Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 8
1.1. Каталитический процесс алкилирования бензола этиленом 8
1.1.1. Алкилирование бензола этиленом на основе хлористого алюминия (АІСІз) 10
1.1.2. Алкилирование бензола этиленом на основе трехфтористого бора (BF3) 11
1.1.3. Алкилирование бензола этиленом на цеолитсодержащих катализаторах. 12
1.2. Массопередача в многокомпонентных смесях. 13
1.3. Математическое моделирование каталитических процессов 22
1.3.1. Процесс массо- и теплопередачи в реакторе. 23
1:3.2. Математические модели каталитических реакторов 26
1.4. Стратегия синтеза оптимальных схем разделения 27
1.4.1. Основные этапы проектирования схем разделения 27
1.4.2. Методы синтеза схем разделения 28
ГЛАВА 2. Исследование кинетики реакции алкилирования бензола этиленом на цеолитсодержащем катализаторе 41
2.1. Математическое описание кинетики химической реакции алкилирования бензола этиленом 42
2.2. Оценка констант кинетической модели и проверка их адекватности 56
ГЛАВА 3. Моделирование процесса алкилирования бензола этиленом на зерне катализатора 63
3.1. Факторы эффективности химической реакций. 63
3.2. Математическая модель на зерне катализатора 65
ГЛАВА 4. Моделирование гетерогенно-каталитического реактора алкилирования бензола этиленом. 69
4.1: Двухфазная модель адиабатического реактора 69
4.2. Квазигомогенная модель реактора 72
4.3. Оценка макрокинетических параметров модели реактора ; 73
ГЛАВА 5. Анализ и синтез схем разделения с применением модификации метода ветвей и границ ...
5.1. Синтез оптимальных схем ректификационных установок 80
5.1:1. Алгоритм эвристического синтеза технологических схем
разделения 82
5.1.2. Оценочные функции 83
5.1.3. Процедуры поиска в информационно-структурных методах, синтеза.
5.1.4; Генерация вариантов схем разделения 93
5.1.5. Метод независимых концентраций 101
5.1.6. Расчет теплообменных аппаратов 109
5.2. Анализ и синтез процесса разделения в производстве этил-бензола 115
Заключение 121
Список литературы.
- Алкилирование бензола этиленом на основе трехфтористого бора (BF3)
- Оценка констант кинетической модели и проверка их адекватности
- Математическая модель на зерне катализатора
- Оценка макрокинетических параметров модели реактора
Введение к работе
Трубопроводные системы (ТС) являются важнейшим фактором жизнеобеспечения современных жилых зданий. При этом их функционирование потенциально связано с экологическим риском, поскольку большинство нарушений в ТС вызывают изменение условий проживания и (или) нарушения и загрязнение природной среды. В первую очередь это относится к ТС тепло- и водоснабжения, поскольку их функционирование, а также техническое обслуживание и ремонты в наибольшей мере определяют:
-обеспеченность жизненно важных интересов человека, связанных с потреблением тепловых и водных ресурсов;
-рациональное использование этих ресурсов;
-состояние и ущерб, наносимым природной среде, природно-антропогенным и антропогенным объектам.
Системный анализ одновременно нескольких инженерных систем, участвующих в жизнеобеспечении жилых зданий, обусловлен тем, что между ними существует конструктивная, технологическая и эксплуатационно-техническая взаимная связь. Режимы работы домовых систем отопления, горячего и холодного водоснабжения, из-за особенностей технологических схем тепловых пунктов, жестко зависят друг от друга, поэтому, например, невозможно оценить работоспособность системы отопления без учета режима потребления горячей воды в конкретный момент времени. Техническое обслуживание и ремонт отдельных групп оборудования выполняется по «структурному» принципу (тепловые пункты (ЦТП, ИТП), квартальные сети, внутридомовые системы) без разделения на технологические подсистемы. Таким образом, только при комплексном анализе условий эксплуатации, свойств инженерного оборудования и организационной составляющей функционирования всей системы тепло- и водоснабжения как эр-гатической системы массового обслуживания (далее по тексту ТС) можно корректно оценивать процесс формирования экологической безопасности среды обитания.
Проблема обеспечения качества городской среды обитания в настоящее время приобрела государственный масштаб. Внедрения программы «Реформирование и модернизация жилищно-коммунального комплекса Российской Федерации» обусловлено: отсутствием возможности у получателей услуг влиять на их качество, высокий уровень потерь ресурсов при хроническом дефиците финансирования и отсутствии экономических стимулов снижения издержек.
По данным Госстроя РФ более 60% ТС в городах России имеют на сегодняшний день значительный моральный и физический износ, т.к. были введены в эксплуатацию десятки лет назад, без учета требований к экологической безопасности. Экономическая ситуация в стране в 90-е годы значительно ограничила организационно-технические возможности эксплуатационных организаций, в результате чего предупредительные ремонты и модернизация систем свелись к единичным объектам. В результате число аварий в инженерных системах увеличивается на 50% каждый год, что составило в 2000 г. 70 аварий на 100 км сетей водоснабжения и 200 аварий на 100 км сетей теплоснабжения.
