компьютерный моделирование диазотирование турбулентный
Рис. 2. Поверхность изменения проскока сырья на выходе из реактора диффузор-конфузорного типа в зависимости от температуры и расхода соляно-кислой суспензии амина в процессе диазотирования
Рис. 3. Области допустимых режимных воздействий реактора диазотирования диффузор-конфузорного типа при нижнем (область 1), номинальном (область 2), верхнем (область 3) значении E04
3.4. Компьютерное моделирование непрерывного процесса азосочетания, осуществляемого в турбулентном трубчатом реакторе. Технологическим регламентом непрерывного производства азопигментов к реакторной установке азосочетания предъявляются следующие требования (ограничения): по выходу пигмента K ? 99,0 %; по содержанию диазосмол П ? 0,1 %; по колористическим и физико-технологическим свойствам пигмента , . Выполнение вышеперечисленных требований к реакторным установкам необходимо обеспечить в условиях неопределенности отдельных входных параметров: входной концентрации диазосоставляющей CD = 394 (±5 %) моль/м3, входной концентрации азосоставляющей CAz = 487 (±5 %).
На рис. 4, 5 представлены статические характеристики и области допустимых режимов функционирования реакторной установки азосочетания трубчатого типа при изменении концентрации диазосоставляющей CD в питании реактора.
Анализ графиков и областей допустимых режимов функционирования реакторной установки азосочетания производительностью 1000 т/год позволяет следующие выводы: 1) при проведении процесса азосочетания отклонение входных концентраций диазо- и азосоставляющих CD, CAz от номинальных значений приводит к нарушениям технологических ограничений; 2) для управления процессом азосочетания целесообразно использовать pH реакционной среды и мольное соотношение подач диазо- и азосотавляющей в питании реактора ; 3) при изменении неопределенных параметров в указанных пределах существуют допустимые области изменения управляющих переменных и имеет место пересечение этих областей, что подтверждает возможность и целесообразность постановки задач стохастической оптимизации статических режимов в условиях неопределенности.
Рис. 4. Изменение выхода пигмента из реактора азосочетания в зависимости от значения pH среды и мольного соотношения подачи диазо- и азосоставляющей S в питании реактора
Рис. 5. Области допустимых режимных параметров для реактора азосочетания при нижнем (область 1), номинальном (область 2), верхнем (область 3) значении CD
4. Оптимизация и аппаратурно-технологическое оформление энергоресурсосберегающих процессов тонкого органического синтеза в производстве азопигментов.
Целевая функция для оптимизации аппаратурного оформления непрерывных процессов диазотирования и азосочетания представляет собой приведенные затраты на производство 1 т пигмента. Были решены задачи оптимизации реакторов диазотирования с устройствами турбулизации потока диффузор-конфузорного типа и циклического типа, азосочетания трубчатого типа с мягкими и смешанными ограничениями.
Задача 1. Требуется определить конструктивные переменные реактора диазотирования диффузор-конфузорного типа d* (длину трубчатой части lтр и диаметр трубы dтр реактора, объем диффузор-конфузорных устройств турбулизации потока Vкам) и режимные переменные z* (температуру реакционной среды Tc, распределение подачи нитрита натрия (i) по зонам i = 1, 2, 3 (длине) трубчатой части реактора), при которых достигается минимум целевой функции при связях в форме уравнений ММ и технологических ограничениях.
Мягкие ограничения. Длина цилиндрической части 92,2 м, диаметр трубы реактора 0,04 м, объем камер смешения 0,025 м3, температура 305 К, распределение раствора нитрита натрия по длине реактора 81 % : 13 % : 6 % (C = 2162 у.е./т).
Смешанные ограничения. Длина цилиндрической части 94,4 м, диаметр трубы реактора 0,04 м, объем камер смешения 0,025 м3, температура 306 К, распределение раствора нитрита натрия по длине реактора 84 % : 12 % : 4 % (C = 2278 у.е./т).
Задача 2. Требуется определить конструктивные переменные реактора 8а диазотирования циклического d* (длину трубчатой части реактора lтр и диаметр трубы dтр реактора, объем камер смешения Vкам), режимные переменные z* (температуру реакционной среды Tc и распределение подачи нитрита натрия (i) в течение процесса), при которых достигается минимум целевой функции при связях в форме уравнений ММ и технологических ограничениях.
