Автоматизированное проектирование ректификационных аппаратов инвариантных в области изменения входных параметров Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 66.011

Э. Р. Галеев, В. В. Елизаров, В. И. Елизаров АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ АППАРАТОВ ИНВАРИАНТНЫХ В ОБЛАСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ВХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ

Ключевые слова: ректификация, проектирование, программный комплекс.

В статье представлен программный комплекс, позволяющий осуществлять автоматизированный расчет ректификационных аппаратов с возможностью построения области изменения входных параметров, в пределах которой аппарат функционирует удовлетворительно. Сформулирована задача проектирования. Приведено математическое, алгоритмическое и программное обеспечене. Рассмотрен пример проектирования установки разделения широкой фракции легких углеводородов.

Keywords: rectification, design, software.

The article presents a software package that allows for automated calculation of distillation units with the option of building a change of input parameters within which the device is functioning passably. Is given the task of designing, еhe mathematical, algorithmic and software. An example of the design separation plant broad fraction of light hydrocarbons.

Введение

В настоящее время на рынке программного обеспечения существует ряд пакетов, позволяющих осуществлять проектирование ректификационных установок. Наиболее востребованными из них в нефтехимии являются пакеты иностранных производителей HySyS (разработка фирмы HYPROTECH), ChemCad (Chemstations Inc.) и др.

Наряду с известными достоинствами, данные пакеты имеют следующие недостатки: необходимость высокой квалификации

проектировщика, значительные временные затраты на проектирование, отстуствие возможности построения области изменения входных параметров проектируемого аппарата, ручной поиск конструктивных и режимных параметров. Кроме того, иностранные пакеты имеют высокую стоимость и требуют длительных временных затрат на их освоение.

Желаемый результат проектирования с помощью указанных пакетов достигается путем перебора всевозможных значений проектируемых параметров вручную при заданных теплофизических свойствах, составе, расходе и сырья. На основе опыта и интуиции проектировщик выбирает конструктивные и технологические параметры (число тарелок, номер тарелки питания, флегмовое число, давление, температуру и т.д.) и с помощью пакета получает расчетные результаты по качеству разделения. Если эти результаты его не удовлетворяют, он вводит следующее приближение параметров и так до получения необходимых результатов. Стоит отметить, что на практике часто качественные и количественные параметры исходного сырья, поступающего на вход установки, не является постоянным. В результате в процессе эксплуатации приходится корректировать проектный технологический режим под переменные состав и расход, а в некоторых случаех вести реконструкцию установки.

В силу указанных недостатков существующих пакетов актуальна задача создания программного

комплекса, позволяющего осуществлять автоматизированный расчет технологических аппаратов и технологических схем с возможностью построения области изменения входных параметров, в пределах которой проектируемая установка функционирует удовлетворительно.

Автоматизация расчета аппаратов позволит значительно сократить временные затраты на проектирование, а опыт и знания проектировщика будут необходимы лишь на этапе анализа получаемых решений. Автоматический поиск проектируемых параметров основан на методах решения основной задачи управления и методологии проектирования многокритериальных многорежимных промышленных аппаратов разделения и превращения углеводородов в стационарных и нестационарных условиях функционирования [1 - 3].

Математическое обеспечени программного комплекса

Математическое обеспечени программного комплекса [4] содержит:

- математическое описание проектируемого аппарата (уравнения материального и теплового балансов, уравнения состояния и равновесия, гидравлического расчета [5-8]);

- систему ограничения на критерии проектирования;

- алгоритмическое сопровождение процедур проектирования и поиска области изменения входных параметров.

Математическое описаниее аппаратов в общем виде представляет собою зависимости выходных параметров проектируемого аппарата от состояния входа и вектора проектируемых параметров технологического режима и конструкции аппарата:

X = * (хо,и), (1)

где х = (х1, Х2,..., хп), х е X - вектор выходных параметров аппарата, х0 = (х01,х02,...,х0п) -вектор параметров, характеризующих состояние входа х0 с Х0.

Компонентами вектора проектируемых параметров аппарата и = (и1,и2,...,иг) являются параметры технологического режима (температура, давление, расходы флегмы, дистиллята, теплоносителей и т.д.) и конструктивные параметры (количетсво тарелок, точка ввода расхода сырья, поверхность насадки, диаметр и высота колонный и т.д.). Значения вектора проектируемых параметров являются величинами ограниченными и принадлежат заданной допустимой области и е и.

