Создание компьютерной моделирующей системы процесса алкилирования со схемой превращения различного уровня детализации

Шнидорова Надежда Олеговна; Долганова Ирэна Олеговна; Долганов Игорь Михайлович; Кочегурова Елена Алексеевна

увеличить выход олефинов в среднем на 50 кг на тонну свежего сырья в час. Суммарный доход от внедрения моделирующей программы может составить порядка 225 тыс. р. в сутки.

Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновацион ной России» (ГК№ 14.740.11.0548-0720).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Lahiri S.K., Khalfe N., Lenka С., Al-Balyaa М. Новый подход к мониторингу технологических установок // Нефтегазовые технологии. - 2008. - № 7. - С. 71-77.

2. Куцевич И.В. Система моделирования и оптимизации в нефтехимии // Информационные технологии. - 2003. - № 5. -С. 116-120.

3. Kravtsov A.V., Moskvin V.S., Pleshkova O.E., Usheva N.V. Mathematical model for multi-component petrochemical processes // Reaction kinetics and catalysis letters. - 1986. - V. 30. - № 2. -P. 215-219.

4. Волин Ю.М., Островский Г.М. Три этапа компьютерного моделирования химико-технологических систем // Теоретические основы химической технологии. - 2006. - Т. 40. - № 3. -С. 302-312.

5. Слинько М.Г История развития математического моделирования каталитических процессов и реакторов // Теоретические основы химической технологии. - 2007. - Т. 41. - № 1. -С. 16-34.

Поступила 12.04.2010 г.

УДК 61.01.29

СОЗДАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ПРОЦЕССА АЛКИЛИРОВАНИЯ СО СХЕМОЙ ПРЕВРАЩЕНИЯ РАЗЛИЧНОГО УРОВНЯ ДЕТАЛИЗАЦИИ

Н.О. Шнидорова, И.О. Долганова, И.М. Долганов, Е.А. Кочегурова

Томский политехнический университет E-mail: [email protected]

Разработана и программно реализована на языке объектно-ориентированного программирования С# программа, позволяющая рассчитывать основные показатели процесса алкилирования бензола. Данная модель предполагает возможность математического описания процесса слюбым уровнем детализации схемы превращения углеводородов. Предложенный модифицированный метод сканирования применим для определения кинетических параметров в упрощенной математической модели и требует значительно меньшего количества итераций, по сравнению с общеизвестным методом покоординатного поиска. Данная модель является основой создания комплексной программы для расчета технологий процесса твердофазного алкилирования с различным аппаратурным оформлением.

Ключевые слова:

Моделирующая система, схема превращений, алкилирование, обратная кинетическая задача. Key words:

Modeling system, reaction network, alkylation, inverse kinetic problem.

В настоящее время наблюдается повышение спроса на синтетические моющие средства. Линейный алкилбензол (ЛАБ) - один из основных компонентов производства моющих средств, который составляет приблизительно третью часть ингредиентов, которые применяются при производстве моющих средств во всем мире. Столь масштабное использование ЛАБ обусловлено тем, что он абсолютно безопасен для окружающей среды, вследствие чего возникает необходимость повышения производительности промышленных установок по производству ЛАБ. Так как обеспечение оптимального технологического режима для такой системы, как многокомпонентный химический процесс, требует предварительного проведения большого количества натурных экспериментов, материальных и временных затрат, то эксплуатация современных промышленных установок неэффективна без применения моделирующих систем процессов нефтепереработки.

Возможность внедрения компьютерной моделирующей системы на нефтеперерабатывающий завод определяется, в первую очередь, ее адекватностью, то есть сходимостью экспериментальных и расчетных данных. Для достижения требуемой погрешности (погрешность хроматографичесого анализа составляет около 5 %), необходимо решение обратной кинетической задачи, т. е. нахождение кинетических параметров по известным экспериментальным данным. Кинетические параметры - важнейшие показатели скорости протекания химической реакции, которые зависят от концентрации реагентов, энергетического и структурного реакционного барьера [1]. В основу предлагаемой программы, как и в большинство современных проектов, положена идея объектно-ориентированного программирования [2, 3].

Программное обеспечение, разработанное с использованием языка С#, может применяться

не только для разработки автономного программного обеспечения, но и для управления и мониторинга промышленных установок на предприятиях любого профиля.