Мягкие ограничения. Количество рециркуляционных циклов 63; температура 307 К, распределение раствора нитрита натрия по времени пребывания 60 % : 28 % : 12 %; (C = 2159 у.е./т).
Смешанные ограничения. Количество рециркуляционных циклов 65, температура 307 К, распределение раствора нитрита натрия по времени пребывания 49 % : 36 % : 15 %, (C = 2163,5 у.е./т).
Задача 3. Требуется определить конструктивные переменные реактора азосочетания трубчатого типа d* (длину трубчатой части реактора lтр и диаметр трубы dтр реактора), режимные переменные z* (распределение по длине трубы подачи диазосоставляющей и pH(i) среды реакции), при которых достигается минимум целевой функции при связях в форме уравнений ММ и технологических ограничениях.
Мягкие ограничения. Длина 18,7 м; pH1 = 8,2; S1 = 85 % на участке 0 - 5 м; pH2 = 7,5; S2 = 15 % на участке 5 - 18,7 м, приведенные затраты C = 2325 у.е./т.
Смешанные ограничения. Длина 23,2 м; pH1 = 9,4; S1 = 82 % на участке 0 - 5 м; pH2 = 7,5; S2 = 18 % на участке 5 - 23,2 м, приведенные затраты C = 2326 у.е./т.
Рассчитанные конструкции энергоресурсосберегающих реакторных установок тонкого органического синтеза рекомендуются для использования при модернизации действующих и проектировании новых многоассортиментных химических производств. На основе рассчитанных гибких энергоресурсосберегающих турбулентных трубчатых реакторных установок диазотирования и азосочетания разработана технологическая схема гибкого автоматизированного производства азопигментов производительностью 1000 т/год.
Основные результаты работы
1. Разработана методика моделирования ХТП при наличии неопределенности исходной информации, позволяющая выявлять наиболее эффективные режимные (управляющие) переменные (воздействия) и возмущающие факторы (неопределенные параметры), оказывающие наибольшее влияние на показатели эффективности функционирования ХТС и делать выводы о целесообразности постановки задачи оптимизации ХТС.
2. Разработаны математические модели статики непрерывных процессов диазотирования и азосочетания, учитывающие особенности кинетики процессов растворения твердой фазы ароматического амина (имеющего полидисперсный состав в питании реактора) и кристаллизации азопигментов, протекающих в смешанных диффузионно-кинетических областях; процессов разложения диазотирующего агента и диазосоединения; закономерности формирования колористических и физико-технологических показателей азопигментов алого концентрированного, лакокрасочного и желтого светопрочного в зависимости от pH среды и других условий осуществления процесса азосочетания. Среднеквадратичное отклонение расчетных от экспериментальных данных для моделей статики процессов диазотирования и азосочетани не превышает 9 %, максимальное рассогласование - 12 %.
3. Сформулированы новые двухэтапные задачи стохастической оптимизации конструктивных и режимных переменных ХТС (с мягкими и со смешанными ограничениями) при наличии неопределенности исходных данных, дающие возможность подстройки режимных (управляющих) переменных на этапе функционирования ХТС.
4. Разработаны оригинальные «быстродействующие» алгоритмы решения сформулированных двухэтапных задач стохастической оптимизации, позволяющие за приемлемое время получать решение задач оптимизации при аппаратурно-технологи-ческом оформлении промышленных процессов химической технологии при наличии неопределенности исходных данных, т.е. научно обоснованно рассчитывать оптимальные (по критерию энергоресурсосбережения) конструктивные и режимные (управляющие) переменные ХТС и коэффициенты запаса технического ресурса ХТС.
5. Для безопасного и качественного осуществления непрерывных процессов тонкого органического синтеза предложены и обоснованы оригинальные конструкции гибких энергоресурсосберегающих высокопроизводительных реакторных установок с диффузор-конфузорными устройствами турбулизации потока непрерывного и циклического действия для осуществления процесса диазотирования труднорастворимых ароматических аминов и трубчатого типа - для синтеза азопигментов.
6. Решены двухэтапные задачи стохастической оптимизации конструктивных и режимных переменных турбулентных трубчатых реакторных установок диазотирования (с диффузор-конфузорными устройствами и циклического типа) и азосочетания производительностью 1000 т/год с мягкими ограничениями. Установлено, что при использовании мягких ограничений запас технического ресурса реакторных установок составляет 6 % (для реакторной установки диазотирования с диффузор-конфзорными устройствами), 3,3 % (для реакторной установки циклического типа) и 22,2 % (для трубчатой реакторной установки азосочетания).
