Оптимизация технологических комплексов на основе методов планирования эксперимента тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.04, кандидат технических наук Лощев, Артем Геннадьевич

• Лощев, Артем Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лощев, Артем Геннадьевич

Введение.

1 Литературный обзор.

1.1 Методы анализа числа степеней свободы.

1.2 Методы оптимизации.

1.1.1 Градиентные методы.

1.1.2 Безградиентные методы детерминированного поиска.

1.1.3 Методы случайного поиска.

1.1.4 Поиск оптимума в задачах с ограничениями типа равенств.

1.1.5 Поиск оптимума в задачах с ограничениями типа неравенств.

1.2 Особенности оптимизации химико-технологических систем.

1.3 Методы планирования эксперимента.

1.3.1 Основные понятия и определения.

1.3.2 Планы первого порядка.

1.3.3 Планы второго порядка.

Выводы по литературному обзору.

Основная часть.

2 Анализ числа степеней свободы.

2.1 Основные существующие подходы анализа числа степеней свободы.

2.1.1 Материальные и тепловые потоки.

2.1.2 Равновесная ступень (теоретическая тарелка).

2.1.3 Каскад равновесных ступеней (теоретических тарелок).

2.1.4 Ректификационная колонна.

2.1.5 Вывод по результатам сопоставления.

2.2 Распространение подхода на другие случаи.

2.2.1 Одноотборный режим.

2.2.2 Процесс непрерывного равновесного испарения.

2.3 Анализ числа степеней свободы в системах с химическим превращением.

2.3.1 Равновесный реактор.

2.3.2 Равновесная тарелка с химически равновесной реакцией.

2.3.3 Процесс непрерывного равновесного испарения с равновесными химическими реакциями.

2.3.4 Кинетический реактор.

2.3.5 Равновесная тарелка с протекающей на ней химической реакцией (с кинетической реакцией).

2.3.6 Каскад равновесных реакционных тарелок.

2.3.7 Реакционно-ректификационная колонна.

2.3.8 Вывод по анализу числа степеней свободы в системе с химической составляющей.

3 Оптимизационный алгоритм.

3.1 Структурная оптимизация.

3.1.1 Сбор физико-химической информации.

3.1.2 Проведение анализ статики.

3.2 Параметрическая оптимизация.

3.2.1 Определение границ системы.

3.2.2 Анализ числа степеней свободы.

3.2.3 Выбор целевой функции.

3.2.4 Выбор переменных процесса (параметров управления процессом).

3.2.5 Построение модели.

3.2.6 Получение результатов.

4 Оптимизация производства ЭА.

4.1 Свойства индивидуальных веществ.

4.2 Моделирование равновесия жидкость-жидкость-пар.

4.3 Теоретические основы реакции этерификации.

4.3.1 Краткие сведения о механизм реакции этерификации и условиях ее протекания.

4.3.2 Кинетика реакции этерификации.

4.4 Анализ статики.

4.4.1 Структура областей дистилляции и ректификации.

4.4.2 Проверка практической реализуемости стационарных режимов отвечающих первому и второму заданным разделениям.

4.4.3 Вывод по анализу статики.

4.5 Анализ числа степеней свободы.

4.5.1 Рециркуляционный процесс.

4.5.2 Совмещенный процесс.

4.6 Постановка задачи оптимизации.

4.6.1 Выбор целевой функции.

4.6.2 Выбор переменных процесса.

4.7 Планирование.

4.7.1 Выбор значений переменных процесса.

4.7.2 Параметрическая оптимизация рециркуляционного процесса.

4.7.3 Параметрическая оптимизация совмещенного процесса.

4.8 Сопоставление оптимальных вариантов.

5 Оптимизация переэтерификации метилацетата пропилформиатом.

5.1 Свойства индивидуальных веществ.

5.2 Моделирование равновесия жидкость-пар.

5.3 Теоретические основы реакции переэтерификации.

5.3.1 Кинетика реакции переэтерификации.

5.4 Анализ статики.

5.4.1 Структура областей дистилляции и ректификации.

5.4.2 Проверка практической реализуемости стационарных режимов.

5.4.3 Вывод по анализу статики.

5.5 Анализ числе степеней свободы.

5.5.1 Рециркуляционный процесс.

5.5.2 Совмещенный процесс.

5.6 Постановка задачи оптимизации.

5.6.1 Выбор целевой функции.

5.6.2 Выбор переменных процесса.

