chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2021-16-5-379-389chemicallytech-1748Research ArticleTHEORETICAL BASIS OF CHEMICAL TECHNOLOGYТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИAlgorithm and software for the optimal technological design of a system of simple distillation columnsАлгоритм и программный комплекс оптимального технологического проектирования простых ректификационных колоннhttps://orcid.org/0000-0002-2314-8935ЗиятдиновН. Н.ZiyatdinovN. N.

 д.т.н., профессор, зав. кафедрой системотехники

420015, Россия, Республика Татарстан, Казань, ул. К. Маркса, д. 68 

 Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Department of Process System Engineering

68, Karl Marx ul., Kazan, 420015, Republic of Tatarstan, Russia

nnziat@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0257-0739ЕмельяновИ. И.EmelyanovI. I.

 к.т.н., доцент, доцент кафедры системотехники 

 420015, Россия, Республика Татарстан, Казань, ул. К. Маркса, д. 68 

 Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Department of Process System Engineering

68, Karl Marx ul., Kazan, 420015, Republic of Tatarstan, Russia

ilyaemelyan@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-5918-8296РыжоваА. А.RyzhovaA. A.

 аспирант, кафедра системотехники 

 420015, Россия, Республика Татарстан, Казань, ул. К. Маркса, д. 68 

 Postgraduate Student, Department of Process System Engineering

68, Karl Marx ul., Kazan, 420015, Republic of Tatarstan, Russia

alinagainullina0@yandex.ruЧернаковП. С.ChernakovP. S.

 студент, кафедра cистемотехники 

 420015, Россия, Республика Татарстан, Казань, ул. К. Маркса, д. 68 

 Student, Department of Process System Engineering

68, Karl Marx ul., Kazan, 420015, Republic of Tatarstan, Russia

systech2@yandex.ruФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технологический университет»РоссияKazan National Research Technological UniversityRussian Federation202126112021165379389Copyright © Ziyatdinov N.N., Emelyanov I.I., Ryzhova A.A., Chernakov P.S., 20212021Зиятдинов Н.Н., Емельянов И.И., Рыжова А.А., Чернаков П.С.Ziyatdinov N.N., Emelyanov I.I., Ryzhova A.A., Chernakov P.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/1748

Objectives. The formalized problem of the optimal design of distillation column systems belongs to the class of mixed integer nonlinear program problems. Discrete search variables are the number of trays in the rectifying and stripping sections of columns, whereas the continuous ones are the operating modes of columns. This study aimed to develop an algorithm and a software package for the optimal technological design of a system of simple distillation columns based on the criterion of total reduced capital and energy costs using rigorous mathematical distillation models.Methods. The solution to this problem is based on the branch and bound method. A computer model of the distillation column system was developed in the environment of the Aspen Hysys software package. The Inside–Out module was used as the distillation model. The developed algorithm is implemented in the software environment of the Matlab mathematical package. To solve the conditional optimization problem, a sequential quadratic programming method-based model was used. The interaction between software add-ins in Matlab and Aspen Hysys is implemented using a Component Object Model interface.Results. Approaches to obtain the lower and upper bounds of the optimality criterion and the branching method for the implementation of the branch and bound method have been developed. In addition, an algorithm for the optimal design of a distillation column of a given topology based on the branch and bound method has been developed. Furthermore, using Matlab, a software package that implements the developed algorithm and is integrated with the universal modeling software AspenHysys has been created.Conclusions. An algorithm and a software package have been developed and implemented that allows automating the design process of distillation column systems and integration with advanced mathematical programming packages, respectively. The performance of the algorithm and software package has been evaluated using the optimal design of the debutanization column as an example.

Цели

Цели. Формализованная задача оптимального проектирования систем ректификационных колонн относится к классу задач дискретно-непрерывного нелинейного программирования. Дискретными поисковыми переменными являются число тарелок в укрепляющей и исчерпывающей частях колонн, а непрерывными – режимы работы колонн. Цель работы – разработать алгоритм и программный комплекс оптимального технологического проектирования системы простых тарельчатых ректификационных колонн по критерию суммарных приведенных капитальных и энергетических затрат на основе строгих математических моделей ректификации.

