книги / Моделирование физико- химических процессов нефтепереработки и нефтехимии
..pdfМоделирование физико-химических процессов нефтепереработки и нефтехимии
МОСКВА
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ХИМИЯ»
СЕРИЯ «ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ
ХИМИЧЕСКОЙ И НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ»
ГЕЛЬПЕРИН Н. И., НОСОВ Г. А.
Основы техники кристаллизации расплавов, 1975.
ОСТРОВСКИЙ Г. М., ВОЛИН ю . м .
Моделирование сложных химико-технологических схем, 1975.
БРА Й Н ЕС Я . М .
Введение в теорию и расчеты химических и нефтехимических реакторов. И8Д. 2-е, 1976.
КУНИИ Д„ ЛЕВЕНШЛИЛЬ О.
Промышленное псевдоожижение. Пер с англ., 1976.
П Е РЛ М У ТТЕР Д .
Устойчивость химических реакторов. Пер. с англ,, 1976,
САТТЕРФ ИЛД Ч.
Массопередача в гетерогенном катализе Пёр. с англ., 1976.
СНАГОВСКИЙ Ю. С., ОСТРОВСКИЙ г . м .
Моделирование кинетики гетерогенных каталитических процес сов, 1976.
СОКОЛОВ В. И.
Центрифугирование, 1976.
ОЛЕВСКИЙ В. М., РУЧИНСКИЙ В. Р.
Роторно-пленочные тепло- и массообменные аппараты, 1977.
АКСЕЛЬРУД Г . А., МОЛЧАНОВ А. Д.
Растворение твердых веществ, 1977.
ГЕЛЬПЕРИН Н. И Л Е Б А Л К В. Л., КОСТАНЯН А. Е.
Структура потоков и эффективность колонных аппаратов хи мической промышленности, 1977.
УДК 665.63/.65.001.57
Жоров 10. М.
Моделирование физико-химических процес сов нефтепереработки и нефтехимии. — М.: Химия, 1978. — 376 с., и л .—(Процессы и аппараты хими ческой и нефтехимической технологии).
В книге рассмотрены методы физического и ма тематического моделирования процессов нефтепе реработки и нефтехимии, приведен анализ данных, характеризующих свойства нефтепродуктов; изло жено решение конкретных задач оптимального компаундирования нефтепродуктов, исследования и оптимизации ряда процессов производства топлив, масел и нефтехимических продуктов.
Книга рассчитана на научных и инженернотехнических работников нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности, занимающихся разработкой, проектированием, вне дрением новых процессов и оптимизацией действу ющих производств. Она будет полезна также пре подавателям, аспирантам и студентам старших
курсов |
соответствующих специальностей вузов. |
|
376 |
с., |
58 табл., 73 рис., список литературы |
269 |
ссылок. |
|
31406-082 050(01)-78 82-78
© Издательство «Химия», 1978 г.
Содержание
Предисловие |
|
|
|
|
8 |
||
Глава L Статистические методы |
анализа |
и планирования экспери |
И |
||||
|
мента в химической |
технологии |
|
||||
1. |
Оценка |
ошибок |
измерения |
. . * ....................... |
|
11 |
|
2. |
Определение ошибок расчета сложной величины ................................ |
17 |
|||||
3. |
Применение статистических критериев при обосновании выводов |
19 |
|||||
4. |
из экспериментальных и сследован и й ......................................................... |
||||||
Применение регрессионного анализа при исследовании процессов |
22 |
||||||
|
и определении физико-химических параметров .................................. |
||||||
5. |
Полные факторные планы и дробные |
реплики. Композиционные |
26 |
||||
6. |
планы |
второго |
порядка . |
. |
|
||
Симплексное планирование ^ |
. |
34 |
|||||
7. |
Насыщенные и Д-оптималыше планы |
37 |
|||||
8. |
Применение симплексных |
планов для |
изучения свойств/ смеси |
40 |
|||
9. Использование статистических методов для управления промыш |
41 |
||||||
|
ленными процессами ..................................................................................... |
|
|
|
|||
10.Применение методов математической статистики при оценке точ
|
ности детерминированного описания пр оц есса.................................... |
42 |
||
И . Примеры использования методов математической статистики при |
||||
|
анализе |
и планировании исследований |
45 |
|
Литература |
|
51 |
||
Глава IL |
Математические описания химико-технологических |
процес |
||
|
|
сов па основе уравнений баланса, кинетических и термо |
||
|
|
динамических закономерностей |
52 |
|
1. |
Виды |
математических описаний |
52 |
|
2. |
Модельные аппараты ............................................. |
56 |
||
3. |
Уравнения балансов для модельных аппаратов |
59 |
||
|
