Алгоритм и программный комплекс оптимального технологического проектирования простых ректификационных колонн

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. 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. 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. 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.

1. Комиссаров Ю.А., Дам Куанг Шанг. Химическая технология: Многокомпонентная ректификация: учебное пособие для вузов. М.: Юрайт; 2019. 255 с. ISBN 978-5-534-05626-6

2. Клаузнер 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/10.32362/2410-6593-2020-15-4-14-29

3. Серафимов Л.А., Фролкова А.К., Бушина Д.И. Ректификация азеотропных бинарных смесей с экстрактивным агентом. Теор. основы хим. технологии. 2008;42(5):521–530.

4. Цирлин 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

5. 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 978-5-534-10977-1

6. Островский 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.

7. Kister H.Z. Distillation design. McGraw-Hill Professional; 1992. 710 p.

8. 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.

9. 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.2004.04.010

10. 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)00213-2

11. Клаузнер 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/10.32362/2410-6593-2021-16-3-213-224

12. Лаптев 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/S0040357118010013

13. Цирлин А.М. Алгоритм выбора последовательности разделения идеальных смесей в многостадийных системах. Теор. основы хим. технологии. 2012,46(2):162–168.

14. 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.690480315

15. 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/ie9503499

16. Островский 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.

17. Холоднов 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.

18. Лисицын Н.В., Викторов В.К., Кузичкин Н.В. Химико-технологические системы: Оптимизация и ресурсосбережение. СПб.: Менделеев; 2007. 312 с. ISBN 5-94922-024-2

19. 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.

20. Гартман 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.

21. 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 978-5-7882-0583-0

22. 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/10.32362/2410-6593-2017-12-5-88-96