Лощев, Артем Геннадьевич. Оптимизация технологических комплексов на основе методов планирования эксперимента : Лощов, Артем Геннадійович. Оптимізація технологічних комплексів на основі методів планування експерименту Loschev, Artem Gennadievich. Optimization of technological complexes based on experiment planning methods

Краткое описание

Лощев, Артем Геннадьевич. Оптимизация технологических комплексов на основе методов планирования эксперимента : диссертация ... кандидата технических наук : 05.17.04 / Лощев Артем Геннадьевич; [Место защиты: Моск. гос. акад. тонкой хим. технологии им. М.В. Ломоносова].- Москва, 2010.- 225 с.: ил. РГБ ОД, 61 11-5/178

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
«Московская государственная академия тонкой химической технологии
имени М.В. Ломоносова»
На правах рукописи
Лощев Артем Геннадьевич
04.2.0 1 151186"
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
05.17.4 - технология органических веществ
диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук 1
д.т.н., проф. Писаренко Ю.А.
Москва 2010
Введение 6
1 Литературный обзор 6
1.1 Методы анализа числа степеней свободы 6
1.2 Методы оптимизации 8
1.1.1 Градиентные методы 9
1.1.2 Безградиентные методы детерминированного поиска 15
1.1.3 Методы случайного поиска 20
1.1.4 Поиск оптимума в задачах с ограничениями типа равенств 22
1.1.5 Поиск оптимума в задачах с ограничениями типа неравенств 25
1.2 Особенности оптимизации химико-технологических систем 29
1.3 Методы планирования эксперимента 30
1.3.1 Основные понятия и определения 32
1.3.2 Планы первого порядка 35
1.3.3 Планы второго порядка 44
Выводы по литературному обзору 51
Основная часть 53
2 Анализ числа степеней свободы 53
2.1 Основные существующие подходы анализа числа степеней
свободы 55
2.1.1 Материальные и тепловые потоки 57
2.1.2 Равновесная ступень (теоретическая тарелка) 59
2.1.3 Каскад равновесных ступеней (теоретических тарелок) 62
2.1.4 Ректификационная колонна 67
2.1.5 Вывод по результатам сопоставления 79
2.2 Распространение подхода на другие случаи 80
2.2.1 Одноотборный режим 80
2.2.2 Процесс непрерывного равновесного испарения 83
2.3 Анализ числа степеней свободы в системах с химическим
превращением 84
2.3.1 Равновесный реактор 84
2.3.2 Равновесная тарелка с химически равновесной реакцией 86
2.3.3 Процесс непрерывного равновесного испарения с
равновесными химическими реакциями 87
2.3.4 Кинетический реактор 89
2.3.5 Равновесная тарелка с протекающей на ней химической
реакцией (с кинетической реакцией) 91
2.3.6 Каскад равновесных реакционных тарелок 91
2.3.7 Реакционно-ректификационная колонна 94
2.3.8 Вывод по анализу числа степеней свободы в системе с
химической составляющей 97
3 Оптимизационный алгоритм 97
3.1 Структурная оптимизация 98
3.1.1 Сбор физико-химической информации 98
3.1.2 Проведение анализ статики 99
3.2 Параметрическая оптимизация 100
3.2.1 Определение границ системы 101
3.2.2 Анализ числа степеней свободы 101
3.2.3 Выбор целевой функции 101
3.2.4 Выбор переменных процесса (параметров управления
процессом) 102
3.2.5 Построение модели 103
3.2.6 Получение результатов 104
4 Оптимизация производства ЭА 105
4.1 Свойства индивидуальных веществ 107
4.2 Моделирование равновесия жидкость-жидкость-пар 107
4.3 Теоретические основы реакции этерификации 111
4.3.1 Краткие сведения о механизм реакции этерификации и
условиях ее протекания 111
4.3.2 Кинетика реакции этерификации 112
4.4 Анализ статики 113
4.4.1 Структура областей дистилляции и ректификации 113
4.4.2 Проверка практической реализуемости стационарных режимов
отвечающих первому и второму заданным разделениям 117
4.4.3 Вывод по анализу статики 124
4.5 Анализ числа степеней свободы 125
4.5.1 Рециркуляционный процесс 125
4.5.2 Совмещенный процесс 127
4.6 Постановка задачи оптимизации 129
4.6.1 Выбор целевой функции 129
4.6.2 Выбор переменных процесса 130
4.7 Планирование 132
4.7.1 Выбор значений переменных процесса 133
4.7.2 Параметрическая оптимизация рециркуляционного процесса 137
4.7.3 Параметрическая оптимизация совмещенного процесса 145
4.8 Сопоставление оптимальных вариантов 147
5 Оптимизация переэтерификации метилацетата пропилформиатом 148
5.1 Свойства индивидуальных веществ 149
5.2 Моделирование равновесия жидкость-пар 149
5.3 Теоретические основы реакции переэтерификации 149
5.3.1 Кинетика реакции переэтерификации 150
5.4 Анализ статики 153
5.4.1 Структура областей дистилляции и ректификации 153
5.4.2 Проверка практической реализуемости стационарных режимов. 155
5.4.3 Вывод по анализу статики 156
5.5 Анализ числе степеней свободы 157
5.5.1 Рециркуляционный процесс 157
5.5.2 Совмещенный процесс 159
5.6 Постановка задачи оптимизации 160
5.6.1 Выбор целевой функции 160
5.6.2 Выбор переменных процесса 160
5.7 Планирование 161
5.7.1 Выбор значений переменных процесса 162
5.7.2 Параметрическая оптимизация рециркуляционного процесса 163
5.7.3 Параметрическая оптимизация совмещенного процесса 172
5.8 Сопоставление оптимальных вариантов 174
6 Оптимизация производства реактора гидрирования ДХУК 175
6.1 Свойства индивидуальных веществ 177
6.2 Моделирование равновесия жидкость-жидкость-пар 177
6.3 Теоретические основы реакции переэтерификации 178
6.3.1 Краткие сведения о механизм реакции гидрирования 178
6.3.2 Кинетика реакции гидрирования 178
6.4 Анализ статики 179
6.5 Анализ числа степеней свободы реактора гидрирования 179
6.6 Постановка задачи оптимизации 182
6.6.1 Выбор целевой функции 182
6.6.2 Выбор переменных процесса 182
6.7 Планирование 183
6.7.1 Дополнительное питание рецикл 185
6.7.2 Дополнительное питание сырец 188
6.7.3 Дополнительное питание УК 190
6.8 Выводы по оптимизации 192
Выводы по работе 193
Список литературы 195
Приложение 1 201
Приложение 2 214
Процесс оптимизации составляет основу всей инженерной деятельно-сти, так как с одной стороны направлен на проектирование новых более эф-фективных и менее дорогостоящих технологических систем, а с другой на модернизацию уже существующих. Одна из проблем, с которой сталкивается исследователь при проведении оптимизации, связана с определением набора рабочих параметров процесса. Данную задачу позволяет решить анализ числа степеней свободы системы. Другой проблемой является стоимость и трудо¬емкость проведения как натурных, так и расчетных экспериментов. Исследу¬емы при этом химико-технологические системы (ХТС) характеризуются сложным математическим описанием, содержащим существенную нелиней¬ность. Все это негативно сказывается на скорости оптимизационного процес¬са и на принципиальной возможности его проведения. Одним из путей реше¬ния вышеуказанной проблемы является замена, исходной модели более про¬стой, но в тоже время адекватной изучаемому процессу. Данную задачу поз¬воляет решить метод планирования эксперимента.
Цель данной работы состоит в разработке стратегии оптимизации хи-мико-технологических производств на основании методов планирования эксперимента и анализа числа степеней свободы ХТС и отдельных ее эле-ментов. А также в использование данного подхода для оптимизации кон-кретных технологических процессов.

