автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Динамика многокомпонентной ректификации



1 * 3

■V *

Чг»

Й '7

# /

/

г

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ТУКМАНОВ ДАНИАЛ ГЕНРИХОВИЧ

ДИНАМИКА МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ (МОДЕЛИРОВАНИЕ, ИССЛЕДОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ)

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Теляков Э.Ш.

Казань -1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................ 5

ОБОЗНАЧЕНИЯ........................................................................................ 9

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОНН............................... 11

1.1. Области использования моделей динамики ректификационных процессов.............................................................. 11

1.2. Методы расчета динамических режимов ректификационных колонн....................................................................... 14

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДИНАМИКИ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ В КОЛОННЫХ АГРЕГАТАХ................................... 24

2.1. Математическая модель динамики ректификационной колонны................................................................................. 25

2.2. Исследование приемов решения системы уравнений математического описания................................................. 28

2.3. Оптимизация решения задачи аппарата однократного контакта................................................................................ 34

2.4. Моделирование физико-химических свойств разделяемой смеси.............................................................................. 37

2.5. Моделирование гидродинамических характеристик...... 40

2.6. Моделирование кинетики массо-теплообменных процессов.................................................................................... 41

2.7. Математическое описание других объектов, входящих

в состав ректификационного агрегата............................... 46

2.8. Анализ размерности математического описания рек-

к

тификации............................................................................. 49

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕКТИФИКАЦИОННОГО ОБЪЕКТА (БЛОК ВЫДЕЛЕНИЯ СТИРОЛА ЦЕХА 2508 ЗАВОДА СПС АО "НИЖНЕКАМСКНЕФТЕХИМ")................................ 51

3.1. Идентификация математической модели к условиям работы лабораторной установки........................................ 52

3.2. Общая характеристика аппаратурного и технологического оформления блока выделения стирола................... 55

3.3. Обследование технологического объекта......................... 60

3.4. Идентификация математической модели к условиям работы блока выделения стирола в стационарном режиме...................................................................................... 61

3.5. Идентификация математической модели к условиям работы блока выделения стирола в нестационарных режимах................................................................................. 66

3.6. Исследование влияния удерживающей способности ректификационной колонны Кт-710 на ее динамические характеристики............................................................ 76

ГЛАВА 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛИ ДИНАМИКИ ДЛЯ

ЦЕЛЕЙ УПРАВЛЕНИЯ...................................................... 88

4.1. Структура интеллектуального модуля управления процессом ректификации (абсорбции).................................... 89

4.2. Исследование характеристик производственной САР........................................................................................ 98

4.3. Сравнение производственной САР с альтернативными схемами регулирования...................................................... 103

4.4. Исследование чувствительности ступеней разделения к различным возмущающим воздействиям......................... 117

4.4.1. Колонна Кт-382.................................................................................................................119

4.4.2. Колонна Кт-710........................................................................................................................................128

4.5. Анализ качества регулирования расхода пара с коррекцией по температуре на различных контрольных тарелках колонны Кт-710..............................................................................................................135

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ..........................................................................................................141

ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................................................................................................143

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................................................................156

ВВЕДЕНИЕ

Химические отрасли промышленности нашей страны претерпевают качественные изменения. Они связаны в первую очередь с социально-политическими и экономическими преобразованиями, происходящими в течение последних 13-ти лет. Формирование новых экономических отношений повлекло за собой пересмотр прежних подходов к развитию химических индустрии. Актуальными в настоящее время являются задачи совершенствования уже созданной технической и технологической базы, оптимального использования природных энергоресурсов и сырья, снижения себестоимости продукции, а также повышения безопасности производств. Решение этих задач должно быть основано на новых принципах проектирования, учитывающих современные экономические факторы. Если в предшествовавшие годы оборудование и технологические процессы проектировались с учетом требования обеспечения заданной производительности, при этом практически отсутствовал учет затрат энергоресурсов, то теперь определяющими экономику процесса стали именно затраты энергоресурсов и экологические показатели производства. Спроектированные ранее действующие технологические процессы и оборудование зачастую оказываются нерентабельными и не удовлетворяющими современным экологическим требованиям. Поэтому важной задачей является реконструкция существующей технической и технологической базы на основе новых подходов, соответствующих современным требованиям.

Одновременно повышаются требования к качеству подготовки обслуживающего персонала предприятий, что требует принципиального пересмотра и улучшения системы обучения, ее ориентации на современные достижения мировой науки в области учебно-методических разработок, а также на новейшее техническое и технологическое обеспечение, современные информационные технологии.

