автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Оптимизация управления процессом синтеза углеводородов из моноокиси углерода и водорода на кобальтовых катализаторах

Введение

Глава 1 Анализ процесса синтеза углеводородов на Со- ^ катализаторах как объекта управления

1.1 Физико-химические основы процесса

1.2 Кинетические математические модели ФТ-синтеза

1.2.1 Механизм ФТ-синтеза на Со-катализаторах

1.2.2 Формальная модель

1.2.3 Стохастическая формальная модель

1.2.4 Неформальная модель

1.2.5 Влияние природы катализатора на уравнение кинетики

1.3 Процесс синтеза на зерне катализатора

1.4 Анализ процесса в слое катализатора 36 Выводы

Глава 2 Моделирование стационарного процесса синтеза углеводородов

2.1 Постановка задачи моделирования

2.2 Кинетическая модель

2.2.1 Вывод кинетического уравнения

2.2.2 Размерность константы скорости реакции

2.2.3 Результаты моделирования кинетики

2.2.4 Выбор уравнения молекулярно-массового ^ распределения

2.3 Моделирование процесса на зерне катализатора

2.3.1 Математическое описание

2.3.2 Степень использования внутренней поверхности

2.4 Моделирование процесса в слое катализатора

2.4.1 Математическое описание

2.4.2 Параметры математической модели

2.4.3 Параметры настройки модели

2.5 Оценка адекватности модели процесса

Выводы

Глава 3 Моделирование динамики процесса 3.1 Динамическая модель процесса ФТ-синтеза

3.2 Расчет динамической модели

Выводы

Глава 4 Оптимизация управления процессом синтеза ^ углеводородов

4.1 Математическое описание падения активности катализатора

4.2 Критерий оптимизации

4.3 Метод оптимизации

4.4 Расчет оптимального управления процессом синтеза

4.5 Проектирование СУ процессом синтеза

4.5.1 Принцип автоматизации управления

4.5.2 Алгоритм управления 127 Выводы 130 Заключение 121 Литература 133 Приложение А. Алгоритм и описание программного обеспечения «РТ-тос1е1»

Актуальность темы. Производство углеводородов из окиси углерода и водорода (процесс Фишера-Тропша) является альтернативным процессу перегонки нефти. Образующийся продукт представляет собой совокупность предельных и непредельных углеводородов, и побочных продуктов (кислоты, спирты), которые имеют почти равномерный закон распределения по молекулярной массе с неявно выраженным максимумом.

Синтез углеводородов из СО и Н2 представляет собой процесс образования длинных углеродных цепочек за счет химической реакции между СО и Н2 на поверхности катализатора, в качестве которого часто используется кобальтовый. Главным фактором, определяющим качество продукта синтеза, является селективность по целевой фракции, доля которой должна быть максимальной. Поэтому актуальным является повышение селективности процесса синтеза углеводородов.

Процесс синтеза проводят в специальных химических реакторах, которые представляют-собой трубчатые теплообменники с неподвижным слоем катализатора в трубном пространстве. На вход реактора подают синтез-газ, на 80% состоящий из СО и Н2 и 20% инертных газов (С02, N2, СН4). Далее на поверхности катализатора протекают параллельные и последовательные реакции между СО, Н2 и промежуточными соединениями, количество которых теоретически неограниченно. В процессе протекания этих реакций выделяется большое количество тепла. Перегрев в трубном пространстве ведет к потере активности катализатора и далее к его разрушению. Поэтому для отвода избыточного тепла в межтрубное пространство подается хладагент (вода). Состав продукта синтеза определяется температурным режимом: так повышение температуры ведет к преимущественному образованию легких углеводородов, а понижение температуры - тяжелых. На качество продукта также влияют давление в трубном пространстве, расход синтез-газа и состав синтез-газа. Таким образом, качество продукта имеет сложную зависимость от технологических параметров процесса и для его повышения необходимо осуществлять управление процессом посредством изменения этих параметров.

Существующий способ управления основан на статистическом анализе накопленного практического опыта и заключается в рекомендациях по изменению технологических параметров и состава катализатора. Однако неучет комплексных взаимосвязей между параметрами делает сложным к достижение оптимального качества продукта. Получение зависимости качества продукта синтеза от входных параметров синтез-газа и технологических параметров возможно с помощью математического моделирования каталитических процессов с неподвижным слоем катализатора В этой связи актуальным является создание способа управления, заключающегося в реализации оптимального закона изменения технологических параметров с помощью математической модели процесса синтеза углеводородов.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является повышение эффективности управления процессом синтеза углеводородов путем поиска оптимальных технологических режимов по математической модели процесса в зависимости от оценки текущего состояния продукта.

