автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Оптимизация отдельных технологических узлов установок каталитического риформинга и гидроочистки с применением графических моделей

На правах рукописи

Для служебного пользовании

Экземпляр № 1 ;) ^ | ^ ^ ^

РУДНЕВ НИКОЛАЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

ОПТИМИЗАЦИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УЗЛОВ УСТАНОВОК КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА И ГИДРООЧИСТКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГРАФИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Специальность

05.17.07 - Химическая технология топлива и высокоэнергетических веществ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени >

кандидата технических наук

Уфа - 2001

Работа выполнена

» Уфимском государственном нефишом техническом университет

11аучный рукоиодшель'

доктор технических наук. Абызмшьлнн Л.10.

Официальные онмоненгм:

докюр химических наук,

профессор Доломитов М Ю. доктор технических паук

профессор Мешалкни В.П. кандидат технических наук Быстроп Л 11

Ведущее предприятие - ООО Инженерный цешр

нефтехпмперерабогки «ШГГЕКО»

Зашша состоится 18 мая 2001 г. и 10 часов па заседании диссертационного совета Д 212.289.03 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете (УППУ)

(■'450062, Уфа, Космонавтов, I)

С диссеркшпеп можно ознакомиться в библиотеке УПП'У Лшорефсрат ранюшн оузеля 2001 года.

УченыП секроарь лпссер 1ПЦ1ЮНН01 о сове 1а докюр технических нттс.

Абдульминев К.1

, Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В связи с повышением потребности в высокооктановом бензине и ужесточением экологических требований к топливам, особый интерес представляет изучение действующих установок каталитического риформинга и гидроочисткп и поиск узких мест при работе данных процессов. Системы процессов каталитического риформинга и гидроочистки являются ге-терогеинокаталитическнми, многокомпонентными, динамическими системами н сопряжены со значительным числом элементарных реакций на границе раздела газовой и твердой фаз. Поэтому применение обычных методов оптимизации при переходе от отдельных стадий к системе аппаратов не всегда эффективно.

Поскольку решение многих задач носит нетривиальный характер, то для их решения необходимо разработать соответствующие методы и алгоритмы расчета и оптимизации отдельных узлов процессов каталитического риформинга и гидроочистки. Перспективно применение ранее разработанного в УГНТУ метода графических моделей для анализа химико-технологических процессов и широко известного объектно-ориентированного анализа сложных систем.

Цель работы. Построить математические и графические модели отдельных технологических узлов установок каталитического риформинга и гидроочистки для расчета и оптимизации режимных параметров химико-технологических процессов.

Основные задачи исследования. Применить метод графических моделей технологических процессов для расчетов и оптимизации узлов установок каталитического риформинга и гидроочистки.

Применить объектно-ориентированный анализ для моделирования, расчета и оптимизации технологических узлов установок каталитического риформинга и гидроочисткп.

Изучить возможность улучшения работы отдельных узлов на действующих установках каталитического риформнига и гидроочистки - ЖЕКСА и J1-35-11/1 ООО, АО'Башиефтехим".

Разработать алгоритмы и математическое описание, которые дают возможность оптимизировать работу отдельных технологических узлов установок каталитическою риформнига и гидроочистки выбором значений параметров без существенных капитальных за фат.

Научная иовизиа. Метод графических моделей предложено использовать для расчета к моделирования реакторного блока риформнига, что привело к созданию математической модели, включающей в себя гидродинамическую и кинетическую составляющие.

Объекгпо-ориентпрованпый анализ предложено использовать для оптимизации работы реактора гидроочистки дизельного топлива и компрессора, что позволило прогнозировав качество продукта на установке гидроочистки дизельного топлива и снизить затраты на эксплуатацию поршневого компрессора.

Метод графических моделей в сочетании с объектно-ориентированным анализом используется при анализе, расчете и моделировании химико-техполотческих процессов в pa3pa6oiaiuioii информационной системе для ЭВМ.

Практическая ценность. Резулиапл исследований способствуют получению пшроочищенного дизельного топлива с заданным содержанием ароматических углеводородов. Построенная математическая модель реактора гндро-очпстки дизельного топлива позволяет прогнозировать качество продукта на установке ЖЕКСА АО "Башнефтехим". Имеются документы о внедрении.

Улучшена рабога дожимного компрессора IC-2I I путем регулирования состава водоролсолержащего газа процесса каталитического риформнига на установке JB5-I I/I00Ü АО"Вашнефтехим" Пмеклся документы о внедрении.

Разработка и лицензирована в государственном peecipe РФ информационная снстсма для опшмизации технологических узлов установок кагалитиче-

ского риформинга к гидроочистки о использованием графических моделей и объектно-ориентированного анализа сложных систем.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- V международной научной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов", Уфа, УГНТУ, 21-22 июня, 1999.

- Международном научно-практическом семинаре «Передовые концепции экономики нефтехимических предприятий и совершенствование экономического образования в технологических и технических университетах России», Уфа, УГНТУ, 4-6 апреля, 2001.

- Ш научно-технической конференции, посвященной 70-летию Российского государственного университета нефти н газа имени И.М. Губкина "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России", Москва, 27-29 января, 1999.

- Ш Всероссийской конференции Молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России, посвященной 70-летию Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина "Новые технологии в газовой промышленности", Москва, 28-30 сентября, 1999.

Достоверность научных результатов подтверждена заключениями об опытно-промышленных пробегах на установках Л-35-11/1000 и "ЖЕКСА".

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 20 работ, в том числе 11 статей, 6 тезисов, 1 учебное пособие, получено 2 свидетельства на регистрацию программы для ЭВМ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, списка литературы и 16-ти приложений. Диссертация изложена на 189 страницах, содержит 42 рисунка, 16 таблиц, библиографию из 248 наименований, приложения па 40 страницах.

б

Содержание работы

Первая глава посвяшеиа изучению методов п алгоритмов анализа и синтеза химнко-гехнологических систем, а также современных информационных систем расчета, моделирования и оишмнзации химико-технологических процессов, которые используются для оптимизации процессов каталитического реформинга и гидроочисткн.