Химическая промышленность не является исключением. В этой связи на кафедре химической технологии топлива и химической кибернетики Института природных ресурсов при сотрудничестве с Институтом кибернетики Томского политехнического университета впервые ведутся разработки программного комплекса для моделирования процесса алкилирования бензола высшими олефи-нами с использованием языка программирования С# в среде Visual Studio 2008. Данная программа позволяет динамически создавать математическую модель процесса алкилирования на основе схемы превращения любого уровня детализации, а также рассчитывать основные показатели моделируемого процесса.

Разработка описываемой компьютерной программы включает следующие этапы:

1) построение схемы превращения углеводородов;

2) термодинамический анализ возможности протекания реакций в построенной схеме превращения;

3) определение гидродинамического и теплового режимов работы реактора;

4) создание математической модели процесса и ее компьютерная реализация.

Согласно термодинамическим расчетам и имеющимся экспериментальным данным по составу сырья и продуктов процесса алкилирования бензола олефинами, в ходе процесса протекают следующие реакции (таблица).

Таблица. Реакции, протекающие в процессе алкилирования

№ п.п. Реакция

1 Олефин-1(10-14)=Олефин-2(10-14)

2 Олефин-2(ю-14)=ОлефиНинт(ю-14)

3 Олефин-1(10-14)=ИзоолефиН(10-14)

4 Бенэол+Олефин-1(10-14)=ЛАБ-2(10-14)

5 Бензол+ИзоолефиН(10-14)=НАБ(10-14)

6 Бензол+Олефин-2(10-14)=ЛАБ-2(10-14)

7 Бензол+ОлефиНинт(10-14)=ЛАБинт(ю-14)

8 ПсевдоЛАБ+ПсевдоОлефин=ДАБ

9 ЛАБнепр+ПсевдоОлефин=ДАБнепр

10 ПсевдоЛАБ+Диолефин=ДАБнепр

11 Бензол+ДиолефиН(10-14)=ЛАБнепр

12 Бензол+ЛАБнепр=ДФА

Обозначения в таблице: Олефин-1 - олефины С10-С14 нормального строения с двойной связью после первого атома углерода; Олефин-2 - олефи-ны С10-С14 нормального строения с двойной связью после второго атома углерода; Изоолефин -олефины С10-С14 разветвленного строения (вне зависимости от положения двойной связи); Диоле-

фин - сумма сопряженных олефинов С10-С14; НАБ (нелинейный алкилбензол) - ЛАБ с боковой цепью разветвленного строения вне зависимости от места присоединения бензольного кольца; ЛАБнепр - ЛАБ (линейный алкилбензол) с непредельной боковой цепью вне зависимости от ее раз-ветвленности и положения бензольного кольца; ЛАБ-2 - ЛАБ с углеродной цепью, присоединенной к бензолу вторым атомом углерода; ДАБ -диалкилбензолы с насыщенными связями вне зависимости от строения боковых цепей и положения бензольного кольца; ДАБнепр - диалкилбензолы с непредельной боковой цепью; Диолефины -сумма диолефинов нормального и изостроения; ДФА - дифенилалканы; ПсевдоЛАБ - ЛАБ с предельной боковой цепью вне зависимости от ее раз-ветвленности и положения бензольного кольца; ПсевдоОлефины - олефины вне зависимости от разветвленности углеродного скелета и положения двойной связи; Олефининт - интернальная подгруппа олефинов, включающая все линейные изомеры по двойной связи, кроме Олефина-1 и оле-фина-2; ЛАБинт - интернальная подгруппа ЛАБ, в которой боковой цепью являются ОлефиныШ1. Возможность протекания данных реакций подтверждается расчетными значениями изменения энергии Гиббса (Аб<0) [4, 5].

Приняв во внимание допущение о неизменности активности катализатора во времени, запишем его окончательное математическое описание в виде системы дифференциальных уравнений материального и теплового балансов

ЯТ N рсмссм д_ = ±у о ж .

Р дт ^ р. 7

Начальные условия: ¡=0, С=С0;, Т=Твх, где / - соответствующий углеводород; С1 - концентрация /-го реагента, моль/л; т - время контакта, с; 0^и Щ -теплота и скорость химической реакции, Срсм-мольная теплоемкость реакционной смеси, рсм -плотность реакционной смеси, Т - температура, К.

Приведенная система уравнений решена методом Рунге-Кутта 1-го порядка.

На рис. 1 представлено главное диалоговое окно разработанного программного продукта.

