Разработка и применение методического обеспечения блочного компьютерного моделирования энергоресурсоёмких химико-технологических систем с применением инструментальных комплексов программ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Советин, Филипп Сергеевич

• Советин, Филипп Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Советин, Филипп Сергеевич

Список сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ СОВЕРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО КОМПЬЮТЕРНОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ СЛОЖНЫХ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1. Общая постановка и актуальность научной задачи компьютерного моделирования сложных химико-технологических систем (ХТС).

1.2. Аналитический обзор современных комплексов проблемно-ориентированных программ для компьютерного моделирования ХТС.

1.3. Краткая характеристика архитектуры и режимов функционирования комплекса проблемно-ориентированных программ «СНЕМСАЕ)».

1.4. Краткий анализ действующих крупнотоннажных энергоресурсоёмких ХТС производств синтетического жидкого топлива (СЖТ) и метанола.

1.5. Общая характеристика ХТС как объектов блочного компьютерного моделирования

1.5.1. ХТС производства СЖТ из природного газа.

1.5.2. ХТС производства метанола из природного газа.

1.6. Цели и задачи диссертационной работы.

ГЛАВА II. РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ ЛОГИКО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕДУР БЛОЧНОГО КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АППАРАТОВ, ЭНЕРГОРЕСУРСОЁМКИХ СЛОЖНЫХ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

2.1 Логико-вычислительная процедура блочного компьютерного моделирования химических реакторов.

2.2 Блочные компьютерные модели различных типов химических реакторов

2.2.1 Компьютерные модели химических реакторов в отделениях парокислородной конверсии ХТС производств СЖТ и метанола.

2.2.2 Компьютерные модели химических реакторов каталитического синтеза Фишера-Тропша.

2.2.3 Компьютерная модель реактора гидрокрекинга тяжёлых углеводородов в ХТС производства СЖТ.

2.2.4. Компьютерная модель химического реактора синтеза метанола.

2.3 Логико-вычислительная процедура блочного компьютерного моделирования ректификационных колонн.

2.4 Блочные компьютерные модели крупнотоннажных энергоресурсоёмких систем ректификации многокомпонентных смесей

2.4.1 Система ректификации многокомпонентной смеси углеводородов в ХТС производства СЖТ.

2.4.2 Система ректификации смеси метанол-вода в ХТС производства метанола.

2.5 Выводы.

ГЛАВА III. РАЗРАБОТКА ЭВРИСТИЧЕСКО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕДУР БЛОЧНОГО КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГОРЕСУРСОЁМКИХ СЛОЖНЫХ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПЛЕКСА ПРОГРАММ «СНЕМСАБ»

3.1. Эвристическо-вычислительная процедура построения блочных компьютерных моделей сложных энергоресурсоёмких ХТС.

3.2. Алгоритм ускорения сходимости расчётов многомерных нелинейных систем алгебраических и трансцендентных уравнений, математических моделей.

3.3. Результаты блочного компьютерного моделирования сложной ХТС производства СЖТ.

3.4. Результаты блочного компьютерного моделирования сложной ХТС производства метанола.

3.5 Выводы.

ГЛАВА IV. КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ ЭНЕРГОРЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТИ ИНТЕГРИРОВАННОЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СОВМЕСТНОГО ПРОИЗВОДСТВА СИНТЕТИЧЕСКОГО ЖИДКОГО ТОПЛИВА И МЕТАНОЛА ИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА

4.1 Эвристическо-вычислительная процедура синтеза интегрированных энергоресурсоэффективных сложных ХТС.

4.2 Автоматизированный синтез энергоресурсоэффективной интегрированной ХТС производства СЖТ и метанола из природного газа

4.2.1. Предпосылки инженерно-технологического объединения индивидуальных крупнотоннажных энергоресурсоёмких ХТС производств СЖТ и метанола в интегрированную ХТС.

4.2.2. Разработка блочной компьютерной модели интегрированной ХТС совместного производства СЖТ и метанола.

4.3.Анализ параметрической чувствительности блочной компьютерной модели интегрированной ХТС.

4.4. Разработка научно-обоснованных рекомендаций по изменению технологических режимов отдельных ХТП интегрированной ХТС.

4.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и применение методического обеспечения блочного компьютерного моделирования энергоресурсоёмких химико-технологических систем с применением инструментальных комплексов программ»

Обеспечение высоких показателей энергоресурсосбережения на химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производствах имеет важнейшее значение для повышения эффективности экономики России. Крупнотоннажные производства нефтегазохимического комплекса (НГХК), использующие в качестве сырья и топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) большие объёмы нефти и природного газа, представляют собой сложные непрерывные энергоресурсоёмкие химико-технологические системы (ХТС). Для оптимизации показателей энергоресурсосбережения в этих ХТС требуется применение специального методического обеспечения компьютерного моделирования, как отдельных химико-технологических процессов (ХТП), так и ХТС в целом. Наиболее быстрое и эффективное решение указанных задач компьютерного моделирования сложных ХТС может быть получено при выполнении следующих условий: корректная инженерно-технологическая постановка исходной задачи анализа ХТС; разработка специальных методик, процедур и алгоритмов компьютерного моделирования ХТС с большим числом ХТП, единиц оборудования (более 50) и рециклов, для компьютерного анализа различных вариантов технологического и конструкционного оформления ХТП и ХТС.

С середины 1990-х годов для решения указанных задач компьютерного моделирования сложных ХТС широко используются известные инструментальные комплексы проблемно-ориентированных программ "Aspen", "Hysys", "PRO-II" и "CHEMCAD", которые позволяют быстро и надёжно создавать блочные компьютерные модели отдельных ХТП и сложных ХТС в целом для решения задач анализа и оптимизации действующих производств, а также задач синтеза энергоресурсосберегающих ХТС новых проектируемых производств.