Химические основы каталитического риформинга были разработаны Зелинским Н.Д. и Ипатьевым В.il. Основа технологии отечественных процессов разработана ВННИнефгехимом (Маслянский Г.П., Бурсиан Н.Р.), а установки спроектированы ЛЕНГИПРОНЕФТЕХИМом.

Первые исследования гндрогеиизациониых процессов были проведены Ипатьевым В.Н. и Сабатье П. Большой вклад в нзучепие гндрогенизациоиных процессов внесли Зелинсыш Н.Д., Фаворский Л.Е., Лебедев C.B., сотрудники ВНИИ НИ, НПО ЛЕППЕФТЕХИМ и др.

В пашей стране важные исследования в области моделирования сложных химико-технологических систем проводились в РХТУ им. Менделеева, ИИФХИ им. Карпова, Новосибирском СО РАН.

Рассмотрены методы, применяемые для анализа химико-технологических систем, основанные на применении теории графов и топологии и методы декомпозиции сложных систем с использованием объектно-ориентированною анализа.

С точки зрения объектно-ориентпрованпого подхода, любая сложная сис-1ема - это совокупность объектов, каждый из коюрых может быть независим or других обьектов или взаимосвязан с ними. Общее поведение сложной системы определяется совокупным поведением объектов. По мнению Г. Буча, обьектио-ориентировапнын анализ - это методолошя, при которой требования к системе воспринимаются с точки зрения классов и объектов, выявленных в предметной области. Важным понятием в объектно-ориентнроваином подходе является -объектно-ориентированная модель (OÜM). ООМ - это классы и обьекты, свя-

заииые отношениями между ними. ООМ строится на основе принципов объектно-ориентированного анализа.

При системном подходе к анализу химико-технологических систем технологический процесс рассматривается в целом, а потом применяются методы декомпозиции. Основное отличие при использовании объектно-ориентированного анализа от системного видится в том, чго рассматривается поведение отдельного объекта, а сложная система и ее поведение определяются взаимодействием объектов.

Объектно-ориентированная концепция не применяется для анализа сложных химико-технологических систем, несмотря па то, что очень широко используется в программировании и во многих других областях знаний.

Использование объектно-ориентированного подхода для анализа н построения моделей может оказаться полезным с точки зрения оптимизации работы отдельных технологических узлов ХТП, а частности установок каталитического ркформннга л гидроочистки.

Проведен анализ существующего программного обеспечения для инже-иеров-химиков-технологов; установлено, что при разработке таких информационных систем мало используется графическая информация, заложенная в технологической схеме процесса,

Для ввода в компьютер технологических схем в компьютерных информационных системах обычно используется три подхода:

- ввод в компьютер технологической схемы любой сложности, при этом информационная система располагает библиотекой изображений аппаратов и некоторых узлов;

- в информационной системе уже имеется готовая схема процесса п нет возможности самостоятельно вносить изменения л изображение;

- информационная система автоматически синтезирует технологическую схему по заданию пользователя

Разрабатывать информационные системы, используя первый, наиболее универсальный подход, могут только достаточно крупные фирмы, поскольку

набор графических примитивов для изображения технологической схемы получается очень большой.

Метод графических моделей значительно упрощает изображение технологической схемы без потерн информационной насыщенности, что делает данный метод привлекательным для применения в информационных системах для ввода и хранения химико-технологических схем.

Объектно-ориентированный анализ и метод графических моделей просты и эффективны при анализе сложных систем и химико-технологических схем. Видится перспективным совместное использование этих двух методов для моделирования, расчета и оптимизации работы отдельных технологических узлов установок каталитического риформинга и пщроочистки.

Вторая глава посвящена методике построения информационной системы расчета для оптимизации отдельных технологических узлов установок каталитического риформинга и гидроочистки.

Анализ технологических схем процессов переработки углеводородного сырья с использованием графических моделей' позволяет изобразить схему любой сложности, используя минимальный набор графических объектов. При таком способе изображения технологическая схема любой сложности отображается графом с расположенными в узлах аппаратами. Для удобства чтения таких схем изображение графа претерпевает изменения, рис 1.

В данной работе было предложено использовать метод графических моделей для ввода изображения любых технологических схем в информационную систему.

При разработке информационной системы для моделирования, расчета и оптимизации химико-технологических систем применяется объектно-ориентированный анализ.

Для анализа предметной области, построения объектно-ориентированной

1 Абызгильдин А.Ю. Анализ технологических схем процессов переработки углеводородного сырья с использованием графических моделей: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Уфа, УГНТУ 1998.

технологической схемы и проектирования информационной системы применяется пакет CASE - средств объектно-ориентированного анализа, проектирования и программирования - Rational-Rose.

В качестве системы обозначений используется Unified Modeling Language (UML - унифицированный язык моделирования). При составлении информационной системы объектно-ориентированный подход был применен дважды:

- для анализа области исследования (технологического процесса);

- для проектирования информационной системы.

Любую сложную технологическую схему можно изобразить небольшим количеством графических примитивов, а в памяти ЭВМ необходимо создать объектную модель такой схемы. На начальном этапе была построена иерархия основных классов аппаратов, потоков и продуктов. Затем был построен сценарий взаимодействия между классами "технологический поток", "аппарат", "продукт", что представляет собой общую структуру хранения данных в программе. Каждая математическая модель аппарата представляет собой отдельный модуль и является объектом. Для повторного и многократного использования уже готовых методов расчета математические модели аппаратов объединяются в строгую иерархию классов. "Родителем" для всех классов математнче-

Рисунок 2 - Графическая модель процесса гидроочистки на установке Л-35-11/1000, АО «Башнефгехим»

ских моделей аппаратов является класс "ТМа^", который содержит общие поля для всех моделей и механизм взаимодействия с основной программой.

Совмещение объектно-ориентированного подхода и метода графических моделей позволяет построить модель химико-технологической системы. Разработанная информационная система позволяет строить графические модели любых технологических процессов, любой степени детализации (рис. 2).

