автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Оптимизация процесса и математическое моделирование тонкой очистки коксового газа от диоксида углерода водным раствором едкого натра

4

I

На правах рукописи

Бедицкий Анатолий Гавриилович

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕСС А И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИГОВАНИЕ ТОНКОЙ ОЧИСТКИ КОКСОВОГО ГАЗА ОТ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ВОДНЫМ РАСТВОРОМ ЕДКОГО НАТРА

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов -1998 г.

г

Работа выполнена на кафедре химической технологии Липеш государственного технического университета.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: Заслуженный работник высшей школы

доктор технических наук, профессор Филоненко Юрий Яковлевич

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор технических наук, профессор Попов Николай Сергеевич доктор технических наук, профессор Красовицкий Юрий Владимирович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Институт горючих ископаемых (Моек

Защита состоится " г. в " / 9 " ч. " Зс> мш

ауд. № 1 £ ¿У на заседании диссертационного совета по присуждению уче! степени кандидата технических наук К064.20.01 при Тамбове! государственном техническом университете по адресу: 392620, г. Тамбов, Ленинградская, 1.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных гербовой печат! просим направлять по адресу: 392620, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТП Диссертационный совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тамбовского государствен» технического университета.

Автореферат разослан " ^^ " 1998 г.

диссертационного совета доцент В.М. Нечае

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. При работе технологических линий агрегата тонкой очистки коксового газа на азотно-туковых производствах имеет место несоответствие параметров действующего в настоящее время агрегата тонкой очистки коксового газа от С02 водным раствором едкого натра современным экологическим и экономическим требованиям. Вместе с тем, исследование химико-технологических процессов позволяет с помощью вычислительной техники и современных математических методов оптимизировать управление технологическими режимами промышленных установок, планировать использование энергоресурсов, получать более полную и своевременную информацию об объекте управления, снизить потери рабочего времени, материалов и энергии, уменьшить

плллтлт» лЙлттлпвомп г» ит»тттюлттзл ппатшсту иIтйплглв т> легтгач) 1лт\пл л»гчатт\? гг/"\-

ЕЫСНТЬ рНТ?«1ПКОСТЬ ПрОПЗБОДС^» К С^1Ц2СтВСНтЮ*1у плоЧ!ПРЧ"ТЛ лгКЛргттIоилгти

производства и управления ведут и те мероприятия, которые проводятся при внедрении АСУ, в т.ч. совершенствование систем контроля.

Для решения поставленных в диссертации задач моделирования и оптимизации хемосорбционного процесса тонкой очистки коксового газа от С02 водным раствором едкого натра использовалась стратегия исследований, основанная на системном анализе, где в качестве методов исследования применяются математическое моделирование и идентификация моделей. Основным принципом исследования является декомпозиция сложной системы на более простые подсистемы. В этом случае математическая модель системы строится по блочному принципу: общач модель подразделяется на блоки, которым можно дать сравнительно простые математические описания, которые на заключительном этапе, с учетом взаимосвязей, объединяют в общую математическую модель.

Цель работы. Исследование промышленной абсорбционной установки поглощения С02 из коксового газа водным раствором ^7аОН для определения оптимальных режимов проведения данного процесса.

Задачи исследования:

- построение математической модели многостадийного хемосорбционного процесса тонкой очистки коксового газа от С02 водным раствором едкого натра;

- разработка методики анализа промышленной абсорбционной установки тонкой очистки коксового газа от С02 водным раствором едкого натра для выявления параметров, необходимых для составления математической модели процесса;

- внедрение методов, алгоритмов и программ в АСУТ11 азотно-тукового производства АО "НЛМК".

Методы исследований. Сформулированные задачи решаются на основе системного подхода к моделированию и оптимизации ХТС. Анализ и апробация разработанной математической модели и алгоритма оптимального управления про-

водились путем проведения промышленных экспериментов, с обработкой ре: татов на ЭВМ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана математическая модель многостадийного хемосорбцион процесса тонкой очистки коксового газа от С02 водным раствором едкого на'

- предложена гипотеза, на основании которой разработана и реализс методика анализа промышленной абсорбционной установки тонкой очистки сового газа от СОг водным раствором едкого натра, которая может быть пр йена в подобных системах для выявления параметров необходимых для соси ния математической модели процесса;

- выявлены общие принципы исследования промышленной абсорбцио! установки тонкой очистки коксового газа от С02 водным раствором едкого на

Практическая значимость. Использование разработанного математичес описания позволяет сократить количество энергоресурсов (раствора ЫаОН, ' троэнергаи) затрачиваемых на осуществление процесса тонкой очистки коксо газа от С02 раствором едкого натра, что соответственно вызывает сокращ образующихся сточных вод и потребление энергоресурсов (пяп пястпор электроэнергия) предназначенных для их очистки.

Проведена опытно-промышленная проверка разработанного алгоритма тимизации на азотно-туковом производстве Новолипецкого металлургичес комбината, подтвердившая возможность и целесообразность включения е АСУТП.

Результаты опытно-промышленных исследований показали, что испо вание разработанного метода оптимизации позволяет существенно упрос процесс обслуживания технологическим персоналом абсорбционной установ делает доступным возможность более эффективно воздействовать на парам управления процессом.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации работы обсуждались на 1-ой и 2-ой региональных научно-технических конфе циях "Проблемы химии и химической технологии Центрального Черноземья сийской Федерации" (Липецк 1993 г. и Тамбов 1994 г.), на 1-й всероссийско* учно-технической конференции "Экологические проблемы коксохимии" (Ли 1994 г.), на научно-технической конференции "Теория и технология произвол чугуна и стали" (Липецк 1995 г.), на международной конферш "Математические методы в химии и химической технологии" (Тверь 1995 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Объем работы. Диссертация изложена на 172 страницах машинопис текста, содержит 20 иллюстраций, 18 таблиц, состоит из введения, 5 глав, в дов, списка литературы 106 наименований и приложения.

Краткое изложение диссертации

Во введении обоснована актуальность работы и сформулирована цель исследования.

