автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Оптимизация аппаратурно-технологического оформления реакторного узла некаталитической гидратации оксида этилена

На правах рукописи

АЛЬ-ОМАРИ МОХАММЕД ИБРАГИМ МИФЛЕ

ОПТИМИЗАЦИЯ АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ОФОРМЛЕНИЯ РЕАКТОРНОГО УЗЛА НЕКАТАЛИТИЧЕСКОЙ ГИДРАТАЦИИ ОКСИДА ЭТИЛЕНА

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка

информации (химическая технология, нефтехимия и нефтепереработка)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново - 2005

Работа выполнена в ГОУВПО "Ивановский государственный химико-технологический университет".

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор Лабутин Александр Николаевич

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Зайцев Виктор Александрович Доктор технических наук, профессор Бобров Дмитрий Александрович

Ведущая организация: Ярославский государственный технический университет

Защита состоится п д^/71^ 2005 г. в /й* час.

в ауд. Р 2°Ь_ на заседании диссертационного совета Д.212.063.05

в ГОУВПО "Ивановский государственный химико-технологический университет" по адресу: 153460, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, д. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГХТУ.

Автореферат разослан "_"_2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.ф.-м.н.

Зуева Г.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сложные многостадийные реакции последовательно-параллельного типа, протекающие с образованием гаммы продуктов, широко распространены в технологии основного органического синтеза и являются физико-химической основой для создания многопродуктовых производств непрерывного типа.

Аппаратурно-технологическое оформление функционирующих в настоящее время производств спроектировано таким образом, что не позволяет учитывать динамического состояния рыночной экономики и не отвечает требованиям малоотходности, так как ориентировано на выпуск одного, двух продуктов с фиксированной производительностью. Примером такой организации производства является процесс некаталитической гидратации оксида этилена, осуществляемый в условиях большого избытка воды и ориентированный на преимущественный выпуск моноэтиленгликоля. Вместе с тем изменение конъюнктуры рынка, то есть изменение спроса и цены на исходные реагенты и те или иные продукты реакции, а также требования ресурсосбережения делают актуальной задачу создания работоспособных гибких многопродуктовых производств непрерывного типа, основной стадией которых является гибкая реакторная подсистема. Для этого необходимо решение задачи оптимального аппаратурно-технологического оформления и организации оптимального функционирования химико-технологической системы в изменяющихся условиях. Поэтому актуальной становится разработка математических методов и программно-алгоритмического обеспечения для решения поставленной задачи.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с межвузовской НТП "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" - проект 003.01.04.02 и единым заказ-нарядом ИГГХТУ, утвержденным Минобразованием РФ.

Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ и программно-алгоритмического обеспечения решения задачи оптимального синтеза гибких многопродуктовых реакторных систем, для проведения жидкофазных последовательно-параллельных реакций и его использование для оптимизации аппаратурно-технологического оформления реакторного узла некаталитической гидратации оксида этилена.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

- обоснована интегро-гипотетическая структура реакторного узла для реализации последовательно-параллельных реакций, позволяющая управлять селективностью процесса по различным продуктам;

- разработаны варианты математического описания реакторной системы, отражающего многоуровневый характер процессов и явлений, протекающих в отдельных блоках системы и учитывающего взаимовлияние блоков;

- разработано программно-алгоритмическое обеспечение расчета и режимно-технологической и структурной оптимизации реакторной системы;

- решена задача оптимизации аппаратурно-технологического оформления реакторного узла получения этиленгликолей путем некаталитической гидратации оксида этилена.

Методы исследований. В работе использованы методология и математический аппарат системного анализа химико-технологических систем, методы моделирования и оптимизации, вычислительный эксперимент.

Научная новизна. Предложена интегро-гипотетическая структура гибкой реакторной системы для проведения последовательно-параллельных реакций, позволяющая управлять селективностью процесса по различным продуктам.

Предложен подход к синтезу математического описания однородной реакторной системы как единого "большого" аппарата, базирующегося на допущении 6 состоянии микросмешения элементов жидкости в системе в целом. Модель в указанной форме позволяет существенно сократить затраты времени на расчет и оптимизацию схемы.

Разработана процедура полуаналитического определения вида и параметров функции распределения элементов жидкости по времени пребывания в сложной системе.

На примере типовой последовательно-параллельной реакции жидко-фазного оксиэтилирования метанола путем вычислительного эксперимента показано влияние технологических и структурных переменных на селективность процесса по различным продуктам и доказана возможность синтеза гибкой реакторной системы.

Теоретическое исследование системы дифференциальных уравнений, описывающих статику адиабатического реактора вытеснения для проведения

рекции некаталитической гидратации оксида этилена позволило получить анлитические расчетные соотношения для концентраций продуктов при полном превращении оксида этилена при произвольных начальных условиях.

Практическая ценность Разработано алгоритмическое и программно-математическое обеспечение моделирования статических режимов однородных реакторных систем, учитывающее структуру математического описания реакторного узла.

Разработан алгоритм и программные средства режимно-технологи-ческой оптимизации реакторной системы, которые могут использоваться как на стадии проектирования реакторного узла, так и при оптимизации действующих производств в составе автоматизированных систем управления или контроля.

Произведено исследование процесса некаталитической гидратации оксида этилена, в результате которого предложено оптимальное аппаратурно-технологическое оформление реакторного узла, повышающее гибкость системы.