К основным причинам аварий в ТС относятся:
организационная, финансовая или техническая неспособность эксплуатационной организации своевременно предотвратить наступление предельного состояния оборудования (27,3%);
воздействие техногенных и природных факторов, приводящее к внезапным отказам (26,2%);
- ошибочные действия эксплуатационного персонала 24,8%.
По данным Госстроя РФ более 50% из общего количества аварий в ЖКХ произошло по причине ветхости оборудования и сетей. Сохранение существующей ситуации вызовет дальнейшее увеличение износа ТС, приведет к резкому возрастанию аварий, ущерб от которых может значительно превысить затраты на их предотвращение. Образующийся лавинообразный, неуправляемый поток отказов приведет к нарушению нормальной жизнедеятельности города.
В связи с этим весьма актуальны на сегодняшний день работы по определению экологической безопасности ТС в тех или иных эксплуатационных ситуациях, в том числе с позиции взаимосвязи технического состояния оборудования и принципов организации его эксплуатации.
Особое значение имеет проблема оценки качества услуг, предоставляемых комплексом ЖКХ жителям и, в значительной мере, в сфере гарнированного тепло- и водоснабжения. Основными аспектами этой проблемы являются обеспечение интересов потребителей и, одновременно, привлекательность отрасли для инвесторов. Бесконфликтность взаимоотношений жителей и эксплуатационных предприятий будет обеспечена только при единообразном восприятии эксплуатационных проблем. Но в существующей нормативной базе, в основном, определены только требуемые значения параметров, определяющих качество среды обитания, а возможные отклонения от них практически не представлены. Вместе с тем, ТС относятся к восстанавливаемым объектам, т.е. отказы и проведение профилактических мероприятий, способных вызвать нарушение качества среды обитания, являются объективным фактором, присущим системе и не всегда предупреждаемым действиями эксплуатационного предприятия.
Таким образом, весьма актуальной является проблема разработки и нормирования системы показателей качества эксплуатации ТС, основанной на принципах обеспечения экологической безопасности и учитывающей объективные технические и надежностные свойства ее элементов.
Жилищно-коммунальное хозяйство является одним из основных потребителей воды, энергоресурсов и, в то же время, является источником загрязнения окружающей среды продуктами переработки потребленных ресурсов и их нерационального использования. Следовательно, совершенствование методов эксплуатации, эргономизация систем тепло- и водоснабжения жилых зданий, как наиболее весомой части жилищно-коммунального комплекса, являются важными условиями повышения экологической безопасности городской среды обитания.
Сложившаяся ситуация с ТС значительно обострила в последние годы эко
логическую ситуацию в стране [78, 109, 119, 120]. Помимо нерационального ис
пользования природных ресурсов состояние большинства ТС оказывает значи
тельное негативное воздействие на экологическое равновесие, отрицательно ска
зывается на состоянии окружающей среды. ТС большинства городов России яв
ляются потенциальными источниками экологической опасности для окружаю-
-6-щей среды и человека и, следовательно, принципы обеспечения экологической безопасности являются основным требованиями, предъявляемыми к элементам системы жизнеобеспечения города.
До настоящего времени экологический аспект рассматриваемой системы
жизнеобеспечения изучался в основном с точки зрения обеспеченности потреби-
телей водой и теплотой, а также с точки зрения рационального использования
природных ресурсов. В то же время, исследования влияние на экосистему состояния оборудования систем, последствия их отказов и проведения ремонтно-восстановительных работ, моделирование процессов эксплуатации для оценки и анализа экологической безопасности практически не проводились.
С этой точки зрения весьма актуальной в настоящее время является задача разработки и реализации теоретических и практичесісих основ экологической безопасности ТС как функции ее технических и надежностных свойств, а также эксплуатационных воздействий и их реализация в масштабах сложного городского хозяйства Москвы.
Организация экономических отношений в жилищно-коммунальном хозяйстве в настоящее время характеризуется рядом системных недостатков, без устранения которых в принципе невозможно вести речь о нормализации функционирования этого сектора экономики, повышения надежности и качества, обеспечения экологической устойчивости, а также обеспечении стабильной стоимости жилищно-коммунальных услуг.
Отсутствие серьезных экономических стимулов снижения нерациональных затрат материально-технических ресурсов у эксплуатационных предприятий с одной стороны и, с другой стороны разнохарактерные, зачастую не отражающие объективные финансовые потребности тарифы на тепловую энергию и воду у потребителей приводят к нерациональным расходам. В итоге, например, удельная численность эксплуатационного персонала, приходящаяся на одно то же число потребителей в РФ в 1,5 - 2 раза выше среднеевропейского уровня и в то же время, удельное потребление воды на одного жителя в 1,5 - 2 раза больше.
