автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Оптимизация процессов в многопродуктовых реакторных системах

Р Г о ОД

На правах рукописи

"I "

ПОЗДНЯКОВ Андрей Борисович

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ В МНОГОПРОДУКТОВЫХ РЕАКТОРНЫХ СИСТЕМАХ

05.17.08—Процессы и аппараты химической технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ипаноно 1997

Работа выполнена в Ивановской государственной хнмнко-технологической академии на кафедре технической кибернетики и автоматики.

Научный руководитель —

кандидат технических наук, доцент Лабутин А. Н.

Научный руководитель —

академик МИА, доктор технических наук, профессор Гордеев Л. С.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Писаренко В. Н., доктор технических наук, профессор Бобков С. П.

Ведущее предприятие —

ОАО «КАПРОЛАКТАМ» (г. Дзержинск).

Защита диссертации состоится « ^» -1997 г.

в часов в ауд. . . на заседании диссер-

тационного совета К 063.11.02 в ИГХТА (153000, Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГХТА.

Автореферат разослан « ?■. Щ у> . у^^Ч^т-. . 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор

БЛИНИЧЕВА И. Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

Аппаратурно-технологическое оформление функционирующих в настоящее время производств спроектировано таким образом, что не позволяет учитывать динамического состояния рыночной экономики и не отвечает требованиям малоотходности, так как ориентировано на выпуск одного, двух продуктов с фиксированной производительностью. Вместе с тем изменение конъюнктуры рынка, т.е. изменение спроса и цены на исходные реагенты и те или иные продукты реакции, а также требования ресурсосбережения делают актуальной задачу создания работоспособных гибких многопродуктовых производств непрерывного типа, основной стадией которых является гибкая реакторная подсистема. Для этого необходимо решение задачи оптимального синтеза системы и задачи организации эффективного функционирования ее в изменяющихся условиях.

Основным подходом к синтезу оптимальных химико-технологических систем (ХТС) является алгоритмический подход, который предполагает наличие критерия эффективности, математических моделей элементов и системы в целом и требует учета неопределенности информации, содержащейся в структуре модели реакторов, а также обусловленной погрешностями параметров моделей.

Структура модели реактора, как сложной физико-химической системы, определяется видом моделей явлений и процессов макро и микро уровня: гидродинамической структуры потоков, процессами микросмешения элементов жидкости, химического взаимодействия молекул веществ.

Основой модели реактора является модель кинетики сложной химической реакции, погрешности оценок параметров которой в значителъ-. ной степени определяют .прогнозирующую силу модели реактора и, следовательно, работоспособность проектируемой системы. Поэтому актуален поиск подходов и методов решения многомерных задач параметрической идентификации математических моделей.

Целыо диссертационной работы является разработка теоретических основ и программно-алгоритмического обеспечения оптимизации гибких многопродуктовых реакторных систем для проведения последовательно-, параллельных реакций.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

— сформулирован критерий технико-экономической оптимальности реакторной подсистемы, предполагающий оптимизацию взаимодействия с рынком, структурную оптимизацию схемы, а также режимно-технологическую оптимизацию процессов в модулях системы;

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

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

— сформулированы этапы оптимального синтеза системы;

— разработано программно-алгоритмическое обеспечение расчета и режимно-технологической и структурной оптимизации реакторной си-' стемы;

— на базе анализа структуры кинетических моделей последовательно-параллельных реакций разработано математическое и программное обеспечение решения многомерной задачи параметрической идентификации моделей;

— решена задача оптимального синтеза гибкой реакторной системы типового процесса технологии основного органического синтеза на призере процесса инициированного хлорирования дихлорэтана (ДХЭ).

Методы исследований. В работе использованы методология и математический аппарат системного анализа и синтеза химико-технологических систем, методы моделирования и оптимизации в сочетании с физическим экспериментом, статистические методы анализа и обработки экспериментальных исследований.

