vmest.ru страница 1
скачать файл


«ИНЖЕНЕРНЫЕ СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ» / 17-19 мая 2011 г.


АППАРАТУРНО-КОНСТРУКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ. БЛОЧНО-МОДУЛЬНЫЙ ПОДХОД ПРИ СОЗДАНИИ КОМБИНИРОВАННЫХ АППАРАТОВ

Русалин С.М. ГВУЗ УГХТУ (г. Днепропетровск)


Одним из наиболее ответственных и сложных этапов синтеза высокоэффективных химико-технологических систем, является создание аппаратурного оформление химико-технологических процессов (ХТП), в значительной степени определяющее экономические показатели производства. Декомпозиционные методы оптимизации химико-технологических систем по области применения разделяются на две тесно связанные между собой группы методов - режимно-технологические (РТ) и аппаратурно-конструктивные (АК). Четкую границу между АК и РТ-методами провести невозможно. Использование нового для данного объекта РТ-метода, практически, всегда сопряжено с определенными конструктивными изменениями аппарата и использованием АК-методов.

Классификация АК-методов оптимизации.

АК-методы получили значительное распространение в промышленности. Впервые комплексно вопросы классификации и использования АТ-методов оптимизации рассмотрены в монографиях [1,2].

В таблице1 приведена классификационная схема АК- методов оптимизации.

Приведенные в таблице АК-методы представляют собой набор приемов оптимизации, каждый из которых может быть использован на различных иерархических уровнях, а для каждого уровня выделена своя группа, свой набор методов оптимизации.

В нашем представлении, самым перспективным АК-методом оптимизации является создание многофункциональных унифицированных конструкционных элементов (модулей), обеспечивающих прочность и химическую стойкость оборудования, способных к трансформированию, комбинированию и агрегатированию и включающих адаптивные внутренние устройства с широким диапазоном устойчивой работы.

Иерархическая структура химических производств.

В основу создания химических производств также положен системный подход, включающий декомпозицию системы, формирование иерархической структуры, координацию задач и т. д. Рассмотрим иерархическую структуру ХТП. Каждый элемент низшего иерархического уровня является образующим, базовым, элементом последующего уровня.


Таблица 1.


Классификация АК-методов оптимизации



Метод оптимизации

Используемый физический эффект

Приемы использования
метода в процессах и
аппаратах

Обеспечение многократности воздействия на фазы


Конструктивная оптимизация гидродинамического режима

Концевой. Входной. Капиллярный. Инверсии фаз

Инверсия фаз. Коауссольда. Рейнольдса. Турбулизация и срыв пограничного слоя.

Секционирование. Чередование зон контакта-сепарации. Пропускание через капиллярно-пористое



тело.

Ударно-струйное взаимодействие фаз. Соударение потоков. Пленочное движение с турбулизацией. Многократная инверсия фаз. Ячеисто-пенный режим взаимодействия.



Использование энергии контактирующих фаз

Жуковского. Бернулли.

Турбулизация. Закручивание. Взаимное эжектирование. Осциллирование. Автоколебательные режимы.

Использование внешних источников энергии
Оптимизация

конструктивных

параметров
Совмещение аппаратов

Двойной электрический слой.

Электрофорез.
Диффузиофорез.
Термофорез.
Кавитация.
Эмерджентность. Интерэктность.

Поля магнитные и

электрические.

Перемешивающие

устройства.

Пульсаторы


Форма.

Соотношение размеров.

Материал.

Распределение фаз.

Однотипное

комбинирование.

Агрегатирование.

Блочно-модульный

подход.


Трансформирование. структуры.

Совмещение функций аппаратов и их частей.






  1. й иерархический уровень: элемент аппарата (ЭА), например контактная ступень в колонном аппарате, перемешивающее устройство в реакторе и т. д.

  2. й иерархический уровень: унифицированный технологический модуль (УТМ) - единица оборудования минимальной сложности, выполняющая определенные технологические функции (нагревание, перемешивание, фильтрацию и т. д.). Примером УТМ является секция колонного тарельчатого аппарата, состоящая из цилиндрической царги и тарелок. УТМ может быть выполнен в виде неразборной конструкции либо из отдельных частей.