В первой главе описан объект исследования, проанализированы методы математического моделирования и оптимизации многостадийных химико-технологических процессов.

Отмечено, что объектом исследования является абсорбционная установка (рис.1) в которой происходит процесс поглощения С02 из коксового газа водным раствором ЫаОН, осуществляемый на азотно-туковом производстве Новолипецкого металлургического комбината, и является одним из звеньев в технологической цепочке тонкой очистки коксового газа перед низкотемпературным фракционированием, которое проводится с целью получения технологического газа для синтеза аммиака.

1 -кнхнга * засть первой щелочной колонны; 3-ннжни часть второй щелочкой изгешгы 2-верхни часть первой щелочной колонны; 4-верхнжя часть второй щедзчной соданны; 5-емхость свежего раствора №ОН.

Показана принципиальная схема действующей в настоящее время технологической линнк тонкой очистки коксового гязя г.осгятшой чясткю котопой является установка поглощения из коксового газа СОг водным раствором №ОН.

Исследуемая промышленная абсорбционная установка состоит из двух колонн диаметром 1.4 м. Каждая из колонн имеет две части с неупорядоченной насадкой высотой 3.2 м из колец Рапшга, размером 50x50 мм. Газ, под давлением 16-19 кгс/см*, с начальной концентрацией С02 100-200 ррт, в количестве 1000032000 м3/ч проходя последовательно снизу-взерх через пару абсорберов, орошается противотоком циркулирующим раствором ИаОН с концентрацией свежего раствора 80-100 г/л, в количестве 10-16 м3/ч на каждую часть колонн. При гидравлическом сопротивлении колонн 200- 450 Па. В результате происходит хемо-сорбция диоксида углерода содержащегося в газе до концентрации на выходе из

установки 5-10 ррт. Когда насыщение раствора карбонизирующими компон тами достигает 80% производят замену отработанного раствора ЫаОН на свеж* Для возможности оптимизации предложено производственный процесс глощения С02 раствором ЫаОН представить в виде многостадийного (рис.2) качестве стадии принималась одна из частей абсорбционных колонн (верхняя I нижняя) на которые производилось разбиение процесса в пространстве измене концентраций С02 в коксовом газе.

Рис.2 Схема дискретного многостадийного процесса

Каждая стадия характеризуется входными и выходными параметрами выражающими величину концентраций С02 в коксовом газе и управлением I которое определяется величиной расхода раствора ИаОН. При помощи упр ляющих воздействий минимизировалась результирующая оценка эффективно многостадийного процем*-я определяемая суммой расходов ЫаОН.

В общем случае, для дискретного многостадийного процесса, математк ское описание стадии задается в виде системы уравнений:

Хк,1=Фм(Х1д.Ь • ■ •Лту-Ьии>" -,иг,0 (1

или в векторной форме:

*=ф1(х1-ьи0 (2

где XI - вектор переменных состояния 1-ой стадии:

*Г=(Х1,ьХ2,Ь...,ХП1,0 (3

и; - вектор управляющих воздействий ¿-ой стадии: иг=(и1,ьи2,ь...,и1д) (4

Ограничения, наложенные на значения переменных состояние потока : управляющих воздействий и^ выражены в виде неравенства

^=(х1,...,хмиь...,ин)>0 (5

.И,..,!

Результат, достигаемый на каждой стадии процесса, оценивается скаляр величиной гъ заданной в виде функциональной зависимости

ГГ^(Х;.ьи;) ((

Критерий оптимальности для >1-стадийного процесса записан как адди ная функция критериев (6), определенных для каждой стадии:

11=Ег1(хм,и1)

¡-1

С

N

Для определения, метода решения задачи оптимизации процесса поглоще-ия С02 из коксового газа, был сделан сравнительный анализ метода динамиче-кого программирования и принципа максимума Понтрягинв по отношению к сп-имизации многостадийных процессов. Анализ показал, что решить поставлен-ую задачу эффективнее с помощью метода динамического программирования, .к. исследуемый процесс имеет малое число стадий и удовлетворяет основным оложениям этого метода.

Для описания процесса поглощения диоксида углерода из коксового газа ыбран блочный принцип построения математической модели, в виде следующих локов, отражающих ту или иную сторону рассматриваемого процесса (рис. 3):

1.Уравнения гидродинамики (структуры потоков).

¿.Уравнения кинетики

процесса.

3.Уравнения материального бяттянея фячоипгп пяпновссчя И движущей силы.

Для каждого блока, дан обзор методов расчетов и исследований, необходимых для

Рес 3 Структура цострмння математической «одела составления МйТСМаТИЧеСКОЙ

процесса поглмцееяя СО] из коксового газа раствором

N300 модели.

Уравнения сидрсукмнамим

¡.иГ^ттуз»

Кг

:л /

\

Уравнения Урвеченш Ураэн&ния

материального бвленса Фвэоесгодовиомсиц двомцМ силы

Таким образом, анализ состояния вопросов математического моделирова-ия и оптимального управления многостадийными процессами, изложенных в иве, позволил определить пути создания математической модели и алгоритма тгимизации многостадийного хемосорбционного процесса тонкой очистки кок->вого газа от СО; йодным пя отпором «цкого ня.тра.

Вторая глава посвящена теоретическому и опытному определению вида и 1раметров гидродинамической модели процесса происходящего в абсорбцион-ых аппаратах поглощения СОг раствором ИаОН.

Так, для расчета плотности, вязкости, мольных объемов и масс, концентра-яй использовались теоретические по форме уравнения с эмпирическими корре-щиями констант взятыми из справочной литературы, которые приводились к аду удобному для вычислений на ЭВМ. При определении этих параметров учн-лвалось влияние давления на состояние газовой фазы.

ОГТр^/^С^^УА^ш^хл I ххдридгшшппп^ппи иарам\/1рш мидели. длл

Х)ГО решались следующие задачи:

1 .Определялся вид гидродинамической- модели, способной адекватно опи-1ть структуру потоков.

