Введение к работе
Актуальность. Существующее в настоящее время множество программных пакетов охватывает практически все области химической технологии. Разработанные математичекие модели процессов и аппаратов способны оказать существенную помощь при исследовании химико-технологических систем (ХТС) на всех этапах - от проектирования до анализа и оптимизации ХТС, при устранении узких мест и модернизации технологических схем.
Вместе с тем, в настоящее время фактическая отдача от существующего программного обеспечения недостаточно высока, поскольку решение реальных проблем с использованием этих программ происходит в значительной степени математически формально. Поэтому проблема создания методолошческігх основ применения программного обеспечения для решения практических задач стоит достаточно остро.
В современных условиях чрезвычайно важной является разработка энергосберегающих ХТС. В этом плане интегрирование энергетических потоков ХТС является одним из наиболее перспективных путей энергосбережения. Однако отсутствие или недостаточная разработанность общей методологии расчетного исследования схем с рекуперацией энергии является серьезным препятствием разработки подобных схем. Существующие в настоящее время подходы к синтезу таких схем не позволяют использовать моделирующие программы на всех этапах проектирования ХТС из-за специфики этих подходов и особенностей самих моделирующих программ. В связи с этим актуальной является необходимость разработки методик синтеза энергетически интегрированных ХТС с привлечением потенциала современных моделирующих программ и термодинамических концепций, позволяющих уменьшить пространство поиска возможных вариантов.
Цель работы. Целью данной работы является исследование некоторых аспектов применения современных пакетов моделирующих программ на примерах реальных технологических процессов, в результате чего удается значительно увеличить эффективность решения задач анализа, оптимизации и синтеза. Представляется целесообразным рассмотреть следующие вопросы.
Использование моделирующих программ для исследования схем с рекуперацией энергии. Большое количество возможных вариантов технологических схем с рекуперацией энергии затрудняет применение моделирующих программ. Однако появившиеся в последнее время практи-
ческис подходы к синтезу энергетически интегрированных схем дают новые возможности использования потенциала моделирующих программ.
Исследование возможности комбинирования расчетных модулей стандартных единиц оборудования программы для моделирования промышленных аппаратов в тех случаях, когда в моделирующей программе отсутствует соответствующий расчетный модуль. Этот путь применяется достаточно успешно, однако только в специализированных программах, ориентированных на конкретные области (например, разделение многокомпонентных смесей и т.п.). В дайной работе рассматривается алгоритм комбинирования расчетных модулей, который позволяет значительно расширить область применения моделирующих программных пакетов.
Методы исследований. В работе использованы методы системного анализа, математического моделирования и матаматический аппарат комбинаторики. Синтез энергетически интегрированных ХТС и моделирование аппаратов как комбинаций расчетных модулей моделирующей программы осуществлялся на IBM-совместимых компьютерах с 386 процессором.
Научная новизна. Впервые в данной работе изучена возможность использования современной моделирующей программы при синтезе химико-технологических систем с помощью методов, ориентированных на концепцию пинч-технологии, которая далее в работе называется концепцией "предельной точки". При этом стратегия, ориентированная на "предельную точку", предполагающая декомпозицию исходной задачи на несколько подзадач, значительно уменьшает пространство поиска возможных вариантов, а моделирующая программа используется в качестве инструмента при синтезе ХТС.
Разработан алгоритм синтеза энергетически интегрированных ХТС с использованием моделирующей программы и концепции "предельной точки". В отличие от существующих в настоящее время подходов в этой области предложенный алгоритм включает как методологию пинч-технологий, так и процедуру расчета ХТС с помощью моделирующей программы.
Для иерархического уровня ХТС разработан алгоритм моделирования аппаратов с протеканием процессов, сопровождающихся химической реакцией, предполагающий комбинирование соответствующих библиотечных расчетных модулей программы. Для данного иерархического уровня разработан подход к моделированию химических реакто-
ров с протеканием целевых и побочных реакций, согласно которому моделирование целевых реакций производится по кинетическим или стехиометрическим данным, а моделирование побочных реакций основано на алгоритме минимизации свободной энергии Гиббса.
Предложен подход к описанию массообменных аппаратов, в которых происходит химическая реакция, путем комбинирования расчетных модулей реактора и абсорбционной колонны.
Практическая пеппость. Проведенные в работе исследования представляют собой методические основы для синтеза с использованием моделирующих программ энергетически интегрированных последовательных схем разделения, причем генерируются только термодинамически возможные варианты.
Разработанный алгоритм, сочетающий преимущества современных моделирующих программных пакетов и термодинамических концепций, ориентированных на "предельную точку", позволил предложить экономичные варианты ХТС разделения изомеров диэтилбензола (ДЭБ).
Интеграция моделирующей программы с предложенным алгоритмом расчета, базирующемся на концепции "предельной точки", расширяет сферу применения моделирующих программ. В целом такой алгоритм представляет собой универсальный инструмент для расчета большого числа ХТС разделения со связанными тепловыми потоками.
Рассмотренный в работе пример моделирования технологической схемы по производству изомеров ДЭБ с интеграцией энергии является научной основой для моделирования практически любых энергетически интегрированных ХТС, дающих значительную экономию энергопотребления, что доказывает перспективность подобного подхода.
Для иерархического уровня ХТС при решении практических задач разработан алгоритм моделирования отдельных блоков ХТС не только с помощью расчетных модулей, соответствующих данным аппаратам, но и путем использования совокупности модулей, комбинация которых дает адекватное описание данных аппаратов. Такой подход ускоряет моделирование в условиях неполной информации по исходным данным.
Результаты работы использованы для разработки соответствующих моделей ХТС при производстве карбамида и аммиачных синтез-газов.
Реализация и внедрение результатов исследований. Разработанные методы моделирования сложных аппаратов химической технологии путем комбинирования стандартных расчетных модулей программы применены для расчетов ХТС по производству карбамида и газов для син-
теза аммиака. Результаты работы использованы в АО "Азот", г. Череповец, при производстве карбамида.
Публикации. Материалы диссертации получили отражение в 3 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, включающих iHZ страниц машинописного текста, 3/ рисунков, Z8 таблиц, а также списка использованных литературных источников из /2.0 наименований.
