автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Алгоритмическое и программное обеспечение для анализа и принятия решения при создании технологических схем непрерывной ректификации

Введение.

1. Литературный обзор.

1.1. Применение теории динамических систем для анализа дистилляции и ректификации

1.2. Динамическая система дистилляции.

1.3. Динамическая система двухсекционной ректификационной колонны.

1.4. Анализ степеней свободы модели динамических систем.

1.5. Стационарные точки процесса и их применение.

1.6. Области существования продуктов разделения при бесконечной флегме.

1.7. Области продуктов существования при произвольном флегмовом числе.

1.8. Динамическая система экстрактивной ректификации

1.9. Полистационарность процесса ректификации.

1.10. Математические методы моделирования массообменный процессов.

1.11. Применение обобщенных сетей Петри в системном анализе

1.12. Постановка задачи исследования

2. Системный анализ процесса синтеза ректификационной схемы разделения многокомпонентных азеотропных смесей.

2.1. Схема предпроектной разработки ректификационных систем на основе моделей динамических систем.

2.2. Программный комплекс для исследования стационарных линий

3. Исследование динамических систем обычной и экстрактивной ректификации.

3.1. Динамические системы ректификации в двухсекционных колоннах

3.1.1. Исследование влияния цараметров на ход линий стационарности в двухсекционных колоннах.

3.1.2. Алгоритмы определения граничных параметров при обычной ректификации

3.2. Сопряженные динамические системы ректификации в двухсекционных колоннах

3.2.1. Использование бистационарной точки для оценки возможности получения заданных продуктов

3.2.2. Использование 8ш2-точки для определения характера стыковки траекторий при минимальном флегмовом числе.

3.2.3. Алгоритм Zerovol для определения минимального флегмового числа.

3.2.4. Определение минимального флегмового числа при наличии гистерезиса на ветви Sm-линии.

3.2.5. Алгоритм Rmin для определения минимального флегмового числа из условия касания траекторий.

3.2.6. Стыковка траекторий при минимальной флегме при наличии нескольких ветвей Sm-линии одной из частей колонны.

3.2.7. Стыковка траекторий при минимальной флегме при наличии несколько ветвей Sm-линии для обеих секций колонны

3.2.8. Стыковка траекторий при наличии точки перегиба на Sm-линии

3.2.9. Алгоритм Sm2 проверки реализуемости заданного разделения.

3.2.10. Программный комплекс Sm2 проверки реализуемости заданного разделения

3.2.11. Бистационарная (Sm2 ) линия

3.2.12. Границы существования продуктов при произвольном флегмовом числе

3.3. Динамические системы экстрактивной

3.3.1. Математическая модель трехсекционной колонный

3.3.2. Эволюция стационарных точек средней части при изменении параметров системы для зеотропной смеси.

3.3.3. Анализ реализуемости процесса разделения экстрактивной ректификацией в зеотропной смеси.

3.3.4. Алгоритм RexMinMax для определения минимального и максимального флегмового числа при разделении зеотропной смеси экстрактивной ректификацией

3.3.5. Эволюция стационарных точек экстрактивной части при изменении флегмового числа для смеси с минимальнокипящим азеотропом между компомнентами 1 и 2.

3.3.6. Эволюция стационарных точек при изменении удельного расхода экстрактивного агента при постоянном флегмовом числе.

3.3.7. Исследование возможности реализации процесса разделения азеотропной смеси с минимум температуры кипения тяжелокипящим экстрагентом.

3.3.8. Программный комплекс определения диапазона допустимых параметров при разделении экстрактивной ректификации.

4. Исследование полистационарности ректификационного процесса.

4.1. Математическая модель процесса.

4.2. Программный комплекс Colhom для расчета ректификационной колонный.

4.3. Определение диапазона полистационарности

4.3.1. Система с минимальнокипящим азеотропом между компонентами 1иЗ

4.3.2. Система с минимальнокипящим азеотропом между компонентами 1-2 и максимальнокипящим азеотропом между компонентами 2

4.3.3. Полистационарность в системах с большой кривизной разделяющих.