2.По виду гидродинамической модели рассчитывались гидродинамичес; параметры (числа Боденштейна), отражающие поведение потоков в_ зависимое от режима работы абсорбционного аппарата.

3.Рассчитывалось количество удерживаемой жидкости в насадках.

4.Находилась величина гидравлического сопротивления колонн. 5.0ценивалась воспроизводимость опытных данных и адекватность по

ченных зависимостей с помощью критериев Кохрена и Фишера.

Для определения вида гидродинамической модели, адекватно описыв щей особенности гидродинамики абсорберов, в потоки газа и жидкости импу; ным методом вводились индикаторные вещества (рис.4 и рис.5).

Рас. 4. Ояытяве аоргаюыяа ср«лтго вреиекн вребыв»^ Рчс. 5. Оныгмвв шрадалажша сраааага 1Г*неи «реви»«»вя

ыжя частиц пагакя жвдкастм -'. абеарбциоккой колвкнв т четка гвзовага потеки в ябсорбцшшяаЯ кшш:

•) кипе! чкл квлшы £) асрхжаМ часп км»ин

Индикаторами являлись азотоводородная смесь для газовой фазы и отрг танный раствор органических веществ для жидкой.

Условия проведения экспериментов определялись исходя из максимальк расхода одной из фаз и минимального другой, с учетом давления для газо фазы. Так, расход коксового газа изменялся от 10000 м3/ч, при давлении кгс/см2 до 30000 м3/ч, при давлении 19 кгс/см2, а расход жидкости от 10 м3/ч д< м3/ч.

На основании полученных зависимостей времени пребывания трассер« потоках от концентрации (рис.6, и рис. 7) и рекомендаций взятых из литера^ приняли вид гидродинамической модели структуры потоков для час 1 ей кол« соответствующей однопараметрической диффузионной модели.

Учитывая низкую концентрацию поглощаемого компонента принятую нопарамстрическую диффузионная модель представлена в безразмерном виде, параметром, характеризующим повеление потоков в реальных аппаратах, яв. ся число Боденштейна. Число Боденштейна находилось исходя из опытных о делений среднего времени пребывания трассеров в потоках по формуле: 2 2 2

■ +-ехр(-Во)

а2 = -

~ 0.

о0 о0 и0

Для возможности включения числа Боденштейна в состав математичес описания объекта моделирования с помощью полного двухфакторного экспер

5 I е «

/Ч й /\ /X

■V

1 2 3 4 5 6 7 8 в 10 И 15 Врем«.«

-»-ОпьггН»! -»-ОпьГТ№2

К

2 3 4 9 в 7 г 9 1011 12 Врмя. е —•—Спыг МП ---СПЬГГМС

1 а ) 4 I I 1 • • 1И1 и и Время, с

— Опыт №» -—Опит Мв? -*- Опит »3 -*-Опыт МД

п

I;

1 1 1 4 ( I Т I 11)11111)

„ , г. __Рас. 7. Крики* а-тклнкя на кмпульскы« амиутамкя яо-

Ряс. в. Криви« «ткдяхавя импульсные аезвгупеикя ^

КСТ0КОХ газа

токае жидкости

ента опрелелялась его зависимость от критериев Рейнольдса и Фруда, которые 1ссчнтывались для условий принятых при определении кривых отклика.

Задача определения удерживающей способности насадки решалась исходя $ уравнения для среднего времени пребывания:

Хср = УУо (9)

Найденные по этой зависимости объемы потоков газа и жидкости сравнивать между собой. В результате сравнения определялась доля потока занимаемой идкой фазой, определяющие величину удерживающей способности насадки.

Адекватность полученных значений реальным условиям в аппарате оиени-шась путем сравнения объемов газовой и жидкой фаз со свободным объемом юя насадки, который рассчитывался по формуле:

Усв=е8Н (10)

Расчет гидравлического сопротивления орошаемой насадки проводили по эрмуле:

АР = ДРС 10ьи (11)

В котором ДРС - гидравлическое сопротивление сухой насадки, зависящее от ширического коэффициента сопротивления X, учитывающего суммарные поте-1 давления на трение и местные сопротивления.

Для возможности включения АР и АРС в алгоритм математического описа-ы, опытным путем определялись входящие в них коэффициенты Ь и X.

Полученные результаты опытных исследований представлены в табл. 1.

Таблица

Уравнения дли расиста гидродинамических параметров модели

Вид параметров модели Части Расчетная формула Критерий Фишера Г, Критерий Кохрена С,

Числа Еодегяптейи^ V, = 4.46 (р=0.95,4.=8, 0=0.768. 1 Во, = З.бО^у0'13 Врк=1.812Р1908Ке„а<й1 2.74 2.85 0.423 0.312

2 В От = З.^е^'67 ю*0022*"' Вож=1.793Кг°'09Кежа614 3.06, 2.14 0.431 0.406

3 Во, = 3.8(ДеГ)'0'ет К)™**** Вож=1.805Кг008Кежа!97 . 2.22, 2.95 0.468 0.477

4 *-> ^»г ^ • У^Ч) IV Во» =1.831Рга<в Не*0'609 1 01 2.78 0.468 0.430

Гипрааличестое сопротивление частей абсорбционных колонн = 4.07, (р=0.95, *в. = 8Дш = 3) 0=0.768. 1 А-П _ АТ» 1 Г&Ти £А1 1 "" ¿АА СД АЧ/ л ¿2 л <■» Г \J.O\i

2 3.38 0.37

3 ДРз - ДРи 3.86 0.33

4 ДР4 = ДР{,4 1С?МП 3.65 0.39

Количество удерживаемой жидкости в частях абсорбционных колонн = 4.46, ({«=8, („=2, р = 0.95). 1 265 -

2 3.41 -

3 6.э = 2.2Ке,0ЮРг-°-41 2.18 -

4 64 = 2.5Кеж°^Ргч)+' 2.93 -

Оценка воспроизводимости опытных данных и адекватности получении зависимостей показала, что результаты расчетов удовлетворяют табличные знг чения критериев Кохрена и Фишера для уровня значимости 0.05.

