Введение к работе
Актуальность работы Процессы химической технологии являются высокоэнергоемкими. При этом основная доля энергетических затрат приходится на процессы ректификации. Они достигают 80–90% от общих энергетических затрат в химической и нефтехимической промышленности и в большой мере определяют суммарные приведенные капитальные и эксплуатационные затраты на разделение смесей веществ. Учитывая, что процессы ректификации характеризуются наличием множества источников и стоков тепловой энергии, особое место при решении задач синтеза энергоресурсосберегающих систем ректификационных колонн (СРК), занимают подходы, направленные на внутреннюю теплоинтеграцию технологических потоков. Этой проблеме отводится одна из решающих ролей в задаче проектирования и реконструкции экономичных и экологичных технологических систем. В связи с нарастающими темпами развития химической технологии и системотехники задача оптимальной тепловой интеграции за более чем пятидесятилетнюю историю приобрела большую актуальность, чем привлекла внимание специалистов как в России, так и за рубежом, среди которых стоит выделить: Grossmann I.E., Papoulias S. A., Yee T.F., Ciric A.R., Cerda J., Floudas C.A., Kleme J.J., Kravanja Z., Linnhoff B., Smith R., Кафарова В.В., Мешалкина В.П., Товажнянского Л.Л., Капустенко П.А., Ульева Л.М., Островского Г.М., Цирлина А.М., Холоднова В.А., Викторова В.К. Известные методы, основанные на эмпирических правилах и термодинамическом подходе к энергетическому анализу, не гарантируют достижение глобального минимума критерия. Они также не позволяют оценить, насколько суммарные приведенные затраты на найденную структуру системы теплообмена близки к глобальному оптимуму. Данная проблема формулируется как задача математического программирования и является сложной комбинаторной задачей дискретно-нелинейного программирования, которой, как следствие, присуща еще и многоэкстремальность. Для решения этой задачи наиболее эффективными являются методы, основанные на декомпозиции суперструктур, представляющих собой объединение всех возможных вариантов организации систем теплообмена. Развитие новых подходов и методов решения обозначенной задачи, направленных на повышение эффективности предлагаемых вычислительных процедур, является актуальной задачей системного анализа объектов химической технологии. Ключевым этапом при ее формализации с учетом сложности структуры, в которой может быть организован многократный рекуперативный теплообмен с возможным делением материально-тепловых потоков, является разработка подходов, методов и алгоритмов синтеза систем одностадийного теплообмена. Их, согласно принципу декомпозиции, в развитии работы мы предполагаем рассматривать как отдельные структурные элементы.
Цель работы Разработка метода оптимальной одностадийной тепло-интеграции при синтезе и реконструкции систем ректификационных колонн.
Задачи исследования
Анализ подходов к решению задачи теплоинтеграции при синтезе и реконструкции химико-технологических систем. Выявление особенностей решения задачи теплоинтеграции для систем ректификационных колонн;
Формализация постановки задачи оптимальной теплоинтеграции в системе ректификационных колонн, как задачи о назначениях;
Разработка классификации элементарных блоков системы теплообмена (ЭБСТ) при теплоинтеграции двух потоков;
Формализация постановок задач оптимального проектирования ЭБСТ по критерию суммарных приведенных капитальных и эксплуатационных затрат для получения экономических оценок элементов матрицы задачи о назначениях;
Разработка подхода и алгоритмов решения задач оптимального проектирования ЭБСТ;
Разработка подхода к построению матрицы назначений для случая неравного числа холодных и горячих потоков СРК;
Формализация задачи оптимального проектирования ЭБСТ при возможности использования нескольких внешних горячих и холодных утилит с различным термодинамическим потенциалом;
Исследование эффективности предложенных подходов, способов и алгоритмов на примере решения задачи оптимальной теплоинтеграции СРК производства этанола.
