : Химия, 1972. 464 с.

85. Левеншпиль, О. Инженерное оформление химических реакций Текст. -Л.: Химия, 1969.-344 с.

86. Саттерфильд, Ч.М. Массопередача в гетерогенном катализе Текст. М.: Химия, 1976.-442 с.

87. А. с. 1281509 СССР, МКИ С 01 В 17/74. Способ автоматического контроля состояния теплообменной аппаратуры Текст. / А.И. Кобяков (СССР). -№3921683/31-26 ; заявл. 02.07.85 ; опубл. 07.01.87, Бюл. №1. 3 с.

88. Дарахвелидзе, П.Г. Программирование в Delphi 5 Текст. / П.Г. Дарахвелидзе, Е.П. Марков, О.А. Котенок. СПб. : БХВ-Петербург,

89. СйбЙьькб^ТМ^Г. Моделирование химических реакторов Текст. Новосибирск : Наука, 1968.-238 с.

90. Лисичкин, Г.В. Гетерогенные металлокомплексные катализаторы Текст. / Г.В. Лисичкин, А.Я. Юффа. М.: Химия, 1981. - 286с.

91. Боресков, Г.К. Гетерогенный катализ Текст. М. : Наука, 1988. - 304 с.

92. Аксельруд, Г.А. Теория диффузионного извлечения веществ из пористых тел Текст. Львов : Изд. Львов. Политехи. Ин-та, 1959. - 328 с.