Уравнения материальных балансов |
60 |
||
|
Уравнение теплового б а л а н с а .................. |
63 |
||
|
Уравнение баланса кинетической энергии . . |
66 |
||
4. |
Математические описания химических процессов................................ |
71 |
||
5. |
Особенности математических описаний процессов переработки |
|||
|
нефтяных |
фракций ...................... |
75 |
|
6. |
Математические описания процессов массообмена |
80 |
||
|
Абсорбция в насадочной колонне |
82 |
||
|
Ректификация бинарной смеси . . . |
85 |
||
|
Адсорбция в неподвижном слое сорбента |
88 |
||
|
Экстракция в насадочной колонне |
90 |
||
5
Математическое описание прЬцесса роста твердых частиц в рас |
|
||
творе ................................... |
................................ |
. |
91 |
7.Математические описания процессов смешения при приготовлении
|
топлив и масел |
|
|
|
|
|
95 _ |
||
Литература |
|
|
|
|
|
|
98 |
||
Глава III . |
Определение условий перемешпваппя в проточных аппара |
|
|||||||
|
|
тах |
|
|
. |
|
|
100 |
|
1. |
Экспериментальные м е т о д ы ................................................................... |
|
|
|
^ |
100 |
|||
2. |
Распределение времени пребывания и перемешивание в различных |
|
|||||||
3. |
аппаратах |
.............................................................. |
|
|
’ |
. |
. |
105 |
|
Определение параметра Пекле и коэффициента |
продольного |
пере |
111 |
||||||
4. |
мешивания в эксперпментах с импульсным вводом индикатора |
||||||||
Использование нестационарной ъ мпульсной методики для одновре |
|
||||||||
|
менного изучения продольного и поперечного перемешивания фаз |
|
|||||||
|
в проточных устройствах . . . . |
|
|
|
|
116 |
|||
5. |
Степень |
внутреннего перемешивания |
|
|
|
122 |
|||
6. |
Смешанные |
потоки |
.................................................................................... |
|
|
|
|
125 |
|
7. |
Примеры определения параметров, характеризующих перемешива |
126 |
|||||||
|
ние |
|
|
|
|
|
|
|
|
Литература |
|
|
|
|
|
|
129 |
||
Глава IV. Использование теорий размсрпостей и подобия при |
моде |
130 |
|||||||
|
|
лировании химико-технологических процессов . |
. |
||||||
1. |
Элементы теории размерностей |
|
|
|
|
130 |
|||
2. |
Элементы теорпи/подобия |
|
|
|
|
133 |
|||
Литература |
|
|
|
|
|
|
139 |
||
Глава V. Методы проведения расчетов и исследования математических |
141 |
||||||||
|
описаний |
|
|
|
|
|
|||
1. Численные |
методы |
решения систем алгебраических |
уравнений |
141 |
|||||
2. Численное интегрирование дифференциальных уравнений |
. . . |
145 |
|||||||
3. Методы численного интегрирования |
уравнений |
в частных |
произ |
|
|||||
4. |
водных |
................................................. |
|
|
|
|
|
|
149 |
Параметрическая чувствительность . . . |
. . . . |
|
151 |
||||||
5. |
Устойчивость физико-химических процессов . |
|
157 |
||||||
|
Определение единственности стационарного |
состояния |
|
159 |
|||||
|
Методы |
исследования устойчивости реш ения................................ |
|
|
163 |
||||
|
Температурная |
устойчивость физико-химических |
процессов |
|
|||||
|
в |
проточных |
аппаратах |
. |
|
. |
|
167 |
|
Литература |
|
|
|
|
|
|
174 |
||
Глава VI. Методы оптимизации химпко-техпологических |
процессов |
175 |
|||||||
1. |
Задачи оптимизации химико-технологических процессов . . . . |
175 |
|||||||
2. |
Аналитические методы определения экстремума для детерминиро |
177 |
|||||||
|
ванных |
задач ................................................. |
|
|
|
|
|
||
3. |
Поисковые методы нахождения экстремума для детерминированных |
178 |
|||||||
|
задач |
......................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
|
Поисковые методы для функции одной переменной . . |
|
179 |
||||||
4. |
Поисковые методы для функции многих переменных . . . . |
184 |
|||||||
Поиск экстремума при наличии ошибок. Стохастическая аппрокси |
|
||||||||
|
мация |
.................................... |
программирование |
|
|
|
|
195 |
|
5. Линейное |
|
|
|
|
198 |
||||
6. Поиск |
экстремума |
многостадийных |
процессов |
методом |
динамиче |
|
|||
|
ского программирования |
|
|
|
|
204 |
|||
6
7. |
Вариационные |
методы . |
|
. . . . |
|
|
211 |
||||||
