Разработка компьютерных моделей химических производств с применением современных комплексов программ – перспективный путь создания ресурсосберегающих технологий в химической промышленности

С применением комплекса программ CHEMCAD может быть разработан эффективный подход для построения компьютерных моделей химических производств, которые могут использоваться для создания ресурсосберегающих технологий.

Современные тенденции развития химической промышленности требуют разработок ресурсосберегающих и экономически выгодных технологических схем производств. Чтобы решить эти задачи, стараются оптимизировать всю технологическую линию в целом.

Рассмотрим этот подход на примере построения компьютерной модели производства стирола с учетом практического применения для решения оптимизационных задач.

Стирол является одним из важнейших продуктов нефтехимии, на его основе получают гликоли, полиуретаны, полистиролы и другие сополимеры [1, с. 168-172; 2; 3; 4]. Непрерывные технологические схемы получения стирола относятся к энерго- и ресурсоемким, поэтому даже незначительное сокращение энерго- и ресурсопотребления может обеспечить существенный экономический эффект для производства в целом [2–4].

Важнейшим условием решения данных задач является моделирование и оптимизация химических производств, для чего необходимы модели их технологических схем, включающие большое число единиц оборудования, учитывающие, все рециклические материальные и тепловые потоки.

Проведение модернизации производств с позиции энерго- и ресурсосбережения не представляется возможным без использования современных комплексов проблемно-ориентированных программ, позволяющих создавать компьютерные модели технологических схем, создавать так называемые «виртуальные» производства. Кроме того, применение современных комплексов программ позволяет без значительных материальных и временных затрат проводить вычислительные эксперименты на моделях химических производств в целом [5, с. 117-120; 6, с. 243-248; 7, с. 613-617].

 В настоящее время существует эффективный инструмент разработки компьютерных моделей химических производств – современные комплексы проблемно-ориентированных программ, так называемые симулятора химических производств, с применением которых возможно научно обоснованное решение таких задач.

Стирол получают методом дегидрирования этилбензола. Описание технологической схемы данного процесса заимствовано из работ [2–4]. Технологическая линия данного процесса, реализованная в среде комплекса программ CHEMCAD, изображена на рисунке 1.

Рис. 1. Технологическая схема непрерывного дегидрирования этилбензола, реализованная в среде комплекса программ CHEMCAD. Модули расчета: 1, 5 – модули смесителей; 2, 3, 6, 8 – модули теплообменников; 4 – модуль равновесного реактора; 7, 9, 10 – модули сепараторов; 11 – модуль огневого подогревателя; 12 – модуль делителя потока

Исходный этилбензол смешивается с водяным паром (водяной пар необходим для увеличения степени конверсии этилбензола) и испаряется в теплообменнике-испарителе (см. рис. 1, модуль 2). При этом данный теплообменник обогревается дымовыми газами, выходящими из пароперегревательной печи (см. рис. 1, модуль 11). Затем пары перегреваются в теплообменнике. Перед входом в реактор пары этилбензола смешиваются с перегретым водяным паром, который генерируется в пароперегревательной печи (см. рис. 1, модуль 11), где сжигается топливо из заводской сети. Температура на входе в реактор составляет 600…640 °С. Процесс проводится на катализаторе на основе оксидов железа. В реакторе дегидрирования протекают следующие реакции:

C6H5C2H5 → C6H5C2H3 + H2; (1)

C6H5C2H5 → C2H4 + С6H6; (2)

C6H5C2H5 + H2 → C6H5CH3 + СH4; (3)

C6H5C2H5 + H2 → C6H6 + C2H6. (4)

Теплота контактных газов рекуперируется в теплообменнике (см. рис. 1, модуль 3) и котле-утилизаторе (модуль 6). Далее контактный газ поступает в пенный аппарат (модуль 7), где дополнительно охлаждается и очищается от катализаторной пыли. Охлаждение углеводородов контактного газа далее проходит в аппарате воздушного охлаждения (модуль 8). В сепараторе (модуль 9) газообразные продукты отделяются и направляются на сжигание. Углеводороды отделяются от воды в разделителе фаз (модуль 10) и направляются на ректификацию.

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.

Реактор дегидрирования этилбензола моделируется модулем равновесного реактора (см. рис. 1, модуль 4). Для модуля равновесного реактора (модуль 4) указаны следующие условия: стехиометрические данные реакций (1) – (4), конверсии базовых реагентов, изотермический тепловой режим (температура 627°С). В таблице представлены значения конверсий базовых реагентов, предлагаемые для моделирования процесса дегидрирования этилбензола, определенные по экспериментальным данным, заимствованным из работ [2–4].

Таблица

Значения заданных конверсий для базовых реагентов при моделировании реакторного процесса дегидрирования этилбензола

Рис. 2. Результаты компьютерного моделирования процесса дегидрирования этилбензола

Пенный аппарат (см. рис. 1, модуль 7) моделируется модулем фазового сепаратора. Заданы: температура (100°С) и давление (0,5 МПа).

Рис. 3. Результаты компьютерного моделирования пенного аппарата

Сепаратор для отделения газов (см. рис. 1, модуль 9) моделируется модулем фазового сепаратора. Заданы: температура (25°С) и давление (0,1 Мпа).

Рис. 4. Результаты компьютерного моделирования сепаратора для отделения газов

Сепаратор-разделитель фаз (см. рис. 1, модуль 10) моделируется модулем сепаратора компонентов. Заданы: доля воды, отбираемая с низа, равная 1, температура (25°С) и давление (0,1 МПа). Результаты компьютерного моделирования процесса в данном сепараторе приведены на рисунке 5. На этом же рисунке проведено сравнение результатов рассчитанного потока углеводородного конденсата с экспериментальными данными, заимствованными из работы [2].

Рис. 5. Сравнение результатов расчетов процесса сепарации углеводородного конденсата с экспериментальными данными

Заключение

Основными этапами создания компьютерной модели полной технологической схемы производства стирола являются:

1. Разработка и реализация моделей основных отделений производства. Расчетные модули представляют собой реализованные в программном комплексе вычислительные алгоритмы, предназначенные для расчёта различных химико-технологических процессов [8, с. 36-38; 9, с. 12-14].
2. Разработка и реализация модели энерго- и ресурсоёмкой технологической схемы производства стирола. При реализации полной модели производства учитываются внешние рециклические материальные и тепловые потоки, которые связывают между собой различные отделения производства.
3. Анализ параметрической чувствительности компьютерной модели полной технологической схемы производства стирола. С использованием компьютерной модели всего производства, построенной с применением комплекса программ CHEMCAD, возможно определяются влияние различных параметров на результаты расчёта и возможные ресурсы для технологической и экономической оптимизации.

Посредством созданной компьютерной модели можно выявить неоптимальные режимы работы как отдельных аппаратов, так и технологической схемы в целом.