Методическое обеспечение компьютерного моделирования сложных ХТС -это совокупность методик, методов и процедур, средств и инструментов разработки компьютерных моделей, совокупность методик разработки, выбора и применения пользователями нормативно-технической документации и комплексов проблемно-ориентированных программ для получения конкретных результатов компьютерного анализа и оптимизации исследуемых ХТС.

Задача разработки методического обеспечения блочного компьютерного моделирования сложных крупнотоннажных энергоресурсоёмких ХТС с применением комплексов программ относится к классу наиболее трудоёмких эвристическо-вычислительных задач, так как при решении этих задач необходимо, прежде всего, осуществлять приобретение и переработку знаний о функционировании каждого ХТП и ХТС в целом. Применение разработанного методического обеспечения блочного компьютерного моделирования сложных ХТС позволит не только сократить сроки решения трудоёмких задач интенсификации действующих ХТС и разработки проектов ХТС производств высококачественных химических продуктов, но и повысить показатели энергоресурсоэффективности действующих и проектируемых ХТС.

Авторами основополагающих трудов по математическому моделированию ХТС являются отечественные учёные - академик В. В. Кафаров, член-корр. РАН, проф., д. т. н. В. П. Мешалкин, проф., д. т. н. А. А. Большаков, проф., д. т. н. А. И. Бояринов, проф., д. т. н. Т. Н. Гартман, проф., д. т. н. С. И. Дворецкий, проф., д. т. н. Н. Н. Зиятдинов, проф., д. т. н. А. В. Тимошенко, проф., д. т. н. В. А. Холоднов, а также зарубежные учёные - Н. Вестерберг, А. Гамилец, И. Гросманн, К. Кроу, Г. Стефанопоулос, Д. Риппин, Р. Сарджент, Р. Смит, Ф. Фридлер и Д. Химмельблау.

Большой интерес представляют выполненные в последние годы научные работы член-корр. РАН, проф., д. т. н. В. П. Мешалкина, проф. д. ф.-м. н. О. Б. Бутусова, проф., д. т. н., М. И. Дли в области компьютерного моделирования гидродинамики нестационарных потоков, компьютерного анализа текстуры композиционных материалов с использованием фрактально-вейвлетных и нейросетевых методов, а также компьютерного моделирования и анализа экономических систем с использованием нейронных сетей и нечётких множеств.

Профессорами А. И. Бояриновым, В. Н. Ветохиным, Л. С. Гордеевым, Ю. А. Комисаровым и В. Н. Писаренко разработаны оригинальные математические модели процессов ректификации многокомпонентных смесей, химических и биохимических процессов. Однако, к сожалению, указанные учёные не рассматривали вопрос применения универсальных комплексов проблемно-ориентированных программ для решения задач компьютерного моделирования ХТП иХТС.

Важными функциональными подсистемами сложных непрерывных крупнотоннажных энергоресурсоёмких ХТС являются системы многофазных химических реакторов и системы ректификации многокомпонентных смесей, для компьютерного моделирования которых требуются разнообразные специальные вычислительные процедуры, при использовании которых возникают проблемы сходимости расчётов многомерных систем уравнений математических моделей, ХТП и ХТС. Для решения задач компьютерного моделирования сложных ХТС и их функциональных подсистем наиболее целесообразно использовать блочные компьютерные модели ХТП и ХТС, входящие в структуру инструментальных комплексов проблемно-ориентированных программ.

Однако научно-обоснованное методическое обеспечение для построения блочных компьютерных моделей и компьютерного анализа сложных ХТП и ХТС в настоящее время не разработано. Также отсутствуют методики и процедуры блочного компьютерного моделирования сложных ХТП с использованием комбинаций стандартных расчётных модулей, входящих в базу данных (БД) комплексов программ.

В настоящее время для повышения энергоресурсоэффективности предприятий НГХК важное значение имеет решение задач анализа энергоресурсоэффективности сложных ХТС производства синтетического жидкого топлива (СЖТ) и ХТС производства метанола из природного газа, которые являются сложными непрерывными крупнотоннажными энергоресурсоёмкими ХТС с большим числом единиц оборудования и рециклов, поэтому снижение и оптимизация показателей удельной энергоресурсоёмкости этих ХТС может обеспечить повышение экономической эффективности данных предприятий.

В связи с этим задача разработки и применения методического обеспечения построения блочных компьютерных моделей ХТП и сложных ХТС для компьютерного анализа показателей энергоресурсосбережения ХТС является актуальной научной задачей, решение которой имеет важное значение для повышения экономической эффективности действующих и проектирования целых новых производств НГХК.

Основные разделы диссертационной работы соответствуют Плану фундаментальных научных исследований РАН на 2008-2012 годы, в том числе пунктам «4. Математическое моделирование в науке и технике» и «38. Научные основы экологически безопасных и ресурсосберегающих химико-технологических процессов», а также Перечню критических технологий - «Компьютерное моделирование» и «Искусственный интеллект» - и Перечню приоритетных направлений - «Информационно-телекоммуникационные системы» и «Энергосберегающие технологии», определенных «Основами политики РФ в области развития науки и технологии на период до 2010 г. и на дальнейшую перспективу».

Цель работы - разработка специального методического обеспечения блочного компьютерного моделирования крупнотоннажных энергоресурсоёмких сложных ХТС производств нефтегазохимического комплекса с применением инструментального комплекса проблемно-ориентированных программ «СНЕМСАБ».

Практически применить разработанное методическое обеспечение блочного компьютерного моделирования сложных ХТС и комплекс программ «CHEMCAD» для решения задач анализа энергоресурсоэффективности ХТС производств СЖТ и метанола из природного газа.