  3. й иерархический уровень: технологический аппарат (ТА) — технологическая единица оборудования, предназначенная для проведения технологических процессов различной сложности. ТА состоит из одного или нескольких ТМ и имеет патрубки подвода и отвода технологических потоков, теплоносителей, а также соответствующие датчики и средства управления.

  4. й иерархический уровень: технологическая установка (ТА) — конструктивно завершенный комплекс оборудования, включающий аппараты, трубопроводы, насосы, исходные и приемные емкости, средства контроля и управления, монтажные конструкции, предназначенные ц ля реализации одного или нескольких процессов химической технологии.

  5. й иерархический уровень: технологический комплекс (ТК) — установка с переменной структурой, снабженная хранилищем ТА, ТМ, ЭА, а также элементов коммуникационных линий и вспомогательного оборудования.

Блочно-модульный подход при создании высокоэффективных производств.

Идея модульного подхода не нова и в той или иной степени реализована в радиоэлектронике, строительстве, общем машиностроении. Его использование в этих отраслях открыло возможность максимальной стандартизации, унификации и агрегатирования, что позволило существенно снизить сроки проектирования новых производств и конструирования нового оборудования.

Сущность данного подхода заключается в создании технологических систем по выпуску продукции с применением стандартных и нестандартных модулей, классифицированных по признаку общности выполняемых технологических задач. Установки блочно-модульного типа, широко используемые в мало- и среднетоннажной химии, в настоящее время состоят в основном из емкостного реактора периодического действия с мешалкой и рубашкой или змеевиком, сборников и теплообменников. Такое аппаратурное оформление не позволяет реализовать многообразие ХТП высокой эффективности.

Ведущие фирмы капиталистических стран, выпускающие реактивы, используют оборудование узкой специализации нетрансформируемой структуры, построенное также по блочно-модульному принципу. Режим проведения процессов — обычно периодический, аппараты — емкостные. Анализ отечественных и зарубежных информационных источников позволяет сделать вывод о том, что перспективным направлением развития данного подхода является разработка нестандартных унифицированных комбинированных аппаратов (УКА) из набора стандартизированных УТМ, что позволяет свести к минимуму количество типов и типоразмеров элементов оборудования, необходимого для инженерно-аппаратурного оформления ХТП. К примеру, для реализации наиболее распространенных в химической технологии газожидкостных процессов необходимо всего 8—10 типов УТМ. Из них можно собрать и колонну, и реактор, и выпарной аппарат, и сепаратор, и др.

Использование УТМ в качестве базовых элементов предполагает наличие у них определенного комплекса конструктивно-технологических свойств и предъявляет к ним следующие требования:

- обеспечение возможности проведения типовых химико-технологических процессов или их совокупности;



  • конструктивное совершенство модулей, способствующее высоким технико-экономическим показателям их функционирования;

  • оптимальность состава набора модулей при соблюдении принципа жесткого ограничения количества их типов.

Блочно-модульный принцип является одним из конструктивных методов
обеспечения "внутренней" гибкости оборудования за счет

трансформирования внешней и внутренней структуры аппарата в зависимости от его назначения. Преимущество этого метода заключается в возможности приспособления оборудования к переменным нагрузкам по сырью, различным физико-химическим свойствам перерабатываемых систем. Этот метод также позволяет создавать нестандартные конструкции аппаратов, максимально учитывающие специфику химико-технологических процессов, наиболее рационально использовать движущую силу процессов, минимизировать потребление топливно-энергетических ресурсов и сырья. Одним из эффективных приемов блочно-модульного подхода при создании производств является трансформирование структуры, обеспечивающее благодаря возможности быстрой неавтоматизированной переналадки выпуск продукции широкой номенклатуры. При этом за счет выявления конструктивных элементов в аппаратах различного технологического назначения и использования принципов совмещения-комбинирования и агрегатирования удается свести к минимуму количество типов и типоразмеров необходимых модулей оборудования.

В настоящее время данный подход является мало формализованным и требует максимального использования квалификации и интуиции разработчика. Опыт показывает, что выбор конструкции аппарата определяет во многих случаях не только эффективность работы ХТС, но и технико-экономические показатели создаваемого производства в целом.

