Интенсификация процессов разделения азеотропных и химически взаимодействующих смесей на основе метода математического моделирования и аппарата искусственных нейронных сетей Глебов, Михаил Борисович

Введение к работе

Актуальность проблемы,-Подавляющее большинство смесей, которые "приходится разделять на составляющие в промышленности являются нс-идеальними и содержат гомогенные и гетерогенные азеотропы. Кроме того, в ряде случаев в таких смесях протекают химические реакции, которые могут быть нежелательными, побочными либо целенаправленно организуемыми для интенсификации процесса. Разделение подобных смесей методом ректификации становится сложным либо во -ооше невозможным и необходим поиск новых способов организации разделения с использованием метода ректификации. Проблема разработки способов разделения азеотропних и химически взаимодействующих смесей на основе ректификации важна еще и с точки зрения снижения затрат на разделение,т.к, процесс ректификации является одним из наиболее энергоемких . Традиционно существующие подходы к разделению азеотропных смесей методом ректификации путем введения в исходную смесь разделяющего агента хотя часто и позволяют принципиально разделить смесь, значительно увеличивают затраты на проведение процесса, т.к. при этом необходимо регенерировать сам разделяющий агент, а также очищать от него продукты разделения. Если в исходной смеси протекают химические реакции, то --е разделение в ректификационных колоннах может быть неэффективным, когда направление химических реакций противоположно направлению переноса компонентов в ходе разделения. Более того, химически взаимодействующие смеси, вообще, могут не разделяться простой ректификацией, если в системе присутствуют так называемые "безразличные" состояния, при которых перенос массы из жидкой фазы в паровую не сопровождается изменением состава. До настоящего времени этот прос недостаточно исследован.

с теоретической точки зрения процессы ректификационного разделения азестропных и химически взаимодействующих смесей требуют более детального изучения массопередачи при возникновении расслаивания в жидкости. Существующие описания и методы расчета фазовых и химических равновесий в таких смесях зачастую не позволяют по-

іучпчь решение относительно составов равновесных Фаз, в осоОен-:р.і,:, при возникновении в системе двух жидких Фаз. либо дают тгу.ы'';:;;.!.не решения. И, таким образом, требуется разработка новых

..'..: ; S:- у. : писані:;: и рехениз задачи Фазовых и химических равно-

- г -

весий в сильно неидеальных системах с расслаиванием, позволяющих избежать неоднозначности решения.

Решение перечисленных задач на базе традиционного математического аппарата .сталкивается с серьезными трудностями. Поэтому необходим поиск новых подходов и, в частности, аппарата искусственных нейронных сетей.

.Недостаточно полно решена задача расчета и оптимизации разделений химически взаимодействующих смесей в условиях большого числа воздействующих на разделение факторов.

Для разделения азеотропних смесей целесообразно сочетать методы ректификации и мембранного разделения.В связи с этим требуется построение математических моделей таких разделений как единого целого, а также методов расчета подобных схем..

Наряду с интенсификацией разделения азеотропних смесей за счет использования гибридных схем возможно использование поверхностно-активных веществ для направленного изменения свойств растворов и повышения степени разделения. Это направление также недостаточно исследовано и требуется дальнейшее изучение.

Решение перечисленных задач и определило содержание настоящей диссертационной работы, выполненной в Российском химико-технологическом университете'им. Д.И.Менделеева.

Цель работы. Разработать и применить аппарат искусственных нейронных сетей для математического моделирования ректификации азеотропних и химически взаимодействующих смесей. Построить замкнутое описание разделения азеотропних смесей в гибридных мембран-но-ректификационных комплексах. Исследовать направленное изменение свойств жидких азеотропних смесей с помощью поверхностно-активных веществ в ходе мембранно-ректификационного .разделения. Применить разработанные"методы разделения и математические модели к промышленным процессам разделения азеотропних и химически взаимодействующих смесей. Внедрить полученные оптимальные режимы на заводах химической промышленности.

Научная новизна. 1. Применен аппарат нейронных сетей для моделирования объектов химической технологии. Доказывается способность нейронных сетей моделировать с заданной точностью любой многомерный непрерывный -объект! В классе нейронных сетей типа многослойного персептрона определяется достаточная структура сети.

г. Развивается подход к моделированию многофазных равновесий в азеотропних и химически взаимодействующих смесях на. осноь^_гиб-.-ридных_нейронных-сетей,—сочетающих "основные" "термодинамические соотношения между равновесными фазами с предсказанием промежуточных величин нейронной сетью.

1. Предложен новый подход к проведению ректификации химически взаимодействующих смесей, основанный на использовании приема секционирования колонны и введения в отдельные секпии катализатора. Построена модель и дан метод расчета каталитической, ректификации на основе метода установления.

2. Получено математическое описание процессов гетероазеотропной ректификации в одноколонном и двухколонном комплексах с учетом массопередачи на ступенях разделения и дан метод расчета.

