автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Некоторые аспекты применения моделирующих программ для расчета химико-технологических систем

РГб од

2 7 ПНЯ Ш7

На правах рукописи

БУЛАТОВ ИГОРЬ СТАНИСЛАВОВИЧ

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ

МОДЕЛИРУЮЩИХ ПРОГРАММ ДЛЯ РАСЧЕТА ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

СИСТЕМ

05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (химия)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1996

Работа выполнена в Российском химико-технологическом университете им. Д.И.Менделеева.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Гартман Т.Н.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Бояринов А.И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, действительный член (академик) Академии Технологических Наук РФ, Мешалкин В.П.;

кандидат технических наук, директор БашНИИНефтемаш, Сельский Б.Е.

Ведущая организация: АООТ Государственный научно-исследовательский институт азотной промышленности и продуктов органического синтеза (ГИАП), г.Москва.

Зашита диссертации состоится 1996 г. в // час,

на заседании диссертационного совета Д 053.34.08 в РХТУ им. Д.И.Менделеева по адресу: 125047, Москва, А-47, Миусская пл., 9 в ауд. ^ШЯЪЬЛММ - М+Ю

С диссертациеи молено ознакомиться в Научно-информационном центре РХТУ им. Д.И.Менделеева.

Автореферат разослан_ 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д.А.Бобров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ,

Актуальность. Существующее в настоящее время множество программных пакетов охватывает практически все области химической технологии. Разработанные математичекие модели процессов и аппаратов способны оказать существенную помощь при исследовании химико-технологических систем (ХТС) на всех этапах - от проектирования до анализа и оптимизации ХТС, при устранении узких мест и модернизации технологических схем.

Вместе с тем, в настоящее время фактическая отдача от существующего программного обеспечения недостаточно высока, поскольку решение реальных проблем с использованием этих программ происходит в значительной степени математически формально. Поэтому проблема создания методологических основ применения программного обеспечения для решения практических задач стоит достаточно остро.

В современных условиях чрезвычайно важной является разработка энергосберегающих ХТС. В этом плане интегрирование энергетических потоков ХТС является одним из наиболее перспективных путей энергосбережения. Однако отсутствие или недостаточная разработанность общей методологии расчетного исследования схем с рекуперацией энергии является серьезным препятствием разработки подобных схем. Существующие в настоящее время подходы к синтезу таких схем не позволяют использовать моделирующие программы на всех этапах проектирования ХТС из-за специфики этих подходов и особенностей самих моделирующих программ. В связи с этим актуальной является необходимость разработки методик синтеза энергетически интегрированных ХТС с привлечением потенциала современных моделирующих программ и термодинамических концепций, позволяющих уменьшить пространство поиска возможных вариантов.

Цель работы. Целью данной работы является исследование некоторых аспектов применения современных пакетов моделирующих программ на примерах реальных технологических процессов, в результате чего удается значительно увеличить эффективность решения задач анализа, оптимизации и синтеза. Представляется целесообразным рассмотреть следующие вопросы.

• Использование моделирующих программ для исследования схем с рекуперацией энергии. Большое количество возможных вариантов технологических схем с рекуперацией энергии затрудняет применение моделирующих программ. Однако появившиеся в последнее время практи-

ческис подходы к синтезу энергетически интегрированных схем дают новые возможности использования потенциала моделирующих программ.

• Исследование возможности комбинирования расчетных модулей стандартных единиц оборудования программы для моделирования промышленных аппаратов в тех случаях, когда в моделирующей программе отсутствует соответствующий расчетный модуль. Этот путь применяется достаточно успешно, однако только в специализированных программах, ориентированных на конкретные области (например, разделение многокомпонентных смесей и т.п.). В дайной работе рассматривается алгоритм комбинирования расчетных модулей, который позволяет значительно расширить область применения моделирующих программных пакетов.

Методы исследований. В работе использованы методы системного анализа, математического моделирования и матаматический аппарат комбинаторики. Синтез энергетически интегрированных ХТС и моделирование аппаратов как комбинаций расчетных модулей моделирующей программы осуществлялся на 1ВМ-совместимых компьютерах с 386 процессором.