Для достижения сформулированной цели поставлены и решены следующие взаимосвязанные научные задачи:

I. Разработка научно-обоснованной эвристическо-вычислительной процедуры построения блочных компьютерных моделей сложных крупнотоннажных энергоресурсоёмких ХТС с использованием комплексов проблемно-ориентированных программ;

II. Создание алгоритма ускорения сходимости расчётов многомерных нелинейных систем алгебраических и трансцендентных уравнений математических моделей ХТП и ХТС в целом;

III. Разработка специальных логико-вычислительных процедур (ЛВП) блочного компьютерного моделирования химических реакторов, ректификационных колонн и систем ректификации многокомпонентных смесей;

VI. Разработка эвристическо-вычислительной процедуры (ЭВП) синтеза сложных интегрированных энергоресурсосберегающих ХТС совместного производства нескольких продуктов;

V. Практическое применение созданного методического обеспечения блочного компьютерного моделирования сложных ХТС с использованием комплекса программ «CHEMCAD» для решения нескольких задач химической технологии:

• Компьютерного моделирования технологических аппаратов сложных крупнотоннажных энергоресурсоёмких ХТС производства СЖТ и ХТС производства метанола из природного газа;

• компьютерного анализа сложных крупнотоннажных энергоресурсоёмких ХТС производства СЖТ и ХТС производства метанола;

• компьютерного анализа синтезированной интегрированной ХТС совместного производства СЖТ и метанола.

Методы исследования. Методы математического моделирования ХТП и ХТС, методы системного анализа, а также вычислительный эксперимент с применением комплекса проблемно-ориентированных программ «СНЕМСАБ». Основные положения, выносимые на защиту.

1. Научно-обоснованная эвристическо-вычислительная процедура построения блочных компьютерных моделей, как отдельных ХТП, так и сложных крупнотоннажных энергоресурсоёмких ХТС с использованием комплексов проблемно-ориентированных программ;

2. Алгоритм ускорения сходимости расчётов многомерных нелинейных систем алгебраических и трансцендентных уравнений математических моделей ХТП и ХТС в целом;

3. ЛВП построения блочных компьютерных моделей химических реакторов, ректификационных колонн и систем ректификации многокомпонентных смесей с взаимосвязанными внутренними тепловыми потоками в одном аппарате, которые используются для блочного компьютерного моделирования сложных ХТС;

4.Алгоритм блочного компьютерного моделирования каталитических химических реакторов с использованием температурных зависимостей констант равновесия при различных степенях приближения к равновесию, величины которых определяются аппроксимацией их значений в гомологических рядах компонентов (в частности углеводородов);

5. ЭВП синтеза энергоресурсосберегающих интегрированных сложных ХТС производств нескольких химических продуктов на основе самостоятельно функционирующих индивидуальных ХТС;

6. Компьютерный анализ энергоресурсоэффективности крупнотоннажных индивидуальных ХТС:

• производства СЖТ из природного газа (5 о делений, 214 аппаратов, 361 поток, в том числе 6 внешних рециклов);

• производства метанола из природного газа (4 оделения, 132 аппарата, 234 потока, в том числе 6 внешних рециклов).

7. Компьютерный анализ энергоресурсоэффективности синтезированной интегрированной сложной ХТС совместного производства СЖТ и метанола (7 отделений, 255 аппаратов, 441 поток, в том числе 12 внешних рециклов) с научно-обоснованным выбором вариантов инженерно-технологического оформления отдельных ХТП, определением параметров основных технологических аппаратов и структуры рециклов в интегрированной ХТС.

Обоснованность научных результатов диссертационной работы базируется на использовании известных научных положений, методов системного анализа и математического моделирования, на корректном применении методов математического моделирования ХТП и ХТС и методов вычислительной математики.

Достоверность полученных результатов подтверждается проверкой адекватности разработанных блочных компьютерных моделей ХТП и ХТС, практической применимостью созданного методического обеспечения, включающего процедуры и алгоритмы для решения разнообразных задач компьютерного моделирования сложных ХТС, а также соответствием полученных результатов вычислительных экспериментов экспериментальным данным.

Новые научные результаты, лично полученные автором: 1. Разработана научно-обоснованная ЭВП построения блочных компьютерных моделей, как отдельных ХТП, так и сложных крупнотоннажных энергоресурсоёмких ХТС с большим числом единиц оборудования и рециклов, отличающаяся возможностью гибко использовать комбинации стандартных расчётных модулей (блоков) комплекса программ «СНЕМСАБ» и обеспечивать требуемую точность вычислений, что позволяет с высокой достоверностью практически решать задачи анализа и оптимизации сложных ХТС;

2. Предложен алгоритм обеспечения быстрой сходимости расчётов многомерных нелинейных систем алгебраических и трансцендентных уравнений математических моделей ХТП и сложных ХТС, отличающийся применением комбинаций блочных компьютерных моделей ХТП и ХТС с возможностью научно-обоснованного выбора при расчётах значений начальных приближений и демпфирующих факторов, что обеспечивает быструю сходимость и практически необходимую точность расчётов при вычислительных экспериментах;

3. Разработаны оригинальные ЛВП построения блочных компьютерных моделей химических реакторов и ректификационных колонн с взаимосвязанными внутренними тепловыми потоками в одном аппарате с использованием стандартных расчётных модулей комплекса программ «СНЕМСАБ», что позволило осуществить компьютерное моделирование различных типов технологических аппаратов: химических реакторов с рубашкой, автотермических химических реакторов и печей, а также простых и сложных ректификационных колонн, систем химических реакторов и колонн ректификации;

