Burning яркие: тенденции в процессе интеграции
Процесс интеграции больше, чем просто щепотку технологий и сетей теплообменника. Сегодня она имеет гораздо более широкие масштабы и затрагивает все области процесса проектирования. Включенном промышленности вносят больше денег из сырья и основных фондов в то время как все более чистых и более устойчивым.
В прошлом основное внимание исследованиям в процессе разработки был сделан на анализ, или моделирования процессов. Синтез процессов или интеграционный процесс, в сравнении, уделялось мало внимания. Тем не менее, все это меняется. До недавнего времени, процесс интеграции практически синонимом анализа шнура и энергетической интеграции. Тем не менее, за последние несколько лет произошли две важные тенденции, что изменить эту картину.
Во-первых, более широкий спектр методов решения в настоящее время используется. Вместо того чтобы использовать только термодинамические или щепотку методы, преимущества математического программирования и оптимизации были объединены. Идеи из термодинамики, были сохранены и в сочетании с силой математических методов обработки данных, оптимизации и автоматизированного проектирования. Подход, используемый в максимально возможной степени является разработка глубокое понимание физических принципов проблемы, и только затем, чтобы разработать практические методики, которые используют необходимые математике.
В результате первой тенденции, гораздо более широкий круг проблем, теперь могут быть рассмотрены. Процесс интеграции не может теперь рассматриваться на покрытие четырех основных областях - эффективное использование сырья, эффективность использования энергии, сокращение выбросов, и технологических операций. Из этих четырех областях научных исследований, мы видим, что процесс интеграции гораздо больше озабочен материальными (масса) обработка вопросов, чем в прошлом. Массовая интеграции и энергетической интеграции, по сути, дополняют друг друга. В этой статье мы обсудим, как эти два предмета приняли участие в последних научных исследований и разработок в UMIST.
Эффективное использование сырья
а) разработка новых систем реактора
Для проектирования промышленных реакторов, наиболее подходящим выбором конфигурации и перемешивания образца, механизмов для подачи и переработки сырья, а также механизмы для обработки энергии эффектов в реакции системы, оказывают существенное воздействие на производительность реактора, а также процесса в целом. Проблема усложняется тем, что многие реакторы привлекать многофазных систем.
Дизайн выбор зачастую принимаются на основе прошлого опыта, или методом проб и ошибок, с помощью лабораторных тестов и повторил моделирования. Очень часто, реактор выбран потому, что она напоминает дизайнеров аналогичной системы, потому что он использовался до сих пор, или просто потому что нет времени на поиск правильно. Эвристика и экспертные системы могут помочь, но это часто приводит к обычной конструкции.
Была разработана методология для систематического проектирования химических реакторов, который устанавливает целевые показатели, прогнозирование максимальный выход и селективность для данной реакции системы с катализатором (1). Эта технология была разработана специально для решения проблем в области промышленного реактора, а не академических институтов.
Этот метод должен гораздо больше математики, чем термодинамики и является хорошим примером использования новых инструментов. Надстройка, состоящая из общих реакторных блоков и сеть взаимосвязанных потоков, которые составляют различные схемы, механизмы и перемешивание структуры будет создан. Это затем подвергнуты стохастической оптимизации и математического программирования, чтобы предоставить мишенью для теоретических лучшей производительности (например, конверсия, выход, селективность, стоимость и т. д.). Тем не менее, многие физические идеи должны быть включены в такой формулировке задачи, для получения решения.
Даже наиболее сложные системы могут быть проанализированы с участием многофазных реакторов и сложных механизмов теплопередачи. При работе с многофазных систем, сеть строится для каждого этапа, и это связано с использованием понимания массопереноса. Смешивание структуры и теплообмена механизмы, связанные с целевой основой для разработки для достижения цели. Оптимальные модели распределения катализатора может быть предсказано. Для новых процессов, технология способна определять оптимальную конфигурацию реактора и эксплуатации. Для существующих процессов, она может быть использована для определения возможности изменения дизайна.
