Введение к работе
Актуальность работы. Для моделирования химико-технологических систем (ХТС) в настоящее время применяются несколько крупных программных комплексов ), , ChemCAD (Сhemstations, Inc), Pro/II(Invensys inc), UniSim (Honeywell). Ни один из перечисленных продуктов не имеет модуля для синтеза оптимальных ХТС для разделения смеси с заданной точностью чистоты компонентов. Оптимизацию можно проводить только вручную, собирая и сравнивая различные варианты схем. В настоящей работе использовалась система AspenPlus для сравнения полученных результатов.
При разработке систем ректификационных колонн (СРК) для нефтехимических производств обычно применяются очевидные структуры (с минимальной степенью рекуперации тепла). При подобном подходе к проектированию СРК теряется колоссальное количество тепловой энергии, которую можно было бы повторно использовать в системе. Скорость роста стоимости энергоносителей превосходит скорость роста стоимости теплообменной аппаратуры примерно в два-три раза. Теплоинтеграция в СРК может значительно снизить расход дорогостоящих энергоносителей и дать значительный экономический эффект.
Данная работа основана на работах в области оптимизации ХТС (Кафаров В.В., Мешалкин В.П., Островский Г.М., Гросман С.А., Туркай М., Йоманс Х.). Предложенные методики синтеза ОСРК используют теплоинтеграцию, только после того, как уже сформирована структура СРК. Теплообменная система строиться жестко на полученной СРК и не может повлиять на изменение ее структуры. А это не всегда даст ОСРК.
Поэтому тема данной диссертации является актуальной.
Объект исследований. Объектом исследования являются система ректификационных колонн.
Предмет исследования. Предметом исследования в данной работе являются разработка эффективного алгоритма поиска оптимальной структуры СРК. Критерием оптимальности является приведенные годовые затраты (ПГЗ).
Цель работы. Целью диссертационной работы является создание программно-алгоритмического комплекса для синтеза оптимальных теплоинтегрированных СРК. Для этой цели необходимо решить следующую задачу:
Разработать алгоритм синтеза оптимальной СРК с минимальными ПГЗ. Алгоритм должен учитывать возможность синтеза системы, как с рекуперацией тепла, так и без рекуперации тепла.
Разработка данного алгоритма — это большая, комплексная задача для решения, которой необходимо сделать следующее:
-
Разработать алгоритм расчета всех возможных колонн при различных давлениях;
-
Разработать алгоритм для генерации вариантов схем разделения;
-
Разработать модуль поиска оптимальных давлений в РК;
-
Разработать модуль расчета капитальных затрат на РК при данной схеме разделения и данных давлениях в РК;
-
Разработать модуль расчета капитальных затрат на тепловое оборудование колонн: на дефлегматоры и кипятильники;
-
Провести оценку качества работы программного комплекса, синтезирующего оптимальные СРК с минимальными ПГЗ.
Методы и средства исследования. При решении указанных задач использовались методы комбинаторики, теории оптимизации, математического моделирования, нелинейного и объектно-ориентированного программирования.
Достоверность научных положений и полученных данных обеспечивается применяемыми математическими методами и подтверждается практической реализацией разработанных алгоритмов и методов в виде программно-алгоритмического комплекса синтеза оптимальных СРК. В качестве натурного эксперимента были проведены работы по сравнительному расчету ректификационных систем в программном комплексе Aspen Plus компании AspenTech. Полученные результаты подтвердили выводы, сделанные в диссертационной работе.
Научная новизна заключается в том, что получены новые научные результаты:
Разработан алгоритм поиска оптимальной структуры СРК, основанный на разделении большой задачи на подзадачи непрерывной и дискретной оптимизации;
Алгоритм поиска оптимальной структуры СРК с теплоинтеграцией, основанный на совместном решении задачи теплоинтеграции и задачи поиска оптимальной структуры системы колонн;
Разработан метод «сжимающегося пространства» для поиска оптимальных СРК и обеспечения сходимости в процессе оптимизации.
Практическая значимость заключается в реализации разработанных алгоритмов при создании программно-алгоритмического комплекса синтеза оптимальных теплоинтегрированных ректификационных систем. Создано программное обеспечение под ОС Microsoft Windows с использованием объектно-ориентированного языка программирования Delphi. Данный программный комплекс может быть использован на нефтехимических заводах и в проектных организациях; для модернизации существующих систем разделения веществ и разработки новых систем с минимальными ПГЗ. Применение разработанного алгоритма позволяет значительно сократить ПГЗ на 15-20%.
Положения выносимые на защиту:
Алгоритм поиска оптимальной структуры СРК;
Алгоритм поиска оптимальной структуры СРК с теплоинтеграцией;
Метод «сжимающегося пространства».
Апробация работы. Результаты работы были представлены на конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-19 и ММТТ-20), «Актуальные проблемы науки и техники» АПНТ-2011.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 7 печатных работ: 2 в журналах, рецензируемом ВАК и 5 тезисов докладов. Получены 2 свидетельства о регистрации программ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, 4 главы, заключение, список литературы из 63 источников и приложение.
