Алгоритм автоматизированного поиска абсорбента

Для того чтобы обеспечить высокую селективность, абсорбент должен создать сильно неидеальную систему хотя бы с одним из компонентов разделяемой смеси, т. е. чтобы 5″ в уравнении (1.13) приняло значение, отличное от единицы. Ниже (1.6.1) сложное химическое соединение рассматривается как смесь молекулярных функциональных групп. Каждой к-й функциональной группе соответствуют величины Q*, R*, которые вносят свой вклад при расчете у, для /-го компонента. Поэтому можно предположить, что молекулярные функциональные группы являются условными «носителями» свойств и характеристик тех химических соединений, которые они формируют. В этом случае понятие «эффективность», присущее поглотителям — абсорбентам, распространяется и на функциональные группы, т. е. эффективные абсорбенты будут состоять из «эффективных» групп. Поэтому при поиске веществ, удовлетворяющих правилу Sj° * 1, условимся рассматривать функциональные группы как компоненты и будем рассчитывать селективность для этих псевдокомпонентов. Такой подход позволит значительно ускорить процедуру поиска оптимального абсорбента, так как, оперируя функциональными группами, набор которых значительно меньше, чем веществ, мы получаем возможность быстро определить «эффективные» группы, обусловливающие максимальную селективность и относящиеся к определенному классу веществ. Из этого класса легко выделить вещество, максимально поглощающее необходимые разделяемые компоненты. Для того чтобы проверить применимость найденного абсорбента при практически реализуемых концентрациях, удобно использовать х — у-диаграмму. По такой диаграмме эффективность различных абсорбентов легко определяется визуально.

Рис. 1.5. Блок-схема алгоритма поиска эффективного абсорбента.

На основании вышесказанного разработан алгоритм автоматизированного поиска эффективного абсорбента для разделения веществ с близкими физико-химическими свойствами. Блоксхема алгоритма изображена на рис. 1.5. Алгоритм работает следующим образом. В исследуемой системе разделяемых веществ выделяются ключевые компоненты. Ключевыми компонентами являются вещества, имеющие близкие физико-химические свойства (например, температуры кипения), что затрудняет их разделение. Для системы, представленной ключевыми компонентами, используя массив функциональных групп 1.1, по критерию Sf осуществляется поиск «эффективных» групп и сочетаний групп по модели UNIFAC — блок 1. На этой стадии коэффициенты фугитивности не учитываются.

Поскольку число сочетаний может быть необозримо большим, для уменьшения размерности задачи поиска предлагается несколько ограничений, позволяющих сузить область поиска:

• 1) осуществлять поиск в две стадии: на первой стадии проводить перебор только по единичным группам; число сочетаний, проверяемых на второй стадии расчета, определяется числом «эффективных» групп, выявленных на первой стадии;
• 2) используя дополнительную информацию о процессе или разделяемой системе, проводить поиск среди групп, формирующих определенный класс абсорбентов, включающих, например, ароматические углеводороды, спирты, эфиры, карбонильные соединения и т. д.