Методология и методы исследования
Системный подход, математическое и компьютерное моделирование, методы термодинамического анализа, регрессионного анализа, линейного и нелинейного математического программирования, процедурно-структурного программирования.
Научная новизна работы
Сформулирована задача оптимальной теплоинтеграции в СРК как задача о назначениях, отличающаяся от ранее известных тем, что задача об обеспечении заданных конечных температур, обменивающихся теплом потоков, переформулирована в задачу съема/передачи необходимого количества тепла, что позволило учесть фазовые переходы при испарении и конденсации интегрируемых тепловых потоков;
Предложен способ задания логических двоичных переменных в матрице назначений, который, в отличие от ранее разработанных, охватывает все возможные способы организации теплообмена;
Введены в научный оборот новые определения «элементарный блок системы теплообмена (ЭБСТ)» и «суперструктура элементарного блока системы теплообмена»;
Предложена суперструктура ЭБСТ, включающая все варианты схем теплообмена для двух потоков, на основе которой разработана классификация ЭБСТ, которая позволяет учесть в матрице оценок все варианты теплообмена, как с рекуперацией, так и без рекуперации тепла;
Разработаны формализованные постановки, подходы и алгоритмы решения задач оптимального проектирования ЭБСТ в зависимости от значений параметров потоков, анализируемых на возможность теплоинтеграции;
Предложен способ учета экономических оценок задачи о назначениях для случаев неравного числа холодных и горячих потоков, который заключается в дополнении строк/столбцов матрицы оценками на автономный нагрев либо охлаждение входных и выходных потоков колонн;
Предложен подход к синтезу простых СРК с учетом рекуперации тепла, который заключается в решении задачи теплоинтеграции для каждой промежуточной СРК дерева решений;
Предложен подход использования нескольких энергоносителей при решении задачи оптимизации ЭБСТ.
Практическая значимость
На основе предложенных подходов, способов разработаны алгоритмы и программный комплекс решения задач теплоинтеграции при синтезе и реконструкции СРК. Программный комплекс построен в среде математического пакета MatLab и интегрирован с универсальной моделирующей программой Aspen Hysys;
Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2017617266 «Программный комплекс оптимальной одностадийной теплоинтеграции на основе задачи о назначениях»;
Эффективность подходов показана на примере оптимальной теплоинтеграции установки ректификации этилового спирта;
Результаты работы переданы для внедрения в исследовательскую и проектную деятельность ООО «Технологии оптимального проектирования», ООО «НПО Высокие Технологии», а также внедрены в учебный процесс кафедры системотехники КНИТУ.
Степень достоверности
В работе использованы универсальная моделирующая программа Aspen Hysys, включающая точные методы расчета термодинамических свойств веществ, адекватные строгие математические модели технологического оборудования, построенные на законах сохранения массы, энергии, импульса; математический пакет MatLab, включающий быстродействующие, точные методы линейного и нелинейного программирования.
Личный вклад автора
Диссертация написана автором самостоятельно. Все результаты, составляющие основное содержание диссертационной работы, получены лично автором или при его непосредственном участии.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-28 (Ярославль, 2015 г.); Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» «ЛЭРЭП-9-
2015» (Смоленск, 2015 г.); VII Международной конференции Российского химического общества имени Д.И. Менделеева «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности» (Москва, 2015 г.); Международной научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы инновационного развития нефтехимии» (Нижнекамск, 2016 г.); IX Семинаре ВУЗов по теплофизике и энергетике (Казань, 2015 г.); Научных сессиях КНИТУ (КХТИ) (Казань, 2013-2017гг.).
Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в 13 научных работах, в том числе 7 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ (2 из которых в журналах, индексируемых в наукометрической базе Scopus), 5 статьях и тезисах докладов международных и российских научных и научно-практических конференций.
Структура и объем работы
Диссертация общим объемом 173 страницы, состоит из введения, 4 глав основного текста, выводов, списка использованной литературы из 171 наименований и приложений. Работа содержит 42 рисунка и 37 таблиц.