Применение технологии приводит к развитию новых схем реактора, который будет практически невозможно получить с помощью подхода на основе проб и ошибок. Технология либо привело к конструкциям значительное улучшение выход процесса по сравнению с теми, основанных на традиционных конструкций реактора, или сокращение капитальных вложений. Такой подход не просто дать одно решение в качестве "оптимальной". Напротив, он предоставляет проектировщикам ряд задач и варианты дизайна.
Мощность такого подхода может быть проиллюстрирована исследование с участием хлорирования butanoic кислоты форме альфа-monochlorobutanoic кислоты (MBA) и нежелательных побочных продуктов, альфа-альфа-dichlorobutanoic кислоты (DBA). Цель состоит в максимизации доходности MBA. Это сложная проблема, потому что во-первых, Есть две фазы - газ и жидкость - и второй, и кинетика реакций являются сложными. Более подробная информация приведена в других местах (2).
Рассмотрим выполнение трех из наиболее широко используемых обычных газ / жидкость реакторов, а именно: упаковано кровать реактора, механически взволнованный реактора и пузырь колонки реактора (рис. 1). Механически взволнованный реактора очевидной высокая урожайность на 73,8% и, вероятно, будет выбран для приложения. Тем не менее, оптимизация проблему с помощью новых методов - и без каких-либо обязательств по предпочтительным или обычных реакторов типа - дает проект, показанный на рис 2а. Это выход МВА 96,9%, что скачок в производительности, по сравнению с обычной конструкции. Обратите внимание на объем реактора является меньшим, чем у традиционных конструкций. Конечно, дизайн на рис 2а идеальной ситуации, которые должны быть переведены в реальные конструкции. Два возможных практических проектов показаны на рисунке 2b.
б) разработка реактора сепаратор вторичного использования системы
В большинстве химических процессов, вытекающей из реактора, разделяется на продукты, побочные продукты и непрореагировавшего канал. Непрореагировавшего корма может быть переработана обратно в реактор системы. До недавнего времени очень мало систематических процедур были предложены для синтеза реактор-сепаратор вторичного использования системы. Недавно разработанного подхода предлагается общая надстройка различных реакторов и разделения задач и функций всех возможных взаимосвязей между предлагаемой единиц. Подход подчеркнул важность связи между реакцией и разделение системы и подтвердили потенциальные преимущества комплексного подхода (3).
с) реактивной дистилляции
Реактивной дистилляции не только удаляет шаг в схемы путем проведения двух операций в один блок, но и позволяет с неблагоприятной реакции равновесия, для достижения более высоких переходов реактора, а также улучшить реакцию селективности. Дизайн вопросов в реактивной дистилляции гораздо сложнее, чем в обычной дистилляции. Оба гомогенных и гетерогенных катализаторов могут быть использованы. В некоторых приложениях, весь столбец реактивной. В других странах, только часть его реагирует с обычными разделение происходит в отсутствие реакции зон. Многие варианты дизайна возможны различные корма и продукции взлета договоренностей. Промежуточные нагрева и охлаждения может быть выполнена и удалит между различными частями этого механизма может быть выгодно. Это исследование определяет оптимальные настройки и структурные условия для работы реактивной дистилляции (4). Опять же, более математический подход взят на вооружение в сложности этих проблем, включающее физические идеи в постановке задачи.
г) разработка на основе растворителя увольнений
Раньше выбор растворителях обычно остаются на опыт или методом проб и ошибок. Новый подход был разработан для проектирования разделение агентов (5). Представление материалов в виде комбинации функциональных групп, выявляются перспективные молекулярных структур. Наиболее приемлемого сочетания функциональных групп оптимизирован дать материал с наиболее полезные свойства. После растворителя был выбран, схема структуры необходимо развивать. Соответствующей конфигурации с ее перерабатывает имеет большое влияние на эффективность процесса и возможность потери растворителя. Систематические методы разрабатываются для разработки таких основе растворителя процессов разделения. Это включает в себя разработку оптимальных сетей массообмена, которые являются системами, которые используют сепараторы массовой отделения агентов выборочно передать некоторые виды из технологических потоков (6, 7).
