Введение к работе
Актуальность работы. Проектирование химических производств является комплексной и весьма трудоемкой задачей. Одним из путей решения данной задачи служит разработка систем автоматизированного проектирования (САПР). Однако, существующие в настоящее время САПР не обладают возможностью автоматизированного синтеза принципиальных технологических схем (ПТС), позволяющих получать продукты заданного качества.
Одним из возможных подходов к автоматизированному синтезу ПТС является использование термодинамико-топологического анализа, необходимой информацией для проведения которого является, в частности, информация о структурах диаграмм фазового равновесия смесей, участвующих в процессе.
Во многих химико-технологических процессах присутствуют смеси, в которых при определенных условиях наблюдается явление расслаивания. Наличие этого явления может использоваться при создании химико-технологических схем, базирующихся, в частности, на фундаментальном принципе перераспределения полей концентраций (ППК). С другой стороны, наличие явления расслаивания может являться и нежелательным побочным фактором, затрудняющим расчет и практическую реализацию химико-технологических процессов. Но, в любом случае, для успешного моделирования таких процессов и синтеза ПТС необходимо наличие надежных методов определения структуры диаграммы расслаивания и расчета равновесия жидкость-жидкость (ЖЖР).
Однако, существующие в настоящее время программные комплексы базируются на алгоритмах, позволяющих надежно рассчитывать не более чем двухфазное расслаивание. Задача автоматизированного синтеза структур диаграмм расслаивания в этих комплексах в общем случае не решена.
В связи с этим разработка теоретических основ автоматизированного синтеза структур диаграмм расслаивания и создание программного комплекса, позволяющего решать следующие задачи: автоматизированный синтез диаграмм расслаивания; проверка параметрической устойчивости структур диаграмм
расслаивания; надежный расчет многофазного равновесия жидкость-жидкость представляются весьма актуальными.
Разработка такого программного комплекса является необходимым шагом в создании систем автоматизированного синтеза принципиальных химико-технологических схем. Кроме того, данный комплекс обладает и самостоятельной ценностью, как средство, позволяющее проводить вычислительные эксперименты по исследованию равновесия жидкость-жидкость. Программный комплекс, предоставляя наглядную информацию о структуре диаграммы расслаивания и ее изменениях при варьировании параметров системы, может служить удобным инструментом при подборе экстрактивных агентов и режимов работы аппаратов на начальных стадиях проектирования химико-технологической схемы.
Цель работы. Исследование фундаментальных закономерностей явления расслаивания при наличии нескольких сосуществующих жидких фаз. Разработка методов, алгоритмов, программного и информационного обеспечения для автоматизированного синтеза структур диаграмм расслаивания, информация о которых является необходимой для автоматизированного синтеза ХТС.
Научная новизна.
Предложена новая форма критерия устойчивости гомогенной фазы, основанная на анализе знаков собственных чисел матрицы ґесса изобарно-изотермического потенциала.
Изучена эволюция структуры областей локально устойчивых состояний равновесия для ряда модельных трехкомпонентных систем. Выявлены типы бифуркации структуры диаграммы расслаивания, при которых наблюдаются трехфазные локально устойчивые состояния равновесия.
Разработан новый критерий параметрической неустойчивости структуры диаграммы расслаивания, основанный на анализе характера областей локально устойчивых состояний равновесия.
Изучена совместная эволюция структур бинодальных и спинодальных многообразий для спектра модельных трехкомпонентных систем. Установлено отсутствие в общем случае взаимно-однозначного соответствия этих структур. Показано, что явление трехфазного расслаивания присуще системам с
близкими по величине положительными отклонениями от закона Рауля во всех трех бинарных составляющих.
Изучены возможные переходы (негрубые состояния) от одной структуры многообразий к другой, моделируемые при помощи уравнения NRTL.
Разработан алгоритмический подход к линеаризации структуры диаграмм расслаивания, позволяющий значительно снизить затраты вычислительных мощностей при итерационных расчетах ХТС.
Практическая значимость работы.
Разработан комплекс программ автоматизированного синтеза структур диаграмм фазового равновесия жидкость-жидкость в трехкомпонентных многофазных системах.
Разработан метод, позволяющий получать надежные результаты расчета равновесия жидкость-жидкость для многофазных систем, осноппнный мл информации о полной структуре диаграммы расслаивания.
Проведен синтез структур диаграмм расслаивания для ряда реальных трехкомпонентных систем, в частности для системы нитрометан - вода -октан.
Програмный комплекст служит удобным инструментом для подбора экстрактивных агентов и определения режимных параметров проведения процессов на начальных стадиях проектирования ХТС.
Программный комплекс рекомендован к использованию в проектных организациях на стадии предпроектной разработки ХТС, базирующихся на явлении расслаивания.
Программный комплекс может быть использован в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных работ студентов.
Апробация работы и публикации. По материалам диссертации опубликована одна статья. Полученные результаты доложены на 4 российских и международных конференциях.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложения. Работа представлена на ^2. страницах
машинописного текста, содержит (у рисунков и /У таблиц. Библиография включает/^ наименований.