CC BY
74
УДК 66.021.4
Р. М. Латыйпов, Э. В. Осипов, Э. Ш. Теляков
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ РАСШИРЕННЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ CHEMCAD ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ ЭТИЛЕНГЛИКОЛЕЙ
Ключевые слова: этиленгликоли, математическая модель, универсальные моделирующие программы, оптимизация.
Показаны возможности и достоинства специальных функций программы CHEMCAD, позволяющих управлять расчетными операциями в автоматическом режиме через специальные приложения Visual Basic, оформленные в виде программ внешнего управления. Работа программы внешнего управления исследована на примере оптимизационного расчета колонны выделения моноэтиленгликоля из промышленной гликолевой смеси в сложной ректификационной колонне. Показана перспективность применения программы внешнего управления при решении задач многопараметрической оптимизации.
Keywords: ethylene glycols, mathematical model, modeling programs, optimization.
Shown the features and advantages of special functions of the program CHEMCAD, allowing you to manage automatic operations in special mode through special applications Visual Basic, designed as external control programs. The work of the external control program investigated on the study of the distillation processes monoethylene glycol from an industrial glycol mixture in the distillation column. The perspectivity of the application of external control programs for solving multiparametric optimization problems is shown.
Введение
Процедура расчета процесса многокомпонентной ректификации в сегодняшних условиях проводится исключительно с использованием высокоэффективных методик «потарельчатого» расчета. В рамках этих методик разработано множество итерационных процедур и их модификаций, отличающихся относительными скоростями схождения и достигаемой точностью результата [1,2]. Сами методики применимы для расчета практически любых вариантов исполнения ректификационных колонн.
Постановка задачи расчета характеризуется при этом наличием большого числа степеней свободы расчетной модели [3]. Поэтому определенная часть переменных должна закрепляться. Как правило, для простых и сложных ректификационных колонн основной задачей является нахождение: числа теоретических тарелок (ЧТТ); номеров тарелок ввода питания (НТП) и бокового отбора (НТБО) продуктов; профилей давления, температур и концентраций по высоте колонны; а также ряда других параметров, при которых обеспечиваются заданные (закрепленные) требования к сырью и продуктам разделения [3]. Поскольку решение задачи является многовариантным, при решении должны привлекаться оптимизационные процедуры [4].
Поиск оптимальных решений предполагает проведение большого числа расчетов при варьировании искомых параметров в пределах установленного диапазона их изменения. Для ректификационной колонны с большим числом тарелок (ЧТ) и тем более для многоколонных ректификационных систем количество выполняемых расчетов становится при этом огромным. В этих условиях целесообразно привлечение специальных компьютерных сред, среди которых широкое применение нашли универсальные моделирующие программы (УМП), такие как CHEMCAD, HYSYS и PRO II. В настоящей работе использован пакет CHEMCAD (далее - СС).
СС укомплектован специальной опцией Sensitivity Study (SS), предназначенной для исследования харак-
теристик, определяющих поведение объекта при изменении отдельных параметров модели. По своей функциональной структуре данная опция может применяться в задачах поиска оптимальных вариантов решения, но при ограниченном числе варьируемых параметров (не более двух). Однако, для модели ректификации, число оптимизируемых параметров в которой существенно больше, опция SS не применима.
В состав УМП СС входит также специальный блок, который позволяет эксплуатировать СС с помощью внешней управляющей программы, составленной в отдельных приложениях, поддерживающих язык программирования Visual Basic (VB). Основу кодовых команд программы составляет набор специальных функций, интегрированных в структуру оболочки СС, при помощи которых можно управлять расчетом программных модулей и обмениваться данными между основной и внешней программами. С помощью специальных функций создается возможность автоматической организации перебора значительного количества переменных модели и проведения оптимизационных расчетов с относительно низкими затратами временного ресурса.