При разработке (проектировании)

технологического аппарата перед проектировщиком стоит задача определения геометрии и технологического режима, которые обеспечили бы получение продукта заданного качества и необходимого количества при соответствующих капитальных и эксплуатационных затратах. Качественные показатели, как правило, формируются в соответствии с техническими условиями и ГОСТами в виде: «не более» и (или) «не менее». Капитальные и эксплуатационные затраты являются величинами также ограниченными.

Качественные, капитальные и эксплуатационные показатели назовем критериями проектирования, зависящими от состояния входа и вектора проектируемых параметров:

(2) критерии

гк = гк(хо,и), к = 1,2.....т .

на

Система ограничений проектирования:

Ьк < Гк(Хо,и)< Ви; (3)

где Ьк,Вк (к = 1,2,..., т ) - заданные предельно-допустимые значения критериев.

Задача проектирования формулируется следующим образом: для аппарата, математическое описание которого представляет собой систему уравнений (1), требуется определить конструктивные и технологические параметры, обеспечивающие выполнение ограничений на показатели функционирования (3).

Если при некоторых значениях конструктивных и технологических параметрах и е и выполняются неравенства (3) для заданного значения вектора входных параметров х0, то решение задачи существует, аппарат функционирует

удовлетворительно.

Переменные в процессе эксплуатации аппарата

входные параметры обозначим через х0 , а область их изменения, в которой проектируемые параметры и е и удовлетворяют ограничениям (3) через X'.

Задача проектирования теперь заключается в построении вектора конструктивных,

технологических параметров и е и и области

изменения входных параметров X', при которых выполняются ограничения (3). Если решение задачи существует, то аппарат функционирует удовлетворительно для всех значений переменных

.V _

входных

параметров

XV е X1'

его

конструктивные и технологические параметры и е и инвариантны относительно данной области.

Проектирование установки разделения широкой фракции легких углеводородов

Рассмотрим пример проектирования

ректификационной установки разделения широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ).

В соответствии с требованиями технического задания необходимо спроектировать установку разделения ШФЛУ производительностью 105539 кг/ч и построить область входных параметров, при которых установка будет функционировать удовлетворительно.

Состав исходной смеси (% мас.):

этан - 1.67;

пропан - 15.6;

изобутан - 6.6;

бутан - 22.4;

изопентан - 17.07;

пентан - 18.13;

гексан - 18.53.

Требования по качеству разделения:

- пропановая фракция: содержание пропана не менее 97 %;

- изобутановая фракция: содержание изобутана не менее 96 %;

- бутановая фракция: содержание бутана не менее 97 %;

- изопентановая фракция: содержание изопентана не менее 96 %;

- пентановая фракция: содержание пентана не менее 96 %;

- гексановая фракция: содержание гексана не менее 98 %;

Норма расхода тепла на установку - 0,71 Гкал на тонну ШФЛУ.

Этапы проектирования установки

Этап 1. Проведение структурного анализа. Определяется количество аппаратов исходя из числа компонентов разделяемой смеси.

По температуре кипения компонентов определяются структура технологической схемы (последовательность разделения, схема движения материальных потоков).

Этап 2. Постановка задачи проектирования. Задаются пределы проектируемых и технологических параметров, их допустимые значения.

Формируется система ограничений на критерии проектирования.

Этап 3. Автоматизированное проектирование отдельных аппаратов технологической схемы с помощью программного комплекса.

Технологическая схема рассматриваемого процесса включает ректификационные колонны следующего назначения (рис. 1):

К1 - разделение ШФЛУ на этан-пропановую фракцию (углеводороды С2, С3) и остальные компоненты;

К2 - разделение на бутан-изобутановую (сумма углеводородов С4) и пентан-изопентан-гесановую фракции (сумма углеводородов С5, С6),

К3 - разделение бутан-изобутановой фракции на изобутановую (Ю4) и бутановую фракции (пС4),

К4 - отделение гексана (С6) от пента-изопентановой фракции (сумма углеводородов С5),

К5 - разделение пентан-изопентановой фракции на изопентановую (Ю5) и пентановую фракции (пС5),

К6 - разделения этан-пропановой фракции на этановую (С2) и пропановую фракции (С3).