Научная новизна. Разработана двухуровневая процедура оптимизации многопродуктовых реакторных систем: на верхнем уровне определяются оптимальные значения потоков продуктов реакции на выходе системы, доставляющие максимум величине дохода от реализации, либо минимизирующие расхождения между спросом и предложением; на нижнем уровне определяются значения технологических, конструктивных и структурных параметров, обеспечивающих необходимые величины степени превращения и селективностей по продуктам.

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

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

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

На примере процесса оксиэтилирования бутилового спирта прове-, ден численный анализ влияния типа моделей аппаратов, структуры реакторной системы, рецикла части продуктов и времени пребывания на степень превращения реагентов и селективность по продуктам. Показано, что система обладает свойством гибкости и определен интервал неопределенности в значениях степеней превращения и селективностей, обусловленный типом используемых моделей реакторов.

Анализ структуры уравнений моделей кинетики последовательно-параллельных реакций позволил предложить декомпозиционный подход к решению задачи параметрической идентификации кинетических моде: лей, базирующийся на полученном аналитическом решении уравнений дифференциальных селективностей по продуктам реакции при произвольных начальных условиях.

На. основе анализа литературных данных сформулирован стадийный механизм реакции инициированного хлорирования дихлорэтана и разработана модель кинетики.

На базе экспериментальных исследований, проведенных на полупромышленном реакторе хлорирования периодического действия, осуществлена параметрическая идентификация математической модели аппарата, в результате которой найдены оценки эффективных констант скоростей стадий последовательно-параллельной реакции хлорирования ДХЭ.

Практическая ценность. Синтезировано- алгоритмическое и программное обеспечение (ПО) .моделирования реакторных ХТС, пред-' усматривающее использование моделей реакторов двух типов: модель на основе состояния полной сегрегации и модель, учитывающая максимальную смещенность.

Разработан алгоритм и программные средства (ПС) режимно-техпологической и структурной оптимизации реакторных схем.

Разработано программно-алгоритмическое обеспечение решения задачи параметрической идентификации кинетических моделей.

. Синтезирована структурная схема реакторного узла процесса хлорирования ДХЭ непрерывным способом и разработаны варианты математического описания его для условий максимальной смешенности элементов жидкости и условий полной сегрегации. Проведен численный анализ функционирования системы, в результате которого определены значения структурных и режим но-тсх пологи ческих переменных, обеспечивающих заданную степень превращения дихлорэтана и необходимое соотношение целевых продуктов (трихлорэтан : тетрахлорэтан) на выходе системы.

Реализация и внедрение результатов исследований. Сформулированы и переданы в ОАО "Капролактам" рекомендации по аппаратурно-техпологическому оформлению реакторного узла жидкофазного инициированного хлорирования ДХЭ непрерывным способом.

Апробация работы: Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на IV международной научной конференции "Методы кибернетики . химико-технологических процессов" ("КХТП-IV—94", г.Москва, 1994), международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии ("МКХТ-95", г.Москва, 1995 г.), научно-технической конференции преподавателей и. сотрудников ИГХТА (г.Иваново, 1995), международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" (ММХ-9, г. Тверь, 1995), региональной межвузовской конференции

"Актуальные проблемы химии, химической технологии и химического вбразования "Химия-96" (г.Иваново, 1996), международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" (М.МХ-10, г. Тула, 1996).

Публикации. Материалы диссертации получили отражение в 11 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и основных результатов работы. Текст диссертации изложен на 208 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков и 19 таблиц, а также список использованных литературных источников из 156 наименований и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, намечен круг основных задач и методов их решения.

В первой главе показана распространенность многостадийных по-следователыю-параллельных реакций, являющихся физико-химической основой создания многопродуктовых реакторных систем. Рассмотрены

требования к функционированию производств, обусловленные экологией, и рыночной экономикой и сделан вывод об актуальности создания методологии оптимального синтеза многопродуктовых реакторных схем. Осуществлен критический обзор литературы по вопросам моделирования И оптимизации реакторов, параметрической идентификации моделей, подходам и методам проектирования сложных реакторных систем. Сформулирована задача и основные направления исследований.

Во второй главе излагаются теоретические основы оптимального синтеза гибкой многопродуктовой реакторной системы непрерывного ти-, па.