3. Развивается подход разделения азеотропних смесей в гибридных . мембранно-ректификационных комплексах. Построена математическая модель разделения азеотропной смеси в двухколонном мембранно -ректификационном комплексе, и дан метод решения системы уравнений математического описания.

4. Экспериментально изучается разделение азеотропних смесей на половилоконных мембранах методом первапорации с исследованием концентрационной и температурной зависимости степени разделения.

5. Исследуется и обосновывается интенсификация разделения азеотропних смесей путем введения в исходную смесь специально подобранных поверхностно-активных веществ, направленно изменяющих концентрацию веществ у поверхности мембраны.

Практическая значимость работы и реализация результатов научных исследований.

На основе предложенного метода моделирования процессов раз-:ления азеотропних и химически взаимодействующих смесей проведены проектные расчеты и выполнена оптимизация конкретных промышленных процессов.

Проведен расчет схемы разделения смесей н-бутанол-толуол-во-да и н-бутанол-вода в производствах амииоформальдегидных и эпоксидных смол на Черкесском ХПО и Котовском химическом заводе. Вы-полнена экспериментальная проверка моделей процесса ректификации на полупромышленной тарельчатой ректификационной установке и показана их адекватность.

Пр-,уег:-на оптимизация схем разделения и определены требуемые

- 4 -флегновые числа и число тарелок. Результаты исследования приняты к внедрению в производствах аминоформальдегидных и эпоксидных смол на Черкесском ХПО и Котовском ЛКЗ.

Комплекс программ по расчету гетероазеотропной ректификации многокомпонентных смесей с учетом массопередачи передан в научно-исследовательский проектный институт лакокрасочной промышленности.

Предложена новая технология разделения фракции метанол-масло-вода в производстве метанола на основе использования гибридных мембранно-ректификационных схем, позволяющая исключить введение в исходную смесь разделяющего агента бензола. Проведен расчет предлагаемой схемы для Щекинского ПО "Азот". В результате внедрения данной схемы снижаются как производственные затраты так и наносимый экологический ущерб.

Выполнен расчет разделения смеси изопропиловый спирт-вода в производстве капролактама на Дзержинском ПО "Капролактам" в двухколонном мембранно-ректификационном комплексе. Получены оптимальные режимные и' конструктивные параметры схемы разделения.

Проведено проектирование и оптимизация работы колонны каталитической ректификации хлорсиланов в производстве моносилана и особо чистого кремния на Запорожском титано-магниевом комбинате. Выполнен расчет конструкции секционной колонны с послойным расположением каталитической и некаталитической насадок и определено их оптимальное размещение в колонне по критерию максимума выхода продукта с 'экономической оценкой проекта. Результаты переданы Запорожскому титано-магниевому комбинату.

Предложена новая технологическая схема регенерации бутилового и этилового спирта в производстве диоксида титана особой чистоты. Схема включает наряду с ректификацией с боковым выводом неоднородной жидкой смеси декантацию водной и спиртовой фаз во флорентийском сосуде и мембранное разделение. Проведен расчет предлагаемой схемы разделения, который показал, что при ее использовании -достигается сокращение капитальных и эксплуатационных затрат за счет уменьшения числа требуемых ректификационных колонн с трех до двух. Разработанная технологическая схема регенерации растворителей в производстве диоксида титана предложена к внедрению на Ангарском заводе химических реактивов для производства мощностью 20000 кг ТіО_г в год.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях: Всесоюзной конференции "Сложные химико-тохноло-- гические- системы -(СХТС-П)^мтгНовомосковск"1979" г.Т "ІН"Ксесоіоз-"' ной конференции "СХТС-ІП" г. Таллин 1982 г.; Всесоюзной конференции "Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств" г.Харьков 1985 г.; Всесоюзной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов (КХТП-Т)" г.Москва 1984 г.; IV Всесоюзной конференции "Математическое моделирование сложных химико-технологических систем" г.Одесса 1985 г.; Всесоюзной конференции "Современные проблемы химической технологии" г.Красноярск 1986 г.; III Всесоюзной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов (КХТП-Ш)" г.Москва 1989 г.; VIII Всероссийской конференции "Математические методы в химии" г.Тула 1993 г.; IV Международной научной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов" г.Москва 1994 г.; IX.X Международных конференциях "Математические методы в химии" г.Тверь 1995 г. .г.Тула 1996 г.; 9-ом отраслевом совещании "Проблемы и перспективы развития Томского нефтехимического комбината" г. Томск 1995 г.

Публикации. Основные материалы диссертации отражены в 47 публикациях, в тем числе, в одной монографии, 18 статьях, 3 авторских свидетельствах и 25 тезисах докладов.

Обьем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложений и содержит чО{ страниц основного текста, IS рисунков, 33 таблиц, а также список литературы из 2 01 наименований.