Наиболее эффективным направлением развития блочно-модульного принципа является разработка нестандартных специализированных ХТА из набора стандартизированных унифицированных модулей.

К унифицированным модулям, формирующим структуру производства химических реактивов, предъявляются следующие требования


  • универсальность, т. е. возможность проведения отдельных физико-химических процессов и их совокупности; конструктивная завершенность, обеспечивающая высокие технико-экономические показатели функционирования;

  • взаимозаменяемость модулей даже многофункционального на­значения, обеспечиваемая унификацией узлов стыковки и примыка­ния;

  • функциональная полнота модулей, позволяющая с высокой эф­фективностью проводить совмещенные стадии процесса;

  • высокая эксплуатационная надежность каждого типа модулей, гарантирующая надежность блочно-модульной установки в цепом;

  • ремонтопригодность модулей, вытекающая из требований взаимо­заменяемости, и возможность их эффективной промывки и чистки.

При этом необходим оптимальный набор модулей при соблюдении принципа жесткого ограничения числа их типов и количества модулей в одном метрическом ряду.

Основным условием применения бпочно-модульного принципа является совместимость модулей. Следует учитывать не только конструктивную и эксплуатационную совместимость, но и энергетическую, так как именно последняя определяет возможность организации высокоэффективных энерготехнологических комплексов производств.



Алгоритм синтеза блочно-модульных аппаратов.

Наиболее представительно использование АК-методов оптимизации


может быть показано на примере создания многофункциональных
унифицированных комбинированных аппаратов для ХТП

многономенклатурных заказных химических реакторов и особо чистых веществ. К специфическим особенностям данных производств относятся: незначительный объем выпускаемой продукции ( от нескольких грамм до нескольких тонн ) и широкий ассортимент получаемых реактивов (десятки тысяч наименований ). Определяющая роль в этом случае, принадлежит разработке нестандартных УКА из ограниченного набора унифицированных модулей [1-4].



Предложен [1-4] эвристическо-имитационный алгоритм синтеза конструкций УКА для производств химических реактивов, блок-схема которого представлена на рис. 1.





II

  1. Постановка задачи синтеза нестандартных МКА;

  2. Анализ исходной информации о ХТП.

  3. Формирование элементарной схемы ХТП в ТТО.

  4. Анализ схемы ХТП отображенной в ТТО.

  5. Принятие решения о необходимости применения РТ-методов интенсификации (оптимизации) ХТП.

  6. Применение РТ-методов интенсификации.

  7. Построение альтернативных вариантов схемы ХТП в ОМ.

  8. Выбор критерия оптимальности схемы ХТП в ОМ.

9. Решение оптимизационной задачи выбора схемы ХТП в ОМ.
10.Выбор КМ для реализации оптимального варианта схемы ХТП.
11.Построение альтернативных вариантов ХТП в КМ
12.Выбор критерия оптимальности КМ.

  1. Решение оптимизационной задачи выбора КМ.

  1. Принятие решения о необходимости применения АК-методов интенсификации (оптимизации) ХТП.

  1. Применение АК-методов интенсификации ХТП.

  2. Формирование схемы ХТП в КМ.

17.Выбор УТМ.
Рассмотрим основные этапы алгоритма:

Этап 1. Постановка задачи синтеза нестандартных УКА. Этап выполняется на основе эвристических и эмпирических правил. Разработчик, используя свой опыт и интуицию, должен: четко осознать и представить себе конечную цель; сформулировать ее в виде устного задания; учитывая характерные особенности и материальные возможности производства, выбрать принципиальное направление решения поставленной задачи; оценить, в первом приближении, принципиальную возможность и целесообразность решения данной задачи; по информационным источникам проверить наличие типовых решений, отвечающих лучшим мировым образцам.

Этап 2. Анализ исходной информации о ХТП. Целью данного этапа является выявление сведений; о количестве и фазовом состояния исходных, промежуточных и конечных продуктов; об их физико-химических свойствах; об элементарных физико-химических явлениях, эффектах в потоках веществ и энергии в данном ХТП. Основными источниками информации могут быть существующие технологические регламенты действующих производств, отчеты о проведенных научно-исследовательских работах, каталоги, справочники, статьи, монографии, авторские свидетельства, патенты и т.д.

