автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Математическая модель и оптимальное управление процессом бинарной ректификации

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ,УПРАВЛЕНИЯ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА БИНАРНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ. ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

1.1 Структуры систем управления процессом ректификации.

1.2 Критерии оптимизации режимов работы ректификационной колонны и конструктивные усовершенствования процесса ректификации.

1.3 Оптимальное управление ректификационными установками, область реализуемых режимов.

1.4 Общая схема исследования технологических процессов методами термодинамики конечного времени (ТКВ).

1.5 Математические модели термодинамических систем.

1.5.1 Равновесные термодинамические системы. Основные переменные и уравнения состояния.

1.5.2 Равновесный и неравновесный, обратимый и необратимый процессы.

1.6 Обратимая работа разделения.

1.7 Уравнения термодинамических балансов и производство энтропии.

1.8 Связь эффективности систем с производством энтропии. Условия минимальной диссипации.

1.8.1 Условия минимальной диссипации некоторых процессов.

1.9 Предельные возможности преобразования тепла в работу с заданной интенсивностью

1.10 Последовательность решения оптимизационных задач ТКВ.

1.11 Задачи работы.

Глава 2. МИНИМАЛЬНАЯ ДИССИПАЦИЯ И ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ

ПРОЦЕССА БИНАРНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ

2.1 Описание процесса.

2.2 Термодинамические балансы.

2.3 Условия минимальной диссипации процесса массопереноса в колонне и идеальная рабочая линия.

2.4 Связь интенсивности массопереноса с параметрами внешних потоков и предельная производительность колонны без учёта необратимости теплообмена

2.5 Пути реализации идеальной рабочей линии.

2.6 Производство энтропии в колонне с идеальной рабочей линией вследствие теплопереноса

2.7 Расчет коэффициента массопереноса по результатам измерений на действующей колонне.

2.8 Связь между формой рабочей линии и числом ступеней разделения.

2.8.1 Введение.

2.8.2 Расчётные соотношения.

2.9 Пути реализации предельных возможностей в реальной колонне.

2.9.1 Приближение к идеальной рабочей линии с помощью двух вводов питания

2.9.2 Приближение к идеальной рабочей линии с помощью промежуточных теплообменников.

Актуальность темы

Процессы разделения широко распространены в химической, нефтехимической, газоперерабатывающей, металлургической, пищевой промышленности, являются весьма энергоемкими и очень разнообразными по своему конструктивному исполнению: мембранные, абсорбционно и адсорбционно - десорбционные процессы, ректификация, центрифугирование, выпарка, вымораживание и прочие.

Процессы ректификации, являются очень распространёнными и энергоёмкими, на их проведение затрачивается значительная часть энергии, потребляемой человечеством. Они наиболее гибкие с точки зрения получения конечных и промежуточных продуктов требуемого состава. Это делает особенно актуальным исследование предельных возможностей таких процессов и выяснение способов их оптимальной организации и синтез системы управления.

Для построения и оценки эффективности системы управления необходимо знать предельные возможности процесса и соответствующий им режим при тех или иных значениях изменяющихся факторов. В качестве предельных возможностей ниже понимается максимальная производительность колонны при заданных составах потоков и затратах энергии или, что то же самое минимум расхода энергии для заданной производительности и составах.

Получение оценок предельных возможностей процессов разделения с ненулевой производительностью позволяет:

1. Связать эффективность процесса с его режимными и конструктивными параметрами.

2. Выяснить какой из способов разделения с той или иной точки зрения предпочтительнее.

3. Найти максимально возможную производительность процесса и режим, ей соответствующий.

4. Синтезировать систему автоматического управления, поддерживающую показатели эффективности процесса (производительность, удельные затраты энергии) на уровне выбранных оптимальных значений.

Диссертация посвящена исследованию оптимальных режимов процесса ректификации и синтезу системы управления верхнего уровня.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка методов расчета систем, поддерживающих термодинамически-оптимальные режимы работы ректификационных установок. Для достижения цели в работе

1. Модифицированы алгоритмы расчета статических режимов работы ректификационных колонн.