4. Предложена методика компьютерного моделирования химических реакторов на основе перехода от сложных математических моделей реакторов с использованием констант равновесия к упрощённым математическим моделям, требующим задания только степеней превращения базовых реагентов и ограниченного набора технологических данных, что обеспечивает более быструю устойчивую сходимость расчётов при вычислительных экспериментах;

5. Предложен оригинальный алгоритм блочного компьютерного моделирования химических реакторов, отличающийся использованием температурных зависимостей констант равновесия при различных степенях приближения к равновесию, величины которых определяются аппроксимацией их значений в гомологических рядах компонентов (в частности углеводородов);

6. Предложена ЭВП синтеза энергоресурсосберегающих интегрированных сложных ХТС производств нескольких химических продуктов на основе комбинирования структуры и некоторых аппаратов самостоятельно функционирующих индивидуальных ХТС, отличающаяся возможностью использования общих технологических потоков и однотипных отдельных ХТП исходных индивидуальных ХТС;

7. Разработана (синтезирована) на основе комбинирования технологических схем индивидуальных ХТС производств СЖТ и метанола новая интегрированная ХТС совместного производства СЖТ и метанола из природного газа, для которой определены научно-обоснованные варианты инженерно-аппаратурного оформления отдельных ХТП, значения параметров основных технологических аппаратов и новая структура рециклов в интегрированной ХТС, что позволило снизить показатели удельной энергоресурсоёмкости интегрированной ХТС по сравнению с индивидуальными ХТС.

Научная значимость работы.

Разработанные в диссертации методическое обеспечение блочного компьютерного моделирования сложных ХТС включающее, совокупность процедур и алгоритмов, вносят определённый вклад в развитие методов математического моделирования сложных ХТС и может быть применено для построения компьютерных моделей сложных энергоресурсоёмких ХТС производств НГХК.

Практическая значимость:

Полученные с применением предложенных автором методик, процедур и алгоритмов блочного компьютерного моделирования результаты синтеза и компьютерного анализа интегрированной ХТС совместного производства СЖТ и метанола из природного газа позволили разработать ряд научно-обоснованных рекомендаций по изменению значений технологических параметров отдельных однотипных ХТП и определению новой структуры технологических потоков для интегрированной ХТС в целом:

1. Увеличить производство перегретого пара и водорода на внутренний и внешний экспорт энергоресурсов, т. е. на нужды других ХТС предприятия или других предприятий;

2. Организовать замкнутый водооборотный цикл для сокращения удельного расхода воды из сети водоснабжения и минимизировать сбросы жидких отходов;

3. Исключить избыточные единицы оборудования из системы ректификации многокомпонентной смеси жидких углеводородов в, а также из системы ректификации смеси метанол-вода в ХТС производства метанола интегрированной ХТС совместного производства производства СЖТ и метанола;

4. Обосновать возможность разделения многокомпонентной смеси жидких углеводородов в одной ректификационной колонне (в индивидуальной ХТС производства СЖТ используются 2 колонны), а разделения смеси метанол-вода -только в двух колоннах (в индивидуальной ХТС производства метанола применяются 3 колонны);

5. Уменьшить значение парового числа в первой ректификационной колонне системы ректификации смеси метанол-вода в интегрированной ХТС, что позволяет снизить тепловые нагрузки для кипятильника и конденсатора при требуемом качестве целевого продукта.

Реализация результатов работы. Разработанное автором специальное методическое обеспечение, применено для построения блочных компьютерных моделей и компьютерного анализа энергоресурсоэффективности с использованием комплекса программ «СНЕМСАО» для следующих ХТС: производства СЖТ из природного газа; производства метанола из природного газа; интегрированной ХТС совместного производства СЖТ и метанола.

Апробация работы.

Основные научные и практические результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме, посвященном 175-летию со дня рождения Д. И. Менделеева (Москва, 2009 г.), Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности». (Самара, 2009 г.), XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011 г.), Ш-ей международной конференции Российского химического общества им. Д. И. Менделеева (Москва, 2011 г.)

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 10 публикациях, в том числе в 2 статьях в изданиях из перечня ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы, а также приложений. Диссертация изложена на 190 страницах, содержит 35 рисунков и 36 таблиц. Список использованной литературы включает 102 наименования.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Советин, Филипп Сергеевич

4.5. Выводы по главе IV.

1. Предложена ЭВП синтеза энергоресурсосберегающих интегрированных сложных ХТС на основе комбинирования самостоятельно функционирующих индивидуальных ХТС, особенностью которой является использование взаимного сочетания общих технологических и химических особенностей функционирования -ХТП, входящих в структуры индивидуальных ХТС.

2. Предложенная процедура реализована на примере решения задачи синтеза интегрированной ХТС производства СЖТ и метанола из природного газа (6 стадий, 255 модулей аппаратов, 441 поток, в том числе 12 рециклических потоков, связывающих различные отделения).