В настоящей статье показан опыт применения набора специальных функций на примере моделирования ректификационной колонны для разделения смеси этиленгликолей. Постановка задачи - нахождение ЧТТ, НТП и НТБО для комбинации закрепленных величин давления верха колонны и содержания лег-кокипящего компонента (моноэтиленгликоля), в кубовом остатке. Наряду с моноэтиленгликолем (МЭГ) в смеси присутствуют также более тяжелые производные - ди- (ДЭГ) и триэтиленгликоли (ТЭГ), которые концентрируются в кубовом остатке. Программирование процедуры внешнего управления производилось в макросе приложения Microsoft Excel.
Структура специальных функций
Специальные функции УМП СС входят в отдельные группы, имеющие различные предназначения. В работе дается описание лишь тем группам и их функ-
циям, которые применены в рамках данной статьи. На рисунке 1 представлена блок-схема структуры специальных функций.
Из рис.1 видно, что на первом (верхнем) уровне иерархии находится команда CreateObject ("CHEMCAD.VBServer"), посредством которой УМП СС загружается в оперативную память компьютера и переходит в состояние готовности для выполнения своих функциональных задач. При этом интерфейс СС визуально не доступен. Функции GetUnitOpParIn-CurUserUnit и PutUnitOpParInCurUserUnit, входящие в группу GetUnitOpInfo, выполняют передачу данных -значений конструктивных и технологических параметров - из СС в VB и в обратном направлении. Функция OTSGetStreamParInUserUnit, относящаяся к группе GetStreamInfo, предоставляет в VB физические и термодинамические параметры соответствующих потоков. Функция SSRunSelectedUnits запускает расчет программного модуля в соответствии с его порядковым номером. Для отзыва или закрепления величины требуемого параметра в скобках функции указывается ряд необходимых переменных - порядковый номер модуля (unitOpID) или потока (streamID), идентификационный номер требуемого параметра (parID), название переменной (parVal), которой присваивается величина параметра. Порядковые номера присваиваются в соответствии с рабочим листом УМП СС (в табл.1 приведены отдельные идентификационные номера параметров). В результате функции дистанционно взаимодействуют с расчетной схемой, составленной в УМП СС, а их структура выглядят как:
Chem = CreateObje ct(" CHEMCAD.VB Server" ) (l)
unitlnfo = Chem.GetUnitOpInfo (2)
stream Info = Chem.GetStreamInfo (з)
run = Chem.SSRunSelectedUnits(unitOpID) (4 )
A = unitInfo.B(unitOpID, parID, parVal) (5 ) B = PutUnitOpParInCurUserUnit
C = unitInfo.D(parVal,parID, unitOpID) (б) D = GetUnitOpParInCurUserUnit
E = streamInfo.F(parVal,parID,streamID) (7 )
F = OTSGetStreamParInCurUserUnit
где Chem, unitInfo, streamInfo - переменные типа Object; run, А, В, С, unitOpID, streamed, parID - переменные типа Integer; parVal- переменная типа Single.
В оболочке программного кода VB функции (1)-(3) выполняются однократно, а (4)-(7) запускаются для каждой комбинации параметров, генерируемых в многоуровневом цикле. На рис.2 показан пятиуровневый цикл для ректификационной колонны, работающей с одним боковым отбором продукта. Расчет циклов начинается при минимальном значении варьируемых параметров и завершается, когда они принимают верхние предельные значения в своем диапазоне. Для каждой комбинации давления верха РВ и содержания МЭГ в кубовом потоке Хмэг. выбирается оптимальное решение (Фопт.) для всех решений, найденных
для исследованных комбинаций параметров (ЧТТ NT, НТП - Nn, НТБО - NB).
структуры специальных
Рис. 1 - Блок-схема функций УМП СС.
Переменные: ишЮрГО и streamID - порядковые номера расчетного модуля и соответствующего потока по рабочему листу СС; рагУа1 - величина параметра; рагГО - идентификационный номер параметра
Таблица 1 - Идентификационные номера параметров потока и расчетного модуля исследованной ректификационной колонны
Идентификационный
номер параметра (parID) Наименование параметра
Потоки
1 Температура, °С
б Общий массовый расход, кг/ч
-801 Доля воды, % (масс.)
