Монография посвящена моделированию и оптимизации отдельных химических реакторов, установок и комплексных процессов с использованием принципов теории рециркуляции.
Монография охватывает большой круг химико-техноло и-ческих вопросов и открывает широкие возможности для разработки и усопершенствования технологии процессов различных областей химии. Новые идеи по широкому использованию принципов теории рециркуляции могут оказать по.ю:иь при планировании развития химической промышленности, они позволяют из всех возможных направлений комплексное переработки сырьевых ресурсов выбрать наиболее экономически вы. од-ный вариант. '
Монография может служить пособием для специалистов, занимающихся вопросами химической технологии в научно-исследовательских учреждениях, промышленных предприятиях, проектных организациях, а также для преподавателей, аспирантов и студентов химико-технологических факультетов.
Таблиц 57. Иллюстраций 54. Библ. 70 назв.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Монографию эту, следует полагать, будут внимательно читать, вернее изучать, те, для которых она представляет профессиональный интерес. Но это не значит, что она представляет интерес только для специалистов, занимающихся теоретической химической технологией. Как новое поле научной деятельности, исследование весьма распространенных в природе и технике рециркуляционных процессов, несомненно, должно привлечь к себе особое внимание представителей различных областей знаний.
Этот труд состоит исключительно из оригинальных исследований автора, в которых впервые раскрываются и затем подвергаются разностороннему теоретическому исследованию новые, имеющие фундаментальное значение для всех отраслей химической технологии, свойства рециркуляционных процессов. Теория рециркуляции, разработанная автором, вводит в химическую технологию новые принципы, способные создать серьезный качественный сдвиг в представлениях о путях построения совершенных промышленных процессов. Она открывает новые пути наилучшего использования кинетических возможностей химической реакции.
Применение принципов теории рециркуляции на практике необходимо, во-первых, для перестройки работы многих действующих заводов с целью более полного использования возможностей заводской аппаратуры; во-вторых, для разработки в проектных организациях технически наиболее совершенных технологических процессов; в-третьих, для оценки значимости исследуемых реакций по таким важным показателям, как селективность процесса и производительность реактора; в-четвертых, для пересмотра с позиции теории рециркуляции многих ранее проведенных исследований, так как, вполне возможно, среди них окажутся такие работы, которые ранее считались нецелесообразными, но в плане нового подхода к оценке их практической важности могут оказаться наилучшими.
Все эти выводы относятся к простым и сложным реакциям, протекающим в одном общем реакторе. Для химических комплексов, состоящих из многих сопряженно работающих установок, основные положения теории рециркуляции приобретают новый качественный смысл и несравненно более сложный характер с еще большими практическими возможностями. Здесь из-за своеобразного синергизма, даже для отдельно взятой установки, получают-
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие....................... . 5
Введение. Новые идеи в развитии химической технологии .... 7
§ 1. Повышение оптимальности с использованием теории рециркуляции (принцип супероптимальности).......... 7
Смысл понятии «повышение» оптимальности. Интенсивные и экстенсивные управляемые параметры. Методы повышения оптимальности процессов. Теория рециркуляции и оптимальность процессов. Понятие о локальной, региональной и глобальной оптимизации. Значение ЭВМ для исследования химических процессов
§ 2. Достижения теории рециркуляции и важнейшие проблемы инженерной химии..................... 12
Влияние катализатора, температуры и параметров рециркуляции на кинетику процесса. Изменение профилей управляемых параметров вдоль реактора — температуры, концентрации. Масштабная инвариантность процессов. Многоэкстремальность задачи повышения эффективности процессов с применением рециркуляции. Различные аспекты статической и динамической оптимизации химических процессов. Смысл и взаимообусловленность глобальной, региональной и локальной оптимизации.
Частьпервая
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПРИНЦИПЫ ТЕОРИИ РЕЦИРКУЛЯЦИИ .... 24
Глава I. Основные зависимости установившегося и неустановившегося состояний рециркуляционного процесса......... 25
§ 1. Основной принцип рециркуляции............. 25
Строгая обусловленность состава свежего питания. Соответствие между начальными и конечными продуктами реакции. Возможность свободного регулирования количеством и составом общего питания реактора. О потоках, влияющих на установившееся состояние. Совмещение уравнений кинетики и рециркуляции.
§ 2. Элементы химической кинетики рециркуляционных процессов 29
Понятие о статической «частице». Классическое уравнение кинетики. Понятия концентрации и времени контакта для проточной системы. Кинетика реакций в проточных системах, кинетика сложной реакции, осуществляемой в системе с рециркуляцией. Уравнение кинетики, учитывающее переменность состава общего питания реактора при постоянном и строго определенном составе свежего питания.