е) водородной интеграции в нефтеперерабатывающей
До недавнего времени наличие водорода не является серьезной проблемой для большинства предприятий. В самом деле, многие растения были водорода гореть ... буквально! Большинство водородных систем в существующих заводов функция практически не интеграции. Некоторые тенденции в нефтяной отрасли, ведут к увеличению спроса на водород на нефтеперерабатывающих заводах, и это меняет картину радикально. Во-первых, более строгое законодательство по содержанию серы в топливе, увеличивает потребность в гидроочистки. В то же время нормативные акты, регламентирующие состав бензина ароматических сдерживает реформатор работы и устранение некоторых источников водорода традиционно имеются в распоряжении предприятий. Во-вторых, переход к обработке тяжелых нефтей и сокращение рынка мазута заставляет более широкого использования гидрокрекинга для модернизации. Простое увеличение пропускной способности НПЗ будет также привести к увеличению требований водорода, при существующих производственных мощностей водорода зачастую узким местом.
Методология Недавно была разработана для оценки водорода ресурсов на основе аналогии с проблемой процесса рекуперации тепла (8). Этот метод строит водорода композитных кривые, показывающие требования и источники водорода на месте с точки зрения соотношений и поток Расходы, приведенные (рис. 3). Это используется для построения диаграмм водорода излишков (рис. 4), которая аналогична большой составной кривой энергетических систем. Эта диаграмма позволяет инженеру, чтобы найти "водорода пинч" и установить целевые показатели для восстановления водорода, водород завод и потребностей в импорте.
Этот метод также дает понимание эффективного использования единиц очистки водорода. Было показано, что блок очистки (например, давления, качели адсорбера, мембраны или криогенных сепаратора) не должен быть установлен ниже водорода шнура. Очищающий газ выше шнура может иметь некоторые преимущества, но размещение очиститель через пинч это лучший вариант (8).
Щепотку подход полезен для концептуальных целей, но имеет некоторые ограничения в применении к реальным системам. Например, она не учитывает потока давление и, следовательно, предполагает, что любой источник может быть подан на любой раковина, даже при наличии достаточного давления. Усовершенствованный подход Недавно была разработана (9), можно объяснить давления и делает наилучшим образом использовать существующие компрессоры в НПЗ. Этот метод математической основе и могу отвечать за все расходы и важные компромиссы в том числе по производству водорода, сжатия, топливо значение, и трубопроводы расходов. Он отлично подходит как для новых и модернизации дизайна исследования.
Новая технология может быть использована для достижения некоторых целей. Во-первых, она может быть использована только на спасение водорода и, следовательно, уменьшить затраты, связанные с его производством. Она также может быть использована для решения новых технических условий на топливо с минимальным уровнем капиталовложений. Кроме того, она может быть использована для увеличения нефтеперерабатывающих предприятий, а также обеспечить гибкость для обработки различных масел и изменять их спектр для повышения прибыльности.
е) комплексного комбинированного цикла газификации процессов
В результате во всем мире тенденция к ужесточение экологических норм и повышение спроса на более качественную продукцию, интегральной газификации-комбинированного цикла (ИГКС) технология стала привлекательным вариантом для нефтеперерабатывающей промышленности. Газификация преобразует "дно бочки" в ценные продукты, такие как водород, экологически чистого топлива и электроэнергии. Основные вопросы, связанные установить IGCC как экономически устойчивый процесс включает выбор лучших IGCC сырья и более эффективного использования существующих мощностей. Разработаны методы выявления и устранения "узких мест для повышения пропускной способности, а также оптимизировать устройство связи, распределения коммунальных и эксплуатационных режимах. Это, направленных на повышение экономической НПЗ прибыли.