Утечка и неучтенный расход воды в системах водоснабжения в городах по данным Госстроя РФ составляет в среднем по России 16,7 % от всей подачи, а в ряде городов утечки достигают около 30% . Это вызывает не только потери воды и перебои в водоснабжении, но и загрязнение природной среды и нарушение санитарного благополучия населения. Суммарные потери в тепловых сетях превышают нормативы и достигают 30% от произведенной тепловой энергии (по мнению многих экспертов, реальные потери значительно превышают приведенные официальные данные).
Открытым остается вопрос о всестороннем экономическом обосновании
эксплуатационных затрат, связанных с обеспечением качества тепло- и водо
снабжения. В современных условиях учитываются в основном прямые затраты,
» связанные с эксплуатацией ТС. Косвенные издержки, к которым относятся ком-
пенсация ущерба от отказов оборудования (в т.ч. экологического), потери, вызванные неполным использованием ресурса оборудования при предупредительных заменах и модернизации систем и т.п. учитываются весьма ограниченно.
Таким образом, весьма актуальной в настоящее время является задача разработки и внедрения системных методов экономического обоснования и оптими-
зации затрат, связанных с выполнением эксплуатационных мероприятий для ТС и направленных на обеспечение экологической безопасности.
Методологический подход к обеспечению экологической безопасности ТС - сложная и многоплановая задача. Ее решение видится в следующих основных направлениях:
-Исследование целевой функции ТС на стадии эксплуатации - уровня обеспечения качества среды обитания в течение заданного времени. В таком аспекте задача представляется как результат совместного воздействия функционирования инженерного оборудования и выполняемых эксплуатационных мероприятий на обеспеченность потребителей теплотой, холодной и горячей водой.
-Поиск решений, направленных на повышение эффективности использования природных ресурсов, предупреждение и снижение экологического ущерба. Причем, как непосредственно системой ТС, так и ее потребителями, поскольку, при отклонениях от нормы в процессе функционирования системы, потребители могут в определенной мере изменять режимы и источники необходимых им ресурсов. Здесь задача приобретает направленность, определяющую взаимное влияние ТС и потребителей на окружающую среду.
-Совершенствование методов экономической оценки функционирования ТС с целью выявления экономических стимулов для оптимизации эксплуатационных мероприятий с учетом рационального использования природных ресурсов и обеспечения сохранности окружающей среды.
Несмотря на предметно-целевую самостоятельность этих направлений, они системно взаимосвязаны, так как направлены на достижение общего результата -обеспечение нормальных условий существования биосферы и человека, как ее части. Таким образом, систему ТС необходимо рассматривать как разновидность эргатической системы с двумя звеньями уровнями управления «эксплуатационная система - человек-потребитель (как обратная связь)».
Объектом исследования в диссертационной работе являются технологически и эксплуатационно-технически связанные ТС, включающие в себя оборудование тепловых пунктов (ЦТП, ИТП), внутриквартальные сети и домовые системы тепло- и водоснабжения, как система массового обслуживания, а предметом исследования - выявление взаимосвязей между техническими, надежностными и организационными характеристиками ТС и их совокупного влияния на экологическую безопасность эксплуатации и на материальные затраты, связанные с ее обеспечением, применительно к объектам, расположенным в г. Москве.
Целью работы является теоретическое изучение условий формирования экологической безопасности и оптимизации методов эксплуатации ТС, а также разработка методов их практической реализации.
Реализация поставленной задачи требует:
-создания математических моделей, описывающих влияние эксплуатационных воздействий на экологическую безопасность и экономические показатели эксплуатации ТС;
-обоснования критериев экологической безопасности при эксплуатации ТС, их экономических показателей и разработка методов расчета;
-разработки алгоритмов и методов практического использования стратегий организации и оперативной эксплуатации ТС, в том числе в условиях неполной информации о техническом состоянии оборудования.
Основным математическим аппаратом анализа экологической безопасно
сти систем жизнеобеспечения и их экономической эффективности является тео-
рия надежности, теория массового обслуживания и теория управления, исполь-
зующие в качестве своей информационной базы статистические сведения об отказах оборудования ТС, потоках работ по восстановлению свойств системы, а также варианты эксплуатационных воздействий [1, 40, 42, 107].
Важно отметить, что приводимое во многих научных работах эргатическое
представление взаимосвязей в ТС сводится в основном к двум, как правило, изо
лированно рассматриваемым аспектам: обеспечение качества функциональных
параметров, предоставляемых ТС потребителям и исследованию статистики от
казов оборудования. В первом случае не учитываются объективные условия, из
меняющие состояние оборудования и приводящие к перебоям тепло- и водо
снабжения, эксплуатационные факторы предупреждения нарушений. Исследова
ние статистики отказов дает лишь представление об уровне надежности и, в не
которых случаях, экологической безопасности оборудования ТС, соответствую
щим принятым типам и материалам оборудования, а также условиям его экс
плуатации. Но при этом невозможно оценить меру экологического ущерба, вы
зываемого отказами. Существующие подходы не дополняют друг друга в качест
ве обратной связи для оценки и обеспечения требуемого уровня экологической
9 безопасности ТС, контроля и оптимизации управления эксплуатацией.