Широкий спектр продуктов органического и нефтехимического синтеза производится по непрерывной схеме путем реализации сложных многостадийных реакций последовательно-параллельного типа

А + В—Ъ—>Р, А + Р2 —^—> Р3

А + Рд к» > Р, А + Р, "С"' > Ри,

где: А и В - исходные реагенты; Р(, Р2, ... Р|,... - продукты реакции. ХТС, для реализации такого типа реакций, состоит из двух основных . подсистем: реакторный узел и стадия разделения (рис.1), обладающая бесконечной разделительной способностью.

Рецикл исходных Рн*. Гнв реагентов

Р1т,р(т,ркт

на утилизацию

Рис.1. Функционально-структурная схема многопродуктовой химико'-техпологической системы

В качестве критерия эффективности функционирования'таких систем достаточно часто используют переменную состлнляющую прибыли

П - Б - 34 - 32 - З3 (21

где: О - доход от реализации продукции, 31( Зг, З3 - затраты на сырье, проведение технологического процесса и на утилизацию.

Технико-экономическая оптимизация реакторной подсистемы осуществляется в два этапа.

На первом этапе определяются оптимальные значения потоков продуктов на реализацию различным потребителям, максимизирующие величину дохода, т.е. при заданной нагрузке по ведущему реагенту (Ров) определяются оптимальные значения селективностей по продуктам .

Сформулированы две задачи оптимизации взаимодействия химико-технологической системы с рынком. В первой необходимо определить, теоретически оптимальную производительность по всем продуктам реакции, обеспечивающую максимальный доход. Она решается путем отбора потребителей, • способных заплатить максимальную цену. Ограничением здесь является мощность схемы по переработке ведущего компонента Ров-

Во второй задаче необходимо определить производительность установки по продуктам реакции, минимизирующую различие между спросом и предложением с максимальным удовлетворением всех потребителей. Критерий оптимальности схемы

к. ='¿2 К (Рц - Ац)]а -> 'ПИ» (3)

I1 11 .

где: Рц, Шц - спрос и предложение (И продукта ^ потребителю

соответственно; Бу - цена ¡и продукта у ^потребителя; к - число продуктов; I - число потребителей. Ограничение на искомые переменные

Р„= 0; т.=1ти (4)

где: т, - производительность установки по № продукту. Таким образом, возникает задача на условный экстремум, которая решается методом неопределенных множителей Лагранжа и определяются оптимальные величины ш'| и ст*

На втором этапе проводится режимно-технологическая и структурная оптимизация реакторной системы. Критерий оптимизации имеет вид

tS, 1-

+ ... +Sk i-

•cr,

+ SB 1-

Фв, Ч»^

—> min,

где: фв, CT J - расчетные величины степени превращения и селективности по i^J продукту соответственно, S,- средневзвешенная цена на i™ продукт, фд - заданное значение степени превращения ведущего компонента. Значения 6, и фп рассчитываются по математической модели ХТС.

В главе дается обоснование гипотетической структуры реакторной ХТС для проведения последовательно-параллельных реакций (рис.2).

ON1

ОН

Go6

ИС.

002

<XI2

ИС:

СИ

п

aiF

au

®-»ИСэ

(toi

ан

au

СС45

ai5

aiN

сад

Go6

^-»...-х^ИСыН

Onf

cgf

cüf

1

ais

aw

04F

Рис.2 Гипотетическая структура однородной реакторной системы ® - узлы смешения; • - узлы разделения потоков, ау - доля потока из ¡-го разделителя в .¡-тый смеситель

Показано, что для обеспечения гибкости, т.е. возможности изменять селективность -по продуктам реакторная ХТС должна состоять, как минимум, из двух реакторов: идеального смешения и идеального • вытеснения. Структура реакторной ХТС должна предусматривать различные варианты технологических соединений реакторов: последовательное, параллельное, последовагельно-параллель-ное. Для однородности структуры моделей аппаратов реактор идеального вытеснения аппроксимируется каскадом их N реакторов' идеального смешения.