В первую очередь пользователь вводит информацию о веществах, участвующих в реакциях, а так же значения необходимых параметров. Состав вещества можно задать в свойстве «Состав» напротив его имени, после чего появится окно, изображённое на рис. 2.

Здесь необходимо выбрать компоненты, входящие в состав вещества. Например, расход компонента «Олефина» может включать в себя расходы компонентов «Олефин-1», «Олефин-инт», «Оле-фин-2», «И-олефин».

После этого пользователь переходит на вкладку «Схема превращений» (рис. 3), где добавляет нуж-

Рис. 1. Интерфейс программы расчета показателей процесса

ное количество реакций и выбирает реагирующие вещества и продукты реакций.

w Состав вещества: бензол -UaJ-xJ

Опефин-1 Г Опефин-2 Г

Олефин-инт Г И-олефин Г

НАБ Г Бензол F

ЛАБ-2 г ЛАБинт Г

ДАБ-1 г ДАБ-2 Г

ДАБ-3 г ДАБ-4 Г

ДАБ-5 г ДАБ-6 г

Ди олефин г ЛАБнелр г

ДФА г ДН-1 г

ДН-2 г ДН-з г

HF г Парафин г

Ароматика г

OK J Отмена |

Рис. 2. Скриншот окна «Состав вещества»

Реакция добавляется при нажатии на кнопку «Добавить реакцию». Реакции можно удалить, отметив их и нажав на кнопку «Удалить реакции». Кроме того, предусмотрено сохранение составленных схем превращений и загрузка сохранённых ранее схем для удобства пользователя.

После нажатия на кнопку «Расчёт» осуществляется расчёт массовых расходов и температуры на выходе из реактора и вывод полученной информации в удобном для пользователя виде. Полученные результаты доступны для экспортирования в MS Excel.

Для облегчения работы пользователя существует возможность сохранения составленных схем превращения. Сохранение и загрузка производится путём вызова соответствующих пунктов меню.

Для сохранения реакций используется формат *.xml. Ниже приводится фрагмент файла *.xml с информацией о реакциях одной из сохранённых схем превращений (рис. 4).

В данном фрагменте представлены характеристики всех участвующих в схеме превращений веществ (бензол, ЛАБ, ДАБ, олефин): массовый расход, молярная масса, коэффициенты для расчета теплоемкости, рис. 1.

Предложенный алгоритм решения обратной кинетической задачи реализован следующим образом.

За основу взят метод сканирования, представляющий перебор всех возможных значений в заданном интервале при фиксированном шаге. В нашем случае кинетические параметры определяются

Рис. 3. Окно редактора схемы превращений

<Substance Вещество-'ИБ" Массовый-'^" Молярная-"20" А-"15,093" В-"0,0326" С-"0,0002"

Б-"0,000002" Состав-'Состав" Выделять-'0" Выводить-"0" Адрес-'0" Расчитать-'0" />

</Substances>

Рис. 4. Фрагмент файла с исходными данными

с точностью до трёх знаков после запятой. Алгоритм обычного метода сканирования был модифицирован следующим образом.

1) Выбираются области значений констант К1 и К2 на основе литературных данных о кинетике процесса [4].

2) Движение внутри каждой области выполняется с достаточно большими шагами Н1 и Н2, соответственно.

3) Определяются константы к\ и к2, при которых достигается наилучшее совпадение экспериментальных и расчетных данных.

4) Предыдущая область значений заменяется на К'=[к \-кьк\+к1] и К'2=[к '2-к1,к'2+к2].

5) Размер шагов к1 и к2 понижается до существенно меньших значений к \и к '2 (в данном случае использовалось десятикратное уменьшение шага).

6) Пункты 2-5 повторяются до достижения требуемой точности.

Предложенная методика решения обратной кинетической задачи была отработана на простейшей схеме превращений, учитывающей протекание только двух реакции, в результате которых образуются товарные продукты процесса алкилирования - ЛАБ и тяжелый алкилат. В результате реализации описанной методики были получены кинетические параметры, обеспечивающие совпадение расчетных и экспериментальных данных (выход ЛАБ и тяжёлого алкилат, температура процесса Т) с требуемой точностью (рис. 5-7).

‘;у- ч'- сг «у чг о Рис. 6. Сравнение расчетного и экспериментального выхода тяжёлого алкилата

О4 С О' !У ОЛ О4 СГ Чг

Рис. 7. Сравнение расчетной и экспериментальной температуры

Погрешность расчета на модели рассчитывалась по формуле

А =

С - С

ехр соиП

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

С~

100 %,

Рис. 5. Сравнение расчетного и экспериментального выхода ЛАБ

где Сехр и СтШ - экспериментальные и расчетные значения выхода ЛАБ, ДАБ и температуры. При найденных значениях кинетических параметров для всех показателей процесса погрешность не превышает 1 %.