5. Использование математической модели обобщенных сетей для принятия решения при создании технологических схем непрерывной ректификации.

Результаты и выводы

Одним из основных этапов создания любого нового химического производства является разработка и оптимизация его технологической схемы. Перед разработчиками новой технологии ставится задача получения целевых продуктов при минимальном расходе сырья и энергии без загрязнения окружающей среды. Ректификация - широко распространенный способ получения продуктов заданных качеств. Синтез оптимальной схемы разделения и в настоящее время остается сложной задачей ввиду ее многовариантности, отсутствия простых и однозначных методов выбора варианта, а для азеотропных смесей - и из за наличия термодинамических ограничений при реализации отдельных этапов разделения. При выборе оптимального варианта ректификационной системы обязательно применение системного подхода -рассмотрение единства отношений и связей отдельных ее элементов, так как каждый аппарат выполняет свою функцию благодаря существующей структуре и взаимодействий с другими элементами. Системный подход предполагает определение цели, границ системы , независимых переменных и ограничений, с учетом которых разрабатываются варианты технологических схем и делается предварительный выбор варианта. Для этого необходимо сиздание программного продукта на основе анализа закономерностей, присущих отдельным элементам рассматриваемой системы.

Целью данной работы является создание программного продукта, позволяющего принимать решение о топологии схемы разделения многокомпонентных азеотропных смесей разработка с использованием системного подхода и термодинамико-топологического анализа.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

• Оценка на основе теории динамических систем влияния параметров на процесс разделения

• Разработка программного комплекса для оценки реализуемости разделения и определения граничных значений параметров при обычной и экстрактивной ректификации

• Разработка программного комплекса для определения диапазона параметров, в котором возможно существование нескольких стационарных профилей

Первая глава посвящена обзору литературы по использовании динамических систем и математических методов для анализа процесса ректификации.

Во второй главе рассматривается системный подход при разработке технологических систем непрерывной ректификации и разработанный программный комплекс для получения линий стационарности динамических систем ректификации. ч.

Третья глава посвящена исследованию динамических систем двух- и трехсекционных ректификационных колонн. В результате анализа получены и реализованы алгоритмы определения граничных параметров и проверки реализуемости процесса.

В четвертой главе рассмотрено разработанное программное обеспечение для исследования полистационарности ректификационного процесса на основе фазового портрета смеси.

В пятой главе описана методика проверки и выбора ректификационной схемы разделения с использованием обобщенных сетей Петри.

1. Литературный обзор

1. Атанасов К.Т., Въведение в теорията на обобщените мрежи , Бургас, 1992

2. Готлиб В.А., Мозжухин A.C. Митропольская В.А. Анализ динамических систем ректификации. ТОХТ, 1994, т.28, 1 , с.69-72

3. Давиденко,Д.Ф. "О новом методе численного решения системы нелинейных уравнений", Докл. Акад. Наук СССР, 88, 601, 1953

4. Жаров В.Т. , Серафимов JI.A. Физико-химические основы дистилляции и ректификации , JL, Химия, 1975

5. Кушнер, Т.М., Г.В. Шутова , В.М.Раева, Л.А.Серафимов, ЖФХ, 1992, 66,3

6. Митропольская В.А. , Мозжухин A.C. , Андреева JI.B. Стыковка траекторий ректификации в колоннах бесконечной еффективности при наличии нулевиих концентраций в продуктах., В сб. "Физико-химические основы ректификации" М., МИХМ, 1976, с.138-146

7. Митропольская В.А., А.С.Мозжухин, Н.К.Тихонова, Г.Е.Шульга, Сб. "Основной органический синтез и нефтехимия", Ярославль, 1982,17, 53

8. Митропольская В.А., Я.Ч.Дорожинский, А.В.Анисимов , "Некоторые альгоритмы исследования динамических систем ректификации"

9. Мозжухин , A.C., Митропольская В.А. , Батищева Н.Е. Термодинамико-топологический анализ динамических систем экстрактивной ректификации. М, МИТХТ, 1989 . Деп. в ОНИИТЭХИМ, г. Черкассы, N 648-хп-89

10. Мозжухин A.C. , Митропольская В.А., Тихонова Н.К. Анализ структуры диаграмм парожидкостного равновесия М, МИТХТ, 1988, 92с.