8. Примеры определения оптимальных |
условий |
химико-технологиче |
21 |
||||||||||
|
ских процессов |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Литература |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
226 |
||
Глава VII. Моделирование |
процессов |
пиролиза |
|
|
|
227 |
|||||||
1. |
Реакции радикалов при пиролизе парафнповых углеводородов |
228 |
|||||||||||
2. |
Расчет состава |
продуктов |
распада «-парафинов . . |
. |
|
236 |
|||||||
3. Расчет состава продуктов пиролиза олефинов и нафтенов |
|
240 |
|||||||||||
4. Схема расчета состава продуктов пиролиза бензина........................... |
|
|
245 |
||||||||||
5. |
Обработка данных, полученных в лабораторных неизотермических |
247 |
|||||||||||
6. |
реакторах при проведении пиролиза...................... |
|
|
|
|
||||||||
Математическое описание пиролиза в трубчатой п е ч и ....................... |
|
|
249 |
||||||||||
|
Применение радикальных представлений, для создания матема |
249 |
|||||||||||
|
тического |
описания |
пиролиза |
этана |
. |
|
|
||||||
|
Обобщённые химические схемы пиролиза этана, пропана, бутана |
253 |
|||||||||||
|
и |
их |
см есей |
..................................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|||
|
Обобщенная химическая схема пиролиза бензиновых фракций |
257 |
|||||||||||
|
Структура математического описания пиролиза в трубчатой печи |
258 |
|||||||||||
7. Иллюстрация результатов |
математического моделирования |
пиро |
261 |
||||||||||
|
лиза газового и прямогонного бензинов |
|
|
|
|||||||||
Литература |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
264 |
||
Глава V III. Расчет химических процессов в зерне катализатора |
|
267 |
|||||||||||
1. |
Процессы транспорта |
к |
внешней поверхности зерна . . |
|
267 |
||||||||
2. |
Процессы внутреннего переноса вещества в пористых телах |
|
269 |
||||||||||
3. |
Химические процессы в однородно-пористом катализаторе |
. . |
272 |
||||||||||
4. |
Неизотермические процессы в зерне катализатора |
. |
283 |
||||||||||
5. |
Расчет сложных химических процессов' в зерне катализатора с не |
285 |
|||||||||||
6. |
однородно-пористой |
с т р у к т у р о й |
|
|
|
|
|||||||
Использование методов планирования исследований и расчета хи |
|
||||||||||||
|
мических процессов в зерне при создании технических катализато |
292 |
|||||||||||
|
ров |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Литература |
|
|
|
* » |
* |
* » «чt * * i » * |
|
|
|
293 |
|||
Глава IX . Моделирование процессов окислительпой регенерации ката |
295 |
||||||||||||
|
|
лизаторов для переработки углеводородного сырья |
|
||||||||||
1. Моделирование процесса регенерации на единичном зерне катали |
|
||||||||||||
|
затора |
................................................. |
|
процессов |
............................... |
|
|
|
. . |
295 |
|||
2. Моделирование |
регенерации в неподвижном слое ката |
|
|||||||||||
|
лизатора |
. . . . |
|
|
. |
...................... |
. . . |
304 |
|||||
3. Расчет |
процессов |
окисления кокса |
реакторах с |
движущимся |
322 |
||||||||
|
слоем |
контактного |
материала |
|
|
|
|
||||||
Л итература |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
334 |
||
Глава X. Моделирование |
каталитических |
процессов |
нефтеперера |
336 |
|||||||||
|
|
ботки |
и |
нефтехимии |
|
|
|
|
|||||
1. Моделирование каталитического риформинга бензиновых фракций |
336 |
||||||||||||
2. |
Учет дезактивации катализатора при управлении каталитическими |
348 |
|||||||||||
|
процессами |
|
.................. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
3. Моделирование гидрокрекинга дистиллятных фракций |
|
353 |
|||||||||||
4. |
Моделирование |
гидроочистки нефтяных |
фракций . . |
|
364 |
||||||||
5. Моделирование каталитического крекинга газойлей |
|
|
366 |
||||||||||
Литература |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
373 |
||
Заключение |
375 |
Предисловие
Книга посвящена моделированию физико-химических процес сов, и автор старался написать ее таким образом, чтобы, прочитав ее, читатель смог самостоятельно ставить и решать задачи модели рования. В ходе изложения использованы и обобщения работ, выполненных с участием автора.