Научная новизна. Впервые в данной работе изучена возможность использования современной моделирующей программы при синтезе химико-технологических систем с помощью методов, ориентированных на концепцию пинч-технологии, которая далее в работе называется концепцией "предельной точки". При этом стратегия, ориентированная на "предельную точку", предполагающая декомпозицию исходной задачи на несколько подзадач, значительно уменьшает пространство поиска возможных вариантов, а моделирующая программа используется в качестве инструмента при синтезе ХТС.

Разработан алгоритм синтеза энергетически интегрированных ХТС с использованием моделирующей программы и концепции "предельной точки". В отличие от существующих в настоящее время подходов в этой области предложенный алгоритм включает как методологию пинч-технологий, так и процедуру расчета ХТС с помощью моделирующей программы.

Для иерархического уровня ХТС разработан алгоритм моделирования аппаратов с протеканием процессов, сопровождающихся химической реакцией, предполагающий комбинирование соответствующих библиотечных расчетных модулей программы. Для данного иерархического уровня разработан подход к моделированию химических реакто-

ров с протеканием целевых и побочных реакций, согласно которому моделирование целевых реакций производится по кинетическим или стехиометрическим данным, а моделирование побочных реакций основано на алгоритме минимизации свободной энергии Гиббса.

Предложен подход к описанию массообменных аппаратов, в которых происходит химическая реакция, путем комбинирования расчетных модулей реактора и абсорбционной колонны.

Практическая пеппость. Проведенные в работе исследования представляют собой методические основы для синтеза с использованием моделирующих программ энергетически интегрированных последовательных схем разделения, причем генерируются только термодинамически возможные варианты.

Разработанный алгоритм, сочетающий преимущества современных моделирующих программных пакетов и термодинамических концепций, ориентированных на "предельную точку", позволил предложить экономичные варианты ХТС разделения изомеров диэтилбензола (ДЭБ).

Интеграция моделирующей программы с предложенным алгоритмом расчета, базирующемся на концепции "предельной точки", расширяет сферу применения моделирующих программ. В целом такой алгоритм представляет собой универсальный инструмент для расчета большого числа ХТС разделения со связанными тепловыми потоками.

Рассмотренный в работе пример моделирования технологической схемы по производству изомеров ДЭБ с интеграцией энергии является научной основой для моделирования практически любых энергетически интегрированных ХТС, дающих значительную экономию энергопотребления, что доказывает перспективность подобного подхода.

Для иерархического уровня ХТС при решении практических задач разработан алгоритм моделирования отдельных блоков ХТС не только с помощью расчетных модулей, соответствующих данным аппаратам, но и путем использования совокупности модулей, комбинация которых дает адекватное описание данных аппаратов. Такой подход ускоряет моделирование в условиях неполной информации по исходным данным.

Результаты работы использованы для разработки соответствующих моделей ХТС при производстве карбамида и аммиачных синтез-газов.

Реализация и внедрение результатов исследований. Разработанные методы моделирования сложных аппаратов химической технологии путем комбинирования стандартных расчетных модулей программы применены для расчетов ХТС по производству карбамида и газов для син-

теза аммиака. Результаты работы использованы в АО "Азот", г. Череповец, при производстве карбамида.

Публикации. Материалы диссертации получили отражение в 3 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, включающих iHZ страниц машинописного текста, 3 / рисунков, Z8 таблиц, а также списка использованных литературных источников из ÍZO наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится общая характеристика работы; обосновывается актуальность, научная новизна и практическое значение исследований. Определяются цели и задачи работы, приводится структура диссертации и её содержание по главам.

В главе 1 приведен обзор применимости современных пакетов моделирующих программ для синтеза, анализа и оптимизации ХТС. Отмечены преимущества использования подобных пакетов на различных этапах исследования ХТС. Основное внимание уделяется областям применения моделирующих программ, где преимущества их использования недостаточно исследованы или неочевидны. Подчеркнуты особенности применения моделирующих программ на каждом этапе "жизненного цикла" ХТС.