Методы

Методы. Решение поставленной задачи базируется на методе ветвей и границ. Компьютерная модель системы ректификационных колонн построена в среде программного комплекса Aspen Hysys. В качестве модели ректификации использован модуль Inside-Out. Разработанный алгоритм реализован в программной среде математического пакета Matlab. Для решения задачи условной оптимизации использован модуль, основанный на методе последовательного квадратичного программирования. Взаимодействие программной надстройки, построенной в Matlab, c Aspen Hysys реализовано c помощью COM-интерфейса.

Результаты

Результаты. Разработаны подходы к получению нижних и верхних границ критерия оптимальности и способ ветвления при реализации метода ветвей и границ. Разработан алгоритм оптимального проектирования ректификационной колонны заданной топологии на основе метода ветвей и границ. В математическом пакете Matlab создан программный комплекс, реализующий предложенный алгоритм и интегрированный с универсальной моделирующей программной AspenHysys.

Выводы

Выводы. Разработан алгоритм и реализован программный комплекс, позволяющий автоматизировать процесс проектирования систем ректификационных колонн и интеграцию с передовыми пакетами математического программирования. Работоспособность алгоритма и программного комплекса апробирована на примере оптимального проектирования колонны дебутанизации.

ректификацияметод ветвей и границоптимизацияпроектированиеMatlabAspenHysysdistillationbranch and bound methodoptimizationdesignMatlabAspenHysysРабота выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, грант № 075-00315-20-01 «Энергосберегающие процессы разделения жидких смесей для выделения промышленных растворителей».This work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, grant No. 075-00315-20-01 “Energy-saving processes for the separation of liquid mixtures for the isolation of industrial solvents.”ReferencesКомиссаров Ю.А., Дам Куанг Шанг. Химическая технология: Многокомпонентная ректификация: учебное пособие для вузов. М.: Юрайт; 2019. 255 с. ISBN 978-5-534-05626-6Komissarov Yu.A., Dam Kuang Shang. Khimicheskaya tekhnologiya: Mnogokomponentnaya rektifikatsiya (Chemical Technology: Multicomponent Rectification). Moscow: Yurait; 2019. 255 p. (in Russ.). ISBN 978-5-534-05626-6Клаузнер П.С., Рудаков Д.Г., Анохина Е.А., Тимошенко А.В. Энергосбережение в экстрактивной ректификации смеси изобутиловый спирт-изобутилацетат с бутилпропионатом. Тонкие химические технологии. 2020,15(4):14–29. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2020-15-4-14-29Klauzner P.S., Rudakov D.G., Anokhina E.A., Timoshenko A.V. Energy saving in the extractive distillation of isobutyl alcohol–isobutyl acetate with n-butyl propionate. Tonk. Khim. Tekhnol. = Fine Chem. Technol. 2020;15(4):14–29 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2410-6593-2020-15-4-14-29Серафимов Л.А., Фролкова А.К., Бушина Д.И. Ректификация азеотропных бинарных смесей с экстрактивным агентом. Теор. основы хим. технологии. 2008;42(5):521–530.Serafimov L.A., Frolkova A.K., Bushina D.I. Extractive distillation of binary azeotropic mixtures. Theor. Found. Chem. Eng. 2008;42(5):507–516. https://doi.org/10.1134/S0040579508050059Цирлин А.М., Балунов А.И., Сукин И.А. Оценки затрат энергии и выбор оптимальной последовательности разделения многокомпонентных смесей. Теор. основы хим. технологии. 2016;50(3):258–268. https://doi.org/10.7868/S0040357116030131[Original Russian Text: Serafimov L.A., Frolkova A.K, Bushina D.I. Extractive distillation of binary azeotropic mixtures. Teoreticheskie Osnovy Khimicheskoi Tekhnologii. 