автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.04, диссертация на тему:Разработка метода анализа стационарных состояний рециркуляционных реакционно-ректификационных процессов



/ /

I i И

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ТОНКОЙ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

На правах рукописи

БЛАГОВ СЕРГЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА АНАЛИЗА СТАЦИОНАРНЫХ СОСТОЯНИЙ РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫХ РАКЦИОННО-РЕКТИФИКАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

05.17.04 - Технология продуктов тяжелого (или основного) органического синтеза

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Солохин А.В.

МОСКВА - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ....................................................9

1.1. Рециркуляция - технологический принцип создания эффективных технологий ... 9

1.1.1. Технический аспект.........................................................................................10

1.1.2. Химический аспект..........................................................................................10

1.1.3. Технико-экономический аспект .....................................................................11

1.1.4. Экологический аспект .....................................................................................12

1.2. Системный анализ - основа стратегии исследования рециркуляционных систем 12

1.3. Рециркуляция в химических процессах......................................................................14

1.4. Рециркуляция в ректификационных системах разделения......................................17

1.5. Совмещенные реакционно-ректификационные процессы.......................................20

1.6. Методы расчета рециркуляционных систем...............................................................23

1.7. Проверка работоспособности и анализ стационарных состояний...........................26

1.8. Постановка задачи проверки принципиальной работоспособности и анализа стационарных состояний............................................................................................31

ГЛАВА 2. АППРОКСИМАЦИОННЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И СТАЦИОНАРНЫХ СОСТОЯНИЙ РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫХ ХТС............................................................................34

2.1. Общая характеристика...................................................................................;.............34

2.2. Допущения и ограничесния.........................................................................................35

2.2.1. Понятие предельной ХТС................................................................................35

2.2.2. Базовые технологические элементы...............................................................36

2.3. Математические модели...............................................................................................37

2.3.1. Уравнения материального баланса. Выбор переменных состояния............37

2.3.2. Простая ректификационная колонна..............................................................39

2.3.3. Равновесный химический реактор...................................................,..............49

2.3.4. Флорентийский сосуд.......................................................................................51

2.3.5. Совмещенная реакционно-ректификационная колонна...............................51

2.4. Процедура проверки работоспособности ХТС..........................................................53

2.4.1. Оценка минимального потока рецикла...........................................................54

2.4.2. Оценка максимальной степени превращения................................................54

2.4.3. Алгоритм процедуры анализа работоспособности........................................55

ГЛАВА 3. ПРИМЕРЫ АНАЛИЗА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И

СТАЦИОНАРНЫХ СОСТОЯНИЙ РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫХ ХТС...............57

3.1. Анализ работоспособности ХТС, в которой используется принцип

перераспределения полей концентраций за счет химической реакции..................57

3.1.1. Описание принципиальной технологической схемы....................................58

3.1.2. Постановка задачи. Принятые допущения.....................................................59

3.1.3. Полное множество предельных типов разделения...........................:............61

3.1.4. Уравнения материального баланса.................................................................65

3.1.5. Проверка возможности реализации стационарных состояний различных типов...................................................................................................................66

3.1.6. Структура пространства решений...................................................................71

3.2. Анализ стационарных состояний рециркуляционного реакционно-

ректификационного процесса в системе с конкурирующими реакциями..............74

3.2.1. Постановка задачи ..1..........................................................................................74

3.2.2. Выбор объекта. Принятые допущения............................................................75

3.2.3. Стехиометрический анализ. Условие полного превращения.......................76

3.2.4. Обобщенная структура технологической схемы...........................................78

3.2.5. Предельные и граничные типы разделения...................................................79

3.2.6. Математическая модель...................................................................................81

3.2.7. Переход к безразмерным переменным и параметрам процесса...................82

3.2.8. Структура параметрического пространства...................................................84

3.2.9. Примеры множественных стационарных состояний....................................94

3.2.10. Область целевого разделения.......................................................................... 95

3.2.11. Устойчивость.....................................................................................................95

3.2.12. Обобщение результатов...................................................................................96

ГЛАВА 4. СИНТЕЗ СТРУКТУР ДИАГРАММ ПАРО-ЖИДКОСТНОГО

РАВНОВЕСИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ФАЗОВОГО РАВНОВЕСИЯ..............................................................97

4.1. Постановка задачи........................................................................................................97

4.2. Особые точки векторного поля нод............................................................................98

4.3. Применение правил азеотропии................................................................................101

4.4. Внутренние узловые азеотропы................................................................................103

4.4.1. Области притяжения внутренних узлов.......................................................103

4.4.2. Условие существования внутреннего узлового азеотропа.........................106

