Алгоритмическое и программное обеспечение для анализа и принятия решения при создании технологических схем непрерывной ректификации

Одним из основных этапов создания любого нового химического производства является разработка и оптимизация его технологической схемы. Перед разработчиками новой технологии ставится задача получения целевых продуктов при минимальном расходе сырья и энергии без загрязнения окружающей среды. Ректификация — широко распространенный способ получения продуктов заданных качеств. Синтез оптимальной схемы разделения и в настоящее время остается сложной задачей ввиду ее многовариантности, отсутствия простых и однозначных методов выбора варианта, а для азеотропных смесей — и из-за наличия термодинамических ограничений при реализации отдельных этапов разделения. При выборе оптимального варианта ректификационной системы обязательно применение системного подходарассмотрение единства отношений и связей отдельных ее элементов, так как каждый аппарат выполняет свою функцию благодаря существующей структуре и взаимодействий с другими элементами. Системный подход предполагает определение цели, границ системы, независимых переменных и ограничений, с учетом которых разрабатываются варианты технологических схем и делается предварительный выбор варианта. Для этого необходимо сиздание программного продукта на основе анализа закономерностей, присущих отдельным элементам рассматриваемой системы.

Целью данной работы является создание программного продукта, позволяющего принимать решение о топологии схемы разделения многокомпонентных азеотропных смесей разработка с использованием системного подхода и термодинамико-топологического анализа.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

• Оценка на основе теории динамических систем влияния параметров на процесс разделения.

• Разработка программного комплекса для оценки реализуемости разделения и определения граничных значений параметров при обычной и экстрактивной ректификации.

• Разработка программного комплекса для определения диапазона параметров, в котором возможно существование нескольких стационарных профилей.

Первая глава посвящена обзору литературы по использовании динамических систем и математических методов для анализа процесса ректификации.

Во второй главе рассматривается системный подход при разработке технологических систем непрерывной ректификации и разработанный программный комплекс для получения линий стационарности динамических систем ректификации. ч.

Третья глава посвящена исследованию динамических систем двухи трехсекционных ректификационных колонн. В результате анализа получены и реализованы алгоритмы определения граничных параметров и проверки реализуемости процесса.

В четвертой главе рассмотрено разработанное программное обеспечение для исследования полистационарности ректификационного процесса на основе фазового портрета смеси.

В пятой главе описана методика проверки и выбора ректификационной схемы разделения с использованием обобщенных сетей Петри.

1. Литературный обзор

1. Атанасов К. Т., Въведение в теорията на обобщените мрежи, Бургас, 1992.

2. Готлиб В. А., Мозжухин A.C. Митропольская В. А. Анализ динамических систем ректификации. ТОХТ, 1994, т.28, 1, с.69−72.

3. Давиденко, Д.Ф. «О новом методе численного решения системы нелинейных уравнений», Докл. Акад. Наук СССР, 88, 601, 1953.

4. Жаров В. Т., Серафимов JI.A. Физико-химические основы дистилляции и ректификации, JL, Химия, 1975.

5. Кушнер, Т.М., Г. В. Шутова, В. М. Раева, Л. А. Серафимов, ЖФХ, 1992, 66,3.

6. Митропольская В. А., Мозжухин A.C., Андреева JI.B. Стыковка траекторий ректификации в колоннах бесконечной еффективности при наличии нулевиих концентраций в продуктах., В сб. «Физико-химические основы ректификации» М., МИХМ, 1976, с.138−146.

7. Митропольская В. А., А. С. Мозжухин, Н. К. Тихонова, Г. Е. Шульга, Сб. «Основной органический синтез и нефтехимия», Ярославль, 1982,17, 53.

8. Митропольская В. А., Я. Ч. Дорожинский, А. В. Анисимов, «Некоторые альгоритмы исследования динамических систем ректификации» .

9. Мозжухин, A.C., Митропольская В. А., Батищева Н. Е. Термодинамико-топологический анализ динамических систем экстрактивной ректификации. М, МИТХТ, 1989. Деп. в ОНИИТЭХИМ, г. Черкассы, N 648-хп-89.