Энергоэффективность
Большая работа в этой области предполагает разделение систем, перегонка является наиболее значимым. Другие по-прежнему обеспокоен по восстановлению тепло-и инженерных систем, а теперь делают намного более широкое использование математических методов, чем это было раньше. Специализированные методы модифицированной были разработаны.
а) разработка комплексных систем дистилляции
Это стало ясно в последние годы, что комплексные меры столбце может значительно снизить дистилляции затраты по сравнению с системами, состоящими из только простые колонны (колонны с 1 кормов и 2 продуктов). Комплекс включает механизмы предварительной fractionators (и пре-вспышки), сторона стриптиза, стороны выпрямители и полностью термически связанных (Petlyuk и перегородки) колонок. После того как эти параметры не указаны, число возможных конфигураций для рассмотрения взрывается, и решение проблемы становится исчерпывающий перечень может быть и речи, даже для небольшого числа продуктов. Кроме того, если тепловая связи применяется, это вносит дополнительные ограничения в проблему.
Метод скрининга была разработана, что позволяет перспективных структур, которые будут обобщены для перегонки системы впереди всех детального проектирования или моделирования. Это позволяет систематического развития целевых показателей и автоматизированной разработки новых конструкций (10).
Этот подход основан на новое представление, которое включает в себя все возможные варианты дизайна. Рисунок 5 показывает, как это представление используется для синтеза последовательности простых столбцы выделить пять составляющих. Заметим, что дискретная "задач" используется вместо единиц и / или сети. Все возможные простые колонки последовательности могут быть получены из этого представления. Например, прямой последовательности (т.е. там, где низкая температурой кипения компонента удаляется в каждом столбце) могут быть получены путем выбора задач 1, 8, 15 и 20, в таком порядке.
Как показано на рисунке 5, сложные конфигурации колонки могут быть получены путем создания гибридов разделения задач. Это может быть продлен до системы, выполняющие небрежный или не резкое разделение путем включения более задач гибридов. Где колонке давление иной степени свободы, это может быть решен путем введения клон задач на дискретных уровней давления для всех простых и смешанных задач.
Причина для использования задачей представление о том, что сочетание заданий (сверхзадача) легче, чем модель композитного сети последовательностей. Кроме того, в число возможных задач, растет гораздо медленнее, чем количество возможных последовательностей, когда число разделяемых компонентов увеличивается. Это предотвращает проблемы размером от взрыва.
Ярлык колонке расчетов и расходов корреляций используются с частично целочисленного линейного программирования (MILP) для создания спектр экономически эффективных проектов. Оба капитальных и эксплуатационных (энергии), расходы могут быть рассмотрены в целевой функции. Перспективные структуры могут быть подвергнуты более детальному моделированию и дизайну.
Тематическое исследование поставляется Келлог будет использоваться для иллюстрации. Эта проблема связана с разделения стоков каталитического риформинга. Существовали 22 компонентов в смеси и потоков продукции также должны были многокомпонентные. Новый метод генерируется спектр альтернативных вариантов (рис. 6) в рамках 2 минуты машинного времени, даже если число компонентов была большая. Решения оцениваются с точки зрения затрат энергии, и это можно видеть, что все они предлагают значительные преимущества по сравнению с лучшими последовательность простых колонн. Этот подход также применяется к subambient систем, таких как этилен холодно - конец разделения, чтобы дать значительные сокращения в холодильной shaftwork требования (11).
б) разделить столбцы стене дистилляции
Разделительную стену колонки полностью термически связанных дизайн, который сочетает в себе prefractionator с главной колонной перегонки в одной оболочке. Было установлено, что экономия энергии до 30% типичных из prefractionation эффект. Кроме того, разделительных стен столбец, в новых конструкций, сэкономить до 30% от капитальных затрат по сравнению с обычными договоренности. Несмотря на эти преимущества, промышленность в значительной степени не хотели использовать эту технологию, потому что это необычно. До недавнего времени было отсутствие надежных процедур разработки и страх контроля и оперативных проблем. Новые методы дизайна были недавно созданы (12), полностью термически связанных проекты, которые оптимизируют дизайн для минимального потребления энергии и позволяют инициализации для строгого моделирования. Они также считают потенциальным тепла интеграции конфигураций, а также последствия для контроля.
