.png&w=384&q=75)
Основная часть
В настоящее время для решения указанных задач компьютерного моделирования химических реакторов и сложных химико-технологических систем широко используются пакеты моделирующих программ (ПМП) Aspen, Hysys, PRO-II и CHEMCAD, которые позволяют быстро и надежно создавать компьютерные модели, как отдельных процессов, так и сложных химических производств в целом. С помощью этих пакетов программ решаются задачи анализа и оптимизации действующих производств, а также задачи синтеза энерго-и ресурсосберегающих технологических схем новых проектируемых производств.
Разработанные процедуры и алгоритмы вносят вклад в развитие методов математического моделирования и могут быть применены для построения компьютерных моделей сложных непрерывных энерго- и ресурсоемких химико-технологических систем, а также для нахождения кинетических констант различных типов химических реакций и расчета автотермических процессов и высокотемпературных процессов в трубчатых реакторах.
Разработана компьютерная модель принципиальной технологической схемы ароматизации легких алканов из пропан-бутановой смеси и путем расчетных исследований определены условия разделения продукта в четырех колонной ректификационной установке.
С применением комплекса программ CHEMCAD реализован эволюционный алгоритм синтеза энергосберегающих технологических схем ректификации. Разработаны компьютерные модели пяти различных вариантов установок ректификации ароматических углеводородов в производстве аренов из продуктов крекинга. Выбрана наиболее энергосберегающая ректификационная установка из пяти предложенных технологических схем.
Низшие ароматические углеводороды – бензол, толу-ол и кcилолы (БТК) – имеют важное значение для народного хозяйства. Из них получают красители, взрывчатые вещества, биомедицинские препараты и т. д. [1; 2, с. 41-44; 3, с. 44-45; 4, с. 44-47]. Созданная модель может быть применена для анализа различных вариантов технологических схем, а также определения оптимальных условий проведения химико-технологических процессов с учетом перечисленных выше требований. В последнее время БТК получают из легких алканов и продуктов крекинга методом ароматизации. Известны компании, разработавшие промышленные технологии получения ароматических углеводородов из легких алканов и продуктов крекинга, – Cyclar, Sanyo Petrochemical и «Алканар». Анализ технологий ароматизации приведен в работе [5], однако в данных работах недостаточно рассмотрен вопрос синтеза оптимальных технологических схем разделения БТК с позиции энергосбережения (в технологии компании Cyclar установлена одна ректификационная колонна для отделения легких углеводородов от БТК).
Наличие нескольких стадий в процессе обуславливает значительно большую сложность математического описания гетерогенно-каталитических реакций по сравнению с гомогенными и гомогенно-каталитическими, поскольку их скорость определяется только действующими массами реагентов и константой скорости.
Разработка энергосберегающих технологических схем ректификации (ТСР) многокомпонентных смесей является важнейшей задачей в промышленности органического и нефтехимического синтеза [6]. Ректификация – процесс, получивший наиболее широкое применение для разделения смесей органических продуктов на отдельные фракции, но этот процесс обладает высокой энергоемкостью, и во многих случаях энергозатраты достигают 70% всех энергозатрат на производство в целом [7, с. 367-376]. Из-за крупнотоннажности производств основного органического и нефтехимического синтеза, а также некоторых производств тонкого органического синтеза даже незначительное снижение энергопотребления может привести к получению существенного экономического эффекта для производства в целом.
Наиболее выгодным является режим, при котором лимитирующей стадией, определяющей скорость гетерогенно-каталитической реакции, является собственно превращение. В таком случае говорят, что процесс идет в кинетической области (в противоположность внутреннедиффузионной и внешнедиффузионной области). Однако практически не всегда удается устранить диффузионное торможение.
