WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 19 |
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский политехнический университет» В. В. Бочкарев В. В. Бочкарев Оптимизация технологических процессов органического синтеза Рекомендовано Сибирским региональным учебнометодическим центром высшего профессионального образования для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению подготовки 240100 «Химическая технология» Издательство Томского политехнического университета 2010 Created with novaPDF Printer (www.novaPDF.com) УДК 66.012 ББК 35.61я73 Б866 Бочкарев В.В.

Б866 Оптимизация технологических процессов органического синтеза: учебное пособие / В.В. Бочкарев. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – 185 с.

В пособии даны основные понятия по оптимизации технологических процессов органического синтеза, критериях оптимизации, эффективности процессов, удельной производительности химических реакторов. Основное внимание уделено рассмотрению влияния управляющих параметров процесса концентраций исходных реагентов, давления, температуры, типа реакционного аппарата на наиболее важные показатели технологического процесса: степень конверсии, удельную производительность, выход, селективность.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 240100 «Химическая технология», инженерно-техническим и научным специалистам, специализирующихся в области химической технологии органических веществ.

УДК 66.012 ББК 35.61я73 Рецензенты:

Доктор химических наук, заведующий кафедрой технологии нефтехимических и углехимических производств Санкт-Петербургского Государственного Технологического института (Технического университета) В.М. Потехин Кандидат химических наук, главный технолог института химии нефти СО РАН, г. Томск А.В. Борило © Бочкарев В.В., 2010 © Томский политехнический университет, © Оформление. Издательство Томского политехнического университета, Created with novaPDF Printer (www.novaPDF.com) СОДЕРЖАНИЕ 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПОЛОЖЕНИЯ ОПТИМИЗАЦИИ ХИМИКОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ................................................................................................1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ......................................................................................................................1.2. ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.....................................1.2.1. Технологические критерии эффективности.........................................................................1.2.2. Экономические критерии эффективности......................................................................... 1.3. ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ................ 2. СТЕПЕНЬ КОНВЕРСИИ – ПАРАМЕТР ОПТИМИЗАЦИИ....................................................... 3. УДЕЛЬНАЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ РЕАКТОРОВ............................................................. 3.1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ................................................................. 3.1.1. Идеальный периодический реактор полного смешения (ПР).............................................. 3.1.2. Непрерывный реактор идеального вытеснения (РИВ)....................................................... 3.1.3. Непрерывный реактор идеального смешения (РИС).......................................................... 3.1.4. Каскад реакторов идеального смешения (КРИС)............................................................... 3.2. УДЕЛЬНАЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ИДЕАЛЬНЫХ РЕАКТОРОВ.......................................................... 3.3. УДЕЛЬНАЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ КАСКАДА РЕАКТОРОВ УДЕЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ......................... 3.4. УДЕЛЬНАЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ СОЧЕТАНИЙ ИДЕАЛЬНЫХ РЕАКТОРОВ................... 3.5. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА НА УДЕЛЬНУЮ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ РЕАКТОРОВ.................. 4. СЕЛЕКТИВНОСТЬ И ВЫХОД В СЛОЖНЫХ РЕАКЦИЯХ...................................................... 4.1. ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ ИСХОДНЫХ РЕАГЕНТОВ И СТЕПЕНИ ИХ КОНВЕРСИИ НА СЕЛЕКТИВНОСТЬ И ВЫХОД В СЛОЖНЫХ РЕАКЦИЯХ............................................................................................................ 4.1.1. Необратимые параллельные реакции.................................................................................. 4.1.2. Последовательные необратимые реакции.......................................................................... 4.1.3. Системы необратимых параллельных и последовательных реакций................................ 4.1.4. Сложные реакции с обратимыми стадиями...................................................................... 4.2. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СЕЛЕКТИВНОСТЬ И ВЫХОД В СЛОЖНЫХ РЕАКЦИЯХ............................ 4.3. ВЛИЯНИЕ ТИПА РЕАКТОРОВ И СПОСОБА ВВЕДЕНИЯ РЕАГЕНТОВ НА СЕЛЕКТИВНОСТЬ И ВЫХОД В СЛОЖНЫХ РЕАКЦИЯХ........................................................................................................................... Задания к самостоятельной работе.......................................................................................... 5. ОПТИМИЗАЦИЯ РАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССОВ.................................................................. 5.1. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ, РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ.......... 5.2. РАСЧЕТ РАВНОВЕСНОГО СОСТАВА СЛОЖНЫХ РЕАКЦИЙ............................................................... 5.3. УПРАВЛЕНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ РАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССОВ........................................................ Влияние соотношения исходных реагентов на равновесие сложных химических процессов.... Влияние давления на равновесие сложных химических процессов............................................. Влияние температуры на равновесие сложных химических процессов..................................... Выбор способа производства...................................................................................................... Задания к самостоятельной работе.......................................................................................... 6. ПРИМЕНЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКИХ КРИТЕРИЕВ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ РЕАКЦИОННОГО УЗЛА.................................................................................................................. Задания к самостоятельной работе.......................................................................................... ПЕРЕЧЕНЬ РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................... ПРИЛОЖЕНИЕ А.............................................................................................................................. Created with novaPDF Printer (www.novaPDF.com) ПРЕДИСЛОВИЕ Современное химическое производство представляет собой сложную химико-технологическую систему (ХТС), состоящую из большого количества аппаратов и технологических связей между ними. Следовательно, разработка и эксплуатация производства – требует знания как общего подхода к проблеме, так и большого количества вопросов, непосредственно связанных с ХТС.