2. С использованием уравнений термодинамического баланса найдена связь энергетических затрат с производством энтропии.

3. Исследованы оценки предельной производительности колонны и минимальных затрат энергии при заданной производительности.

4. Сформулированы и решены задачи оптимального управления ректификационными установками.

Методы исследования

В работе были использованы методы необратимой термодинамики при конечном времени, математического моделирования, нелинейного программирования и оптимального управления.

Практическая значимость работы

Полученные в работе результаты позволяют для ректификации бинарных смесей

1. Рассчитать предельную производительность существующих ректификационных установок и определить факторы, лимитирующие производительность.

2. Найти оптимальный закон подвода и отвода тепла по высоте колонны и соответствующую ему идеальную рабочую линию при заданной производительности.

3. Синтезировать систему автоматического управления, обеспечивающую термодинамически-оптимальные режимы работы ректификационных установок.

4. Рассчитать минимальное количество энергии, необходимое для функционирования ректификационной колонны заданной производительности.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

1. Международном симпозиуме "Обобщённые решения в задачах управления (GSCP-2002)" (г.Переславль—Залесский, 2002);

2. Семинаре Исследовательского центра Системного анализа ИПС РАН (г.Переславль— Залесский, 2002);

3. 13 Международной научной конференции "Математические методы в технике и тех-нологиях-2000" (г.Санкт-Петербург, 2000).

По результатам работы опубликовано 5 научных трудов.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем основного текста диссертации - 103 страниц, список литературы содержит 75 наименований. В работе 63 рисунка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие результаты:

1. Найдено значение минимальных затрат тепла при заданной производительности и составах потоков и соответствующая им форма идеальной рабочей линии колонны бинарной ректификации. Полученное значение минимальных затрат может быть использовано для оценки совершенства существующих ректификационных установок, для решения о целесообразности усложнения конструкции колонны, для выбора оптимальной последовательности разделения многокомпонентных смесей.

2. Даны оценки сверху для производительности колонны с произвольной структурой потоков и для колонны с подачей тепла в куб и отбором в дефлегматоре, что позволяет оценить совершенство существующих колонн и целесообразность усложнения их конструкции.

3. Получены расчётные соотношения для вычисления производительности колонны с традиционной организацией потоков. Полученные соотношения могут быть использованы для приближённого моделирования статических режимов ректификационных колонн и для расчёта начальных приближений в точных моделях колонн.

4. Получены аналитические формулы для вычисления числа теоретических ступеней разделения и связь между КПД тарелки и эффективным коэффициентом массопереноса. Данные формулы могут быть использованы в аналитических выражениях, из них можно получить связь между параметрами внешних потоков, производительности колонны и требуемой высотой колонны.

5. Предложена система автоматического регулирования, поддерживающая режим максимальной производительности колонны бинарной ректификации с традиционной организацией потоков.

6. Предложена система автоматического регулирования, поддерживающая режим минимальных затрат тепла при заданной производительности по дистилляту. В предложенной системе автоматического регулирования не требуется проводить моделирование колонны с целью нахождения оптимальных заданий для контуров регулирования, параметры термодинамически — оптимального режима находятся при помощи простых соотношенй.

1. В.П.Майков "О выборе оптимального отбора продуктов при разделении бинарных смесей". Доклады Академии наук СССР, 1974.Том 215, №6.

2. В.П.Майков "Синтез оптимальной структуры ректификационных систем" М.: ТОХТ, 1974, №3.