4.5. Внутренние седловые азеотропы..............................................................................113

4.5.1. Понятие (/я-2)-индексного единичного ^-многообразия............................110

4.5.2. Закон движения по (из-2)-индексному единичному ^"-многообразию......117

4.5.3. Идентификация внутреннего азеотропа на (т-2)-индексном единичном АТ-многообразии...............................................................................................120

4.6. Структурный граф и матрица ректификации...........................................................121

4.6.1. Понятия структурного графа и матрицы ректификации.............................121

4.6.2. Синтез структурной матрицы ректификации...............................................122

4.6.3. Грубые состояния динамической системы открытого испарения.............124

4.6.4. Бинарные смеси...............................................................................................127

4.6.5. Трехкомпонентные смеси..............................................................................128

4.6.6. Четырехкомпонентные смеси........................................................................129

4.7. Разделяющие многообразия в четырехкомпонентных системах...........................131

4.7.1. Свойства разделяющих поверхностей в тетраэдре......................................131

4.7.2. Грубые динамические системы открытого испарения в четырехкомпонентных смесях.......................................................................133

4.7.3. Геометрические характеристики контуров пересечения разделяющих

многообразий с поверхностью тетраэдра.....................................................134

4.7.4. Допустимые типы сегментов контуров и варианты их стыковки..............138

4.7.5. Гладкость разделяющего многообразия как критерий согласованной структуры диаграммы паро-жидкостного равновесия................................141

4.7.6. Выделение замкнутых контуров на поверхности тетраэдра......................143

4.7.7. Уравнения особых точек двумерных векторных полей равновесных нод 146

4.7.8. Особые точки контуров. Проверка согласованности особых точек контура.............................................................................................................155

4.8. Алгоритм выделения разделяющих многообразий.................................................158

4.8.1. Блок-схема алгоритма.....................................................................................158

4.8.2. Синтез (неполной) структурной матрицы ректификации на основе данных диаграмм ПЖР трехкомпонентных составляющих смеси............161

4.8.3. Проверка правил азеотропии.........................................................................162

4.8.4. Проверка критерия существования разделяющих многообразий..............163

4.8.5. Определение дополнительных граничных связей типа узел - узел...........164

4.8.6. Синтез полного множества сегментов на гранях тетраэдра.......................165

4.8.7. Синтез полного множества замкнутых контуров на поверхности тетраэдра..........................................................................................................167

4.8.8. Проверка контуров на согласованность особых точек...............................171

4.8.9. Синтез структурных графов двумерных многообразий, соответствующих выделенным контурам....................................................172

4.8.10. Отсечение незначимых областей на структурных графах разделяющих многообразий...................................................................................................178

4.8.11. Выделение множества взаимно непротиворечивых структурных графов двумерных разделяющих многообразий ......................................................178

ВЫВОДЫ......................................................,..........................................................:................. 180

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................................,........ 181

ПРИЛОЖЕНИЕ

191

ВВЕДЕНИЕ

Основным требованием, предъявляемым к химическим и нефтехимическим производствам, является комплексное использование природных и энергетических ресурсов при соблюдении принципа минимального воздействия на окружающую среду. Реализация данного требования невозможна без фундаментальных исследований в области химической технологии, базирующихся на широком использовании термодинамики, математики и средств вычислительной техники. Использование достижений в этой области позволяет создавать новые технологии и кардинальным образом изменять существующие за счет использования принципов, направленных на создание малоотходных и энергосберегающих производств. Так известно, что при использовании разомкнутых химико-технологических систем (ХТС) в большинстве случаев принципиально невозможно проведение процессов при полной конверсии реагентов и полном разделении продуктов реакции из-за наличия термодинамических ограничений, определяемых спецификой структур диаграмм фазового и химического равновесий. В частности, для обратимых реакций невозможно достижение полной конверсии реагентов в реакторе любого типа. С другой стороны, в ректификационных процессах из-за наличия азеотропов в реакционной смеси часто невозможно выделение продуктов требуемого качества. Преодоление указанных ограничений возможно при использовании комплексов - замкнутых ХТС с рециклами.

Наличие обратных материальных потоков в комплексах приводит к тому, что состояние входных потоков элементов схемы становится неопределенным. Такая неопределенность не позволяет проводить последовательный и независимый анализ работы отдельных аппаратов. В силу многомерности и существенной нелинейности математических моделей рециркуляционных ХТС анализ таких систем является, в общем случае, нетривиальной задачей и не может осуществляться точными аналитическими методами. В настоящее время общепринятым, универсальным методом анализа ХТС с рециклами является компьютерное моделирование. При таком численном подходе часто возникают проблемы, связанные с выбором "хорошего" начального приближения и методики проведения расчета, обеспечивающих сходимость.

