Введение к работе
Актуальность работы
Основными элементами любого химического производства являются процессы разделения газовых и жидких смесей, такие как ректификация, абсорбция, экстракция и т. д. Поэтому общие затраты, которые расходуются сейчас на производство в сильной степени связаны с эффективностью проведения именно этих процессов. Для разработки и оперативного внедрения новых, конкурентоспособных технологий и оборудования, а также повышение эффективности действующих аппаратов необходимо решать задачи связанные с определением возможных вариантов проведения процесса, определение оптимальных значений его режимных характеристик и основных размеров аппаратурного оформления. Достоверность, получаемых в результате решения таких задач данных, зависит от используемого математического описания рассматриваемого процесса и во многом определяет дальнейшие затраты на проектирование процесса, его доводку и время внедрения в производство. Возможности математического описания процессов химической технологии в первую очередь зависят от теоретических основ, на которых оно строится. Перспективным представляется использование фундаментальных основ молекулярно-статистической теории, основной задачей которой является установление связи между поведением отдельных частиц рассматриваемой системы и макросвойствами, характеризующими систему как целое. Перспективность использования этих основ связана с тем, что в этом случае можно получать замкнутое математическое описание процессов химической технологии, для которого исходными данными являются потенциалы межмолекулярного взаимодействия компонентов рассматриваемой системы. Потенциал межмолекулярного взаимодействия зависит только от атомного строения молекулы вещества и не зависит от параметров состояния, что позволяет говорить о потенциалах межмолекулярного взаимодействия как об универсальной базе данных для описания процессов химической технологии.
Уровень развития молекулярно-статистической теории на сегодняшний день не позволяет говорить о возможности построения на ее основах описания всех особенностей процессов химической технологии, однако многие проблемы эта теория уже сегодня может решить. В первую очередь, это проблемы расчета теплофизических свойств индивидуальных веществ и их смесей, а также коэффициентов молекулярного переноса субстанции. Эта информация составляет обычно более половины требуемых исходных данных для описания процессов разделения веществ и от ее надежности во многом зависит точность получаемых результатов.
Особый интерес молекулярно-статистические методы представляют сегодня, когда происходят качественные изменения основ организации и проведения процессов химической и нефтехимической технологии. Наметились явные тенденции ухода от существовавшего более 100 лет способа организации производства по принципу разделения процессов по типам и проведения их в отдельных аппаратах. Взамен развивается идея совмещения нескольких процессов в одном
('-
аппарате, что во многих случаях позволяет получить значительный экономический эффект. Это значит, что в рассматриваемом аппарате приходится учитывать ,еще большее многообразие условий протекания процесса, составов рабочих агентов и их влияние на термодинамические и кинетические характеристики. Очевидно, что с изменением принципов построения технологий должны меняться и расчетные методы или основы моделирования новых процессов. Этими основами являются фундаментальные законы молекулярно-статистической теории. Данная работа посвящена разработке молекулярно-статистических основ описания процессов разделения веществ. Работа выполнялась в рамках следующих программ:
-
Тематический план Академии Наук Республики Татарстан: «Фундаментальные основы новых химических технологий».
-
Грант РФФИ 02-03-32298-а «Описание равновесных характеристик и процессов переноса в жидких смесях на основе частичных функций распределения».
-
Грант РФФИ 03-03-32361-а «Изучение фазовых равновесий в многокомпонентных системах жидкий раствор - сверхкритический растворитель».
-
Грант РФФИ 03-03-96197-р2003татарстан_а «Описание термодинамических свойств молекулярных флюидов на основе многочастичных потенциалов взаимодействия».
-
Грант фонда научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Республики Татарстан № 07-7.5 -177 / 2003 (Ф) «Перспективные методы описания многокомпонентного массопереноса в процессах разделения веществ».
Цель работы
Разработка методов расчета равновесных и неравновесных характеристик многокомпонентных газовых и жидких смесей на основе данных по потенциалам межмолекулярного или атом-атомного взаимодействия, которые позволят с хорошей точностью описывать теплофизические свойства рабочих агентов при моделировании процессов тепломассопереноса.
Построение замкнутого математического описания процессов разделения многокомпонентных газовых и жидких смесей с использованием молекулярно-статистических основ. Научная новизна
В рамках фундаментальной теории интегральных уравнений для частичных функций распределения были получены замкнутые методы расчета различных термодинамических характеристик и условий фазовых равновесий в многокомпонентных газо-жидкофазных системах на основе различных моделей описания межмолекулярного взаимодействия.
Разработан метод идентификации параметров потенциалов межмолекулярного взаимодействия для реальных веществ, обеспечивающих высокую точность расчета термодинамических свойств, условий фазового равновесия и ко-
зффіщиентов молекулярного переноса массы для одно- и многокомпонентных систем.
Развит метод описання коэффициентов многокомпонентного молекулярного переноса массы в жидких смесях на основе равновесных межмолекулярных функций распределения и нецентральных потенциалов межмолекулярного взаимодействия.
Предложены математические модели процессов многокомпонентной ректификации, налива и хранения многокомпонентных углеводородных систем, в которых все необходимые теплофизические свойства рабочих агентов определяются на основе универсальной базы данных по потенциалам межмолекулярного взаимодействия. Практическая значимость
-
Разработан замкнутый алгоритм и программный комплекс для определения и исследования поведения различных термодинамических характеристик и условий фазового равновесия, а также коэффициентов молекулярного переноса массы в многокомпонентных жидких и газовых смесях на основе потенциалов межмолекулярного и атом-атомного взаимодействия.
-
Для широкого класса углеводородов и некоторых других веществ идентифицированы параметры различных моделей описания межмолекулярных взаимодействий, что позволило с хорошей точностью описывать равновесные и неравновесные свойства этих веществ и их смесей во всей области газо-жидкофазных состояний, включая ее границы.
-
Предложен метод расчета процессов многокомпонентной ректификации на основе фундаментальных уравнений многокомпонентного массопереноса и базы данных по потенциалам межмолекулярного взаимодействия компонентов рабочих сред. По результатам расчета были определены рациональные режимы ведения процесса в колонне К-701 Сургутсго ЗСК и проведена реконструкция колонны разделения обезвоженных гликолей К-ЗОб ОАО «Казаньоргсинтез».
-
Разработан программный комплекс, который позволяет прогнозировать изменение термодинамических параметров состояния двухфазной многокомпонентной системы в резервуарах для хранения углеводородного сырья и может быть использован для регулирования процесса налива и предотвращения аварийных выбросов. Предложенные конструктивные изменения наливающих коллекторов в емкости позволяют существенно снизить рост давления в процессе налива, что уменьшает вероятность превышения его допустимого значения и потерь газовой фазы. Экономический эффект от внедрения данных разработок составил не менее 1.5 млн. рублей в год.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:
-
Второй республиканской научной конференции молодых ученых и специалистов, г.Казань, 1996г.
-
XVI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии., г.Москва, 1998г.
-
V-ая Международная научная конференция, посвященная 85-летию со дня рождения академика Кафарова В.В., г.Казань, 1999г.
-
Всероссийская научная конференция, посвященная 80-летию со дня рождения А.Г.Усманова «Тепло- и массообмен в химической технологии», г.Казань, 2001г.
-
X Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ, г.Казань, 2002г.
-
XVII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, г.Казань, 2003г.
-
XVIII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях», г. Казань, 2005 г.
8. Ежегодных отчетных научно-технических конференциях в КГТУ.
Публикации
По теме работы опубликована 51 печатная работа и тезисы докладов.
