автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Исследование, совершенствование и оптимизация на базе математического и натурного моделирования секционированных массообменных аппаратов для агрессивных газожидкостных сред

ВВЕДЕНИЕ

1 Способы и массообменные аппараты для технологической 7 обработки агрессивных газожидкостных сред

1.1 Способы концентрирования

1.2 Технологические схемы с внешним обогревом

1.2.1 Схема с колонной

1.2.2 Схема с омываемыми трубами

1.2.3 Схема с вакуум-концентратором

1.3 Технологические схемы с непосредственным нагревом

1.3.1 Схема с башенным концентратором

1.3.2 Схема с барабанным концентратором

1.3.3 Схема с барботажным концентратором

1.4 Предлагаемый аппарат

1.5 Цели и задачи исследования

2 Разработка компьютерной комплексной модели 31 секционированных аппаратов

2.1 Математическое описание формирования параметров 32 топочных газов

2.2 Математическое описание процессов тепло-массопереноса в 39 секционированных аппаратах

2.2.1 Расчет зоны I

2.2.2 Расчет зоны II

2.2.3 Расчет зоны III

2.2.4 Циркуляционная часть аппарата

2.2.5 Зона распыления кислоты на капли

2.2.6 Зона пленочного течения кислоты

3 Оптимизация конструкции и режимов работы 92 секционированных аппаратов на базе компьютерного моделирования

3.1 Комплексная модель и оптимизация параметров.

3.2 Модель управления формированием качества продукта.

В настоящее время, многие отрасли химической промышленности используют серную кислоту. В основном серная кислота используется в химической промышленности, так как она является исходным сырьем или катализатором для многих химико-технологических процессов.

Для современного этапа научно-технической революции характерно широкое объединение и глубокое взаимопроникновение различных наук, что создает благоприятные условия для постановки и решения сложных научно-технических проблем. К их числу относится и создание современных аппаратов по концентрированию денитрованных серных кислот в области химических технологий.

Денитрация - это переработка отработанной кислоты для извлечения из неее окислов азота и азотной кислоты. Дальнейшая обработка полученной денитрованной серной кислоты в мастерской концентрирования дает возможность получить серную кислоту, пригодную для повторного использования при нитровании. Таким образом, установка денитрации в комплексе с концентрационной установкой дает возможность создать замкнутый цикл использования серной кислоты как среды для нитрования. [1]

Результат внедрения современных аппаратов в процесс концентрирования серной кислоты определяется главным образом улучшением условий труда, уменьшением расхода сырья, электроэнергии, воды и др., повышением интенсивности процесса.

Имеющийся опыт автоматизации отдельных узлов сернокислотного производства позволяет утверждать, что возможно и целесообразно создавать полностью автоматические цеха с непосредственным цифровым управлением. Это позволяет практически исключить ручной труд и оградить людей от вредного воздействия серной кислоты.

Кроме того, автоматический контроль химического состава отходов производств позволит контролировать попадания вредных примесей в окружающую среду и тем самым позволит уменьшить отрицательное воздействие человеческой деятельности на природу.

При создании современных аппаратов концентрирования серных кислот должны быть определенны конкретные направления его функционирования (экономия топлива, сырья, материалов и других ресурсов; обеспечение безопасности работы объекта; обеспечение заданных параметров выходной продукции (формирование качества); снижение затрат ручного труда; достижение оптимальной нагрузки оборудования; автоматизация режимов работы). 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.

Математическое описание процесса формирования качества в общем виде может быть представлено [2] системой уравнений, устанавливающих зависимость конечных параметров продукта от начальных параметров объектов переработки и контролируемых промежуточных параметров качества. Последние должны быть представлены как функции режимных параметров технологического процесса.