В такой методологической постановке формирование экологической безопасности среды обитания является формальной, слабоуправляемой категорией. Это обстоятельство является причиной того, что отраслевая наука о надежности ТС, управлении их эксплуатацией и формировании комфортных условий в помещениях в незначительной мере реализуется в практике эксплуатации и не предлагает научно обоснованных подходов к оценке и анализу эргатических принципов управления этой системой.
При эксплуатации ТС недостаточно уделяется внимание оценке возможных экологических рисков от неисправности оборудования и режимных отказах, методам теории и практики инженерной экологии, надежности и управления сложными техническими системами.
Во многом это вызвано спецификой ТС, отличием их от других инженер
ных систем, для которых разрабатывались современные теории надежности и
управления. Особенности ТС заключается в структурном и техническом много
образии, условиях их функционирования, длительном периодом эксплуатации, а
также в несистемном выполнением ремонтов и модернизации. Кроме того, в су
ществующих нормативных документах по организации эксплуатации ТС вопро-
« сы экологической безопасности и эксплуатационной надежности и отражены не-
достаточно [107, 159].
Сложившееся положение с нормативным и методическим обеспечением решения экологических вопросов при эксплуатации ТС не означает, что на практике не осуществляются мероприятия, направленные на минимизацию возможного экологического ущерба. Но в большинстве случаев они не обосновываются
-9-эргатическими взаимосвязями в системе, категориями надежности и экологического риска от неисправностей оборудования систем.
Анализ современных форм управления и организации эксплуатации ТС показал, что они по прежнему используют несовершенную нормативную базу, традиционные методы управления, которые принципиально не могут обеспечить требуемый уровень качества среды обитания, экологическую безопасность и экономическую эффективность ТС.
Это зачастую приводит к принятию неоптимальных решений при выборе методов организации эксплуатации ТС, не позволяет всесторонне реализовать системный подход к стратегии управления эксплуатацией.
Приведенные причины, а также дискуссионность методов учета факторов управления эксплуатацией экологической безопасностью среды обитания, разрозненность и несовершенство математических моделей организации эксплуатации, отсутствие современной методической и нормативной и информационной базы комплексной оценки экологической безопасности и экономической эффективности ТС определили актуальность темы данной диссертационной работы.
Методологической основой для решения практических задач оценки и обеспечения экологической безопасности является современная теория и практика надежности инженерных систем, систем массового обслуживания и управления, фундаментальные работы отечественных и зарубежных ученых по проблемам инженерной экологии, надежности систем ТС и управления эксплуатацией Н.Н. Абрамова, Е.М. Авдолимова, Л.Д. Богуславского, Ю.М. Воронова, ВюП. Витальева, А.В. Забегаева, Ю.А. Ильина, А.А. Ионина, В.Н. Исаева, Ю.В. Коно-новича, И.И. Мазура, Э.М. Малой, В.Б. Николаева, Б.А. Пермякова, Г.А. Порывая, А.Д. Потапова, О.Г. Примина, Е.И. Пупырева, А.Г. Ройтмана, А.Н. Сканави, В.И. Теличенко, СВ. Храменкова и др.
В современной отечественной и зарубежной научно-технической литературе не встречаются публикации, посвященные взаимосвязи организации эксплуатации ТС и экологической безопасности их функционирования. Вместе с тем обобщение опыта эксплуатации систем указывает на наличие в рассматриваемой эргатической системе однозначных взаимосвязей показателей экологической безопасности ТС от способов организации их эксплуатации. В работе предложено методическое обоснование решения этой задачи.
Показано, что определяющим фактором экологической безопасности ТС является обеспечение надежности составляющих ее элементов посредством выполнения эксплуатационных мероприятий.
Указанные взаимосвязи раскрываются в диссертационной работе посредством анализа эксплуатационных показателей как функции надежности отдельного оборудования и ТС в целом в режиме активного воздействия эксплуатационных факторов, в число которых входят эксплуатационно-технические мероприятия и воздействие окружающей среды.
Исходными данными для диссертационной работы является статистическая информация о функционировании и эксплуатации ТС г. Москвы. Материалы по отказам оборудования и организации эксплуатации получены в эксплуатационных организациях муниципальных округов «Северное Тушино», «Ясенево», «Зябликово», «Теплый стан» и «Орехово Северное». Кроме того, в работе ис-
пользованы результаты оценки надежности оборудования ТС, полученные в работах [124, 108, 156, 101,47,85, 104, 69, 84 и др.].
Для организации системного подхода к обработке данных по эксплуатации
оборудования ТС было разработано информационно-техническое обеспечение в
программной среде «Mathcad», позволяющее проводить оценку и анализ качест-
ва функционирования ТС, устанавливать факторы, дестабилизирующие их эко-
логическую безопасность и экономическую эффективность.