§ 3. Условие существования установившегося состояния..... 34
Кинетика химической реакции, осуществляемой в системе с рециркуляционным контуром. Определение условий, гарантирующих существование установившегося состояния материальных потоков. Условия, при которых установившееся состояние невозможно.
§ 4. Исследование динамики рециркуляционной системы..... 38
Дифференциальной уравнение, учитывающее запаздывание рецикла ft. Его аппроксимаций. Алгоритм решения уравнения. Решение задачи для реакций с кинетическим уравнением первого порядка.
Глава II. Увеличение мощности реактора по сырью и производительности по конечному продукту и их предельные значения (Основы принципа супероптималыюсти)................. 43
§ 1. Производительность реактора при осуществлении простых реакций......................... 45
Максимальная производительность реактора для осуществления одновременно протекающих параллельных реакций. Доказательство леммы. Первая теорема производительности. Приложение теоремы к задачам повышения производительности системы в случае реакций первого и второго порядков.
§ 2. Производительность реактора при осуществлении консекутив-ных реакций первого порядка в рециркуляционной системе в изотермических условиях................. 50
Совместное решение уравнений консекутивных реакций и рециркуляции. Монотонное убывание свежей загрузки в изотермическом случае. Определение условий, при которых свежая загрузка и готовый продукт достигают максимального значения.
A. Теорема 2....................... 50
B. Влияние отношения констант скоростей консекутивных реакций первого порядка на выходы продуктов...... 53
§ 3. Производительность рециркуляционного реактора при осуществлении консекутивной реакции с переменной температурой 56
Уравнения кинетики, описывающие протекание консекутивной реакции в рециркуляционной системе. Закономерности изменения мощности реактора по сырью и производительности по конечному продукту. Определение оптимальной загрузки свежим сырьем. Установление оптимального темпе ратурного профиля.
A. Поведение консекутивной реакции в неизотермических условиях ........................ 56
B. Поведение консекутивно-параллельной реакции в неизотермических условиях .................. 63
В. Определение оптимального температурного профиля . . 65
§ 4. Закономерности сопряженных рециркуляционных процессов . . 68
Сопряженная работа двух элементов с отводом целевого продукта из последнего элемента. Определение оптимальной свежей загрузки. Сопряженная работа двух элементов с отводом продуктов из первого и второго элементов.
А. Сопряженная работа двух элементов с отводом целевого продукта из последнего элемента 68
Б. Сопряженная работа двух элементов с отводом продуктов реакции из первого и второго элементов ......... 71
§ 5. Закон и правила приведения сложных смесей....... 74
Область применения закона приведения сложных смесей. Формулировка закона. Критерий приведения сложных смесей. Четыре правила закона приведения и их формулировка. Практическое приложение каждого из правил закона.
Закон приведения сложных смесей............. 75
Первое правило приведения смесей.......... 76
Второе правило приведения смесей.......... 76
Третье правило приведения смесей........... 76
Четвертое правило приведения смесей......... 76
Практическое приложение ............... 77
§ 6. Регулирование селективности процесса за счет изменения состава рецпркулята.................... 81
Рассмотрение параллельных реакции, протекающих в одном общем реакторе. Доказательство на ряде частных случаев возможности свободного регулирования селективностью процесса в широком пределе.
Глава III. Основные уравнения материальных потоков и их совместное решение с целевой функцией для оптимизации ХТК .... 90
§ 1. Вывод основных уравнений............... 91
Методика составления уравнений материальных потоков, элементы математической модели химического комплекса. Метод решения задачи с помощью закона приведения сложных смесей. Дифференциация системы уравнений на главную и вспомогательную.
§ 2. Оптимизация химического комплекса и линеаризация задачи 98
Матрица стехиометрических коэффициентов, вектор ведущих компонентов, матрица распределения потоков по элементам химического комплекса. Позиционные ограничения, целевая функция и решение задачи по централизованным показателям.
§ 3. Определение теоретического числа вариантов при оптимизации
с использованием закона приведения сложных смесей . . . 103
Степень свободы системы. Число уравнений главной и соподчиненной систем. Вывод уравнения теоретического числа вариантов.
§ 4. Примеры ........................ 104
Решение линеаризованной задачи декомпозиционной оптимизации. Расчет системы с независимым составом питания — головная часть нефтехимического комплекса. Расчет системы с зависимым составом питания — сопряженная технологическая система, состоящая из деструктивной гидрогенизации, дегидрогенизации смеси этан — пропан и алкилирования бензола.
