Варианты оптимизации управления получением технического углерода по идеализированной модели реактора Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Серия «Химическое машиностроение и инженерная экология» Литература

1. Дмитриева Г.Б., Беренгартен М.Г., Каган А.М., Пушнов А.С., Климов А.Г. Сравнение тарельчатых и насадочных контактных устройств колонных аппаратов // Химическое и нефтегазвое машиностроение. 2007 . №1. С.9 - 10.

2. Соколов А.С. Влияние типа керамической кольцевой насадки на процесс абсорбции газов // Автореферат дисс. ...канд. техн. наук. - М.:МГУИЭ, 2009.

3. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии - М.: Химия,1991.-496 с.

4. Рамм В.М. Абсорбция газов.- М.: Химия,1976.-656 с.

5. Каталог компании Ningbo TianYi Chemical Industrial(T.C.I) Co., ltd

6. Chinese Journal Chemical Engineering 10 (6) 634-634 2002.

7. www.raschig.com

8. Сокол Б.А., Чернышев А.К., Баранов Д.А., Беренгартен М.Г., Левин Б.В Насадки массооб-менных колонн. - М.: ИНФОХИМ, 2009. - 358 с.

9. Кутепов А.М., Баранов Д.А., Бутков В.В., Волынец А.З., Вязьмин А.В., Жихарев А.С., Орлов В.А., Пирогова О.В., Рудов Г.Я., Сидельников И.И., Соломаха Г.П., Чепура И.В. Практикум по процессам и аппаратам химической технологии.-М.: ИЦ Академия, 2005 -328 с.

10. Дьяконов Г.С., Фарахов М.И., Маряхин Н.Н., Ясавеев М.Х., Шигапов И.М., Лаптев А.Г Разработка новой нерегулярной насадки и ее гидродинамические исследования // Тепло-массообменные процессы и аппараты химической технологии. Межвуз. тематич. сб. научн. тр. Казань: КГТУ, 2000. - C. 239 - 248.

Варианты оптимизации управления получением технического углерода по идеализированной модели реактора

Боровков А.Д.1, д.т.н. проф. Цыганков М.П..2

1 Университет машиностроения,

2ЯГТУ cigg@rambler.ru

Аннотация. Рассмотрены предельные варианты повышения эффективности процесса получения технического углерода для схем с рециркуляцией и без рециркуляции отходящего газа в реакторах. "Предельность" оценивается в смысле использования идеализированной модели, в которой не учитывается газификация углерода продуктами реакции. Для оптимизации использован экономический критерий оптимальности. Дана интерпретация полученных условий оптимального управления технологическим режимом реактора с учетом влияния этого режима на энергозатраты.

Ключевые слова: технический углерод, реакторный процесс, задача оптимизации, математическая модель, рециркуляция, газификация, энергозатраты

Важнейшим направлением повышения эффективности энергоемких крупнотоннажных производств, является энергосбережение. Далее рассматривается производство технического углерода, включающее энергоемкий процесс получения аэрозоля дисперсного углерода в крупнотоннажных реакторах [1]. Исследование возможностей энергосбережения нашло отражение в многочисленных работах исследователей реакторного процесса.

Схема современного многоканального реактора для производства высокодисперсных марок продукта приведена на рисунке 1. В реакторе происходит образование частиц углерода в результате термоокислительного пиролиза углеводородного сырья.

зона горения . юна реакции . зона нредзакалки . зона закалки

Рисунок 1. Схема рассматриваемой части реактора технического углерода

В работах по снижению энергозатрат реакторного процесса, описываются методы энергосбережения путем рекуперативного подогрева воздуха, подаваемого в реактор, горячим аэрозолем технического углерода [1, 2] и путем рециркуляции потока аэрозоля или отходящих газов, очищенных от дисперсного углерода в рукавных фильтрах [3 - 6].

В настоящее время на производстве активно используется первый из вышеперечисленных методов. Совершенствование способов и средств энергосбережения по данному методу осуществлялось параллельно с работами по повышению стойкости футеровки реактора для увеличения температуры в зоне горения. При оценке влияния рекуперативного нагрева воздуха на технико-экономические показатели процесса следует учитывать системную взаимосвязь этого влияния с влиянием роста термостойкости футеровочного материала. Этого при анализе результатов совершенствования конструкции реакторов не делается [2], что может привести к неверной трактовке таких результатов.