Для оценки влияния отказов оборудования, экологического ущерба и экономических издержек при эксплуатации ТС требуется достоверная информация о структуре и величине подобных явлений. В этой связи в диссертационной работе приведены результаты исследований по выявлению структуры нарушений среды обитания, потерь воды и теплоты в ТС во взаимосвязи с показателями безотказности и долговечности оборудования. Оценка экологического и экономического ущерба от отказов оборудования выполнена по статистическим данным, приведенных в работах [159, 157, 117], а также по методикам, разработанным [84, 123, 72, 44]. На их основании в диссертационной работе выполнены численные оценки экологического и материального риска.
На основании вышеизложенного, основными этапами диссертационной работы, составляющими ее структуру, являются:
Разработка математических методов анализа и прогнозирования экологической безопасности при эксплуатации ТС.
Исследование современных научных подходов к эксплуатации систем жизнеобеспечения жилых зданий с учетом экологических, социальных и экономических факторов.
Анализ и оптимизация способов планирования и организации эксплуатации ТС с целью обеспечения экологической безопасности жилой среды.
Предложения по подходам к исследованию эргатических внутрисистемных взаимосвязей и их оптимизации.
Научная новизна диссертационной работы основана на решении научной проблемы - впервые сделана попытка системного анализа влияния технических и эксплуатационных факторов на эффективность тепло- и водоснабжения потребителей и экологическое равновесие в окружающей среде с учетом оптимизации материальных вложений, что может служить теоретической и методологической основой отраслевой теории эксплуатации ТС:
созданы математические модели и алгоритмы управления эксплуатацией ТС, оценивающих существующий уровень экологической безопасности и позволяющих прогнозировать его возможные изменения и связанные с этим экономические затраты;
сделаны научные выводы относительно целесообразности применения различных форм организационной и управленческой деятельности в реальных экс-
» плуатационных условиях.
Практическая ценность диссертационной работы основана на:
- возможности использования в практике работы муниципальных служб горо
дов РФ методов оценки и прогнозирования экологической безопасности эксплуа
тации ТС и материальных затрат при планировании эксплуатационных меро
приятий;
нормировании показателей экологической безопасности и обосновании выбора оптимальных эксплуатационных мероприятий с учетом материально- технических возможностей собственников квартальных систем ТС и местных эксплуатационных организаций;
возможности сравнительной оценки и анализа администрацией городских
Управ качества работы подрядных организаций по показателям экологической
безопасности и использования материальных ресурсов.
Реализация результатов работы:
Полученные результаты использованы при разработке «Правил и норм эксплуатации объектов туристских предприятий» [50], утвержденных в 1991г. Центральным Советом по туризму и экскурсиям ВЦСПС.
Разработаны ведомственные «Правила технической эксплуатации комплекса РЭА им. Г.В. Плеханова».
Результаты работы применены в действующем «Руководстве по правилам технической эксплуатации 18-ти этажного жилого дома по адресу: Мичуринский проспект кв. 396 к. 112», 1996г.
Разработанные модели эргономических взаимосвязей при эксплуатации объектов включены в учебно-методические материалы для студентов специальности 2905 и используются в МГСУ при чтении дисциплины «Техническая эксплуатация зданий».
На защиту выносятся:
Показатели оценки экологической безопасности и экономической эффективности эксплуатации ТС.
Математические модели для исследования эколого-экономических и организационно-технических взаимосвязей при эксплуатации ТС.
Результаты теоретического исследования и оценки современных методов организации и планирования эксплуатации ТС с позиции обеспечения экологической безопасности и предложения по их совершенствованию.
Методики технико-экономического обоснования выбора вариантов организации и управления эксплуатацией ТС, обеспечивающих экологическую безопасность.
Основные положения и результаты исследования опубликованы в 19 работах, включая раздел учебника «Оценка технического состояния зданий» [51], в нормативной литературе - «Правила и нормы эксплуатации объектов туристских предприятий» [50], докладывались на конференциях в МГСУ - 1989, 1990, 1992, 2001гг.; МДНТП - 1990; МДО «Царев сад» - 2001; ПГУПС (ЛИИЖТ) -2004, ВВЦ - 2004; КВЦ Сокольники 2005.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, выводов и рекомендаций, литературы из 171 наименований и приложения. Работа включает 53 рисунка и 21 таблицу. Общий объем диссертации 182 страницы.
* Автор благодарит за помощь в работе и творческую поддержку научного
руководителя д.т.н., профессора МГСУ, зав. кафедрой Экология городского хо
зяйства Ю.В. Кононовича, коллектив кафедры Техническая эксплуатация зданий
МГСУ и ее руководителя д.т.н., профессора В.Ф. Касьянова, доцента кафедры
Градостроительства, к.т.н. Л.П. Нецветаева.
Алкилирование бензола этиленом на основе трехфтористого бора (BF3)
Для многокомпонентных смесей задача математического описания процесса массопередачи осложняется целым рядом причин, к числу которых относятся следующие: во-первых, движущие силы процесса, определяемые как разности фактических и равновесных концентраций компонентов, могут быть различными для различных компонентов смеси; во-вторых, скорости массоотдачи компонентов могут быть также различными; в-третьих, скорость массоотдачи одного компонента может зависеть от движущих сил остальных компонентов смеси.