0<ау<1; £ап=1; '¿«„ + 0^ = 1 (6)

1-1 1=1

Далее и работе рассматриваются шшросы математического описания реакторной системы, состоящего из моделей элементов и модели структуры ХТС. На основе анализа процессов микросмсшения на уровне глобул или элементов жидкости предложены два варианта моделей.

Математическое описание однородной реакторной системы для условий максимальной смещенности представляет собой систему нелинейных алгебраических уравнений материального баланса по компонентам реакции для каждого модуля идеального смешения и уравнений связи между элементами, т.е. уравнений материального баланса смесителей и разделителей потоков.

У(к) = Е(к> (х(к),и(к),0(к)|,

Х(к) = £ац-У(», (7)

Ха]к=1, 0 < а^ < 1, к = Ш

где: N - число блоков в сисгеме,

- векторы входных и

выходных переменных к-го блока и вектор параметров; и'к' - вектор управляющих переменных; а к - структурные переменные.

Основные вычислительные затраты при структурной и режимно-технологической оптимизации ХТС приходятся на решение систем уравнений моделей элементов, которое необходимо проводить на каждом шаге итерационной процедуры. Поэтому предлагается использовать подход к построению модели системы как единого "большого" реактора, позволяющий исключить необходимость многократного решения уравнений моделей при изменении структурных переменных. Он базируется на особенностях рассматриваемой однородной системы и допущении о состоянии полной сегрегации элементов жидкости в системе. В этом случае модель ХТС для изотермических условий состоит из кинетических уравнений

— = ф(с,е), С|Т=0 = с0 (8)

и соотношения, определяющего концентрацию ¡ш компонента реакции на выходе системы

С1в1Ж=?С,(т)-Г(а,У,т)-с1т1 О)

где: С,(т) - решение системы (8), 0 - кинетические параметры, ^а, V, т) - плотность функцни распределения премспи пребывания элементов жидкости в ХТС, а, V - структурные и конструктивные параметры системы. При изменении структурных переменных а изменяются только параметры функции V, т) и нет необходимости решать систему (8).

В работе получено аналитическое выражение функции плотности распределения времени пребывания для рассматриваемой системы» (рис.2).

. В заключении сформулировано содержание основных этапов решения задачи оптимального синтеза (рис.3).

Рис.3 Этапы оптимального синтеза гибких многопродуктовых реакторных систем

В третьей главе проведен'анализ структуры кинетических моделей последовательно-параллельных реакций, подходов и методов параметрической идентификации моделей. Выделены две принципиальные трудности решения задачи:- это высокая размерность вектора параметров и необходимость одновременного измерения в опытах концентраций большого числа ключевых веществ. Предложено решать многомерную задачу путем ее декомпозиции на ряд одно- и двухмерных. Для этого от си-

стемы кинетических уравнений для реакции (1) переходят к системе уравнений дифференциальных селективностей

_ 1+в ъ. '

¿У. У У (10)

ах ш х '

где: X - концентрация ведущего реагента В, У1 - концентрация ¡ш продукта 0, = к|/к,, ш - число продуктов.

Методом математической индукции получено общее решение системы (10) в виде линейной комбинации степенных функций при произвольных начальных условиях Х0, У10:

У. =¿3^-Х"' + С.-Х°"< , 1=1,{т -1) , в, = 1 (11)

ПЭк

аи=(-Г,+1)-сн^-с0 =1, в^вк

П К~ек

Используя соотношение (И), оценки параметров предложено определять следующим образом:

— вычисляются раздельно 0 а;

— определяется оценка к4 с использованием уравнения

(IX

—¡— ~ -к,У • X, где У - концентрация реагента А; от _ __

— вычисляются оценки к|, 1 = 2, т.

.Далее описано алгоритмическое обеспечение решения задачи параметрической идентификации моделей кинетики в форме обыкновенных дифференциальных уравнений методом максимального правдоподобия, приведены структура и алгоритм функционирования программных средств (ПС), результаты тестирования показали работоспособность ПС.