с) разделение азеотропной смеси
Многие проблемы в области промышленного дистилляции привлекать смесей, которые образуют азеотропов. Некоторые методы могут быть использованы для проникновения азеотропа, из которых наиболее распространенным является добавление масса - разделение агентов, известных как entrainer. Выбор entrainer зависит от фазового равновесия поведение системы. Пионерские работы в области дизайна азеотропной дистилляции включает в себя, что в Doherty, Stichlmair, Wahnschafft и другие. Всеобъемлющего обзора дается Widagdo и Сейдер (13).
Более поздние работы на UMIST (14, 15) разработала автоматизированные методы проектирования для синтеза азеотропной перегонки последовательностей. Они считают массовой скорости передачи, а также равновесия, и может создать новые возможности для столбца последовательностей, которые требуют меньше энергии и более низкие потоки entrainer. Методы, разработанные могут быть применены к любому массообмена модель или метод азеотропной перегонки последовательность дизайна.
г) Термодинамический анализ дистилляции
После того как структура разделения последовательность была определена, термодинамического анализа могут быть применены к отдельным сепараторов для улучшения и присущих им эффективностью, а их тепло интеграционный потенциал (16). Методы теперь можно использовать для всех типов столбцов дизайн, в том числе колонны с несколько каналов и побочные ничьих и стороны зачистки / выпрямителей. Даже самые сложные механизмы, такие, как те, которые используются в нефтеперерабатывающей, теперь могут быть проанализированы (17).
е) разрабатывать поглощения разделения системы
Физическая поглощения наиболее часто используемых альтернативы дистилляции для разделения легких газов. Химическое поглощение важная операция по разделению кислых газов. Новые меры были разработаны для разделения кислых газов для достижения очень низких концентрациях на выходе низкие капитальные и энергетические затраты, исключая потребность для последующего лечения (18). К ним относятся различные механизмы двойной петли.
е) комбинированного производства электроэнергии и сайт системы утилиты
Процессы работы в контексте общей сайта, в котором количество процессов, которые связаны с той же системы общего назначения (рис. 7). Инженерных систем большинства сайтов развивались в течение многих лет без существенных вопросов решается в отношении проектирования и эксплуатации утилита системы. Картина осложняется растущей тенденции отдельных производственных процессов на сайт, принадлежащий к различным областям бизнеса, каждый оценки инвестиционных предложений, независимо друг от друга, и каждый планов на будущее с точки зрения собственного бизнеса. Тем не менее, эффективность сайта инфраструктуры и необходимых инвестиций имеет стратегическое значение и должны рассматриваться по всему сайту в целом, даже если это пересекает границы различных сферах бизнеса.
Всего-сайт щепотку анализа, общее представление о месте и коммунальные системы (2), а также позволило цели, установленные для коммунальных услуг, топлива, выбросов, охлаждения и когенерации. Этот подход, однако, не полностью за счет взаимодействия между улучшением утилизации тепла на основе существующего сайта и эффективность когенерации. Новый сайт реконструкции методологии, топ-уровня анализа (19), недавно был разработан для достижения этой цели.
Оригинальные методы анализа сайта требуется тепла обмена данными для каждого процесса и извлечения данных для всего сайта, которые могут занять несколько месяцев, чтобы получить! Кроме того, методы зачастую приводят к проектам, которые не могут быть осуществлены из-за ограничений в утилите системы. Наконец, эксперт пользователь, необходимых для проведения анализа.
В высшем уровне анализа проблемы буквально перевернул вверх дном и использует следующие стратегии:
Начните с системная утилита для создания возможностей для улучшения и экономических направлений с точки зрения конкретных целей энергосбережения, а затем
* Использование экономических направлений для проведения процесса модернизации теплообменник сети и определить проекты с минимальными капиталовложениями.