Поэтому в общем случае математическое описание массопередачи в многокомпонентных смесях может быть представлено в виде соотношения: (Ю К У-У) (N) = [Kox](x-x) (1.1) где: (N) — вектор скоростей массопередачи компонентов; у", у, х , х.— векторы равновесных и фактических концентраций компонентов соответственно в паре и жидкости; [ .M J - матрицы коэффициентов массопередачи по пару и жидкости, соответственно.
Использование математического описания массопередачи в форме уравнений (1.1) позволяет учесть перечисленные выше особенности многокомпонентного массообмена.
В многокомпонентных смесях, вторая группа факторов будет иметь аналогичное влияние и в бинарных смесях. Однако, факторы определяющие диффузионный транспорт, в многокомпонентных смесях имеют более сложный характер влияния, поскольку диффузия в этом случае имеет существенные особенности по сравнению с бинарными.
Если для бинарной системы наличие градиента концентрации какого -либо компонента вызывает диффузионный поток компонента в направлении антиградиента концентрации, то для многокомпонентной системы это условие еще не определяет направление диффузионного потока или его наличие.
Диффузия в п- компонентной идеальной газовой смеси описывается сис темой п уравнений Максквелла-Стефана -Р ctyi=fNiyj-Njyj RT dX % Di} У где: N{ — поток /-го компонента в единицу времени; Dg -коэффициент диффузии бинарных пар многокомпонентной смеси; Х- расстояние; Р - давление; Т- температура; R - универсальная газовая постоянная.
В работах /51,52/ на основе уравнений (1.2) получено математическое описание эквимолярной противоточной диффузии в тройной меси, позволившее объяснить такие особенности диффузии в многокомпонентных смесях как явления реверсивной и осмотической диффузии, а также диффузионного барьера потока /-го компонента: Х Ф{5уі(і-уіе) (1.3) е где: Ф, д - факторы диффузионного взаимодействия (всегда положительны) ф=л ;0 "іг - чvS=exp[(1 - r y - у л; г= i (1-Л,)- (1-Ло) 2Dn
При рассмотрении процесса массообмена между трехкомпонентной газовой (один неподвижный компонент) и бинарной жидкой смесями предложены уравнения:
Для расчета коэффициента массопередачи: J__J_ тідф где: Kj - полный коэффициент массопередачи для /-го компонента; /Зуірх - частные коэффициенты массоотдачи; mt — тангенс угла наклона равновесной кривой для /-го компонента.
Вопросу математического описания процесса массопередачи в многокомпонентных смесях посвящен ряд работ отечественных исследователей /1, 12, 53—58/. Отмечая особенности многокомпонентной массопередачи, авторы пытаются применить результаты исследований бинарной массопередачи на многокомпонентную смесь.
В работах /59,60/ в многокомпонентных смесях, в которых предлагается использовать коэффициенты массопередачи, рассчитывающиеся через коэффициенты диффузии компонентов в многокомпонентных смесях. При этом поток 1-го компонента можно представить некоторой функцией градиентов химических потенциалов ЛГ- = ЛГДУ//,,У/ ...,У//П), / = !,2,...,и
Для идеальных газов при постоянных давлении и температуре градиент химического потенциала вещества пропорционален градиенту его концентрации. Тогда: = (VCPVC2,...,VCJ, / = 1,2,...,« (1.4) В линейном приближении эта зависимость отражает обобщенный закон Фика: (7)=-[D](VC) Используя разложение системы (1.34) в ряд Тейлора и пренебрегая членами 2-го порядка малости и выше, получим:
Оценка констант кинетической модели и проверка их адекватности
Исследование кинетики реакции алкилирования бензола этиленом на цеолитном катализаторе типа У, промотированного катионами Мп, Се, проводили в проточно-циркуляционных реакторах типа Карберри с: внутренним радиальным контуром циркуляции и проточно- циркуляционном реакторе под давлением с внутренним аксиальным контуром циркуляции, разработанным на кафедре кибернетики ХТП РХТУ им. Д.И.Менделеева. Варьировали объемной скоростью по жидкому бензолу от 0,5 до 3,5 ч"1, температурой реакционной зоны в реакторе от 250 до 310 С, мольным отношением этилен:бензол от 1:4 до 1:10. В качестве разбавителя использовали газы азот и гелий. Анализ продуктов реакции и исходных реактантов осуществляли газохроматографическим путем. Использовали модели газовых хроматографов Цвет-500 и Y— 3700.
Условия проведения кинетического эксперимента и его результаты представлены в таблице 2.1.
Оценка кинетических параметров модели осуществлялась методом максимального правдоподобия. Сущность его заключается в следующем, положим, что для анализируемой модели получены оценки 9 параметров. Тогда остатки модели - оценки ошибки эксперимента для заданных параметров записывают следующим образом: 4 = УІ-/ & ?) u X,...,N (2.46) где п - число измеряемых реагентов, N - число поставленных опытов. Обозначим через Р{єи ір) — плотность распределения случайной величины єш, а через Р(є ,ір) совместная плотность случайной матрицы є =(ех,г,ъ,...,8к)\ у/ - вектор параметров плотности распределения.
