Боровкова Екатерина Александровна. Моделирование технологических процессов с газофазными гетерогенно-каталитическими реакциями в производствах синтез-газа и ароматических углеводородов

Краткое описание

Боровкова Екатерина Александровна. Моделирование технологических процессов с газофазными гетерогенно-каталитическими реакциями в производствах синтез-газа и ароматических углеводородов: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.17.04 / Боровкова Екатерина Александровна;[Место защиты: «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева»].- Москва, 2016

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева
На правах рукописи
Боровкова Екатерина Александровна
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С
ГАЗОФАЗНЫМИ ГЕТЕРОГЕННО-КАТАЛИТИЧЕСКИМИ РЕАКЦИЯМИ
В ПРОИЗВОДСТВАХ СИНТЕЗ-ГАЗА И АРОМАТИЧЕСКИХ
УГЛЕВОДОРОДОВ
Специальности: 05.17.04 - технология органических веществ,
05.13.18 - математическое моделирование, численные методы и комплексы
программ.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: д.т.н., профессор Гартман Т.Н.
Научный консультант: д.х.н., профессор Сапунов В.Н.
Москва 2016 г.
Оглавление
Введение 4
1. Анализ современного состояния научных исследований в области разработки
технологий газофазных гетерогенно-каталитических процессов с применением
пакетов прикладных программ 11
1.1. Обзор методов компьютерного моделирования химических реакторов и
процессов ректификации 11
1.2. Обзор работ по определению кинетических констант 17
1.3. Обзор технологий получения ароматических углеводородов 20
1.4. Обзор технологий получения синтез-газа 26
1.5. Обзор пактов моделирующих программ 33
1.6. Обзор систем компьютерной математики 39
2. Разработка стратегии моделирования газофазных гетерогенно-каталитических
реакторных процессов с применением пакетов прикладных программ 41
2.1. Ароматизация легких алканов из пропан-бутановой смеси 42
2.1.1. Математическое моделирование процесса ароматизации и нахождение
кинетических констант 42
2.1.2. Определение кинетических констант 46
2.1.3. Кинетическое моделирование процесса ароматизации лёгких алканов 47
2.1.4. Анализ влияния макрокинетических факторов на результаты процесса с
использованием разработанной модели 51
2.1.4.1. Расчет опытного реактора ароматизации легких алканов 53
2.1.4.2. Математическая модель опытного реактора ароматизации лёгких алканов 53
2.1.4.3. Реализация математической модели реактора ароматизации лёгких алканов и анализ влияния макрокинетических факторов на результаты процесса 56
2.2. Получение синтез газа из природного газа методом кислородной конверсии. 61
2.2.1. Математическая модель процесса получения синтез-газа 61
2.2.2. Реализация математической модели процесса получения синтез-газа 67
2.2.3. Определение кинетических констант 71
2.2.4. Кинетическое моделирование процесса получения синтез-газа при
найденных кинетических константах 72
2.2.5. Анализ влияния макрокинетических факторов на результаты процесса с
использованием разработанной модели 77
2.2.6. Расчёт опытного реактора получения синтез-газа 81
2.2.6.1. Математическое описание процесса получения синтез-газа в
автотермическом реакторе с тонким слоем катализатора 81
2.2.6.2. Реализация компьютерной модели автотермического реактора с тонким
слоем катализатора 86
2.2.6.3. Анализ влияния макрокинетических факторов для опытного реактора получения синтез-газа с использованием разработанной математической модели92
2.3. Процедура совместного использования системы компьютерной математики
и пакета моделирующих программ 93
3. Моделирование технологической схемы ароматизации легких алканов
95
3.1. Моделирование реакторного узла технологической схемы ароматизации
лёгких алканов 95
3.2. Моделирование узла сепарации технологической схемы ароматизации
лёгких алканов 103
3.3. Моделирование узла разделения технологической схемы ароматизации
лёгких алканов 109
4. Моделирование технологической схемы получения синтез-газа методом
кислородной конверсии с применением ПМП 124
Заключение 135
Список литературы 136
Приложение 1 146
Приложение 2 147
Введение
Обеспечение высоких показателей ресурсосбережения на химических производствах имеет важнейшее значение в химической технологии. Крупнотоннажные производства нефтехимического комплекса, использующие в качестве сырья и топливно-энергетических ресурсов большие объемы нефти и природного газа, а также попутного нефтяного газа представляют собой сложные непрерывные энерго- и ресурсоемкие химико-технологические системы. Для подготовки исходных данных для проектирования указанных производств требуется применение специальных подходов, а также процедур и алгоритмов компьютерного моделирования химических реакторов с гетерогенно-каталитическими реакциями в газовой фазе. Наиболее быстрое и эффективное решение перечисленных задач может быть получено при выполнении следующих условий: корректная инженерно-технологическая постановка исходной задачи анализа всех процессов химического производства; разработка специальных подходов, процедур и алгоритмов компьютерного моделирования химических реакторов и химико-технологических систем для компьютерного анализа различных вариантов технологического и конструкционного оформления химико¬технологических процессов и систем.