A. Решение линеаризованной задачи декомпозиционной глобальной оптимизации ................... 104
Б. Расчет системы с независимым составом питания .... ИЗ
B. Расчет системы с зависимым составом питания..... 125
Г. Приложение линейного программирования к решению некоторых задач теории рециркуляционных процессов .... 140 Д. Пример расчета системы с независимым, зависимыми смешанным составами питания ...............149
Глава IV. Новые подходы к моделированию и оптимизации ХТК 155
§ 1. Подготовка исходных данных............... 157
Математическое описание ХТК. Множество всех элементов ХТК. Множество компонентов (веществ), участвующих в процессах ХТК. Множество связей между элементами ХТК. Множество ограничений
§ 2. Модель задачи декомпозиционной глобальной оптимизации
ХТК (модель ДГ-оптимизации).............. 160
Уравнения определения степени чистоты разделения продуктов реакции и состава питания реактора произвольного региона ХТК. Уравнения смешения при входе в реактор. Критерий оптимальности.
§ 3. Модель задачи региональной оптимизации ХТК (модель Р-оп-
тимизации) ....................... 164
Уравнения материального баланса. Случаи суммарной и фракционной рециркуляции. Ограничения на величину ад. Зависимости между входными и выходными параметрами для случая рекуперативных теплообменников и ректификации.
§ 4. Модель задачи локальной оптимизации отдельного аппарата
ХТК (модель Л-оптимизации) . . ............ 177
Составление математической модели реактора. Уравнения кинетики протекающих в реакторе реакций. Уравнения гидродинамики, уравнения сохранения энергии и уравнения состояния.
§ 5. Оптимальное проектирование системы теплообменников . . . 179
Уравнения, описывающие работу отдельного теплообменника. Система теплообменников без обратной связи. Нагревание одного потока. Нагревание двух потоков. Нагревание произвольного числа потоков. Системы теплообменников с обратной связью. Система линейных уравнении для определения неизвестных температур. Отличие детерминанта этой системы от нуля. Оптимизация СТ. Оптимальное распределение поверхностей нагрева СТ. Применение метода «штрафов». Решение задачи градиентным методом.
А. Система теплообменников без обратной связи....... 181
Б. Система теплообменников с обратной связью....... 195
Глава V. УСТОЙЧИВОСТЬ рециркуляционных реакторных систем . . 208
§ 1. Исследование устойчивости рециркуляционной системы . . . 208 Уравнения материальных и тепловых потоков неустойчивого состояния для рециркуляционной системы. Условия устойчивости для системы с суммарной рециркуляцией. Условия устойчивости для систем с фракционной рециркуляцией.
§ 2. Исследование режима работы реактора мономолекулярпой кон-секутивной реакции в системе с рециркуляцией общей смеси и непрореагировавшей части сырья............ 214
Рассмотрение процесса с общей и фракционной рециркуляцией. Влияние кратности циркуляции на результаты процессов установления конечной эффективности ведения процесса как с суммарной, так и фракционной рециркуляцией. Сопоставление результатов и выводы.
Часть вторая
ПРИЛОЖЕНИЕ ПРИНЦИПОВ ТЕОРИИ РЕЦИРКУЛЯЦИИ
К ИССЛЕДОВАНИЮ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ....... 218
Глава VI. Декомпозиционная глобальная оптимизация химико-технологического комплекса..................... 221
§ 1. ДГ-оптимизация химико-технологического комплекса по производству карбамида и ацетальдегида............ 221
Построение математических моделей отдельных элементов. Критерий оптимальности. Линеаризованная система уравнений материальных потоков. Нахождение оптимальных определяющих показателей.
A. Пиролиз этана.................... 222
Б. Синтез аммиака.................... 223
B. Синтез мочевины................... 224
Г. Гидратация этилена.................. 224
Д. Дегидрирование этилового спирта .......... 225
Глава VII. Региональная оптимизация рециркуляционной системы 233
§ 1. Иллюстрация модели региональной оптимизации......, 233
Описание региона. Уравнение связи. Уравнение отдельных операций. Критерий оптимальности. Результаты решения задачи по оптимизации региона.
Глава VIII. Региональная оптимизация рециркуляционной системы термического дегидрирования этана................ 238
§ 1. Технологическая схема процесса............... 238
Регенерация тепла высоконагретых газов пиролиза методом циркуляции теплоносителя. Эффективность метода циркулирующего теплоносителя по сравнению с принятым в проектах котлем-ушлизаторсм. Результаты применения охладительной колонны перед пенным аппаратом.
§ 2. Математическая модель региона............. 242
Выделение одноименных элементов. Составление математических моделей для выделенных элементов. Выбор критерия оптимальности. Результаты применениь различных математических методов для исследования и оптимизации региона.
