Методология проектирования и реконструкции промышленных аппаратов разделения и превращения углеводородов (12.04.2010)

Автор: Елизаров Виталий Викторович

ЕЛИЗАРОВ ВИТАЛИЙ ВИКТОРОВИЧ

МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РЕКОНСТРУКЦИИ

ПРОМЫШЛЕННЫХ АППАРАТОВ РАЗДЕЛЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ

Специальность 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Казань – 2010

Работа выполнена в Казанском государственном технологическом университете

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Дьяконов Сергей Германович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кулов Николай Николаевич

доктор технических наук, профессор

Зиятдинов Надир Низамович

доктор технических наук, профессор

Лаптев Анатолий Григорьевич

Ведущая организация: Ивановский государственный химико-технологический университет

Защита состоится 2 июля 2010 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.06 в Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 68, зал заседаний Ученого совета (А-330)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета

Автореферат разослан 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор С.И. Поникаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Необходимость выпуска конкурентоспособной продукции химического и нефтехимического комплекса России при наличии развитой сырьевой базы требует повышения эффективности предприятий путем модернизации существующего оборудования и создания новых производственных мощностей. Наличие множества ресурсодобывающих компаний, а также установившиеся рыночные отношения приводят к проблеме выбора сырьевых источников и, как следствие, непостоянству параметров сырья перерабатывающих предприятий отрасли. Оборудование технологических процессов разделения и превращения углеводородов составляет более 60% всего промышленного оборудования нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств.

Существующая практика проектирования аппаратов разделения веществ ориентирована на определенный источник сырья с конкретными входными характеристиками. При изменении характеристик сырья не всегда удается подобрать технологический режим, обеспечивающий выполнение требований по качеству разделения, а это приводит к необходимости реконструкции действующих аппаратов и технологической схемы, дополнительным капитальным затратам.

Широкое применение в практике проектирования находят программные комплексы Hysys, Chemcad и др., обладающие рядом существенных недостатков:

– эффективность ступеней или колонны в процессах разделения задается проектировщиком или рассчитывается по эмпирическим данным, пренебрегая зависимостью кпд от конструкции и гидродинамической структуры потока;

– при определении конструкции и технологического режима проектируемые параметры подбираются вручную;

– при построении допустимой области изменения характеристик сырья для полученной конструкции аппарата предполагается формирование и перебор проектировщиком вручную всевозможных комбинаций параметров сырья и расчет технологических режимов для каждой комбинации, что занимает значительное время, особенно при проектировании химико-технологических систем (ХТС);

– большие трудности возникают при проектировании химических реакторов и промышленных аппаратов в нестационарных условиях функционирования.

В аппаратах или системах, удовлетворительно работающих при различных сырьевых источниках, устанавливаются соответствующие технологические режимы, характерные для каждого вида сырья. Аппарат или система становится многорежимным технологическим объектом. В действительности мы имеем задачу проектирования многокритериальных многорежимных промышленных аппаратов и систем.

Решению многокритериальных задач управления и проектирования посвящено множество работ, особое место среди которых занимают исследования ученых Кафарова В.В., Дьяконова С.Г., Сиразетдинова Т.К., Островского Г.М., Егорова А.Ф., Дворецкого С.И., Зиятдинова Н.Н. и многих других отечественных и зарубежных авторов.

Разработка методов и алгоритмов для автоматизированных систем проектирования многокритериальных многорежимных промышленных аппаратов разделения и превращения углеводородов, обеспечивающих автоматический поиск проектируемых параметров и построение области изменения характеристик сырья, в пределах которой конструкция аппаратов и технологическая схема инвариантны в стационарных и нестационарных условиях функционирования, позволит сократить время проектирования, необходимость реконструкции аппаратов, технологической схемы и капитальные затраты.

Цель работы. Разработка методологии проектирования многокритериальных многорежимных промышленных аппаратов разделения и превращения углеводородов в стационарных и нестационарных условиях функционирования.

Основные задачи исследования. Развитие математических методов для проектирования многокритериальных многорежимных промышленных аппаратов и систем в стационарных и нестационарных условиях функционирования. На основе разработанных методов провести проектирование промышленных установок разделения углеводородов, разработать методологию проектирования трубчатых химических реакторов, выполнить проектирование трубчатого реактора синтеза эфиров из С5 фракций углеводородов.