Апробаиия работы. Результаты работы докладывались на международной студенческой конференции "Фундаментальные науки - специалисту нового века" (г. Иваново, 2002г).

Публикации. Материалы диссертации получили отражение в трех публикациях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка литературы из 98 наименований. Работа изложена на 101 странице машинописного текста, содержит 16 рисунков и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, методы исследований, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приведены требования, предъявляемые к современному химическому производству, обусловленные рыночной экономикой и экологией. Показана распространенность многостадийных последовательно -параллельных реакций, представляющих собой основу многопродуктовых реакторных систем.

Рассмотрены подходы к синтезу математического описания реакторной системы. Проведен обзор типовых задач оптимизации реакторных процессов. Сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе изложены теоретические основы математического описания и режимно-технологической оптимизации многопродуктовой реакторной системы непрерывного типа. Предполагается, что в системе реализуется сложная многопродуктовая реакция, например, последовательно-параллельного типа

(1)

где А и В - исходные реагенты; Р| - продукты реакции \ = 1,К; К - количество продуктов.

С использованием основных принципов теории химических реакторов и теории рециклических процессов приводится обоснование интегро-гипотетической структуры реакторного узла, обладающей свойством гибкости и позволяющей управлять селективностью процесса по различным продуктам (рис.1).

Структура системы предусматривает возможность последовательного, параллельного и последовательно-параллельного соединения реакторов, распределенную подачу потоков по элементам системы. На структурные переменные наложены ограничения исходя из физического смысла (6), (7).

Модель реакторной системы в общем виде описывается уравнениями:

где: - векторы потоков вещества и энергии на входе и вы-

ходе элемента, в входном потоке и на выходе реакторной системы, соответственно; - вектор управляющих режимно-технологических

переменных и параметров модели тока, направляемая в

элемента; - доля входного по-

элемент; - доля выходного потока элемента,

подаваемая на выход системы; а1к - доля вьжодного потока р1 элемента, подаваемы на вход ки элемента; К, М, Р - число элементов, входных потоков и компонентов реакционной системы, соответственно.

а N1 исх. реагента

"N1

на склад н утилизацию

Рис.1. Гипотетическая структура реакторного узла

IК - реактор идеального смешения; N ( ... N ( х - аппроксимация реактора идеального вытеснения;

' = ЪМ - расходы входных потоков; <х[ J 1 = 1, М j = - разделитель ¡"входного потока т.е доля ¡-го входного ПОТОМ подаваемая на вход ^ячейки; СС | ^ 1,' = Ы - доля выходного потока ячейки направляемая на вход (X ^ 1 — 1,N доля потока с выход$&чейкн направляемая на выход из системы; ( I — 1, Р ] — 1,N - доля потока продукта с выхода стадии разделения подаваемая на вход^ ячейки; • - сумматоры и делители потоков.

Уравнения (2) и (3) - уравнения модели ки блока и ограничения на управляющие и выходные переменные. Соотношения (4) являются уравнениями материального баланса делителей входных потоков системы и делителей выходных потоков элементов, соответственно. Уравнения (5) -5- (7) - это уравнения баланса вещества и энергии смесителей и ограничения на структурные переменные, соответственно.

Основной составляющей модели системы являются уравнения моделей элементов (2), отражающие структуру гидродинамических потоков, режим микросмешения, кинетику химического взаимодействия компонентов и тепловой режим в соответствующем элементе.

Такой подход к разработке математического описания реакторной системы будем называть модульным или дифференциальным. При определенных допущениях и режимно-технологической организации реакторной системы предложено использовать интегральный подход, при котором система

рассматривается как единый "большой" реактор, в котором реализуется тот или иной режим микросмешения. Структура системы при этом однозначно определяет вид функции распределения элементов жидкости по времени пребывания. Показано, что интегральный подход применим к реакторной системе с одним входным потоком, работающей в изотермическом или адиабатическом режиме. Например, для реакторной системы, функционирующей

в режиме полной сегрегации, модель состоит из кинетических уравнений и

•го

соотношения для концентрации компонента на выходе системы:

^ = ф(е,¥), У|1=0 = ¥° (8); У1.Н1=М*Иа,и,т)-,к (9)

где: уДт) - решение системы (8), ^а, и,т) - плотность функции распределения элементов жидкости входного потока по времени пребывания, определяемая структурными и конструктивными параметрами системы. При решении задачи оптимизации и варьировании структурных переменных система (8) решается только один раз, что существенно экономит машинное время. В работе получено аналитическое выражение для Г(а, 1),т) как решение системы линейных обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих материальный баланс элементов системы по трассёру при импульсном изменении последнего во входном потоке:

где У = (у1,у2,...,у[< )Т - вектор концентраций компонентов на выходе 1-го элемента; матрица А и вектор Ь - определяются объемом ячеек, расходами среды и значениями структурных переменных; и - входное воздействие.

Г(ос,и,т)=Ст-еАт-Ь

(11)

^ =аГ-в,, 1 =

Значения расходов через элементы системы выражаются из уравнений материальных балансов смесителей (рис.1).

где в,,^- расход .¡-го входного потока, в^- расход .¡-го компонента со стадии разделения.