Список литературы

Выводы по работе
1. Установлены причины свойственные современным подходам анализа степеней свободы, которые приводят к различию в оценке их числа для однотипных элементов химико-технологических систем.
2. Разработан метод анализа числа степеней свободы для элементов и ап¬паратов, включающих химические превращения. Установлено, что наличие химической реакции в состоянии равновесия не приводит к изменению числа степеней свободы системы. С помощью указанного метода проведен расчет числа степеней свободы принципиальных схем получения этилацетата этерификацией уксусной кислоты этанолом, пе- реэтерефикации пропилформиата метилацетатом, а также технологиче¬ской схемы процесса гидрирования дихлоруксусной кислоты.
3. Предложена стратегия, позволяющая проводить структурную и пара-метрическую оптимизацию химико-технологических систем. В рамках данной стратегии разработан универсальный подход к параметриче¬ской оптимизации, основанный на методах планирования вычисли¬тельного эксперимента.
4. В соответствии с предложенной стратегией проведена структурная и параметрическая оптимизации процессов получения этилацетата эте-рификацией уксусной кислоты этанолом, переэтерефикации пропил-формиата метилацетатом, а также процесса гидрирования дихлорук-сусной кислоты. Определены статические характеристики технологи-ческих схем, обеспечивающие их устойчивую работу при минималь-ных энергозатратах.
5. Установлено, что в процессе получения этилацетата этерификацией ук¬сусной кислоты этанолом совмещенный процесс обеспечивает выиг¬рыш по энергозатратам на 18.75%, а в процессе переэтерефикации про¬пилформиата метилацетатом - на 65%, по сравнению с традиционной рециркуляционной схемой.
В результате оптимизации процесса очистки МХУК предложена опти¬мальная структура реактора, тип, температура и количество дополни¬тельного потока питания, обеспечивающие максимальную степень конверсии ДХУК и устойчивую работу реактора.