-802 Доля МЭГ, % (масс.)
-803 Доля ДЭГ, % (масс.)
-804 Доля ТЭГ, % (масс.)
Модуль ректификационной колонны
2 Число тарелок
3 Номер тарелки ввода питания
8 Номер тарелки бокового отгона
12 Давление верха, мм.^
14 Перепад давления, мм.^.
22 Доля МЭГ, % масс.
40 Тепловая нагрузка на конденсатор, МДж/ч
41 Тепловая нагрузка на кипятильник, МДж/ч
Как видим, использование блока специальных функций позволяет заметно упростить процедуру поиска оптимального решения за счет автоматизации процесса перебора вариантов. Стратегия перебора вариантов может проводиться при этом с использованием приемов многопараметрической оптимизации
[5]. _
-»{цикл №1. рв = [рв.ниж....рв.верх]. арв
также содержится МЭГ, качество остатка при этом не регламентируется.
Рис. 2 - Структура пятиуровневого цикла для ректификационной колонны с боковым отбором продукта. Обозначения: РВ - давление верха колонны, мм.Щ; ХМЭГ - содержание МЭГ в кубовом продукте, % масс.; N - общее число тарелок; ^ - номер тарелки питания; N - номер тарелки бокового отбора; А - шаг изменения величины параметра; Ф и Фопт. - частное и оптимальное процессные решения. Индексы: ниж. и верх. - нижний и верхний пределы диапазона изменения величины
Численный эксперимент
На рис.3 представлена принципиальная схема промышленной ректификационной колонны блока выделения МЭГ. Колонна поз. К-1 оборудована четырьмя клапанными тарелками и двумя слоями структурированной насадки, между которыми вводится сырьевой поток 1 с заданной температурой (134°С). Расход потока составляет 11845 кг/час, массовый состав: содержание воды, МЭГ, ДЭГ и ТЭГ - соответственно 0,02; 90,52; 8,93 и 0,53 % масс. Пары, отходящие с верха колонны, поступают в конденсатор поз. Т-1, откуда сконденсированная фаза через флегмовую емкость поз. Е-1 возвращается насосом поз. Н-1 в колонну в качестве орошения (поток 2), а неконденси-руемая часть (смесь воздуха, подсасываемого из атмосферы через неплотности конструкции, с продуктами термической деструкции гликолей) - поток 5 -откачивается пароэжекторной установкой. Дистил-лятный продукт отбирается с нижней тарелки верхней тарельчатой секции колонны (боковой погон), причем содержание МЭГ в продукте должно быть не менее 99,9 % масс. Поскольку отбор дистиллята фиксирован (МЭГ отбирается в 2-х колоннах) в кубовом остатке
Рис. 3 - Принципиальная схема промышленной ректификационной колонны.
Аппараты: К-1 - ректификационная колонна; Т-1 и Т-2 - конденсатор и кипятильник; Е-1 - флегмо-вая емкость; Н-1 и Н-2 - насосы для подачи орошения в колонну и откачки смеси ЭГ. Потоки: 1 - сырье (смесь ЭГ); 2 - орошение; 3 -товарный МЭГ; 4 - смесь ЭГ; 5 - неконденсирующиеся газы
В соответствии с приведенной принципиальной схемой в УМП СС синтезирована расчетная схема ректификационной колонны. При построении расчетной схемы, представленной на рис. 4, приняты следующие допущения: неконденсирующиеся газы отсутствуют; расчет проводится по теоретическим тарелкам, расход потока 3 фиксирован.
Рис. 4 - Расчетная схема ректификационной колонны с боковым погоном.
Поток: 1 - питание; 2 - кубовый продукт; 3 - дистиллят; 4 - боковой отбор.
Процессный модуль: 1 - ректификационная колонна типа TOWR
Моделирование процесса ректификации проводится по программному модулю TOWR, основанному на методике потарельчатого расчета с использованием итерационной процедуры типа INSIDEOUT - метод внешних и внутренних циклов.