Этап 3. Формирование элементарной схемы ХТП в типовых технологических операторах ( ТТО ). Этот этап включает в себя построение схемы ХТП путем использования интеллектуализированного информационного банка ТТО. В данном случае ТТО - это условное графическое или семантическое отображение элементарного физического или химического явления, эффекта, потока составляющего сложный ХТП. В качестве исходной информации выступает описание процесса, сведения о котором были получены на предыдущем этапе.

Этап 4. Анализ схемы ХТП, отображенной в ТТО. Основной задачей данного этапа является изучение всех режимно-технологических параметров процесса, структуры потоков массо- и теплоносителей, исходных, конечных и промежуточных продуктов. Полученные данные используются для составления материальных и тепловых балансов схемы ХТП, а также для выявления возможных лимитирующих стадий с целью принятия решений по их интенсификации.

Этап 5. Принятие решений о необходимости применения РТ-методов интенсификации ХТП. Выполнение этого этапа осуществляется на основе анализа ХТП, отображенного в ТТО и анализа исходной информации о ХТП, с использованием известных РТ-методов интенсификации [5]. Примерами РТ-методов интенсификации могут быть: реализация совмещенных процессов; введение дополнительного вещества (катализатора, инициатора, промежуточного теплоносителя, растворителя, разделяющего агента и др.); изменение количества фаз (введение инертного газа, организация конденсации, кристаллизация или кипения одного из компонентов и т.д.); импульсное воздействие (циклическая подача фаз, наложения пульсаций извне, использование турбулентных пульсаций и др.). Анализируется степень "идеальности" проведения данного ХТП. Конечной целью применения РТ-методов интенсификации может быть: увеличение выхода целевого продукта; повышение качества; снижение топливо-энергетических затрат и времени проведения процесса и т.п.

Этап 6. Применение РТ-методов интенсификации. При выполнении этого этапа возникает необходимость проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований для уточнения и дополнения информации, полученной на этапе 2, так как применение РТ-методов интенсификации в большинстве случаев приводит к принципиальному изменению схемы ХТП в ТТО.

Этап 7. Построение альтернативных вариантов схемы ХТП в операторных модулях

(ОМ). Операторный модуль - это совокупность типовых технологических операторов, взаимосвязанных между собой единством цели функционирования. При выполнении этого этапа используется эмпирические и эвристические правила:

Правило 1. - при формировании семантических графов формального отображения ХТП использовать символ строгой импликации, обозначающей недопустимость изменения последовательности осуществления физических элементарных стадий процесса и изменения факторов действующих на систему и в самой системе технологических потоков, не исключая при этом возможность организации их совмещения.

Правило 2. - выделить участки на семантическом графе, начинающихся с символа 8 и оканчивающихся символом К.

Правило 3. - на выделенных участках совместить взаимоисключающие элементарные стадии процесса.

Правило 4. - выделить участки семантического графа наиболее часто повторяющихся последовательностей ТТО.

Правило 5. - выбрать сочетания ТТО для последующего технологического совмещения.

Правило 6. - совмещение ТТО объединить.

Правило 7. - После формирования альтернативных вариантов схемы ХТП в ОМ записать уравнение материальных и тепловых балансов для выделенных участков.

Этап 8. Выбор критерия оптимальности схемы ХТП в ОМ. В качестве такого показателя можно использовать следующие количественные характеристики: выход целевого продукта; время проведения процесса; энергетические и капитальные затраты производства и др. Важно выбрать критерий эффективности так, чтобы он достаточно полно характеризовал качество функционирования ХТП. Для этого он должен учитывать все основные особенности и свойства системы, условия ее работы и взаимодействия с внешней средой.

