Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Синтез оптимальных теплоинтегрированных ректификационных систем

Диссертация: Синтез оптимальных теплоинтегрированных ректификационных систем
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Разработан алгоритм для синтеза оптимальных теплоинтегрированных ректификационных систем с целью минимизации приведенный годовых затрат. Четырехуровневый алгоритм проводит декомпозицию общей задачи на две подзадачи дискретной оптимизации и две подзадачи непрерывной оптимизации. Такой подход позволяет использовать для решения каждой подзадачи свои специфические, а потому наиболее эффективные… Читать ещё >

Содержание

  • 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
    • 1. 1. Постановка задачи синтеза ОРС
      • 1. 1. 1. Система ректификационных колонн
      • 1. 1. 2. Система теплообмена
    • 1. 2. Существующие методы синтеза систем теплообмена
      • 1. 2. 1. Методы нелинейного программирования
      • 1. 2. 2. Графоаналитический метод
      • 1. 2. 3. Методы, основанные на ЭТД
      • 1. 2. 4. Эвристические методы
      • 1. 2. 5. Комбинаторные методы
    • 1. 3. Существующие методы синтеза ректификационных систем
      • 1. 3. 1. Метод динамического программирования
      • 1. 3. 2. Эвристические методы
      • 1. 3. 3. Комбинаторные методы
      • 1. 3. 4. Энергозамкнутые изобарные системы
      • 1. 3. 5. Энергозамкнутые неизобарные системы
      • 1. 3. 6. Метод множителей Лагранжа
      • 1. 3. 7. Интегральный метод MILP
      • 1. 3. 8. Интегральный метод MINLP
      • 1. 3. 9. Постановка цели и задач
    • 1. 4. Выводы
  • 2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА СИНТЕЗА ОТРС
    • 2. 1. Схема разделения смеси
    • 2. 2. Метод «сжимающегося пространства»
    • 2. 3. Алгоритм синтеза ОСРТ
    • 2. 4. Выводы
  • 3. ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС AUTODESIGN CDC
    • 3. 1. AutoDesign CDC для операционной системы Windows
    • 3. 2. Точный расчет СРК с помощью Aspen Plus®
    • 3. 3. Аттракторообразование при синтезе
    • 3. 4. Выводы
  • 4. РЕШЕНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
    • 4. 1. Разделение предельных углеводородов
    • 4. 2. Система разделения смеси органических веществ
    • 4. 3. Выводы
  • ВЫВОДЫ

Синтез оптимальных теплоинтегрированных ректификационных систем (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

В настоящее время компьютерные вычисления широко используется во всех сферах человеческой деятельности, позволяя освободить человека от рутинных операций. В химической отрасли существует большое количество программ позволяющих решать различные задачи от чисто химических (моделирования строения веществ) до химико-технологических (моделирования работы, как отдельных химических аппаратов, так и целых химических производств).

Для химико-технологического моделирования в последнее десятилетие выделись несколько крупных программных комплексов Aspen Plus® (AspenTech), Aspen HYSYS® (AspenTech), ChemCAD (Chemstations, Inc), Pro/II®(Invensys inc), UniSim® (Honeywell).

Все указанные программные комплексы используются как при проектировании химико-технологических систем (ХТС) различного назначения, так и при научных исследованиях химико-технологических процессов (ХТП).

В настоящей работе применялась система Aspen Plus для моделирования и апробации полученных результатов. В результате работы с моделирующими программными продуктами, такими как Aspen Plus®, Aspen HYSYS®, UniSim® выяснилось, что ни один из перечисленных продуктов не имеет модуля для автоматического поиска ХТС для разделения смеси с заданной точностью чистоты компонентов. В данных программных комплексах необходимо жестко задать схему, как материальных потоков, так и аппаратное оформление данной схемы. Оптимизацию можно проводить только вручную, собирая и сравнивая различные варианты схем.

В нефтехимической отрасли, одной из крупнейшей в нашей стране, для проектирования ХТС используются, как правило, программные продукты AspenTech (Aspen HYSYS®, Aspen Plus®, AspenDynamic®) и Pro/II®.

Одной из основных задач на нефтеперерабатывающих заводах является разделение нефти. Такое разделение происходит в установках по первичной перегонки нефти (УППН). УППН предназначены для получения из сырой нефти различных продуктов (бензин прямогонный) и различных фракций (бензиновая фракция, дизельная фракция и т. д.). УППН представляет собой ректификационную колонну (PK) с боковыми отборами целевых продуктов.