Приведена классификация методов синтеза полных ХТС. Рассмат-рены преимущества и недостатки существующих методов синтеза полных ХТС. Особое внимание при этом уделено роли, которую моделирующая программа играет на этом этапе. Отмечена последовательность этапов синтеза технологической схемы при иерархическом подходе, которая может быть представлена в виде "луковицы", показанной на рисунке 1.

Отмечено, что существует ряд программных средств, которые предназначены для синтеза ХТС, однако их характерной особенностью является узкая область применения.

Проблема синтеза может быть сформулирована как дискретная/непрерывная оптимизационная задача. Она включает в себя три основных шага:

Шаг 1. Генерируется структура, в которую включены несколько возможных и конкурентных альтернатив.

Рис.1. Диаграмма синтеза ХТС при иерархическом (последовательном) подходе. Шаг 2. Данная структура моделируется как задача смешанного нелинейного программирования. Z = min С (у,х); h(y,x) = 0; 8(У,х) * 0; У £ (0,1 }ш, х с Rn; где

у - вектор 0-1 переменных (0-исключено, 1 - включено);

х - вектор непрерывных переменных (расходы, давления, температуры,

размеры оборудования);

С(х,у) - целевая функция;

h(y,x) = 0 - уравнения процесса;

g(y,x) < 0 - проектные параметры и логические ограничения. Шаг 3. Решая задачу смешанного нелинейного программирования, находят оптимальный вариант схемы из указанной выше структуры.

Отмечается, что более перспективным направлением синтеза представляется комбинированный подход, выдвигаемый рядом исследователей. В ходе синтеза возникает много альтернативных вариантов. Рассматривать все их практически невозможно и не нужно. Чтобы уменьшить пространство поиска, ряд исследователей предлагает свою концепцию ограничений.

Однако сочетание такого подхода с универсальными моделирующими программами оставалось вне поля зрения большинства исследований.

Рассматриваются существующие и перспективные процедуры синтеза блока разделения, являющегося капитало- и энергоемким произвол-

ством. Отмечены преимущества и недостатки последовательных систем разделения, а также систем разделения более сложной топологии, включая комплексы колонн с тепловыми насосами. Число возможных последовательностей разделения быстро возрастает по мере увеличения числа разделяемых компонентов. Чтобы уменьшить размер комбинаторной задачи, было предложено несколько процедур для экономичного синтеза последовательностей разделения.

Целью различных стратегий синтеза системы теплообменников является конструирование, выбор, разработка оптимальной схемы горячих и холодных потоков и теплообменного оборудования.

Рассмотрены последние разработки в области синтеза теплообмен-ных систем, в частности, метода "предельной точки", который, по утверждениям многих исследователей, является одним из наиболее перспективных, но недостаточно исследованных.

В главе 2 рассмотрены инструменты и объекты исследования, используемые в диссертации. Основным инструментом в данной работе является моделирующая программа ХЕМКАД, версия 3. Моделирующие программы подобного рода (ХАЙСИМ, ПРО/Н и другие) представляют собой интегрированные пакеты, включающие в себя набор расчетных модулей, описывающих отдельные аппараты, библиотеки компонентов с их свойствами, банк термодинамических моделей, часто и экспертные системы по выбору подходящей термодинамической модели, графический интерфейс. Хотя вышеназванные программы обладают отличиями, тем не менее при моделировании технологических схем применяются принципы, общие для подобных программ.

Объектом, на котором проводились исследования применения моделирующей программы для синтеза энергетически интегрированной ХТС, являлась ХТС по производству и разделению изомеров диэтилбен-зола. Базовая технологическая схема, реализованная на АО "Азот", представляет собой реактор и последовательность ректификационных колонн с организацией теплообмена, который обеспечивает частичную рекуперацию тепла (на 7% больше по сравнению с организацией теплообмена в ХТС разделения, в которых отсутствует интеграция энергии).

Возможности комбинирования расчетных модулей моделирующей программы исследовались на модели ХТС по производству карбамида, реализованной на АО "АЗОТ", а также на модели по производству аммиачных синтез-газов, реализованной на ВЮЕКО.

В главе 3 сформулирована задача синтеза энергетически интегрированных ХТС при помощи моделирующих программ и методов, ориенти-

рованных на так называемую "предельную точку" системы, и описан алгоритм синтеза такого рода ХТС.