Тогда функция правдоподобия выборки Ь(в \р), полученная в результате постановки величины еи из соотношения (2.46) в выражение для Р{є,у/), представлена в виде: Цё$) = Р(ё,$У (2.47). При независимых случайных величинах єиУ и = 1,2,...,N N Це,у) = 1[Р{єя,уУ и=1 (2.48) Последняя может быть выражения следующим образом L(B, у/) = (2жУМлП det(LyN 2 ехр = (2л-)-№/2аег(Х)-ЛГ/2ехР ЛГ и и -к=\ Ы и=\ 1 (2-4( )) (2.49): где А(в) = еи(ё)ёи(в)т, -дисперсионно-ковариационная матрица измерений. Исходя из принципа максимального правдоподобия оценки максимального правдоподобия в при известной максимизируют Ь(в ,\р ), если # минимизирует величину Sp(TTlA(e)) T.e. SSy(e ) = mmSS e) = ф(" А( )) = mjn /?(" А( )) (2.50) в О значения кинетических параметров кинетических моделей минимизирующие (2.50) представляли в таблице 2.2.
После завершения процедуры оценки констант методом максимального правдоподобия необходимо проверить построенного модели на соответствие результатам полученного эксперимента. Иначе, необходимо проверить адекватность модели эксперименту.
Установление адекватности модели эксперименту осуществляли с использованием метода Бартлетта. Согласно ему проверяется гипотеза о равенстве двух дисперсионно-ковариационных матриц і и X, где Y,\ - дисперсионно-ковариационная матрица ошибок измерений откликов, оцененная по модели, - дисперсионно-ковариационная матрица ошибок измерений откликов, оцененная на основе повторных измерений. Степень влияния на химическую реакцию диффузионных осложнений учитывается внешним г}1 и внутренним Г}" факторами эффективности, определяемыми как отношение наблюдаемой скорости реакции к скорости реакции, протекающей в кинетической области. Факторы эффективности rf и Г)п (или иначе степень использования внутренней поверхности катализатора) зависят от геометрических размеров и внутренней пористой структуры зерна, концентрации реагентов в потоке, физико-химических свойств катализатора и реакционной смеси, а также коэффициентов диффузии и теплопроводности реагентов, от скорости и температуры потока.
При моделировании каталитического процесса алкилирования бензола этиленом на зерне катализатора анализировалось влияние на факторы эффективности г}1 и т]и и на селективность работы зерна двух типов граничных условий - Дирихле и Неймана.
Математическая модель на зерне катализатора
Для оценки макрокинетических параметров модели каталитического реактора алкилирования бензола этиленом на цеолитных катализаторах и для проверки адекватности модели стендовому эксперименту на стендовой установке АО «Славатнефтеоргсинтез» была поставлена серия опытных испытаний. Общее число стендовых опытов около 40.
Основным блоком стендовой установки является трубчатый реактор проточного типа с неподвижным слоем катализатора. Диаметр трубной части 50мм, высота реакционной зоны — Зм. Объем загружаемого катализатора - 1л. Непосредственно над катализатором и под ним помещался слой фарфоровой сферической и корундовой сферической насадки. Диаметр насадки выбрали равным 2мм, Змм, 5мм. По оси реактора был установлен чехол для подвижной термопары, позволяющей в заданные промежутки времени определить профиль температуры реакционной зоны по оси реактора. Три дополнительные стационарные термопары установились у стенки реактора в зонах, соответствующих началу, середине и концу реакционной зоны, т.е зоне с загруженным цеолит-ным катализатором. Эскиз стендового реактора показан на рис. 4.1.
По результатам эксперимента на нем оценивались по двухпараметри-ческой диффузионной модели с двумя пространственными координатами методом наименьших квадратов макрокинетические параметры моделей. Часть этой работы представлена в таблице 4.1. и таблице 4.2.
На стендовом реакторе был проведен обширный эксперимент, при осуществлении которого варьировали объемной скоростью по жидкой фазе от 0,2 до 2,0 ч"1, мольным отношением бензол: этилен от 2 до 8, температурой в реакционной зоне от 400 К до 690 К, давлением от ОД МПа до 3,0 МПа. Для расчета режимов работы стендового реактора использовали как квазигомогенную модель с двумя пространственными переменными так и двухфазную модель с пространственными распределенными переменными (радиус и длина). Решение уравнений проводилось с использованием конечно-разностных неявных методов, а также с использованием вариационных методов типа Галеркина и Ритца, Результаты расчетов полей концентраций реактантов и температур в реакторе приведены в таблице 4.3.