5.7 Планирование.

5.7.1 Выбор значений переменных процесса.

5.7.2 Параметрическая оптимизация рециркуляционного процесса.

5.7.3 Параметрическая оптимизация совмещенного процесса.

5.8 Сопоставление оптимальных вариантов.

6 Оптимизация производства реактора гидрирования ДХУК.

6.1 Свойства индивидуальных веществ.

6.2 Моделирование равновесия жидкость-жидкость-пар.

6.3 Теоретические основы реакции переэтерификации.

6.3.1 Краткие сведения о механизм реакции гидрирования.

6.3.2 Кинетика реакции гидрирования.

6.4 Анализ статики.

6.5 Анализ числа степеней свободы реактора гидрирования.

6.6 Постановка задачи оптимизации.

6.6.1 Выбор целевой функции.

6.6.2 Выбор переменных процесса.

6.7 Планирование.

6.7.1 Дополнительное питание рецикл.

6.7.2 Дополнительное питание сырец.

6.7.3 Дополнительное питание УК.

6.8 Выводы по оптимизации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация технологических комплексов на основе методов планирования эксперимента»

Процесс оптимизации составляет основу всей инженерной деятельности, так как с одной стороны направлен на проектирование новых более эффективных и менее дорогостоящих технологических систем, а с другой на модернизацию уже существующих. Одна из проблем, с которой сталкивается исследователь при проведении оптимизации, связана с определением набора рабочих параметров процесса. Данную задачу позволяет решить анализ числа степеней свободы системы. Другой проблемой является стоимость и трудоемкость проведения как натурных, так и расчетных экспериментов. Исследуемы при этом химико-технологические системы (ХТС) характеризуются сложным математическим описанием, содержащим существенную нелинейность. Все это негативно сказывается на скорости оптимизационного процесса и на принципиальной возможности его проведения. Одним из путей решения вышеуказанной проблемы является замена, исходной модели более простой, но в тоже время адекватной изучаемому процессу. Данную задачу позволяет решить метод планирования эксперимента.

Цель данной работы состоит в разработке стратегии оптимизации химико-технологических производств на основании методов планирования эксперимента и анализа числа степеней свободы ХТС и отдельных ее элементов. А также в использование данного подхода для оптимизации конкретных технологических процессов.

1 Литературный обзор

1.1 Методы анализа числа степеней свободы

Частая проблема, с которой сталкивается инженер-исследователь, или инженер-практик, занимающийся созданием новой технологии, а также человек пишущий компьютерные программы для моделирования процессов - это вычисление числа степеней свободы процесса. Только когда степени свободы будут вычислены, можно ответить на следующие вопросы:

• Как много управляющих параметров или желаемых выходов мы можем задать? В сущности, можем ли мы задать вообще все или мы должны принять, что что-либо оборудование определит за нас?

• Процесс описан как самообслуживающийся и стабильный или же он требует обратного регулирования? Сколько управляющих цепей требуется?

• Можем ли мы оптимизировать процесс, изменив некоторые управляющие параметры? [1]

Желаемое управление процессом может быть достигнуто тогда и только тогда, когда все степени свободы будут закреплены. Небрежное моделирование процесса может привести к модели, которая не включает всех необходимых уравнений и значений или же включает излишние их количество [2].

Первой работой в области анализа степеней свободы ХТС является статья Э.Р. Джиллиленда и С.Е. Рида [3], целью которой, послужило желание разработать системный подход к определению максимально возможного набора рабочих параметров процесса при решении проектных задач. Авторами работы [3] такой подход был разработан и с его помощью проанализировано число степеней свободы как отдельных химико-технологических элементов, так и аппарата — ректификационной колонны. Позднее работу в данной области продолжил М. Квока [4], результатом чего явился модифицированный подход к анализу числа степеней свободы, характеризующийся большей наглядностью. При этом полученное количество степеней свободы как для отдельных химико-технологических единиц, так и аппаратов в целом отличалось. В литературе [4] данный факт, в частности, объясняют различной нумерацией элементов.

Кроме того, были предприняты попытки [5, 6] распространить данный подход на элементы и аппараты, включающие химическую составляющую, но дальше реакторов эти исследования не продвинулись. В настоящее время анализ числа степеней свободы применяется также и для динамических систем, с целью разработки оптимальных схем управления процессом [7]. При этом существует ряд работ, направленных на упрощение применения анализа числа степеней свободы к статическим процессам [1]. Упрощение достигается за счет закрепления части переменных, которые, исходя из опыта, чаще всего не могут изменяться в ходе решения конкретной задачи.