Под м о д е л и р о в а н и е м физико-химического процесса понимается его осуществление и исследование при помощи спе циально созданного для этой цели устройства — модели. Такая формулировка уже философского определения, по которому любой образ объекта, как мысленный, знаковый, так и вещественный, считается моделью. Нанример, слово «реактор» можно рассматри вать как некоторую модель технического аппарата. Понятно, что такое широкое определение сводит любую деятельность к модели рованию, и этот термин становится бессмысленным. Поэтому в тех нике следует считать моделью устройство для получения новых сведений о процессе. С этой целью можно различать знаковый образ процесса (математическое описание, чертеж технологиче ской схемы) и модель — устройство для изучения процесса (ЭВМ для расчетов по алгоритму, в котором использовано математиче ское описание; опытная установка). Обычно в технической литера туре это различие не требует пояснений, независимо от применя емой терминологии.
Следует отметить, что успехам моделирования процессов нефтепереработки и нефтехимии мы обязаны трудам советских ученых, сосредоточивших свое внимание на этой проблеме около 30 лет назад, главным образом Г. М. Панченкова, М. Ф. Нагиева, Д. И. Орочко.
Сегодня' благодаря трудам Г. К. Борескова, II. М. Жаворон кова, И. И. Иоффе, В. В. Кафарова, Г . М. Панченкова, А. Н . Плановского, М. Г. Слинько и других моделирование химико-техно логических процессов сформировалось как научное направление. Хотя успехи этого направления в последние годы связаны с эф фективным использованием и развитием вычислительных методов
8
(им и уделено главное внимание), не следует противопоставлять математическое моделирование (исследование на ЭВМ) физиче скому моделированию (исследованию на опытных установках — физических моделях).
Действительно, объекты природы наиболее универсально ото бражаются в виде математических моделей *. Но физическое и ма тематическое моделирование физико-химических процессов рельзя осуществить независимо друг от друга. Математическое описание и математическая модель появляются в результате физического моделирования процессов. Поскольку математическое моделирова ние не является самоцелью, а служит средством для оптимального проведения процесса, результаты его используются для создания оптимального физического объекта. Исследования на этом объекте (новое физическое моделирование)'позволяют проверить резуль таты математического моделирования и улучшить математическую модель для решения новых задач. Ясно, что как математическое, так и физическое моделирование есть только этапы единого про цесса — моделирования, цель которого — решение технических задач.
Моделирование постоянно развивается, но ряд его методов уже сформировался и успешно используется. Именно эти методы представляют наибольший интерес и рассматриваются в предла гаемой читателю книге. При их применении для моделирования процессов нефтепереработки и нефтехимии — наиболее крупнотоннажных и многообразных процессов химической технологии — нужно учитывать специфические особенности, обусловленные как многокомпонентностыо сырья и продуктов, так и разнообразием их физико-химических, технических, эксплуатационных характе ристик.
К сожалению, описание методов моделирования рассредото чено по различным монографиям и статьям, где основное внимание уделяется одному или группе, но не всему комплексу методов. Хотя в советской литературе имеются превосходнее монографии и учебники, однако в них не рассматриваются некоторые важные проблемы моделирования. Необходимо особо подчеркнуть важ ность статистического анализа и планирования, обсуждаемых обычно в специальной литературе, для моделирования процессов нефтяной технологии.
В связи с этим в главах I —VI рассматриваются общие методы моделирования и их использование для исследования, расчета и оптимизации преимущественно процессов разделения и компаун дирования нефтепродуктов. В главах V II—X освещено более де
тально |
математическое моделирование |
химических |
процессов |
* Это |
учитывал и В. И. Ленин, создавая |
свою работу |
«Материализм |
и эмпириокритицизм»: «Единство природы обнаруживается в «поразительной аналогичности» дифференциальных уравнений, относящихся к разным областям явлений» (Ленин В. И. Поли. собр. соч., т. 18, с. 306).
9
нефтепереработки и нефтехимии. При этом с целью сокращения объема книги рассмотрены наиболее представительные процессы: гомогенный некаталитический (пиролиз), гетерогенный некатали тический (регенерация катализаторов), каталитические (платфор минг, гидрокрекинг, каталитический крекинг).
Книга рассчитана н'а широкий круг специалистов и студентов старших курсов вузов, которые будут, главным образом, исполь зовать методы моделирования. Поэтому вопросы теоретического обоснования методов изложены кратко. Методы определения кине тических и термодинамических характеристик физико-химических процессов рассмотрены в ранее опубликованной книге автора *: здесь они не рассматриваются специально.
В" книге обсуждается широкий круг вопросов, поэтому обо значения величин даются по тексту,, так что каждый раздел, можно читать независимо. Автор старался сохранить обозначения цитируемых источников.
Поскольку число работ по исследованию и моделированию химико-технологических процессов велико, автор не пытался дать полный обзор литературы; приведены лишь те литературные источники, которые использованы при изложении.
Автор будет благодарен не только за прочтение этой книги, но и за советы и замечания.
* Жоров Ю. М. Расчеты и исследования химических процессов нефте переработки. М., «Химия», 1973, 214 с.