Введение к работе
Актуальность работы Нефтегазоперерабатывающая и нефтехимическая промышленность, значительное место в которой занимают процессы ректификации, является одной из значимых бюджетообразующих отраслей экономики Республики Татарстан. Дальнейшее развитие этой отрасли требует проектирования и строительства новых высокоэффективных нефтегазопе-рерабатывающих производств.
Оптимальному проектированию процессов ректификации уделяется особое внимание, поскольку системы ректификационных колонн для разделения многокомпонентных смесей являются высоко металло- и энергоемкими установками. Поэтому, как правило, при оптимальном проектировании ректификационных установок в качестве критерия оптимальности используют экономические критерии, которые включают капитальные и эксплуатационные затраты. Капитальные затраты пропорциональны металлоемкости установки и зависят от числа ступеней разделения и флегмовых чисел (потока флегмы) в ректификационных колоннах. Эксплуатационные затраты складываются из затрат на организацию паровых потоков в колоннах, подогрев и охлаждение целевых и промежуточных потоков и возрастают с увеличением потока флегмы. Следовательно, основная проблема оптимального проектирования ректификационных установок заключается в поиске компромиссного решения между единовременными затратами на установку и затратами на ведение процесса.
Применяемые в настоящее время методы расчета и оптимального проектирования ректификационных колонн дают либо приближенный результат (упрощенные методы), либо чрезвычайно трудоемки по временным затратам (методы, основанные на использовании потарелочных математических моделей ректификационных колонн), поскольку сводятся к простому перебору числа тарелок в колоннах и поиску для каждого набора тарелок оптимального режима ведения процесса. Поэтому актуальной задачей является разработка метода оптимального проектирования системы простых ректификационных колонн, основанного на использовании потарелочных математических моделей, быстродействующего по временным затратам.
Цели работы Разработка метода оптимального проектирования системы простых ректификационных колонн с заданной топологией с использованием потарелочной математической модели процесса ректификации.
Задачи исследования
Формализация задачи оптимального проектирования системы простых ректификационных колонн с заданной топологией;
Разработка подходов к определению нижних и верхних оценок критерия оптимальности при проектировании оптимальной системы простых ректификационных колонн с использованием метода ветвей и границ;
Разработка алгоритма проектирования оптимальной системы простых ректификационных колонн с заданной топологией на основе предложенного подхода;
Исследование эффективности предложенного метода на примере оп
тимального проектирования отдельных простых ректификационных колонн и
их систем.
Научная новизна работы
Предложен подход к определению нижних оценок критерия оптимальности для системы простых ректификационных колонн, позволяющий перейти от дискретных поисковых переменных - числа тарелок в колоннах, к непрерывным структурным параметрам. В основе подхода лежит модификация уравнения, связывающего рабочую и равновесные концентрации компонента через локальный эффективный коэффициент полезного действия тарелки и структурные параметры;
Предложен подход для получения верхней оценки критерия оптимальности, в котором для расчета числа тарелок в колоннах используются округленные значения суммы структурных параметров;
Предложен подход для реализации процедуре ветвления;
На основе предложенного подхода к получению верхних и нижних о-ценок критерия оптимальности и процедуры ветвления разработан эффективный метод проектирования как отдельных простых колонн, так и их систем с заданной топологией, основанный на использовании метода ветвей и границ. Данный метод позволяет определить оптимальное число тарелок в ректификационных колоннах, номера тарелок ввода питания, оптимальные режимы работы колонн по заданному критерию.
Практическая значимость
На основе предложенного метода разработан алгоритм оптимального проектирования систем простых ректификационных колонн с заданной топологией;
На примерах оптимального проектирования отдельных простых ректификационных колонн и их систем показана эффективность предложенного метода по критериям быстродействия, точности полученного решения;
Результаты работы переданы для внедрения в исследовательскую и проектную деятельность в инжиниринговую фирму "Инжехим";
Разработанный алгоритм внедрен в учебный процесс кафедры математического моделирования и оптимизации химико-технологических процессов Санкт-Петербургского технологического института (технического университета) для использования в лабораторном практикуме дисциплины «Системный анализ и математическое моделирование химико-технологических процессов».
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 21, 22, 23, 24 Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2008; Псков, 2009; Саратов, 2010; Киев, 2011), Второй Международной научно-практической конференции «Компьютерное моделирование в химической
технологии и устойчивое развитие» (Киев, 2010), Научных сессиях КНИТУ (Казань, 2009-2012г.г.).
Публикации
Основные положения диссертационной работы опубликованы в 10 научных работах, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем работы
Диссертация общим объемом 150 страниц, состоит из введения, 4 глав основного текста, выводов, списка использованной литературы из 129 наименований и приложений. Работа содержит 8 рисунков и 40 таблиц.