Не менее важен анализ числа степеней свободы и при моделировании химико-технологических процессов. Верное его определение и закрепление, в соответствии с ним, значений рабочих параметров позволяет решить систему нелинейных уравнений описывающих процесс. В оптимизационных задачах анализ числа степеней свободы позволяет всесторонне изучить объект, предоставляя информацию о всем множестве переменных и уравнений его характеризующих. На основании полученной таким образом информации можно выделить набор рабочих параметров, влияние которых на интересующий нас показатель процесса является максимальным.

Заключение диссертации по теме «Технология органических веществ», Лощев, Артем Геннадьевич

Выводы по работе

1. Установлены причины свойственные современным подходам анализа степеней свободы, которые приводят к различию в оценке их числа для однотипных элементов химико-технологических систем.

2. Разработан метод анализа числа степеней свободы для элементов и аппаратов, включающих химические превращения. Установлено, что наличие химической реакции в состоянии равновесия не приводит к изменению числа степеней свободы системы. С помощью указанного метода проведен расчет числа степеней свободы принципиальных схем получения этилацетата этерификацией уксусной кислоты этанолом, пе-реэтерефикации пропилформиата метилацетатом, а также технологической схемы процесса гидрирования дихлоруксусной кислоты.

3. Предложена стратегия, позволяющая проводить структурную и параметрическую оптимизацию химико-технологических систем. В рамках данной стратегии разработан универсальный подход к параметрической оптимизации, основанный на методах планирования вычислительного эксперимента.

4. В соответствии с предложенной стратегией проведена структурная и параметрическая оптимизации процессов получения этилацетата эте-рификацией уксусной кислоты этанолом, переэтерефикации пропил-формиата метилацетатом, а также процесса гидрирования дихлорук-сусной кислоты. Определены статические характеристики технологических схем, обеспечивающие их устойчивую работу при минимальных энергозатратах.

5. Установлено, что в процессе получения этилацетата этерификацией уксусной кислоты этанолом совмещенный процесс обеспечивает выигрыш по энергозатратам на 18.75%, а в процессе переэтерефикации про-пилформиата метилацетатом - на 65%, по сравнению с традиционной рециркуляционной схемой.

6. В результате оптимизации процесса очистки МХУК предложена оптимальная структура реактора, тип, температура и количество дополнительного потока питания, обеспечивающие максимальную степень конверсии ДХУК и устойчивую работу реактора.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лощев, Артем Геннадьевич, 2010 год

1. Pham Q.T. Degrees of freedom of equipment and process // Chem. Eng. Sei. -1994. Vol. 49, №15. - P. 2507 - 2512.

2. Stephanopoulos G. Chemical process control. New Jersey : Prentice Hall, 1984. - 696 p. ISBN 0-13-128596-3.

3. Gilliland E. R., Reed C.E. Degrees of Freedom in Multicomponent Absorption and Rectification Columns // Ind. Eng. Chem. 1942. - Vol. 34. P. 551

4. Henley E.J., Seader J.D. Equilibrium-Stage Separation Operations in Chemical Engineering. New York : John Wiley & Sons, 1981. - 742 p. ISBN 0-471-37108-4.

5. Dimian A.C., Integrated design and simulation of chemical process. Amsterdam : Elsevier, 2003. - 698 p. ISBN 0-444-82996-2

6. Бенедек П., Ласло А. Научные основы химической технологии. J1. : «Химия», 1970. - 376 с.

7. Dixon D.C. Degrees of freedom in dynamic and static systems // Ind. Eng. Chem. Fundam.- 1972.-Vol. 11, №2.-P. 198-205.

8. Бояринов А.И., Кафаров B.B. Методы оптимизации в химической технологии. М. : Химия, 1969. - 564 с.

9. Карманов В.Г. Математическое программирование: Учеб. пособие. 5-е. изд. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 264 с. ISBN 5-9221-0170-6.

10. Ю.Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М. : Мир, 1975.-535 с.

11. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. М. : Мир, 1985. -509 с.