Энергосбережение является одной из ведущих задач в процессе синтеза химико-технологических систем. Поскольку ни эвристические процедуры, ни процедуры эволюционного синтеза не гарантируют создания оптимальной последовательности ректификационного разделения, синтез многокомпонентных ректификационных систем с интеграцией тепла с учетом "предельной точки" является весьма эффективным. Исключение запрещенных по предельной температуре энергетических объединений аппаратов значительно уменьшает о&ьем расчетов. Более того, можно рассчитать оптимальные системы интегрированных химических производств, основываясь как на энергии, так и на капзатратах. В данной работе была изучена возможность использования пакета моделирующих программ и методов, учитывающих "предельную точку" системы, для синтеза альтернативных энергетически интегрированных вариантов технологической схемы по производству изомеров диэтилбен зола на основе технологической схемы действующего производства. В случае синтеза варианта более экономичного, чем базовый, его можно рекомендовать для модернизации производства.

Целевой функцией оценки варианта являются приведенные затраты:

П = Э + Е * К ,

где

П - приведенные затраты; Э - эксплуатационные затраты; К - капитальные затраты; Е - нормативный коэффициент приведения.

Основа стратегии заключается в декомпозиции исходной задачи на несколько подзадач, каждая из которых включает две ректификационные колонны. Для синтеза реальных схем энергетическое объединение более двух колонн не рассматривалось. В качестве проектных переменных рассматривались только давление и флегмовое число. Доля пара в потоках питания принималась равной нулю.

Существует два направления генерирования подзадач. Один путь заключается в прямом генерировании только возможных подзадач. Второй - в генерировании всех подзадач с последующим отбором только возможных. Первый путь позволяет избежать достаточно неудобной проверки реальности подзадачи. При этом, в данном случае можно использовать алгоритм, учитывающий "предельную точку" вместо дина-

мического программирования. Этот метод может значительно уменьшить затраты на вычисления, и он может быть расширен для вычисления колонн сложной конфигурации.

Основная идея вычисления, ориентирующегося на "предельную точку", - использование принципа "теплового каскада", то есть совокупности тепловых кривых (в координатах АН - Т) каждого энергетического потока всех теплообменных аппаратов. Согласно этой теории "предельная точка" делит теплообменную систему следующим образом: подсистема ниже предельной точки является источником тепла, другая подсистема над "предельной точкой" является потребителем тепла. Можно построить систему с максимальной утилизацией энергии (или минимальным потреблением вспомогательного потока), если:

1. тепло не пересекает "предельную точку";

2. охлаждающие вспомогательные потоки не используются над "предельной точкой";

3. нагревающие вспомогательные потоки не используются под "предельной точкой".

Формализуя вышесказанное, задачу генерирования возможных подзадач можно записать в виде: Дано: {Т} : {F} u {U};

Найти: {F} : ( V Ti с {Т} Э Fj с {F} | (Fj R Ti) | П min), где

{Т} - множество вариантов топологии;

{F} - множество энергетически возможных вариантов топологии; {U} - множество энергетически нереализуемых вариантов топологии; П- приведенные затраты; R - отношение соответствия; R : R1 ° R2 ° R3; Rl : Qc,k < Qpp < Qh,m;

R2 : UT с, k не используется над "предельной точкой"; R3 : UT h, m не используется под "предельной точкой"; Qc - тепловой поток ниже "предельной точки"; Qh - тепловой поток выше "предельной точки"; Qpp - тепло "предельной точки"; UT с - вспомогательные охлаждающие потоки; UT h - вспомогательные нагревающие потоки;

После генерирования всех возможных подзадач число оцениваемых возможных энергетических пар может быть значительно сокращено пу-

тем исключения неэкономичных подзадач, где тепло передается через "предельную точку".

Был разработан алгоритм синтеза энергетически интегрированных ХТС с использованием моделирующих программ, основанный на методологии, ориентированной на "предельную точку".

Блок-схема алгоритма приведена на рис. 2.

Реализованная в промышленности схема уже предусматривает частичную рекуперацию тепла, как это видно на рисунке 3.