Кроме того, несмотря на достаточно большое количество работ, посвященных применению данных методов, в литературе и на производстве не встречается формализованной постановки и решения задачи оптимизации управления технологическим режимом реактора по экономическим критериям с учетом системной взаимосвязи рециркуляционных процессов подогрева воздуха и возврата части отходящих газов в реактор. Этим, возможно, объясняется отсутствие реального внедрения и промышленного использования второго метода энергосбережения на производстве.

Целью данной работы является расчетное обоснование выбора схемы рециркуляции потоков и поиск оптимального режима для выбранной схемы организации процесса, основанное на решении задачи оптимизации с использованием экономического критерия.

Структура модели технологического объекта

Для поиска оптимального решения используем математическую модель реактора с рециркуляцией отходящих газов после отделения дисперсного углерода от газового потока. Модель может использоваться и для текущей схемы организации процесса, если полагать коэффициент рециркуляции равным нулю.

Далее моделирование базируется на традиционном зонном представлении реактора [1, 2], в соответствии с протекающими в нем процессами (см. рисунок 2):

1. сжигание вспомогательного топлива и горючих компонентов газов рециркуляции, (очищенных от дисперсного углерода и направляемых в реактор из фильтра) в потоке воздуха;

2. нагрев, испарение сырья и горение его части;

3. разложение несгоревшей части сырья;

4. охлаждение газов за счет распыления воды, и последующего охлаждения в рекуперативном теплообменнике.

С целью оценки верхних пределов эффективности анализируемых вариантов организации процесса используем расчетные соотношения для расчета выхода и производительности реактора по техническому углероду без учета реакций газификации [7].

Рисунок 2. Схематичное изображение рассматриваемой части установки: 1, 2, 3, 4 - соответственно зоны: горения топливных компонентов, испарения, разложения сырья, ввода закалочной воды в реакторе; ТО - рекуперативный теплообменник реактора; Ф - рукавный для отделения дисперсного углерода от газа; Р - реактор технического углерода; - поток воздуха, подаваемого в реактор;

авх /^вх

топл - поток топлива, подаваемого в зону горения; - поток углеводородного

сырья, подаваемого в зону реакции; G]Bх2О - поток закалочной воды; О Сых - расход дисперсного углерода, отбираемого из фильтра; Gа - поток аэрозоля из реактора; О рц - поток рециркулирующих газов, очищенных от дисперсного углерода;

а - коэффициент рециркуляции

Примем ряд допущений:

- характер процессов, протекающих, в реакторе - установившийся;

- состав вспомогательного топлива (природного газа) близок к составу метана;

- происходит полное (до С02) сгорание вспомогательного топлива в избытке кислорода воздуха и неполное (до СО ) горение сырья в условиях недостатка кислорода;

- углеводородный состав многокомпонентного сырья представляется условной молекулой ( С„Нт );

- процессы горения топлива, сырья и разложения углеводородов заканчиваются к границам зон;

- потери тепла в окружающую среду отсутствуют.

Решение задачи оптимизации выполняем для постоянной производительности реактора по целевому компоненту.

В соответствии с принятыми допущениями стехиометрическая схема химических превращения в аппарате имеет вид:

2Н2 + 02 ® 2Н20

(1)

2С0 + 02 ® 2С02

(2)

СН4 + 202 ® С02 + 2Н20 СМ- + 0 ® пС0 + —НЮ

4

т

СпНт ® пС + - Н

(3)

(4)

(5)

С учетом разбиения реактора на зоны, записываем уравнения материального покомпо-

2

Серия «Химическое машиностроение и инженерная экология» нентного баланса для каждой зоны реактора.

Далее составляем тепловой баланс по каждой зоне реактора, используя полученные выражения для расходов компонентов.

Уравнения теплового баланса используем при решении задачи оптимизации. Помимо уравнений теплового баланса также используем при расчете координатные ограничения на переменные состояния и управления процессом, имеющие функциональный смысл ограничений на переменные технологического режима.

Выбор критерия оптимальности и переменных управления Выбираем экономический критерий оптимальности себестоимость единицы конечного продукта:

^ cost

F = 7^Т , (6)

G C

где:

F - критерий оптимальности (себестоимость продукции); cost - совокупные затраты на производство продукции. Совокупные затраты cost определяются как:

cost = cost + cost + cost + cost + cost , (7)

топл сырья возд воды проч? V /

где:

cost топл, cost сырья, cost возд, cost воды - затраты на приобретение/получение и подачу топлива, сырья, технического воздуха и технической воды соответственно.

cost проч - затраты на производство технического углерода возникающие по ходу технологического процесса после реактора.