Поэтапно была составлена информационная система - вМГР (графические модели технологических процессов).2 Разработанная информационная система моделирования технолошческих процессов обладает следующими функциональным к возможностями:

Информационная система является 32-разряднь.' •• приложением и функционирует под управлением ОС ^Мгккулг 98/МТ/2000. Программа "вМТР", авторское свидетельство № 990857. РОСПАТЕНТ

- для повторного и многократного использования уже готовых методов расчета математические модели аппаратов объединяются в строгую иерархию классов: пользователь сам может вводить новые методы расчета, что позволяет объединять водной информационной системе разносторонние математические описания;

- для задания свойств продуктов на схеме используется база данных компонентов;

- при составлении математической модели технологической схемы, содержащей несколько аппаратов, потоки в математической модели имеют параметры одинаковой размерности. Для этого был предусмотрен модуль пересчета всех параметров в стандартные параметры системы.

В третьей главе на основе метода графических моделей и объектпо-орнентнрованного анализа разрабатываются алгоритмы н методы расчета и оптимизации процессов каталитического риформинга и гидроочпстки.

Для того, чтобы рассчитать любой блок или аппарат на технологической схеме, необходимо знать входящие потоки. Если на технологической схеме есть рециклы, то задача по расчету аппарата, в который входит рецикловый поток, усложняется и расчет технологической схемы будет итерационным,

Предлагается новый алгоритм нахождения па схеме разрываемых потоков для составления последовательности расчета аппаратов и блоков на основе графических моделей.

На первом этапе строится графическая модель процесса. При построении графической модели определяются контуры и подсистемы на технологической схеме. Данная работа не требует знания теории графон или математических методов, заложенных в информационной системе, специалист исходит только из технологических основ процесса. Направление потока непосредственно на схеме не обозначается, но пользователь при построении графической модели, проводя линии, определяет направление потока Аппараты располагаются на потоках автоматически, с учетом направления потока. Для иллюстрации построения графической модели представлена упрощенная схема процесса гидроочпстки

бензина - секция 100 установки Л-35-11/1000 на Ново-Уфимском НПЗ (рис. 3) и графическая модель этого же процесса, построенная в информационной системе (рис. 4).

Рисунок 3 - Упрошенная схема гчдроочистки

Рисунок 4 - Упрощенная графическая модель гидроочистки

Предлагается следующий алгоритм разрыва потоков: 1. Каждый аппарат имеет хотя бы один входящий и один выходящий поток, назовем их условно "основными" для аппарата, они имеют индекс соответственно, 0 и 1. Потоки в аппарате реализованы в виде объектов, которые имеют

:сылку на аппарат (место ввода п вывода потока). Аппарат может иметь сколь-со угодно дополнительных входящих или выходящих потоков, их индексы в шпарате будут - 3, 4, 5, б ... Например (рис. 5), сепаратор С-101 имеет основной ¡ходящий поток из холодильника Х-101, основной выходящий поток - в тепло-)бменник Т-101 и дополнительный поток, направляемый в колонну ¡С-103.

2. Расчет аппаратов по схеме ведется последовательно, в соответствии с управлением технологических потоков по ссылкам п. 1. Расчет начинается с раницы установки, с основного технологического потока. Например (рис. 5), гервым рассчитывается фильтр Ф-101, затем емкость Е-113 и т.д.

3. Алгоритм обхода аппаратов реализован в виде рекурсии с несколькими »граничениями.

3.1. Если в аппарате два выходящих потока (основой и дополнительный), шедуюший аппарат для расчета будет на основном потоке, расчет аппарата на юполнительном потоке осуществляется позже. Например (рис. 5), после расче-а сепаратора С-101 рассчитываются аппараты Т-101, К-101, К-103, Т-102, и олько потом переходят к рециклу в колонну К-103, затем рассчитываются ап-гараты С-102, ПК-101.

3.2. Если у аппарата два входящих потока и по ходу решения вышли на шины и аппарат через дополнительный поток, то в этой точке решение прекра-цается, это и будет разрыв потока при расчете технологической схемы. Напри-тер (рис. 5), после расчета компрессора ПК-101, нужно было бы рассчитать ■зел смешения сырья и водородсодержащего газа М-4, но поскольку расчет того аппарата уже производился, то лишь переопределяем параметры допол-штельного входящего потока в тройник смешения М-4 и расчет в этой точке фекрашается. В соответствии с п.2, возвращаемся к расчету других аппаратов, I именно, от колонны К-103 к колонне К-104.

3.3. Когда все аппараты на схеме будут рассчитаны и раз, то мы либо еще 1аз рассчитываем всю схему, либо, если точность достигнутого решения нас 'довлетворяет, останавливаем расчет.

Для расчета схемы по аппаратам информационная система разрывает ледуюшие потоки (рис. 5):

после ПК-101; после Н-113; после С-104 перед К-103; после Н-107 перед К-104; после Э-150 перед С-104; после П-104 в К-104;

верхнее циркуляционное орошение в К-101,

Рисунок 5 - Графическая модель процесса гидроочнсгки с указанием точек разрыва потоков

Структурный анализ, представленный в данной главе, позволяет рассчитать схему в статическом режиме.

Задача оптимизации технологического узла сводится к поиску значений варьируемых параметров на технологической схеме, при которых критерий оптимизации наиболее близок к желаемому значению. В качестве варьируемых параметров выбираются независимые переменные - условия протекаиня технологического режима, параметры сырьевых и вспомогательных потоков схемы, параметры аппаратов. В качестве критерия оптимизации выбираются зависимые переменные, выходные параметры и т.д.

Параметры математической модели хранятся в каждом объекте на схеме отдельно друг от друга, выбор и изменение переменных осуществляется нря-

мым обращением к математической модели. Была использована одна из возможностей объектно-ориентиропапноп коинепиии - типизация, а также доступ к информации о типах переменных на этапе исполнения программы.

Реализованные п информационной системе алгоритмы структурного анализа и оптимизации далее были использованы для решения практических задач расчета и оптимизации.