Проведенная работа по разработке математической модели процесса алкилирования бензола оле-финами являлась важнейшим шагом в решении задач оптимизации процесса производства СМС.

Результаты расчётов для исходной схемы превращений позволяют говорить об адекватности модели и правильности реализации программы.

Дальнейшее развитие работ предполагает расширение схемы превращений для обеспечения возможности расчета не только количественных (выход ЛАБ и тяжёлого алкилата), но и качественных (бромный индекс ЛАБ, бромное число тяжёлого алкилата) показателей процесса; учета влияния состава сырья на выход продуктов; проведения мониторинговых работ и прогнозных расчетов. Данная модель будет являться основой создания комплексной программы для расчета технологий процесса твердофазного алкилирова-ния с различным аппаратурным оформлением.

Выводы

1. Разработана и реализована на языке С# программа расчета основных показателей процесса

алкилирования бензола олефинами.

2. Предложена модель, позволяющая математически описать процесс с любым заданным уровнем детализации схемы превращения углеводородов.

3. Предложен алгоритм поиска кинетических параметров в упрощенной математической модели, требующий значительно меньшего количества итераций, по сравнению с традиционным методом покоординатного поиска.

4. Решена обратная кинетическая задача упрощенной схемы превращений углеводородов в процессе алкилирования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Баннов П.Г. Процессы переработки нефти. - М.: ЦНИИТЭ-нефтехим, 2001. - 625 с.

2. Бадд Т. Объектно-ориентированное программирование в действии: пер. с англ. - СПб.: Питер, 1997. - 464 с.

3. Павловская Т.А. С/С++: программирование на языке высокого уровня. - СПб.: Питер, 2002. - 464 с.

4. Шнидорова И.О., Фетисова В.А., Ивашкина Е.Н., Иванчи-наЭ.Д., Кравцов А.В. Разработка кинетической модели процесса алкилирования бензола олефинами // Известия Томско-

го политехнического университета. - 2009. - Т. 314. - № 3. -С. 89-93.

5. Фетисова В.А., Ивашкина Е.Н., Иванчина Э.Д., Кравцов А.В. Построение математической модели процесса алкилирования бензола высшими олефинами // Катализ в промышленности. - 2009. - № 6. - C. 27-33.

Поступила 08.10.2010 г.

УДК 669.162.28

ПРИМЕНЕНИЕ СЕРВИС-ОРИЕНТИРОВАННОЙ АРХИТЕКТУРЫ ПРИ ИНТЕГРАЦИИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

Н.И. Ткаченко, Н.А. Спирин*

ОАО «НПК «Уралвагонзавод», г. Нижний Тагил *ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург

E-mail: [email protected]

Отражен опыт применения сервис-ориентированной архитектуры при создании автоматизированных систем управления технологическими процессами и их интеграции на ОАО «НПК «Уралвагонзавод».

Ключевые слова:

Технология разработки программного обеспечения, автоматизированные системы управления, сервис-ориентированная архитектура, интеграция автоматизированных систем.

Key words:

Software engineering, automated control systems, service oriented architecture, integration of automated systems.

Сервис-ориентированная архитектура (СОА) является новым направлением в построении корпоративных автоматизированных и информационных систем и специально предназначена для интеграции разно-платформенных приложений, обеспечивающих бизнес-процессы на производстве [1, 2]. Бизнес-процесс «Управление производственными процессами» имеет свою программноаппаратную архитектуру на уровнях Input/Output, Control с интерфейсом для интеграции в АСУ уровня цеха. Именно этот интерфейс и использу-

ются для построения СОА АСУ цеха. Все основные бизнес-процессы цеха, как правило, реализованы программным обеспечением разных разработчиков. Таким образом, в цехе может существовать несколько независимых автоматизированных систем со своими базами данных и даже с дублированием данных (НСИ - нормативно-справочная информация, производственные показатели и т. д.). Практически всегда такое программное обеспечение создается под конкретный бизнес-процесс без возможности изменения бизнес-логики програм-

Текст научной работы на тему «Создание компьютерной моделирующей системы процесса алкилирования со схемой превращения различного уровня детализации»