К, = fi (Хоь Х02,., Хоь ., Xon, Vi, V2,., Vj,., Vm); К2 = f2 (Xqi, Xq2, ., Хоь . , x0n, Vi, V2,., Vj,., Vm);

Kk - fk(Xoi, X02,., Хоь ., X0n, Vi, V2,., Vj,., Vm);

K, - fi (Хоь X02,., Хоь •••, X0n, Vi, V2,., Vj,., Vm); V] = Oi(Xb X2,., Xp,., Xq); V2= Фг(Хь X2,., Xp,., Xq);

Vm- Фт(Хь X2,., Xp,., Xq); где Kk— к-й количественный параметр качества;

Xoi — i-й количественный параметр качества объекта переработки в исходном состоянии;

Vj — текущее значение j-ro промежуточнго параметра качества, измеряемое в ходе технологического процесса; Хр — значение р-го параметра технологического процесса. Состояние и перспективы автоматизированного цифрового управления производстенными процессами определяют четыре фактора [3]:

• знание об объекте управления и динамике процесса, и, как следствие, наличие математического описания объекта;

• технология измерений;

• уровень качества вычислительной техники;

• уровень развития теории управления.

Кроме того, весьма важным является создание базовых технологических процессов с механизмами протекания, которые поддаются математическому описанию [4]. С учетом вышесказанного, к компьютерным системам моделирования и управления формированием качества объектов переработки предъявляют следующие требования:

• прогноз конечных параметров качества на базе измерительной информации о промежуточных параметрах качества;

• определение величин управляющих воздействий в варианте неблагоприятного прогноза конечного качества;

• получение косвенной информации о параметрах процесса и текущих значениях параметров качества на основе компьютерной модели процесса в системах с дефицитом прямой измерительной информации, порожденным отсутствием, высокой стоимостью или невозможностью применения в рамках данного процесса и его аппаратурного оформления соответствующих средств измерений; • адаптация компьютерной модели к различным начальным и изменяющимся текущим условиям технологического процесса, меняющимся характеристикам объекта переработки. Данная работа посвящена вопросам рационализации конструкции аппарата объемного типа для концентрирования серной кислоты, созданию компьютерной модельной базы для проектирования систем концентрирования высококипящих агрессивных жидкостей методом выпаривания при непосредственном контакте с высокотемпературным газовым теплоагентом и управления процессом формирования качества конечного продукта.

Заключение

В итоге проведения исследовательской работы, получены следующие результаты:

1. На базе крупномасштабного натурного и компьютерного моделирования усовершенствована конструкция концентратора серной кислоты емкостного типа. Устройство защищено патентом РФ.

В модернезированном аппарате концентрирование осуществляется в ходе процесса тепло- массопереноса между кислотой и топочными газами в режиме барботажа (барботажная секция), в системе газ -жидкость (циркуляционные зоны и зона распыла) и в пленочном режиме (зона подачи кислоты). При этом в основной зоне (циркуляционной) диспергированная потоком газа в щелевой зоне начала ступени аппарата жидкая фаза транспортируется этим же потоком потоком в противоположную зону ступени, где осаждается и в виде сплошной жидкой фазы, подпитывается потоком из смежной зоны и перетекает вновь в зону диспергирования. Часть жидкости через переток, расположенный в этой зоне, переходит в соседнюю секцию. Таким образом на каждой ступени осуществляется многократная рециркуляция жидкой фазы и при контакте жидкой и газовой фаз в рамках одной ступени в режиме прямотока в целом по аппарату имеет место противоточное движение фаз.

2. Впервые удалось построить математическую модель гидравлических потоков и массопереноса в зоне барботажа.

3. Создана математическая модель тепломассопереноса в циркуляционной зоне, учитывающая реальную структуру гидродинамических потоков.

103

4. Получено математическое описание тепломассопереноса в зоне загрузки кислоты в аппарат на участках пленочного течения и распыла.

5. Построена математическая модель формирование параметров топочного газа.

6. Создан инструмент расчета режимных параметров процесса в виде компьютерного программного продукта, базирующегося на разработанном математических описаниях процессов гидродинамики и тепло- массопереноса в дисперсных газожидкостных потоках секций аппарата и процессов горения в топке.

7. Разработан алгоритм прямого цифрового управления качеством конечного продукта на базе созданной компьютерной модели процесса и аппаратного комплекса.

1. Орлова Е.Ю. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ. JL, Химия, 1973.

2. Лебедовский М.С., Федотов А.И. Автоматизация в промышленности. / Справочная книга. — Л.: Лениздат, 1976. — 256 с.

3. Острём К., Виттенмарк Б. Системы управления с ЭВМ: Пер. с англ. — М.: Мир, 1987. — 480 е., ил.

4. Дильман В.В., Полянин А.Д. Методы модельных уравнений и аналогий в химической технологии. —М.: Химия, 1988. — 304 с.