В четвертой главе изложены решения задач по оптимизации некоторых уз-пав установок каталитического риформинга и гндроочисгки: оптимизация работы поршневого компрессора реакторного блока каталитического риформинга, прогнозирование качества и состава продукта установки гидроочистки ди-(елыюго топлива и расчет гидравлического сопротивления реакторных блоков звух установок каталитического риформинга, построение математической мотели реакторного блока каталитического риформинга.

Оптимизация работы поршневого компрессора. Одной из проблем на установке каталитического риформинга Л-35-11/1 ООО АО "Башнефгехнм", свя-!ан1шй с работой компрессоров, является недопустимый уровень вибрации сомпрессора К-211А,В для подачи водородсодержащего газа в сепаратор ,н де-:орбшш углеводородов С5-С6.

При решении данной задачи критерием оптимизации был выбран уровень шбрацни компрессора, желательное значение критерия - отсутствие вибрации. >ыло замечено, что изменение состава компремируемого газа ведет к измеие-пио вибрации. Возможным решением но снижению вибрации компрессоров шляется нахождение оптимального состава сжимаемого водородсодержащего аза. Была построена математическая модель компрессора.

Для расчета коэффициента сжимаемости пеидеадьной углеводородной меси, характерной для процесса каталитического риформинга, в раб<)1е были юснедовательно реализованы несколько методов' Ли-Кесдера, Редлиха-Квопга, Гоаве-Редлпха-Квопга Эти методы были использованы при расчете п опгпмн-

зашш работы поршневого компрессора и реализованы в информационной системе.

Были получены следующие результаты: при увеличении содержания углеводородов С¡-С„ мощность на валу и вибрация компрессора возрастают, при увеличении количества водорода мощность на валу и вибрация компрессора также возрастают.

По результатам расчетов сделан вывод, что при данном режиме технологического процесса необходимо поддерживать содержание водорода в газе, идущем на компремирование, в пределах 76-79 % объемных.

Результаты расчетов и подбор оптимальных параметров позволили снизить вибрацию компрессора на 15-25% и соответственно увеличить межремонтный пробег поршневых компрессоров К-211/А,В.

Прогнозирование работы реактора гидроочистки дизельного топлива. На комбинированной установке ЖЕКСА АО «Башнефте-хим» был произведен ряд реконструкций, в результате которых стало возможным получать дизельное топливо, отвечающее самым жестким экологическим требованиям по содержанию серы и ароматических углеводородов. Схема потоков в реакторе представлена на рисунке 7.

Колебание качественных характеристик сырья и режимных параметров процесса не позволяет предсказывать содержание сернистых соединений и, особенно, ароматических углеводородов в продукте. Проведение анализов на содержание сернистых соединений и ароматических углеводородов требует времени, и поэтому скорректировать процесс для получения продукта нужного качества удается только через несколько дней. Для прогнозирования работы реактора и получения продукта с нужными харак-

■0" Сырье

^ Продукт

Рисунок 7 - Схема потоков в реакторе пшроочисткн с промежуточной подачей холодного водорода в среднюю часть реактора

теристиками в зависимости от состава сырья и параметров процесса, составлена математическая модель процесса гидроочистки дизельного топлива.

При реализации модели гидроочистки в информационной системе использовался объектно-ориентированный подход для анализа сложных систем. Это позволило подставлять любые параметры модели в алгоритм оптимизации без дополнительных изменений в алгоритмах. При разработке математической модели была решена обратная задача химической кинетики, найдены следующие кинетические характеристики: предэкспоиенциальные множители, порядки реакций по водороду, тепловые эффекты реакций, энергии активации. В качестве начальных приближений функции (1) были взяты литературные данные.

Г(к01, Пи,, &Н „ ЕаюЯ1) (1)

Была предложена следующая схема превращений групповых компонентов сырья

/« <- Ш + . (2)

Аг + КгНг —> нафтены ЭТ , (3)

парафины ОТ + Нг ~ -> продукты гидрокрекинга , (4)

нафтены ОТ -» Аг ^ иог#2 . (5)

где, Л5 - соединения серы; Аг - ароматические углеводороды; ОТ - фракция дизельного топлива; уаг, - эффективные коэффициенты водорода в реакциях гидроочистки, гидрирования ароматических углеводородов и частичного гидрокрекинга фракции дизельного топлива. На основании закона действующих масс имеем уравнение макрокинетики реакции (2-5):

(6)

где, Ш/ - скорость реакции, кмоль-ч"'; к», - эффективный предэкспоненци-альный множитель ыЧ реакции, кмоль ч'1 Па'2; /;, - эффективная энергия активации /'-й реакции, кДж/моль; Т - температура. К; - парциальное давление

/-го исходного вещества, Па; - параиалыюе давление водорода. Па; л,, г -эффективные порядки реакций поу-му исходному веществу и водороду.

Поскольку в реакторе используется двухслойная каталитическая система, то эффективные кинетические характеристики в слоях катализатора могут различаться. Слой катализатора был представлен как реактор идеального вытеснения без теплообмена с окружающей средой. Поток в реакторе однофазный, концентрация и температура смеси по высоте слоя постоянны. Между слоями катализатора в камере идеального смешения в реакционную смесь добавляется холодный квепч. Математическая модель слоя катализатора представляет систему дифференциальных уравнений материального и теплового балансов типа

о

где, к] - эффективная константа скорости) реакции в которой участвует / компонент, кмольч"'; ДЯУ-тепловой эффект) реакции, кДж/моль.

Для нахождения параметров математической модели гидроочистки использовался алгоритм оптимизации, описанный в главе 3..Данная математическая модель может быть использована при анализе одно- и двухстадийных процессов гидроочистки различного углеводородного сырья.

В результате промышленных испытаний показапо, что при регулировании технологического режима установки по данным расчетов, качество получаемого продукта отличается от расчетного качества, в среднем, на 6%.