12. Pedregal P. Introduction to Optimization. New York : Springer-Verlag, 2004. -245 p. ISBN 0-387-40398-1.

13. Nocedal J., Wright S.J. Numerical Optimization. New York : Springer-Verlag, 1999. - 634 p. ISBN 0-387-98793-2.

14. Lange K. Optimization. New York : Springer-Verlag, 2004. - 252 p. ISBN 0-387-20332-X

15. Bonnans F.J., Gilbert C.J., Lemarechal C. Numerical Optimization. Berlin : Springer-Verlag, 2003.-422 p. ISBN 3-540-00191-3.

16. Банди Б., Методы оптимизации. Вводный курс. М. : Радио и связь, 1988 -128 с. ISBN 5-256-00052-7.

17. Н. С. Бахвалов, Н. П. Жидков, Г. М. Кобельков. Численные методы. М. : Бином, 2003. - 632с. ISBN 5-94774-060-5

18. Спиридонов A.A. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. М.: Машиностроение, 1981. - 184с.

19. Адлер Ю.П., Макарова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. - 279 с.

20. Саутин С.Н. Планирование эксперимента в химии и химической технологии. -Л.: Химия 1975.-48 с.23.3едгинидзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. М. : Наука, 1976. - 390 с.

21. Монтгомери Д.К. Планирование эксперимента и анализ данных. Л. : Судостроение, 1980. - 384 с.

22. Никитина Е.П. Планирование и анализ эксперимента. М. : МГУ, 1976. -120 с.

23. Налимов В.В., Голикова Т.Н. Логические основания планирования эксперимента. 2-е изд. -М. : Металлургия, 1981. 152 с.

24. Вознесенский В.А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. М.: Статистика, 1974. - 192 с.

25. Сох D.R., Reid N. The Theory of the Design of Experiments. New York : Chapman & Hall/CRC, 2000. - 314 p. ISBN 1-58488-195-X.

26. Hinkelmann К., Kempthorne О. Design and Analysis of Experiments, Volume 1,j1.troduction to Experimental Design, 2 -ed. — New Jersey : John Wiley & Sons, 2008. 666 p. ISBN 978-0-471-72756-9.

27. Бондарь А.Г., Статюха Г.А., Потяженко И.А. Планирование эксперимента при оптимизации процессов химической технологии. Киев : Высшая школа, 1980. - 264с.

28. Дёрффель К. Статистика в аналитической химии. М. : Мир, 1994. - 268с. ISBN 5-03-002799-8

29. Ахназарова C.JL, Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М. : Высш. Школа, 1978. - 319 с.

30. Рузинов Л.П. Статистические методы оптимизации химических процессов. -М.: Химия, 1972.-200 с.

31. Рузинов Л.П., Слободчикова Р.И. Планирование эксперимента в химии и химической технологии. М. : Химия, 1980. - 280 стр

32. Кельнер Р., Мерме Ж.-М., Отто М., Видмер Г. М. Аналитическая химия. Проблемы и подходы, т. 2. М.: Мир, ACT, 2004. - 728 с.

33. Edgar T.F., Himmelblau D.M., Lasdon L.S. Optimization of chemical processes.-2nd ed. New York : McGraw-Hill, 2001. - p. ISBN 0-07-039359-1

34. Seader, J.D., Henley, E.J. Separation Process Principles. New York : John Wiley & Sons, 1998. - 800 p. ISBN 978-0-471-46480-8.

35. Серафимов JI.А., Фролкова A.K., Хахин Л.А. Правило фаз. М. : МИТХТ им. М. В. Ломоносова, 2008. - 48 с.

36. Серафимов Л.А. Вариантность термодинамических систем // Ученые записки МИТХТ.-1999.-Вып. 1.-С. 4-13.

37. Taylor R., Krishna R. Modelling reactive distillation // Chem. Eng. Sci. 2000. -№55.-P. 5183 -5229.

38. Жаров B.T., Серафимов Л.А. Физико-химические основы дистилляции и ректификации. Л. : Химия, 1975. - 240 с.

39. Серафимов Л.А. Термодинамико-топологический анализ диаграмм гетерогенного равновесия многокомпонентных смесей // Журнал физической химии. 2002. - Т 76, № 8. - С. 1351-1365.

40. Балашов М.И., Серафимов JI.A. Анализ статики непрерывных совмещенных реакционно-ректификационных процессов // Теорет. основы хим. технол. -1980. Т. 14, № 6. - С. 803-808.

41. Балашов М.И. К анализу статики непрерывных совмещенных реакционно-ректификационных процессов (НСРРП) // Физико-химические основы ректификации. М.: МИХМ- 1977. - С. 193-206.