Процедура требует лишь данные утилиты для начала, которые обычно могут быть собраны в течение нескольких дней. После этого была получена, анализ смотрит на те преимущества, которые будут достигнуты за счет экономии определенных утилиты (например, пара на определенном давлении) в эти процессы. Эти экономии энергии не может быть трансформировано в экономии топлива, и, следовательно, экономия средств, поскольку они могут привести к снижению производства электроэнергии на сайте. Таким образом, компромисс между потреблением топлива и энергетики необходимо изучить.
К примеру, рассмотреть вопрос о целесообразности системы, изображенной на рисунке 8. Мы хотели бы знать, в интересах сохранения суммы, Q ^ р к югу от высокого давления (UP) пар. Как показано на схеме, это приведет к положительным сальдо в Q югу ^ р в заголовке пара HP. Есть два пути использования этого положительного сальдо. Это может быть сохранена (в результате экономии топлива), или он может быть использован для получения дополнительной энергии. Какой лучше выбрать, будет зависеть от цен на топливо, стоимость электроэнергии и эффективности энергетического оборудования поколения. Все возможные пути теплового потока в системная утилита которые затем анализируются, и избыток тепла перемещается между этими путями, чтобы найти наиболее оптимальный вариант (рис. 9). Обратите внимание, что ограничения на аппаратном системная утилита включены здесь.
Этот анализ проводится для всех уровней и утилита результаты используются для построения финансовой схемы пособий (рис. 10). Это устанавливает, какие пара уровней стоит сохранить. Это дает максимальный потенциал и финансовую выгоду для сохранения пара, а также включает в себя выполнение турбины и ограничения. На диаграмме мы видим, что HP пара является наиболее целесообразным для сохранения и максимальной экономии 30 т / ч можно или экономическими. Мы видим, что мы тогда обратить внимание на сохранение среднего давления (МП) паром, на этот раз до 35 т / ч. Это также показывает, что экономия низкого давления (LP) пара ничего не стоит, особенно если существующие возврата конденсата системы эффективно.
Найдя правильное направление, мы можем извлечь теплообменник-сети передачи данных рассудительно. Мы должны рассматривать только те процессы, используя HP и М. П. пара. Принимая во внимание, что теплообменник сети данных на сегодняшний день наиболее timeconsuming собирать, этот подход может сохранить несколько недель или месяцев работы. После этого, существуют методы для достижения экономии пара, либо за счет перехода пара в котлах обмена или за счет улучшения процесса восстановления тепла (20).
Новые инструменты были разработаны для определения наиболее подходящего количества и уровня пара для сайта, и, одновременно, наиболее подходящей системы когенерации паровых турбин и газовых турбин. Общая технология сайте, могут быть использованы для сокращения эксплуатационных затрат на существующие системы, чтобы определить и оценить новые инвестиционные предложения или предоставления долгосрочных инвестиционных планов для развития инфраструктуры, чтобы предполагаемых изменений в структуре производства.
г) разработка, система водяного охлаждения
Использования циркуляционного водяного охлаждения является самой распространенной метода, используемого для отклонения отработанного тепла в окружающую среду. Большинство конструкций используют сети охлаждения - охладители воды, которые действуют параллельно. Новые меры позволят нижней рециркуляции ставок и повышения производительности градирни. В ликвидацией узких мест ситуациях, когда градирни потенциала является предельной, она может позволить увеличить пропускную способность без инвестиций в новые градирни потенциала. Новые методы были разработаны дизайн охлаждения сетей. В сочетании с новыми моделями для градирни, взаимодействия между конструкцией башни охлаждения и охлаждения сети теперь могут быть изучены на систематической основе.