Расчет гиОртпичеашх сопротивлений реакторных блоков каталитического риформчпга. В большинстве случаев расчет гидравлического сопротивления аппаратов и систем трубопроводов действующих производств требуется для определения мощностей иасосно-компрессорного оборудования при изменении расходов. Был произведен расчет гидравлического сопротивления реакторной системы в целом н расчет производительности компрессора циркуляции водородсодержашего газа на установках каталитического риформинга Л-35-11/1000 и ЖЕКСА па АСУБаншефтехнм". Математическая модель системы была получена комбинированием уже имеющихся математических моделей от-

дельных аппаратов. Для решения данной задачи был использован алгоритм структурного анализа технологической схемы, разработанный на основе графи-

8 CL

Рисунок 8 - Графическая модель реакторного блока каталитического рнфор-мпнга установки Л-35-11/1000

ческих моделей и подробно списанный в главе 3. Для структурного анализа и расчета гидравлического сопротивления реакторных блоков была построена графическая модель, представленная па рисунке 8.

Таблица 1 '

Результаты расчета гидравлического сопротивления

реакторных блоков риформинга

№№ варианта Реакторы Компрессор

R-202 R-203 R-204 Давление вса-са, Г1а ДР на К-201, fia Ампера ж компрессора, А Мощность, КВт

Реконструкция d Р. Па Реконструкция âP, fia Реконструкция Л P. m

Л-35-11/1000

1 Нет -17385 Пет -20666 Пет -16075 1132243 632963 421 2527

2* Да -40443 Нет -20666 Нет -16075 1109185 656021 <142 2651

3 Да -40443 Да -49764 Нет -16075 1080037 685119 469 2811

4 Да -40443 Да -49764 Да -47175 1048987 716219 498 2989

ЖЕКСА

1- Нет -25446 Мет -20745 [1er -16259 2124019 621857 508 3047

2 Да -52374 Нет -20745 Нет -16259 2097090 648786 534 3203

3 Да -52374 Да -50880 Пег -16259 2066955 678921 563 3381

4 Да -52374 Да -50880 Да -48918 2034297 711579 596 3577

Примечание: * - в настоящее время

По результатам расчета представленным в таблице I можно сделать вывод, что после планируемой реконструкции реакторов каталитического рифор-мпнга гидравлическое сопротивление реакторных блоков возрастет на 70 К Па и мощности циркуляционных компрессоров будет достаточно для работы в новых условиях.

Математическое моделирование процесса каталитического риформин-га. Разработка математического описания процесса каталитического риформлига представляет большой интерес для выбора оптимальных режимов ведения процесса и повышения экономических показателей производства.

Для построения математической модели процесса каталитического ри-форминга требуется решение обратной задачи химической кинетики. Для многокомпонентных углеводородных смесей сложного состава (при числе компонентов 9-10) получить однозначное и статистически достоверное решение практически невозможно из-за слишком большого числа требуемых экспериментов. Для построения модели из литературных источников были обобщены данные о кинетических параметрах реакций углеводородов и теоретических зависимостях от условий процесса. После построения математической модели по литературным данным была проанализирована работа реального процесса на установке Л-35-1 1/1000. Практические данные позволили уточнить уже полученную модель. За основу кинетической модели предлагается принять механизм взаимных превращений углеводородов,представленный на рисунке 9:

Рисунок 9 - Схема взаимных превращений углеводородов в процессе каталитического риформиига

Г - газообразные углеводороды С1-С4;

и-П - нормальные парафины;

Нб - шестнчленные нафтены;

А - ароматические углеводороды;

Н5 - пягтнчленные нафтены;

и-П - изопарафины,

ГИД - полнииклическне углеводороды

В качестве уравнения кинешки предлагается:

(О - А0ехр(-£7RT) ■ Р[} ■ Р[{\ -КЛ (9)

де, а) - скорость реакции, кмоль-ч'1; к„ - эффективный нредэксноненпнальный шожитель, кмоль-ч'1 Па'2; Е - эффективная энергия активации, кДж/моль; 7 -емнература, К; 1\, - парциальное давление исходного вещества. Па; -

шрциальиое давление водорода. Па; /•/, гг - эффективные порядки реакции по [сходному веществу и водороду; КА - коэффициент активности каталпзашра.

Дифференциальные уравнения материального п теплового балансов, а акже принятые допущения при построении модели были реализованы аиало-114HO математической модели гидроочисткн. В результате была получена ип-егрированная модель реактора каталнтт1ческого рпформинга, включающая в :ебя кинетическую и гидродинамическую составляющие. Построенная магема-ическая модель процесса каталитического рнформппга имеет спои особенного], которые связаны со значениями кинетических параметров, характерных щя реииевого катализатора и схемой образования полпароматнчеекпх углево-юродов.

Математическая модель всего реакторного блока была получена комбн-шроваиием уже имеющихся математических моделей отдельных аппаратов, и еперь построенная гра(|шческая модель (рис.8) содержит математические мотели реакторов, позволяющие рассчитать не только гидравлическое сопротив-leime системы, но и состав продуктов реакции в зависимости ог состава сырья I параметров режима процесса.

Основные резулыяты работы

I. Разработан новый алгоритм структурного анализа и составления после-ювательностн расчета 1ехпологнческой схемы. D основе данного алгоритма 1ежит метод графических моделей Метод структурного анализа использовался щя расчета гидравлического сопротивления реакторных блоков каьинппческо-

го риформипга. Разработанный алгоритм структурного анализа при расчете использует информацию, заложенную в изображении схемы.

2. Объектно-ориентированный подход для анализа сложных систем был исполь'зован применительно к технологическим схемам и построению математических моделей. Данный подход был использован при расчете поршневого компрессора и составления математической модели процесса гидроочистки дизельного топлива.

3. Метод графических моделей и объектно-ориентированный анализ были использованы для разработки интегрированной математической модели процесса каталитического риформипга.

4. Все методики н алгоритмы расчета, описанные в работе, были реализованы в одной информационной системе для ЭВМ - "GMTP".

5. Оптимизирована работа поршневого компрессора па установке Л-35-11/1000 путем выбора соответствующего состава водородсодержащего газа, идущего па компремирование, исходя из термодинамических основ процесса сжатия. Критерием оптимальности была выбрана минимальная вибрация компрессора. Имеются документы о внедрении.

6. Разработана математическая модель реактора гидроочистки дизельного топлива, позволяющая прогнозировать содержание серы и ароматических углеводородов в продуктах гидроочистки. Имеются документы о внедрении.