Располагая данными по тепловому и материальному балансам всей схемы и её составных частей, при помощи моделирующей программы были построены тепловые кривые для всех горячих и холодных потоков. Эти тепловые кривые в совокупном виде представляют собой ломаные кривые, указанные на рисунке 4. Расстояние между "горячей" и "холодной" составляющими в верхней части графика указывает на количество подводимого в систему тепла. Для промышленного варианта с частичной рекуперацией энергии оно составило 1041*103 Мдж/ч. Приведенные затраты этого варианта - S 330 ООО, что составляет 96% от приведенных затрат для варианта, в котором рекуперация тепла практически отсутствует.

Вариант с частичной рекуперацией тепла был принят за основу для дальнейшей интеграции тепловых потоков. Поставленная задача - предложить более эффективные варианты с интеграцией энергии, используя моделирующую программу и методологию синтеза, ориентированную на "предельную точку".

Учитывая особенности этой ХТС, система разделения рассматривалась как пятикомпонентная. Упорядоченный список компонентов, составленный по относительным летучестям веществ, совпадает с тем, что существует в промышленной схеме.

Для смесей генерируются комбинаторные данные, которые позволяют задать возможные варианты разделения компонентов и возможные последовательности колонн для разделения смесей. Генерирование этих данных выполняется с помощью отдельных программ, интегрированных через среду Windows с моделирующей программой, либо с помощью литературных комбинаторных данных

Генерирование энергетически интегрированных вариантов технологической схемы по производству и разделению изомеров диэтилбензола осуществлялось согласно указанному алгоритму. Наиболее экономичный вариант приведен на рисунке 5. Составные тепловые кривые для этого варианта показаны на рисунке 6.

Рис. 2. Алгоритм синтеза ХТС с использованием моделирующей программы и принципа "предельной точки"

в

Б

да

Данная последовательность ~—

разделения - последняя —— ----- "

да

Оптимизировать технологические параметры для пар колонн, определенных на шаге 16, по целевой функции

ГПТпг __

Выбрать оптимальный вариант (Шаг 20)

I •

Конец

Рис.2 (продолжение). Алгоритм синтеза ХТС с использованием моделирующей программы и принципа "предельной точки"

-4_

Выбрать рассчитанную последовательность разделения из шага 10 (Шаг 12)

Рис. 3. ХТС по производству изомеров диэтилбензола, реализованная с помощью программы ХЕМКАД, вариант с

простой рекуперацией энергии

н

го

т, °с

250

200 -

150 -

100 -

50 -

1 2 3 4 5 6 7 *Ю-3, МДж/ч

Рис. 4. Составные тепловые кривые для варианта ХТС по производству изомеров диэтилбензола с частичной рекуперацией энергии.

Приведенные затраты для указанных в работе технологических схем даны в таблице 1. Согласно данным, приведенным в таблице, вариантом, наиболее близким к оптимальному, при данной целевой функции является вариант на рисунке 5. Для разделения пятикомпонентных систем число рассматриваемых пар колонн составило 37 вместо 126, которые нужно было бы рассчитать с помощью других методов, например, метода динамического программирования.

Таблипа 1

Приведенные затраты вариантов ХТС производства и разделения _изомеров диэтилбензола.__

Вариант Капитальные Эксплуатационные Приведенные

затраты, тыс $ затраты, тыс $ затраты, тыс $

Без интегра- 456.5 272.5 341.0

ции энергии

Действующее 470.0 262.7 333.2

производство

Оптимальный 468.0 256.9 327.0

вариант

Дл0^

Рис. 5. ХТС по производству изомеров диэтилбензола, реализованная с помощью программы ХЕМКАД,

предлагаемый вариант

Рис. 6. Составные тепловые кривые (предлагаемый вариант)

В главе 4 исследуются проблемы, возникающие при использовании стандартных моделирующих программ, и пути эффективного использования этих программ при отсутствии или недостатке данных, требуемых для моделирования аппарата, процесса или ХТС. Исследуются возможности устранения узких мест процесса моделирования при помощи средств самих программ.