11. Мозжухин A.C., В.А. Митропольская , "Исследование сопряженниих динамических систем ректификации"

12. Мозжухин A.C., Готлиб В.А. "Анализ динамических систем дистилляции и ректификации", ТОХТ , 1987, т.21, 3, 291с.

13. Мозжухин A.C., Митропольская В.А. "О стыковке траекторий ректификации в колоннах бесконечной еффективности." В сб. "Физико-химические основы ректификации"-М., МИХМ, 1976, с.131-137

14. Николаев Е.С., В.Н.Кива, А.С.Мозжухин, Л.А.Серафимов, С.И. Голобородкин, "Использование функциональных операторов для определения областей непрерывной ректификации", ТОХТ, 1979, 13, 4, 493-498

15. Петлюк Ф.Б., Б.С.Аветян "Исследование ректификации трехкомпонентниих смесей при бесконечной флегме.ТОХТ, 1971, V, 4, 499-507

16. Пономарев В.Н., Саксонова О.И.,Тимофеев B.C., ТОХТ, 1996, том 30, 4, с.383 391.

17. Тихонова, Н.К. , Т.В. Данилова-Данилян, A.C. Мозжухин. Системы автоматизированного проектирования в химической и нефтехимической технологии, М., МИТХТ, 1978, 50

18. Allgower Е., K.Georg, "Simplicial and Continuation Methods for Approximating Fixed Points and Solutions to System of Equations", SLAM Review, 1980, 22, 1, 28-77

19. Aluko M., "Abode: A computer Package for Bifurcational Analyses of Autonomous Ordinary Differential Equations", Comp. and Chem. Eng., 1985, 4, 411-412

20. Atanassov, K. /'Generalized Nets", World Scientific, Singapore, New Jersey, London, 1991

21. Atanassov, K. , "Generalized Nets and Systems Theory", Prof.M.Drinov Academic Publishing House, Sofia, 1997

22. Atanassov, K., "Generalized Nets in Artificial Intellegence", Vol.1 Generalized Nets and Expert Systems, Prof.M.Drinov" Academic Publishing House, Sofia, 1998

23. Atanassov, K., "Intuitionistic Fuzzy Sets", Spriger-Verlag, Heidelberg, 1999

24. Atanassov, K., A,Shanon, C.Wong, "Generalized Nets and Cognitive Science", KvB Visual Concepts Pty Ltd, Sydney, 2000

25. Atanassov, K., H.Aladjov , Generalized Nets in Artificial Intellegence, Vol.2 Generalized Nets and Machine Learning, Prof.M.Drinov" Academic Publishing House, Sofia, 2001

26. Atanassov, K., R. Christov, "Program Package for Generalized Nets", Petri Nets Newsletter 42, Aug. 1992, 23-26

27. Atanassov, K., R. Christov, "About the programm realization of the generalized nets", Advances in Modelling «^Analysis, AMSE Press., Vol.17, 1, 1993, 13-24

28. Bekiaris N., G.M.Meski, C.M.Radu, M.Morari, "Multiple Steady States in Homogeneous Azeotropic Distillation", Ind.Eng.Chem.Res., 1993, 32, 2023-2038

29. Bekiaris N., G.M.Meski, M.Morari, "Multiple Steady States in Heterogeneous Azeotropic Distillation", Ind.Eng.Chem.Res., 1996, 35, 207-227

30. Bennett, J.M., "Triangular Factors of Modified Matrices, Numer. Math., 7,217, 1965

31. Bogle,I.D. L., J.D. Perkins, "Improvements to Sparse Quasi-Newton Methods for Algebraic Systems", Proc. Chem. Eng. Fund. XVIII Cong., Sicily, 47, 1987

32. Broyden, C.G. "A Class of Methods for Solving Nonlinear Simultaneous Equations" , Math. Comp. ,19, 577, 1965

33. Byrne G.D., L.A.Baird, "Distillation Calculations Using a Locally Parameterized Continuation Method", 1985, 9, 6, 593-599

