На правах рукописи
05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий
05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Моделирование, оптимизация и аппаратурно-технологическое оформление энергоресурсосберегающих установок синтеза азопигментов при наличии неопределенности
Пешкова Евгения Владимировна
Тамбов 2007
Диссертация выполнена на кафедре «Технологическое оборудование и прогрессивные технологии» ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет».
Научный руководитель
кандидат технических наук, доцент Дворецкий Дмитрий Станиславович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Туголуков Евгений Николаевич
доктор технических наук, профессор Матвеев Михаил Григорьевич
Ведущая организация
ОАО «Научно-исследовательский институт химикатов для полимерных материалов» («НИИХИМПОЛИМЕР»), г. ТамбовЗащита диссертации состоится «___» _________ 2007 г. в «___» часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 в Тамбовском государственном техническом университете по адресу: г. Тамбов, Ленинградская, 1, ауд. 60.
Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.02.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
1. Общая характеристика работы
Актуальность. При аппаратурно-технологическом оформлении энергоресурсосберегающих химико-технологических процессов (ХТП) фактически всегда разработчики новых химических технологий и проектировщики сталкиваются с неполнотой и неточностью исходной физико-химической, технологической и экономической информации. В этих условиях при моделировании и оптимизации химико-технологических систем (ХТС) необходимо формулировать и решать две важные задачи: 1) оценка гибкости, т.е. способности ХТС сохранять свою работоспособность независимо от неопределенности исходной информации; 2) оптимизация в условиях неопределенности, которая эквивалентна задаче выбора оптимальных коэффициентов запаса технического ресурса технологического оборудования (числа тарелок в ректификационной колонне, объема и длины реактора, поверхности теплообмена в теплообменнике, мощности насосов и мощности электроприводов в аппаратах с мешалками и т.п.), гарантирующих сохранение гибкости ХТС во время эксплуатации.
За рубежом проблемами анализа гибкости и синтеза энергоресурсосберегающих ХТС занимаются ведущие научные школы под руководством профессоров I.E. Grossmann, E.N. Pistikopoulos и др. В России аналогичные исследования проводятся в НИФХИ им. Л.Я. Карпова и Тамбовском государственном техническом университете под руководством профессора Г.М. Островского.
Учет неопределенности исходной информации в самой постановке задач особенно важен при оптимизации и аппаратурно-технологическом оформлении нелинейных процессов тонкого органического синтеза, например, в производстве органических полупродуктов и красителей ввиду повышенной экологической опасности этого производства. При этом возникает острая необходимость разработки новых прогрессивных конструкций реакторов тонкого органического синтеза и технологических схем, формирующих предпосылки эффективного управления и автоматизации.
В связи с вышеизложенным, разработка новых подходов к оптимизации и аппаратурно-технологическому оформлению энергоресурсосберегающих реакторных установок тонкого органического синтеза является актуальной как в научном, так и в практическом плане.
Работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники на 2002 - 2006 гг.» по проекту «Теоретические основы создания энерго- и ресурсосберегающих процессов и оборудования гибких автоматизированных производств органических полупродуктов и красителей при наличии неопределенности исходной информации» и по гранту РФФИ № 06-08-96327 «Теория и методы интегрированного проектирования гибких химико-технологических систем в условиях неопределенности» в 2006, 2007 гг.
Цель работы. Целью настоящей работы является разработка новых подходов к постановке и решению задач оптимизации и аппаратурно-технологического оформления энерго- и ресурсосберегающих ХТП в условиях неопределенности на примере реакторных установок синтеза азопигментов.
Научная новизна. Разработана методика моделирования ХТП при неточном знании некоторых параметров математической модели и технологических переменных, основанная на построении и анализе областей допустимых режимов функционирования ХТС при изменении неопределенных параметров в некоторой заданной области.