3. Предложены научно-обоснованные варианты инженерно-технологического оформления отдельных ХТП, оптимальные значения параметров некоторых основных технологических аппаратов и изменения некоторых рециклов в синтезированной интегрированной ХТС совместного производства СЖТ и метанола из природного газа, которая имеет меньшее значение удельной энергоресурсоёмкости по сравнению с индивидуальными ХТС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

1. Выполнен аналитический обзор современных научных исследований по компьютерному моделированию сложных ХТС, который показал, что в настоящее время не существует научно-обоснованного методического обеспечения для разработки блочных компьютерных моделей ХТП и сложных крупнотоннажных энергоресурсоёмких ХТС, необходимых для решения задач анализа, оптимизации и проектирования производств НГХК;

2. Проведён сравнительный анализ современных комплексов проблемно-ориентированных программ для компьютерного моделирования ХТС, который установил:

• несущественное отличие используемого программного интерфейса, количества типовых расчётных модулей ХТП и алгоритмов, применяемых для решения различных систем уравнений математических моделей;

• целесообразность использования для компьютерного моделирования сложных ХТС комплекса программ «СНЕМСАБ», имеющего следующие основные достоинства: «дружественный» интерфейс, простота применения в работе, достаточное для описания физико-химической сущности типовых ХТП количество типовых расчётных модулей и надёжная сходимость алгоритмов;

3. Разработана научно-обоснованная эвристическо-вычислительная процедура построения блочных компьютерных моделей сложных крупнотоннажных энергоресурсоёмких ХТС, отличающаяся возможностью гибко использовать комбинации типовых (стандартных) расчётных модулей комплекса программ «СНЕМСАБ» и обеспечивать требуемую точность вычислений;

4. Предложен алгоритм ускорения сходимости расчётов многомерных нелинейных систем алгебраических и трансцендентных уравнений математических моделей ХТП и ХТС, отличающийся применением комбинаций блочных компьютерных моделей ХТП и ХТС с возможностью научно-обоснованного выбора значений начальных приближений и демпфирующих факторов для обеспечения быстрой сходимости и практически необходимой точности расчётов;

5. Разработаны оригинальные ЛВП построения блочных компьютерных моделей различных типов химических реакторов и ректификационных колонн, которые используются для блочного компьютерного моделирования сложных ХТС в целом.

Указанные процедуры с использованием комбинации стандартных расчётных модулей комплекса программ «СНЕМСАБ» практически применены для компьютерного моделирования различных типов технологических аппаратов: химических реакторов с рубашкой, автотермических химических реакторов, печей (химических реакторов, содержащих камеру сгорания и использующих теплоту реакции горения для проведения эндотермических процессов), а также простых и сложных колонн ректификации;

6. Для блочного компьютерного моделирования различных типов химических реакторов предложен оригинальный алгоритм, отличающийся использованием данных о температурных зависимостях констант равновесия при различных степенях приближения к равновесию, величины которых определяются аппроксимацией их значений в гомологических рядах компонентов;

7. Предложена эвристическо-вычислительная процедура синтеза энергоресурсосберегающих интегрированных сложных ХТС на основе комбинирования самостоятельно функционирующих индивидуальных ХТС, отличающаяся использованием взаимного сочетания общих технологических и химических особенностей функционирования ХТП, которые входят в структуры индивидуальных ХТС;

8. Предложено специальное методическое обеспечение блочного компьютерного моделирования сложных крупнотоннажных ХТС использованы для разработки блочных компьютерных моделей двух крупнотоннажных энергоресурсоёмких ХТС производств: СЖТ из природного газа, метанола из природного газа, а также интегрированной ХТС совместного производства синтетического жидкого топлива и метанола из природного газа;

9. Предложены научно-обоснованные варианты инженерно-технологического оформления отдельных ХТП, оптимальные значения параметров некоторых основных технологических аппаратов и изменения структуры рециклов в синтезированной интегрированной ХТС совместного производства СЖТ и метанола из природного газа, имеющей меньшее значение удельной энергоресурсоёмкости по сравнению с индивидуальными ХТС.

Глоссарий основных терминов и понятий

Алгоритм - [лат. а^огШшшБ]

1) однозначно определенная процедура для решения класса задач;

2) точное предписание последовательности действий по достижению указанной цели при решении поставленной задачи [93-94].

Входные переменные ХТС - параметры входных технологических потоков системы

9].

Выходные переменны ХТС - параметры выходных технологических потоков системы [9].

Индивидуальная ХТС - это ХТС, как совокупность процессов и аппаратов обеспечивающая производства одного продукта.

Интегрированная ХТС - сложная ХТС производства нескольких продуктов из одного вида сырья или промежуточного продукта.

Методика а) совокупность изученных и опробованных методов, а также приемов, для выполнения определенной работы [95]; б) конкретный план действий или инструкция по применению метода или алгоритма [95]; Совокупность методов обучения чему-либо и приёмов выполнения чего-либо [95].

Методическое обеспечение компьютерного моделирования - совокупность методик, методов и процедур, средств и инструментов компьютерного моделирования, нормативно-технической документации по использованию инструментальных методов и комплексов программ, совокупность методик разработки, выбора и применения пользователями методов, приёмов и операций с использованием комплексов программ для получения конкретных результатов компьютерного анализа моделируемых объектов.

Методология а) учение о системе понятий и их отношений; система базисных концепций, принципов, методов, методик, способов и средств их реализации для организации и проведения научно-практической деятельности людей [95-96]; совокупность концепций, принципов и методов, дающих представление о структуре, методике построения, методах и средствах деятельности, формах и способах научного познания [95-96].

Многостадийная XTС- сложная ХТС производства готового(ых) продукта(ов) Процедура а) установленный или принятый порядок, последовательность, способ действий ; б) Последовательность действий, выполняемая закономерно, согласно точному предписанию [97].

Расчётные модули или блоки (далее просто модули или блоки) а) вычислительные алгоритмы, расчёта параметров и переменных состояния различных ХТП [98]; б) представляет собой функционально законченный фрагмент программы, оформленный в виде отдельного файла с исходным кодом или поименованной непрерывной его части (например, Active Oberon), предназначенный для использования в других программах. Модули позволяют при поиске решения сложных задач разбивать эти задачи на более простые в соответствии с принципом декомпозиции. Обычно модули проектируются таким образом, чтобы предоставлять программистам удобный для многократного использования интерфейс в виде набора функций, классов или констант. Модули могут объединяться в пакеты и, далее, в библиотеки компьютерных программ.