В работе сформулирован критерий режимно-технологической оптими-

зации реакторной системы, отражающий постановку задачи: необходимо определить значения режимно-технологических переменных (объёмы аппаратов, температурный режим, концентрации исходных реагентов и т.д.), структуру реакторной подсистемы и величины потоков между элементами , значения рециркуляционных потоков со стадии разделения, обеспечивающих экстремум критерия оптимальности.

В предположении, что исходя из потребности продуктов на рынке и их стоимости, экономической службой определены значения производительности установки по продуктам при заданной мощности по переработке исходного "ведущего" реагента критерий оптимальности может быть представлен

в виде:

Кт

к

ЦЬ,

¡»I

г

(13)

где: К - число продуктов реакции пользующихся спросом на рынке; -

заданное и расчетное значения селективности процесса по продукту -

весовой множитель, пропорциональный стоимости 1-го продукта. Величины С| могут быть заменены значениями концентрации 1-го продукта на выходе реакторной системы.

В качестве ограничений при решении задачи оптимизации выступают уравнения математической модели системы и ограничения на переменные состояния и управления:

Тт1„^Т^Тт„; фв>ч.*в; Ров = Хвх>(> 5 Х$ £Хвх^;

где Т - температура процесса, V - реакционный объем, <р в - степень пре-

вращения ведущего реагента, - вектор концентраций компонентов в т*®* входном потоке. Дополнительно могут быть заданы ограничения типа равенств на выходные переменные

Третья глава посвящена разработке алгоритмического и программного обеспечения моделирования и режимно-технологической оптимизации многопродуктовых реакторных процессов. Разработаны алгоритмы численных методов, используемые для решения задачи. Приведена функциональная структура программных средств, которые позволяют проводить расчет ХТС при использовании моделей различного типа.

Приведено описание и блок-схема алгоритма оптимизации реакторного узла (рис. 2).

Основная идея алгоритма режимно-технологической оптимизации реакторной системы заключается в том, что исходная задача высокой размерности

Рис. 2. Блок-схема алгоритма структурно-технологической оптимизации реакторной системы

разбивается с использованием принципов декомпозиции на ряд подзадач меньшей размерности, число которых определяется числом делителей потоков и числом варьируемых режимно-технологических переменных (температура, концентрации компонентов во входных потоках, соотношение объемов ^'исА/В1,|т и т п). Поиск оптимальных значений варьируемых переменных, доставляющих минимум (13), осуществляется методом сканирования.

Проведен численный анализ однородной реакторной системы при реализации типовой последовательно-параллельной реакции оксиэтилирования метанола.

В качестве реакторной схемы использовалась схема, состоящая из реакторов, описываемых моделями идеального смешения и идеального вытеснения, причем реактор вытеснения аппроксимировался каскадом из 5й ячеек моделями идеального смешения.

Результаты исследования влияния структурных переменных на вид плотности распределения времени пребывания (ПРВП) элементов входных потоков в реакторной системе доказывают возможность формирования необходимой ПРВП а, следовательно, и возможность управления селективностью процесса по различным продуктам.

Решена задача оптимизации реакторной системы оксиэтилирования спиртов Критерий оптимизации имеет вид:

N

^ XV,

1Ь

у

и^-р,«

^{к.г-^^-^)1' (14)

где Увых,!' ^1>ы1,1+1 - концентрация 1-го и (1+1)-го продукта реакции на выходе реакторной подсистемы; Р11+| - заданное отношение концентраций компонентов; V,, Ут11 - объем .¡-того модуля схемы и заданный объем схемы в целом, - степень превращения соответствующего исходного реагента.

Оптимальная структура реакторного узла для получения смеси эфира триэтиленгликоля и тетраэтиленгликоля в соотношении Рз^ = 1,42 представлена на рис. 3.

В четвертой главе представлены результаты исследований по оптимизации реакторного узла получения этиленгликолей путем некаталитической гидратации оксида этилена.

Существующее аппаратурно-технологическое оформление процесса ориентировано на поддержание заданного соотношения продуктов на выходе адиабатического трубчатого реактора с преобладающим содержанием моно-этиленгликоля Изменяющаяся конъюнктура рынка на продукты реакции обусловила актуальность постановки и решения задачи повышения гибкости

реакторного узла и производства в целом, позволяющей изменять соотношение продуктов на выходе системы, а также создания системы статической оптимизации процесса.

Реактор представляет собой трубу длиной 153 м с внутренним диаметром 0,587 м (объем ~42,3 м3).

Взаимодействие оксида этилена с водой протекает по схеме последовательно-параллельной реакции типа (1).

Математическое описание аппарата имеет вид:

где: т = Ь/й) - текущее время пребывания; L - текущее значение длины реактора; ю - линейная скорость потока; (-ДН)) - тепловой эффект ьтой стадии; Т - температура реакционной смеси; Ср, р - удельная избранная теплоемкость смеси и плотность, соответственно, m - число стадий.

С целью минимизации вычислительных затрат на решение дифференциальных уравнений модели предложен полуаналитический метод решения последних, базирующийся на ряде допущений: а) предположение о приближенном равенстве относительных констант б) па-

раметр 9 не зависит от температуры; в) тепловые эффекты стадий так же принимаются одинаковыми ДН, = ДН2 = ДН3 = ДН4 = ДН; г) концентрация последнего продукта пренебрежимо мала по сравнению с суммой концентраций воды и других продуктов.