Не менее важной задачей является разработка новых интеллектуальных систем управления (СУ) технологическими объектами на основе современной электронной микропроцессорной техники, математического и программного обеспечения. Эксплуатация таких СУ позволит значительно повысить качество управления технологическими процессами по сравнению с устаревшими СУ, построенными на основе пневматических систем приборов и средств автоматизации. Электронные системы управления имеют ряд очевидных преимуществ, основными из которых являются:

• высокая скорость передачи сигнала;

• возможность реализации управления по упреждению на основе встроенной математической модели технологического процесса;

• возможность автоматизации регистрации, накопления, обработки и хранения статистической информации по параметрам технологического режима, по данным аналитического контроля и хозучетным данным, что позволяет реализовать оптимальное управление технологическим объектом и обеспечивает:

♦ уменьшение потерь энергии за счет сокращения времени запуска технологического объекта и вывода его на заданный режим;

♦ стабилизацию стохастических возмущений на ранней стадии их проявления;

♦ сокращение времени работы объекта в переходных режимах и стабилизацию технологического режима;

♦ получение качественной продукции;

♦ минимизацию расхода энергии и, следовательно, снижение себестоимости продукции;

♦ полный контроль над технологическим процессом.

Единой основой решений задач проектирования, управления и обучения является аппарат адекватного математического моделирования статики и динамики технологического процесса. Качество математической

модели определяет и качество получаемых результатов. В этой связи, актуальной является задача создания адекватной математической модели, которая и качественно, и количественно удовлетворяет требованиям решаемых на ее основе задач и может быть использована на всех стадиях эксплуатации объекта.

Математическое моделирование включает в себя ряд этапов:

• изучение физической сущности технологического процесса, закономерностей его поведения, математическая трактовка этих знаний и формирование на их основе математической модели;

• идентификация математической модели к реальному технологическому объекту;

• проверка адекватности математической модели реальному технологическому объекту на основе лабораторных и/или промышленных экспериментов;

• испытание математической модели на пилотной установке и/или на промышленном объекте непосредственно;

• внедрение математической модели в производство.

Настоящая работа посвящена проблеме разработки оригинальной математической модели динамики многокомпонентной ректификации, которая не имеет ограничений по уровню сложности технологического объекта (число колонн, их тип, число ступеней разделения, вводов и отводов материальных и тепловых потоков, наличие прямых и обратных связей в системе), на основе анализа достижения мировой науки в этой области. Применение этой модели для решения трех ключевых задач:

• разработка САПР процессов ректификации (абсорбции) и их систем управления;

• разработка интеллектуального универсального модуля АСУ ТП, предназначенного как для непосредственного управления ректификационным

(абсорбционным) объектом, так и для использования его в резидентном режиме референта-советчика; • разработка обучающей системы - компьютерного тренажера оператора-технолога ректификационной (абсорбционной) установки, предназначенной для целей профессионального обучения обслуживающего и эксплуатационного персонала химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятий, выработки навыков управления технологическими процессами в пусковых, переходных режимах и аварийных ситуациях, а также для объективного контроля и тестирования уровня знаний.

ОБОЗНАЧЕНИЯ

А,т,п,к- коэффициенты уравнений 2.30, 2.31; с? - теплоемкость компонента в жидкой фазе, кДж/кг-моль -К; О - расход дистиллята, кг-молъ/ч; с1э - эквивалентный диаметр, м; АН - высота переливного слоя, м; АР - общее гидравлическое сопротивление элемента колонны, мм рт.ст.; АРсух - гидравлическое сопротивление сухой неорошаемой тарелки, мм рт.ст.; АРЖ - гидравлическое сопротивление, вызванное сопротивлением слоя жидкости на контактном устройстве, мм рт.ст.', АРа - гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения жидкости, мм рт.ст.; Ат - конечное приращение по времени, сек.; 8 - предел пропорциональности; Е - доля отгона паровой фазы; ^ - расход питания, кг-молъ/ч; ¥ - брутто-количество всей материи, поступившей в течение квазистационарного цикла на тарелку, кг-молъ; Рсв - площадь свободного сечения тарелки, м ; / - номер тарелки питания; (р - фактор аэрации (газосодержание); g - ускорение свободного падения, м/с2; Сг - критерий Грасгофа; Н - количество удерживаемой на тарелке фазы, кг-молъ; Ннас, - высота слоя насадки, м; Нусл - высота слоя насадки, эквивалентная условной тарелке, м; Нм т - межтарельчатое расстояние, м; кп - высота сливной перегородки, м; г\ - эффективность (к.п.д.) разделения; / - энтальпия фазы, кДж/кг; К - константа фазового равновесия; к] - коэффициент, учитывающий форму сливной планки; к2 - коэффициент, учитывающий сжатие потока стенками; общий и частные коэффициенты гидравлических сопро- V тивлений; г - продольная и поперечная координаты массообменной тарелки соответственно (формулы 2.32 -ь 2.36); Ь, V - потоки жидкости и пара, кг-молъ/ч; М - молярная масса, кг/кг-молъ; N - число тарелок в ректификационной колонне; Р - давление, мм рт.ст.; щ Л - векторы входных и выходных переменных, зависящие от времени; <2 - количество теплоты, кДж; Я - флег-мовое число; Яе - критерий Рейнольдса; ру, р^ - плотности паровой и жидкой