Таким образом, с помощью проведенных теоретических и экспериментам ных исследований были определены численные значения физико-химических гидродинамических параметров необходимых для составление математическо модели процесса.

В третьей главе полученные путем расчетов и экспериментальных исслед< ваний данные были объединены в полную математическую модель, описывак щую хемосорбционный процесс поглощения С02 раствором №ОН для каждо части абсорбционных колонн:

¿|-Вог^-№ВогУ.0; (12)

¿у + Вож^-[пог'Во1«/(аМо)1У = 0 (13)

[ри граничных условиях:

Г 1

„--—-У+1=0;

"I Илг

1=1;

1 ах

Вож Ш

+Х-1 =0;

¿X

¿1 ау

<11

=0;

= 0.

(14)

(15)

Для решения уравнений математического описания использован итерацион-ый метод в сочетании с прогонкой.

Оценка адекватности полученных моделей проводилась путем сравнения асчетных концентрации С02 на выходах из абсорбционных колонн с соответст-ующими опытными. Результаты сравнения для частей №1 и №2 абсорбционной становки даны в табл. 2

Т«Й1Ш»Л 1

Показатели Опыт №1 Опыт №2 Опыт №3 Опыт №4

Входные параметры

Расход кокс, газа^/ч 10 000 12 000 15 000 18 000

Расход раствора ЫаОНд^/ч: 8 10 12 16

Концентрация С02 в газе на входе,ррш. 90.4 92.6 94.3 88.7

Концентрация раствора №ОН, г/л. 81.6 87.3 85.2 83.8

- Давление, кгс/см2 16 16 16 16

г; £ Температура, °С 47 48 46 49

Выходные параметры

Концентрация С02 в газе: на выходе, ррш опытная расчетная 16.5 19.3 23.2 20.8 30.4 35.1 42.9 46.2

Отклонение,% 14.51 11.54 13.39 7.1

Гидравлическое сопротивление,Па опытное расчетное 80 89 88 95 94 85 97 86

Отклонение,% 10.11 7.3 10.58 12.79

входные параметры

Расход кокс. газа^и3/ч 10 000 12 000 15 000 18 000

Расход раствора №ОН,м3/ч: 8 10 12 16

Концентрация С02 в газе на входеррт. 11.4 15.9 32.8 44.6

Концентрация раствора МаПН 1-/Т1 87.1 91.5 т а ОС О

Давление, кгс/см2 16 16 14 15

г; Температура, °С 46 45 45 44

§ г Выходные параметры

Концентрация С02 в газе: на выходе,ррт опытная расчетная сл. 1.0 сл. 2.3 2.6 3.2 12.5 14.7

Отклонение, % - - 23.07 14.96

Гидравлическое сопротквле- ниеДТа опытное расчетное 72 78 79 88 83 91 94 103

Отклонение,% 7.69 10.22 9.64 8.7

моделями при отклонении расчетного значения концентраций С02 от фактическ< го в среднем на 20%, что позволяет сделать вывод об успешном моделировали процесса хемосорбции С02 водным раствором №аОН в насадочных аппаратах.

В четвертой главе на основании математических моделей частей колонн бы разработан алгоритм оптимизации для установки поглощения С02 растворо ИаОН.

Задача оптимизации исследуемого процесса формулируется следующим о! разом.

В абсорбционной установке представленной в виде N (N=4) стадий, описзд ных диффузионной однопараметрической моделью, проводится процесс поглс щения С02 из коксового газа водным раствором №ОН. Определю минимальный расход поглотителя иы и распределения этого расхода по все стадиям 0=1,...М), необходимое для заданной степени поглощения СО; пп условии соблюдения нормального технологического режима.

Математическое описание ¡-й стадии имеет вид уравнений (12-15).

В качестве управляющего воздействия на каждой стадии применяется зш чение иь которое одновременно определяет критерий оптимальности И для да! ной стадии:

г,=и, (16

Критерий оптимальности в целом запишется в виде

N

(17

1-1

т.е. его величина совпадает с величиной общего расхода ЫаОН подаваемого д: поглощения С02.

Таким образом, математическую формулировку принципа оптимальное! для последней стадии можно записать как

й(хм-1) = тт иы (18

ик

причем минимизация проводится для всех возможных значений концентраций х 1 на входе Ы-й стадии.

На переменные состояния и управляющие воздействия наложены огранич* ния заданые в виде неравенств:

ах< х,<Ьх аи<и!<Ьа 1 = 1. (19

где ах=1 ррт, Ьх=10 ррт, аи=10 м3/ч, Ьц=16 м3/ч.

Работа алгоритма оптимизации проверялась на промышленной усташш ии1 лищишя СС2 и^ кимншоги 1-аза раствором КаОН путем корректировки техн< логического режима с помощью расчетных оптимальных величин расходов ра( твора ИаОН. Результаты проведенных по алгоритму оптимизации вычислен« расходов растворов ИаОН и сравнительные, опытные оценки конечных конце! траций С02 в коксовом газе представлены в табл. 3.

Таблица 3

Сравнительный анализ результатов оптимизации_

Параметры Расход раствора №ОН, м"/ч. СОг в к.газе (на выходе), ррш Отклонение

Расчет Опыт %

10000 10 9.6 7.3 23.9

12000 12 9.2 6.6 28.3

16000 14 6.8 8.4 23.5

в. ц 18000 16 8.5 5.7 32.9

25000 16 3.2 4.8 33.3

Фиксированные параметры: Р=16 кгс/см2, Т=45 °С, В„=40 г/л.

1 ^ 20 12 8.4 7.1 18.3

в1® 12-3 40 12 5.9 4.8 22.9

60 11 1.0 0.8 20.0

80 11 2.2 1.9 15.7

* 5 >00 ш -- 1 0 1 < 0

фиксированные Параметры. О— 10000и/ч, Р-16 кгс/см3, Т™45"С.

