Математическая модель и оптимальное управление процессом бинарной ректификации

• Автор: Зубов, Дмитрий Владимирович
• Шифр специальности: 05.13.06, 05.17.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 115 с.

Глава 1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ,УПРАВЛЕНИЯ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА БИНАРНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ. ЗАДАЧИ РАБОТЫ
1.1 Структуры систем управления процессом ректификации
1.2 Критерии оптимизации режимов работы ректификационной колонны и конструктивные усовершенствования процесса ректификации
1.3 Оптимальное управление ректификационными установками, область реализуемых режимов
1.4 Общая схема исследования технологических процессов методами термодинамики конечного времени (ТКВ)
1.5 Математические модели термодинамических систем
1.5.1 Равновесные термодинамические системы. Основные переменные и уравнения состояния
1.5.2 Равновесный и неравновесный, обратимый и необратимый процессы
1.6 Обратимая работа разделения
1.7 Уравнения термодинамических балансов и производство энтропии
1.8 Связь эффективности систем с производством энтропии. Условия минимальной диссипации
1.8.1 Условия минимальной диссипации некоторых процессов
1.9 Предельные возможности преобразования тепла в работу с заданной интенсивностью
1.10 Последовательность решения оптимизационных задач ТКВ
1.11 Задачи работы
Глава 2. МИНИМАЛЬНАЯ ДИССИПАЦИЯ И ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ
ПРОЦЕССА БИНАРНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ
2.1 Описание процесса
2.2 Термодинамические балансы
2.3 Условия минимальной диссипации процесса массопереноса в колонне и идеальная рабочая линия
2.4 Связь интенсивности массопереноса с параметрами внешних потоков и предельная производительность колонны без учёта необратимости теплообмена
2.5 Пути реализации идеальной рабочей линии
2.6 Производство энтропии в колонне с идеальной рабочей линией вследствие
теплопереноса
2.7 Расчет коэффициента массопереноса по результатам измерений на действующей колонне
2.8 Связь между формой рабочей линии и числом ступеней разделения
2.8.1 Введение
2.8.2 Расчётные соотношения
2.9 Пути реализации предельных возможностей в реальной колонне
2.9.1 Приближение к идеальной рабочей линии с помощью двух вводов питания
2.9.2 Приближение к идеальной рабочей линии с помощью промежуточных теплообменников
2.10 Заключение

Глава 3. СТАТИКА ПРОЦЕССА БИНАРНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ С ПОДАЧЕЙ ТЕПЛА В КУБ И ОТВОДОМ ИЗ ДЕФЛЕГМАТОРА
3.1 Выбор доли отбора из условия минимума обратимых затрат энергии
3.2 Минимизация затрат энергии с учетом необратимых потерь
3.3 Область допустимых режимов колонны с традиционной организацией потоков
3.4 Зависимость составов конечных продуктов колонны от изменения подачи тепла
3.5 Влияние состава питания на рабочую область статической характеристики ректификационной колонны
3.6 Связь затрат тепла с производительностью колонны по дистилляту
3.7 Статическая модель ректификационной колонны с законом массопереноса, пропорциональным разности химических потенциалов
3.8 Максимальная производительность колонны бинарной ректификации, обусловленная кинетикой массопереноса
3.8.1 Максимальная производительность колонны бинарной ректификации с традиционной организацией потоков, обусловленная кинетикой массопереноса
3.8.2 Максимальная производительность колонны бинарной ректификации
с двумя вводами питания, обусловленная кинетикой массопереноса
3.8.3 Максимальная производительность колонны бинарной ректификации с испарением части питания и конденсацией части парового потока в промежуточном сечении, обусловленная кинетикой массопереноса
3.8.4 Максимальная производительность идеальной колонны бинарной ректификации, обусловленная кинетикой массопереноса
3.9 Максимальная производительность колонны бинарной ректификации с учётом потерь при теплообмене
3.10 Сравнение предельных возможностей для колонны с идеальной рабочей линией, колонны без промежуточного подвода (отвода) тепла и с промежуточным подводом тепла
Глава 4. СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИ-ОПТИМАЛЬНЫМ РЕЖИМОМ КОЛОННЫ РЕКТИФИКАЦИИ
4.1 Система автоматического управления, обеспечивающая минимальные затраты тепла
4.2 Система поддержания максимальной производительности колонны
ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ

Актуальность темы
Процессы разделения широко распространены в химической, нефтехимической, газоперерабатывающей, металлургической, пищевой промышленности, являются весьма энергоемкими и очень разнообразными по своему конструктивному исполнению: мембранные, абсорбционно и адсорбционно - десорбционные процессы, ректификация, центрифугирование, выпарка, вымораживание и прочие.
Процессы ректификации, являются очень распространёнными и энергоёмкими, на их проведение затрачивается значительная часть энергии, потребляемой человечеством. Они наиболее гибкие с точки зрения получения конечных и промежуточных продуктов требуемого состава. Это делает особенно актуальным исследование предельных возможностей таких процессов и выяснение способов их оптимальной организации и синтез системы управления.
Для построения и оценки эффективности системы управления необходимо знать предельные возможности процесса и соответствующий им режим при тех или иных значениях изменяющихся факторов. В качестве предельных возможностей ниже понимается максимальная производительность колонны при заданных составах потоков и затратах энергии или, что то же самое минимум расхода энергии для заданной производительности и составах.
Получение оценок предельных возможностей процессов разделения с ненулевой производительностью позволяет:
1. Связать эффективность процесса с его режимными и конструктивными параметрами.
2. Выяснить какой из способов разделения с той или иной точки зрения предпочтительнее.
3. Найти максимально возможную производительность процесса и режим, ей соответствующий.
4. Синтезировать систему автоматического управления, поддерживающую показатели эффективности процесса (производительность, удельные затраты энергии) на уровне выбранных оптимальных значений.
Диссертация посвящена исследованию оптимальных режимов процесса ректификации и синтезу системы управления верхнего уровня.
Цель работы
Целью диссертационной работы является разработка методов расчета систем, поддерживающих термодинамически-оптимальные режимы работы ректификационных установок. Для достижения цели в работе
1. Модифицированы алгоритмы расчета статических режимов работы ректификационных колонн.

Оно определяет оптимальную зависимость у(у°,С) — идеальную рабочую линию. Запишем условие минимальной диссипации массопереноса в колонне бинарной ректификации (условие стационарности по у функции Ь), не предполагая, как это было необоснованно сделано в [15], постоянства парового потока по высоте колонны:
у°(1-у) д{у,у°)
у(1-у0) дд/ду(1-у)у (2‘25)
Таким образом, для каждого сечения колонны должно быть постоянно выражение, стоящее в левой части равенства (2.25). В частности, для линейного закона массопереноса
д{у, У°) = Цу° - у) (2.26)
условие (2.25) примет форму
, У°(1 ~ У) , У°~У _ „ ,9 97ч
2/(1 ~У°) 2/(1 “ У)
Условия минимальной диссипации (2.25), (2.27) позволяют для реальной колонны с известной равновесной и рабочей линиям у°(х) и у(х), построить левую часть выражения
(2.27), исключив х и найдя у(у°). Близость полученной зависимости к константе говорит о близости режима к термодинамически оптимальному.
Условия (2.25), (2.27) не позволяют выразить в аналитической форме у(г/0,7). Обозначим Д = у0 — у и будем предполагать эту разницу достаточно малой. Тогда в левой части
(2.27) можно у заменить как у = у0 — Д, разложить получившееся выражение в ряд Тэйлора по Д и пренебречь слагаемыми, имеющими порядок малости Д2. После несложных выкладок получим приближенное равенство
'/„о,
<-цг/ »7
откуда
Д(у0,7) = |г/0(1-г/°),
2/(2/°,7) = 2/°(1-^(1-г/0)). (2.28)
Так как у < у0, то величина ■у в этих равенствах положительна, ее находят из условия (2.24). Оценка сверху для 7 может быть получена исходя из того, что для любого х € (0,1) должно быть выполнено неравенство
3/(з/°>7) > х- (2-29)
Нетрудно показать, что для у°(х) в форме (2.3) и у(у°, 7) в форме (2.28) неравенство (2.29) приводит к неравенству для 7 вида
7 < 2^—!-. (2.30)

Здесь а - коэффициент относительной летучести. Условие (2.25) нетрудно разрешить относительно у в том случае, когда режим недалек от равновесного и эквивалентный поток пропорционален движущей силе, т.е. разнице химических потенциалов:
^’у0)=*1пё^7)- (2-31)