фаз, кг/м ; r¡ - скрытая теплота испарения компонента, кДж/кг-молъ; гр - источник импульса; rx, rt - источники массы и тепла; S, - площадь контактного устройства, м ; Si, S2, S3 - функции однократного испарения; Sh, Se - критерии Шервуда и Шмидта; о - поверхностное натяжение, Н/м; Т - температура, °С; т- время, сек.; Ти - время интегрирования, сек; Тд - время дифференцирования, сек; и, v - продольная и поперечная составляющие скорости жидкости, м/с; vT,DT,ат - коэффициенты турбулентного обмена импульса, массы и тепла; coy

- скорость газа в различных сечениях трелки, м/с\ X - регулирующее (управляющее) воздействие (формула 2.39); х, у - концентрации компонентов в жидкости и паре, мольные доли; xF - состав внешнего питания, мольные доли; Г -регулируемая величина; у - коэффициент активности; Г - геометрический фактор.

Индексы: верхние: х, у - жидкая и паровая фазы; нижние: F - параметры питания; у - номер элемента колонны; i - номер компонента смеси; 0 - значение параметра в начальный момент времени; н, к - параметры, соответствующие началу и концу квазистационарного цикла.

ГЛАВА 1

СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ

КОЛОНН

1.1. Области использования моделей динамики ректификационных процессов.

Ректификация - сложный многофакторный процесс, характеризующийся большим числом степеней свободы [1] за счет одновременного протекания массо- и теплообменных термодинамических процессов, существенное влияние на ход которых оказывают гидродинамические условия их проведения [2]. Последние в существенной мере определяются аппаратурным оформлением процесса. Процесс ректификации проводится в ректификационных колоннах (РК), которые в современных технологических установках связаны в ректификационные комплексы, характеризующиеся наличием прямых и обратных связей между отдельными элементами систем. В последние годы все большее распространение и практическое использование находят сложные РК, характеризующиеся наличием нескольких уровней ввода питания и отбора продуктовых потоков, а также существованием ре-цикловых связей между отдельными элементами колонны [З-г-5]. Использование сложных колонн позволяет в значительной мере повысить термодинамическую эффективность процессов разделения в сравнении с простыми колоннами [6]. Математические модели этих процессов представляют собой сложные системы нелинейных уравнений, которые решаются исключительно численными методами.

Математические модели, описывающие процесс ректификации, широко используются при решении исследовательских задач, задач проектирования и управления. Последние две задачи имеют свою специфику, ко-

торая проявляется, в частности, в том, что при решении задач проектирования ректификационных объектов чаще используются модели, описывающие стационарные режимы работы объектов, а в задачах управления -динамические модели. Однако, до недавнего времени даже при решении задач управления широко использовались методики, основанные на анализе стационарных режимов работы РК [7-ИО], с последующим описанием условий перехода от одного стационарного режима к другому различными методами, а сама задача управления решалась за счет использования локальных систем стабилизации или регулирования технологических параметров работы РК [11ч-14]. Методы описания стационарных режимов изучены достаточно хорошо и широко изложены в отечественной и зарубежной литературе [1,2, 15-г28], что и обуславливало их широкое использование. Главным недостатком подхода, использующего стационарные модели при решении задач динамики (управления), является то, что используемые модели имеют узкую область применения, ограниченную конкретной колонной или, в лучшем случае, установкой. Использование в системах управления моделей, описывающих стационарные режимы работы, не обеспечивает надежного прогнозирования закономерностей изменения параметров технологического режима во времени, а значит не обеспечивает оптимальных условий ведения процесса, что в свою очередь приводит к увеличению затрат на разделение.

Успехи в исследовании динамических режимов РК значительно скромнее. Следует отметить, что коммерческая стоимость программ расчета динамики на рынке программных продуктов существенно выше, чем стоимость программ расчета стационарных режимов. Это характерно, например, для широко известного комплекса программ CHEMCAD фирмы Chemistations Inc. (США), предназначенного для расчета и моделирования большинства основных процессов и аппаратов химической технологии. Данное обстоятельство подчеркивает, с одной стороны, дефицитность

этих программ (моделей) и их относительно более высокую сложность, а с другой - большую эффективность при решении большинства практических задач.

Анализ работы промышленных РК показывает, что большую часть своего времени они работают в переходных режимах, вследствие постоянных стохастических возмущений множества параметров, влияющих на протекание процесса (колебания расхода, состава и температуры сырья, характеристик теплоагентов и т.д.). Продолжительность переходных режимов измеряется часами и десятками часов, �