Сравнение результатов конечных концентраций СОг показывает, что отклоне-в расчетных величин от опьпных на 20-30:/о позволяет соблюдать установленн>'ю I этого параметра норму (не более Юррш). Следовательно, точность расчетов по ¡работанному алгоритму оптимизации следует признать достаточной для про-шленных условий.

В пятой главе на основе полученного математического описания исследована можность интенсификации процесса и проведена оценка эффективности разра-ганного алгоритма оптимизации по результатам опытно-промышленных испытай на абсорбционной установке поглощения СОг из коксового газа.

Были проанализированы следующие пути интенсификации процесса погло-ния С02 в промышленных условиях:

1 .Изменение температуры и давления процесса.

2.Изменение гидродинамического режима (влияние скоростей газа и жидко-

-».хаЗМСКСККС концентрации ХСМОСОриСгиа..

Анализ полученных результатов проводился с точки зрения влияния измене-I контролируемых параметров на степень поглощения С02 из коксового газа в умышленных условиях. На основании проведенных исследований выработаны :омендации по интенсификации процесса поглощения С02 водным раствором ОН.

Оценка эффективности алгоритма оптимизации абсорбционной установки ¡водилась путем опытно-промышленных испытаний.

При проведении исследований пользовались данными, собранными с двух па-шельно работающих технологических линий. Абсорбционная установка погло-яия С02 из коксового газа линии № 1 работала в обычном режиме, абссрбцион-: установка линии № 2, в оптимальном. Результаты эффективности опытно->мышленной эксплуатации установки приведены на рис.8.

Расход МаОН

КГ 170-

i ео-150140-

2 3 4

Недели эксперимента

Расход N8001.

тн

400 350 аоо-250-L

2 3

Недели эксперимента

Расход пара

Г

г

"1

кВт ЛТП-Г

160 150 140

Недели эксперимента

Расход электроэнергии

1

2 3 4

Недели эксперимента

- ' - без огггимизации — ~ - росло огггимизации

Рис. 8.Результаты опытно-промышленных испытаний

Таким образом, результаты опытно-промышленных испытаний абеорбцион ной установки показали: сокращение расходов раствора N3011 на 0.1-0.2 тн/сут (0.85%), сточных вод на 80 м3/сутки (1.4%), снижение используемых для нейтрализации отработанного раствора расходов пара на 1.3-1.5 тн/сутки (1.1%), растворг ЭДаОСЬ на 2-4 кг/сутки (1.2%), электроэнергии на 0.4-0.5 кВт'сутки (0.5%).

В приложениях приведены акт и протокол опытно-промышленных испытаний разработанного алгоритма оптимизации на абсорбционной установке поглощенш С02 из коксового газа водным раствором ИаОН, программа расчета частей колонь написанная на языке программировании Турбо Паскаль 7.0, а также примеры текстовых файлов исходных данных и результатов расчета процесса поглощения СО; из коксового газа. Представлена фотография промышленной абсорбционной установки.

Основные выводы н результаты работы

1 Пшташ принципиальные нал;; оптимизации промышленной абсорбционной установки поглощения С02 из коксового газа водным раствором №ОН.

2. Проведены экспериментальные исследования гидродинамики насадочньга абсорбционных колонн, в результате которых определены:

- вид гидродинамической модели (диффузионная однопараметрическая);

- критериальные уравнения описывающие зависимости чисел Боденштейна и ячества удерживаемой в насадке жидкости от критериев Рейнольдса и Фруда;

* J Г'^рииЛИЧССКОГО СОПрОТШЗЛСНКЛ НаСЗДСЧНЫХ КО-

н.

3. Показана возможность обобщения экспериментальных данных, изложенных ггературе, для составления алгоритма расчета хемосорбционного процесса по-цения С02 из коксового газа раствором КаОН.

4. Разработаны математические модели частей насадочных колонн, основан-на сочетании методов математического и гидродинамического моделирования.

5. Установлена адекватность полученных моделей, которая подтверждена ре-.тами сравнения расчетных показателей конечных концентраций С02 в коксовом с фактическими.

6 Рязпя(х»тян ягтгппмтм ОПТИМИЗМ?™1? ?.6сорб15ИОННОИ

рименении методе динамического программирования.

7. Проведена проверка адекватности алгоритма оптимизации путем сравнения [етных и фактических концентраций С02 на выходе из установки.

о. Раоиш алгоритма оптимизации оценена в результате опытно-лышленных испытаний на абсорбционной установке поглощения С02 водным вором №ОН, которые показали следующие практические результаты:

а) обеспечена правильность и быстрота принятия решений обслуживающим рбционную установку персоналом по регулированию процесса в пределах норного технологического режима;

б) подтверждена возможность повышения эффективности эксплуатации уста-и путем регулирования расходов жидкости или полной остановки орошения >й или нескольких частей колонн, в зависимости от количества поступаемого га-концентраций поглотительного раствора в каждой из частей колонн.

в) в результате сокращения сточных вод и уменьшения расходов энергоресур-1а их очистку улучшилось состояние водно-воздушного бассейна.

9. По результатам испытаний на промышленной абсорбционной установке ре-:;1дсвакс включить разработанный алгоритм оптимизации прицесса шл лощения водным раствором ИаОН из коксового газа в АСУТП азотно-тукового произ-тва АО "НЛМК".

