Структурные закономерности и автоматизированный синтез диаграмм расслаивания

Проектирование химических производств является комплексной и весьма трудоемкой задачей. Ее решение требует как всестороннего изучения каждого реакционного и разделительного процесса в отдельности, так и определения оптимальной структуры взаимосвязи этих процессов. Основой проекта любого производства является его принципиальная технологическая схема (ПТС), дающая информацию о количестве и типе аппаратов, а так же о структуре материальных потоков, связывающих эти аппараты. Таким образом, именно на этапе разработки ПТС закладываются те основные химико-технологические принципы [1−4], реализация которых будет определять степень эффективности функционирования химического производства.

Разработка оптимальной ПТС химического производства является нетривиальной задачей. Основные принципы построения химико-технологических схем (ХТС) [1], такие как экологическая безопасность, комплексное использование сырья, энергосбережение и ресурсосбережение, определяют общий подход к созданию ПТС. Однако в настоящее время не существует полностью формализованных правил и алгоритмов построения ПТС и разработка каждой новой технологической схемы базируется на знаниях, опыте и интуиции проектировщика. Теоретические основы химической технологии постоянно пополняются новыми принципами организации химических процессов [8, 133], что открывает широкие возможности для создания нетрадиционных высокоэффективных наукоемких химических производств.

Однако, независимо от используемых технологических принципов, после синтеза ПТС проектировщик сталкивается с необходимостью проверки принципиальной работоспособности предложенных ПТС. Этот этап особенно важен, когда ПТС получены с использованием формальных алгоритмов, например, базирующихся на методах комбинаторного перебора. В этом случае из общего множества синтезированных вариантов ПТС лишь часть будет реально работоспособна. В связи с этим встает вопрос о необходимости разработки методики и.

Введение

^ алгоритмов, позволяющих осуществлять проверку принципиальной работоспособности ПТС.

В работе [7] был предложен алгоритм, позволяющий оценить работоспособность ПТС через проверку работоспособности ее аналога, в котором все реальные аппараты заменены их идеализированными максимально упрощенными моделями (ректификационные колонны бесконечной эффективности, равновесные реактора, равновесные флорентийские сосуды и т. п.). Для проверки работоспособности такой идеализированной ПТС используются методы математическое моделирование, которые требуют математического описания каждого из аппаратов схемы.

При проектировании процессов основного органического синтеза в первую очередь используются такие аппараты, как химические реактора различных типов, ректификационные и экстракционные колонны, флорентийские сосуды, абсорберы и адсорберы, математические модели которых обязательно включают в себя математическое описание процессов химического и фазового равновесий. Таким образом, при моделировании таких процессов, на первое место выходят задачи расчета фазового и химического равновесий.

Многие исследователи обращались к исследованию парожидкостного равновесия (ПЖР) и на сегодняшний день существуют надежные алгоритмы его расчета, удовлетворяющие практически всем нуждам практики. С равновесием жидкость-жидкость (РЖЖ) сложилась иная ситуация. Исследований в этой области проведено значительно меньше. И, несмотря на общность термодинамических принципов, лежащих в основе всех видов фазовых равновесий, существующие на сегодняшний день методы расчета РЖЖ в состоянии давать надежные результаты только для случая двухфазного расслаивания, в то время как на практике существует значительная потребность в расчете многофазного расслаивания. Например, такой перспективный экстрактивный агент как жидкий диоксид углерода образует трехфазные по жидкости системы с широким спектром смесей органических соединений и водой.

Вопросы надежного моделирования равновесия газ-твердое, жидкость-твердое так же остаются открытыми.

Введение

^.

Отдельного внимания заслуживает вопрос синтеза структур диаграмм фазового равновесия. Информация о структуре фазовых диаграмм смесей, участвующих в химическом производстве, является необходимой на ранних этапах разработки ПТС [5,6]. Так, например, не располагая информацией о структуре диаграммы равновесия жидкость-пар и равновесия жидкость-жидкость, невозможно построить принципиальную технологическую схему, использующую фундаментальный принцип перераспределения полей концентраций [8] за счет явления расслаивания. Информация о структуре фазовой диаграммы ЖЖР необходима также при подборе экстрактивных агентов на этапе проектирования процессов экстрактивной ректификации и экстракции.

При проектировании химико-технологических схем, в которых участвуют расслаивающиеся смеси, необходимо располагать информацией о характере изменения структуры диаграммы расслаивания этих смесей при изменениях параметров системы для выбора оптимальных режимов проведения процессов. Так, например, расслаивание жидкости на тарелках ректификационной колонны значительно затрудняет процесс разделения, следовательно, желательно подобрать такой режим работы колонны, при котором расслаивание на тарелках не наблюдается.

В связи с этим данная работа посвящена исследованию фундаментальных закономерностей явления расслаивания при наличии нескольких сосуществующих жидких фаз, знание которых необходимо для создания надежных методов расчета многофазного расслаивания, а также разработке методов, алгоритмов, программного и информационного обеспечения для автоматизированного синтеза структур диаграмм расслаивания, информация о которых является необходимой для автоматизированного синтеза ХТС.

Для решения поставленных задач, в ходе работы был разработан алгоритм автоматизированного синтеза структур диаграммы расслаивания и на его основе создан программный комплекс. При помощи этого комплекса был проведен синтез диаграмм расслаивания для широкого спектра модельных систем. Было проведено также исследование эволюционных изменений структуры диаграмм расслаивания модельных систем при изменении параметров модели. При математи.

Введение

у ческом моделировании расслаивающихся систем проводилось определение структуры спинодального многообразия исследуемой системы и характера поверхности зависимости изобарно-изотермического потенциала от состава. Затем выявлялись закономерности между структурами бинодального и спинодального многообразий, и геометрическими особенностями поверхности изобарно-изотермического потенциала.

По результатам проведенных расчетов и выявленных закономерностей был предложен новый метод расчета равновесия жидкость-жидкость. А так же его алгоритмическая реализация, позволяющая значительно снизить затраты машинного времени на итерационные расчеты ХТС за счет использования специально разработанной процедуры линеаризации структуры синтезированной диаграммы расслаивания.

Предпринятое исследование представляется весьма актуальным, так как является необходимым этапом в создании систем автоматизированного синтеза ХТС.

Выводы многофазных систем, информация о которых является необходимой для автоматизированного синтеза ХТС.

10) Работоспособность программного комплекса подтверждена на примере реальных систем.