Выбор оптимальной ТСР осложняется поливариантностью организации процесса ректификации [8, с. 97-101]. Снижение энергоемкости подсистемы разделения требует применения комплексного подхода и совершенствования как рабочих параметров, так и структуры ТСР. Решению задач разработки алгоритма синтеза оптимальных ТСР посвящены работы [8, с. 97-101; 9]. Реализации разработанного алгоритма посвящены работы [10, с. 681-687; 11, с. 40-52]. Разработке энергосберегающей подсистемы ректификации смеси ароматических углеводородов в производстве аренов из легких алканов посвящена работа [12, с. 39-50].
Процессы в физических аппаратах этого отделения, в основном, моделируются путем комбинации стандартных расчётных модулей моделирующей программы.
В программе все схемы состоят из четырех последовательно соединенных колонн. Все колонны – простые (без боковых отборов, боковых отпарных секций и потоков циркуляционного орошения). Все колонны – тарельчатые, тип тарелок – ситчатые.
Для реализации указанной задачи был использован комплекс программ CHEMCAD, позволяющий создавать «виртуальные» химико-технологические системы (ХТС) [14].
Задача синтеза ТСР в настоящей работе решается с использованием эволюционного метода синтеза химико-технологических систем. Эволюционный метод синтеза ХТС заключается в последовательной модификации аппаратурного оформления и структуры технологических связей некоторого исходного варианта ХТС с использованием методов математического моделирования [15].
Расчетные модули (в дальнейшем просто модули) представляют собой реализованные в программном комплексе вычислительные алгоритмы, предназначенные для расчёта различных химико-технологических процессов. Для реализации компьютерных моделей ТСР использованы модули строгого расчета ректификации с использованием алгоритма одновременного решения системы нелинейных уравнений методом Ньютона–Рафсона. Отличие заключается только в порядке разделения компонентов.
Поскольку при реализации задачи синтеза ТСР необходимо получить чистые компоненты (или практически чистые), при моделировании ТСР задают такие параметры работы ректификационных колонн, при которых данное разделение будет осуществимо. Исходя из состава входного потока, необходимо задавать расходы дистиллятов (или кубовых остатков), а также выбирать типы конденсаторов. С позиции энергосбережения целесообразно выбирать парциальные конденсаторы, однако с позиции экономики ТСР с такими конденсаторами будут более дорогими по сравнению с ТСР с полными конденсаторами.
Для реализации эволюционного метода синтеза для различных ТСР варьировались типы конденсаторов (полный или парциальный), а также флегмовые числа R и расходы кубового остатка W (паровые числа S и расходы дистиллята D).
С применением комплекса программ CHEMCAD проведено компьютерное моделирование пяти различных вариантов технологических схем ректификации ароматических углеводородов с простыми колоннами и определены их технологические и конструкционные параметры. Выбрана наиболее энергосберегающая технологическая схема ректификации из пяти предложенных систем разделения.
Заключение
Любую технологическую схему разделения можно представить как набор операторов разделения (ректификационных, экстракционных, абсорбционных и других колонн), определенным образом связанных друг с другом. Задача синтеза оптимальной технологической схемы разделения в самом общем виде заключается в следующем: при известных составе и состоянии сырья, получаемого в результате химических реакций (т. е. в реакционной подсистеме), и заданных компонентах или фракциях, которые должны быть выделены, и их качестве необходимо выбрать: методы, которые могут быть применены на каждом этапе разделения, оптимальный набор разделительных операторов, оптимальную схему потоковых взаимосвязей между операторами и оптимальные параметры работы каждого оператора (оптимальные не по отдельным операторам, а для всей схемы разделения).
При разработке и проектировании можно поставить несколько задач: достигнуть минимальных энергетических затрат; достигнуть минимальных капитальных затрат; получить продукты необходимой степени чистоты; достигнуть максимального выхода целевых продуктов; выбрать наиболее устойчивые режимы работы аппаратов; достигнуть минимального сброса химических продуктов в окружающую среду. Решение всех этих задач одновременно, как правило, невыполнимо, так как наблюдаются конкурентные ситуации.
С применением комплекса программ CHEMCAD построены и реализованы компьютерные модели четырёх отделений производства аммиака из природного газа.