Сппсок публикаций по теме диссертации

1. Абызгильдии А. 10, Альмухаметов A.A., Канавин Ю.А., Руднев H.A. Разработка технического гена - графической модели технологического процесса // Нефтепереработка и нефтехимия, №7, Москва, 1998, с. 70-71,

2. Абызгильдии А.Ю., Альмухаметов A.A., Руднев H.A. Новые принципы изображения технологических схем для разработки графического интерфейса программ // Материалы Iii научно-техническая конференции, посвященной 70-летию Российского государственного университета нефти и газа имени И.М.

Губкина, "Актуальные проблемы состояния п развшня нефюаюпон) комилек-га России", Москва, 27-29 января, 1999.

3 A.c. №990857 об официальной репарации программ для ЭВМ, Абыз-нльднн А.10., Руднев H.A. Программа "GM'1'P" // ФИПС- M.. 1жш. №1, 2000.-)5 с.

4. Руднев H.A., Мунироп АЛО., Шарафугдинов U.M., Абьшильдип АЛО. Збьекмю-ориеишроваииыи анализ технологической схемы процесса рпфор-ншга // Материалы V международной научной конференция!! "Методы кнбер-(етики хнмико-технологическпх процессов", Уфа, УП1ТУ, 21-22 нюня, 1999.

5. Муниров АЛО., Шарафутдинов Ü.M., Руднев H.A., Абызгильдин АЛО. 'асчет критерия эффективности работы реактора рнформннга Л Гам же.

6 Руднев H.A., Муниров АЛО., Шарафугдинов ИМ., Абызгильдин АЛО. штоматнзация гидравлического расчета реакторов рнформнпга // Там же

7. Абызгильдин АЛО., Руднев H.A. Основные ншы графических моделей нлрокрекннга // Материалы III Всероссийской конференции молодых ученых, нециалнстов и студентов по проблемам газовой промышленности России, но-mueunoii 70-лепио Российского государственного университет неф си и газа меии И.М. Губкина, "Новые технологии в гаю вой промышленности", Москва, 5-30 сентября, 1999.

8. Абызгильдин АЛО., Руднев 1-1.А. Обьектио - ориентированный анализ апологических схем // Миериалы 50 научно-технической конференции erv-îinoo аспирантов и молодых ученых, изд. УПП'У, 1999

9. Абызгильдин АЛО., Мунироп АЛО, Руднев H.A., Альмухаметов А А. )афнческне модели технологических схем комплекса Л-35-11/1000 // Сб. иауч. . Комплекс Л-35-11/1000 - стабильность и надежность, путь в новое тысяче-гие, Уфа: Изд-во УП1ТУ, 1999. - С. 10-12

10. Муниров АЛО., Шпрафугдшюв U.M., АСыниньдип АЛО., Руднев H.A. счет гидравлического сопротивления радиальных реакторов рнформинга /'/ м же. - С. 28-3 i.

11. Руднев H.A., Муниров АЛО, ШарафУшигав U.M., Абызгильдин A JO иоматизания гидравлического расчет реакторов рнформинга ■>' Там же -32-33.

12. Мупиров А.10, Сафин Р.Ю., Шарафутдипов Ü.M., Руднев H.A. Построение профиля радиальных скоростей для оценки эффективности работы радиального реактора рнформпнга// Там же. - С. 34-35.

13. Муинров А Ю , Валиахметов Ф.М., Сафнн Р.10., Сахаров В.Д., Нигма-туллнпа Ф.Б , Руднев М Л. Пути снижения затрат на производство продукции установки Л-35-! 1/100Ü // Там же. - С. 52-53.

14. Муипров МО., Вшшахметов Ф.М., Гарипов М.М., Руднев H.A. Автоматизация коррекции температуры в реакторах рнформпнга Н Там же. -С. 66-67.

15. Халмапскнх 11.В., Муипров А.Ю., Валиахметов Ф.М., Гарипов М.М., Руднев H.A. Контроль материального баланса установки рнформпнга // Там же. - С. 67-68.

16. Руднев H.A., Мупиров А 10., Абызгильдии А.Ю. Основные типы графических моделей техноло! ических схем процесса рнформпнга // Там же. -С. 78-79.

17. Абызгильдии А.Ю, Руднев H.A., Адьмухамеюв A.A. Обьектно-ориентнропанныи аиачиз технологической схемы процесса рнформпнга И Там же. - С. 85.

18. Мупиров А.10., Шарафутдипов И.М., Руднев H.A., Абызгильдии А.Ю. Расчет критерия эффект в иости работы реактора риформиша // Там же. -С. 26-27.

19. A.c. №2000611224 об официальной регистрации программ для ЭВМ, Руднев H.A., Абызпшьдпна М.Ю. Программа "DFP EXPERT" // ФНПС,- М.: ¡иол. №1,2001.- 17 с.

20. Графические модели процессов переработки нефти и газа : Учебное пособие для вузов / А.Ю Абызгильдии, H.A. Руднев, A.A. Гуреев, М.Ю. Абыз-i njibflinia; Под ред ЮМ. Абызпшьдпна. - М.: «Химия», 2001. - 122 с.

ConcKaiejib: П ¿У Руднев H.A.

Лишили ЛР № 020267 сг 22.11.96. Подписано к пешл 10,0-1.2001 г. Форма! бумаг» 60x84 1/16. Пума!3 пчечзя. Печать офсетная. Печ. листов 1,5. Тираж 90 экз. Заказ 13.

Типография Уфимского государственного нефтяною технического университета. 450062, г Уфа, ул Космонавтов, 1.

работе использованы: аналитический метод теории теплопроводности, преобразующий исходную область к области с движущимися границами; задача о пористом охлаждепни плоской стенки решается исходя о допущении однотемпературной модели с применением уравнения теплопроводности , результатом которого являются интегральные уравнения Вольтерра; численный метод Мак - Кор мака ( конечные разности ) и апробированная вычислительная среда " МаШ1аЬ ".

Адекватность математических моделей подтверждается удовлетворительным согласованием с экспериментальными данными других авторов.

