Введение к работе
Актуальность работы. Процесс оптимизации составляет основу всей инженерной деятельности, так как с одной стороны направлен на проектирование новых, более эффективных и менее дорогостоящих технологических систем, а с другой - на модернизацию уже существующих. Одна из проблем, с которой сталкивается исследователь при проведении оптимизации, связана с определением набора рабочих параметров процесса. Данную задачу позволяет решить анализ числа степеней свободы системы. Другой проблемой является стоимость и трудоемкость проведения как натурных, так и расчетных экспериментов. Последние характеризуются сложным математическим описанием, содержащим существенную нелинейность. Все это негативно сказывается на скорости оптимизационного процесса и на принципиальной возможности его проведения. Одним из путей решения вышеуказанной проблемы является замена, исходной модели более простой, но в тоже время адекватной изучаемому процессу. Данную задачу позволяет решить метод планирования эксперимента.
Работа выполнена при поддержке российского фонда фундаментальных исследований (гранты РФФИ № 05-03-32899 и № 07-08-00155).
Цель работы. Разработка стратегии оптимизации химико-технологических производств на основании методов планирования эксперимента и анализа числа степеней свободы химико-технологической системы и отдельных её элементов. Использование данного подхода для оптимизации конкретных технологических процессов.
Методы исследования. В работе использованы теоретические основы анализа числа степеней свободы химико-технологических систем (ХТС), методы оптимизации, планирования эксперимента, термодинамико-топологический анализ, анализ статики совмещенных реакционно-ректификационных процессов, методы математического моделирования ректификационных и реакционно-ректификационных схем, расчетный эксперимент.
Научная новизна. Проведено сопоставление различных методов исчисления степеней свободы элементов ХТС и выявлены возможные причины, порождающие несоответствие результатов. Показана инвариантность данных методов в отношении числа степеней свободы.
Разработан метод анализа степеней свободы для аппаратов и их элементов, включающих химические превращения. На его основе впервые проведен расчет степеней свободы равновесного открытого испарения с химической реакцией и реакционно-ректификационного процесса. Метод также использован для вычисления степеней свободы и определения рабочих параметров ХТС получения этилацетата этери-фикацией уксусной кислоты этанолом, переэтерефикации пропилформиата метилаце-татом и технологической схемы процесса гидрирования дихлоруксусной кислоты.
Впервые предложена универсальная стратегия оптимизации химико-технологических производств, основанная на планировании вычислительного эксперимента и анализа степеней свободы. Данная стратегия предусматривает, исходя из выделенных рабочих параметров, построение математических моделей посредством планирования вычислительного эксперимента и последующее применение полученных таким образом моделей для параметрической оптимизации ХТС. Модели позволили установить характер влияния рабочих параметров процесса на его характеристики (энергозатраты и степень конверсии реагентов).
Практическая значимость. В соответствии с предложенной стратегией проведена оптимизация промышленных процессов получения этилацетата и гидрирования дихлоруксусной кислоты.
Для процесса получения этилацетата установлена оптимальная структура его организации, позволяющая сократить количество аппаратов и внешних рециклов, а также определены значения рабочих параметров, отвечающие минимальной величине тепловых затрат.
Для промышленного реактора гидрирования дихлоруксусной кислоты определены оптимальные варианты организации процесса, обеспечивающие максимальную конверсию дихлоруксусной кислоты и устойчивость режимов работы, при соблюдении заданных ограничений, в случае снижения нагрузки по сырью.
В дальнейшем данная стратегия может быть использована для оптимизации любых ХТС, включающих, в том числе, и совмещенные процессы.
Апробация работы. Отдельные разделы диссертации докладывались на: V и VII Международных молодежных конференциях ИБХФ РАН-ВУЗы (Москва, 2005, 2007); а также на Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-20» (Ярославль, 2007).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах и изданиях, рекомендованных ВАК, 2 статьи в иностранных изданиях, а также тезисы 3 докладов на международных научных конференциях.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, библиографического списка и 2 приложений. Диссертация изложена на 225 страницах машинописного текста, содержит 104 таблицы, 8j_ рисунок и библиографию из 72 наименований.