10. Мозжухин A.C., Митропольская В. А., Тихонова Н. К. Анализ структуры диаграмм парожидкостного равновесия М, МИТХТ, 1988, 92с.

11. Мозжухин A.C., В. А. Митропольская, «Исследование сопряженниих динамических систем ректификации» .

12. Мозжухин A.C., Готлиб В. А. «Анализ динамических систем дистилляции и ректификации», ТОХТ, 1987, т.21, 3, 291с.

13. Мозжухин A.C., Митропольская В. А. «О стыковке траекторий ректификации в колоннах бесконечной еффективности.» В сб. «Физико-химические основы ректификации» -М., МИХМ, 1976, с.131−137.

14. Николаев Е. С., В. Н. Кива, А. С. Мозжухин, Л. А. Серафимов, С. И. Голобородкин, «Использование функциональных операторов для определения областей непрерывной ректификации», ТОХТ, 1979, 13, 4, 493−498.

15. Петлюк Ф. Б., Б. С. Аветян «Исследование ректификации трехкомпонентниих смесей при бесконечной флегме. ТОХТ, 1971, V, 4, 499−507.

16. Пономарев В. Н., Саксонова О. И., Тимофеев B.C., ТОХТ, 1996, том 30, 4, с.383 391.

17. Тихонова, Н.К., Т.В. Данилова-Данилян, A.C. Мозжухин. Системы автоматизированного проектирования в химической и нефтехимической технологии, М., МИТХТ, 1978, 50.

18. Allgower Е., K. Georg, «Simplicial and Continuation Methods for Approximating Fixed Points and Solutions to System of Equations», SLAM Review, 1980, 22, 1, 28−77.

19. Aluko M., «Abode: A computer Package for Bifurcational Analyses of Autonomous Ordinary Differential Equations», Comp. and Chem. Eng., 1985, 4, 411−412.

20. Atanassov, K. /'Generalized Nets", World Scientific, Singapore, New Jersey, London, 1991.

21. Atanassov, K., «Generalized Nets and Systems Theory», Prof.M.Drinov Academic Publishing House, Sofia, 1997.

22. Atanassov, K., «Generalized Nets in Artificial Intellegence», Vol.1 Generalized Nets and Expert Systems, Prof.M.Drinov" Academic Publishing House, Sofia, 1998.

23. Atanassov, K., «Intuitionistic Fuzzy Sets», Spriger-Verlag, Heidelberg, 1999.

24. Atanassov, K., A, Shanon, C. Wong, «Generalized Nets and Cognitive Science», KvB Visual Concepts Pty Ltd, Sydney, 2000.

25. Atanassov, K., H. Aladjov, Generalized Nets in Artificial Intellegence, Vol.2 Generalized Nets and Machine Learning, Prof.M.Drinov" Academic Publishing House, Sofia, 2001.

26. Atanassov, K., R. Christov, «Program Package for Generalized Nets», Petri Nets Newsletter 42, Aug. 1992, 23−26.

27. Atanassov, K., R. Christov, «About the programm realization of the generalized nets», Advances in Modelling «^Analysis, AMSE Press., Vol.17, 1, 1993, 13−24.

28. Bekiaris N., G.M.Meski, C.M.Radu, M. Morari, «Multiple Steady States in Homogeneous Azeotropic Distillation», Ind.Eng.Chem.Res., 1993, 32, 2023;2038.

29. Bekiaris N., G.M.Meski, M. Morari, «Multiple Steady States in Heterogeneous Azeotropic Distillation», Ind.Eng.Chem.Res., 1996, 35, 207−227.

30. Bennett, J.M., «Triangular Factors of Modified Matrices, Numer. Math., 7,217, 1965.

31. Bogle, I.D. L., J.D. Perkins, «Improvements to Sparse Quasi-Newton Methods for Algebraic Systems», Proc. Chem. Eng. Fund. XVIII Cong., Sicily, 47, 1987.

32. Broyden, C.G. «A Class of Methods for Solving Nonlinear Simultaneous Equations», Math. Comp., 19, 577, 1965.

33. Byrne G.D., L.A.Baird, «Distillation Calculations Using a Locally Parameterized Continuation Method», 1985, 9, 6, 593−599.