Регрессионный анализ результатов эксперимента с целью определения оценок параметров 0! в зависимости (И) необходимо проводить с_ учетом того, что измерения входной и выходной переменных являются случайными величинами. Критерий оптимальности оценок имеет вид

... „ уг~а(х0|,е)

(е) = £1 , V1 > (12>

где: Х<ц, Y¡ - экспериментальные значения входной и выходной переменных.

результатов измерений входной и выходной переменной в ум опыте, V, = дх\()/дХ, V, = а2-п(-)/ах2. Поиск минимума функции (12) предложено осуществлять методом Гаусса-Ньютона. Элементы вектора градиента функции И(9) и матрицы Гессе вычисляются с учетом зависимости функций (13) от текущих значений оценок параметров. Программное обеспечение решения задачи оттестировано и показана эффективность алгоритма.

Четвертая глава посвящена разработке алгоритмического и программного обеспечения моделирования и оптимизации реакторных систем. .Разработаны алгоритмы численных методов, используемых для решения задачи. Функциональная структура ПО, представленная на рис.4, позволяет проводить расчет ХТС при использовании моделей полной сегрегации и моделей максимальной смешенности.

Проведен численный анализ реакторной системы при проведении типовой последовательно-параллельной трехстад'ийной реакции окси-этилирования бутилового спирта.

Показано влияние структурных параметров ХТС на вид плотности распределения частиц по времени пребывания и ее центральные момен-ТБ1. Выявлено влияние уровня смешения на степень превращения исходт ных реагентов и селективности по продуктам. Показано, что одной и той же степени превращения исходных реагентов и приблизительно одинаковых селективностей можно добиться изменением структуры при времени пребывания отличающемся в два раза.

В результате численного анализа реакторной химико-технологической системы сделаны следующие выводы:

— при проектировании реакторного узла необходимо учитывать неопределенность информации относительно степеней превращения и селективностей, обусловленную типом используемой модели реакторной системы;

— на качественном и количественном уровне показана возможность управления селективностью реакции по продуктам путем варьирования структуры реакторной системы и режимно-технологических переменных - среднего времени пребывания и концентраций промежуточных продуктов во входном потоке, что позволяет обеспечить гибкость ОРС;

Программные средства моделирования реакторных ХТС

Ввод исходных данных: структурных и режимных параметров ХТС, начального состава на входе, параметров кинетически* закономерностей Рас чет реакторной ХТС

Модель полной сегрегации Модель максимальной смещенности

Определение концентраций компонентов по кинетической модели Определение концентраций компонентов на выходе ХТС Определение плотности функции распределения частиц по времени пребывания Решение системы уравнений материального баланса по компонентам для элементов ХТС

Алгоритм с использованием передаточной функции системы

Алгоритм с использованием пространства состояний

Расчет коэффициентов передаточной функции системы

Решение иого

: уравнении материаль-баланса смесителей

■УЧ.

I

Вывод результатов: состава на выходе, степеней превращения исходных реагентов, селективно-стей по продуктам

Решение систем обыкновенных дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта-Мерсона порядка Алгоритм численного интегрирования . Решение систем линейных алгебраических уравнений методом вращений Поиск корней полинома методом Ныотона-Рафсона Поиск матричного эксгюнециала использующий аппроксимацию Паде Решение систем нелинейных алгебраических уравнении методом Нью-тона-Рафсона

С

Рис.4 Структура программных средств моделирования реакторной ХТС

1а

— характер влияния варьируемых поисковых переменных на степень превращения и селективность по продуктам при использовании моделей полной сегрегации и максимальной смещенности одинаков. Поэтому при поиске оптимальных значений структурных переменных необходимо использовать модель, предполагающую режим полной сегрегации, т.к. время расчета схемы по этой модели в 2 + 10 раз меньше. Модель максимальной смещенности необходимо использовать на заключительном этапе, чтобы вычислить интервалы, в которых заключены истинные значения показателей процесса.

Учитывая вышесказанное, разработан алгоритм структурной и ре-жимно-технологической оптимизации ОРС. Проведено его тестирование.

В пятой главе ставится задача разработки гибкой реакторной системы процесса инициированного хлорирования ДХЭ по непрерывной схеме.

