CC BY
46
Data PROCESSiNG FACiUTiES AND SYSTEMS
Журавлева Н. А. Zhuravleva N. А.
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Экономическая информатика», ФГБОУВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Доломатов М. Ю. Dolomatov М. Yu.
доктор химических наук, профессор, профессор кафедры «Технология нефти и газа», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», профессор кафедры «Физическая электроника и нанофизика», ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет», г. Уфа, Российская Федерация
Кутуева А. В. КиШега А. V.
аспирант кафедры «Технология нефти и газа», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», старший преподаватель кафедры «Пожарная безопасность», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Быстров А. И. Bystrov А. I.
кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела фундаментальных исследований, ГУП «Институт нефтехимпереработки Республики Башкортостан», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 66.011, 004
АЛГОРИТМ ПРОГРАММЫ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПИРОЛИЗА МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СИСТЕМ С ЦЕЛЬЮ ДОСТИЖЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО ВЫХОДА
ЦЕЛЕВОГО ПРОДУКТА
Актуальность разработки программы расчета равновесных выходов продуктов процесса пиролиза многокомпонентных углеводородных систем подтверждается тем, что пиролиз является одним из основных способов переработки нефтяных остатков и отходов пластических масс. При этом одной из важных задач пиролизного производства является увеличение
селективности процесса по целевым продуктам, что возможно путём совершенствования технологии, модернизации печей и других аппаратов, а также разработки моделей, методик и программ, позволяющих оптимизировать выход целевых продуктов пиролиза за счет установления оптимальных параметров процесса. Целью данной работы является разработка программы расчета для оптимизации выходов продуктов процесса пиролиза. В работе представлены алгоритм оптимизации процесса пиролиза многокомпонентных углеводородных систем с целью максимизации выхода целевого продукта, блок-схема алгоритма и программа моделирования параметров распределения пиролиза газовых смесей. В основе алгоритма лежат методы равновесной термодинамики систем с хаосом химического состава, любое вещество при этом рассматривается как многокомпонентная система со случайным распределением состава, в которой существует непрерывное распределение состава по термодинамическим потенциалам. В частности, использована модель, разработанная профессором М. Ю. Доломатовым, устанавливающая зависимость параметров функции нормального распределения продуктов пиролиза по стандартным температурам кипения от режимных параметров процесса и позволяющая без поликомпонентной идентификации состава продуктов пиролиза получать информацию о выходе продуктов. Проведен литературный обзор, патентный анализ существующих программных продуктов расчета выходов процесса пиролиза, реализующих различные методики, рассмотрены их достоинства и недостатки. Представлена программа, разработанная в MS Excel на VBA, она реализует процесс оптимизации и расчет выхода целевого продукта, получаемые в процессе расчета кривые нормального распределения состава по термодинамическим функциям в дифференциальной и интегральной формах визуализируются. Приведены результаты расчетов, проведенных по предлагаемой программе, подтверждающие возможность увеличения селективности процесса по целевым продуктам пиролиза за счет установления оптимальных параметров процесса.
Ключевые слова: пиролиз, равновесный выход продуктов процесса пиролиза, многокомпонентные углеводородные системы, переработка нефтяных остатков и отходов пластических масс, селективность процесса по целевым продуктам пиролиза, методы равновесной термодинамики систем с хаосом химического состава.
DEVELOPMENT OF THE PROGRAM FOR THE CALCULATION OF THE PRODUCTS EQUILIBRIUM YIELDS BY THE PYROLYSIS PROCESS OF MULTICOMPONENT HYDROCARBONIC SYSTEMS
The relevance of the program development for the calculation of the products equilibrium yields by the pyrolysis process of multicomponent hydrocarbonic systems is confirmed by the fact that pyrolysis is one of the main ways of processing of oil residues and waste of plastics. At the same time one of important tasks of pyrolysis production is increase in selectivity of process on target products that is possible by improvement of technology, modernization of furnaces and other devices and also development of the models, techniques and programs allowing to optimize an exit of target products of pyrolysis due to establishment of optimum parameters of process. The purpose of this work is development of the program for optimization calculation of products yields by pyrolysis process. In work is presented the algorithm of pyrolysis process optimization of multicomponent hydrocarbonic systems for the purpose of maximizing an yields of a target product, the flowchart of an algorithm and the program of modeling of parameters of distribution of pyrolysis of gas mixes. Methods of equilibrium thermodynamics of systems with chaos of the chemical composition are the cornerstone of an algorithm, any substance at the same time is considered as multicomponent system with casual distribution of structure in which there is a continuous distribution of structure on thermodynamic potentials. In particular, the model developed by professor M.Yu. Dolomatov, establishing dependence of parameters of function of normal distribution of products of pyrolysis on standard temperatures of boiling from regime parameters of process, and allowing to obtain information on an yields of products without multicomponent identification of structure of products of pyrolysis is used. The literary review, the patent analysis of the existing software products of calculation of the yields of process of pyrolysis realizing various techniques is carried out their merits and demerits are considered. The developed program realized in MS Excel on VBA is submitted, it realizes the process of optimization and calculation
Data PROCESSiNG FACILITIES AND SYSTEMS
of an yields of a target product received in the course of calculation curves of normal distribution of structure on thermodynamic functions in differential and integrated forms are visualized. Results of the calculations which are carried out in the offered program, the increases in selectivity of process confirming an opportunity on target products of pyrolysis due to establishment of optimum parameters of process are given.