Для описания парожидкостного равновесия смеси МЭГ, ДЭГ, ТЭГ и воды принята модель Van Laar, которая вполне удовлетворительно согласуется для данной смеси с экспериментальными данными. На часть технологических параметров модели накладываются ограничения: содержание МЭГ в дистилляте (поток 4, рис.4) должно быть не менее 99,9% масс., а температура куба колонны (поток 5, рис.4) - не должна превышать 180°С, так как при более высоких температурах начинается термическое разложение этиленгли-колей.
Как показали результаты численного эксперимента, наибольшее влияние на эффективность и экономичность процесса разделения оказывает величина давления верха колонны, а также перепад давления, складывающийся на контактных ступенях колонны. Следует отметить, что в УМП СС имеется опция расчета перепада давления для тарельчатых устройств нескольких типов. Это позволяет повысить точность моделирования процесса ректификации.
Поскольку рассматриваемая колонна работает под вакуумом, в суммарные энергозатраты на процесс разделения необходимо включать и затраты на работу вакуумсоздающей системы (ВСС). Последние резко возрастают с увеличением глубины создаваемого вакуума и зависят от типа использованной ВСС [6-8]. Сама стоимость энергоресурсов в свою очередь различна для разных предприятий [9], что вносит дополнительные трудности при выборе и расчете критерия оптимальности. Поэтому на данном этапе исследования анализировались лишь затраты энергии (тепла) непосредственно на обогрев куба колонны и затраты холода на конденсацию верхнего продукта (кДж/час).
В эксперименте разработанный программный код внешнего управления, составленный из функций VB и СС, направлял значения закрепленных параметров в расчетную схему ректификационной колонны в следующих принятых диапазонах: давление верха 60^120 мм.^. с шагом 20 мм; содержание МЭГ в кубовом остатке 10^30 % масс. с шагом 0,1%; число теоретических тарелок 7^13 с шагом 1. Для каждой комбинации закрепленных параметров (число тарелок, уровни ввода сырья и отбора дистиллята, требования к составу дистиллята, профили давлений) существует только одно решение, характеризующее затраты тепла (паровое число) и холода (флегмовое число) на реализацию заданного разделения.
Из всех решений, полученных на уровне циклов №4 - №5 (рис. 2) программой автоматически выбиралась только одно решение, характеризуемое наименьшей стоимостью внешних тепловых потоков, обеспечивающих заданное разделение. Это решение приближается к оптимальному, но не может считаться таковым, поскольку часть использованных переменных (РВ, составы продуктов и др.) в принципе являются непрерывными параметрами, а в эксперименте они менялись дискретно. Более точный результат может быть получен при использовании более
строгих оптимизационных процедур (например, предложенных в работах [4,10]), и более обоснованных критериев оптимизации (например, критерия «Приведенные затраты»). Основные результаты численного эксперимента сведены в табл. 2.
Таблица 2 - Сводка результатов численного экс-
Согласно расчетам при давлении верха колонны 120 мм.^ ограничение, наложенное на предельно допустимую температуру куба колонны (180 оС), для ряда комбинаций переменных (отмечены значком *) уже не удовлетворяется даже при повышенном содержании легкокипящего компонента (МЭГ) в кубовом остатке.
Как видим, использование программы внешнего управления позволяет провести предварительную оценку конкурентоспособности сравниваемых вариантов решения задачи проектирования и определить наиболее важные параметры, влияющие на экономичность принимаемых решений. В особенности данный прием должен оказаться эффективным при проектировании сложных колонн с большим числом ввода и (или) отвода внешних материальных и тепловых потоков (например для установки первичной переработки нефти - АВТ), а также при проектировании многоколонных установок.