34. Cairns B.P., I.A.Furzer, «Multicomponent Three-Phase Azeotropic Distillation. Modern Thermodynamics Models and Multiple Solutions «, Ind.Eng.Chem.Res., 1990, 29, 1383.

35. Chen H.-S., M.A.Stadtherr, «On Solving Sparse Nonlinear Equation Systems», Comp.Chem.Eng., 1984, 8, 1, 1−7.

36. Doherty M.F., G.A. Caldarola, «Design and Synthesis of Homogeneous Azeotropic Distillations. 3. The Sequencing of Columns for Azeotropic and Extractive Distillations», Ind. Eng. Chem. Fundam, 1985, 24, 474−485.

37. Doherty M.F., J.D. Perkins ," On the Dinamics Of Distillation Processes. The Simple Distillation of Multicomponent Nonreacting, Homogeneous Liquid Mixtures", Chem.Eng.Sci., 1978, 569−578.

38. Fidkowski Z.T., M.F.Doherty, M.F.Malone, «Feasibility of Separation for Distillation of Nonideal Ternary Mixtures», AIChE J., 1993, 39, 8, 1303−1320.

39. Fidkowski Z.T., M.F.Malone, M.F. Doherty, «Nonideal Multicomponent Distillation: Use of bifurcation Theory for Design», AIChE J., 1991, 37, 12, 1761−1779.

40. Fletcher J.P., J.E.Ogbonda, «A Modular Equation-Oriented Approach to Dynamic Simulation of Chemical Processes», Comp.Chem.Eng., 1988, 12, 5, 401−405.

41. Gani R., S. B Jorgensen, «Multiplicity in Numerical Solution of Nonlinear ModelsrSeparation Processes», Comp.Chem.Eng., 1994,18, S55.

42. Helfferich F.G., «Multiple Steady States in Multicomponent Countercurrent MassTransfer Processes», Chem.Eng.Sci., 1993, 48, 4, 681.

43. Jacobsen E.W., S. Skogestad, «Multiple Steady States in Ideal Two-Product Distillation», AIChE J., 1991,37,1810.

44. Jelinek, J., «The Calculation of Multistage Equilibrium Separation Problems With Various Specifications», Comp.Chem.Eng., 1988,12, 3,195−198.

45. Julka V., M.F.Doherty, «Geometric Behavior and Minimum Flows for Nonideal Multicomponent distillation», Chem.Eng.Sci., 1993, 45, 7, 1801−1822.

46. Julka V., M.F.Doherty, «Geometric Nonlinear Analysis of Multicomponent Nonideal Distillation: A Simple Computer-Aided Design Procedure», Chem. Eng. Science, 1992, 1367.

47. Kienle A., W. Marquardt ," Steady State Multiplicities in Homogeneous Azeotropic Distillation Processes", AIChE An. Meeting, Miami, 1992.

48. Kienle, A., W. Marquardt, «Bifurcation Analysis and Steady-State Multiplicity of Multicomponent, Non-Equilibrium Distillation Processes», Chem.Eng.Sci., 1991, 46, 7, 1757.

49. Kingsley, J.P., A. Lucia, «Simulation and Optimization of Three-Phase Distillation Processes», Ind.Eng.Chem.Res., 1988, 27, 1900.

50. Knapp J.P., M.F.Doherty, «A New Pressure-Swing-Distillation Process for Separating Homogenious Azeotropic Mixtures», Ind.Eng.Chem.Res., 1992, 31, 346−357.

51. Knapp J.P., M.F.Doherty. Minimum Entrainer Flows for Extractive Distillation: a Bifurcation Theoretic Approach, AIChE J., 1994, 40, 2, 243−268.

52. Knight J.R., M.F.Doherty, «Design and Synthesis of Homogeneous Azeotropic Distillations. Columns with Nonnegligible Heat Effects», Ind. Eng. Chem. Fundam, 1986, 25, 279−289.

53. Koehler J., P. Poellmann, E. Blass, «A Review of Minimum Energy Calculation for Ideal and Nonideal Distillations», Ind.Eng.Chem.Res., 1995, 34,1003−1020.

