Введение к работе
Актуальность темы. Сложные многостадийные реакции последовательно-параллельного типа, протекающие с образованием гаммы продуктов, широко распространены в технологии основного органического синтеза и являются физико-химической основой для создания многопродук-товых производств непрерывного типа.
Аппаратурно-технологическое оформление функционирующих в настоящее время производств спроектировано таким образом, что не позволяет учитывать динамического состояния рыночной экономики и не отвечает требованиям малоотходности, так как ориентировано на выпуск одного, двух продуктов с фиксированной производительностью. Вместе с тем изменение конъюнктуры рынка, т.е. изменение спроса и цены на исходные реагенты и те или иные продукты реакции, а также требования ресурсосбережения делают актуальной задачу создания работоспособных гибких многопродуктовых производств непрерывного типа, основной стадией которых является гибкая реакторная подсистема. Для этого необходимо решение задачи оптимального синтеза системы и задачи организации эффективного функционирования ее в изменяющихся условиях.
Основным подходом к синтезу оптимальных химико-технологических систем (ХТС) является алгоритмический подход, который предполагает наличие критерия эффективности, математических моделей элементов и системы в целом и требует учета неопределенности информации, содержащейся в структуре модели реакторов, а также обусловленной погрешностями параметров моделей.
Структура модели реактора, как сложной физико-химической системы, определяется видом моделей явлений и процессов макро и микро уровня: гидродинамической структуры потоков, процессами микросмешения элементов жидкости, химического взаимодействия молекул веществ.
Основой модели реактора является модель кинетики сложной химической реакции, погрешности оценок параметров которой в значитель-. ной степени определяют .прогнозирующую силу модели реактора и, следовательно, работоспособность проектируемой системы. Поэтому актуален поиск подходов и методов решения многомерных задач параметрической идентификации математических моделей.
Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ и программно-алгоритмического обеспечения оптимизации гибких многопродуктовых реакторных систем для проведения последовательно-, параллельных реакций.
2 Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
сформулирован критерий технико-экономической оптимальности реакторной подсистемы, предполагающий оптимизацию взаимодействия с рынком, структурную оптимизацию схемы, а также режимно-технологическую оптимизацию процессов в модулях системы;
обоснована интегро-гипотетическая структура реакторного узла для реализации последовательно-параллельных реакций, позволяющая управлять селективностью процесса по различным продуктам;
разработаны варианты математического описания реакторной системы, отражающего многоуровневый характер процессов и явлений, Протекающих в отдельных блоках системы и учитывающего взаимовлияние блоков; .
сформулированы этапы оптимального синтеза системы;
разработано программно-алгоритмическое обеспечение расчета и режимно-технологической и структурной оптимизации реакторной си-' стемы;
на базе анализа структуры кинетических моделей последовательно-параллельных реакций разработано математическое и программное обеспечение решения многомерной задачи параметрической идентификации моделей;
решена задача оптимального синтеза гибкой реакторной системы типового процесса технологии основного органического синтеза на призере процесса инициированного хлорирования дихлорэтана (ДХЭ).
Методы исследований. В работе использованы методология и математический аппарат системного анализа и синтеза химико-технологических систем, методы моделирования и оптимизации в сочетании с физическим экспериментом, статистические методы анализа и обработки экспериментальных исследований.
Научная новизна. Разработана двухуровневая процедура оптимизации многопродукговых реакторных систем: на верхнем уровне определяются оптимальные значения потоков продуктов реакции на выходе системы, доставляющие максимум величине дохода от реализации, либо минимизирующие расхождения между спросом и предложением; на нижнем уровне определяются значения технологических, конструктивных и структурных параметров, обеспечивающих необходимые величины степени превращения и селективностей по продуктам.
Предложена интегро-гипотетическая структура гибкой реакторной системы для проведения последовательно-параллельных реакций, позволяющая управлять селективностью процесса по различным продуктам.
Предложен подход к синтезу математического описания однород-, ной реакторной системы как единого "большого" аппарата, базирующегося на допущении о состоянии микросмешения элементов жидкости в системе в целом. Модель в указанной форме позволяет существенно сократить затраты времени на расчет и оптимизацию схемы.
Разработана процедура полуаналитического определения вида и параметров функции распределения элементов жидкости по времени пребывания в сложной системе.
На примере процесса оксиэтилирования бутилового спирта прове-, ден численный анализ влияния типа моделей аппаратов, структуры реакторной системы, рецикла частя продуктов и времени пребывания на степень превращения реагентов и селективность по продуктам. Показано, что система обладает свойством гибкости и определен интервал неопределенности в значениях степеней превращения и селективностей, обусловленный типом используемых моделей реакторов.
Анализ структуры уравнений моделей кинетики последовательно-параллельных реакций позволил предложить декомпозиционный подход к решению задачи параметрической идентификации кинетических моде: лей, базирующийся на полученном аналитическом решении уравнений дифференциальных селективностей по продуктам реакции при произвольных начальных условиях.
На. основе анализа литературных данных сформулирован стадийный механизм реакции инициированного хлорирования дихлорэтана и разработана модель кинетики.
На базе экспериментальных исследований, проведенных на полупромышленном реакторе хлорирования периодического действия, осуществлена параметрическая идентификация математической модели аппарата, в результате которой найдены оценки эффективных констант скоростей стадий последовательно-параллельной реакции хлорирования ДХЭ.
Практическая ценность. Синтезировано- алгоритмическое и программное обеспечение (ПО) .моделирования реакторных ХТС, пред-' усматривающее использование моделей реакторов двух типов: модель на основе состояния полной сегрегации и модель, учитывающая максимальную смещенность.
Разработан алгоритм и программные средства (ПС) режимно-техиологической и структурной оптимизации реакторных схем.
Разработано программно-алгоритмическое обеспечение решения задачи параметрической идентификации кинетических моделей.
4 . Синтезирована структурная схема реакторного узла процесса хлорирования ДХЭ непрерывным способом и разработаны варианты математического описания его для условий максимальной смещенности элементов жидкости и условий полной сегрегации. Проведен численный анализ функционирования системы, в результате которого определены значения структурных и режимно-технологических переменных, обеспечивающих заданную степень превращения дихлорэтана и необходимое соотношение целевых продуктов (трихлорэтан : тетрахлорэтан) на выходе системы.
Реализация и внедрение результатов исследований. Сформулированы и переданы в ОАО "Капролактам" рекомендации по аппаратурно-технологическому оформлению реакторного узла жидкофазного инициированного хлорирования ДХЭ непрерывным способом.
Апробация работы: Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на IV международной научной конференции "Методы кибернетики . химико-технологических процессов" ("КХТП-IV-94", г.Москва, 1994), 9^ международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии ("МКХТ-95", г.Москва, 1995 г.), научно-технической конференции преподавателей и. сотрудников ИГХТА (г.Иваново, 1995), международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" (ММХ-9, г. Тверь, 1995), 1й региональной межвузовской конференции "Актуальные проблемы химии, химической технологии и химического вбразования "Химия-96" (г.Иваново, 1996), международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" (ММХ-10, г. Тула, 1996).
Публикации. Материалы диссертации получили отражение в 11 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и основных результатов работы. Текст диссертации изложен на 208 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков и 19 таблиц, а также список использованных литературных источников из 156 наименований и приложений.