Key words: pyrolysis, equilibrium yield of products of the pyrolysis process, multicomponent hydrocarbon systems, processing of oil residues and plastic waste, selectivity of the process for the desired pyrolysis products, methods of equilibrium thermodynamics of systems with chaos of chemical composition.
Одним из основных способов переработки нефтяных остатков и отходов пластических масс, как известно, является термическое разложение путем пиролиза при температурах 700-1200 °С. В результате процесса пиролиза образуются газы, часть из которых являются наиболее ценными, например этилен, пропилен. Поэтому одной из важных задач пиролизного производства является увеличение селективности процесса по целевым продуктам. Достижение высокой селективности возможно путём совершенствования технологии, модернизации печей и других аппаратов, а также разработки моделей, методик и программ, позволяющих оптимизировать выход целевых продуктов пиролиза за счет установления оптимальных параметров процесса.
Целью данной работы является создание на основе модели выхода продуктов пиролиза, разработанной под руководством профессора М. Ю. Доломатова [1], алгоритма и программы расчета равновесных выходов продуктов процесса пиролиза многокомпонентных углеводородных систем.
Известны два подхода к моделированию выхода продуктов пиролиза: детерминированный — на основе детального описания механизма процесса термического распада углеводородов согласно свободно-радикальной теории Райса и на основе феноменологических вероятностно-статистических методов.
Большинство кинетических моделей пиролиза углеводородного сырья основано на детальном описании механизма процесса термического распада углеводородов. Однако детерминированные модели, позволяющие успешно прогнозировать результаты пиролиза индивидуальных углеводородов и легких бензиновых фракций, не всегда приемлемы к описанию процессов пиролиза тяжелого нефтяного сырья.
Известно, что разработка математических моделей в виде системы интегро-дифферен-циальных уравнений, отражающих процессы пиролиза многокомпонентного сырья, затруднительна, т. к. отсутствует информация о составе сырья и промежуточных стадиях процесса [1-4], а также ввиду сложности учета всего исключительного многообразия элементарных реакций, отсутствия полной информации о составах, неопределенности в выборе численных значений кинетических параметров и необходимости привлечения мощных ЭВМ для решения систем дифференциальных уравнений.
Целесообразно применять вероятностно-статистические методы исследования, так как процесс пиролиза зависит от множества случайных факторов. Несмотря на случайный характер явлений существуют определенные закономерности в изменении средних параметров процесса. Нерегулярность, свойственная случайным событиям, при большом количестве испытаний, как правило, компенсируется появлением статистической закономерности, стабилизацией частот наступлений случайных событий.
Поликомпонентность высококипящих нефтяных фракций определяет стохастический характер процессов, протекающих в них, и указывает на целесообразность вероятностно-статистического подхода к исследованию процессов пиролиза тяжелых нефтяных смесей. В этом случае информацию о стохастическом характере поведения компонентов и активных частиц, связанных в единую статистическую систему, несет в себе соответствующая функция распределения.
Впервые вероятностно-статистическое моделирование процессов пиролиза было рассмотрено в работах М. Ю. Доломатова и С. И. Амировой [5-7]. На основе этих работ авторами были разработаны программы
моделирования процессов пиролиза. Известны программы, реализующие расчет процессов пиролиза по детерминированным моделям, а также программа SPYRO (http:// www.spyrosuite.com).
Недостатками разработанных программ являются использование сложных методов, требующих мощных ЭВМ, и отсутствие оптимизации выхода целевого продукта и расчета оптимальных параметров процесса пиролиза.