Дня достижения поставленной цели в работе решаются следующие научные задачи.

- анализ процесса синтеза углеводородов как объекта управления;

- создание математической модели стационарного процесса синтеза углеводородов на кобальтовых катализаторах;

- создание математической модели нестационарного процесса;

- разработка способа управления процессом;

- оптимизация управления процессом синтеза углеводородов с помощью динамической модели процесса;

- построение функциональной и алгоритмической структуры системы управления с динамической моделью процесса;

Новизна научных положений, выносимых на защиту:

1) создана динамическая модель процесса синтеза углеводородов на кобальтовых катализаторах, описывающая объемные температурные и концентрационные поля в реакторе синтеза и распределение углеводородов в продукте, позволяющая исследовать процесс при различных технологических режимах и отличающаяся новым подходом к моделированию кинетики процесса, основанным на объединении формального уравнения скорости химической реакции и уравнения распределения углеводородов в продукте. Исследование динамической модели позволило установить практически важные ограничения на технологические параметры, сформулировать задачи управления из условия квазистационарности процесса синтеза углеводородов;

2) предложен способ управления процессом, заключающийся в определении в каждый дискретный момент времени с помощью настраиваемой на характеристики реального объекта математической модели по результатам сравнения расчетных и действительных параметров продукта значений технологических параметров, обеспечивающих максимум селективности и производительности процесса по желаемому продукту;

3) предложен принцип настройки математической модели, заключающийся в определении значений корректирующих коэффициентов, соответствующих текущему состоянию процесса, путем последовательного сравнения действительных значений параметров продукта и результатов моделирования процесса с использованием элементов базы данных, представляющих собой совокупность информации об условии проведения процесса, качестве продукта и соответствующих им значениях корректирующих коэффициентов;

4) создана алгоритмическая структура СУ процессом синтеза углеводородов, включающая настраиваемую на характеристики реального объекта математическую модель и алгоритм поиска оптимального закона изменения технологических параметров, обеспечивающего максимум целевой фракции в продукте синтеза.

Практическая ценность работы:

1) определены параметрические чувствительности технологических параметров, согласно которым выявлена практически важная закономерность их участия в управлении процессом по убыванию степени влияния на состояние процесса: температура хладагента, расход синтез-газа, состав синтеза-газа, давление;

2) выявлены особенности формирования управления процессом, заключающиеся в учете взаимосвязей технологических параметров: температуры хладагента и расхода синтез-газа, которые имеют обратную зависимость. Так, повышение расхода ведет к уменьшению температуры в трубке реактора за счет увеличения линейной скорости потока газа и, следовательно, съема тепла, и наоборот. Данные особенности позволяют осуществлять более эффективное управление процессом в существующих производственных условиях;

3) определены ограничения на скорость изменения технологических параметров по модели нестационарного процесса, позволяющие на практике избежать выхода состояния процесса из области допустимых значений;

4) создано программное обеспечение, реализующее алгоритмы расчета моделей стационарного и нестационарного процесса синтеза углеводородов на кобальтовых катализаторах и алгоритм поиска оптимального закона управления процессом, позволяющее автоматизировать исследования процесса синтеза за счет обеспечения удобного пользовательского интерфейса с поддержкой операционной системы Windows.

Методы исследования. В работе в качестве основного метода моделирования процесса синтеза углеводородов использован квазигомогенный метод моделирования каталитических процессов с неподвижным слоем катализатора; метод конечно-разностных уравнений для к решения задач математического моделирования, методы теории управления и принятия решений.

Внедрение основных результатов диссертационной работы.

Полученная математическая модель процесса ФТ-синтеза на кобальтовых катализаторах признана адекватно описывающей процесс синтеза, реализованный на производстве №3 НЗСП, и рекомендована к использованию в практике управления процессом. Созданное программное обеспечение используется в учебном процессе ЮРГТУ (НПИ) на кафедре автоматики и телемеханики.

Апробация работы. Основные положения и результаты, полученные в диссертационной работе, опубликованы в 7 печатных работах, доложены, обсуждены и получили положительную оценку на международных научно-технических конференциях «Математические методы в технике и технологии» (С.-Петербург, 2000г.), «Новые технологии управления движением технических объектов» (Новочеркасск, 2000 г.).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы, включающего 57 наименований, 2 приложений. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков и 14 таблиц.