В отдельной серии экспериментов проводим проверку соответствия модели результатам стендового эксперимента. Использовали для проверки адекватности модели метод и критерий Бартлетта. Повторный эксперимент проводили в стендовом реакторе с dp 42мм и объем загружаемого катализатора 4л при объемной скорости по жидкой фазе 1 ч"1, температуре реакционной среди 500 К, давлении в реакторе 2,0МПа. Показано по критерию Бартлетта, что модель адекватно отражает получение экспериментальные данные.
Построенная модель контактно-каталитического реактора использовалась для оценки конструктивных параметров и режимов эксплуатации промышленного аппарата синтеза этилбензола; производительностью 50 тыс.т/год по целевому продукту - этилбензолу. Показано, что при диаметре реактора (внутреннем) 2 ми средних диаметрах гранул 4 мм перепад давления в каталитических слоях не превышет 0,02 МПа. Следовательно, подобная конструкция реактора может быть реализована в промышленности. Показано далее, что для достижения 40-45 % конверсии бензола необходим трехсек-ционный реактор с общим объемом катализаторе 30 м. Предусматривается равномерная загрузка катализатора по высоте слоя для каждой секции. Первую секцию загружается 8 м3 катализатора, во вторую секцию загружается 10 м3 катализатора, в третью загружается 12 м3 катализатора (таблица 4.4). Мольное соотношение бензол:этилен 6:1. Такая организация каталитического слоя обеспечивает более полную конверсию исходного этилена.
Оценка макрокинетических параметров модели реактора
При проектировании схем разделения многокомпонентных смесей одной из наиболее важных задач является выбор технологической схемы, отвечающей современным требованиям по замкнутости энергетических и материальных потоков. Для решения этой задачи все более широкое применение находят методы синтеза, основанные чаще всего на формальных процедурах снижения размерности задачи, не учитывающих реального распределения парожидкостных потоков на контактных устройствах, особенностей технологических схем и физико-химических особенностей разделяемой смеси.
Учитывая вышеперечисленные замечания, для синтеза схем разделения требуется такой алгоритм, который позволял бы включать математические модели различных стадий процесса без изменения самой структуры синтеза, т.е. создания нового алгоритма процедуры синтеза.
В данной работе при синтеза схемы разделения был использован метод, являющийся дальнейшим развитием алгоритмов направленного поиска оптимального решения синтеза схем разделения.
Предлагаемый метод синтеза схемы разделения многокомпонентной смеси является модификацией метода ветвей и границ, использующий эвристическую функцию коррекции оценки стоимости с учетом рекуперации тепла и эвристических правил, полученных в результате физико-химического анализа. Данный метод основан на возможности прогнозирования стоимости полностью завершенной схемы на промежуточных этапах синтеза.
Выше рассматривались процедуры поиска «по ширине» и по «глубине». Рассмотрим некоторые особенности генерации вариантов при синтезе схем разделения с использованием процедуры упорядоченного перебора, которая совмещает в себе оба этих метода. Отличие, разработанного в работе В.И. Стяжкина [10] алгоритме синтеза схем разделения, состоит в том, что при раскрытии «перспективной» вершины (независимо от того, окажутся или нет среди их «перспективные»), необходимо получать все дочерние вершины, т.е. использовать алгоритм поиска по «ширине». Данное требование является особенности предложенного алгоритма синтеза схем разделения, несоблюдение которого повлечет за собой потерю оптимального варианта.
Разработанный алгоритм синтеза состоит из процедуры упорядоченного перебора с использованием на каждом шаге поиска «по ширине» или полной декомпозиции рассматриваемой вершины независимо от уровня завершенности схемы разделения, на котором происходит поиск.
Последовательность раскрытия вершин происходит в соответствии с величинами ?„ являющимися прогнозируемой стоимостью завершенной схе мы разделения. Наименьшее значение q в ранжированном списке для всех полученных к данному моменту, принимается за нижнюю границу: q (Xi) qk(xk) Vxk к і
Следующей, согласно алгоритму, выбирается вершина с наименьшей q . Величина q постоянно растет по мере получения все новых вершин до тех пор, пока для найденной в результате поиска незавершенной схемы значение qi, не превысит значение верхней границы, если она задана, или не будет получена вершина, соответствующая завершенной схеме разделения.
Следует отметить, что в разработанном алгоритме синтеза нет необходимости использовать верхнее граничное значение стоимости (в отличие от метода ветвей и границ), хотя последнее в некоторых случаях может значительно сократить пространство поиска оптимального варианта схемы разделения. Так, если окажется, что величина qt (х ) для некоторой вершины х,-болыпе, чем величина верхнего граничного значения, то через хи не проходит оптимальный вариант (дг, не лежит на пути минимальной стоимости) и нет необходимости производить дальнейшее ветвление, т.е. рассматривать варианты схем разделения, порождаемые этой вершиной.
Разработанный метод синтеза, проводимый с учетом возможности объединения тепловых потоков внутри схемы, позволяет быстро находить оптимальные варианты схем разделения путем анализа лишь части пространства поиска благодаря использованию эвристических функций верхних и нижних граничных оценок.