Практическая значимость и реализация результатов.

Результаты диссертационного исследования дают возможность :

¡.Моделировать эффективность охлаждения теплонапряженных элементов энергоустановок на основе аиалитико - численного решения уравнений переноса тепла в пористых телах с различной геометрией и с учетом коэффициента межфазной теплоотдачи , что позволяет на стадии проектирования более точно прогнозировать работоспособность пористых элементов систем охлаждения с учетом оптимального расхода охладителя .

2.0ценивать рациональность применения одно - и двухтемпературных моделей пористого охлаждения при моделировании нестационарных тепловых состояний пористых компактных теплообменников .

3.Применять разработанные в диссертации методы при расчете охлаждения участка камеры теплового ракетного двигателя, использующего вдув с пористой поверхности как защиту массопереносом.

Разработанные методы решения и математические модели используются в проектной и расчетной практике ОАО "Воронежпресс" (г. Воронеж ).

Материалы диссертации внедрены и используются в учебном процессе кафедры промышленной теплоэнергетики при чтении курса "Техническая термодинамика " в Воронежском государственном техническом университете.

Апробация работы. Материалы н результаты, выполненных по теме диссертации исследовании докладывались и обсуждались на молодежной научной конференции " Гагаринские чтения "(Москва 1997, 1999); Региональном межвузовском семинаре Центрально - Черноземного региона "Процессы теплообмена в энергомашиностроении "( Воронеж , 1996 - 2000 ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 110 страницах и состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы из 97 наименований. Работа содержит 30 рисунков и 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, характеризуется научная новизна и практическая значимость полученных результатов, излагаются основные положения, используемые в диссертации.

Первая глава посвящена исследованию состояния вопроса по проблеме тепловой защиты энергонапряженных поверхностей, приводятся сведения о моделях, описывающих процессы тепломассопереноса в пористых структурах, сформулированы выводы по обзору литературных источников, цель и задачи настоящего диссертационного исследования.

Во второй главе представлено моделирование нестационарного теплопереноса через плоскую пористую стенку. Приводится метод решения нестационарной одномерной задачи пористого охлаждения, основанной на одноконтинуальной модели, позволяющий определять оптимальный тепловой режим пористой стенки при внезапном интенсивном нагреве, характерном для высокоинпульсиых энергоустановок (тепловых ракетных двигателей). Постановка математической модели пористого охлаждения выгляди г следующим образом :

дифференциальное уравнение для линейного потока тепла при отсутствии тепловых источников внутри пластины может быть записано в виде:

д'Г гг дТ _ дТ Гранич вые условия (рис. 1):

—Г(Ъ,1)=М[Т(0,[)-Т„\ t>0

(2)

дх д_ дх

0<х<3 , (3)

здесь М Л=—.

Л* А*

Проведем замену переменных: з~х-а2\М( /)<й,

о

1 = 1, (4)

и(х,[)=Т(х, 0-7„ Получим систему (1-3) в новых переменных :

гдЮ ди ди. ,„, _ , ,„„ диг ,,„ „ ч а2—— = —г-, —. по х=-а2\МЦ)&, —1 = -У,) по дх1 Ы Ш 1 | дх 4 ' г/

, У (3с,0) = 0, здесь У,

(5)

Рис.1. Изменение температуры поперек плоской пористой стенки

После преобразований получим систему интегральных уравнений, которая определяет значения У,(Л/,£)и из{М,1) при условии постоянства расхода охладителя.

Режим течения охладителя для поддержания допустимого теплового состояния пористой стенки определяется при условиях

Р~

КТ

т

т

\ о /

При этом применим формулу фильтрации в виде

£>" =---,

/и а*

где п=1 - закон Дарси, п=2 - турбулентная фильтрация, басоне!. Проинтегрируем левую часть (7) от Р1 до Р2, а правую от 0 до 5, получим

(6) (7)

С„ =

(и+1)«сг}г~(х)<&

Величина расхода определится из выражения

(8)

О" =

кт;{РГ~РГ)

С„в~ + Л^к.

+ Т

(¡X

(9)

На рис. 2 представлены кривые, отражающие изменения температуры поверхностей стенки и соответствующего расхода охладителя относительно времени работы системы охлаждения.

Система уравнений в безразмерном виде представлена в следующих величинах

Ро = а2ГI5\В1 -М8,9( =ы, /и,.

(10)

Величина шага по числу Фурье составила 0,002. Контроль точности велся по

Зависимости Ц8} и g построены для случая линейной фильтрации в диапазоне чисел Фурье от 0 до 5 при различных значениях безразмерных параметров : = ГСЖ/(Г,-Г„).Ф = кТ0"{Р;-Р^К^КЛ^).

При выполнении численного расчета предполагалось , что число Био остается постоянный при изменении величины g> хотя это искажает истинную зависимость $ от § ввиду взаимного влияния а и 0„.

Число Био должно определяться в каждой вычислении для й, которое вычисляется но формуле :

е = (11)

Рис. 2. Зависимость безразмерных относительных температур пористой стенки от приведенного расхода и числа Фурье

На рис.2 проиллюстрировано падение относительной температуры горячей стенки при увеличении безразмерного расхода, при котором не учитывалось тепловое взаимодействие между твердой внутренней поверхностью и фильтрующимся охладителем. Учету этого важного обстоятельства - процесса межфазной теплоотдачи - посвящена следующая глава диссертации.

В третьей главе строится решение двухтемпературной, нестационарной

двумерной задачи пористого охлаждения в предположении постоянства теплофизических коэффициентов переноса, основанное начисленном иетоде Мак-Корыака. Проводится вычислительный эксперимент, показывающий хорошую применимость разработанного метода к расчету теплового состояния пористого элемента с учетом разности температур матрицы и охладителя. Кроме того, имеется удовлетворительное согласование с экспериментальными данными других авторов.