Разработаны модифицированные математические модели статики и алгоритмы компьютерного моделирования непрерывных процессов диазотирования и азосочетания, осуществляемых в турбулентных трубчатых реакторах (непрерывного и циклического действия) с диффузор-конфузорными устройствами турбулизации потока.
Впервые при аппаратурно-технологическом оформлении энергоресурсосберегающих ХТП сформулированы двухэтапные задачи стохастической оптимизации ХТС с различными типами наборов технологических ограничений (мягкими и смешанными) и разработаны алгоритмы их решения, позволяющие научно обоснованно рассчитывать оптимальные (по критерию энергоресурсосбережения) конструктивные и режимные (управляющие) переменные ХТС и коэффициенты запаса технического ресурса ХТС при наличии неопределенностей.
Разработаны оригинальные конструкции гибких энергоресурсосберегающих высокопроизводительных реакторных установок с устройствами турбулизации потока диффузор-конфузорного типа непрерывного и циклического действия для безопасного и качественного осуществления процессов тонкого органического синтеза в условиях неопределенности.
Практическая ценность. Для безопасного и качественного осуществления непрерывных процессов тонкого органического синтеза в анилинокрасочной промышленности рекомендованы высокопроизводительные малогабаритные турбулентные трубчатые реакторные установки синтеза азопигментов, формирующие предпосылки эффективного управления и автоматизации, обеспечивающие безопасное и качественное осуществление процессов тонкого органического синтеза с высоким уровнем энергоресурсосбережения и экологической чистоты.
Разработана принципиальная технологическая схема гибкого производства азопигментов производительностью 1000 т пигментов в год, обеспечивающая высокий выход по стадиям диазотирования (99 %) и азосочетания (99,5 %) и усиление физико-колористических показателей пигментов по сравнению с типовыми образцами.
Разработан комплекс программ компьютерного моделирования и оптимизации непрерывных процессов диазотирования и азосочетания в производстве азопигментов в условиях неопределенности, позволяющий выполнять: 1) построение статических характеристик и областей допустимых режимов функционирования реакторных установок синтеза азопигментов; 2) расчет оптимальных (по критерию энергоресурсосбережения) конструктивных и режимных переменных функционирования турбулентных трубчатых реакторных установок синтеза азопигментов и анализ их гибкости; 3) расчет оптимальных коэффициентов запаса технического ресурса реакторных установок в случае мягких или смешанных технологических ограничений при изменении неопределенных параметров в некоторой заданной области.
Результаты работы (методика компьютерного моделирования ХТС в условиях неопределенности, алгоритмы и комплекс программ компьютерного моделирования и оптимизации при аппаратурно-технологическом оформлении энергоресурсо-сберегающих ХТП с различными типами наборов технологических ограничений (мягкими и смешанными), высокопроизводительные малогабаритные турбулентные трубчатые реакторные установки тонкого органического синтеза) приняты к реализации Тамбовским ОАО «Пигмент», ОАО «Корпорация «Росхимзащита», ОАО «Научно-исследовательский институт химикатов для полимерных материалов» («НИИХИМПОЛИМЕР») и ГНУ ВИИТиН.
Разработанная методика компьютерного моделирования и алгоритмы оптимального проектирования гибких ХТС при наличии неопределенности исходных данных легли в основу созданного при непосредственном участии автора компьютерного лабораторного практикума «Компьютерное моделирование и оптимизация технологических процессов и оборудования химических производств», использующегося в учебном процессе ТГТУ при подготовке инженеров и магистров по направлениям 240800 - Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии и 150400 - Технологические машины и оборудование.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: IX и XI научных конференциях ТГТУ (г. Тамбов, 2004, 2006), международной научной конференции «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства» (г. Иваново, 2004), международной научно-практической конференции «Исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (С.-Петербург, 2005), международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии развития» (г. Тамбов, 2005), российской научной конференции «Новое поколение систем жизнеобеспечения и защиты человека в чрезвычайных ситуациях техногенного и природного характера» (г. Тамбов, 2006), международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-19, г. Воронеж, 2006; ММТТ-20, г. Ярославль, 2007), Международной научной конференции по химической технологии (Москва, 2007).