Анализируя затраты на производство технического углерода, можно сделать следующие выводы:

- затраты на подачу топлива и углеводородного сырья малы по сравнению с затратами на их приобретение;

- затраты на получение и подачу технической воды воздуха малы по сравнению с затратами на приобретение топлива и углеводородного сырья;

- затраты на производство технического углерода возникающие по ходу технологического процесса после реактора при условии постоянства производительности реактора G Сых по целевому компоненту постянны.

С учетом вышеуказанного:

с О™ + с G + cost

F топл топл сырья сырья проч (8)

Gвых 5 ^ '

С

где: стопл, ссырья - цена на топливо и углеводородное сырье соответственно.

Для удобства расчета и оценки полученных результатов оптимизацию реакторного процесса производим с учетом условия неизменности производительности реактора ОСых = const. Таким образом, критерий оптимизации содержит постоянную составляющую

costпроч/ОССш , которую можно исключить:

с Овх + с О

F _ топл топл сырья сырья (9)

Gвых 5 ^ '

С

Входные переменные (температуры , Г^, Гсырья, воздуха топлива сырья и

воды, подаваемых в реактор, их расходы G^, G^, G™pM, G^ и коэффициент рецирку-

Серия «Химическое машиностроение и инженерная экология» ляции а ), при заданном составе СпИт сырья определяют технологический режим реактора, показатели производительности ОСых готового продукта, его качество и долю сгоревшего сырья у — О(ор/ое1х.

С учетом фиксированной производительности реактора в формальных преобразованиях уравнений модели входными переменными удобно считать О(ых и у, исключив

ОсЫрья и Ов^д, которые далее в расчетных схемах рассматриваются как зависимые, что повышает удобство и содержательность анализа. Такая замена означает регулирование производительности и доли сжигаемого сырья путем изменения расходов сырья и воздуха в реак-

Исходя из уравнений материального баланса, находим выражения для определения покомпонентных расходов на входе каждой зоны реактора (представлены в таблице 1). При этом, учитывая условие неизменности производительности реактора, покомпонентные расходы выражаем через О(ых.

Таблица 1

Выражения для определения значений массовых расходов компонентов

Компонент На входе в зону 1 На входе в зону 2 На входе в зону 3 На входе в зону 4 На выходе из зоны 4

Ог я+4.С.х Г типл З.п с ✓>вх2 _ 2-(2 п+т) У С°2 ~ 3-П -

Ъ СЕ1,1 = — • (а • —. СГ* + -. Сс"ых • 0,23 V Зп 3 е —) 1-т) с«лг = с«« +1. с;-» • 0.33 \ 3-й с 3 е 1-у/ 1-а г«2 0,77 / 2-т глих 4 гяых у г„„ 2(2л+го) ныж у \ 1 0,23 \ 3-П +Э '1-, ЗП СС •х-у)'х-а

н2 Ш т

с«2 г2 „'Сс " С"' 12 п С'

Н20 Сна = игО V. 4 И С 4 Г"* 1 1 (З'т Гвых У 1 Чо Г*ы* 1 9 г« о. З'я1 «С + ^ "топл + — Се""-—V—+ с 1 -г) 1-о Я"4 • — Ыо ,.„ /'ВХ4.2 _ /^мх иН70 - иН,0 - • с" +—• с;ых • 4 топл 4-П с

Сп"т - С"х2 = (1+—). —-Ссвых с V 12-п/ 1-у с -

С - = сг"

со2 г»« _ (" . г»и< у „ л. 11 Г"« ^ Ьсог-у-Ьс • —+ а Г»« -!—.а + п Г" \ 1 2 V 3 1-у4 С""Г1-а

со СЯ1 = - • С£ых • — • а СО з С - со 3 с 1_г

сн. = пвх иСН4 тою -

Уравнения тепловых балансов имеют вид:

0вх1 + С8x1 + Овх1 + Сгор + Сгор + Сгор — С8x2

г + Свозд + стопл + Сн2 + стопл + ССО Сг :

0вх2 . ^вх2 ^исп . /Огор . гор до СО _ ^вх3

с + сг — Ссырья + Сн2 + Ссыырь — С

г

вх4

(10)

ОТ + О3 — СТ ,

0вх4 . ^вх4 ^исп _ ^вых4

г + СН2О — СН2О — Сг ,

где: О - поток тепла (С™ - поступающего в зону г с компонентом или смесью компонентов X; љР- выделяемого при горении компонента X в условиях избытка кислорода;

0иси /^гордо СО

сырья - затрачиваемого при испарении сырья; Ссырья - выделяемого при горении сырья в

условиях недостатка кислорода; - выделяемого при реакции разложения сырья; биС2о - затрачиваемого при испарении закалочной воды; - отбираемого из зоны 4 с

аэрозолем технического углерода).