При разработке новой ХТС или модернизации существующей, основная задача заключается в создании высокоэффективного химического производства, т.е. такого объекта химической промышленности, который позволит получать продукцию заданного качества в требуемом объеме наиболее экономически целесообразным путем. При эксплуатации существующей ХТС необходимо таким образом управлять производством, чтобы при высокой производительности и низких капитальных и текущих затратах обеспечить получение продукта требуемого качества. Кроме того, при эксплуатации ХТС необходимо не только понимать принципы организации и функционирования производства, заложенные в технологическую схему при ее проектировании, но и учитывать колебания на рынке сырья и продукции, изменение параметров сырья, требований к конечной продукции, а также непрерывное изменении параметров работы оборудования вследствие непрерывного расходования его ресурсов, возможных аварий, пусков, остановок и т.д.

Это приводит к тому, что начинают предъявляться повышенные требования к качеству инженерной подготовки технологических кадров, которые в будущем будут управлять производством и проводить его реконструкцию.

Основой управления и оптимизации химико-технологических процессов органического синтеза является знание термодинамических и кинетических закономерностей, механизмов химических реакций при использовании различных инициаторов и катализаторов, теории химических реакторов. Все эти вопросы рассматриваются в дисциплине «Теория химико-технологических процессов органического синтеза» и изложены в учебниках: Лебедев Н.Н., Манаков М.Н., Швец В.Ф. Теория химических процессов основного органического и нефтехимического синтеза. М.: Химия, 1984. 376 с.; Потехин В.М., Потехин В.В. Основы теории химических процессов технологии органических веществ и нефтепереработки. СПб: ХИМИЗДАТ, 2007. 944 с.

Настоящее учебное пособие предназначено для углубленного изучения вопросов управления химико-технологическими процессами синтеза органических веществ. Цель пособия дать студентам представле Created with novaPDF Printer (www.novaPDF.com) ния об основных принципах и методах анализа, моделирования, управления и оптимизации технологических схем производства органических веществ, с учетом взаимодействия между аппаратами при существующих технологических и аппаратурных ограничениях, требованиях по производительности и качеству продукции и т.п.; научить студентов использовать теоретические знания о химико-технологическом процессе для его управления и оптимизации.

При составлении данного пособия, учитывалось, что студенты прослушали курсы «Применение ЭВМ в химической технологии», «Теория химико-технологических процессов органического синтеза», «Основы проектирования и оборудование предприятий органического синтеза» и они знакомы с основными математическими методами оптимизации химико-технологических процессов, теоретическими основами технологических процессов органического синтеза и основами расчета и проектирования химических реакторов.

В настоящем учебном пособии основное внимание уделено рассмотрению влияния управляющих параметров таких, как концентрация исходных веществ, давление, температура, тип реакционного аппарата на наиболее важные показатели химико-технологического процесса:

степень конверсии, удельную производительность, выход, селективность.

В первой главе рассмотрены: методология общего подхода при постановке задачи оптимизации; основные виды критериев оптимальности.

Каждая из последующих глав пособия содержит основные теоретические положения, практические рекомендации, примеры решения задач.

Содержание курса излагается в основном на примерах расчета химических реакторов с использованием простейших математических моделей (модели смешения и вытеснения, каскада реакторов смешения). Математические выкладки не выходят за рамки обычной программы курса математики для химиков-технологов.

Настоящее пособие рекомендуется использовать в процессе занятий, для подготовки к контрольным работам, зачетам и экзаменам, при выполнении курсовых и дипломных проектов и работ.





Авторы с признательностью примут все пожелания и замечания читателей настоящего пособия.