Характерной чертой рециркуляционных процессов является явление полистационарности, когда для одного и того же набора режимных параметров возможно существование одновременно нескольких стационарных состояний. Существующие численные методы не гарантируют определения полного множества возможных стационарных состояний и не всегда позволяют установить причины возникновения явления

полистационарности. Очевидно, что знание этих причин позволило бы определять оптимальную стратегию пуска и управления процессом, которые обеспечивали бы выход на оптимальное стационарное состояние. Во многих случаях, полистационарность является причиной расходимости итерационных методов расчета (моделирования) ХТС.

При компьютерном моделировании задачи оптимизации и оценки предельных значений режимных и конструкционных параметров (в частности, значений минимального потока рецикла и минимального объема реактора) связаны с проведением большого количества трудоемких поверочных расчетов.

Таким образом, актуальной является разработка метода качественного анализа стационарных состояний рециркуляционных ХТС, позволяющего решать на ранних этапах проектирования следующие задачи.

- Проверка принципиальной работоспособности ХТС - т.е. проверка принципиальной возможности получения продуктов заданного качества.

- Оценка предельных значений основных режимных и конструкционных параметров, позволяющих достигать целевого стационарного состояния.

- Выявление полного множества стационарных состояний процесса и анализ причин возникновения полистационарности

- Качественный анализ устойчивости и параметрической чувствительности целевого стационарного состояния.

Разработка указанного метода позволит проводить первичное сравнение альтернативных вариантов организации процесса и генерировать надежные начальные приближения для последующего компьютерного моделирования, что приведет к значительному снижению трудоемкости и повышению надежности результатов проектирования. Кроме того, предлагаемый метод может рассматриваться как необходимая составная часть активно разрабатываемых компьютерных методов комбинаторного синтеза химико-технологических систем.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке теоретического, информационного и программного обеспечения для качественного анализа предельных стационарных состояний рециркуляционных реакционно-ректификационных процессов на основе термодинамико-топологического анализа процесса ректификации. Отдельная часть работы посвящена разработке алгоритмов и созданию программного обеспечения для автоматизированного синтеза структур диаграмм парожидкостного равновесия, информация о которых является необходимой для реализации предлагаемого метода, а также имеет самостоятельное значение при проектировании ректификационных процессов разделения.

Работа над диссертацией выполнялась в рамках направления 04.03.02 ФЦНТП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения", тема № П-1.322-863 "Разработка теоретического, информационного и программного обеспечения для синтеза принципиальных реакционно-ректификационных технологических схем на основе термодинамико-теопологического анализа".

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографии и приложения.

В первой главе приведен развернутый литературный обзор, посвященный вопросам теории, моделирования и применения рециркуляционных процессов. Рассмотрены существующие методики качественного анализа работоспособности ХТС с рециклами. Отмечено, что на сегодняшний день единый подход к такому анализу отсутствует, также как не существует специальных компьютерных средств для его проведения. Исходя из имеющейся литературной информации сформулированы основные цели и задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена разработке метода качественного анализа предельных стационарных состояний рециркуляционных реакционно-ректификационных процессов. Основой предлагаемого метода является анализ структурных особенностей диаграмм фазового и химического равновесий, а также теория четких и получетких разделений в ректификации. Для того чтобы избежать численных и аналитических проблем, обусловленных нелинейностью, в работе предлагается замена (аппроксимация) исходной математической модели семейством линейных подмоделей. При этом идет речь о кусочно-линейной аппроксимации структурных элементов диаграмм фазового и химического равновесий, т.е. аппроксимации разделяющих многообразий диаграмм парожидкостного равновесия, бинодальных многообразий диаграмм расслаивания и многообразий химического равновесия. Такая аппроксимация позволяет использовать для анализа хорошо разработанные методы линейной алгебры и линейного программирования.

В третьей главе приведены примеры применения предложенного метода для анализа стационарных состояний рециркуляционных ХТС. В первом примере рассматривается ХТС, в которой для достижения полного превращения реагента и полного разделения продуктов реакции 2А о В + С используется принцип перераспределения полей концентраций за счет химической реакции. Для данной системы установлено существование бесконечного множества (континуума) стационарных состояний при фиксированных значениях величины потока рецикла.

Во втором примере рассматривается система "реактор - ректификационная колонна" с двумя конкурирующими необратимыми реакциями для двух вариантов распределения температур кипения реагентов. Для обоих вариантов установленные структуры параметрического пространства "объем реактора - величина потока рецикла" являются сложными и содержат ряд областей, отличающихся как количеством (от 1 до 5), так и типами реализуемых стационарных состоя