Детализируя составляющие уравнений тепловых балансов при помощи выражений для покомпонентных расходов и аппроксимированных зависимостей теплоемкостей компонентов от температуры, получаем искомую систему уравнений.

В реакторном процессе температура в зоне реакции при постоянном составе сырья и производительности реактора определяет основной параметр качества - дисперсность продукта, поэтому в промышленных процессах она фиксируется. Кроме того, согласно [7] основным условием, ограничивающим достижение максимальной эффективности реакторного процесса, является Ггвх2 < Тфпуртед, где 7фЛуртед - предельная температура, определяемая тепловой прочностью материала футеровки.

Для удобства расчета заменим две переменные управления (Сопл и у ) на Тгвх2 и Тгвк3. С учетом замен, можно формализовать задачу оптимизации в следующем виде:

Функцию ^(Тв-Д,твхпл,Тырм,ТИоТГ,Тгвх3,С™,СН^а) минимизировать по ее аргументам:

Твозд - температура воздуха, подаваемого в реактор;

Ттопл - температура топлива, подаваемого в реактор;

Тсырья - температура сырья, подаваемого в реактор;

Т™о - температура воды, подаваемой в реактор;

Тгвх2 - температура газов на выходе из зоны горения;

7' вх3

г - температура газов в зоне реакции;

С<вых - расход сырья, подаваемого в реактор;

СН о - расход воды, подаваемой в реактор;

а - коэффициент рециркуляции; с учётом уравнений материальных и тепловых балансов (10), связывающих переменные технологического режима и координатные ограничения, наложенные на эти переменные в промышленных условиях эксплуатации реактора.

Решение задачи оптимального управления для исходной схемы реакторного процесса и схемы с рециркуляцией

1) Используя полученную модель и подставляя значения технологических параметров (например, из [2]), рассчитаем текущий режим работы реактора без учета реакций газификации.

2) Решая задачу оптимизации при а = 0 , получим оптимальный режим работы реактора для исходной схемы организации реакторного процесса, без учета реакций газификации.

3) Решая задачу оптимизации при 0 < а < 1, получим оптимальный режим работы реактора для схемы организации реакторного процесса с рециркуляцией, без учета реакций газификации.

Результаты расчетов приведены в таблице 2. Тонированием отмечены параметры, принимаемые в качестве исходных для всех трех режимов.

Сопоставляя полученные результаты, можно сделать вывод о факторах повышающих эффективность процесса. Сопоставим режимы 1 и 2. Режим 2 по сравнению режимом 1, более экономичный за счет повышения температуры подаваемого сырья и отсутствия горения топлива (достигается за счет увеличения расхода дешевого по сравнению с сырьем природного газа и снижения температуры воздуха, подаваемого в реактор).

Серия «Химическое машиностроение и инженерная экология» Режим 3 по сравнению режимом 2, более экономичен за счет снижения расхода газа (достигается путем сжигания водорода и угарного газа в составе газов рециркуляции, а также за счет увеличения температуры воздуха, подаваемого в реактор).

Таблица 2

Сопоставление режимов работы реактора

Наименование параметра, обозначение 1 2 3

Расход подаваемого топлива, кг/ч у^вх топл 598 1073 581

Расход подаваемого воздуха, кг/ч ^твх возд 15290 18660 11680

Расход подаваемого сырья, кг/ч /^вых Gc 4150 3491 3491

Расход подаваемой воды, кг/ч /^вх GH2O 3750 2939 2774

Температура в зоне горения, °С T вх2 г 1825 1825 1825

Температура в зоне реакции, °С J ЕхЗ г 1530 1530 1530

Температура подаваемого воздуха, °С J ЕХ возд 780 171 850

Температура подаваемого сырья, °С J BS сырья 400 500 500

Расход отбираемого углерода, кг/ч вых Gc 3295 3295 3295

Коэффициент рециркуляции a - - 0,231

Значение целевой функции, руб/кг F 20,19 18,22 17,15

На основании данных сопоставлений можно сделать важный вывод о предельных возможностях (при отсутствии или пренебрежимой малости влияния газификации) схемы организации реакторного процесса. Для схемы без рециркуляции отходящих газов при повышении температуры воздуха увеличивается доля сгорающего сырья, снижая эффект от этого изменения, и наоборот, при снижении доли сгорающего сырья необходимо снижать температуру воздуха (в условиях отсутствия или пренебрежимой малости влияния газификации).