3. Lueprasitsakul V et al. "Analyses of the characteristics of a Binary Packed Distillation Column with Internal Heat Integration" Journal of Chemical Engineering of Japan, 1990, V23, N6

4. B.JI. Малых "Термодинамическая эффективность разделения в процессе ректификации". М.: ТОХТ, 1989, №6

5. Sigurd Skogestad, Manfred Morari "A Systematic Approach to Distillation Column Control". I.Chem.E. Symposium Series, Vol.104, 1987

6. Rakesh Agrawal, D. Michael Herron "Optimal Thermodynamic Feed Conditions for Distillation of Ideal Binary Mixtures" AIChE Journal , November 1997 Vol.43, No.ll

7. Rakesh Agrawal, D. Michael Herron "Intermediate Reboiler and Condenser Arrangement for Binary Distillation Columns" AIChE Journal, june 1998 vol.44, No.6.

8. В.П. Майков, А.И.Валунов "Ректификация атермальных смесей. Системно-информационный подход". М.:, Моск. ин-т хим. машиностроения, 1979

9. Anatolii M.Tsirlin, Vladimir A.Kazakov and R. Stephen Berry "Finite-Time Thermodynamics: Limiting Performance of Rectification and Minimal Entropy Production in Mass Transfer", Journal of Physical Chemistry, 1994

10. Atle C.Christiansen, Sigurd Skogestad and Kristian Lien "Complex Distillation Arrangemants: Extending the Petlyuk Ideas"

11. Masaru Nakaiwa, Kejin Huang, Massaru Owa, Takaji Akiya, Takashi Nakane and Masahito Salto "Characteristics of energy savings in an ideal heat-integrated distillation column (HIDIC)"

12. С.А.Амелькин, Й.М.Бурцлер, К.Х.Хоффманн, А.М.Цирлин "Оценка предельных возможностей процессов разделения", М.:ТОХТ,2001.

13. P. Salamon, J. D.Nulton, G. Siragusa, Т. R. Andersen and A. Limon "Principles of Control Thermodynamics"

14. P.Salamon and J.D. Nulton "The geometry of separation processes: a horse-carrot theorem for stedy flow systems", Europhys. Lett., 42(5), pp. 571-576. 1998

15. В.А.Миронова, С.А.Амелькин, А.М.Цирлин. "Математические методы термодинамики при конечном времени" М.: Химия, 2000

16. Thomas P. Ognisty "Analyze Distillation Columns With Thermodynamics"

17. Oliver C. Mullins and R. Stephen Berry "Minimization of Entropy Production in Distillatuion", 1983

18. Tsirlin A.M. et al. Finite-time thermodynamics: Conditions minimal dissipation for thermodynamics process with given rate? //Phys. Rev. E, 1998, v. 58, №1.

19. Автоматическое управление в химической промышленности: Учебник для вузов. Под ред. Е.Г.Дудникова. М.; Химия, 1987

20. И.Пригожин. Введение в термодинамику необратимых процессов, 1958,

21. Rakesh Agrawal, Zbigniew Т. Fidkowski "On the Use of Intermediate Reboilers in the Rectifying Section and Condensers in the Stripping Section of a Distillation Column", Ind.Eng.Chem.Res. 1996, 35, 2801-2807.

22. Qing Lin Liu, Peng Li, Jian Xiao, Zhi Bing Zhang "A New Method for Designing an Energy-Saving Tray and Its Hydrodynamic Aspects: Model Development and Simulation", Ind.Eng.Chem.Res. 2002, 41, 285-292.

23. Hector Yeomans, Ignacio E. Grossmann "Optimal Design of Complex Distillation Columns Using Rigorous Tray-by-Tray Disjunctive Programming Models" Ind.Eng.Chem.Res. 2000, 39, 4326-4335.

24. Dunnebier, G.; Pantelides, C. "Optimal Design of Thermally Coupled Distillation Columns" Ind.Eng.Chem.Res. 1999, 38, 162.

25. J. Christian Schon and Bjarne Andersen "Multiple Modes for the Operation of a Binary Distillation Column" Ind.Eng.Chem.Res. 1996, 35, 2327-2333.

26. Markus Schaller, Karl Heinz Hoffman, Gino Siragusa, Peter Salamon, Bjarne Andersen "Numerically optimized performance of diabatic distillation columns" Computers and Chemical Engineering 25 (2001) 1537-1548.