34. Cairns B.P., I.A.Furzer, "Multicomponent Three-Phase Azeotropic Distillation. Modern Thermodynamics Models and Multiple Solutions ", Ind.Eng.Chem.Res., 1990, 29, 1383

35. Chen H.-S., M.A.Stadtherr, "On Solving Sparse Nonlinear Equation Systems", Comp.Chem.Eng., 1984, 8, 1, 1-7

36. Doherty M.F., G.A. Caldarola, " Design and Synthesis of Homogeneous Azeotropic Distillations. 3.The Sequencing of Columns for Azeotropic and Extractive Distillations", Ind. Eng. Chem.Fundam, 1985, 24, 474-485

37. Doherty M.F., J.D. Perkins ,"On the Dinamics Of Distillation Processes. The Simple Distillation of Multicomponent Nonreacting , Homogeneous Liquid Mixtures", Chem.Eng.Sci., 1978, 569-578

38. Fidkowski Z.T., M.F.Doherty, M.F.Malone , "Feasibility of Separation for Distillation of Nonideal Ternary Mixtures" , AIChE J., 1993, 39, 8, 1303-1320

39. Fidkowski Z.T., M.F.Malone, M.F. Doherty, "Nonideal Multicomponent Distillation:Use of bifurcation Theory for Design", AIChE J., 1991, 37, 12, 1761-1779

40. Fletcher J.P., J.E.Ogbonda, "A Modular Equation-Oriented Approach to Dynamic Simulation of Chemical Processes", Comp.Chem.Eng., 1988, 12, 5, 401-405

41. Gani R., S.B Jorgensen, "Multiplicity in Numerical Solution of Nonlinear ModelsrSeparation Processes", Comp.Chem.Eng., 1994,18, S55

42. Helfferich F.G., "Multiple Steady States in Multicomponent Countercurrent MassTransfer Processes", Chem.Eng.Sci., 1993, 48, 4, 681

43. Jacobsen E.W., S.Skogestad , "Multiple Steady States in Ideal Two-Product Distillation", AIChE J., 1991,37,1810

44. Jelinek, J., "The Calculation of Multistage Equilibrium Separation Problems With Various Specifications", Comp.Chem.Eng., 1988,12, 3,195-198

45. Julka V., M.F.Doherty , "Geometric Behavior and Minimum Flows for Nonideal Multicomponent distillation", Chem.Eng.Sci., 1993, 45, 7, 1801-1822

46. Julka V., M.F.Doherty, "Geometric Nonlinear Analysis of Multicomponent Nonideal Distillation: A Simple Computer-Aided Design Procedure", Chem. Eng.Science, 1992, 1367

47. Kienle A., W.Marquardt ,"Steady State Multiplicities in Homogeneous Azeotropic Distillation Processes", AIChE An.Meeting, Miami, 1992

48. Kienle, A., W. Marquardt, "Bifurcation Analysis and Steady-State Multiplicity of Multicomponent, Non-Equilibrium Distillation Processes", Chem.Eng.Sci., 1991 , 46, 7 , 1757

49. Kingsley, J.P., A. Lucia , "Simulation and Optimization of Three-Phase Distillation Processes", Ind.Eng.Chem.Res., 1988, 27, 1900

50. Knapp J.P., M.F.Doherty, "A New Pressure-Swing-Distillation Process for Separating Homogenious Azeotropic Mixtures", Ind.Eng.Chem.Res., 1992, 31, 346-357

51. Knapp J.P., M.F.Doherty. Minimum Entraîner Flows for Extractive Distillation: a Bifurcation Theoretic Approach, AIChE J., 1994, 40, 2, 243-268

52. Knight J.R., M.F.Doherty , "Design and Synthesis of Homogeneous Azeotropic Distillations. Columns with Nonnegligible Heat Effects", Ind. Eng. Chem.Fundam, 1986, 25, 279-289

53. Koehler J., P.Poellmann, E.Blass, "A Review of Minimum Energy Calculation for Ideal and Nonideal Distillations", Ind.Eng.Chem.Res., 1995, 34,1003-1020