Выводы

При оптимизации управления процессом синтеза углеводородов были получены следующие результаты:

- рассчитаны оптимальные законы управления процессом, обеспечивающие максимальный выход в одном случае углеводорода С7Н16, и СпНзб - в другом случае, с помощью модели процесса;

- построена функциональная схема СУ процессом на основе настраиваемой модели процесса;

- разработан и реализован на ЭВМ (ПО «РТ-шоёе1») алгоритм оптимизации управления процессом, основанный на методе параметрического синтеза;

- сформулирован способ управления процессом, заключающийся в определении в каждый дискретный момент времени оптимальных значений технологических параметров, максимизирующих селективности и производительности процесса по желаемому продукту с помощью модели процесса.

Заключение

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1. Создана математическая модель стационарного процесса синтеза углеводородов из СО и Н2 на кобальтовых катализаторах, адекватно описывающая процесс (максимальная относительная погрешность составляет 16%). Предложен новый способ моделирования кинетики процесса синтеза, заключающийся в объединении формального уравнения скорости химической реакции и уравнения распределения углеводородов в продукте и отличается простотой (малое число коэффициентов, определяемых экспериментальным путем) и полнотой (учитываются взаимосвязи основных технологических параметров).

2. Создана модель нестационарного процесса синтеза углеводородов из СО и Н2 на Со-катализаторах, описывающая изменение состояния процесса во времени при возмущающих воздействиях. Установлено, что процесс синтеза углеводородов относится к квазистатическим процессам, в связи с чем достаточно решать стационарную задачу оптимизации управления процессом с учетом процесса падения активности катализатора.

3. Разработано программное обеспечение для расчета модели стационарного процесса «FT-model», позволяющее моделировать процесс, производить настройку модели, рассчитывать оптимальный закон управления процессом. Разработано программное обеспечение для расчета динамической модели «Динамика процесса», реализующее сеточный метод решения дифференциальных уравнений в частных производных, позволяющее моделировать динамику процесса при различных возмущениях, обеспечивающее удобный пользовательский интерфейс и поддержку оперативной системы Windows.

4. Определены граничные условия на скорость изменения управляющих переменных, позволяющие удерживать состояние процесса в области допустимых значений.

132

5. Рассчитаны оптимальные законы управления процессом по его модели, обеспечивающие максимальный выход в одном случае углеводорода С7Н16, и другом С17Н36.

6. Построена функциональная схема СУ процессом на основе настраиваемой модели процесса. Разработан и реализован на ЭВМ (ПО «FTmodel») алгоритм оптимизации управления процессом, основанный на к методе параметрического синтеза.

7. Сформулирован способ управления процессом, заключающийся в определении в каждый дискретный момент времени оптимальных значений технологических параметров, максимизирующих селективность и производительность процесса по желаемому продукту с помощью модели процесса.

1. Технологический регламент производства №3 Новочеркасского заводя синтетических продуктов. - Новочеркасск, НЗСП, 1997 г.

2. Сторч Г., Голамбик Н., Андерсон Р. Синтез углеводородов из окиси углерода и водорода. М.: Иностранная литература, 1954. - 516 с.3.' Иоффе И.И., Решетов В.А., Добротворский A.M. Гетерогенный катализ. Л.: Химия, 1985.

3. Катализ в промышленности. М.: Мир, 1986. - Т. 1, Т.2. - 324 с.

4. Справочник азотчика. М.: Химия, 1986. - 512 с.

5. Fischer F., Tropsch Н., Brennstoff-Chem., 7, 97, 1926.

6. Craxford S.R., Rideal E.K., J., Chem. Soc., 1939,1604.

7. Craxford S.R., Trans. Faraday Soc., 42, 576, 1946.

8. Kummer J.T., De Witt T.W., Emmett P.H., J. Am. Chem. Soc., 70, 3632,- 1948.

9. Pichler H., Synthesis of Hydrocarbons from Carbon Monoxide and Hydrogen, U.S. Bur. Mines, Spec. Rept.,-1947, 158 pp. Translation reproduced in TOM, Reel 259, Frames 467-654.

10. Montgomery C.W., Weinberger E.B., J. Chem. Phys., 16, 424,- 1948.

11. Herington E.F.G., Chemistry & Industry,- 1946, 347.

12. Anderson R.B., Friedel R.A., Storch H.H., J. Chem. Phys., 19, 313,1951.

13. Малиновская O.A., Бесков B.C., Слинько М.Г. Моделирование каталитических процессов на пористых зернах. Новосибирск: Наука, 1975. - 265 с.