В данной главе предлагается алгоритм моделирования аппаратов технологической схемы, в которых протекают процессы, сопровождаемые химической реакцией / химическими реакциями, путем комбинирования расчетных модулей программы. Подчеркивается, что подобный подход в ряде случаев оказывается приемлемым и эффективным для моделирования на иерархическом уровне ХТС. Данный алгоритм предусматривает наличие или неполную информацию по параметрам процесса. Блок-схема рассматриваемого алгоритма приведена на рисунке 7.

Для существующей ХТС по производству аммиачных синтез-газов согласно алгоритму, представленному на рисунке 7, с помощью моделирующей программы была разработана модель, в которой первичный конверсионный реактор представляет собой совокупность двух расчетных модулей, как показано на рисунке 8.

Для реакций СН4 + Н20 & СО + ЗН2 С02 + Н2 ** СО + Н20

использовались данные по конверсии метана, которые удовлетворяли уранениям Аррениуса.

ln (Keq)m = ln (РСН4 *Рн2о) / (Рсо *Р3ш) = Аш + Вт/Т ln (Keq)w = ln (РС02 *РН2> / (Рн20 *?Со) = Aw + Bw/T.

Рис.7. Алгоритм моделирования аппаратов для процессов, сопрово »сдающихся химической реакцией, с использованием биб лиотечных модулей в условиях неполноты информации < процессе

Рис. 7 (продолжение). Алгоритм моделирования аппаратов для процессов, сопровождающихся химической реакцией, с использованием библиотечных модулей в условиях неполноты информации о процессе

Фаза реакции - паровая. Для расчета использовали библиотечный модуль равновесного реактора. Однако, поскольку сырьем для данной ХТС служит природный газ, а не чистый метан, то необходимо учитывать конверсию и других углеводородов, равновесные данные по которым отсутствовали. Для расчета конверсии этих углеводородов целесообразно использовать расчетные модули, алгоритм которых базируется на минимизации свободной энергии Гиббса.

Собранная с помощью моделирующй программы ХТС, приведенная на рис.8, дает возможность исследовать влияние изменения топологии на технологические и экономические параметры функционирования схемы.

При помощи алгоритма, приведенного в предыдущей главе, были синтезированы варианты данной ХТС. Был проведен ряд расчетов для последовательно выбранных вариантов теплообмена на основе концепции "предельной точки".

Проведенные исследования показали, что существуют варианты организации теплообмена, более эффективно рекуперирующие энергию. Вариант с наилучшими показателями приведенных затрат дан на рисунке 9.

Таким образом, для данной ХТС составлена модель конверсионного реактора с комбинацией расчетных модулей, а также найден пари-ант топологии, более эффективно рекуперирующий энергию системы за счет уменьшения потребления хладоносителя и электроэнергии приблизительно на 8%.

Рис. 8. ХТС по производству аммиачных синтез-газов, реализованная с помощью программы ХЕМКАД (базовый вариант).

Рис.9. Технологическая схема по производству газов для синтеза аммиака, реализованная в программе ХЕМКАД (предлагаемый вариант)

В этой же главе при помощи предложенного алгоритма (рис.7) исследуется возможность построения модели ХТС по производству карбамида с учетом отсутствия модуля, непосредственно описывающего стриппер и реактор-конденсатор этой технологической схемы.

Комбинация модуля реактора с модулями колонны дает адекватное описание массобменных аппаратов, в которых происходит химичская реакция. При этом возможно их дополнение тегогообменными модулями. Примером такого аппарата может служить стриппер на установке по получению карбамида (рис. 10).

'Э

а-

и н

СКРУББЕР

СТРИППЕР

РЕАКТОР

»ж

©

0

© Е

0

за,

® |Д| 0

"Ж'

г;!-6.............О

0 т

2" И

-х

1Ё

203

"д КОНДЕНСА ТОР

Рис.10. ХТС по производству карбамида, реализованная с помощью моделирующей программы ХЕМКАД.

На базе разработанных моделей технологических схем и методологий, базирующихся на концепции "предельной точки" и подходов к моделированию путем комбинирования расчетных модулей, проведены исследования ХТС и предложены изменения топологии и технологического режима указанных выше ХТС. Созданные на основе стандартной моделирующей программы модели ХТС прошли проверку при проектировании и эксплуатации на АО "Азот", г.Череповец.