54. Kovach III J.W., W.D.Seider ,"Heterogenious Azeotropic Distillation -Homotopy-Continuation Methods", Comp.Chem.Eng., 1987, 11, 6, 593-605

55. Kovach III J.W., W.D.Seider, "Heterogeneous Azeotropic Distillation. Experimental and Simulation Results", AIChE J., 1987, 33, 1300

56. Kuno M., J.D.Seader, "Computing All Real Solutions to Systems of Nonlinear Equations with a Global Fixed-Point Homotopy", Ind.Eng.Chem. Res., 1988, 27, 1320-1329

57. Laroche L., N.Bekiaris, H.W. Andersen, M.Morari, "Homogenious Azeotropic Distillation: Separability and Flowsheet Synthesis", Ind.Eng.Chem.Res., 1992, 31, 21902209

58. Laroche L., N.Bekiaris, H.W.Andersen, M.Morari, "The Curious Behavior of Homogeneous Azeotropic Distillation Implications for Entrainer Selection, AIChE J., 1992, 38, 9, 1309- 1328

59. Levy S.G, D.B. Van Dongen , M.F.Doherty. " Design and Synthesis of Homogeneous Azeotropic Distillations. 2.Minimum Reflux Calculations for Nonideal and Azeotropic Columns", Ind. Eng. Chem.Fundam, 1985, 24, 453-474

60. Levy S.G., M.F.Doherty , "A simple exact method for calculations tangent pinch points in multicomponent nonideal mixtures by bifurcation theoty", Chem.Eng.Sci., 1986, 41, 12, 3155-3160

61. Levy S.G., M.F.Doherty, "Design and Synthesis of Homogeneous Azeotropic Distillations. 4.Minimum Reflux Calculations for Multiple-Feed Columns", Ind. Eng. Chem.Fundam, 1986,25, 269-279

62. Lin W.-J., J.D.Seader, T.L.Wayburn, "Computing Multiple Solutions to Systems of Interlinked Separation Columns", AIChE J., 1987, 33, 886

63. Lucia A., S.Macchietto , "New Approach to Approximate Quantities Involving Physical Properties Derivatives in Equation Oriented Process Design", AIChE J., 1983, 29, 5, 705

64. Lucia ,A., D.C.Miller , A.Kumar "Thermodynamically Consistent Quasi-Newton Formulae", AIChE J., 31(8), 1381 , 1985

65. Lucia A., H.Li , "Constrained Separations and the Analysis of Binary Homogeneous Separators", Ind.Eng.Chem.Res.", 1992, 31,2579

66. Lucia A., X.Guo, R.J.Richey, R.Derebail , "Simple Process Equations, Fixed-Point Metods , and Chaos", AIChE J., 1990, 36, 5, 641-654

67. Magnussen T., M.L.Mishelsen, Aa.Fredenslund , "Azeotropic Distillation Using Unifac", I.Chem.Eng.Symp.Ser., 56, 4.2/1-4.2/19

68. Naphtali L.M., D.P.Sandholm, "Multicomponent Separation Calculations by Linearization", AIChE J., 1971, 17,1, 148-153

69. Prokopakis,G.J., W.D.Seider, "Dynamic Simulation of Azeotropic Distillation Towers", AIChE J., 1983,29,6, 1017

70. Prokopakis,G.J., W.D.Seider, "Feasible Specifications in Azeotropic Distillation", AIChE J., 1983,29,1, 49

71. Rooks R.E., V.Julka, M.F.Doherty, M.F.Malone, "Strucrure of Distillation Regions for Multicomponent Azeotropic Mixtures", AIChE J., 1998, 44, 6, 1382-1391

72. Rovaglio M., M.F.Doherty, "Dynamics of Heterogeneous Distillation Columns", AIChE J., 1990,36,39

73. Schubert,L.K. "Modification of a Quasi-Newton Method for Nonlinear Equations with Sparse Jacobian", Math. Comp., 25, 27,1970

74. Seider W.D., D.D.Brendel, S.Widagdo, "Nonlinear Analysis in Process Design", AIChE J., 1991,37, 1, 1-38

75. Shacham M., "Comparing Software for the Solution of Systems of Nonlinear Algebraic Equations Arising in Chemical Engeneering",