Введением в рассмотрение обобщенной переменной dz = ki-Y-dx, безразмерных концентраций компонентов

* = Х/Х°, у = Y/Y0, yj =Y, /X® , температуры t = т/х° преобразуется к виду, допускающему аналитическое решение:

исходная система

В (16) обозначено: у,х,у|,1 = 1,2,3,... - безразмерные концентрации окси-

„о

да этилена, воды, продуктов реакции; х - концентрация воды на входе в реактор; 1 - безразмерная температура, С° + Х У?> у! - решение, полученное (16) при у?=0, 1 = 1^; а = -ДнДс„-р), где Ср, р

по соотношениям

удельная теплоемкость и плотность среды.

Расчет концентраций исходных веществ, продуктов реакции и температуры при произвольном текущем значении х производится с использованием (16) и температурной зависимости константы к(.

С целью повышения уровня гибкости производства и оперативного управления селективностью по продуктам предложена новая структурная схема реакторного узла с использованием имеющегося в производстве оборудования. Схема предусматривает включение дополнительного аппарата смешения и организацию рецикла продуктов со стадии разделения (рис.4).

Моделирование реакторной системы показало, что включение в схему реактора смешения позволяет повысить выход тяжелых продуктов реакции; с увеличением концентрации ОЭ во входном потоке снижается селективность

Рис. 6. Функционально-структурная схема системы управления

по МЭГ и увеличивается селективность по более тяжелым продуктам; организация рецикла МЭГ и ДЭГ со стадии разделения существенно влияют на селективности по продуктам и значение входной температуры. Данные выводы иллюстрируются зависимостью селективностей процесса по продуктам от степени рециркуляции ДЭГ, представленных на рис.5. Расчеты проведены при общей нагрузке 120 тн/час, температура входного потока определялась из условия полной конверсии оксида этилена. Предложена двухуровневая система оптимального управления реакторным узлом (рис. 6): на верхнем уровне решается задача статической оптимизации процесса с целью, обеспечения оптимальных значений селективностей по продуктам, на нижнем - задача динамической стабилизации основных технологических переменных процесса, определяющих мощность установки по переработке ОЭ и производительность по продуктам реакции.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Обоснована гипотетическая структура многопродуктовой реакторной подсистемы, обладающей свойством технологической и структурной гибкости, которая позволяет оперативно управлять селективностью процесса по различным продуктам.

2. Сформулирован критерий оптимальности реакторной подсистемы, отражающий степень близости технологического режима реакторной подсистемы к экономически целесообразному.

3. Предложен подход к расчету однородных реакторных систем с многопродуктовыми реакциями и разработано программно-алгоритмическое обеспечение расчета и оптимизации систем.

4. Методом вычислительного эксперимента на примере реакции оксиэтили-рования метанола доказана возможность создания многопродуктовой реакторной подсистемы, способной адаптироваться к изменяющемуся спросу на продукты реакции.

5. Разработано математическое описание статики и динамики процесса некаталитической гидратации оксида этилена. Теоретическое исследование систе-

мы дифференциальных уравнений описывающих статику адиабатического реактора вытеснения, позволило получить аналитические расчетные соотношения для концентраций продуктов при полном превращении оксида этилена и произвольных начальных условиях.

6. Предложено оптимальное аппаратурно-технологическое оформление реакторного узла синтеза гликолей, повышающее гибкость системы и позволяющее управлять селективностью процесса по целевым продуктам.

7. Разработана функциональная структура двухуровневой системы оптимального управления реакторным узлом в условиях отсутствия информации о текущих значениях концентраций исходных реагентов и продуктов реакции.

Результаты диссертационной работы изложены в публикациях:

1. Анализ подходов к расчету однородных реакторных систем непрерывного типа. /Аль-Омари Мохаммед, Лабутин А.Н., Хализов Р.Л.// Межвузовский сборник научных трудов "Процессы в дисперсных средах" - Иваново, 2002г., с. 121-125.

2. Моделирование структуры гидродинамических потоков в реакторных системах. /Аль-Омари Мохаммед// Тезисы докладов международной студенческой конференции "Фундаментальные науки - специалисту нового века" -Иванво, 2002г., с. 119-120.

3. Управление технологическими процессами в условиях изменения спроса на продукцию. /Гриневич П.В., Лабутин А.Н., Самарский А.П., Аль-Омари Мохаммед// Сборник научных трудов вузов России "Проблемы экономики, финансов и управления производством" - Иваново, 2001г., вып. 5, с. 380-384.

Подписано в печать 12 02 05 г. Усл п.л. О . 93 Уч изд л. 1.03 Формат 60x84 1/16. Тираж 80 экз. Заказ 26 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технолотческий

университет. 153000 г.Иваново, пр-т Ф.Энгельса,7. Отпечатано на полтрафическом оборудовании кафедры экономики и финансов ГОУ ВПО «ИГХТУ»

05 17- 05.И

^

Z2W20¡¡f- '

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Требования предъявляемые к реакторным системам для проведения многопродуктовых реакций.

1.2. Математическое описание реакторного узла сложной структуры.

1.3. Типовые задачи оптимизации реакторных процессов.

Выводы по литературному обзору и постановке задачи исследований.

Глава 2. Теоретические основы режимно-технологической оптимизации многопродуктовых процессов непрерывного типа.