Научная новизна. Разработана методология проектирования многокритериальных многорежимных промышленных аппаратов и систем в стационарных и нестационарных условиях функционирования; получены условия существования решения задачи проектирования многокритериальных многорежимных дискретных и непрерывных процессов, описываемых системой обыкновенных дифференциальных уравнений. На основе метода динамического программирования получены рекуррентное соотношение и функциональное уравнение для построения вектора проектируемых параметров в многокритериальных задачах синтеза дискретных и непрерывных процессов; для проектирования многокритериальных непрерывных линейных систем на основе методов динамического программирования и функций Ляпунова разработан метод последовательных приближений. Получены решения задачи проектирования линейного объекта первого порядка; для проектируемых многокритериальных многорежимных промышленных аппаратов и систем разработаны методы расчета допустимой области изменения параметров сырья, в пределах которой конструкция аппаратов инвариантна; в результате проведенных лабораторных исследований получены кинетические характеристики и уравнения химической кинетики процессов получения метилтретамилового и метилвтороамиленового эфиров из побочных С5 фракций углеводородов; определены геометрические и гидродинамические характеристики слоя зернистого катализатора в трубном пространстве трубчатого химического реактора. На основе теории ламинарного пограничного слоя на зерне катализатора разработана математическая модель теплоотдачи в трубном пространстве реактора; разработана методология проектирования трубчатых химических реакторов по заданной степени превращения реагентов исходной многокомпонентной реакционной смеси.

Практическая значимость. На основе разработанных методов выполнено проектирование и проведена реконструкция ректификационной установки разделения водногликолевого раствора. Результаты реконструкции внедрены на заводе окиси этилена ОАО «Нижнекамскнефтехим» с экономическим эффектом 1,3 млн. руб; разработана и внедрена конструкция регулярной рулонной насадки для вакуумной ректификационной колонны, обладающая низким гидравлическим сопротивлением, высокой поверхностью контакта фаз и запатентована свидетельством на полезную модель; по предложенным алгоритмам выполнен расчет расходов флегмы и определена допустимая область изменения параметров сырья в каскаде ректификационных колонн разделения хлорметил-изобутиленовой фракции завода бутилкаучука, в пределах которой конструкция аппаратов инвариантна; на основе разработанных методов выполнено проектирование ректификационной установки разделения широкой фракции легких углеводородов и установлена допустимая область изменения параметров сырья. С целью снижения энергозатрат проведена оптимизация действующей ректификационной установки с экономическим эффектом в объеме более 11 млн. руб.; по разработанной методологии проведено проектирование трубчатого реактора синтеза метилтретамилового и метилвторамиленового эфиров из побочных С5 фракций углеводородов. Результаты проектирования удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными промышленного реактора завода СК ОАО «Нижнекамскнефтехим»; методология проектирования линейных нестационарных систем используется для определения управляющих параметров (уровня и расхода греющего пара) куба ректификационной установки разделения эфиров; разработан программно-вычислительный комплекс проектирования инвариантных, в допустимой области изменения параметров сырья, промышленных аппаратов разделения и трубчатого реактора синтеза эфиров.

На защиту выносятся следующие основные результаты: методология проектирования многокритериальных многорежимных промышленных аппаратов и систем в стационарных и нестационарных условиях функционирования; методология проектирования трубчатых химических реакторов по заданной степени превращения исходной многокомпонентной реакционной смеси; новая конструкция регулярной рулонной насадки в вакуумной установке разделения гликолей. Результаты реконструкции установки разделения гликолей; результаты проектирования каскада ректификационных установок разделения хлорметилизобутиленовой фракции, широкой фракции углеводородов; результаты экспериментальных исследований и математическое моделирование процесса синтеза эфиров, проектирования трубчатого реактора синтеза метилтретамилового (МТАЭ) и метилвторамиленового (МВАЭ) эфиров.

Научные публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 32 работы, в том числе монография, 11 работ в журналах рекомендованных ВАК и свидетельство на полезную модель.


загрузка...