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание работы, изложены в 15 публикациях в научных журналах и сборниках трудов международных и российских конференций, в том числе одна работа в ведущем рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка используемых источников (127 работ отечественных и зарубежных авторов) и приложений. Содержание диссертации изложено на 155 страницах машинописного текста, включает 22 рисунка и 8 таблиц.
Автор выражает благодарность проф. Г.М. Островскому и проф. С.И. Дворецкому за ценные советы и помощь в работе.
2. Основное содержание работы
Введение. Сформулирована цель работы, обоснована ее актуальность, приведена аннотация основных результатов работы, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, даны рекомендации по реализации результатов исследований в промышленности и научно-инженерной практике.
1. Обзор современного состояния в области оптимизации и аппаратурно-технологического оформления энергоресурсосберегающих хтС.
В главе описаны основные подходы к компьютерному моделированию и оптимизации ХТС в условиях неопределенности при аппаратурно-технологическом оформлении процессов тонкого органического синтеза, развиваемые в работах профессоров I.E. Grossmann, E.N. Pistikopoulos, L.T. Biegler, C.A. Floudas, Г.М. Островского, А.Ф. Егорова, Е.Н. Малыгина, С.И. Дворецкого и др.
Задачи оптимизации с учетом неопределенности на порядок сложнее обычных оптимизационных задач (где неопределенность в математической формулировке не учитывается). В работах проф. Г.М. Островского сформулирован ряд новых постановок задач: задача с неопределенностью на двух уровнях (большей на первом и меньшей на втором), задача с двумя группами параметров (когда параметры одной группы могут быть измерены на этапе работы ХТС с высокой точностью и потому считаться известными, а параметры другой группы известны лишь с доверительными интервалами), двухэтапная задача оптимизации с двумя группами ограничений (жесткими и мягкими). Однако учет неопределенности информации и различных требований к ограничениям оптимизационной задачи требует разработки новых математических постановок задач (двухэтапные задачи стохастической оптимизации ХТС с различными типами наборов технологических ограничений (мягкими и смешанными)), новых подходов и методов их решения (алгоритмы оптимизации, позволяющие научно обоснованно рассчитывать коэффициенты запаса технического ресурса ХТС при наличии неопределенностей в случае мягких и смешанных ограничений), методики компьютерного моделирования ХТП при неточном знании некоторых параметров математической модели и технологических переменных. Для решения оптимизационных задач с жесткими ограничениями коллективом ученых под руководством проф. Г.М. Островского разработан эффективный метод, основанный на последовательном решении ряда «нижних» и «верхних» задач оптимизации, с большей точностью аппроксимирующих снизу и сверху исходную оптимизационную задачу. Им создан единый подход для решения различных задач анализа гибкости ХТС, который мы также будем использовать в настоящей работе.
Обзор работ в области создания непрерывных технологических процессов тонкого органического синтеза показал, что только переход к непрерывной технологии позволит обеспечить высокое и стабильное качество химических продуктов, существенно повысить удельную производительность, уровень энерго- и ресурсосбережения и экологической безопасности реакторных установок, снизить материалоемкость технологического оборудования. Однако действующие в настоящее время в России промышленные реакторы тонкого органического синтеза (емкостной аппарат с мешалкой проточного типа; многоцарговая реакторная установка, состоящая из модулей типа «царга-тарелка» с перемешивающим устройством и нижним подводом реагентов; реакторная установка, состоящая из модулей трубчатого типа в вертикальном исполнении) не в полной мере удовлетворяют вышеперечисленным требованиям. В связи с этим и с целью повышения конкурентоспособности продукции производств «малотоннажной химии» возникает острая необходимость в разработке гибких высокопроизводительных малогабаритных реакторных установок тонкого органического синтеза.