Приведено краткое описание существующего на ОАО "Капролак-там" процесса жидкофазного хлорирования ДХЭ в реакторе периодического действия (рис.5), отмечены недостатки.

Анализ литературных данных позволил сформулировать стадийный механизм радикалыю-цепиой реакции инициированного хлорирования ДХЭ с использованием принципа квазистационарности получена модель кинетики реакции.

На основе полученной модели кинетики разработана математическая модель реактора полупериодическогй действия, который использовался для экспериментальных исследований процесса.

Используя декомпозиционный подход найдены оценки параметров кинетической модели. Определены их температурные зависимости. Сравнение расчетных и экспериментальных данных показало удовлетворительную адекватность модели.

На базе имеющегося в производстве оборудования разработана структура гибкой реакторной системы непрерывного типа для проведения процесса инициированного хлорирования ДХЭ (рис.б). Особенность ее состоит в том, что инициатор и газообразный хлор подаются в каждый реактор независимыми потоками в количестве, которое полностью поглощается за счет реакции.

Разработаны математические модели реакторного узла для условий максимальной смещенности и полной сегрегации.

ДХЭ Хлор Порофор

Абгааы

гряоцнК (охл»*ддкш*м}

1 - реактор хлорирования

ДХЭ;

2 - фреоновый

холодильник;

3 - фазоразделитель;

4 - теплообменник;

5 - рециркуляционный

насос.

Рис.5 Опытная установка хлорирования дихлорэтана

а&шы (СЬ+ПСП

ДХЭ в о,, —И&-

тхэ

041

<ХНРМ1

Су|

ап.

<Х>* РМ2

012

<3,,

(1| 3

а»

№

ф*РМЗ

<Х13

Он

аи аз4

ази

<ХЪ> РМ4

(лз Съч

аш

Оя*

10и

Рис.6 Структурная схема реакторного узла непрерывного действия О, (Зу, С[ - поток смеси исходных компонентов (ДХЭ, ТХЭ), хлора и инициатора, соответственно; (Ху - структурные параметры.

Таблица 1

Результаты моделирования реакторной системы хлорирования ДХЭ_

№ п/п Структура реакторной системы Технологические Вцходные переменные Нагрузка по ДХЭ кмоль/мин

ne ременные Максимальное смешение Полная сегрегация

X мин. Х° M. д. м. д. фв ai • а2 аз ФВ ai a2 аз

1. Последовательное соединение реакторных модулей PMI + РМ4 an = = ап = 1,0 210 1,00 0,00 0,914 0,567 0,358 0,0650 0,933 0,616 0,382 0,008 0,362

2. Последователъно-параллсль-иое соединение РМ1 с цепочкой РМ2 +РМ4 aii = «j2=0,5 а№ = 1,0 210 1,00 0,00 0,846 0,554 0,355 0,0760 0,871 0,605 0,381 0,010 0,362

3. Параллельное соединение РМ1 с цепочкой РМ2 +РМ4 cti, = а,2= 0,5 aip= a4F= 1,0 210 1,00- 0,00 0,789 0,544 0,349 0,0850 0,801 0,604 0,380 0,014 0,362

4. Параллельное соединение РМ1 с цепочкой РМ2 +РМ4 с рециклом а„ = оц=0,5 . а« — ад? — 0,5 a1F = 1,0 210 1,00 0,00 0,746 0,533 "0,347 0,0930 0,761 0,593' 0,375 0,026 0,362

5. Последовательное соединение PMI + РМ4 an = a1F= an = 0,5 210 0,80 0,20 0,914 0,525 0,473 0,0880 0,933 0,455 0,505 0,031 0,290

6. Последовательное соединение PMI + РМ4 an = a4F= a( 2 = 0,5 210 0,83 0,17 0,914 0,451 0,452 0,0770 0,933 0,485 0,480 0,025 0,301

7. Последовательное соединение PMI + РМ4 a„ = a,F=a,2 =0,5 250 0,90 0,10 0,938 0,440 0,445 0,0974 0.9Д7 0,475 0,470 0,045 0,274