В настоящее время для решения указанных задач компьютерного моделирования химических реакторов и сложных химико-технологических систем широко используются пакеты моделирующих программ (ПМП) Aspen, Hysys, PRO-II и CHEMCAD, которые позволяют быстро и надежно создавать компьютерные модели, как отдельных процессов, так и сложных химических производств в целом. С помощью этих пакетов программ решаются задачи анализа и оптимизации действующих производств, а также задачи синтеза энерго- и ресурсосберегающих технологических схем новых проектируемых производств.
Однако применение вышеперечисленных пакетов программ не позволяет решать задачи нахождения кинетических констант гетерогенно-каталитических реакций в газовой фазе, а также моделировать некоторые типы химических реакторов с гетерогенно-каталитическими реакциями в газовой фазе. Для решения таких задач необходимо использовать системы компьютерной математики (СКМ), а также разрабатывать процедуры интеграции модулей из СКМ в ПМП для расчета реакторных процессов.
Задача разработки специальных подходов, а также процедур и алгоритмов компьютерного моделирования химических реакторов с гетерогенно-каталитическими реакциями в газовой фазе для последующего включения данных моделей в модели химико-технологических систем с совместным применением СКМ и ПМП относится к классу наиболее трудоемких задач, так как при решении этих задач необходимо, прежде всего, осуществлять приобретение и переработку знаний о функционировании каждого химико-технологического процесса и производства в целом.
Важными подсистемами непрерывных химических производств являются системы химических реакторов, для компьютерного моделирования которых требуются разнообразные специальные процедуры, при использовании которых возникает необходимость интеграции модулей СКМ в ПМП.
Однако научно-обоснованный подход, а также процедуры и алгоритмы разработки компьютерных моделей процессов с газофазными гетерогенно-каталитическими реакциями для последующего включения данных моделей в модели химических производств в настоящее время не разработаны. Также отсутствуют алгоритмы моделирования автотермических процессов на тонком слое катализатора для произвольных кинетических схем процессов, а также процедура расчета высокотемпературных трубчатых реакторов.
В связи с этим задача разработки и использования совместных подходов применения СКМ и ПМП является актуальной научной задачей, решение которой имеет важное значение в химической технологии органических веществ для повышения энерго- и ресурсоэффективности действующих производств и проектирования новых технологических схем.
Цель работы заключается в разработке процедуры интеграции модулей из СКМ в ПМП для компьютерного моделирования технологических схем с газофазными гетерогенно-каталитическими реакторными процессами, а также процедур и алгоритмов моделирования процессов в газофазных гетерогенно-каталитических реакторах. При этом были решены следующие задачи: разработана модель газофазного гетерогенно-каталитического реактора с последовательно-параллельными реакциями на примере получения синтез-газа из природного газа; разработан алгоритм нахождения кинетических констант газофазных гетерогенно-каталитических реакций со сложной (на примере процесса ароматизации легких алканов из пропан-бутановой смеси) и простой (на примере получения синтез-газа из природного газа) кинетической схемой; разработаны алгоритмы расчёта «диск»-реактора и высокотемпературного трубчатого реактора с учётом тепловых балансов с применением СКМ MatLAB и процедуры их интеграции в ПМП ChemCAD; разработаны и реализованы модели технологических схем ректификации для разделения продуктов газофазных гетерогенно-каталитических реакций.
Научная новизна.
1. Разработаны и реализованы подходы к совместному применению СКМ MatLAB и ПМП ChemCAD для решения задач математического моделирования газофазных гетерогенно-каталитических реакторных процессов, позволяющие разрабатывать эффективные технологии химических производств органического синтеза.
2. Реализована эффективная процедура нахождения кинетических констант, применение которой возможно для произвольной кинетической схемы последовательно-параллельных и одновременно протекающих газофазных гетерогенно-каталитических реакций в непрерывных проточных лабораторных (или опытных) реакторах.
3. Разработан алгоритм расчета автотермического «диск»-реактора, позволяющий рассчитывать автотермические процессы на тонком слоем катализатора в газовой фазе.
4. Разработана процедура расчета гетерогенно-каталитических процессов с большим числом определяемых параметров в трубчатом реакторе, которая позволяет рассчитывать высокотемпературные процессы органического синтеза.
Научная значимость.
Разработанные процедуры и алгоритмы вносят вклад в развитие методов математического моделирования и могут быть применены для построения компьютерных моделей сложных непрерывных энерго- и ресурсоемких химико-технологических систем, а также для нахождения кинетических констант различных типов химических реакций и расчета автотермических процессов и высокотемпературных процессов в трубчатых реакторах.