При разработке систем ректификационных колонн (СРК) для нефтехимических производств обычно применяются несложные структуры (с минимальной степенью рекуперации тепла). При подобном подходе к проектированию СРК теряется колоссальное количество тепловой энергии, которую можно было бы повторно использовать в системе. Скорость роста стоимости энергоносителей превосходит скорость роста стоимости теплообменной аппаратуры примерно в два-три раза. Теплоинтеграция в системах ректификационных колонн может значительно снизить расход дорогостоящих энергоносителей и дать значительный экономический эффект.

С учетом выше изложенного можно сделать вывод, что тема представленной диссертации «синтез теплоинтегрированных ректификационных систем» является актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка программно-алгоритмического комплекса, синтезирующего оптимальную систему ректификационных колонн для разделения заданной смеси на чистые компоненты с минимальными приведенными годовыми затратами (ПГЗ).

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Разработать алгоритм синтеза оптимальной системы ректификационных колонн с минимальными ПГЗ. Алгоритм должен учитывать возможность синтеза системы, как с рекуперацией тепла, так и без рекуперации тепла.

• Разработать модуль для расчета ректификационной колонны.

• Разработать алгоритм расчета всех возможных колонн при различных давлениях.

• Разработать модуль поиска оптимальных давлений в колоннах.

• Разработать модуль расчета капитальных затрат на колонны при данной схеме разделения и данных давлениях в колоннах.

• Разработать модуль расчета капитальных затрат на тепловое оборудование колонн: на дефлегматоры и кипятильники.

• Провести тестирование полученных программ на реально действующих ректификационных системах.

• Определить варианты для повышения эффективности работы ректификационных установок, за счет снижения расходов на энергоносители.

• Исследовать алгоритм оптимизации с целью обеспечения сходимости итерационных расчетов.

• Решить тестовые задачи по синтезу оптимальных ректификационных систем. Проанализировать полученные результаты.

• Провести оценку качества работы программного комплекса синтезирующего оптимальные системы ректификационных колонн с минимальными ПГЗ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

выводы.

1. Разработан алгоритм для синтеза оптимальных теплоинтегрированных ректификационных систем с целью минимизации приведенный годовых затрат. Четырехуровневый алгоритм проводит декомпозицию общей задачи на две подзадачи дискретной оптимизации и две подзадачи непрерывной оптимизации. Такой подход позволяет использовать для решения каждой подзадачи свои специфические, а потому наиболее эффективные методы.

2. На основе алгоритма разработан комплекс программ AutoDesign CDC на объектно-ориентированном языке программирования Delphi для операционной системы Windows.

3. В результате решения задач синтеза показано, что ПГЗ снижаются на 15−20% если в ректификационных системах разделения использовать теплоинтеграция.

4. В результате анализа решений поставленных задач разделении обнаружено явление аттрактообразования при синтезе ректификационных систем.

5. Программа AutoDesign CDC используется в учебном процессе, в курсе «Синтез оптимальных ХТС».

