Введение к работе
Актуальность проблемы. Современное развитие мировой экономики дают вполне ясную перспективу коренного технологического переворота , широкого внедрения прогрессивных технологических процессов и гибких производств, позволяющих перенастраивать на выпуск новой продукции, осуществить принципиально новый подход к автоматизации процесса с переходом к системам автоматизированного управления в научных исследованиях и проектировании.
Запланированные для нефтехимической отрасли высокие показатели резкого увеличения выпуска СК, ПАВ И CMC при одновременном снижении их себестоимости, должны быть обеспечены соответствующим ростом производства мономеров как за счет интенсификации уже действующих заводских установок, так и Енедрения новых перспективных процессов и, в особенности, процессов окислительного дегидрирования углеводородов, являющихся-одним из ведущих направлений современной нефтехимической промышленности и отличающихся экологической чистотой.
Разработка эффективных путей получения, расширение ресурсов и номенклатуры непредельных органических соединений на основе дешевой и доступной сырьевой базы является одной из важнейших проблем современной нефтехимии.
Особое место среди представителей этого класса соединений
принадлежит непредельным углеводородам алициклического ряда. Цик-
лоолефиновые углеводороды, благодаря наличию в молекуле алицикли
ческого кольца и кратной связи, обладают рядом специфических
свойств и могут быть использованы . в производстве таких ценных
продуктов, как СК спецназначения и высокоэффективные стабилизато
ры к ним, волокна, пластические массы, высокошгатнне и высоко
энергетические компоненты реактивных и ракетных топлив, лекарст
венные препараты, ароматизирующие, душистые ибиологически актив
ные вещества, материалы для лакокрасочной и полиграфической про
мышленности. . s
В настоящее время ни существующие объемы мощностей, ни ассортимент производимых в промышленном масштабе соединений^, этого класса не' могут удовлетворить растущую потребность в них. Ограниченность промышленных ресурсов алициклических непредельных углеводородов обусловлена не совершенностью, существующих разработок. Поиск и реализация новых эффективных методов в промышленном масш-
табе, в свете вышеизлозкенного, весьма актуальны.
Современные темпы развития промышленности требуют наряду с' созданием новых экологически чистых высоэффективных, энергоемких, малоотходных технологических процессов, также резкое сокращение сроков' проведения научно-технологических исследований, что может быть достигнуто путем разработки методологических аспектов эффективного оформления технологических процессов на базе системного анализа.
Целью работы является решение важной научной и прикладной проблемы, посвященной использованию системного анализа для математического моделирования сложных, высокоэкзотермических процессов окислительного дегидрирования углеводородов, что дозволяет на стадии проектирования создать принципиально" новые, эффективные совмещенные.реакторные схемы и резко сократить сроки реализации лабораторных разработок в промышленность.
На базе системного анализа создать методологические основы оптимального проектирования процессов окислительного дегидрирования углеводородов, направленных на создание экологически чистых и энергетически эффективных технологий.
В работе обобщаются научные и технологические аспекты окислительного дегидрирования парафиновых и ароматических углеводородов в'многополочных'совмещенных адиабатических реакторах с промежуточным теплосъемом и посекционной подачей кислорода для создания научно-оОоснованных подходов к оптимальному проектированию и интенсификации технологических процессов. . . Задачи исследования включают: I. разработку общих принципов определения основных физико-химических характеристик процесса на уровне микрокинетических параметров, позволяющих определить маршруты реакций и прогнозировать возможные пути синтеза,и выбрать наиболее достоверный механизм реакции;
2. исследование химических реакций в кинетической области с
использованием современных научных методов экспериментирования,
что позволяет выбрать наиболее достоверный механизм реакций при
различных температурных режимах, определить оптимальные условия
ведения химических реакций и расчитать основные технологические
параметры; -
З.^проведение исследований на зерне оксидного катализатора с учетом конвективного тепло- и массопереноса;
-
моделирование процесса с использованием двухфазной модели псевдоожиженного слоя;
-
разработку статических и динамических математических моделей процессов с учетом гидродинамической структуры материальных и теплового потоков;
6. решение задачи оптимизации и аппаратурного оформления
процесса;
-
построение передаточных функций по различным динамическим каналам и синтез системы управления режимными параметрами;
-
определение условий тепловой устойчивости для многополочного адиабатического реактора с.промежуточным теплосъемом и посекционной подачей кислорода;
-
анализ возможных аспектов интенсификации, идентификации, алгоритмизации и оптимального управления каталитическими процессами.