5. Лебедев А.А. Установки для денитрации и концентрирования серной кислоты. Химия, М, 1972.

6. А.С. СССР № 1289521, кл. В01 D 1/14, 1987.

7. Перри П, Снеллинг Ф. Концентрирование серной кислоты. Госхимиз-дат, 1930.

8. Кирш А.И., Сосновский Н.П. Концентрирование серной кислоты. Гос-химиздат, 1940.

9. Справочник сернокислотчика. / Под ред. К.М. Малина 2-е изд., пе-рераб. и доп. - М.: Химия, 1971.

10. Аппарат для концентрирования серной кислоты. А.С. СССР № 1581334, кл. B01D 1/14, 1988.

11. Водкин В.А., Ананьин А.А., Жуков Ю.Н. Аппарат для концентрирования серной кислоты. Патент РФ № 1737808, кл. В01 D 1/14, 1993.

12. Химико-технологические агрегаты. Системный анализ при проектировании / А.Н. Веригин, С.А. Малютин, Е.Ю. Шашихин. СПб.: Химия, 1996.-256 с.

13. Веригин А.Н., Федоров В.Н., Данильчук B.C. Химико-технологические агрегаты: Имитационное моделирование. СПб.: Изд-во С.-Петербургского ун-та, 1998. - 220 с.

14. Броунштейн Б.И., Фишбейн Г.А. Гидродинамика, массо- и теплообмен в дисперсных системах. Л.: Химия, 1977. 280с.

15. Броунштейн Б.И., Щеголев В.В. Гидродинамика, массо и тепло -обмен в колонных аппаратах. - JL: Химия, 1988. - 336 с.

16. Левш И.П., Ерофеева О.Б. ЖПХ, 1963, т. 36, № 4.

17. Волков В.Ф., Шишкин Г.И., Ухлов В.В., Жугрина Т.Г. К определению влагосодержания и температуры воздуха и материала на выходе из увлажняемого кипящего слоя. ИФЖ, 1973, т. XXIV, №3, с. 469.475.

18. Тодес О.Н., Пыжиков B.C. Испарение влаги в кипящем слое инертных частиц. ИФЖ, т. XXVIII, 1975, №1, с. 17.23.

19. Леонов Г.В., Пята О.И., Жуков Ю.Н., Варганов В.Б. Разработка и исследование высокоэффективного оборудования для концентрирования серной кислоты на базе компьютерного и натурного моделирования. Часть 1. //Химическая промышленность, 1995, №3, с. 36.40.

20. Леонов Г.В., Фролов B.C. Численное исследование процесса концентрации серной кислоты в турбулентном трехфазном псевдоожижен-ном слое. // Юбилейная научно-техническая конференция. Тезисы докладов. — Бийск: 1984, с. 115.118.

21. Леонов Г.В., Пята О.И., Жуков Ю.Н., Варганов В.Б. Разработка и исследование высокоэффективного оборудования для концентрирования серной кислоты на базе компьютерного и натурного моделирования. Часть 2. \\ Химическая промышленность, 1995, №4, с. 36.38.

22. Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса. М.: Гос-энергоиздат, 1963.

23. Романков П.Г., Рашковская Н.Б., Фролов В.Ф. Массообменные процессы химической технологии. Л.: Химия, 1975. — 336с.

24. Неймарк А.В., Письмен Л.- М.: Бабенко В.Е., Хейфец Л.И. "Теоретические основы химической технологии". 1975, т.9, №3, С.369.375.

25. Хоблер Т. Массопередача и абсорбция. Пер. с польского. Под ред. П.Г. Романкова. Л.: Химия, 1964. - 479 с.

26. Лыков А.В. Тепло-массообмен. Справочник. М.,: Энергия, 1972 . — 560 с.

27. Берман Л.Д. Испарительное охлаждение циркуляционной воды. М., Л.: Госэнергоиздат, 1957. — 320 с.

28. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1975. —488 с.

29. Рамм В.М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1988.

30. Азбель Д.С. Химическая промышленность, 1962, № 11, с. 854. .857.

31. Соломаха Г.П., Чумаков С.П., Галицкий А .Я. Теоретические основы химической технологии, 1972, т. 6, № 1,с. 58.63.