Показать весь текст

Список литературы

  1. Hendry J. E., Hughes R. R. Generating Separation Process Flowsheets.— Chem. Eng. Progr., 1972, 68, N 6. p. 71—76.
  2. Rathore R.N.S., VanWormer K.A., Powers G.J. Synthesis of distillation systems with energy integration. AIChE J., 1974, v.20, № 5, p.940−950.
  3. Rathore R. N. S., Van-Wormer K. A., Powers C. J. Synthesis strategies for multicomponent separation systems with energy integration. AIChE J., 1974, p. 491−502.
  4. Rathore R.N.S. Process resequencing for energy conservation.- Chem. Eng. Progr., 1982, v.78, B2 12, p.75−82.
  5. Peters M. S., Timmerhaus K. D. Plant design and economics for chemical engineers. McGrow-Hill, New York, 1991, p. 910.
  6. Ч.Д. Многокомпонентная ректификация. Химия, М., 1969, 35 с.
  7. В.А., Дьяконов В. П., Кирьянова J1.C., Иванова Е. Н. Математическое моделирование и оптимизация химико-технологических процессов: Практическое руководство. СПб.: АНО НПО «Профессионал», 2003.-480 с.
  8. Т.Н. Основы компьютерного моделирования- химико-технологических процессов: учеб. пособие для вузов / Т. Н. Гартман, Д. В. Клушин. М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. 416 с.
  9. В.И. Математическое моделирование ректификации формалина-сырца / В. И. Косинцев, М. А. Самборская, Е. А. Лактионова // Известия Томского политехнического университета. 2005. Т. 308. — № 2. — С. 100 104.
  10. ЛяпковА.А. Моделирование и оптимизация установки получения товарного пропилена / А. А. Ляпков, Ю.В. Шеффер// Известия Томского политехнического университета. 2006. Т. 309. — № 6. — С. 104−109.
  11. С. А. Вартанов К.С. Математическое моделирование процесса в ректификационной колонне. //Естественные и технические науки, -2007. —№ 5. -с. 242−247.
  12. К.С., Тюняев A.A., Хачатурян O.A. Математическое моделирование процессов разделения жидких смесей. Организмика. -Международный научный журнал., М., —2007, -№ 4, -с.31−34.
  13. Ф.М. Расчет ректификации нефтяных смесей. Уфа: Изд-во Башкирского ун-та, 1999. 154 с.
  14. В. К., Малютин А. Ю. Синтез газофракционирующих установок // Сборник научных трудов III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки и техники». Уфа: Нефтегазовое дело, 2011. Том 1, С. 114−116.
  15. И.А. Перегонка и ректификация в нефтепереработке. М.: Химия, 1981.-352 с.
  16. К.С., Батдыев A.A., Тюняев A.A. Процессы диффузии и ректификации в температурном поле при разделении нефти. Организмика. -Международный научный журнал. М. -2009, -№ 1,с. 8−12.
  17. В. М., Берго Б. Г. Разделение многокомпонентных смесей. Химия, М., 1965, 368 с.
  18. КафаровВ.В. Математическое моделирование основных процессов химических производств: учеб. пособие для вузов / В. В. Кафаров, М. Б. Глебов. М.: Высш. шк., 1991. 400 с.
  19. И. А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. Химия, М. 1978, 277 с.
  20. В. В. Основы массопередачи. Высшая школа, М., 1972, 496 с.
  21. С. А. Вартанов К.С. Математическое моделирование процесса в ректификационной колонне мини-нефтеперерабатывающей установки: /Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня. —М.:МГГУ, -2008. -№ 5. -16с.
  22. С. А. Основы теории и расчета перегонки и ректификации. М., Химия, 1974, 439 с.
  23. В.П. Экспертные системы в химической технологии. Основы теории, опыт разработки и применения. М.: Химия, 1995, 368 с.
  24. King С. J. Separation processes. Mc Graw-Hill, New York, 1980, p. 850.
  25. Holland C. D. Fundamentals of multicomponent distillation, Mc Graw-Hill, New York, 1981, p. 723.
  26. Рид P., Праусниц Дж, Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Химия, Л., 1982, 592 с.
  27. Г. Е. Теплообменники и теплообменные системы. Наукова думка, Киев, 1982, 272 с.
  28. А.И., Молоканов Ю. К., Владимиров А. И., Щелкунов ВА. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000, — 677 с.
  29. Г. М., Бережинский Т. А. Оптимизация химико-технологических процессов. Теория и практика. М: Химия, 1984.- 239 с.
  30. В.А., Хартманн К. и др. Химико-технологические системы. Синтез, оптимизация и управление / Под ред. Мухленова И. П. Л.: Химия, 1986. с. 420.
  31. В.К., Кузичкин Н. В., Вениаминова Г. Н. и др. Методы оптимизации химико-технологических систем: Учебное пособие. — СПб.: Изд. СПбГТУ, 1999.-164 с.
  32. Г. М., Бережинский Т. А., Беляева А.Р.Алгоритмы оптимизации химико-технологических процессов. М.: Химия, 1978. С. 296.