Рециркуляция потока газов после улавливания позволяет использовать эти факторы независимо друг от друга.

Заключение

В условия предположений об отсутствии газификации (идеализированная модель процесса) оценка предельных возможностей повышения эффективности реакторного процесса показывает, что оптимум в процессе без рециркуляции достигается за счет повышения расхода топлива, а в схеме с рециркуляцией отходящих газов за счет экономии топлива.

В настоящих условиях газификация играет значительную роль, что приводит к необходимости подогрева воздуха (в отличие от результатов варианта 2). Это указывает на исключительную важность исследований, направленных на существенное снижение степени газификации дисперсного углерода в процессе его получения.

Литература

1. Орлов В.Ю., Комаров А.М., Ляпина Л.А. Производство и использование технического углерода для резин. - Ярославль: Издательство Александр Рутман, 2002. - 512 с.

2. Ивановский В.И. Технический углерод. Процессы и аппараты: Учебное пособие. - Омск: ОАО «Техуглерод», 2004. - 228 с.

3. Пат. 850642 СССР, М. Кл3. С 09 С 1/50. Способ получения сажи и реактор для его осуществления/ В.Ф. Суровикин, А. В. Рогов, Г. В. Сажин, Г. Л. Горюнов. - N 2533555/23 -26; Заяв. 25.10.77; Опубл. 30.07.81, Бюл. № 28. - 7 с.

4. Пат. 3645685 США, М. Кл3. С 09 С 1/50. Carbon black manufacture/ Willie W. Crouch (США); Phillips Petroleum Company. - N 873432; Заяв. 03.09.69; Опубл. 29.02.72. - 4 с.

Серия «Химическое машиностроение и инженерная экология»

5. Пат. 4237092 США, М. Кл3. С 09 С 1/48. Method and apparatus for producing carbon black / Robert J. Lewis (США); Phillips Petroleum Company (США). - N 946654; Заяв. 02.10.78; Опубл. 02.12.80. - 12 с.

6. Цыганков М.П., Локтюшев А.В. Оптимизация управления рециркуляцией тепловых потоков в процессах получения технического углерода // Известия вузов. Химия и химическая технология, 2007, том 50, вып. 4 . С. 99 - 104

7. Цыганков М.П. Оценка пределов форсирования по выходу реакторов для получения технического углерода //Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 2001, т.44. Вып.4. - С. 143 - 146.

8. Гюльмисарян Т.Г. Основы сажеобразования. -М.: ГАНГ, 1996. - 66 с.

Результаты испытаний характеристик массопередачи сетчатого комбинированного контактного устройства

Трифонов В.В., к.т.н. доц. Сидельников И.И.

Университет машиностроения

Аннотация. Разработано комбинированное контактное устройство, состоящее из колпачковой тарелки и блоки регулярной сетчатой насадки, предложена методика расчётов колонных аппаратов на его основе.

Ключевые слова: тепломассообменные колонные аппараты, колпачковая тарелка, регулярная сетчатая насадка

Одной из основных задач в химической промышленности является интенсификация химико-технологических процессов. В настоящее время широкое распространение имеют тарельчатые аппараты с колпачковыми тарелками [1]. Для интенсификации процессов тепломассообмена в колонных аппаратах авторами разработано комбинированное контактное устройство (ККУ) тарелка-насадка и методика его расчета.

Изображённое на рисунке 1 ККУ включает в себя колпачковую тарелку и блок регулярной сетчатой насадки, уложенной непосредственно на колпачки тарелки.

200

Рисунок 1. Комбинированное контактное устройство тарелка-насадка: 1 - приемный карман; 2 - труба подачи орошающей жидкости на тарелку; 3 - блок регулярной сетчатой насадки; 4 - колпачок; 5 - тарелка; 6 - переливное устройство

Блок насадки состоит из проволочного каркаса в форме цилиндра с прикреплёнными к нему сетчатыми полимерными и металлополимерными пластинами.

Схема установки представлена на рисунке 2. Основной аппарат установки - цилиндриче-