Created with novaPDF Printer (www.novaPDF.com) 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПОЛОЖЕНИЯ ОПТИМИЗАЦИИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Целью любой деятельности специалистов в сфере химического производства в конечном итоге является поиск наилучших условий проведения технологических процессов, проектирование и организация рациональных технологических схем, оптимальных экспериментальных исследований.

Задача оптимизации ХТС является комплексной, т.к. она включает в себя как оптимизацию структуры, так и оптимизацию режимов функционирования элементов. Основной целью оптимизации ХТС является обеспечение наиболее высоких технико-экономических показателей. Понятие «оптимизация» можно определить следующим образом.

Оптимизацией называется целенаправленная деятельность, заключающаяся в получении наилучших результатов при соответствующих условиях. Оптимизация – процесс достижения наилучших или определение (нахождение) наиболее благоприятных условий проведения какого-либо процесса (действия). В приложении к технологическому процессу – определение наилучших условий проведения процесса.

Исторически, сама проблема оптимизации возникла с техническим прогрессом и появлением конкуренции, т.е. производители одинаковых товаров стали искать условия выпуска продукции, позволяющие выпускать один и тот же товар с минимальными издержками. Поиски оптимальных решений привели к созданию специальных математических методов и уже в 18 веке были заложены математические основы оптимизации (вариационное исчисление, численные методы и др.). Однако до второй половины 20 века методы оптимизации во многих областях науки и техники применялись очень редко, поскольку практическое использование математических методов оптимизации требовало огромной вычислительной работы, которую без ЭВМ реализовать было крайне трудно, а в ряде случаев – невозможно. Особенно большие трудности возникали при решении задач оптимизации процессов в химической технологии из-за большого числа параметров и их сложной взаимосвязи между собой.

Любая оптимизация предполагает наличие множества вариантов функционирования системы, оценка которых позволяет выявить, какой вариант лучше. При постановке задачи оптимизации необходимо иметь количественную оценку качества работы оптимизируемой системы, ко Created with novaPDF Printer (www.novaPDF.com) торая позволяет сравнивать различные состояния системы между собой.

Эта количественная оценка носит название критерия оптимизации.

При постановке задачи оптимизации необходимо требовать достижения экстремального значения лишь одной величины. Таким образом, одновременно системе не должно приписываться два или более критериев оптимальности, поскольку практически во всех случаях экстремум одного критерия не соответствует экстремуму другого. Поэтому неправильная постановка задачи: получить максимальную производительность при минимальной себестоимости продукта; правильная постановка задачи: получить максимальную производительность при заданной себестоимости или получить минимальную себестоимость при заданной производительности. В первом случае критерий оптимальности – производительность, во втором – себестоимость.

При постановке задачи оптимизации необходимо иметь возможность вариации состояний системы, причем количество вариантов различных ее состояний зависит от вида и числа степеней свободы оптимизируемой системы. Параметры, позволяющие реализовать различные варианты состояния системы, носят название управляющих воздействий или управлений. К управлениям могут быть отнесены самые различные параметры. Например, если в аппарате с мешалкой проводится химическая реакция типа A R S и качество работы этого аппарата оценивается концентрацией промежуточного продукта R, то различные значения концентрации СR могут быть получены при различных нагрузках на аппарат W0, различных температурах в аппарате Т и т. д. Если по условиям данного производства имеется возможность изменять W0 и Т, то обе эти величины являются управляющими параметрами в данном процессе. Если аппарат только проектируется, и на этом этапе можно изменять реакционный объем аппарата Vр, величина которого также определяет CR, то объем реактора также является управляющим параметром в данном процессе.

При решении задача оптимизации находят такие значения управляющих параметров, при которых критерий оптимальности достигает экстремума.

1.2. ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ХИМИКОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ При оптимизации химико-технологических систем (ХТС) качество функционирования систем определяют с помощью критериев, или показателей эффективности, под которыми понимают числовые характеристики системы, оценивающие степень приспособления системы к выполнению поставленных перед ней задач.

Created with novaPDF Printer (www.novaPDF.com) Критерием оптимальности называется количественная оценка качества работы оптимизируемой системы. Критерий оптимальности – это главный признак, по которому судят о том, насколько хорошо функционирует технологическая система, работает данный процесс, и т.д., а также, насколько хорошо решена задача оптимизации.

Критерий оптимальности является одним из выходных параметров системы, и, к нему предъявляются следующие требования:

1. критерий оптимальности должен выражаться количественно;

2. критерий оптимальности должен быть единственным;

3. величина критерия оптимальности должна изменяться монотонно (без разрывов и скачков);

4. критерий оптимальности должен отражать наиболее существенные стороны процесса;

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 19 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.