В представленной работе приведены алгоритм и программа для расчета оптимального состава продуктов пиролиза сложных углеводородных систем. В основе алгоритма лежат методы равновесной термодинамики систем с хаосом химического состава, которые рассмотрены в работах [1-4].
Согласно данной теории любое вещество рассматривается как многокомпонентная система со случайным распределением состава, в которой существует непрерывное распределение состава по термодинамическим потенциалам, в частности в углеводородных системах может быть реализовано Гауссово распределение.
Ниже представлен алгоритм оптимизации процесса пиролиза многокомпонентных углеводородных систем с целью максимизации выхода целевого продукта.
1 В качестве исходных данных для нахождения оптимального значения целевого продукта принимаются выходы продуктов пиролиза (% масс.) при различных температурах процесса, термодинамических свойствах продуктов пиролиза, влажности и времени контакта.
2 Перевод выходов продуктов из процентов в массовые доли, эти значения являются Ф (Z) в зависимости (1)
х = 0,5 + -¿=¡1 e^dZ = 0,5 + 0(Z), (1)
t = e + aZ, (2)
где x' — относительная доля отдельной фракции в смеси продуктов;
Z — параметр, который определяется по таблице Лапласа;
t — стандартные температуры кипения соответствующей фракции в смеси;
Ф(2) — функция Лапласа;
в — среднее значение температуры кипения смеси;
о — соответствующая дисперсия.
3 По известным значениям Ф(2) определяем 2, используя соотношение (1) и таблицу Лапласа.
4 Строим уравнение регрессии методом наименьших квадратов, выходными и входными параметрами являются найденные значения вероятностей, 2 и стандартные температуры кипения соответственно.
5 В полученном уравнении 1=Ь+а2 коэффициент а является дисперсией, коэффициент Ь — средним значением температуры смеси.
6 Рассчитываем теоретические значения выходов продуктов пиролиза, используя закон нормального распределения Гаусса, применяя при этом полученные на предыдущем шаге значения дисперсии и среднего значения температуры смеси:
дг2 Гаг,-агЛ2
Р(АТ, <АТ< АТ2) = аГ2 ЫТ, (3)
где Р(Т) — функция распределения состава по термодинамическим потенциалам;
Р — вероятность выхода продукта;
ДТ. — термодинамический потенциал /-го соединения;
ДГ — средняя температура кипения всех молекулярных соединений;
о — среднее квадратичное отклонение.
7 Проводим оптимизацию значений выходов в зависимости от степени конверсии в соответствии с блок-схемой алгоритма моделирования параметров распределения пиролиза газовых смесей (рисунок 1).
8 По рассчитанным параметрам нормального распределения строятся два уравнения регрессии следующего вида:
у = а1-х1 + а2-х2+а3- ж3,
где х1 — расход водяного пара;
х2 — время контакта;
х3 — температура;
а1, а2, а3 — коэффициенты уравнения регрессии.
9 Производится расчет выходов продуктов пиролиза на основе функции нормального распределения.
10 Выход твердых продуктов пиролиза — пироуглерода и кокса для нефтяных остат-
ков определяется по данным из оптических спектров поглощения [1].
11 Рассчитывается оптимальное значение требуемого целевого продукта пиролиза методом Ньютона, изменяя при этом параметры процесса. Задание полученных значений расхода водяного пара, времени контакта и температуры в производстве позволит управлять процессом.
Результаты расчетов и графики по представленному выше алгоритму в реализо-
ванной программе представлены на рисунках 2, 3.
В таблице, представленной на рисунке 1, приведены расчетные и экспериментальные значения выходов продуктов пиролиза (храсч, хэксперим ) и определены параметры распределения, которые позволяют предсказать оптимальный выход при любой температуре и времени контакта. На рисунке 3 представлены кривые нормального распределения состава по температурам кипения в дифференциальной и интегральной формах.