7. Решены двухэтапные задачи стохастической оптимизации турбулентных трубчатых реакторных установок диазотирования и азосочетания производительностью 1000 т/год со смешанными ограничениями. Установлено, что при использовании смешанных ограничений запас технического ресурса реакторных установок составляет 8,5 % (для реакторной установки диазотирования с диффузор-конфузорными устройствами), 6,6 % (для кожухотрубчатой реакторной установки циклического типа) и 51,6 % (для трубчатой реакторной установки азосочетания).
8. Для реализации в анилинокрасочной промышленности рекомендуются малогабаритные высокопроизводительные турбулентные трубчатые реакторные установки с диффузор-конфузорными устройствами и циклического действия, обеспечивающие безопасное и качественное осуществление процессов тонкого органического синтеза с высоким уровнем энерго- и ресурсосбережения и экологической чистоты. Спроектированы турбулентные трубчатые реакторные установки диазотирования и азосочетания для непрерывного производства азопигментов алого концентрированного, лакокрасочного и желтого светопрочного производительностью 1000 т/год, определены оптимальные режимы их функционирования при наличии неопределенностей.
9. Разработана технологическая схема гибкого автоматизированного производства азопигментов производительностью 1000 т/год, состоящая из гибких энергоресурсосберегающих турбулентных трубчатых реакторных установок диазотирования и азосочетания. В разработанной схеме обеспечивается выход азопигментов - 99 %, содержание диазосмол в пигменте - не более 0,1 % и значительное усиление колористических и физико-технологических показателей азопигментов по сравнению с типовыми образцами.
10. Практические рекомендации по модернизации действующих и оптимизации при аппаратурно-технологическом оформлении новых многоассортиментных производств «малотоннажной химии» приняты к использованию в АО «Пигмент», ОАО «Ниихимполимер», ОАО «Корпорация «Росхимзащита», ГНУ «ВИИТиН».
11. Результаты работы (компьютерный лабораторный практикум «Компьютерное моделирование и оптимизация технологических процессов и оборудования химических производств») используются в учебном процессе ТГТУ при подготовке инженеров и магистров по направлениям 240800 - Энерго- и ресурсберегающие процессы в химической технологии.
Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях
1. Дворецкий, Д.С. Математическое моделирование и оптимизация процессов тонкого органического синтеза в условиях неопределенности / Д.С. Дворецкий, Е.В. Пешкова // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - Тамбов, 2007. - T. 13, № 1А. - С. 119 - 129.
2. Дворецкий, Д.С. Оптимизация процессов синтеза азопигментов при наличии неопределенностей / Д.С. Дворецкий, Е.В. Пешкова // Труды ТГТУ : сб. статей. - Тамбов, 2004. - Вып. 15. - С. 58 - 61.
3. Дворецкий, С.И. Ресурсосберегающая непрерывная технология синтеза азокрасителей и пигментов в турбулентных трубчатых реакторах / С.И. Дворецкий, Д.С. Дворецкий, Е.В. Пешкова // Тез. докл. междунар. науч. конф. «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства». - Иваново, 2004. - С. 46.
4. Дворецкий, С.И. Интеллектуальная система интегрированного проектирования химико-технологических процессов, аппаратов и систем автоматизированного управления / С.И. Дворецкий, Д.С. Дворецкий, Е.В. Пешкова // Тез. докл. междунар. науч.-практ. конф. «Исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности». - СПб., 2005. - С. 36 - 38.
5. Дворецкий, Д.С. Синтез гибких автоматизированных производств: стратегия, методы, реализация / Д.С. Дворецкий, Е.В. Пешкова // Труды ТГТУ : сб статей. - Тамбов, 2005. - Вып. 17. - С. 78 - 82.
6. Дворецкий, Д.С. Решение одноэтапных задач оптимизации ХТС в условиях неопределенности / Д.С. Дворецкий, Е.В. Пешкова // Тез. докл. междунар. науч.-практ. конф. «Прогрессивные технологии развития». - Тамбов, 2005. - С. 295 - 297.
7. Дворецкий, Д.С. Компьютерное моделирование трубчатого реактора в условиях неопределенности / Д.С. Дворецкий, Е.В. Пешкова // Сб. трудов XIX междунар. науч. конф. «Математические методы в технике и технологиях». - Воронеж, 2006. - Т. 3. - С. 100 - 102.