2.1. Анализ теоретических закономерностей протекания реакций в различных аппаратах и обоснование гипотетической структуры реакторного узла.

2.2. Математическая модель однородной реакторной системы.

2.3. Математическое описание структуры гидродинамических потоков гипотетической однородной реакторной системы.

2.4. Критерий режимно-технологической оптимизации реакторной системы.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Алгоритмическое обеспечение моделирования и оптимизации многопродуктовых реакторных процессов.

3.1. Алгоритмическое и программное обеспечение моделирования однородных реакторных систем непрерывного типа.

3.2. Алгоритм режимно-технологической оптимизации реакторной системы.

3.3. Численный анализ и оптимизация типовой многопродуктовой реакторной системы на примере процесса оксиэтилирования метанола.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Оптимизация процесса некаталитической гидратации оксида этилена.

4.1. Постановка задачи исследований.

4.2. Разработка математической модели статики основных аппаратов реакторного узла.

4.3. Оптимизация процесса синтеза гликолей с целью создания гибкой реакторной системы.

4.4. Синтез системы управления.

Выводы к главе 4.

Основные результаты работы.

Актуальность темы. Сложные многостадийные реакции последовательно-параллельного типа, протекающие с образованием гаммы продуктов, широко распространены в технологии основного органического синтеза и являются физико-химической основой для создания многопродуктовых производств непрерывного типа.

Аппаратурно-технологическое оформление функционирующих в настоящее время производств спроектировано таким образом, что не позволяет учитывать динамического состояния рыночной экономики, и не отвечает требованиям малоотходное, так как ориентировано на выпуск одного, двух продуктов с фиксированной производительностью. Вместе с тем изменение конъюнктуры рынка, то есть изменение спроса и цены на исходные реагенты и те или иные продукты реакции, а также требования ресурсосбережения делают актуальной задачу создания работоспособных гибких многопродуктовых производств непрерывного типа, основной стадией которых является гибкая реакторная подсистема. Для этого необходимо решение задачи оптимального аппаратурно-технологического оформления и организации оптимального функционирования химико-технологической системы в изменяющихся условиях. Поэтому актуальной становится разработка математических методов и программно-алгоритмического обеспечения для решения поставленной задачи.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с межвузовской НТП "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" - проект 003.01.04.02 и единым заказ-нарядом ИГХТУ, утвержденным Минобразованием РФ.

Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ и программно-алгоритмического обеспечения решения задачи оптимального синтеза гибких многопродуктовых реакторных систем, для проведения жидкофазных последовательно-параллельных реакций и его использование для оптимизации промышленно важных реакторных процессов.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

- обоснована интегро-гипотетическая структура реакторного узла для реализации последовательно-параллельных реакций, позволяющая управлять селективностью процесса по различным продуктам;

- разработаны варианты математического описания реакторной системы, отражающего многоуровневый характер процессов и явлений, протекающих в отдельных блоках системы и учитывающего взаимовлияние блоков;

- сформулированы этапы оптимального синтеза системы;

- разработано программно-алгоритмическое обеспечение расчета и режимно-технологической и структурной оптимизации реакторной системы;

- решена задача оптимизации аппаратурно-технологического оформления реакторного узла получения этиленгликолей путем некаталитической гидратации оксида этилена.

Методы исследований. В работе использованы методология и математический аппарат системного анализа и синтеза химико-технологических систем, методы моделирования и оптимизации.

Научная новизна. Предложена интегро-гипотетическая структура гибкой реакторной системы для проведения последовательно-параллельных реакций, позволяющая управлять селективностью процесса по различным продуктам.

Предложен подход к синтезу математического описания однородной реакторной системы как единого "большого" аппарата, базирующегося на допущении 6 состоянии микросмешения элементов жидкости в системе в целом. Модель в указанной форме позволяет существенно сократить затраты времени на расчет и оптимизацию схемы.

Разработана процедура полуаналитического определения вида и параметров функции распределения элементов жидкости по времени пребывания в сложной системе.

На примере типовой последовательно-параллельной реакции жидкофаз-ного оксиэтилирования метанола путем вычислительного эксперимента показано влияние технологических и структурных переменных на селективность процесса по различным продуктам и доказана возможность синтеза гибкой реакторной системы.

Теоретическое исследование системы дифференциальных уравнений, описывающих статику адиабатического реактора вытеснения для проведения реакции некаталитической гидратации оксида этилена позволило получить аналитические расчетные соотношения для концентраций продуктов при полном превращении оксида этилена при произвольных начальных условиях.

Практическая ценность. Разработано алгоритмическое и программно-математическое обеспечение моделирования статических режимов однородных реакторных систем, учитывающее структуру математического описания реакторного узла.

Разработан алгоритм и программные средства режимно-технологи-ческой оптимизации реакторной системы, которые могут использоваться как на стадии проектирования реакторного узла, так и при оптимизации действующих производств в составе автоматизированных систем управления или контроля.

Произведено исследование процесса некаталитической гидратации оксида этилена, в результате которого предложено оптимальное аппаратурно-технологическое оформление реакторного узла, повышающее гибкость системы.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на международной студенческой конференции "Фундаментальные науки - специалисту нового века" (г. Иваново, 2002г).