С„С3

2 С4

2 С5

^Л' А

2С4,2 С„С, _пС4_

2 С„С,

Рис. 1 - Технологическая схема установки разделения ШФЛУ

Требования по качеству разделения формируют систему ограничений на продуктовые колонны К6, К5, К3. Отсюда следует, что проектирование установки необходимо начинать с расчета данных конечных аппаратов. Ограничения по качеству разделения на промежуточных колоннах К1, К2, К3 формируются после расчета связанных с ними материальными потоками последующих колонн. При этом область изменения входных параметров последующих колонн определяет область ограничения по продуктам разделения каждой промежуточной колонны.

Таким образом, проектирование установки начинается с колонн: К6, затем К5, К3, после К4, и лишь в конце К2 и К1.

При расчете для каждой колонны определяются проектируемые конструктивные и технологические параметры и область изменения входных потоков компонентов.

Алгоритм проектирования аппарата

В результате структурного анализа:

- задаются входные параметры аппарата, соответствующие требованиям технического задания;

- предельно-допустимые значения проектируемых параметров;

- требования по качеству разделения и норме расхода тепла.

Автоматизированный поиск проектируемых параметров осуществляется с использованием комбинированного метода: режимные параметры (флегмовое число, давление и температура в аппарате) определяются методом случайных направлений, конструктивные параметры (число тарелок, номер тарелки питания) - методом простого перебора. На каждом шаге поиска выполняется расчет математической модели

аппарата, по результатам которого проверяется выполнение ограничений на показатели функционирования. Если ограничения

выполняются, то найденная совокупность проектируемых параметров является допустимой, т.е. обеспечивающей выполнение заданных требований к проектируемому аппарату. Если они не выполняется, то следующий шаг поиска осуществляется в направлении, обеспечивающем выполнение данных условий.

Результатом поиска является вектор или множество векторов проектируемых параметров

иеи.

При существовании множества векторов проектируемых параметров выбор в пользу того или вектора осуществляется на основе соображений уменьшения капитальных и эксплуатационных затрат.

Выбрав значение вектора проектируемых параметров, осуществляется построение области входных. При этом выбранные значения проектируемых параметров не меняются, перебираются только входные параметры до тех пор, пока выполняются ограничения на критерии проектирования. В результате перебора получают минимальные 'т|П и максимальные 'тах значения потоков каждого компонента разделяемой смеси на входе аппарата.

Проектируемые параметры в области \тах

остаются постоянными.

(xV )min * xv <(xV )m

Таким образом, покомпонентная область изменения входных ппараметров колонны К6 является системой ограничений по верху колонны К1 для потоков компонентов в дистилляте. После расчета колонны К5 формируются ограничения по верху колонны К4. В результате расчета колонн КЗ и К4 формируются ограничения по верху и кубу колонны К2. На заключительном этапе формируются ограничения по кубу колонны К1.

Программное обеспечение

Программное обеспечение, реализующее предлагаемый подход к проектированию, разработано с помощью среды программирования Delphi 6. Сравнение результатов проектирования, реализованного на основе созданной программы для ЭВМ [4] показывает удовлетворительное согласование с данными промышленной эксплуатации и результатами, полученными с помощью других пакетов.

В состав программного комплекса, входят следующие элементы (рис. 2-5):

1) модуль разработки проекта;

2) модуль формирования состава смеси;

3) база компонентов;

4) модуль расчета технологического режима установки;

5) модули характеристик клапанной и колпачковой тарелок [6];

6) модуль автоматизированного проектирования и построения области входных параметров;

С

7) модуль представления результатов проектирования;

8) модуль представления результатов расчета технологического режима установки.