Заполнение теплообменного тракта пористым высокотеплопроводным материалом с малым термическим сопротивлением между стенкой и пористым металлом максимально интенсифицирует теплообмен, при этом резко возрастает гидравлическое сопротивление, что сдерживает применение этого метода в системе регенеративного охлаждения жидкостного ракетного двигателя (ЖРД). Для уменьшения потерь давления приходится уменьшать скорость движения охладителя в пористой материале , что снижает интенсификацию теплообмена и повышает массу и габариты тракта. Уменьшить потери давления в системе охлаждения, не изменяя габаритных размеров теплообменного тракта возможно при переходе от продольно -канального к ыежканальноыу (продольно-поперечному) движению теплоносителя через ПМ (рис.3).

При построении математической модели приняты следующие допущения :

1)пористая матрица является изотропной и недеформируемой средой с одинаковыми коэффициентом объемной пористости, проницаемостью пористой среды и теплофнзическнин характеристиками;

2)охладнтель просачивается с постоянным расходом и не претерпевает фазовых превращений внутри матрицы;

3)теплофизические свойства охладителя постоянны и равны средним значениям в рассматриваемом интервале температур;

4)коэффицнент внутреннего теплообмена постоянен в любой точке порового пространства и имеет конечную величину.

Распределение температур каркаса 7 и охладителя В в общем случае определятся системой уравнений (12) - (13) :

(12)

(13)

о

Течение охладителя в пористой матрице достаточно точно описывается законом (7).

В настоящее время накоплен экспериментальный материал для определения ку,

Ш =0,004 Ле-Рг

(14)

м:

(И.

и С

' С>1 о.

гдеМ=-^-, Яе =—1-, Рг =

К <"« Л

Система дифференциальных уравнений (12-13) решалась численно в области, представленной нарис. 3.

к

6 4=0

=0

А В С 0 X

ттт

ПТ

Подвод теплоты осуществляется с внешней стороны непроницаемой поверхности ЕР. Боковые стенки и перегородка нетеплопроводны. Подвод охладителя осуществляется через входной коллектор СО, отвод - через выходной АВ.

Для численной дискретизации применялся метод конечных разностей, в частности, схема Мак-Кормака - явный, абсолютно устойчивый метод. Расчет велся в два этапа: расчет предиктора и корректора. Проведено исследование температурного поля пористого элемента толщиной 5 мм. В качестве охладителя использовалась вода. На нагреваемой поверхности ЕР были заданы граничные условия 1-го рода. . Тем пера-тура нагрева составляла 100 °С. Перепад давлений на образце составил 2 бар. Распределение давления внутри элемента определялось на основе экспериментальных работ. Результаты расчета представлены на рис. 4 и 5.

Рис. 3. Физическая область течения

и г-ь- 1

1

ЧЙГ

-65 ^4—65— 1 ;л

-53 I 1

45- -43-

ь 1 — »—

4- 1 1 10—

—э о—

н'

1

6 7 8 »10

Т1

в)

1г

45 1

— 4 -

30— о-

1

Т2

б)

6 7 8 »10

Рис.4. Распределение температуры внутри пористого элемента (а - температура матрицы; б - температура охладителя) через 0,01 с после начала прогрева

8 9 10

а)

б)

Рис.5. Распределение температуры внутри пористого элемента (а - температура матрицы; б - температура охладителя) через 0,04 с после начала прогрева

Анализ динамики процесса позволяет сделать следующие выводы. Вначале прогрева наблюдается существенное различие между температурой мат-

При расчёте основных параметров камеры двигателя принималось упрощающее предположение о том, что потери удельного импульса не сильно зависят от таких явлений как рассеивание, неравномерность распределения давления по поперечному сечепию, технологические искажения контура сопла, конечность скорости устанавливаемого физико-химического равновесия в потоке и т. д. Это позволило ценой, возможно, более неточного расчёта избежать его повторения при итерациях (при определения безразмерного коэффициента потерь удельного импульса из-за рассеивания).

6. Практическая реализация разработанных в диссертации математических моделей положена в основу расчета пористого компактного теплообменника как единичного элемента системы охлаждения энергоустановки. Проведено моделирование и оптимизация охлаждения пористых стенок нз различных материалов, находящихся при разных условиях нагрева. Принимая во внимание различные допускаемые температуры материалов, наименьшие потребные расходы обеспечивает применение пористого нихрома, затем материала из бронзы ( расход на 30 процентов меньше ) и стальной сетки. Окончательное решение о выгодности применения материала требует дополнительных данных о прочностных качествах, условиях крепления .

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.Калинин В.В. Численное моделирование теплообмена в полуобратной задаче пористого охлаждения / В.В. Калинин, C.B. Фалеев, С.И. Батищев // Теплоэнергетика : Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж : ВГТУ, 1997. С. 31-35.

2. Калинин В.В. О полуобратвом методе изотермической миграции в двумерном пористом пространстве / В.В. Калинин, C.B. ФалеевУ/Процессы теплообмена в энергомашиностроении: Материалы регион, межвуз. семинара: Воронеж: ВГТУ, 1996. С. 7-8.

3. Калинин В.В. Метод изотермической миграции в исследованиях теллонапряженности пористых элементов в конструкции ЖРД /В.В. Калинин, С.И. Батищев, C.B. Фалеев //23 Гагаринские чтения: Тез. докл. Всерос. молод, науч. конф. М.: РГТУ-МАТИ, 1997. Ч. 2. С. 96.

4. Фалеев C.B. Особенности решения полуобратной задачи пористого охлаждения / C.B. Фалеев, В.В. Калинин.//24 Гагаринские чтения: Тез. докл. Всерос. молод, науч. конф. М.: РГТУ-МАТИ, 1999. С.56.

5. Калинин В.В. Расчет двухтеипературной модели охлаждения пористого теплообменного элемента / В.В. Калинин, C.B. Фалеев, Д.А. Коновалов, //

аэродинамика, механика и технология машиностроения . Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж :ВГТУ, 2000. С. 268-273 .

ЛР № 066815 от 25.08.99 г. Подписано в печать « 28 » марта 2001. Формат 60 х84 /16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л 1,0. Тираж 45 экз. Заказ № ^ . Наряд - заказ №

Издательство

Воронежского государственного технического университета

394026 Воронеж, Московский просп., 14