42. Балашов М.И., Патласов В.П., Серафимов JI.A. Правила принципиальной протяженности реакционной зоны в непрерывных совмещенных реакционно-ректификационных процессах // Теор. основы хим. технол. -1980. Т. 14, № 5. - С. 650-658.

43. Балашов М.И. Физико-химические основы и технологические принципы организации реакционно-ректификационных процессов: Дис. . докг. техн. наук. М., 1980. - 564с.

44. Писаренко Ю. А., Кардона К. А., Серафимов JI. А. Реакционно-ректификационные процессы: достижения в области исследования и практического использования. М. : Луч, 2001. - 266 с. ISBN 5-7005-0619-Х

45. Писаренко Ю. А. Разработка теоретических основ анализа стационарных режимов реакционно-массообменных процессов. Дисс. . докт. техн. наук. М.: МИТХТ, 1998.

46. Серафимов Л.А., Тимофеев B.C., Писаренко Ю.А., Солохин A.B. Технология основного органического синтеза. Совмещенные процессы. М. : Химия, 1993. - 416 с. ISBN 5-7246-0610-6.

47. Тимофеев B.C., Серафимов Л.А., Тимошенко A.B. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза. М.: Высшая школа, 2010. - 408 с. ISBN 978-5-06-006067-6.

48. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Рэгсдел К. Оптимизация в технике. В 2-х кн. Кн. 1.-М.: Мир, 1986.-669 с.

49. Kirk & Othmer Encyclopedia of Chemical Tehcnology (4th edition). Vol. 9. Elastomers, synthetic to Expert Systems. - 543 p.

50. Химическая энциклопедия. Большая российская энциклопедия. т.5, Москва 1998.-787 с.

51. P. Dutia. Ethyl Acetate: A Techno-Commercial Profile // Chemical Weekly -2004, v.lO-p.184

52. Лебедев H.H. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза.-4-е изд. М. : Химия, 1988 - 589 с.

53. Голикова Т.Н. Исследование непрерывного реакционно-ректификационного процесса получения этилацетата. Дисс. . канд. техн. наук. М.: МИТХТ, 1975.

54. Чащин А. М., Лебедева Н. М., Воевоцкина 3. А., Периных М. С. Производство этилацетата непрерывным способом. М., 1968.

55. Harmsen G. J. Reactive Distillation: The Front-Runner of Industrial Process Intensification. A Full Review of Commercial Applications, Research, Scale-Up, Design and Operation // Chem. Eng. Proc. 2007. - №46. - P. 774-780.

56. Рабинович В. А., Хавин 3. Я. Краткий химический справочник. Л. : Химия, 1991. 432 с. ISBN 5-7245-0703-Х.

57. Уэйлес С. Фазовое равновесие в химической технологии, в 2-х частях. М. : Мир, 1989.-т. 1,304 с.

58. Calvar N., Dom'mguez A., Tojo J., Vapor-liquid equilibria for the quaternary reactive system ethyl acetate + ethanol +water + acetic acid and some of the constituent binary systems at 101.3 kPa // Fluid Phase Equilibria. 2005. - № 235. - P. 215-222.

59. Чащин A.M., Глухарева М.И. Производство ацетатных растворителей в лесохимической промышленности. М.: Лесная промышленность, 1984. -240 с.

60. Коган В.Б., Фридман B.M., Кафаров B.B. Равновесие между жидкостью и паром, в 2-х томах. М.: Наука. 1966. - 1439 с.

61. Огородников С.К., Лестева Т.М., Коган В.Б. Азеотропные смеси. -Л. : Химия, 1971.-848 с.

62. Л.Н.Занавескин, В.Н.Буланов, Д.Г.Куницын, Я.Л.Ускач, Е.В.Варшавер // Катализ в промышленности. 2003. - № 3. - С. 26-37.

63. Н.Занавескин, В.Н.Буланов, Д.Г.Куницын, Я.Л.Ускач, Е.В.Варшавер // Катализ в промышленности. 2003. - № 4. - С. 29-35.

64. Промышленные хлорорганические продукты. // Справочник, Под. ред. Л.А. Ошина. М.: Химия, 1978. - 656 с.

65. Муганлинский Ф.Ф., Трегер Ю.Ф., М.М. Люшин. Химия и технология галоге-норганических соединений. М.: Химия, 1991.-272 с. ISBN 5-7245-0540-1.