Этап 9. Решение оптимизационной задачи выбора схемы ХТП в ОМ. Этот этап выполняется по результатам полученных данных н предыдущих этапах. Записывается математическая модель ХТП для всех альтернативных вариантов в общем виде с учетом граничных условий проведения процесса [6]. Далее, в соответствии с интегрально-гипотетическим принципом синтеза ХТС осуществляется объединение всех вариантов схемы ХТП в ОМ в гипотетически обобщенную технологическую структуру (ГОТС). Основой построения

ГОТС является математические модели ОМ, представление в виде математических зависимостей протекания элементарных физических и химических стадий процесса, объединенных в оболочную систему. Причем, математические модели ОМ или совмещенных ТТО строятся также по блочному принципу. Далее решается задача оптимизации ГОТС. На данном этапе, в диалоговом режиме, разработчик может вмешиваться в решение задачи путем ввода или вывода используемой информации, корректировать схему и определять ее окончательный результат.



Этап 10. Выбор конструкционного модуля ( КМ ) для реализации оптимального варианта схемы ХТП. КМ - графическое отображение совокупности конструкционно-функциональных признаков элементов ХТС. При рассмотрении КМ не учитываются геометрические параметры и материал изготовления, его конкретное конструктивное оформление. ХТП могут соответствовать как конкретным элементам (например, мешалка барботер, и т.д.), так и качественным характеристикам или свойствам (например, режим движения контактирующих фаз, способы взаимодействия и пр.

Этап 11. Построение альтернативных вариантов ХТП в КМ. Поскольку каждому ОМ соответствует некоторое количество КМ, позволяющее реализовать отдельные или совмещенные стадии ХТП с определенной степенью удовлетворения, необходимо объединить все возможные варианты схемы ХТП и КМ в ГОТС. Записать математические модели КМ в виде математических зависимостей протекания физико-химических явлений в конкретном КМ.

Этап 12. Выбор критерия оптимальности КМ. Выполнение этого этапа является сложной и многофакторной задачей ввиду специфики производств заказных химических реактивов. Поэтому, выбор такого критерия основывается на опыте разработчика и предъявляемых требований исходной задачи. Такой кратностью может быть его стоимость, надежность, многофункциональность и

т.д


Этап 13. Решение оптимизационной задачи выбора КМ. На этом этапе определяют критерий оптимальности КМ, их математических моделей решается задача оптимизации ГОТС в КМ по аналогии с этапом 9.

Этап 14. Принятие решений о необходимости применения АК-методов интенсификации ХТП. Выполнение этого этапа целесообразно в случае получения значения целевой функции выходящего за пределы доверительного интервала. Основным АК-методми интенсификации ХТП является: совмещение аппаратов и их частей (например, однотипное комбинирование, совмещение функций аппаратов, совмещение функций элементов и т.д); оптимизация конструктивных параметров ( например, формы, соотношение размеров, материала, схемы движения и распределения фаз и пр. ); многократность воздействия на потоки ( например, многократная инверсия, распределение фаз по высоте, ширине и объему аппарата, многократные входные и концевые эффекты, продольное и поперечное секционирование и т.д. ); использование энергии контактирующих фаз, (например, турбулизация потоков, соударение потоков фаз, закручивание фаз, взаимное эжектирование, осцилирование, транспортирование одной фазы другой и др.); использование внешних источников энергии (например, магнитных полей, перемешивающих устройств, электрических полей, пульсаторов и т.д.).

Этап 15. Применение АК-методов интенсификации ХТП. Реализация данного этапа позволяет повысить значение целевой функции исходной задачи на 20-40 % с минимальными затратами. Методика использования АК-методов интенсификации подробно изложена в работах [ 5,8 ]. В случае выполнения этого этапа необходимо вернуться к этапу 10 для проверки и корректировки решения по выбору КМ, предназначенных для выбора ХТП.

Этап 16. Формирование схемы ХТП в КМ. Этот этап включает в себя построение иконографической модели ХТП и описание его математической модели. Немаловажным фактором здесь является разработка топологической структуры ХТС.

Этап 17. Выбор ХТМ - унифицированный технологический модуль -физически реализованная, с оптимальной формой и размерами, изготовленная из определенных материалов (например, стекло, полимер, металл и т.д.), единица оборудования. Решение математической модели с граничными условиями протекания ХТП и осуществляется окончательный выбор параметрического ряда. Конечным итогом данного этапа является выдача исходных данных и рекомендаций на монтаж и эксплуатацию ХТС.