Основные условные обозначения

Вог - число Боденштейна для газовой фазы; Вож - число Боденштейна для жид-фазы; Rer - число Рейнольдса для газа; Rex - число Рейнольдса для газа; Fr -о Фруда для жидкости; о2 - безразмерная дисперсия среднего времени пребы-

т т. — rrwnH«* nnpua nn^unouno' /у _ И^АПЙННЛШЛШ Лчоуг^р" ¡:С""2!Пр»

ный параметр; ПоГ - общее число единиц переноса; 1 - пространственная коорди-, Y - относительные концентрации хемосорбента; АР - гидравлическое сопро-гние орошаемой насадки; ДРС - гидравлическое сопротивление сухой насадки; Я ффициент местного сопротивления; U - плотность орошения; b - эмпирический

коэффициент, Б - поперечное сечение аппарата, заполненное насадкой; Н - высо-слоя насадки; е - доля свободного объема насадки; - свободный объем насадки;

- количество удерживаемой жидкости V» - объем занимаемый исследуемым пот ком; и - расход жидкости или газа; К - кршерий оптимальности; ^(х^л) оптимизируемая функция; г^ - частный критерий оптимальности; X; - вектор пер менных состояния ¡-ой стадии; и^ - вектор управляющих воздействий ¡-ой стадии;

- табличное значение критерия Фишера; - расчетное значение критерия Фишер в - табличное значение критерия Кохрена; вр - расчетное значение критер: Кохрена; Гвс - дисперсия воспроизводимости; Гад - дисперсия адекватности; р - ур вень значимости

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Белицкий А.Г., Филоненко ЮЛ. Математическое моделирование очисп коксового газа от примесей бензольных углеводородов //Тезисы докладов 1-ой р гиональной научно-технической конференции "Проблемы химии и химической те кологки Центрального Черноземья Российской Федерации", Липецк 1593.

2. Белицкий А.Г., Филоненко Ю.Я., Короткое Б.Г. Математическое моделир вание очистки коксового газа от диоксида углерода растворами аммиака //Тезис докладов 2-ой региональной научно-технической конференции "Проблемы химии химической технологии", Тамбов 1994.

3. Белицкий А.Г., Филоненко Ю.Я. Сокращение образования сточных вод п тем оптимизации расходов сорбентов в технологии тонкой очистки коксового га //Тезисы докладов 1-й всероссийской научно-технической конференщ "Экологические проблемы коксохимии", Липецк 1994.

4. Белицкий А.Г., Филоненко Ю.Я. Математическое моделирование пронес-абсорбции С02 раствором щелочи //Тезисы докладов научно-технической конф ренции "Теория и технология производства чугуна и стали", Липецк 1995.

5. Белицкий А.Г., Филоненко Ю.Я. Оценка влияния коэффициентов продол ного перемешивания на точность прогноза процесса абсорбции С02 растворе ЫаОН //Доклад на международной конференции "Математические методы в хим! и химической технологии", Тверь 1995.

6. Белицкий А.Г., Филоненко Ю.Я., Белянский А.Д., Дергилев Н.Д., Собол С.Я. Образование сточных вод путем оптимизации технологического режима а сорбционной установки очистки коксового газа от кислых компонентов. //Вести МАНЭБ №4, Санкт-Петербург 1996.

7. Белицкий А.Г., Филоненко Ю.Я., Дергилев Н.Д., Сухарев С.С. Определен) времени замены отработанного раствора КаОН при эксплуатации абсопбпипнн< установки очистки коксового газа от С02. //Сборник научных трудов ЛГТУ ЛЭГИ, 1997.

Подписана ■ печать'I4.09.9S г. Формат 60x84 1 Усл. леч. л. 1,0. Тираж <00 >кз. Заказ №111 Тип. ЛГТУ. 398055, Липецк, ул. Москоккм, 31

Липецкий государственный технический университет

* / О О -4 — ¿Г

/ЛЛ ' На правах рукописи

) Белицкий Анатолий Гавриилович

п ■

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТОНКОЙ ОЧИСТКИ КОКСОВОГО ГАЗА ОТ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ВОДНЫМ РАСТВОРОМ ЕДКОГО НАТРА.

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Филоненко Юрий Яковлевич.

Липецк - 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................4

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР...................................................................9

1.1 .Абсорбционная установка очистки коксового газа от СО2 раствором ШОН и ее место в технологической схеме тонкой очистки коксового газа. 9

1.2.Методы оптимизации химико-технологического процесса поглощения СО2 из коксового газа водным раствором щелочи (ЫаОН)..........................19

1.3.Методы моделирования хемосорбционного процесса поглощения СОг раствором ИаОН..............................................................................................26

1.3.1.Расчет фазового равновесия системы СО2 - ШОН............................29

1.3.2.Материальный баланс хемосорбционного процесса с рецир куляцией абсорбента.....................................................................................................31

1.3.3.Расчет движущей силы абсорбционных процессов...........................33

1.3.4.Расчет кинетики хемосорбционных процессов.................................35

1.3.5.Методы исследования структуры потоков.........................................40

1.3.6.Гидродинамические модели структуры потоков...............................42

1.3.7.Основные гидродинамические характеристики насадочных абсорберов поглощения СО2 из коксового газа..........................................46

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1.....................................................................................48

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВИДА И ПАРАМЕТРОВ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЧАСТЕЙ АБСОРБЦИОННЫХ КОЛОНН....................................50

2.1.Определение физико-химических параметров процесса хемосорбции

СО2 раствором ШОН......................................................................................50

2.2.Опытное определение вида гидродинамической модели и чисел

Боденштейна....................................................................................................53

2.3 Определение удерживающей способности насадок................................66

2.4.Опытное определение гидравлических сопротивлений частей колонн. 71 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2.......................................................................................75

3.РАЗРАБОТКА ПОЛНОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ЩЕЛОЧНОЙ ОЧИСТКИ КОКСОВОГО ГАЗА ОТ С02.................................76

3.1. Модель массопередачи в насадочном абсорбере...................................76

3.2 Алгоритм решения математического описания......................................80

3.3 Анализ результатов расчетов и проверка адекватности моделей...........82

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.......................................................................................88

4.РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОПТИМИЗАЦИИ ЩЕЛОЧНОЙ ОЧИСТКИ

КОКСОВОГО ГАЗА ОТ С02............................................................................89

4.1 Алгоритм оптимизации многостадийных процессов методом

динамического программирования................................................................89

4.2.Анализ работы алгоритма оптимизации..................................................93

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.......................................................................................94

5. ПУТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ХЕМОСОРБЦИИ С02 РАСТВОРОМ ИаОН.