Узкая группа конкурентоспособных вариантов затем может быть дополнительно исследована с исполь-
перимента
хмэг
Рв NT 0,1 0,2 0,3
Nn NB Nn NB Nn NB
6 3 1 4 1 4 1
7 4 2 5 2 6 2
8 4 1 6 2 7 2
9 3 1 5 2 7 2
10 7 5 2 7 2
11 5 1 9 2 9 1
12 8 8 1 9 1
13 10 1 10 1 11 1
6 6 1 3 1 4 1
7 5 1 6 2 6 2
8 3 1 5 2 6 2
9 4 1 6 2 7 2
10 5 1 6 2 8 2
11 11 8 2 8 2
12 10 1 10 1 10 1
13 10 1 10 1 11 1
6 4 1 3 1 4 1
7 6 6 2 6 2
8 8 1 6 2 7 2
9 4 1 7 2 7 2
10 8 1 8 2 8 2
11 10 6 2 10 2
12 4 1 9 1 10 1
13 10 1 10 1 11 1
6 5* 1 * 4 1 4 1
7 5* 1* 6 2 6 2
8 7* 1* 5 2 5 1
9 8* 1* 7 2 8 2
10 8* 1* 8 2 8 2
11 10* 5* 10 2 9 2
12 10* 5* 9 1 10 1
13 10* 5* 10 1 11 1
зованием более строгих оптимизационных процедур. Эта задача может быть выполнена и при использовании описанного алгоритма перебора вариантов при условии модификации программы внешнего управления. Особое значение при этом приобретает обоснованный выбор критерия оптимизации.
Выводы
Интегрирование в единое целое стандартных правил программирования УМП CHEMCAD и специальных функций, содержащихся в приложениях к УМП, дает возможность создавать специальные программы внешнего управления и решать в автоматическом режиме оптимизационные задачи для моделей технологических объектов высокой сложности с относительно низкими затратами временных ресурсов.
Литература
1. Henry Z. Kister. Distillation design, «McGraw Hill», New York, 1992. 710 p.
2. Lorenz T. Biegler, Ignacio E. Grossmann, Arthur W. Westerburg. Systematic methods of chemical process design, «Prentice Hall», New Jersey, 1997. 796 p.
3. Багатуров С.А. Основы теории и расчета перегон-ки и ректификации. М.: Химия. 1974. 440 с.
4. Г.М. Островский, Н.Н. Зиятдинов, Ф.У. Мустафина, Д.А. Рыжов. Теорет. основы хим. технологии. 47, 6, С. 646 (2013).
5. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия, 1985. 448 с.
6. Э.В.Осипов, Ф.М. Сайрутдинов, Э.Ш. Теляков, К.С. Са-дыков. Вестник Казан. технол. ун-та,15, 13, С. 158-163 (2012).
7. Р.М. Латыйпов, Э.В. Осипов, Э.Ш. Теляков. Бутлеров-ские сообщения, 44, 11, С. 151-158 (2015).
8. Э.В. Осипов, Э.Ш. Теляков, К.С. Садыков, Химическое и нефтегазовое машиностроение. 5, С. 30-32 (2016).
9. Э.В. Осипов, Х.С. Шоипов, Э.Ш. Теляков. Вестник Казан. технол. ун-та, 17, 3. С. 209-212 (2014).
10. Г.М. Островский, Н.Н. Зиятдинов, Т.В. Лаптева, НЮ. Богула. Теорет. основы хим. технологии, 45, 1. С. 88-97. (2011).
© Р. М. Латыйпов - инженер-механик ПАО «Татнефть» e-mail: [email protected]; Э. Ш. Теляков - д-р техн. наук, проф. каф. «Машины и аппараты химических производств» КНИТУ, e-mail: [email protected]; Э. В. Осипов - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, e-mail: [email protected].
© R. M. Latypov - mechanical engineer, PAO "Tataneft", e-mail: [email protected]; E. Sh. Telyakov - doctor of technical science, professor "Mechanical Engineering For Chemical Industry" of KNRTU, e-mail: [email protected]; E. V. Osipov - Ph. D., do-cent "Mechanical Engineering For Chemical Industry" of KNRTU, e-mail: [email protected].