ч) разработка низкотемпературных системах
Оперативные расходы за низкой температуры (к югу от окружающей среды) процессов, как правило, доминируют на стоимость энергии для запуска системы охлаждения. Новые методы были разработаны недавно предсказать потребляемой мощности для холодильных систем до разработки в пределах 3% от подробного моделирования. Этот подход работает для всех охлаждающих жидкостей и для всего комплекса функций, в холодильных системах (например, несколько уровней, переохлаждение, экономайзеры, пред-сатураторы, промежуточного отвода тепла и т.д.). Несколько уровней охлаждения и каскадные системы также могут быть рассмотрены. Даже смешанного хладагента композиции теперь может быть оптимизирована для достижения минимальной мощности, в смешанной системы хладагентом (21).
я) Автоматическая конструкция теплообменника сетей
Хорошо известно, что жестко следуя методу пинча дизайн теплообменника сетей может привести к конструкции, которые являются слишком сложными и, возможно, трудно работать и контроля. Это и не удивительно, так как шнура Метод основан на термодинамики только и в основном направлена на сведение к минимуму потребление энергии. Трудно включить соображения, такие, как ограничения и оборудование ограничений, в термодинамический подход, и он понял, что дизайн метод должен быть сдержанным понимание инженера, здравый смысл и здравый смысл. Некоторые попытки были сделаны, чтобы изменить щепотку метод, но все они были по существу до сих пор термодинамических методов и страдали от тех же ограничений, присущих. Включение математической оптимизации необходимо, чтобы не позволить "шнур" щепотку нас. Проблема в том, чтобы сделать это, не выпуская номера кризис нас.
Новый, практический метод был разработан для автоматизированного синтеза новых сетей теплообменник. Этот подход основывается на концепции, известной как блок разложение (22). Эта концепция использует физические идеи из пинча анализа и разлагается композитных кривых на несколько блоков, таким образом, чтобы потоки в каждом блоке, имеют сходные характеристики. Каждый блок, как правило, включает несколько разделов сводного кривых. В каждом блоке, надстройка представляет возможные матчи между потоками. В результате комбинированного надстройка для общей задачи значительно упрощается, и, следовательно, размеры математической модели значительно сокращены. Надстройка затем подвергается оптимизации, что позволяет автоматическое создание оптимальных или близкое к оптимальному сетей с небольшим числом узлов.
Эта новая технология не только существенно увеличивает возможности дизайна, но также позволяет для взаимодействия. Дизайнер имеет полный контроль над сетью сложности, чтобы избежать нецелесообразным конструкций. В дополнение к торговле от энергетических и капитальных затрат, новый метод позволяет несколько утилит, ограниченных матчей, переменной коэффициенты теплоотдачи и различными законами, расходы на теплообменники, производство конструкций, которые сочетают низкие затраты с простыми структурами.
к) Модернизация теплообменника сетей
Традиционные производственной практики в том, чтобы использовать щепотку анализ концепции или изменения этих, установленного теплообменника сетей. Однако, это не является идеальным, поскольку эти методы в той или иной модифицированной относиться как "псевдо" новый дизайн. Это не учитывает существующую планировку и оборудование ограничения.
Новые методы были развиты, что сильно отличается от предыдущих подходов в том, что дизайн начинается с существующей сети, а не из потока данных. Новые подходы к модернизации был разработан для автоматизации процедур с использованием комбинации термодинамики и математического программирования. Один из подходов, который успешно применяется в промышленности находит сеть шнура, который является узким местом на рекуперации тепла в существующую структуру сети (23). Это не то же самое, что и оригинальный шнура и действительно соответствует блок теплообменника в системе. Структурные изменения в сети, необходимых для преодоления сети шнура. Модифицированная конструкция доходов одной модификации на время от существующей сети (23). Таким образом, дизайнер может развиваться в проектах по модернизации, полный контроль с числом изменений в сети (например, добавить новый теплообменник, теплообменник переселения, расщепление потока т.д.) сведено к минимуму.