54. Kovach III J.W., W.D.Seider ," Heterogenious Azeotropic DistillationHomotopy-Continuation Methods", Comp.Chem.Eng., 1987, 11, 6, 593−605.

55. Kovach III J.W., W.D.Seider, «Heterogeneous Azeotropic Distillation. Experimental and Simulation Results», AIChE J., 1987, 33, 1300.

56. Kuno M., J.D.Seader, «Computing All Real Solutions to Systems of Nonlinear Equations with a Global Fixed-Point Homotopy», Ind.Eng.Chem. Res., 1988, 27, 1320−1329.

57. Laroche L., N. Bekiaris, H.W. Andersen, M. Morari, «Homogenious Azeotropic Distillation: Separability and Flowsheet Synthesis», Ind.Eng.Chem.Res., 1992, 31, 21 902 209.

58. Laroche L., N. Bekiaris, H.W.Andersen, M. Morari, «The Curious Behavior of Homogeneous Azeotropic Distillation Implications for Entrainer Selection, AIChE J., 1992, 38, 9, 1309- 1328.

59. Levy S. G, D.B. Van Dongen, M.F.Doherty. «Design and Synthesis of Homogeneous Azeotropic Distillations. 2. Minimum Reflux Calculations for Nonideal and Azeotropic Columns», Ind. Eng. Chem. Fundam, 1985, 24, 453−474.

60. Levy S.G., M.F.Doherty, «A simple exact method for calculations tangent pinch points in multicomponent nonideal mixtures by bifurcation theoty», Chem.Eng.Sci., 1986, 41, 12, 3155−3160.

61. Levy S.G., M.F.Doherty, «Design and Synthesis of Homogeneous Azeotropic Distillations. 4. Minimum Reflux Calculations for Multiple-Feed Columns», Ind. Eng. Chem. Fundam, 1986,25, 269−279.

62. Lin W.-J., J.D.Seader, T.L.Wayburn, «Computing Multiple Solutions to Systems of Interlinked Separation Columns», AIChE J., 1987, 33, 886.

63. Lucia A., S. Macchietto, «New Approach to Approximate Quantities Involving Physical Properties Derivatives in Equation Oriented Process Design», AIChE J., 1983, 29, 5, 705.

64. Lucia, A., D.C.Miller, A. Kumar «Thermodynamically Consistent Quasi-Newton Formulae», AIChE J., 31(8), 1381, 1985.

65. Lucia A., H. Li, «Constrained Separations and the Analysis of Binary Homogeneous Separators», Ind.Eng.Chem.Res.", 1992, 31,2579.

66. Lucia A., X. Guo, R.J.Richey, R. Derebail, «Simple Process Equations, Fixed-Point Metods, and Chaos», AIChE J., 1990, 36, 5, 641−654.

67. Magnussen T., M.L.Mishelsen, Aa. Fredenslund, «Azeotropic Distillation Using Unifac», I.Chem.Eng.Symp.Ser., 56, 4.2/1−4.2/19.

68. Naphtali L.M., D.P.Sandholm, «Multicomponent Separation Calculations by Linearization», AIChE J., 1971, 17,1, 148−153.

69. Prokopakis, G.J., W.D.Seider, «Dynamic Simulation of Azeotropic Distillation Towers», AIChE J., 1983,29,6, 1017.

70. Prokopakis, G.J., W.D.Seider, «Feasible Specifications in Azeotropic Distillation», AIChE J., 1983,29,1, 49.

71. Rooks R.E., V. Julka, M.F.Doherty, M.F.Malone, «Strucrure of Distillation Regions for Multicomponent Azeotropic Mixtures», AIChE J., 1998, 44, 6, 1382−1391.

72. Rovaglio M., M.F.Doherty, «Dynamics of Heterogeneous Distillation Columns», AIChE J., 1990,36,39.

73. Schubert, L.K. «Modification of a Quasi-Newton Method for Nonlinear Equations with Sparse Jacobian», Math. Comp., 25, 27,1970.

74. Seider W.D., D.D.Brendel, S. Widagdo, «Nonlinear Analysis in Process Design», AIChE J., 1991,37, 1, 1−38.

75. Shacham M., «Comparing Software for the Solution of Systems of Nonlinear Algebraic Equations Arising in Chemical Engeneering» ,.