Публикации. Материалы диссертации получили отражение в трех публикациях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка литературы из 98 наименований. Работа изложена на 101 странице машинописного текста, содержит 16 рисунков и 4 таблицы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Обоснована гипотетическая структура многопродуктовой реакторной подсистемы, обладающей свойством технологической и структурной гибкости, которая позволяет оперативно управлять селективностью процесса по различным продуктам.

2. Сформулирован критерий оптимальности реакторной подсистемы, отражающий степень близости технологического режима реакторной подсистемы к экономически целесообразному.

3. Предложен подход к расчету однородных реакторных систем с многопродуктовыми реакциями и разработано программно-алгоритмическое обеспечение расчета и оптимизации систем.

4. Методом вычислительного эксперимента на примере реакции оксиэтили-рования метанола доказана возможность создания многопродуктовой реакторной подсистемы, способной адаптироваться к изменяющемуся спросу на продукты реакции.

5. Разработано математическое описание статики и динамики процесса некаталитической гидратации оксида этилена. Теоретическое исследование системы дифференциальных уравнений описывающих статику адиабатического реактора вытеснения, позволило получить аналитические расчетные соотношения для концентраций продуктов при полном превращении оксида этилена и произвольных начальных условиях.

6. Предложено оптимальное аппаратурно-технологическое оформление реакторного узла, повышающее гибкость системы и позволяющее управлять селективностью процесса по целевым продуктам.

7. Разработана функциональная структура двухуровневой системы оптимального управления реакторным узлом в условиях отсутствия информации о текущих значениях концентраций исходных реагентов и продуктов реакции.

1. Кафаров B.B. Принципы создания безотходных химических производств. -М.: Химия, 1982. - 288 с.

2. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. Ресурсосберегающие химические производства // Итоги науки и техники / Серия: "Процессы и аппараты химической технологии". -М.: ВИНИТИ, 1987. -т.15. С. 85-159.

3. Кафаров В.В., Макаров В.В. Гибкие автоматизированные производственные системы в химической промышленности. -М.: Химия, 1990. 320 с.

4. Макаров В.В. Математическое моделирование периодических процессов и систем химической технологии. Учебное пособие МХТИ им. Д.И. Менделеева. -М., 1984. 54 с.

5. Кафаров В.В., Макаров В.В., Егоров А.Ф. Гибкие автоматизированные системы химической промышленности. // Итоги науки и техники / Серия: "Процессы и аппараты химической технологии". -М.: ВИНИТИ, 1988. -т.16.-С. 92-161.

6. Егоров А.Ф. Принципы и стратегия гибкого управления многоассортиментными химическими производствами в условиях неопределенности. // Автореферат диссертации доктора техн. наук. -М., 1995.

7. Панченков Г.М., Лебедев В.П. Химическая кинетика и катализ. Учебное пособие для вузов. 3-е изд. испр. и доп. -М.: Химия, 1985. - 590 с.

8. Адельсон C.B., Вишнякова Т.П., Пушкин Я.М. Технология нефтехимического синтеза: учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. -М.:Химия,1985. - 608с.

9. Жоров Ю.М. Кинетика промышленных органических реакций. Справочник. -М.: Химия, 1989. 384 с.

10. Ю.Лебедев H.H., Манаков М.Н., Швец В.Ф. Теория технологических процессов основного органического и нефтехимического синтеза. -М.: Химия, 1975.-477 с.

11. Лебедев H.H. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. 2-е изд. -М.: Химия, 1981. 608 с.

12. Гехтман Б.Н. Кинетика многоступенчатых реакций. Новосибирск: Наука, 1980.- 110 с.

13. Н.О. Hartly // Technometrix. 1961. - v.3, №2. - p. 269-280.

14. Halemane K.P., Grossman I.E. // AICHE Journal. 1983. - v.29, №3. - p.425.

15. Островский Г.М., Волин Ю.М., Головацкий Д.В. Оценка гибкости в задачеоптимизации действующих ХТП. // IV Всероссийская научная конференция "Динамика процессов и аппаратов химической технологии". Ярославль, 1994,-С. 162-163.

16. Волин Ю.М., Островский Г.М. Оптимизация ХТП в условиях частичной неопределенности исходной информации. // Сб. рефератов IV Международной научной конференции "Методы кибернетики ХТП". -М., 1994, С. 78-80.

17. Островский Г.М., Волин Ю.М. // Докл. РАН. 1992. т.323, №2. - С. 341.

18. Писаренко В.Н. Идентификация математических моделей химических реакторов. // Итоги науки и техники / Серия: "Процессы и аппараты химической технологии". -М.: ВИНИТИ, т.9. 1981. - С. 3-86.

19. Островский Г.М., Волин Ю.М. Анализ гибкости химико-технологических процессов и многоэкстремальность. Теоретические основы химии и химической технологии, 1998, том 32, №4, с. 459-469.

20. Касаткин Л.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 8-е. М., Химия, 1971.-784 с.

21. Островский Г.М., Бережинский Т.А. Оптимизация ХТП. Теория и практика. -М.: Химия, 1984. 239 с.

22. Кафаров В.В., Мешалкин В.П., Перов В.Л. Математические основы автоматизированного проектирования химических производств. -М.: Химия, 1979.-315 с.

23. Жерновая И.М., Кафаров В.В. Процессы перемешивания в жидких средах. // Итоги науки и техники / Серия: "Процессы и аппараты химической технологии". -М: ВИНИТИ, 1975. т.2.