2008;42(5):521–530 (in Russ.).]Комисаров Ю.А, Гордеев Л.С., Вент Д.П. Химическая технология: Научные основы процессов ректификации: учебное пособие для вузов. В 2 ч. Ч. 2. М.: Юрайт; 2019. 416 с. ISBN 978-5-534-10977-1Tsirlin A.M., Sukin I.A., Balunov A.I. Estimates of energy consumption and selection of optimal distillation sequence for multicomponent distillation. Theor. Found. Chem. Eng. 2016;50(3):250–259. https://doi.org/10.1134/S0040579516030131 [Original Russian Text: Tsirlin A.M., Sukin I.A., Balunov A.I. Estimates of energy consumption and selection of optimal distillation sequence for multicomponent distillation. Teoreticheskie Osnovy Khimicheskoi Tekhnologii. 2016;50(3):258–267 (in Russ.). https://doi.org/10.7868/S0040357116030131Островский Г.М., Зиятдинов Н.Н., Лаптева Т.В., Рыжов Д.А. Выбор оптимальных тарелок питания в замкнутой системе ректификационных колонн. Теор. Основы хим. технологии. 2008,42(4):401–412.Komisarov Yu.A, Gordeev L.S., Vent D.P. Khimicheskaya tekhnologiya: Nauchnye osnovy protsessov rektifikatsii (Chemical technology: Scientific foundations of rectification processes). In 2 v. V. 2. Moscow: Yurait; 2019. 416 p. (in Russ.). ISBN 978-5-534-10977-1Kister H.Z. Distillation design. McGraw-Hill Professional; 1992. 710 p.Ostrovskii G.M., Ziyatdinov N.N., Lapteva T.V., Ryjov D.A. Selection of optimal feed trays in a closed-loop system of distillation columns. Theor. Found. Chem. Eng. 2008;42(4):386–397. https://doi.org/10.1134/S0040579508040064 [Original Russian Text: Ostrovskii G.M., Ziyatdinov N.N., Lapteva T.V., Ryjov D.A. Selection of optimal feed trays in a closed-loop system of distillation columns. Teoreticheskie Osnovy Khimicheskoi Tekhnologii. 2008;42(4):401–412 (in Russ.).]Тимошенко А.В., Моргунов А.В., Анохина Е.А. Синтез схем экстрактивной ректификации азеотропных смесей в комплексах колонн с частично связанными тепловыми потоками. Теор. основы хим. технологии. 2007,41(6):649–654.Kister H.Z. Distillation design. McGraw-Hill Professional; 1992. 710 p.Caballero J.A., Grossman I.E. Design of distillation sequences: from conventional to fully thermally coupled distillation systems. Comp. Chem. Eng. 2004,28(11):2307–2329. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2004.04.010Timoshenko A.V., Morgunov A.V., Anokhina E.A. Flowsheet synthesis for the extractive distillation of azeotropic mixtures in systems consisting of columns with partially coupled heat and material flows. Theor. Found. Chem. Eng. 2007;41(6):845–850. https://doi.org/10.1134/S0040579507060097 [Original Russian Text: Timoshenko A.V., Morgunov A.V., Anokhina E.A. Flowsheet synthesis for the extractive distillation of azeotropic. Teoreticheskie Osnovy Khimicheskoi Tekhnologii. 2007;41(6):649–655 (in Russ.).]Grossman I.E., Aquirre P.A., Barttfeld M. Alternative representations and formulations for the economic optimization of multicomponent distillation columns. Comp. Chem. Eng. 2003;27(3):363–383. https://doi.org/10.1016/S0098-1354(02)00213-2Caballero J.A., Grossman I.E. Design of distillation sequences: from conventional to fully thermally coupled distillation systems. Comp. Chem. Eng. 2004,28(11):2307–2329. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2004.04.010Клаузнер П.С., Рудаков Д.Г., Анохина Е.А., Тимошенко А.В. Оптимальные режимы бокового отбора в системах экстрактивной ректификации с тепловым насосом при разделении смеси аллиловый спирт–аллилацетат с бутилпропионатом. Тонкие химические технологии. 