.............................................................................................................................95

5.1.Пути интенсификации хемосорбции С02 раствором ЫаОН...................95

5.2.Оценка эффективности оптимизации абсорбционной установки

хемосорбции С02 раствором ШОН.............................................................100

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5.....................................................................................103

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..........................................................................................104

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.........................................106

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................113

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных направлений развития химических производств является повышение эффективности работы действующего оборудования путем внедрения вычислительной техники и современных математических методов для управления химико-технологическими процессами.

При этом должен быть достигнут, такой режим работы, для которого технико-экономические показатели будут наиболее высокими, т.е. стоимость переработки единицы продукции будут наименьшими.

Большое число эксплуатируемых в настоящее время абсорбционных аппаратов не всегда отвечают современному уровню абсорбционной техники, т.к. во многих случаях их выбор производился без достаточных оснований и определялся традицией существующей в той или иной отрасли промышленности основанных на данных 30 - 50 летней давности [43]. Часто абсорбционные процессы осуществляются в производстве не в оптимальных режимах, не соответствующих современным экономическим и экологическим требованиям, предъявляемым к абсорбционным аппаратам.

Так, на азотно-туковом производстве АО "НЛМК", в абсорбционной установке для поглощения СО2 из коксового газа используется водный раствор МаОН, при хемосорбции которым достигается очень хорошее извлечение (содержание СО2 в коксовом газе достигает 5-10 ррш). Такая высокая степень очистки от СО2 необходима для нормального режима работы низкотемпературного блока разделения коксового газа в котором получается технологический газ для синтеза аммиака. Однако в результате наблюдений за эксплуатацией установки выявлены следующие резервы, использование которых позволит понизить затраты связанные с проведением данного процесса.

Установка представляет собой систему из двух противоточных насадочных абсорберов разделенных на две части, в которых циркулирующим раствором ШОН орошается коксовый газ. При этом

имеется возможность регулировать процесс за счет изменения расходов жидкости или полной остановки орошения одной или нескольких частей колонн, в зависимости от количества поступаемого газа и концентраций поглотительного раствора в каждой из частей колонн. В производственных условиях подобная регулировка процесса затруднена, из-за сложности согласования требуемого технологического режима с внутренними резервами абсорберов установки.

При этом актуальной является задача создания стратегии управления, оптимальной для заданных технологических параметров абсорберов. Это позволит более гибко и оперативно регулировать производственный процесс, сократить непроизводительный расход энергоресурсов.

Тогда решаются следующие проблемы, возникающие при эксплуатации абсорбционной установки:

прогнозирование изменения схемы и режима работы абсорбционной установки при изменении технологических параметров;

- своевременность процесса замены отработанных растворов ЫаОН в абсорбционных колоннах;

- улучшение экологической обстановки, вследствии сокращения сточных вод и энергетических ресурсов (пар, эл. энергия, №ОСЬ) используемых для их утилизации.

Для решения поставленных задач была исследована промышленная установка для поглощения С02 , и по полученным результатам составлена математическая модель на основании которой оптимизирован процесс.

Цель работы. Исследование промышленной абсорбционной установки поглощения С02 из коксового газа водным раствором №ОН для определения оптимальных режимов проведения данного процесса.

Задачи исследования:

построение математической модели многостадийного хемосорбционного процесса тонкой очистки коксового газа от СО2 водным раствором гидроксида натрия;

- разработка методики анализа промышленной абсорбционной установки тонкой очистки коксового газа от СО2 водным раствором гидроксида натрия для выявления параметров, необходимых для составления математической модели процесса;

- внедрение методов, алгоритмов и программ в АСУТП азотнотукового производства АО "НЛМК".

Методы исследований. Сформулированные задачи решаются на основе системного подхода к моделированию и оптимизации ХТС. Анализ и апробация разработанной математической модели и алгоритма оптимального управления проводились путем проведения промышленных экспериментов, с обработкой результатов на ЭВМ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

разработана математическая модель многостадийного хемосорбционного процесса тонкой очистки коксового газа от СО2 водным раствором гидроксида натрия;

- предложена гипотеза, на основании которой разработана и реализована методика анализа промышленной абсорбционной установки тонкой очистки коксового газа от СО2 водным раствором гидроксида натрия, которая может быть применена в подобных системах для выявления параметров необходимых для составления математической модели процесса;

- выявлены общие принципы исследования промышленной абсорбционной установки тонкой очистки коксового газа от СО2 водным раствором гидроксида натрия.

Практическая значимость. Использование разработанного математического описания позволяет сократить количество энергоресурсов (раствора ЫаОН, электроэнергии) затрачиваемых на осуществление процесса тонкой очистки коксового газа от СО2 раствором гидроксида натрия, что соответственно вызывает сокращение образующихся сточных вод и потребление

энергоресурсов (пар, раствор ЫаОСЬ, электроэнергия) предназначенных для их очистки.

Проведена опытно-промышленная проверка разработанного алгоритма оптимизации на азотно-туковом производстве Новолипецкого металлургического комбината, подтвердившая возможность и целесообразность включения его в АСУТП.

Результаты опытно-промышленных исследований показали, что использование разработанного метода оптимизации позволяет существенно упростить процесс обслуживания технологическим персоналом абсорбционной установки и делает доступным возможность более эффективно воздействовать на параметры управления процессом.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на 1-ой и 2-ой региональных научно-технических конференциях "Проблемы химии и химической технологии Центрального Черноземья Российской Федерации" (Липецк 1993 г. и Тамбов 1994 г.), на 1-й всероссийской научно-технической конференции "Экологические проблемы коксохимии" (Липецк 1994 г.), на научно-технической конференции "Теория и технология производства чугуна и стали" (Липецк 1995 г.), на международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" (Тверь 1995 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных

работ.

Объем работы. Диссертация изложена на 172 страницах машинописного текста, содержит 20 иллюстраций, 18 таблиц, состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы 106 наименований и приложения.

В первой главе описан объект исследования, проанализированы методы математического моделирования и оптимизации многостадийных химико-технологических процессов.

Вторая глава посвящена теоретическому и опытному определению вида и параметров гидродинамической модели процесса

происходящего в абсорбционных аппаратах поглощения СО2 раствором №ОН.