76. Sridhar L. N, Analisys of Two-Stage Heterpgeneous Separation Processes, AICheE J., 1996, 42, 10, 2761−2764.

77. Sridhar L. N, Lucia A., «Analisys and Algorithms for Multistage Separation Processes», Ind.Eng.Chem.Res., 1989, 28, 793−803.

78. Sridhar L. N, Lucia A., «Analisys of Multicomponent Multistage Separation Processes: Fixed Temperature and Pressure Profiles «, Ind.Eng.Chem.Res., 1990, 29,1668.

79. Sridhar L. N, Multistage Standard Spesification, AIChE J., 1997,43, 5,1369−1371.

80. Stadtherr M.A., E.S.Wood, «Sparse Matrix Methods for Equation-Based Chemical Process Flowsheeting-I», Comp.Chem.Eng., 1984, 8,1,9−18.

81. Stichlmair J., H. Offers, R.W.Potthoff, «Minimum Reflux and Minimum Reboil in Ternary Distillation», Am.Chem.Soc., 1993,.

82. Stichmair J.S., J.R.Fair, J.L.Bravo, «Separation of Azeotropic Mixtures via Enhanced Distillation, Chem.Eng.Progr, 1989, 63−69.

83. Stichmair J.G., J.-R.Herguijuela, «Separation Regions and Processes in Zeotropic and Azeotropic Ternary Distillation», AIChE J., 1992, 38,10,1523−1535.

84. V. Dongen D. B., M.F.Doherty, «Design and Synthesis of Homogeneous Azeotropic Distillations. 1. Problem Formulation for a Single Column», Ind. Eng. Chem. Fundam, 1985,24, 454−463.

85. Venkatamaran S., A. Lucia, «Solving Distillation Problems by Newton-Like Methods», Comput.Chem.Eng., 1988, 12, 55.

86. Venkataraman, S. A. Lucia «Exploiting the Gibbs-Duhem Equations in Separation Calculations», AIChE J., 32(7), 1057,1986.

87. Vickery D.J., J.J.Ferrari, R. Taylor, «An „Efficient“ Continuation Method for the Solution of Difficult Equilibrium Stage Separation Process Problems», Comp.Chem.Eng., 1988,12, 1, 1988.

88. Wahnschaft O.M., A.W.Westerberg, «Separability of Two-Feed Columns and Entrainer Selection», Ind.Eng.Chem.Res., 32, 6, 1993,1108−1120.

89. Wahnschaft O.M., J.-P. Le Rudulier, A.W. Westenberg, A problem Decomposition Approach for the Synthesis of Complex Separation Processes with Recycles, Ind.Eng.Chem.Res., 1993, 32,1121−1141.

90. Wahnschaft O.M., J.W.Koehler, E. Blass, A.W.Westerberg, «The Product Composition Regions of Single-Feed Azeotropic Distillation Columns», Ind.Eng.Chem.Res., 1992, 31, 2345−2362.

91. Watson L.T., S.C.Billups, A.P.Morgan, «HOMPACK: A Suite of Codes for Globally Convergent Homotopy Algorithms», ACM Math. Soft., 1987, 13, 3, 281−310.

92. Wayburn T.L., J.D.Seader, «Homotopy Continuation Method for Computer-Aided Process Design», Comp.Chem.Eng., 1987, 11, 1, 7−25.

93. Westman, K.R., A. Lucia, D.C.Miller «Flash and Distillation Calculations by a NewtonLike Method» Comp.Chem. Eng. 1984, 8,219.

94. Widagdo S., W.D. Seider, D.H.Sebastian, «Bifurcation Analysis in Heterogeneous Azeotropic Distillation», AIChE J., 1989, 35, 9, 1457.

95. Widagdo S., W.D. Seider, D.H.Sebastian, «Dynamic Analysis of Heterogeneous Azeotropic Distillation», AIChE J., 1992,38, 9,1457?

96. Widagdo S., W.D.Seider, «Azeotropic Distillation», AIChE J., 1996, 42,1, 96−130.