Энерго и ресурсосбережение - взаимосвязанная совокупность научно-методологических, технологических, инженерно-технических, экономических и организационно-хозяйственных мероприятий, направленных при производстве разнообразных продуктов на сбережение и рациональное использование природных энергии, сырья и ресурсов; на значительное повышение степени переработки и резкое сокращение потерь материальных ресурсов, наиболее полную рекуперацию вторичных материальных ресурсов и отходов, что приводит к существенному росту экономической эффективности промышленного производства и сокращает его вредное воздействие на окружающую среду [9].

Сходимость алгоритма — способность алгоритма приводить к искомому результату за конечное число шагов [99].

Химико-технологическая система (ХТС) - совокупность взаимосвязанных технологическими потоками, действующих как одно целое аппаратов машин химической технологии, в которых осуществляется определенная последовательность трёх основных технологических операций (подготовка сырья к использованию в химической реакции, собственно химическое превращение и выделение целевых и побочных продуктов) [9 и 100-102].

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Советин, Филипп Сергеевич, 2011 год

1. Дворецкий С.И., Муромцев Ю.Л., Погонин В.А., Схиртладзе А.Г. Компьютерное моделирование технологических процессов и систем. Тамбов. 2009. 158 с.

2. Пахомов А.Н., Коновалов В.И., Гатапова Н.Ц., Колиух А.Н. Основы моделирования химико-технологических систем. Тамбов 2008 г. 80 с.

3. Дворецкий С.И., Кормильцин Г. С., Калинин В.Ф. Основы проектирования химических производств. М. Машиностроение-1, 2005 г. -280 с.

4. Холоднов В.А., Хартманн К.,Чепикова В.Н., Андреева В.П. Системный анализ и принятие решений. Компьютерные технологии моделирования химико-технологических систем с материальными и тепловыми рециклами. С-Пб. 2006. 160 с.

5. Островский Г. М., Волин Ю. М. Три этапа компьютерного моделирования химико-технологических систем // Теоретические основы химической технологии. Т. 40, №3.2006 г. с. 302-312.

6. Гартман Т. Н. Компьютерное моделирование энерго и ресурсосберегающих химических производств // Программные продукты и системы. № 4. 2002 С.29-32.

7. Кроу К., Гамилец А., Хоффман Т, Джонсон А, Вудс Д., Шеннон П., Математическое моделирование химических производств. Перевод с английского Зимина Э. П., Стрельцова А. В., Чуприкова В. И. Под редакцией Островского Г. М. М., 1973.392 с.

8. Саулин Д.В. Математическое моделирование химико-технологических систем. Пермь. ПГТУ. 2003 г. 91 с.

9. Кафаров В.В., Мешалкии В.П. Анализ и синтез химико-технологических систем. М.: Химия, 1991.-432 С.

10. Тимошенко А. В. Создание энергосберегающих технологий разделения многокомпонентных смесей органических продуктов на базе топологографового анализа концентрационных областей оптимальности. Дисс. докт. техн. наук. М. 2001.

11. Тимошенко А. В. Серафимов Л. А. Графометрический анализ однородных технологических схем // Российский химический журнал. 1998. т. 42. с. 67-75.

12. Тимошенко А. В. Серафимов Л. А. Графометрия, как метод системного анализа поливариантности организации технологических схем ректификационного разделения // Теоретические основы химической технологии. Т. 31, № 5. 2006 г. с. 527-533.

13. Тимошенко А. В., Паткина О. Д., Серафимов Л. А. Синтез оптимальных схем ректификации, состоящих их колонн с различным числом секций // Теоретические основы химической технологии. Т. 35, № 5. 2001. с. 485-491.

14. Петлюк Ф. Б. Платонов В. М. Славинский Д. М. Термодинамически оптимальный способ разделения многокомпонентных смесей // Химическая промышленность. 1965. № 3. с. 206-211.

15. Кафаров В. В. Ветохин В. Н. Основы автоматизированного проектирования химических производств. М. Наука. 1987. 624 с.

16. Химмельблау Д. М. Обнаружение и диагностика неполадок в химических и нефтехимических процессах. Перевод с английского с англ. к. т. н. Левин Ю. М. -Л.: Химия, 1983. 352 с.

17. Мешалкин В. П., Товажнянский Л. Л. Капустенко П. А. Основы теории ресурсосберегающих интегрированных химико-технологических систем. Харьков. 2006 412 с.

18. Мешалкин В.П., Товажнянский Л.Л., Капустко П.А. Основы энергоресурсоэффективных экологически безопасных технологий нефтепереработки. Харьков. 2011. 616 с.

19. Потехин В.М., Потехин В.В. Основы теории химических процессов технологии органических веществ и нефтепереработки. С.-Пб. Химиздат. 2005. 912 с.

20. Кафаров В.В., Мешалкин В.П., Грун Г., Нойманн В. Методы обеспечения и оптимизации надежности химических и нефтехимических производств. М.: Химия, 1987. 270с.

21. Невский А.В., Мешалкин В.П., Шарнин В.А. Анализ и синтез водных ресурсосберегающих химико-технологических систем. М.: Наука, 2004. — 212 с.

22. Спепанов А. В. Горюнов В. С. Ресурсосберегающая технология переработки нефти. Киев. Наукова Думка 1993.

23. Смит Р. Клемеш Й. Товажнянский Л. Л. Капустенко П. А., Ульев Л. М. Основы интеграции тепловых процессов. Харьков. ХПГУ. 457 с.

24. Беличенко Ю.П., Гордеев Л.С., Комиссаров Ю.А. Замкнутые системы водообеспечения химических производств. М.: Химия, 1996. 272 с.