В третьей главе полученные путем расчетов и экспериментальных исследований данные были объединены в полную математическую модель, описывающую хемосорбционный процесс поглощения СО2 раствором N3011 для каждой части абсорбционных колонн.

В четвертой главе на основании математических моделей частей колонн был разработан алгоритм оптимизации для установки поглощения СО2 раствором №0Н.

В пятой главе на основе полученного математического описания исследована возможность интенсификации процесса и проведена оценка эффективности разработанного алгоритма оптимизации по результатам опытно-промышленных испытаний на абсорбционной установке поглощения СО2 из коксового газа.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

В настоящем разделе представлена промышленная абсорбционная установка для поглощения С02 из коксового газа водным раствором ЫаОН в виде многостадийного хемосорбционного процесса. Показаны ее место и роль в технологической схеме тонкой очистки коксового газа от вредных примесей. Обоснованы причины, цели и актуальность оптимизации. Дан анализ современных тенденций методов моделирования хемосорбционных процессов и сравнительная характеристика методов оптимизации многостадийных процессов. Определены пути решения задач моделирования и оптимизации данной установки.

1.1 .Абсорбционная установка очистки коксового газа от С02 раствором ИаОН и ее место в технологической схеме тонкой очистки

коксового газа.

Объектом настоящего исследования является промышленная абсорбционная установка в которой происходит поглощение С02 из коксового газа раствором ИаОН. Данный процесс является одной из стадий в технологической цепочке тонкой очистки коксового газа перед низкотемпературным фракционированием, которое проводится с целью получения технологического газа для синтеза аммиака на азотно-туковом производстве Новолипецкого металлургического комбината.

Примерный состав коксового газа поступающего с коксохимического производства следующий:

Компоненты Содержание Компоненты Содержание

объемные % объемные %

н2 57-61 со2 не более 3

Н28 5-8 СО 0.3-1.4

СН4 24-27 о2 не более 0.8

N2 не более 5 N0 0.4-0.8 ррт

спнП1 1.8-3.2 СбНб 4 г/л

с2н2 0.1-0.5 СвНю 0.2 г/л

Процесс получения технологического газа для синтеза аммиака (Рис. 1.1), состоит из трех основных стадий:

1. Очистка коксового газа от примесей

2. Получение синтез-газа

3. Собственно синтез аммиака на катализаторе. Технологическая схема процесса тонкой очистки коксового газа

перед низкотемпературным разделением показана на рис. 1.2.

Коксовый газ поступает под давлением 200-500 мм.вод.ст. на всас 3-х ступенчатого компрессора производительностью 32000 м3/ч. Далее коксовый газ проходит ряд последовательных операций непрерывного действия (Рис. 1.2):

1) очистка газа от бензола и нафталина каменноугольным маслом

л

под давлением 8 кгс/см ,

2) очистка газа от окислов азота в оксидаторе с последующей промывкой химически очищенной водой и охлаждением (здесь и

Л

далее очистка идет под давлением 16-19 кгс/см ),

3) окончательная очистка от бензола и нафталина каменноугольным маслом,

4) очистка газа от цианистых соединений химически очищенной водой,

5) очистка газа от диокисида углерода и сероводорода аммиачным раствором,

6) очистка газа от аммиака химически очищенной водой,

7) очистка газа от ацетилена и остатков окислов азота путем гидрирования на палладиевом катализаторе,

8) окончательная очистка газа от диоксида углерода и остатков сероводорода и сероорганики раствором каустической соды,

9) окончательная промывка и охлаждение газа химически очищенной водой.

Рис. 1Л. Принципиальная схема получения аммиака на азотно-туковом производстве АО "НЛМК".

Рис. 1.2. Принципиальная схема тонкой очистки коксового газа.

1 - коксовый компрессор; 2 - "горячая фтеьт"; Зг£г 14 - водяные кояонны; 4 - конденсаторы: 5 - колонна дгнафтаягзации.; 6 - кояонна децианг&ации; 7 - аммиачная колонка; 15 - сепараторы; 9 - теплообменник "газ-газ"; 10 - пароподогреватель; 11 - реакторы; 12,13 - щелочные колонка;

После очистки содержание примесей в коксовом газе не должно превышать следующих норм:

Компоненты Содержание

СбНб не более 1г/л

N0 не более 0.025 ррт

HCN следы

С2Н2 не более 200 ррт

H2S не более 1 ррт

СюНБ не более 0.04 г/л

со2 не более 10 ррт

Очищенный коксовый газ далее подвергается низкотемпературному разделению, где охлаждение газа осуществляется азотом.

В результате образуется азото-водородная смесь следующего состава:

Компоненты Содержание

N2 до 25 %

Н2 до 75 %

СО 20 ррт

02 40 ррт

Очистка коксового газа от кислых компонентов в процессе получения технологического газа для синтеза аммиака.

Процесс поглощения СО2 входит в группу методов очистки коксового газа от кислых компонентов, из которых при получении технологического газа для синтеза аммиака применяются следующие [1,9,11,21]:

1) водная очистка под давлением;

2) очистка водными растворами аммиака под давлением;

3) очистка водными растворами щелочи под давлением для удаления остатков кислых веществ.

Водная очистка под давлением основана на различной растворимости в воде кислых веществ и остальных компонентов коксового газа. В частности, растворение СО2 в воде сопровождается диссоциацией образующейся Н2СО3 по уравнению

Н2С03 О + НС03+

При невысоких парциальных давлениях растворимость кислых газов в воде не велика, но с увеличением давления она возрастает. При последующем снижении давления, растворенные кислые газы выделяются из нее.

Водная очистка газа от кислых компонентов под давлением более эффективна при высоком начальном содержании кислых веществ в газе [1,9,11]. Этот метод отличается простотой и позволяет многократно использовать оборотную воду.

Большим недостатком водной очистки в тех случаях, когда предусматривается последующая промывка газа жидким азотом или производится разделение коксового газа при низких темпера