  33. Н.В. Синтез и оптимизация систем теплообмена //Химическая промышленность. 2003. Т. 80. № 1. С. 47−53.
  34. .А. Процессы и аппараты химической технологии: учеб. пособие / Б. А. Ульянов, В .я. Бадеников, В.Г., Ликучёв Ангарск: изд-во Ангарской государственной технической академии, 2006. 743 с.
  35. Г. Е., Зайцев И. Д., Головач И. И. Введение в автоматизированное проектирование теплообменного оборудования. Наукова думка, Киев, 1985, 229 с.
  36. Hwa C.S. Mathematical formulation and optimization of heat exchanger networks using separable programming. AIChE J. Chem. Eng. Symp. Series, 1965. № 4. p. 101−111
  37. Heydweiller J.C., Fan L.T. Process synthesis using structural parameters! Further discussion of inequality constraints. AIChE J, 1982, v.28, IS 1, p.166−168.
  38. Kelahan R.C., Gaddy G.L. Synthesis of heat exchanger networks by mixed integer optimization. AIChE J., 1977. v. 23. p. 816−827.
  39. B.B., Мешалкин В. П., Перов B.JI., Математические основы автоматизированного проектирования химических производств. Химия, М., 1979,318 с.
  40. Nishida, N.- Kobayashi, S.- Ichikawa, A. Optimal Synthesis of Heat Exchange SystemssNecessary Conditions for Minimum Heat Transfer Area and their Applications to Systems Synthesis. Chem. Eng. Sci. 1971, 26, 1841−1856.
  41. Pointon J.W., Donaldson R. A. A fast method for the synthesis of optimal heat exchanger networks. Chem. Eng. Sci., 1974, v. 29, N 12, p. 2375−2377.
  42. Nishida N., Stephanopoulos G., Westerberg A.W., A Review of Process Synthesis // AIChE J., 1981, v. 27, p. 321−338.
  43. Nadgir V.M., Liu Y.A. Studies in Chemical Process Design and Synthesis V. A Simple Heuristic Method for Multicomponent Separation.// AIChE J., 1983, v.29, № 6, p. 926−934
  44. Linnhoff В., Hindmarsh E. The pinch design method for heat exchanger networks, Chem. Eng. Sci., 1983, v. 38, N 5, p. 745−763.
  45. Umeda Т., Itoh I., Shiroko K. Heat exchange system synthesis. Chem. Eng. Progr., 1978, v.74, № 7, p.70−76.
  46. Townsend D. W., Linnhoff B. Heat and power network in process design. AIChE J., 1983, v. 29, N 5, p. 748−771.
  47. В. К. и др. Химико-технологические системы. Синтез, оптимизация и управление/ Под ред. И. П. Мухленова. Л.: Химия, 1986, 423 с.
  48. Hartmann К. Experience in the Synthesis of Optimal Chemical Process Systems. //12-th Symp. on Computer Application in Chemical Engineering. Mountreux, Switzerland, 1979, p. 1310−1318.
  49. H. В., Закон В. И. Исследование эвристических методов синтеза тепловых систем. Деп. Рукопись № 536ХП- Д84, НИИТЭХИМ, г. Черкассы, 1984, 20 с.
  50. Masso А.Н., Rudd D.F. The Synthesis of System Designs II. Heuristic Structuring.//AIChE J, 1969, v. 15, № 1, p. 10−15.
  51. Г. М., Волин Ю. М., Головашкин Д. В. Алгоритм гибкости и оптимизация химико-технологических систем в условиях неопределенности исходной информации // ДАН. 1994.- Т. 339, № 6.- С. 782−784.
  52. Р. А. Производственные системы с искусственным интеллектом / Р. А. Алиев, Н. М. Абдикеев, М. М. Шахназаров. М.: Радио и связь, 1990. -264 с.
  53. Н.В. Нечеткое моделирование и многокритериальная оптимизация производственных систем в условиях неопределенности: технология, экономика, экология / Н. В. Дилигенский, Л. Г. Дымова, П. В. Севастьянов. М.: Машиностроение-1, 2004. 240 с.
  54. А. Нечеткое моделирование и управление / А. Пегат. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2009. 798 с.
  55. И.З., Недосекин А. А., Стецко А. А., Тарасов В. Б., Язенин А. В., Ярушкина Н. Г. Теория и практика нечетких гибридных систем. Под ред. Н. Г. Ярушкиной. М.: Физматлит, 2007, 208 с.
  56. В. К., Кузичкин Н. В., Холоднов В. А. Синтез оптимальных подсистем теплообмена. Учебное пособие. Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1986, 80 с.
  57. Lee К.J., Masso A.H., Rudd D.F. Branch and bound synthesis of integrated process designs. Ind. Eng. Chem. Fund., 1970, v.9, № 1, p.48−58.
  58. Pho J.K., Lapidus L. Topics in computer aided designs: II. Synthesis of optimal heat exchanger networks by tree searching algoritms. AIChE J., 1973, v. 19, № 6, p. l 182−1189.
  59. В. В., Телков Ю. К., Петлюк Ф. Б., Гройсман С. А. Синтез оптимальных схем ректификации многокомпонентных смесей методом динамического программирования. — ТОХТ, 1975, т. 9, № 2, с. 262 269.