25. Комиссаров Ю. А., Гордеев Л. С. Нгуен С. Н. Анализ и синтез систем водообеспечения химических производств. М: Химия., 2002. 496 с.

26. Гросманн И., Ситас В.И., Султангузин И.А. Оптимизация энергоснабжения металлургического комбината по энергетическому и экологическому критериям // Промышленная энергетика. 1989. - № 8. - С. 49 - 51.

27. Гросманн И., .Ситас В.И., Султангузин И.А. Оптимизация энергообеспечения металлургического комбината по энергетическому и экологическому критериям // Использование энергии. 1989 - Т.38. № 3. С.88 - 90.

28. Ситас В.И., Кремер В.Э., Султангузин И.А. Методика определения рациональных направлений использования внешних энергетических ресурсов в теплоэнергетической системе промпредприятия //Промышленная энергетика. 1987. -№1. - С. 18-22.

29. Воронова Е. В. Математическое моделирование технологической системы сушки и хранения зерна. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. 05.13.18 и 05.18.12. ВГТА. Воронеж 2009.

30. Вартанов К. С. Математическое моделирование процесса в ректификационной колонне на примере мини-нефтеперерабатывающей установки. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. 05.13.18. М. МГТУ 2009.

31. Голованов М. Л. Разработка энергосберегающей технологии ректификации продуктов каталитического крекинга. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. 05.17.04. МГАТХТ 2007.

32. Лебедева М. Ю. Оптимизация химико-технологических систем при неопределенности исходной информации. Методы и программная реализация. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. 05.13.18. СПб. 2005.

33. Ананченко А. Г. Разработка алгоритмов и программных комплексов дляглобальной оптимизации химико-технологических систем. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. 05.13.18. С-Пб. 2004.

34. Коваль П.И. Физико-химический анализ и оптимизация технологии крупнотоннажного производства метанола. Диссертация на соискание учёной ' степени кандидата технических наук. Томк: ТПУ, 1997.

35. Литовка Ю. В. Получение оптимальных проектных решений и их анализ с использованием математических моделей. Тамбов. ТГТУ. 2006. 98 с.

36. Гартман Т. Н, Клушин Д. В. Основы компьютерного моделирования химико-технологических процессов. М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. 415 с.

37. Вержичинская С. В., Дигуров Н. Г. Синицин С. А. Химия и технология нефти и газа. М. 2009. 400 с.

38. Крылова А. Ю., Козюков Е. А. Получение жидких углеводородов из природного газа//Газохимия. № 1 (0). 2008. с. 66-70.

39. Деревич И. В., Ермолаев В. С., Крылова А. Ю., Перхушков В. А. Расчёт конверсии нефтяного газа на основе метода мимизации энергии Гиббса // Теоретические основы химической технологии. Т. № 40, № 2. 2006. с. 199-205.

40. Хасин А. А. Обзор известных технологий получения синтетических углеводородов по методу Фишера-Тропша//Газохимия. № 2(1). 2008. с. 28-36.

41. Хасин А. А. Обзор технологий получения СЖТ, разработанных компаниями Shell и Sasol/ТГазохимия. № 4(3). 2008. с. 38-48.

42. Печуро Н. С., Капкин В. Д, Песин О. Ю. Химия и технология синтетического жидкого топлива и газа. М. Химия, 1986. 349 с.

43. П. ван ден Оостеркамп, Э. Вагнер, Дж. Росс. Достижения в производстве синтез-газа.//Российский Химический Журнал. Том XLIV. 2000 г. № 1. с.34

44. Р. Михаил, К. Кырлогану. Реакторы в химической промышленности. Перевод с румынского. Под редакцией РоманковаП. Г. и Смирновой Н. Н. Л. «Химия». 1968 г. 387 с. •

45. Систер В. Г., Богданов В. А., Колбановскнй Ю. А. Получение синтез-газа гомогенным окислением метана.//Нефтехимия. Т. 45, № 6. 2005 г. с.440-445.

46. Новиков А. А., Коваль П. И., Кравцов А. В., Оптимизация процесса конверсии природного газа в производстве метанола // XII Международная конференция по химическим реакторам, г. Новосибирск. 1996 г. Т.2. с. 114-118.

47. Жоров Ю. М. Термодинамика химических процессов. Нефтехимический синтез, переработка нефти, угля и природного газа. М.: Химия, 1985.464 с.

48. Лапидус А. Л., Крылова А. Ю. О механизме образования жидких углеводородов из СО и Н2 на кобольтовых катализаторах. // Российский Химический Журнал. Том ХПУ. 2000 г. № 1. с.43-57.

49. Лебедев Н. Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. М.: Химия, 1981. 608 с.

50. Жоров Ю. М. Кинетика промышленных органических реакций. М. Химия. 1989 г. 384 с.

51. Микшина В. С. Математическое моделирование процесса гидрокрекинга бензиновых фракций. Дисс. канд. техн. наук Томск 1983 - 190 с.

52. Жоров Ю. М. Математическое описание и оптимизация процессов нефтепереработки и нефтехимии. М. Химия, 1967. 218 с.

53. Серафимов JI. А., Тимофеев В. С. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза. М. 2003. 536 с.

54. Розовский А. Я., Глин Г. И. Теоретические основы процесса синтеза метанола. М. Химия 1990. 272 с.

55. Кравцов А. В., Новиков А. А., Коваль П. И. Основы компьютерных методов анализа химико-технологических процессов. Томск. ТПУ. 1996. 76 с.

56. Арутюнов В. С. К итогам 7-ого международного симпозиума по конверсии природного газа (NGCS7).// Катализ в промышленности. № 5. 2004. с. 54-59.