Практическая значимость.
1. Определены кинетические константы процесса получения синтез-газа на катализаторе NdCaCoO4.
2. Определены кинетические константы процесса ароматизации легких алканов на катализаторе РГУНГ-А.
3. Проведен расчет опытного и промышленного «диск»-реактора получения синтез-газа и представлены результаты.
4. Проведен расчет опытного реактора ароматизации легких алканов и представлены результаты.
5. Разработана компьютерная модель принципиальной технологической схемы получения синтез-газа из природного газа для проведения расчетных исследований технологического процесса.
6. Разработана компьютерная модель принципиальной технологической схемы ароматизации легких алканов из пропан-бутановой смеси и путем расчетных исследований определены условия разделения продукта в четырех колонной ректификационной установке.
Методология и методы исследования. Методы математического моделирования ХТП и ХТС, методы системного анализа, а также вычислительный эксперимент с применением пакета моделирующих программ ChemCAD и системы компьютерной математики MatLAB.
Положения, выносимые на защиту.
1. Разработка алгоритма параметрической идентификации газофазных гетерогенно-каталитических реакций с квазигомогенным описанием кинетических зависимостей, дающий удовлетворительный результат при решении задачи нахождения коэффициентов кинетических уравнений.
2. Разработка эффективного алгоритма нахождения кинетические констант газофазных гетерогенно-каталитических реакций, как с простой, так и со сложной кинетической схемой.
3. Разработка алгоритмов расчета трубчатого реактора ароматизации легких алканов, а также «диск»-реактора для получения синтез-газа.
4. Разработка модели принципиальной технологической схемы ароматизации легких алканов из пропан-бутановой смеси. Разработка математических моделей непрерывного реакторного процесса ароматизации технического пропана и технического бутана, сепараторного узла и узла ректификации.
5. Разработка модели принципиальной технологической схемы получения синтез-газа из метана методом кислородной конверсии. Проведение исследований технологической схемы на ее модели и установление оптимальных параметров проведения процесса.
Обоснованность научных результатов диссертационной работы базируется на использовании известных научных положений, методов системного анализа процессов химической технологии и математического моделирования, на корректном применении методов математического моделирования ХТП и ХТС и методов вычислительной математики.
Достоверность полученных результатов подтверждается проверкой адекватности разработанных моделей ХТП, практической применимостью разработанных процедур и алгоритмов для решения разнообразных задач компьютерного моделирования ХТП и ХТС, а также соответствием полученных результатов вычислительных экспериментов экспериментальным данным.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на IX Международном конгрессе молодых учёных по химии и химической технологии «МКХТ-2013» (Москва), X Международном конгрессе молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-2014» (Москва), V¬ой международной конференции Российского химического общества им. Д. И. Менделеева (Москва), XI всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и модели в научных исследованиях,
промышленности, образовании и экологии» (Тула), 21 -м международном Конгрессе химических технологий CHISA (Чехия, Прага), XXI международной конференции по вопросам химических реакторов MChemreactor-21M (Нидерланды), VII-ой международной конференции Российского химического общества им. Д. И. Менделеева (Москва) , XI Международном конгрессе молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-2015» (Москва).
Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 14 публикациях, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных литературных источников и приложений. Работа изложена на 142 страницах, включает 47 рисунков и 34
таблицы. Список использованной отечественной и зарубежной литературы содержит 52 наименования.

Список литературы

Заключение
1. Реализован алгоритм параметрической идентификации газофазных гетерогенно-каталитических реакций с квазигомогенным описанием кинетических зависимостей, дающий удовлетворительный результат при решении задачи нахождения кинетических констант уравнений реакций.
2. Реализован эффективный алгоритм нахождения кинетических констант газофазных гетерогенно-каталитических реакций, как со сложной, так и с простой кинетической схемой.
3. Реализованы алгоритмы расчета высокотемпературного трубчатого реактора ароматизации легких алканов, а также «диск»-реактора для получения синтез-газа.
4. Реализована модель принципиальной технологической схемы
ароматизации легких алканов из пропан-бутановой смеси. Разработаны математические модели непрерывного реакторного процесса ароматизации технического пропана, сепараторного узла и узла ректификации.
5. Реализована модель принципиальной технологической схемы
получения синтез-газа из метана методом кислородной конверсии. Проведены исследования технологической схемы на ее модели и установлены оптимальные параметры проведения процесса.