24. Гордеев JI.C. Жидкофазные химические реакторы. // Итоги науки и техники / Серия: "Процессы и аппараты химической технологии". М.: ВИНИТИ, - т.4. 1976. - С. 82-166.

25. Кафаров В.В., Жерновая И.М. Моделирование химических реакторов // Итоги науки и техники / Серия: "Процессы и аппараты химической технологии". М.: ВИНИТИ, 1980. т.8. - С. 3-76.

26. Бесков B.C., Флокк В. Моделирование каталитических процессов и реакторов. -М.: Химия, 1991. С. 253.

27. Математическое моделирование каталитических реакторов.// Сб. научных трудов под редакцией Ю.Ш. Матроса. Новосибирск: Наука. 1989. - 263с.

28. Жукова Т.Б. Исследование и моделирование барботажных реакторов колонного типа. // Итоги науки и техники / Серия: "Процессы и аппараты химической технологии". -М.: ВИНИТИ. 1991. -т.18. 99 с.

29. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии, -3-е изд., -М.: Химия, 1976. 496 с.

30. Математическое моделирование химических реакторов. Под редакцией Г.И. Марчук. Новосибирск: Наука, 1984. 164 с.

31. Масштабный переход в химической технологии. Разработка промышленных аппаратов методом гидродинамического моделирования./ Розен A.M., Мартюшин Е.И., Олевский В.М. и др. под ред. Розена A.M. М.: Химия, 1980.

32. Вертузаев Е.Д. Опыт масштабного перехода при разработке промышленных массообменных аппаратов. Хим. промышленность, 1990, №4, с. 223227.

33. Gyokhegyi Laszlo. A meretnoveles rol a vegyiparban, Mady. Kern. Lapja. 1988, v. 43, №9, p.321-324.

34. Розен A.M. Гидродинамическое моделирование экстракторов. Теоретические основы химической технологии. 1981, т. 15, № 1, с. 46-61.

35. Dankverts P.V. // Chem. Eng. Sei. 1958. - v.9, - p.23.

36. Zwetering T.N. // Chem. Eng. Sei. 1959. - v.l 1, - p.l.

37. Заев A.B. Математическое описание процессов в химических реакторах. Учебное пособие. -М.: МИХМ, 1977. 76 с.

38. Nishimura У., MatsubaraM. // Chem. Eng. Sei. 1970. - v.25, №12, - p.1785.

39. Goto S., Matsubara M. // Chem. Eng. Sei. 1975. - v.30, №1, - p. 61-70.

40. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов. Пер. с англ. / Под ред. М.Г. Слинько. -М.: Химия, 1969. 624 с.

41. Крамере X., Вестертерп К. Химические реакторы. Расчет и управление ими. -М.: Химия, 1967. 264 с.

42. Weinstein Н., Adler R.G. // Chem. Eng. Sei. 1967. - v.22, - p.65.

43. Susuki M. // Chem. Eng. Japan. 1971. - v.4, №4, - p. 354-358.

44. Гордеев Л.С., Кафаров B.B., Ескендиров Ш.З. // Тр. НИОХИМ. Автоматизация процессов содов. произв. -Л.: Химия, 1975. С. 77-80.

45. Лабутин А.Н. Разработка непрерывных процессов жидкофазного хлорирования на примере хлорирования ПВХ. // Автореферат кандидатской диссертации. -М., 1978.

46. Kocis G.R., Grossman I.E. //Comput. Chem. Engng. 1989. - v. 13, - p.797.

47. Duran M.A., Grossman I.E. // AI CHE Journal. 1980. - №32,- p. 592.

48. Островский Г.М., Бережинский T.A., Беляева A.P. Алгоритмы оптимизации химико-технологических процессов. -М.: Химия, 1978. 292 с.

49. Лапидус A.C. Экономическая оптимизация химических производств. -М.: Химия, 1986.-208 с.

50. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. -М.: Химия, 1975. 575 с.

51. Кривошеев В.П. Автоматизация непрерывных технологических процессов нефтехимических производств на основе двухуровневых систем управления. // Автореферат диссертации доктора технических наук. -М., 1989.

52. Gruhn G., Hartman К. System Verfahrentechniscer // Bd. 2, Leipzig, VEB,

53. Deutcher Verlag fur Grundstoffinolustrie, 1977, 186 p.

54. Бобров Д.А., Кафаров B.B., Перов В.Л. Оптимизация ХТС. -М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1979. 50 с.

55. Иванов В.А. Принципы оптимальной организации энергозамкнутых технологических схем. // Автореферат диссертации доктора технических наук. -М., 1986.

56. Сметанин Ю.В. Декомпозиционный подход математического моделирования и оптимизации химико-технологических систем. // ТОХТ. 1992. -№4. - С. 596-599.

57. Холодное В.А. Системный анализ и математическое моделирование статических режимов химико-технологических объектов на основе учета структуры уравнений математического описания. // Автореферат диссертации доктора технических наук. Санкт-Петербург, 1995.

58. Hartman К. Modelling and Optimirung Verfakrenteckniscer Systeme. // Berlin, Academic Verlag. 1978, 335 p.

59. Кафаров B.B., Мешалкин В.П. Докл. АН СССР. 1979. - т.246, №6. - С. 1435-1439.