57. Кессель И. Б., Протасов H. Н. Обзор состояния технологий СЖТ по материалам международной конференции «СПГ и СЖТ: Мировые и российские перспективы» // Катализ в промышленности. № 5. 2004 г. с. 60-65.

58. Ола Д., Гепперт А. Пракаш С. Метанол и энергетика будущего. Когда закончатся нефть и газ. Перевод с английского д. х. н., Мишина И. В. М.: Бином. 2009. 416 с.

59. Брагинский О. Б. Мировая нефтехимическая промышленность. М. Наука. 2003. 279 с.

60. Pisarenko V. N., Pisarenko Е. Y., Abaskuliev J. A. New method of non-recycle methanol production on the basis of natural gas. // 14th International congress "CHISA-2000", Praha, Czech republic, 27-31 August 2000 y. Summ. 1 - p. 50.

61. Коваль П. И., Новиков А. А., Кравцов А. В., Оптимизация процесса синтеза метанола в агрегатах большой единичной мощности // Химическая промышленность. 1995 г. № 3. с. 139-145.

62. Проектирование и расчёт аппаратов основного органического и нефтехимического синтеза. Под. ред. Лебедева H. H. М. «Химия», 1995. 256 с.

63. GmehlingJ., Kolbe В. Thermodynamik. Stuttgart, New York. Thieme, 1988.

64. Thermodynamik der Mischphasen II. Lempe D. (federführender Autor). Leipzig. VEB Deutscher Verlag fur Grunstoffindustrie, 1986.

65. Е. В. Nauman. Chemical Reactor Design, Optimization, and Scaleup. Wiley & Sons. 2008 y.

66. Слинько M. Г. Бадатов E. В. Масштабный переход к химической технологии. М.: Химия. 1980 г. 270 с.

67. Комиссаров Ю. А, Гордеев JL С, Вент Д. П. Научные основы процессов ректификации. Под редакцией Серафимова JI. А. В 2-х томах. М. Химия 2004. 270 и 415 с.

68. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Д.: Химия. 1982 г. 480 с.

69. Краткий справочник физико-химических величин. / Под редакцией Равделя А. А. и Пономарёвой А. М. СПб.: «Специальная литература» 1999 г. 232 с.

70. Hirata М., Ohe S., Nagahama К. Computer-aided data book of vapor-liquid equilibria. N. Y. 1975 y. pp. 15-23.

71. Коган В. Б., Фридман В. М., Кафаров В. В. Равновесие между жидкостью и паром. М.: Наука. 1966 г. т. 1,2. 846 с.

72. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии. В 2-х частях. М. Мир. 1989 г.

73. Robinson D. В., Peng D.-Y., Ng. H.-J. Applications of the Peng-Robinson equation of state. ACS Symposium Series. 60. p. 200-220. 1977 y.

74. Литовка Ю. В. Получение оптимальных проектных решений и их анализ с использованием математических моделей. Тамбов. ТГТУ. 2006. 98 с.

75. Холоднов В. А. Системный анализ и математическое моделирование статистических режимов химико-технологических объектов управления на основе учета структуры уравнений математического описания. Дисс. докт. техн. наук. 05.13.07. С.-Пб. 1995.

76. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. JL: «Химия». 1987 г.

77. Лисицын Н.В., Викторов В.К., Кузичкин Н.В. Химико-технологические системы: Оптимизация и ресурсоснабжение. Спб. 2007. 312 стр.

78. Гордеев Л.С., Кадосова Е.С., Макаров В.В., Сбоева Ю.В. Математическое моделирование химико-технологических систем. Части 1,2,3, — РХТУ, М., 1999.

79. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1988. 128 С.

80. Wegstein J. Н. Accelerating convergence of iterative processes. Comm. Association for computing machinery. 1. 9. 1958 y.

81. Островский Г. M. Волин Ю. М. Моделирование сложных химико-технологических схем. М. Химия. 1975. 311 с.

82. Лысенко А.Ю., Бессарабов A.M. Моделирование и оптимизация при реконструкции производств химических реактивов и особо чистых веществ // Реактивы и особо чистые вещества: М., НИИТЭХИМ,1990. 34 с.

83. Бессарабов A.M., Заколодина T.B., Кольцова Э.М., Заиков Г.Е. CALS-технологии при разработке гибкого производства фосфорсодержащих соединений (продуктов утилизации фосфорного шлама) // Энциклопедия инженера-химика. 2009. № 3. С. 2126.

84. Кафаров В.В., Мешалкин В.П., Перов В.Л. Математические основы автоматизированного проектирования химических производств. М. Химия, 1979. 320 с.

85. Комлев Н.Г. Словарь иностранных слов. М. 2006. 672 с.

86. Нефтяная и газовая промышленность России. Большой политехнический энциклопедический словарь. М.: 2008. 768 с.

87. Экономика и право: Энциклопедический словарь Габлера. Под редакцией Горкина А. П. М. 1998. 432 с.

88. Большой энциклопедический словарь (современная энциклопедия). М. 2003. 1247 с.

89. Лопатников Л. И. Экономико-математический словарь. М.: Дело. 2003. 520 с.

90. Chemcad.chemcad batch.chemcad reacs. User guide. Texas; Chemstations Inc., 1998. -210 p.

91. Якушева Г.М. Большая математическая энциклопедия. М. 2005. 639 с.

92. Политехнический словарь, /гл. ред. Илшинский А. Ю. М. «Советская энциклопедия» 1989. 656 с.

93. Кононова Г.Н., Сафонов В.В. Химико-технологические системы. М. МГАТХТ. 2005. 66 с.

94. Химико-технологические системы. Синтез, оптимизация, управление. Под. ред. Мухлёнова И.И Л.: Химия, 1986. 423 с.