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

15. Hougen O.A., Watson K.M., Ind. Eng. Chem., 35, 529,- 1943.

16. Anderson R.B., Lecky J., неопубликованные данные.

17. Koelbel H., Ralek M., Erdöl u. Kohle, 2, 52,- 1949.

18. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1981. - Т. 1, Т.2. - 812 с.

19. Катализ. Исследование гетерогенных процессов. М.: Химия, 1956.-394 с.

20. Франк-Каменецкий ДА. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1967. - 134 с.

21. Лозовой A.B., Дьякова М.К. Гидрогенизация топлива в СССР. -М. : Изд-во АН СССР, 1940.

22. Рапопорт И.Б. Искусственное жидкое топливо. М.: •Гостоптехиздат, 1955.

23. Калечиц И.В. Химия гидрогенизационных процессов в переработке топлив. М.: Химия, 1973. - 336 с.

24. Гончарова Н.Б., Кривозубова Н.В., Евсеев Г.Д. Химия и технология топлив и масел, 1958. №12, р.15.

25. Нефедов Б.К. Синтезы органических соединений на основе окиси углерода М.: Наука, - 1978.

26. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. М.: Химия, 1968.

27. Темкин М.И. Механизм и кинетика сложных реакций. М.: Наука,1970.

28. Гиршфельдер Дж., Кертис Ч., Брд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: ИЛ, 1961.

29. Крюков Ю.Б., Башкиров АД. и др. Кинетика и катализ, 1961. Т.2, с. 702.

30. Попова Н.М., Бабенкова Л.В., Савельева Г.А. Адсорбция и взаимодействие простейших газов с металлами VIII группы. Алма-Ата: Наука, 1979. -280 с.

31. Карчевский ММ.,. Ляшко А.Д., Павлова М.Ф. Методы вычислений: численные методы решения дифференциальных уравнений. Учебно-методическое пособие. Казань: Изд-во Казан, ун-та, 1990. - 124 с.

32. Самарский A.A. Теория разностных схем. М.: Наука, 1977. - 121с.

33. Слинько М.Г., Бесков B.C., Скоморохов В.Б. и др. Методы моделирования каталитических процессов на аналоговых и цифровых вычислительных машинах. Новосибирск: Наука, 1972. - 150 с.

34. Годунов С.К., Рябенький B.C. Введение в теорию разностных схем. М.: Физматгиз, 1962.

35. Яненко H.H. Метод дробных шагов решения многомерных задач математической физики. Новосибирск: Наука, 1966.

36. Саульев В.К. Интегрирование уравнений параболического типа методом сеток. М.: Фзматгиз, 1960.

37. Матрос Ю.Ш. Нестационарные процессы в каталитических реакторах. Новосибирск: Наука Сиб. отд., 1982.

38. Теория автоматического управления. Под ред. Нетушила. М.: Высшая школа, 1986. - Ч. 1,4.2. - 367 с.

39. Вовк С.Н. Математический эксперимент и научное познание. -Киев: Вища школа, 1984. 196 с.

40. Алимов Ю.И. Элементы теории эксперимента. Опытная проверка утверждений математической статистики. Свердловск: Изд-во Урал, политехи, ин-та, 1978. - 225 с.

41. Ахназарова C.JL, Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М.: Высш. шк., 1978. - 319 с.

42. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Наука, 1976. 279 с.46. -Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М.: Физматгиз, 1962.

43. Жаров Ю.М. Проблемы дезактивации катализатора. 4.11.к

44. Новосибирск, Институт катализа СО АН СССР, 1985. 52 с.

45. Быков В.И., Федотов А.В. Оптимизация реакторов с падающей активностью катализатора. Новосибирск: Наука, 1982.

46. Островский Г.М., Волин Ю.М. Методы оптимизации сложных химико-технологических схем. М.: Химия, 1970. - 328 с.

47. Островский Г.М., Волин Ю.М. Методы оптимизации химических реакторов. М.: Химия, 1967. - 248 с.

48. Фельдбаум А. А. Основы теории оптимальных автоматических систем. Физматгиз, 1963.

49. Арис Р. Оптимальное проектирование химических реакторов. -М. . Издатлит, 1963.

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

51. Дидушинский Я. Основы проектирования каталитических реакторов. М.: Химия, 1972. - 376 с.

52. Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартек М.Г. Общая химическая технология. М.: Высшая школа, 1985. - 448 с.

53. Липатов Л.Н. Типовые процессы химической технологии как объекты управления. М.: Химия, 1973. - 320 с.

54. Гельперин И.К., Каган A.M. Аппараты с неподвижным зернистым слоем. Обзорная информация. М. НИИТЭХИМ, 1978.