ВЫВОДЫ

1. Проведены расчетные исследования, подтверждающие эффективность использования моделирующих программ в процессе синтеза и анализа энергетически интегрированных ХТС.

2. Доказана возможность значительного сокращения пространства поиска при объединении потенциала моделирующей программы с принципом "предельной точки", что позволяет эффективно использовать моделирующие программы для расчета остающегося относительно небольшого числа энергетически интегрированных вариантов.

3. Разработан алгоритм синтеза энергетически интегрированных ХТС с использованием моделирующих программ, основанный на методологии "предельной точки", эффективность которого подтверждена на примере синтеза ХТС по производству и разделению изомеров ДЭБ. Показано, что объектом исследования может быть любая ХТС, включающая теплообменные аппараты; методология исследования задается концепцией "предельной точки"; моделирующая программа используется как инструмент для расчета материальных и энергетических потоков системы, тепловых кривых и целевой функции; функция лица, принимающего решение, состоит в анализе составных тепловых кривых и изменении исходных данных с учетом концепции "предельной точки", вводимых в моделирующую программу, и выборе варианта с наилучшим показателем целевой функции. В отличие от существующих в настоящее время подходов в этой области предложенный алгоритм включает как методологию пинч-технологий, так и процедуру расчета ХТС с помощью моделирующей программы.

4. Интеграция моделирующей программы с предложенным алгоритмом расчета, базирующемся на концепции "предельной точки", расширяет сферу применения моделирующих программ. В целом такой алгоритм представляет собой универсальный инструмент для расчета большого числа ХТС разделения со связанными тепловыми потоками.

5. Рассчитаны и проанализированы различные варианты ХТС по производству и разделению изомеров ДЭБ с интеграцией энергии на основе существующего промышленного варианта технологической схемы. Предложен наиболее экономически эффективный вариант этой ХТС.

6. Для иерархического уровня ХТС при решении практических задач разработан алгоритм моделирования отдельных блоков ХТС не только с помощью расчетных модулей, соответствующих данным аппаратам, но и путем использования совокупности модулей, комбинация которых дает адекватное описание данных аппаратов. Такой подход ускоряет моделирование и может быть использован в условиях неполной

информации по исходным данным для разработки соответствующих моделей. Результаты работы использованы при производстве карбамида и аммиачных синтез-газов.

7. На модели по производству аммиачных синтез-газов для иерархического уровня ХТС установлена возможность моделирования реакторного блока в условиях неполной информации о побочных реакциях путем комбинирования расчетных модулей реакторов, включенных в стандартную библиотеку моделирующего программного пакета. Для данного иерархического уровня разработан подход к моделированию химических реакторов с протеканием целевых и побочных реакций, согласно которому моделирование целевых реакций производится по кинетическим, равновесным или стехиометрическим данным, а моделирование побочных реакций основано на алгоритме минимизации свободной энергии Гиббса.

8. Разработанный алгоритм применен для моделирования ХТС по производству карбамида. Согласно этому алгоритму массообменные и те-плообменные аппараты рассчитываются путем комбинирования модулей реактора, теплообменника и абсорбционной колонны моделирующей программы.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Гартман Т.Н., Булатов И.С. Применение программных пакетов ХЕМКАД и ХЕМКОСТ для моделирования технологической схемы по производству карбамида / Рос.хим.технол.ун., -М., 1995. -15с. -Деп. в ВИНИТИ 10.1.95 №40-В95.

2. Булатов И.С., Гартман Т.Н., Бояринов А.И. Применение моделирующих программ и метода "предельной точки",для расчета ХТС разделения с рекуперацией энергии / Рос.хим.технол.ун., -М., 1996. -17с. -Деп. в ВИНИТИ 28.2.96 №643-В9б

3. Булатов И.С., Гартман Т.Н.,Бояринов А.И. Возможности комбинирования расчетных модулей моделирующих программ на примере исследования ХТС по производству газов для синтеза аммиака / Рос.хим.технол.ун., -М., 1996. -17с. -Деп. в ВИНИТИ 28.2.96 №б44-В96