27. Daniel Tondeur and Eric Kvaalen "Equipartition of Entropy Production. An Optimality Criterion for Transfer and Separation Processes" Ind.Eng.Chem.Res. 1987, 26, 50-56

28. Анисимов И.В., Бодров В.И., Покровский В.Б. Математическое моделирование и оптимизация ректификационных установок. М.: Химия. - 1975.

29. Анисимов И.В., Кривсунов В.Н. Математическое описание статической характеристики тарельчатой ректификационной колонны. Химическая промышленность, 1962, N8.

30. Евстафьев А.Г. Ректификационные установки. М.: Машгиз, 1963, 127 стр.

31. Кафаров В.В. Основы массопередачи. М.: Высшая школа, 1979, 300 стр.

32. Амелъкин С.А., Андресен Б., Саламон П., Цирлин A.M., Юмагужина В.Н. Предельные возможности тепломеханических систем. Процессы с одним источником. // Известия РАН, Энергетика, 1998 - №2.

33. Амелькин С.А., Андресен Б., Саламон П., Цирлин A.M., Юмагужина В.Н. Предельные возможности тепломеханических систем с несколькими источниками // Известия Академии наук. Энергетика, 1999 - №1.

34. Арнольд Л.В., Михайловский Г.А., Селиверстов В.М. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, - 1979.

35. Балакирев B.C., Володин В.М., Цирлин A.M. Оптимальное управление процессами химической технологии. М.: Химия, - 1978.

36. Бошнякович Ф. Техническая термодинамика. М.: ГЭИ, - 1955.

37. Кривошеее В.П., Торгашёв А.Ю. Оптимальное управление сложной ректификационной колонной на основе обратной модели процесса. // Изв. АН СССР. Теория и системы управления. 2001 - № 1. - с. 83-89.

38. Вайнштейн А.Г., Сучков В.П., Цирлин A.M. Об оценках решения задачи нелинейного программирования в среднем // Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. 1976 - № 1. - с. 27-32.

39. Гроот С. Термодинамика необратимых процессов. М.: Гос. изд. технико-теор. лит. - 1956.

40. Гроот С., Мазур П. Неравновесная термодинамика. М.: Мир. - 1964.

41. Гурман В.И. Принцип расширения в экстремальных задачах. // М.: Физматлит, 1997.

42. Гухман А.А. Об основаниях термодинамики. М.: Энергоатомиздат. - 1986.

43. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников. М.: Наука. -1973.

44. Agrawal R., D. W. Woodward Efficient Cryogenic Nitrogen Generators: An Exergy Analysis. Gas Sep. Pur if. — 1991 5,139.

45. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. -Л.:Химия. -1987.

46. Липецкий С.Б., Цирлин A.M. Оценка термодинамического совершенства и оптимизация теплообменников. // Теплоэнергетика 1988 - №10 - с. 87-91

47. Майков В.П., Валунов А.И. Ректификация атермальных смесей. М.: МИХМ, - 1979.

48. Малых B.JI. Термодинамические ограничения и эффективность изотермических процессов разделения. // Деп. ВИНИТИ № 2020-В87.1987.С.12.

49. Philip A.Schweitzer, Р.Е. editor-in-chief.-3rd ed. Handbook of Separation Techniques for Chemical Engineers, // McGraw-Hill, 1997.

50. Миронова В.А., Цирлин A.M. Предельные возможности и оптимальная организация регенеративного теплообмена. // Теплоэнергетика, 1987 - №2 - с. 32-36

51. Молочников Б.Э., Цирлин A.M. Термодинамически оптимальные профили концентраций в задачах изотермического необратимого массопереноса // Теор. основы хим. технологии. - 1990 - №2 - с. 191-197.

52. Орлов В.А., Руденко А.В. Оптимальное управление в задачах о предельных возможностях необратимых термодинамических процессов (обзор) // Автоматика и Телемеханика, 1985, № 5, сс. 7-41.