  60. Lockhart F.J. Multi-column Distillation of Natural Gasoline. //Petrol. Refiner, 1947, V.26, № 8, p. 169−174.
  61. Harbert W.D. Which Tower Goes Where? //Petrol. Ref. 1957, v.36, № 3, p. 169 174.
  62. Rod V., Marek J. Separation Sequences in Milticomponent Rectification.// Collect. Czech. Chem. Commun., 1959, v.24,p. 3240−3248.
  63. Thompson R.W., King C.J. Systematic Synthesis of Separation Schemes.// AIChE J, 1972, v. 18, № 5, p. 941−948.
  64. Seader Y.D., Westerberg A.W. A combined heuristic and evolutionary strategy for synthesis of simple separation sequences.// AIChE J., 1977, v.23, № 6, p. 951−954
  65. Westerberg A.W., Stephanopolous G. Branch and bound strategies with list techniques for the synthesis of separation schemes. Chem. Eng. Sci., 1975. v. 30. p. 963−978.
  66. Gomes M.A., Seader J.D. Separation sequence synthesis by a predictor based ordered search. AIChE J., 1976, v.22, № 6, p.970−979.
  67. Tedder D. W., Rudd D.F. Parametric studies in industrial distillation. AIChE jour., 1978, v.24, № 2, p.303−334
  68. Cheng H.C., Luyben W. Heat-integrated distillation columns for ternary separations. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 1985, v.24, p. 707−713
  69. JI. С. Оптимизация больших систем. М.: Наука, 1975, 431 с.
  70. Morari M., Faith D.C. The synthesis of distillation trains with heat integration. AIChE jour., 1980, v.26, № 6, p.916−928.
  71. Andercowich M. J., Westerberg A. W. An MILP formulation for heat-integrated distillation sequence synthesis. AIChE J., 1985, pp. 1461−1474.
  72. Papoulias S., Grossman I. E. A structural optimization approach in process synthesis. Part I: Utility Systems. Сотр. and Chem. Eng. J., v.7, 1983, p. 695−706.
  73. Papoulias, S.A. and I.E. Grossmann, «A Structural Optimization Approach in Process Synthesis. Part II: Heat Recovery Networks Сотр. and Chem. Eng. J., v.7, 1983, p. 707−721
  74. Papoulias, S.A. and I.E. Grossmann, «A Structural Optimization Approach in Process Synthesis. Part III: Total Processing Systems, Сотр. and Chem. Eng. J., v.7, 1983, p. 723−734
  75. Gomory R. E. Outline of an algorithm for integer solutions to lenear programs. Bull. Amer. Math. Soc, 1958, v. 64, p. 275−278.
  76. А. И. Бояринов, B.B. Кафаров. Методы оптимизации в химической технологии. М.: Издательство «Химия», 1969 г., 564 с.
  77. , Д. Э. Искусство программирования. Том 1. Основные алгоритмы. М.: Издательский дом «Вильяме», 2002, 720 с.
  78. Стивене P. Delphi. Готовые алгоритмы. М.: ДМК Пресс- СПб.: Питер, 2004, 384 с.
  79. Ф. А.Дискретная математика для программистов. СПб.: Питер, 2002, 304 с.
  80. В.К. Метод синтеза больших систем оптимального теплообмена. ТОХТ, 1984, т. 18, с. 706−709.
  81. А. Введение в прикладную комбинаторику. М.: Наука, 1975, 480 с.
  82. Yeomans, H.- Grossmann, I. E. A systematic modelling framework of superstructure optimization in process synthesis. Comput. Chem. Eng. 1999, v. 23, p. 709−731.
  83. H. & Grossmann I. E. Nonlinear disjunctive programming models for the synthesis of heat integrated distillation sequences. Computers and Chemical Engineering. 1999, v 23, 1135−1151.
  84. А. Ю. Свидетельство о регистрации электронного ресурса «Программно-вычислительный комплекс Syntes 1.5» // № 17 582 от 15.11.2011.
  85. А. Ю. Свидетельство о регистрации электронного ресурса «AutoDesign CDC (AutoDesign Complex Distillations Columns» // № 17 583 от 15.11.2011.
  86. H. В., Викторов В. К., Малютин А. Ю. Программный комплекс для синтеза оптимальных энергосберегающих ректификационных систем // Химия и химическая технология. 2009. Т. 52, №. 8 С. 96−99.
  87. В. К., Малютин А. Ю. Синтез оптимальных теплоинтегрированных ректификационных систем // Сборник трудов XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». Воронеж: ВГТА, 2006. Т. 10. С. 58.
  88. В. К., Малютин А. Ю. Структурная оптимизация ректификационных систем // Сборник трудов XX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». Ярославль: ЯГТУ, 2007. Т. 6. С. 87 88.
  89. В.К., Малютин А. Ю. Метод синтеза химико-технологических систем ректификационных колонн // Известия Санкт-петербургского государственного технологического института (технического университета). 2012. № 14 (40). С. 96−99
  90. , Д. Э. Искусство программирования. Том 3. Сортировка и поиск. М.: Издательский дом «Вильяме», 2002, 720 с.
Заполнить форму текущей работой

На отлично!