32. Родионов А.И., Винтер А.А. Теоретические основы химической технологии, 1967, т. 1, № 4, с. 481.486.

33. Родионов А.И., Винтер А.А. Известия вузов. Химия и химическая технология, 1966, № 6, с. 970.974.

34. Родионов А.И., Винтер А.А. Известия вузов. Химия и химическая технология, 1967, № 1, с. 102. 106.

35. Gerster J.A. е. a. Tray Efficiencies in Distillation Columns. Final Report from the University of Delaware. AIChE, 1958.

36. Шервуд Т., Пигфорд P., Уилки Ч. Массопередача. Пер. с англ. — М.: Химия, 1982. — 696 е., ил. — (Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии). Бородин В.А., Дитянин Ю.Ф. и др. Распыливание жидкостей. М.: Машиностроение, 1967.

37. Пажи Д.Г., Корягин А.А., Ламм Э.Л. Распыливающие устройства в химической промышленности. М.: Химия, 1975.

38. Пажи Д.Г., Галустов B.C. Распылители жидкостей. М.: Химия, 1979. 216с.

39. Головачевский Ю.А. Оросители и форсунки скрубберов химической промышленности. М.: Машиностроение, 1974.

40. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов / Под ред. П.Г. Романкова. Л.: Химия, 1987.

41. Родионов А.И., Сорокин В.Е. Журнал прикладной химии, 1970, т. 43, №11, с. 2453.2457.

42. Gerster J.A., Bonnet W.E., Hess J. Chemical Engineering Progress, 1951, v. 47, № 10,p. 523.527.

43. Gerster J.A., Bonnet W.E., Hess J. Chemical Engineering Progress, 1951, v. 47, № 12, p. 621.627.

44. Eduljee H.E. Britannia Chemical Engineering, 1964, v. 9, № 12, p. 820.826.

45. Кафаров B.B. Методы кибернетики в химии и химической технологии: 4-е изд., перераб., доп. — М.: Химия, 1985 (учебн. для вузов), — 448 с.

46. Закгейм А.Ю. Введение в моделирование химико-технологических процессов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Химия, 1982. — (серия "Химическая кибернетика") 288 е., ил.

47. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие/Пер. с англ. Под ред. Б.И. Соколова. 3-е изд., перераб. И доп. - JI.: Химия, 1982. - 592 е., ил. - Нью-Йорк, 1997.

48. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К. Кикоина. М:, Атомиздат, 1976. - 1008 с.

49. Васильев Б.Т., Отвагина М.И. Технология серной кислоты.- М.: Химия, 1985.

50. Амелин А.Г., Яшке Е.В. Производство серной кислоты.- М.: Высшая школа, 1980.

51. Щиголев Б.М. Математическая обработка наблюдений. М:, Государственное издательство физико-математическо литературы, 1960. - 344 с.

52. Леонов Г.В., Мещеряков Р.В. Способ определения геометрических параметров на изображении. Патент РФ № 2111478 от 20.05.1998 г. Официальный бюллетень «Изобретения и патенты», № 14, 1998 г.

53. Фаронов В.В. Delphi 4. Учебный курс. М.: «Нолидж», 1999

54. Бобровский С. Delphi 5: Учебный курс СПб: Издательство «Питер», 2000.

55. Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. -М.: Химия, 1985.

56. Кафаров В.В., Макаров В.В. Гибкие автоматизированные производственные системы в химической промышленности: Учебник для вузов. -М.: Химия, 1990.

57. Веригин А.Н., Федоров В.Н., Данильчук B.C. Химико-технологические агрегаты: Имитационное моделирование. СПб.: Изд-во С.-Петербургского ун-та, 1998.

58. Ефимов Г.Л., Артемьев С.Б. АСУТП на химическом предприятии. -М.: Химия, 1990.

59. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие / А.С. Клюев, Б.В. Глазов, А.Х. Дубровский, А.А. Клюев; Под ред. А.С. Клюева. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энер-гоатомиздат, 1990.

60. Наладка средств измерений и систем технологического контроля: Справочное пособие / А.С. Клюев, Л.М. Пин; Под. ред. А.С. Клюева. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

61. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. -М.:, 1965.

62. Моделирование и оптимизация тепломассообменных процессов в химической технологии / Н.Д. Демиденко. М.: Наука, 1991.