Глава IX. Разработка реакторного узла процесса гидрохлорирования
пропилена с применением рециркуляции........... 265
§ 1. Математическое описание процесса ............ 266
Уравнение кинетики для процесса каталитического гидрохлорирования пропилена в паровой фазе. Температурные зависимости констант скорости реакции и коэффициентов адсорбции. Схема реакторного узла. Вывод расчетного уравнения для определении объема реактора как' функции глубины превращения.
А. Кинетика реакции гидрохлорпрованпя пропилена в потоке .......................... 260
Б. Вывод расчетного ураинения для любого реакционного
аппарата многоступенчатой системы ............ 267
§ 2. Оптимальный режим процесса гидрохлорирования пропилена
с рециркуляцией II (Л.................... 272
Эффективность осуществления исследуемого процесса в многоступенчатой системе реакторов по сравнению с одноступенчатой системой. Определение оптимального состава реагирующей смеси на входе в реактор. Определение соотношения между объемами отдельных ступеней, при котором общий объем реакторов был бы минимальным. Влияние изменений температуры на работу реактора. Определение оптимального количества ступеней в системе.
§ 3. Постановка задачи нахождении минимального объема каскада
реакторов методом динамического программирования . . . 281
§ 4. Описание блок-схемы программы.............. 282
§ 5. Исследование технологии синтеза пзопроиилхлорпда в системе с рециркуляционным контуром потоков СзНа и Н(Л . . . 285 Расчетное уравнение. Определение оптимального соотношения между компонентами сырья на входе в реактор. Определение оптимального значения глубины превращения за один пропуск сырья через зону катализатора.
А. Одноступенчатая система с рециркуляцией непрореагиро-
вавтего сырья..................... 285
Б. Двухступенчатая система с рециркуляцией непрореагировавшего сырья.................... 290
Глава X. Исследование и оптимизация рециркуляционного реакторного узла процесса дегидрогенизации этана............ 296
§ 1. Математическая модель процесса ............. 297
Стсхиометрические уравнения протекающих реакций, уравнения кинетики и сопряжение их с уравнениями рециркуляции. Выражение текущих количеств компонентов через ведущий компонент. Определение потери напора по длине змеевика. Составление уравнения теплового баланса. Выбор начальных температуры и давления.
А. Выбор Го и Ра................... 306
Б. Отношение водяного пара к сырью .......... 307
§ 2. Оптимизация процесса при условии равенства количества ре-
циркулята количеству непрореагировавтпего этана . ... 307
Оптимизация процесса при переменных по длине реактора температуре и давлении. Получение более высоких показателей процесса но сравнению с результатами проведения процесса в промышленных условиях. Оптимизация процесса при постоянной по длине реактора температуре и переменном давлении. Исследование гипотетических случаев протекания процесса при постоянных температуре и давлении, постоянном давлении и переменной температуре.' Сравнение результатов оптимизации процесса при различных условиях.
A. Исследование процесса пиролиза этана при переменных
температуре и давлении................. 310
Б. Исследсвание процесса пиролиза этана при постоянных температур; и давлении (изотермо-изобарический процесс) 312
B. Исследование процесса пиролиза этана при постоянной температуре и переменном давлении (изотермический процесс) ......................... 313
Г. Исследование процесса пиролиза этана при постоянном давлении и переменной температуре (изобарический процесс) 314
Д. Сравнение результатов ................ 315
§ 3. Оптимизация процесса по количеству свежего сырья и доле ре-
цнркулята ....................... 316
Составление выражении дли функции дохода. Определение оптимальных значений „ и ajj для следующих трех случаев: 1) максимум абсолютного ныхода цел во го продукта, 2) максимум относительного выхода, 3) максимум функции дохода. Сравнение результатов данной оптимизации с результатами предыдущей оптимизации процесса (§ 2).
Глава XI. Оптимальное распределение сырьевых ресурсов между различными процессами химического комбината ......... 322
1. Составление математической модели задачи распределения ресурсов . . ....................... 322
Уравнения материальных потоков и начальные условия работы химического комбината. Критерии оптимизации.
§ 2. Задача оптимального распределения ресурсов, связанная с минимизацией количества отводимых из системы побочных продуктов ......................... 326
Составление модели задачи. Решение задачи оптимального распределения с помощью линейного программирования. Материальный баланс оптимального варианта.
§ 3. Оптимальное распределение сырьевых ресурсов с целью обеспечения максимального выхода готового продукта.....332
Нахождение оптимального распределения ресурсов с помощью линейного программирования. Материальный баланс оптимального варианта.
Послесловие......................... 336
Литература............................ 337
Важнейшие определения................... 340
Основные принятые обозначения................. 343
Список принятых сокращений.................. 355
Авторский указатель........................ 356
Предметный указатель....................... 358
Цена: 300руб.