2021;16(3):213–224. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2021-16-3-213-224Grossman I.E., Aquirre P.A., Barttfeld M. Alternative representations and formulations for the economic optimization of multicomponent distillation columns. Comp. Chem. Eng. 2003;27(3):363–383. https://doi.org/10.1016/S0098-1354(02)00213-2Лаптев А.Г., Карпеев С.В., Лаптева Е.А. Моделирование и модернизация тарельчатых колонн при проведении реакционно-массообменных процессов. Теор. Основы хим. технологии. 201;52(1):3–12. https://doi.org/10.7868/S0040357118010013Klauzner P.S., Rudakov D.G., Anokhina E.A., Timoshenko A.V. Optimal modes of side-section flow in heatpump-assisted extractive distillation systems for separating allyl alcohol–allyl acetate mixtures with butyl propionate. Tonk. Khim. Tekhnol. = Fine Chem. Technol. 2021;16(3):213–224 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2410-6593-2021-16-3-213-224Цирлин А.М. Алгоритм выбора последовательности разделения идеальных смесей в многостадийных системах. Теор. основы хим. технологии. 2012,46(2):162–168.Laptev A.G., Karpeev S.V., Lapteva E.A. Modeling and Modernization of Tray Towers for Reactive Distillation Processes. Theor. Found. Chem. Eng. 2018,52(1):1–10. https://doi.org/10.1134/S0040579518010098 [Original Russian Text: Laptev A.G., Karpeev S.V., Lapteva E.A. Modeling and Modernization of Tray Towers for Reactive Distillation Processes. Teoreticheskie Osnovy Khimicheskoi Tekhnologii. 2018;52(1):3–12 (in Russ.). https://doi.org/10.1134/S0040579518010098]Lang Y-D, Biegler L.T. Distributed Stream method for Tray Optimization. AIChE J. 2002;48(3):582–595. https://doi.org/10.1002/aic.690480315Tsirlin A.M. Separation of ideal mixtures in multistage systems: An algorithm for selecting a separation sequence. Theor. Found. Chem. Eng. 2012.46(2):128–134. https://doi.org/10.1134/S0040579512010150 [Original Russian Text: Tsirlin A.M. Separation of ideal mixtures in multistage systems: An algorithm for selecting a separation sequence. Teoreticheskie Osnovy Khimicheskoi Tekhnologii. 2012;46(2):162–168 (in Russ.).]Huss R.S., Westerberg A.W. Collocation Methods for Distillation Design. 1. Model Description and Testing. Ind. Egn. Chem. Res. 1996;35(5):1603–1610. https://doi.org/10.1021/ie9503499Lang Y-D, Biegler L.T. Distributed Stream method for Tray Optimization. AIChE J. 2002;48(3):582–595. https://doi.org/10.1002/aic.690480315Островский Г.М., Зиятдинов Н.Н., Лаптева Т.В., Богула Н.Ю. Оптимальное проектирование системы ректификационных колонн с заданной топологией. Теор. основы хим. технологии. 2011;45(1):88–97.Huss R.S., Westerberg A.W. Collocation Methods for Distillation Design. 1. Model Description and Testing. Ind. Egn. Chem. Res. 1996;35(5):1603–1610. https://doi.org/10.1021/ie9503499Холоднов В.А., Викторов В.К., Краснобородько Д.А., Хайдаров В.К., Кулишенко Р.Ю., Фонарь В.В. Моделирование и оптимизация химико-технологических систем с помощью интерактивной информационно-моделирующей программы Aspen Plus: учебное пособие. СПб.: СПбГТИ (ТУ); 2013. 214 с.Ostrovskii G.M., Ziyatdinov N.N., Lapteva T.V., Bogula N.K. Optimal design of a distillation column system of a given topology. Theor. Found. Chem. Eng. 2011;45(1):89–98. https://doi.org/10.1134/S004057951006103X [Original Russian Text: Ostrovskii G.M., Ziyatdinov N.N., Lapteva T.V., Bogula N.K. Optimal design of a distillation column system of a given topology. Teoreticheskie Osnovy Khimicheskoi Tekhnologii. 2011;45(1):42–43 (in Russ.).]Лисицын Н.