По окончании работы блока /, заполняется массив претендентов М.П.1 — блок 2. Здесь по порядку возрастания селективности расположены отдельные группы и их комбинации. В блоке 3 выполняется поиск веществ, содержащих «эффективные» группы и комбинации групп. Банк данных «Вещества — свойства» — блок 3.1 — содержит химические соединения, выраженные через функциональные группы и свойства этих соединений. Чтобы ограничить объем банка, в него можно включать вещества, имеющиеся в наличии или производимые только на конкретном химическом предприятии, для которого разрабатывается процесс, в объединении предприятий, географическом регионе и т. д. В основу банка положена система управления базой данных. Информация из блока 3.1 является входной для блока «Экономический фильтр» — 3.2. Функции «Экономического фильтра» заключаются в экономической оценке — «фильтрации» всего набора найденных абсорбентов, т. е. исключение из списка веществ, не удовлетворяющих заранее принятым требованиям. Требования подразделяются на физикохимические и административно-снабженческие. Свойства оцениваемого абсорбента вносятся в матрицу. В зависимости от своего значения они снабжаются весовыми факторами. Для каждого абсорбента свойства оцениваются качественно и количественно, и по ним задается число точек, которые перемножаются на весовые факторы. Абсорбент с наивысшим взвешенным числом точек рассматривается как оптимальный и вносится в массив претендентов М.П.2 — блок 4. Размерность массива М.П.2 определяется практической целесообразностью. В случае отсутствия в банке данных веществ, включающих конкретные функциональные группы или их комбинации, блок 3 передает информацию в блок 3.3, где осуществляется синтез новых абсорбентов, т. е. поиск заменителей гипотетических абсорбентов, максимально удовлетворяющих требованиям по количественному и качественному составу функциональных групп. Синтез может осуществляться как обычными химическими методами — блок 3.3.2 — в лаборатории, так и на ЭВМ — блок 3.3.1 — с использованием банка данных. При этом функциональный состав абсорбента разбивается на «корневые» и «периферийные» группы. «Корневые» группы обладают Максимальными суммарными значениями Q* и Л* для данного абсорбента. «Периферийные» группы — соответственно меньшими значениями комбинаторной уV и резидентной у" составляющих коэффициента активности.

(см. уравнения 1.31, 1.32). Определяющими в поиске заменителя будут «корневые» группы.

Блок 5 предназначен для выбора из массива М.П.2 группы наилучших абсорбентов. Здесь используются критерии.

Sj° и К®. Если абсорбент комплексный, т. е. представляет собой смесь веществ, то расчет S® и ЛГ® производится при различных соотношениях компонентов, составляющих абсорбент. Максимальные значения 5® и А',® определяют оптимальный состав выбранного абсорбента для разделения данной смеси. Результаты работы блока 5 заносятся в массив претендентов М.П.З — блок 6. В блоке 7 рассчитывается и строится диаграмма х — у для разделяемых веществ в присутствии различных абсорбентов, взятых из блока М.П.З. В блоке <9 проводится проверочный расчет технологической установки, включающей абсорбер и десорбер.

Разработанный алгоритм был использован при поиске оптимального абсорбента для извлечения углеводородов С₄-С§ из состава пирогаза в производстве этилена. В качестве ключевых компонентов исходной смеси были взяты пропилен (/) и дивиТаблица 1.1. Расчетные значения селективности (I) и емкости (II) и экспериментальные — относительной эффективности (III) для различных поглотителей.

нил (2). Учитывая особенности предприятия, были выявлены эффективные функциональные группы, дающие максимальный эффект селективности, а затем и поглотители, содержащие эти группы из числа соединений в классе ароматических поглотителей. В табл. 1.1 приведены экспериментальные и рассчитанные значения селективности и емкости для систем, содержащих ключевые компоненты и выбранные поглотители. Значения.

S? и К™ рассчитывались соответственно по формулам (1.14) и (1.15).

Из таблицы видно, что оптимальным поглотителем можно считать этилбензол. Несмотря на хорошие показатели селективности и емкости, бензол и толуол исключаются «Экономическим фильтром» из списка наилучших поглотителей, так как они не удовлетворяют требованиям регенерации, поскольку у них низкая температура кипения. Для иллюстрации преимущества этилбензола над изопропилбензолом построим х — у- диаграмму. При построении диаграммы концентрации пропилена и дивинила изменяются, а концентрация поглотителя остается постоянной.

Перейдем от мольной концентрации х и у к безразмерной.

На рис. 1.6 приведены равновесные кривые для трех систем: без поглотителя; с поглотителем — этилбензолом; с по;

Рис. 1.6. Диаграмма равновесия для системы пропилен (/) — дивинил (2) в присутствии абсорбентов:

1 - этилбензол; 2 — изопропилбензол; 3 — без абсорбента глотателем — изопропилбензолом. Выбранные поглотители прошли опытные испытания. Поглощающая способность абсорбентов оценивалась относительной эффективностью. Из табл. 1.1 видно, что оптимальным поглотителем является этилбензол. Таким образом, экспериментально подтверждена правильность теоретических предсказаний оценки эффективности и выбора оптимального поглотителя.