Рис. 2 - Модуль расчета технологического режима установки

Рис. 3 - Модуль автоматизированного проектирования установки

Рис. 4 - База компонентов

Рис. 5 - Модуль характеристик клапанной и колпачковой тарелок

Таблица 1 установки

Результаты проектирования

Конструктивные параметры

Колонна Чило Тарелка Высота Диаметр Тип тарелки

тарелок питания колонны, колонны, м

м верх низ

К1 71 22 47 2.6 3.4 клапанная

К2 71 33 46.8 3.8 3.8 клапанная

КЗ 130 72 82.2 3.6 3.6 клапанная

К4 67 39 44.4 3.8 3.8 клапанная

К5 141 58 88.8 5.5 5.5 клапанная

К6 49 26 29.3 1.4 2 колпачковая

Таблица 2 - Режимные параметры установки

Колонна Темп. Темп. Давление Давление Флегмовое

верха, К куба, К верха, атм куба, атм число

К1 39 142 19 19.8 3.8

К2 61.6 117.6 7.1 7.8 2.87

К3 55.4 72.7 7.5 9 16.2

К4 61.5 108.5 2.5 3.05 1.5

К5 55 77 2.4 3.68 9.6

К6 41.4 78 28.8 29.3 3.76

Таблица 3 - Область изменения параметров колонны установки

входных

Компонент Минимальный Максимальный Область

поток, кг/ч поток, кг/ч изменения потока, кг/ч

Этан 1709 1889 180

Пропан 15500 16628 1128

Изобутан 6895 7034 139

Бутан 20745 23641 2896

Изопентан 18016 18378 362

Пентан 19134 19910 776

Гексан 19557 34484 19927

Общий расход 101627 121966 20338

ШФЛУ

Основные выводы и заключения

На основе результатов проектирования получены следующие выводы:

- разработан программный комплекс, позволяющий реализовать новый подход к проектированию технологических аппаратов;

- предложенный подход позволяет решать задачи проектирования технологических аппаратов и схем, состоящих из нескольких аппаратов, инвариантных к изменению параметров входных потоков в автоматизированном режиме;

- программный комплекс осуществляет построение области на входе действующих и проектируемых установок;

- программный комплекс прост в применении, отличается невысокой себестоимостью и позволяет сократить длительность процесса проектирования.

Литература

1. Сиразетдинов, Т.К. Методы решения многокритериальных задач синтеза технических систем / Т.К. Сиразетдинов - М. Машиностроение, 1988. -160 с.

2. Дьяконов, С.Г. Теоретические основы проектирования промышленных аппаратов химической технологии на базе сопряженного физического и математического моделирования / С.Г. Дьяконов, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров. - Казань : Изд-во КГТУ, 2009. - 456 с.

3. Галеев, Э.Р. Проектирование процессов химической технологии методами решения основной задачи управления / Э.Р. Галеев, А.В. Долганов, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2012. -Т. 15. - Вып. 11. - С. 257-261.

4. Программный комплекс автома-тизированного проектирования массо-обменных и реакцион-ных аппаратов, инвари-антных к внешним сырьевым источникам (программа ЭВМ). Свидетельство о государствен-ной регистрации программы для ЭВМ № 2012619651 от 25.10.2012 года.

5. Елизаров, Д. В. Выбор оптимальных конструктивных параметров ситчатых и клапанных тарелок ректификационных аппаратов / Д.В. Елизаров, В.В. Елизаров, С.А. Мерзляков// Вестник Казан. технол. унта. - 2013. - Т. 16. - Вып. 12. - С. 187-190.

6. Дытнерский, Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Ю.И. Дытнерский ; под ред. Ю.И. Дытнерского. - М. : Химия, 1983. - 272 с. : ил.

7. Холланд, Ч.Д. Многокомпонентная ректификация / Ч.Д. Холланд; пер. с англ. Б.Ц. Генкиной ; под ред. В.М. Платонова. - М. : Химия, 1969. - 352 с.

8. Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учеб. пособие для вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков ; под ред. П.Г. Романкова. - 13-е изд., стереотип. Перепечатка с издания 1987 г. - М. : ООО ТИД «Альянс», 2006. - 576 с.

© Э. Р. Галеев - к. т. н., доцент кафедры АТПП НХТИ КНИТУ, eldargaleev@inbox.ru; В. И. Елизаров - д.т.н., профессор кафедры АТПП НХТИ КНИТУ; В. В. Елизаров - д. т. н., заведующий кафедрой АТПП НХТИ КНИТУ.

© E. R. Galeev - candidate technical sciences, Department of automation of technological processes and productions Kazan national research technological university", eldargaleev@inbox.ru; V. V. Elizarov - doctor technical sciences, head of the Department of automation of technological processes and productions "Kazan national research technological university"; V. I. Elizarov - doctor technical sciences, Professor of the Department of automation of technological processes and productions "Kazan national research technological university".