8. Последовательное соединение PMI + РМ4 си, = cuF= a„ = 0,5 310 1,00 0,00 0,961 0,430 0,428 0,1150 0,975 0,463 0,461 0,051 0,245

I—ВХ1 I —I I 1 —I 1 I

О.У, .-M.-I.-Y. (к, Х -К, У.)-О, У,. =0

I 1*х1 » I I . \ 1 1 2 11/ 1 11

- м, • I, - у,. (к, • У„ - кз. У„) - О, • у21 = о

31

+ - М, -1, - У, - (к,. У, - К, • Ун - к3. У„ + к4. У„) -О.-У.-О

аи + а,3 +а13 +а14 = 1

«12 + «13 + аи + «1Г = 1 «•23 + «ги = 1

«з4+азк = 1 0 < ау < 1

(15)

Осуществлено моделирование реакторной системы хлорирования ДХЭ. В табл.1 приводятся его результаты.

Для обеспечения одинаковых селективностей по первым двум продуктам и степени превращения дихлорэтана порядка 90 + 93 % может быть рекомендована структура № 6. Значения структурных и режимных переменных изменяются з зависимости от потребностей производства в продуктах.

1. Разработана двухуровневая процедура оптимизации многопродуктовых реакторных систем: на верхнем уровне определяются оптимальные значения потоков продуктов реакции на выходе системы, доставляющие максимум величине дохода от. реализации, либо минимизирующие расхождения между спросом и предложением; на нижнем уровне определяются значения технологических, конструктивных и структурных параметров, обеспечивающих- необходимые величины Степени превращения и селективностей по продуктам.

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

3. Предложен подход к синтезу математического описания однородной реакторной системы как единого "большого" аппарата, базирующегося

Основные результаты работы.

на допущении о состоянии микросмешения элементов жидкости в системе в целом. Модель в указанной форме позволяет существенно сократить затраты времени на расчет и оптимизацию схемы.

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

5. Синтезировано алгоритмическое и ПО моделирования реакторных ХТС, предусматривающее использование моделей реакторов двух типов: модель на основе состояния полной сегрегации и модель, учитывающая максимальную смещенность.

6. Разработан алгоритм и ПС режимно-технологической и структурной оптимизации реакторных схем.

7. На примере процесса оксиэтилирования бутилового спирта проведен численный анализ влияния типа моделей аппаратов, структуры реакторной системы, рецикла, части продуктов и времени пребывания на степень превращения реагентов и селективность по продуктам. Показано, что система обладает свойством гибкости и определен интервал неопределенности в значениях степеней превращения и селективностей, обусловленный типом используемых моделей реакторов.

8. Анализ структуры уравнений моделей кинетики последовательно-параллельных реакций позволил предложить декомпозиционный подход к решению задачи параметрической идентификации кинетических моделей, базирующийся на полученном аналитическом решении уравнений дифференциальных селективностей по продуктам реакции при произвольных начальных условиях. '

9. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение решения задачи параметрической идентификации кинетических моделей.

1Й. На основе анализа литературных данных сформулирован стадийный механизм реакции инициированного хлорирования ДХЭ и разработана модель кинетики.

П. На базе экспериментальных исследований, проведенных на полупромышленном реакторе хлорирования периодического действия, осуществлена параметрическая идентификация математической модели аппарата, в результате которой найдены оценки эффективных констант скоростей стадий последовательно-параллельной реакции хлорирования ДХЭ.

12. Синтезирована структурная схема реакторного узла и разработаны варианты математического описания его для условий максимальной смещенности элементов жидкости и условий полной сегрегации. Проведен численный анализ функционирования системы, в результате которого определены значения структурных и режимио-гехнологических переменных, обеспечивающих заданную степень превращения ДХЭ и необходимое соотношение целевых продуктов (ТХЭ : ТтХЭ) на выходе системы.