76. Sridhar L.N, Analisys of Two-Stage Heterpgeneous Separation Processes, AICheE J., 1996, 42, 10, 2761-2764

77. Sridhar L.N, Lucia A., "Analisys and Algorithms for Multistage Separation Processes", Ind.Eng.Chem.Res., 1989, 28, 793-803

78. Sridhar L.N, Lucia A., "Analisys of Multicomponent Multistage Separation Processes:Fixed Temperature and Pressure Profiles ", Ind.Eng.Chem.Res., 1990, 29,1668

79. Sridhar L.N, Multistage Standard Spesification, AIChE J., 1997,43, 5,1369-1371

80. Stadtherr M.A., E.S.Wood, "Sparse Matrix Methods for Equation-Based Chemical Process Flowsheeting-I", Comp.Chem.Eng., 1984, 8,1,9-18

81. Stichlmair J., H.Offers, R.W.Potthoff, "Minimum Reflux and Minimum Reboil in Ternary Distillation", Am.Chem.Soc., 1993,

82. Stichmair J.S., J.R.Fair, J.L.Bravo , "Separation of Azeotropic Mixtures via Enhanced Distillation , Chem.Eng.Progr, 1989, 63-69

83. Stichmair J.G., J.-R.Herguijuela , "Separation Regions and Processes in Zeotropic and Azeotropic Ternary Distillation", AIChE J., 1992, 38,10,1523-1535

84. V.Dongen D. B., M.F.Doherty , " Design and Synthesis of Homogeneous Azeotropic Distillations. 1. Problem Formulation for a Single Column", Ind. Eng. Chem.Fundam, 1985,24, 454-463

85. Venkatamaran S., A.Lucia , " Solving Distillation Problems by Newton-Like Methods", Comput.Chem.Eng., 1988, 12, 55

86. Venkataraman,S. A.Lucia "Exploiting the Gibbs-Duhem Equations in Separation Calculations", AIChE J., 32(7),1057,1986

87. Vickery D.J., J.J.Ferrari, R.Taylor , " An "Efficient" Continuation Method for the Solution of Difficult Equilibrium Stage Separation Process Problems", Comp.Chem.Eng., 1988,12, 1, 1988

88. Wahnschaft O.M., A.W.Westerberg, "Separability of Two-Feed Columns and Entraîner Selection", Ind.Eng.Chem.Res., 32, 6, 1993,1108-1120

89. Wahnschaft O.M., J.-P. Le Rudulier, A.W. Westenberg, A problem Decomposition Approach for the Synthesis of Complex Separation Processes with Recycles, Ind.Eng.Chem.Res., 1993, 32,1121-1141

90. Wahnschaft O.M., J.W.Koehler, E.Blass , A.W.Westerberg, "The Product Composition Regions of Single-Feed Azeotropic Distillation Columns", Ind.Eng.Chem.Res., 1992, 31, 2345-2362

91. Watson L.T., S.C.Billups, A.P.Morgan, "HOMPACK: A Suite of Codes for Globally Convergent Homotopy Algorithms", ACM Math. Soft., 1987, 13, 3, 281-310

92. Wayburn T.L., J.D.Seader, "Homotopy Continuation Method for Computer-Aided Process Design", Comp.Chem.Eng., 1987, 11, 1, 7-25

93. Westman, K.R., A.Lucia, D.C.Miller "Flash and Distillation Calculations by a NewtonLike Method" Comp.Chem. Eng. 1984, 8,219

94. Widagdo S., W.D. Seider, D.H.Sebastian , "Bifurcation Analysis in Heterogeneous Azeotropic Distillation", AIChE J., 1989, 35, 9, 1457

95. Widagdo S., W.D. Seider, D.H.Sebastian , "Dynamic Analysis of Heterogeneous Azeotropic Distillation", AIChE J., 1992,38, 9,1457?

96. Widagdo S., W.D.Seider, "Azeotropic Distillation", AIChE J., 1996, 42,1, 96-130