Научная новизна работы определится следущим:
на основе системного анализа разрс-.^гаш научные основи оптимального проектирования и интенсификации процессов парциального окислительного дегидрирования С.-Сс алифатических и С5-С6 алицпк-лических углеводородов на оксидных катализаторах и:
установлен достоверный механизм реакции, определены маршруты реакций, найдеш основные технологические параметры и оптимальные условия ведения химических реакций;
- проведены исследования на зерне оксидного катализатора с
учетом конвективного тепло- п массопереноса,, определены тепловые
и концентрационные профили по радиусу зерна для различных времен
контактирования, установлена критериальная зависимость толщины'
..концентрационного и теплового пограничных слоев для различных времен контактирования;
- на основе уравнений переноса тепла, массы и импульса раз
работаны математические модели статики и динамики процессов с
учетом гидродинамической структуры материального и теплового по
токов, получены передаточные функции по различным динамическим
каналам, проведен с;штез системы управления режимными параметрами
и на стадии проектирования осуществлен выбор типа регуляторов;
- сформулирована задачи оптимизации, позволившие решить
проблему аппаратурного оформления процессов и выбрать совмещенный
многополсчный адиабатический реактор с промежуточным теплосъемсм
и посекционной подачей кислорода;
- разработана двухфазная математическая модель процессов ОД .
углеводородов и оценена эффективность осуществления этих процес
сов в организованном псевдоожженном слое оксидного каталізато
ра; . . _ _
- осуществлен анализ устойчивости стационарных состояний
многомаршрутных экзотермических реакций в многополочном адиабати
ческом реакторе и определена область варьирования технологических
параметров, позволяющих проводить процесс в автотермических условиях, определены необходимые и достаточные условия стационарной тепловой устойчивости многополочного адиабатического реактора с промежуточным тегогасъемом и посекционной подачей кислорода;
проведено аналитическое исследование нестационарного состояния процесса окислительного дегидрирования- ЩІ и разработан критерий тепловой устойчивости для многомарэрутншс високоэкзотер-мических процессов;
проведен анализ возкошк аспектов интенсификации, идентификации, алгоритмизации и оптимального управления каталитическими процессами окислительного дегидрирования.
Практическая ценность. На основе теоретических и экспериментальных исследований по моделированию, оптимизации, идентификации, управлению и оптимальному проектированию процессов окислительного дегидрирования углеводородов ряда Сд-С13 осуществлено технологическое аппаратурное оформление процесса и апробировано на укрупненной опытной установке ОПЗ ИНХП АН Азербайджана.
Предлагаемые методологические, аспекты оптимального проектирования и интенсификации процессов каталитического ОД углеводородов включают разработку комплекса алгоритмов, расчетных мода-лей и пакетов прикладных программ, которые могут быть использованы для математического обеспечения САПР каталитических реакторов и ХТС, а также АСУ ТП в условиях промышленной реализации разработанных процессов.
Проведенные исследования легли в основу проектирования технологических процессов 00Д н-бутана в дивинил и изопентана в изопрен с ожидаемым годовым эффектом от внедрения порядка 14 млн. руб. Суммарный ожидаемый годовой эффект от внедрения процесса ОД н-парафиновых Сд-С13 и олефиновых углеводородов в промышленность составит порядка 2,4 млн.руб.
Испытания процессов окислительного дегидрирования Сд-С5,Сд-С13 алифатических углеводородов, проведенные в мнэгогю-
лочном адиабатическом реакторе с промежуточным тегоюсьемом и посекционной подачей кислорода на оштно-прошпленном реакторе завода СКИ-З №1 п/о "Нгошекзмскнефтехим", подтвердили основные методологические аспекты создания феноменологических моделей для разрабатываемых технологических процессов.
По результатам проведенных исследований процесса ОД ЩИ составлены регламент и в МНХП выполнено технико-экономическое обоснование процесса, согласно которого ожидаемый суммарный экономический эффект только для установки мощностью - 5 тыс.т/год по целевым продуктам составят: для дилера МВДД - 4,36 млн.руб; МЦПЕ -2,2 млн.руб.
Результаты исследований' на лабораторной установке процесса ОД МВД в многополочном адиабатическом реакторе проверены на опытной установке ОПЗ ИНЭ0.1 АН Азербайджана с хорошей воспроизводи-тельностьв эксперимента.
Обоснованность и достоверность :-. хорошая воспроизводимость результатов исследования подтверждаются экспериментальной- проверкой практически всех основных положений работы на реальных лабораторных и промышленных процессах, эффективностью использования научно-обосновашшх рекомендаций по интенсификации.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 52 научных трудах, в том числе - 3 авторских свидетельств СССР и 2 пакета прикладных программ вошли в ГОС ФАЛ СССР.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы долопнші на Ш международном симпозиуме по использованию вычислительно;! техники в химической технологии, .(ПНР, Гливице, 1974); Автоматизация научішх исследований 'В химии и химической техноло-гш! (материала IX Всесоюзной школы, Баку, 1977); УП Всесоюзной конференции по химическим реакторам "Химреактор-7" (Баку, 1980); IV Всесоюзная гатгерэкцнл "Шшетшса-4" (Ярославль, 1987); IX Всесоюзная конференция "Хпмреактор-9", (Гродно, -1986); VI Всесоюзная конференция но мыслительному гетерогешгому катализу, (Баку, 1983); ТО Всесоюзная конференция по математическим методам в химии "М,Я-7", (Казань, 1991); конференция Стран Содружества по кинетике каталитических реакцій "Кинетика-5", (Иваново,1992).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, в которой сформулированы основной подход к проблеме, цель работы и задачи, основные научные и практические результаты, шести глав, заключения, выводов, списка цитируемой литературы и прилокений,