13. На основе исследований сформулированы и переданы в ОАО "Капролактам" рекомендации по аппаратурно-технологическому офор'м-

лению реакторного узла синтеза продуктов, получающихся при хлорировании ДХЭ непрерывным способом, обладающего свойством гибкости.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Головушкин A.A., Головушкин Б.А., Лабутин А.Н., Поздняков А.Б. Исследование реакторного узла процесса синтеза гликолей // тез. докл. (стенд.) IV межд. научн. конф. "Методы кибернетики химико-технологических процессов"/ РХТУ им. Д.И. Менделеева, (КХТП-IV-94), 1994 г., - Москва, 1994 - С. 19.

2. Головушкин Б.А., Головушкин A.A., Лабутин А.Н., Поздняков А.Б. Оптимизация реакторных систем для проведения последовательных реакций // Тез. докл. 9 Межд. конф. молодых ученых по химии и хим. технологии "МКХТ-95" /РХТУ им. Д.И, Менделеева 1995 г. -41-Москва, 1995-С. 10-11.

3. Поздняков А.Б., Лабутин А.Н., Гордеев Л.С., Головушкин А.А Оптимизация реакторных схем для реализации сложных реакций с нелинейной кинетикой // Тез. докл. 9 Межд. конф. молодых ученых по химии и хим. технологии "МКХТ-95" / РХТУ им. Д.И. Менделеева 1995 г. -41-Москва, 1995 - С. 10-11.

4. Лабутин А.Н., Поздняков А.Б., Ерофеева Е.В. Математическое и программное обеспечение задачи моделирования кинетики многоступенчаты!; реакций У/ Гез. докл. науч. тех. конф. препод, и сотруд. ИГХТА, 30 янв. - 3 фев. 1995 г. - Иваново, 1995. - С. 137.

5. Поздняков А.Б., Лабутин А.Н. Оптимизация реакторных систем для проведения последовательных реакций // Тез. докл. науч. тех. конф. препод, и сотруд. ИГХТА, 30 янв. - 3 фев. 1995 г. - Иваново, 1995. - С. 138.

6. Лабутин А.Н., Гордеев Л.С., Поздняков А.Б. Синтез и оптимизация гибких многопродуктовых ХТС непрерывного типа // Тез.' докл. межд. конф. "Математические методы в химии и химической технологии" (ММХ-9) / ТГТУ, 1995 г. - Ч 2 - Тверь, 1995 - С. 21-22.

7. Лабутин А.Н., Поздняков А.Б., Гордеев Л.С., Головушкин A.A. Оптимизация реакторных схем для реализации сложных реакций с линейной кинетикой //Тез, докл. межд. конф. "Математические методы в химии и химической технологии" (ММХ-9) ТГТУ, 1995 г. - Ч 2- Тверь, 1995 - С. 36-37.

8. Лабутин А.Н., Поздняков А.Б., Гордеев Л.С. Математическое и программное обеспечение задачи параметрической идентификации кинетики многостадийных реакций. // Тез. докл. межд. конф. "Математические методы в химии и химической технологии" (ММХ-9) / ТГТУ, 1995 г. -Ч 2- Тверь, 1995 - С. 13-14.

9. Лабутин А.Н., Поздняков А.Б., Шергин В.В., Головушкин Б.А. Оптимизация состава исходного- сырья в реакторах вытеснения с рециклом

для последовательно-параллельных реакций // Тез. докл. per. меж-вуз. конф. "Актуальные проблемы химии, химической технологии и химического образования (Химия-96) / ИГХТА, 22 - 26 апр.1996 г. - Иваново, - 1996- С. 210

10. Поздняков А.Б., Лабутин А.Н., Гриневич П.В. Исследование структуры однородных реакторных систем // Гез. докл. per. межвуз. конф. "Актуальные проблемы химии, химической технологии и химического образования (Химия-96) / ИГХТА, 22 - 26 апр.1996 г. - Иваново, -1996-С. 211 •

11. Головущкин Б.А., Лабутин А.Н., Поздняков А.Б. Оптимизация процесса получения полиэтиленгликолей // Изв. ВУЗов "Химия и химическая технология"'- 1996. - Т.39 - Вып. 4. - С. 164 - 167. - ISSN 0579 -2991.