Рисунок 1. Блок-схема алгоритма моделирования параметров распределения пиролиза газовых смесей
Разметка страницы
Данные Рецензирование
бед
Вир мл ¡о Копире вать *
пъ
Формат па образцу
буфер обмена_
ОБщий
ж А- Е ' Ш • I Лг Д- ^ШШ
_Шрифт__
нг" Перенос текста : Щ Объединить и помктить а центре * ^ * % ООО I
Выравнивание_¡5]_Число_г*
Условное оо| ФОРМЙТИРОНЙНИС- и
НЗЗ
•Г
н
1- I
Расчет состааов и параметров нормального распределения КФС продуктов пиролиза [результаты расчета|
э
4 У, отн-я&ня еучетом потерши 4 Поратстр ф-и лмиюж *>г! йнгпег-рапытеНР Дифферен-циапъное ИР МНС «ее, Хлюг, (от) ГчгиМ
5 Н2 0.0206 ■2,041 ■252,7 0,0206 ■206,51 0,002296 0,000123 0,72 1,00 0,72 1,00
6 СН4 0,3337 -0,430 -161,3 0,3337 -112,60 0,102845 0,003074 17,93 16,27 18,65 17,27
7 С2 0,8364 0,Э80 -91,5 -30,45 0,470372 0,Ш682В ЗЭ.КЗ 40,76 5В,48 Ж,03
8 СЗ 0,5545 0,162 -37,3 0,5645 -78,11 0,805878 0,М471Э 27,52 27,51 36,00 85,54
9 С4 0,2966 0,534 -3,2 0,2966 118,68 0,926205 0,002400 14,00 14,46 100,00 100,00
10
и
12
ДЗ
14
15
16 Параметры распределении
17 €Т в
15 53,28114081 -£7,5830369
19
20 стелеиьконеерти,(1-®) ] <М87372
Я
и
И,
24 Л
23 Ра л [чет параметров
26 асп^деления
и
28
2Э
Рисунок 2. Результаты расчетов
Рисунок 3. Графики по разработанному алгоритму
Вывод
Представлены алгоритм и программа, позволяющие проводить расчеты равновес-
ных выходов газообразных и твердых продуктов процесса пиролиза многокомпонентных углеводородных систем.
Список литературы
1. Доломатов М.Ю. Фрагменты теории реального вещества. От углеводородных систем к галактикам. М.: Химия, 2005. 208 с.
2. Доломатов М.Ю. Некоторые физико-химические аспекты прогнозирования свойств многокомпонентных систем в условиях экстремальных воздействий // ЖВХО им. Д.И. Менделеева. 1990. Т. 35. № 5. С. 632.
3. Доломатов М.Ю., Амирова С.И. Новый подход к прогнозированию процесса пиролиза углеводородных смесей и его практическое использование // Нефтепереработка и нефтехимия. 1991. № 8. С. 49-57.
4. Амирова С.И. Вероятностно-статистическое моделирование процессов пиролиза тяжелых нефтяных смесей: автореф. ... канд. техн. наук. М., 1991. 16 с.
5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014614677. Расчет выхода продуктов пиролиза пропана / Ф.Р. Муртазин, Р.Г. Хасанов, П.В. Кугато. Дата регистрации: 06.05.2014.
6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017612056. Моделирование химико-технологических процессов в реакторах с использованием схем высокого порядка точности / Р.В. Жалнин, Е.Е. Пескова, О.С. Язовцева, В.И. Назаров. Дата регистрации: 14.02.2017
7. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017612056. TETRAN-PRO / Н.М. Корцен-
штейн, Г.Я. Герасимов, Ю.Б. Шмельков. Дата регистрации 05.12.2016.
References
1. Dolomatov M.Ju. The Theory of Real Substance. From Hydrocarbonic Systems to Galaxies. Moscow: Himija, 2005. 208 p.
2. Dolomatov M.Ju. Some Physical and Chemical Aspects of Predicting the Properties of Multicomponent Systems under Extreme Conditions // ZhVHO im. D. I. Mendeleeva. 1990. T.35. № 5. S. 632.
3. Dolomatov M.Ju., Amirova S.I. A New Approach to Predicting the Process of Pyrolysis of Hydrocarbon Mixtures and its Practical Use // Oil Refining and Petrochemistry. 1991. № 8. P. 49-57.
4. Amirova S.I. Probabilistic-Statistical Modeling of Pyrolysis Processes of Heavy Oil Mixtures: Avtoref. ... Cand. Techn. Sci. Moscow, 1991. 16 p.
5. Certificate of State Registration of the Computer Program No. 2014614677. Calculation of the Yield of Pyrolysis Products of Propane / F.R. Murtazin, R.G. Hasanov, P.V. Kugatov. Registration Date: 06.05.2014.
6. Certificate of State Registration of the Computer Program No. 2017612056. Modeling of Chemical-Technological Processes in Reactors Using High Accuracy Schemes / R.V. Zhalnin, E.E. Peskova, O.S. Jazovceva, V.I. Nazarov. Registration Date: 14.02.2017.
7. Certificate of State Registration of the Computer Program No. 2017612056. TETRAN-PRO / N.M. Korcenshtejn, G.Ja. Gerasimov, Ju.B. Shmel'kov. Registration Date: 05.12.2016.