53. Орлов В.А., Розоноэр Л. И. Оценки эффективности управляемых термодинамических процессов на основе уравнений баланса энергии вещества и энтропии // X Всесоюзное совещание по проблемам управления. М.: Наука, 1986.

54. Пригожин И., Цефей Р. Химическая термодинамика. М.: Наука, - 1966.

55. Розоноэр Л.И., Цирлин A.M. Об оптимальных термодинамических процессах // VIII Всес. совещ. по проблемам управления. Тез. докл. М. - 1980. - с. 75-77.

56. Розоноэр Л.И., Цирлин A.M. Оптимальное управление термодинамическими системами // Автоматика и телемеханика. 1983 - №1. - с. 70-79; - №2. - с. 88-101; - №3. - с. 50-64.

57. Розоноэр Л.И., Руденко А.В., Цирлин A.M. Использование методов оптимизации для оценки предельных возможностей абсорбционно-десорбционных циклов // Теорет. основы хим.технологии. 1984 - №3 - с. 362-370.

58. Руденко А.В., Орлов В.Н. Предельные возможности необратимых термодинамических процессов: Обзор // Теплоэнергетика. 1984 - №9 - с. 68-70.

59. Хейвуд Р. Термодинамика равновесных процессов. М.: Мир. - 1983.

60. Цирлин A.M. Условия оптимальности усредненных задач с нестационарными параметрами // Доклады РАН 2000 № 2 - с. 177-179.

61. Цирлин A.M. Вариационные методы расчета химических аппаратов. М.: Машиностроение, - 1978.

62. Цирлин A.M. Оптимальные циклы и циклические режимы. М.: Энергоатомиздат, -1985.

63. Цирлин A.M. Оптимальное управление процессами необратимого тепло и массопереноса. // Изв. АН СССР. Серия Техническая кибернетика. 1991. №2. с.81-86.

64. Цирлин A.M. Условия оптимальности решения усредненных задач математического программирования. Доклады Академии наук, т.323, N1, 1992.

65. Цирлин A.M. "Методы усредненной оптимизации и их приложения". // М.: Физматлит, 1997.

66. Цирлин A.M., Миронова В.А., Амелъкин С.А. Процессы минимальной диссипации // Теоретические основы химической технологии, 1997 - т.31, №6 - с. 649-658.

67. Цирлин A.M., Беляева И.А. Предельные возможности процессов теплообмена. // Теплоэнергетика, 1998 - №9 - с. 53-55

68. Цирлин A.M. Второй закон термодинамики и предельные возможности тепловых машин. // Журнал технической физики, 1999 - т.69, № 1 - с. 140-142.

69. Шамбодаль П. Развитие и приложение понятия энтропии. М.: Наука, 1967.

70. Янг Л. Лекции по вариационному исчислению и теории оптимального управления. -М.: Мир, 1974.

71. Curzon F.L., Ahlburn В. Efficiency of a Carnot engine at maximum power output. Amer.J. Physics. 1975. V.43.p.22-24

72. Novikov I.I. "The efficiency of atomic power stations" // At. Energ. 3 (11), 409 (1957); English translation in J. Nuclear Energy II 7, 25-128 (1958).№ 2, 2002.

73. Salomon P., Nitzan A., Andresen B. and Berry R.S. "Minimum entropy production and the optimization of heat engines" // Phys. Rev. A 21, 2115-2129 (1980).

74. Andresen В., Berry R.S., Nitzan A., Salamon P. Thermodynamics in finite time: I. The step-Carnot cycle // Phys.Rev.A. 1977 - V. 15. №5 - P. 2086-2093.

75. Berry R.S. Foreword for S. Sieniutycz, P. Salamon (eds.) Finite-Time Thermodynamics and Thermoeconomics. Advances in thermodynamics, v. 4, Taylor & Francis, New York, 1990, pp. 24-243.