На рис. 2. представлены основные этапы создания комбинированного агрегатированного аппарата из унифицированных модулей для производства о-толуиловой кислоты.

Практическая реализация


Наиболее распространенные в химическом производстве газожидкостные процессы (дистилляция, ректификация, хемосорбция, окисление, галогенирование, этерификация, конденсация, отгонка, десорбция и др.) Для их проведения в интенсивном режиме в соответствии с идеологией обеспечения технологической и аппаратурной гибкости ХТС на основе блочно-модульного подхода разработана блочно-модульная установка повышенной гибкости. Основными ее элементами являются два УКА. На рисунке изображена наиболее часто встречающаяся технологическая схема из УТМ. УТМ снабжены теплообменными рубашками, в которые может быть направлен нагревающий (пар, вода и др.) или охлажденный агент (вода, рассол). Обычно для увеличения гибкости установки все теплообменные устройства обвязаны так, что имеется возможность простым переключением вентилей подать в них нагревающий или охлаждающий агент. Установка реализована в нескольких вариантах на различных заводах химических реактивов и показала свою высокую эффективность.

Литература



  1. Задорский В.М. Интенсификация газожидкостных процессов химической технологии. Киев, Техника. 1979, 200 с.

  2. Задорский В.М. Интенсификация химико-технологических процессов на основе системного подхода. Киев, Техника. 1989, 208 с.

  3. Нагиев М.Ф. Химическая рециркуляция. М. Наука, 1978, 87 с.

  4. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. М. ГосХимИздат, 1962, 367 с.

  5. Промтов М.А. Машины и аппараты с импульсными энергетическими воздействиями на обрабатываемые вещества. М. Машиностроение-1,2004, 324 с.

  1. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. М. Химия, 1969, 412 с.

  2. Принципы создания гибкой химической техники для производств химических реактивов.. Яковенко М.М., Задорский В.М., Малышев Р.М., Шариков Ю.В., Русалин С.М., Лунев В., Матюхин Г.В., Жиденко В.Ф. Обз. информ. / ИРЕА. М.: НИИТЭХИМ. 1990. - (Сер. «Реактивы и особо чистые вещества»).

  3. Гепьперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. М. Химия, 1981. 367 с.

  4. Ф о к и н А. П. и др. Комбинированные аппараты в производстве химических реактивов Обз. информ ./ИРЕА. М. НИИТЭХИМ, 1984. - (Сер. "Реактивы и особо чистые вещества").

  5. Кафаров В. В. и др. Принципы создания безотходных химических производств. М. Химия, 1982.




© ГВУЗ УГХТУ / каф. ОХП


скачать файл



Смотрите также:
«инженерные средства и методы оптимизации химических производств» / 17-19 мая 2011 г
181.27kb.
Специальность «Экономика труда» (080104) (5,5 лет)
58.46kb.
Методы оптимизации
31.28kb.
Группа специальностей: 05. 17
21.24kb.
Проведение работ по оценке остаточной работоспособности технологического оборудования нефтепререрабатывающих, нефтехимических и химических производств
694.81kb.
Цель, задачи, объект, предмет, методы и структура дисциплины «Безопасность жизнедеятельности»
34.45kb.
Европа 2011: глобальное и локальное Научная конференция студентов и магистрантов 13-15 мая 2011
38.09kb.
Сокровища Западной Украины Даты заездов: 10. 07. 2011, 24. 07. 2011, 07. 08. 2011, 21. 08. 2011, 04. 09. 2011, 18. 09. 2011, 02. 10. 2011, 16. 10. 2011, 30. 10. 2011 Продолжительность: 6 дней Стоимость: от 1697 грн все экскурсии включены
144.42kb.
Программа дисциплины «Математический анализ»
488.19kb.
Рабочая программа дисциплины «Инженерные сети и оборудование территорий, зданий и стройплощадок»
289.61kb.
Пояснительная записка к проекту окончательной редакции национального стандарта гост р50746-2013 (мэк 62003: 2009) Объекты использования атомной энергии. Технические средства
207.11kb.
Гринчар николай григорьевич
496.45kb.