60. Ьее К.Е., Masso А.Н., Rudd D.F. // Ind. Eng. Chem. Fundament. 1970. v.9, №11. - p. 48.

61. Gruhn G., Hartman K. System Verfahrentechniscer // Bd. 2, Leipzig, VEB, Deutcher Verlag fur Grundstoffinolustrie, 1977, 186 p.

62. Островский Г.М., Шевченко А.Л. // ТОХТ. 1979. - т. 13, №3. - с. 426.

63. Т 69.0стровский Г.М., Зиятдинов H.H., Борисевич Т.В. Методы избыточныхструктурных параметров в задаче синтеза ХТС. // Тезисы докладов IV Международной конференции "КХТП IV - 94". -М., 1994. - С. 104-105.

64. Островский Г.М., Волин Ю.М., Сенявин М.М., Бережинский Г.А. // ТОХТ. 1994.-T.28.-c. 54.

65. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии. Основы стратегии. -М: Наука, 1979. 430 с.

66. Лабутин А.Н. Оптимизация многопродуктовых реакторных систем непрерывного типа. // Изв. ВУЗов. Химия и хим. технология. 1999, - т.42,4 вып.1.-С. 117-122.

67. Лабутин А.Н. Оперативное управление гибкой многопродуктовой реакторной системой. // Межвуз. сб. научн. тр. "Проблемы экономики, финансов и управления производством". Иваново, 1998. - вып.2. - с. 321-334.

68. Уилкинсон Р. Справочник алгоритмов на языке Алгол. Линейная алгебра. Пер. с англ. -М.: Машиностроение, 1976. 390 с.

69. Кафаров В.В., Ветохин В.Н., Бояринов А.И. Программирование и вычислительные методы в химии и химической технологии. -М.: Наука, 1972. -420 с

70. Федоренко Р.П. Введение в вычислительную физику. М.: Издательство московского физико-технического института, 1994. - 526 с.

71. Титов Н.И., Успенский В.К. Моделирование систем с запаздыванием. -Л.: Энергия, 1978.-96 с.

72. Швец В.Ф., Цивинский Д.Н. Кинетика реакции оксиэтилирования спиртов в бинарных смесях спирт-окись этилена. // Кинетика и катализ. 1981. - т. 22.-С. 1192.

73. Швец В.Ф., Цивинский Д.Н. Кинетика оксиэтилирования спиртов в избытке окиси этилена. // Химическая промышленность.- 1978. № 5. - С. 330.

74. Швец В.Ф., Цивинский Д.Н., Макаров М.Г. Состав продуктов реакции окиси этилена с первичными спиртами в избытке окиси этилена. // Химическая промышленность. 1978. - № 10. - С. 737.

75. Макаров М.Г., Швец В.Ф., Д.Н., Сучков Ю.П. // Химическая промышленность. 1987.-№ 2. - С. 77.

76. Швец В.Ф. Математическое моделирование и оптимизация в химической технологии./АСоровский образовательный журнал. 1998, №10. с. 149-154.

77. Иоффе B.C., Новикова Т.А. Производство этиленгликоля за рубежом. -М.: НИИТЭХИМ, 1980.-36с.

78. Weismantel G.E. New technology sparks ethylene glycol debate // Chem. Eng. -1979. V.86, №2. -p. 67-68, 70.

79. Bergman J. Nya framstaUningsprocesser for etylenglycol // Kem. Tidskr. — 1976. -V.88, №11. -p. 62-63.

80. Дымент O.H. и др. Гликоли и другие производные окисей этилена и пропилена. М.: Химия, 1976. - 230с.

81. Разработка комплексных схем процессов получения алкиленгликолей: Отчет о НИР/промежуточ./; Руководитель С.З. Левин. — №ГР 74006425; инв.№Б414230. Ленинград, 1974. 73с.

82. Ethylene oxide & glygols // Hydrocarbon Process. 1981. - V. 60, №1 - p. 161.

83. Ethylene oxide & glygols // Hydrocarbon Process. 1981. - V. 60, №11 -p. 162.

84. Ethylene oxide & glygols // Hydrocarbon Process. 1981. - V. 60, №1 -p. 163.

85. Natta G., Mantica E. The distribution of products in a series consecutive competitive reactions//J. AM. Chem. Soc. 1952. - V.74, №12. - p. 3152-3156

86. Potter C., McDonald W.C. // Can J. Research. 1947. - №258. - p. 415

87. Сталл Д., Вестарм Э., Зинке Г. Химическая термодинамика органических соединений. -М.: Мир, 1971.

88. Лабутин А.Н., Головушкин Б.А., Головушкин А.А., Гордеев Л.С. Исследование динамических характеристик адиабатических реакторов идеальноговытеснения. // Известия ВУЗов. Химия и хим. Технология. 1995. - т.38, вып. 1-2. — С. 164-169.

89. Шаргородский М.А., Гордеев Л.С., Грошев Г.Л., Лабутин А.Н. Моделирование кинетики реакции некаталитической гидратации оксида этилена. // Известия ВУЗов. Химия и хим. Технология. 1986. - т.29, вып. 10. - С. 136139.

90. Лебедев H.H., Савельянов В.П., Баранов Ю.И. О закономерностях в распределении окиси этилена при ее реакции со спиртами и водой и расчет состава образующихся продуктов. // ЖПХ. 1969. - т.42, №8. - С. 18151824.