В., Викторов В.К., Кузичкин Н.В. Химико-технологические системы: Оптимизация и ресурсосбережение. СПб.: Менделеев; 2007. 312 с. ISBN 5-94922-024-2Kholodnov V.A., Viktorov V.K., Krasnoborodʼko D.A., Khaidarov V.K., Kulishenko R.Yu., Fonar’ V.V. odelirovanie I optimizatsiya khimiko-tekhnologicheskikh sistem s pomoshch’yu interaktivnoi informatsionno-modeliruyushchei programmy Aspen Plus: Uchebnoe posobie (Modeling and optimization of chemical engineering systems using the interactive information and modeling program Aspen Plus). St. Peterburg: SPBGTI (TU); 2013. 214 p. (in Russ.).Зиятдинов Н.Н., Лаптева Т.В., Емельянов И.И., Логинова И.В. Компьютерное моделирование и оптимизация химико-технологических процессов и систем с использованием универсальной моделирующей программы Unisim: учебное пособие. Казань: Изд-во РАР; 2019. 106 с.Lisitsyn N.V., Viktorov V.K., Kuzichkin N.V. Khimikotekhnologicheskie sistemy: Optimizatsiya i resursosberezhenie (Chemical-technological systems: Optimization and resource conservation). St. Peterburg: Mendeleev; 2007. 312 p. (in Russ.). ISBN 5-94922-024-2Гартман Т.Н., Советин Ф.С. Применение пакетов программ ChemCad для моделирования процессов многокомпонентной ректификации в тарельчатых колоннах при получении синтетического жидкого топлива. Химическая техника. 2010;(2):36–38.Ziyatdinov N.N., Lapteva T.V., Emel’yanov I.I., Loginova I.V. Komp’yuternoe modelirovanie i optimizatsiya khimiko-tekhnologicheskikh protsessov i sistem s ispol’zovaniem universal’noi modeliruyushchei programmy Unisim: Uchebnoe posobie (Computer modeling and optimization of chemical-technological processes and systems using the universal modeling program Unisim). Kazan: RAR Publishing House; 2019. p. 106. (in Russ.).Зиятдинов Н.Н., Лаптева Т. В., Рыжов Д. А. Математическое моделирование химико-технологических систем с использованием программы СhemCad: учебно-методическое пособие. Казань: Издательство Казан. гос. технол. ун-та; 2008. 160 с. ISBN 978-5-7882-0583-0Gartman T.N., Sovetin F.S. Application of ChemCad software packages to simulate multicomponent rectification processes in tray columns for synthetic liquid fuel production. Khimicheskaya tekhnika. 2010;(2):36–38 (in Russ.).Кузнецов А.С., Корнюшко В.Ф. Интеллектуальная система управления химико-технологическими процессами структурирования многокомпонентных эластомерных композитов на основе продукционной модели. Тонкие химические технологии. 2017;12(5):88–96. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2017-12-5-88-96Ziyatdinov N.N., Lapteva T. V., Ryzhov D. A. Matematicheskoe modelirovanie khimiko-tekhnologicheskikh sistem s ispol’zovaniem programmy ChemCad: Uchebnometodicheskoe posobie (Mathematical modeling of chemical technological systems using the ChemCad program). Kazan: KGTU; 2008. 160 p. ISBN 978-5-7882-0583-0Kuznetsov A.S., Kornushko V.F. Intelligent control system of chemical-technological processes of structuring of multicomponent elastomer composites based on the production model. Tonk. Khim. Tekhnol. = Fine Chem. Technol. 2017;12(5):88–96 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2410-6593-2017-12-5-88-96Kuznetsov A.S., Kornushko V.F. Intelligent control system of chemical-technological processes of structuring of multicomponent elastomer composites based on the production model. Tonk. Khim. Tekhnol. = Fine Chem. Technol. 2017;12(5):88–96 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2410-6593-2017-12-5-88-96

The authors declare that there are no conflicts of interest present.