к) Теплообменник-дизайн с использованием сети активизировали теплообмена
Тепло-транспортных операций может быть усилено за счет использования компактных теплообменников и использования теплоносителя повышение методов в обычных теплообменников. Использование теплоотдачи повышение в теплообменник-модифицированной сети хорошо известны. Модернизация зачастую требуют увеличить поверхность теплообмена, о существующих подразделений, которые могут, в принципе, можно достичь с помощью теплоносителя по повышению техники. Теперь мы можем рассмотреть вопрос о применении усиления теплоотдачи в рамках общего подхода к проектированию сети, такие, что она используется в полной систематической (24).
л) Электростанция дизайн
Проектирование автономных электростанций существенно отличается от дизайна ТЭЦ власти. При разработке самостоятельных растений, эффективность производства электроэнергии имеет первостепенную важность, и даже небольшой процент улучшения имеют важное значение. Такая конструкция, как правило, проводят опытные дизайнеры электростанции за счет широкого использования тренажеров для оценки проектов. Новых систематических была разработана методология, которая использует сочетание термодинамического анализа и математического программирования для концептуального проектирования электростанций. Как новый дизайн и модернизация считаются. Приложения должны включить газотурбинных интеграции в существующие электростанции (25).
Сокращение выбросов
В эти дни, это не возможно работать в химической перерабатывающей промышленности и не придется рассмотреть экологические проблемы. ХФУ, глобальное потепление, кислотные дожди, налогов на выбросы углерода и загрязнения воды являются лишь немногие из вопросов, которые признаются в качестве критических.
а) водные системы дизайн
В прошлом воды было считать безграничным ресурсом недорогой. Однако, в настоящее время растет осознание опасности для окружающей среды из-за чрезмерного извлечения воды. Как следствие, цена пресной воды в обрабатывающей промышленности возрастает. В некоторых местах, вполне вероятно, что в будущем увеличение ее использование будет ограничено. В то же время, введение все более строгих правил разряда подъехал стоков обращения расходов, необходимых для покрытия капитальных расходов практически без продуктивного возвращения. Существует в настоящее время значительные стимулы для уменьшения расхода пресной воды и сточных вод поколения.
Расход воды могут быть сведены к минимуму за счет максимального повторного использования воды. Этот подход основан на аналогии между передачей тепло-и массообмена. Рисунок 11 иллюстрирует, как различные использования воды, процессы могут быть объединены, чтобы дать составной кривой для всей системы, позволяя цели, установленные для минимального водоснабжения. Эти цели могут быть достигнуты, следуя определенным правилам, которые дают проектирование сети (рис. 12).
Эта концептуальная работа открывает совершенно новую главу в щепотку анализа, но оригинальный подход очень быстро столкнулись с проблемами. Во-первых, трудно продлить этот метод для решения нескольких компонентов. 2-мерных графический метод работает очень хорошо для теплообмена, где есть только один передается количество (а именно, энергии), но настоящая вода-системах используются несколько видов, которые передаются одновременно.
Кроме того, ограничения расхода (т. е. процессы, которые требуют минимальной фиксированной или расхода), также трудно объяснить. Другая проблема заключается в том, что работы моделирования. Некоторые операции, например, амортизаторы, могут быть смоделированы как с фиксированной нагрузке массообмена. Тем не менее, другие операции, такие как реакторы или шлангом операции не могут быть смоделированы в первую очередь как массообмена операций. Добавьте к этому необходимость включать в себя практические ограничения (например, запрещено матчей, вынуждены матчей, сложности ограничения и т.д.), а также стоимость капитала (например, трубы, канализация, очистные сооружения и т.д.), и простой воды щепотку подход просто не могут справиться.
Недавно был разработан подход использует математического программирования. Во-первых, каждый использования воды, работа которых описывается модель, которая может быть разным для различных загрязняющих веществ. Затем, надстройки, содержащей все возможные связи настроен как показано на рисунке 13а. Обратите внимание, что эта структура включает в себя все мыслимые использования, повторного использования, утилизации и выполнять альтернатив. Это потом оптимизированных математических программ, которые, как правило, сочетание MILP и нелинейных программы (НЛП). Это дает оптимального проектирования сети, как на рис 13B. Подробная информация о пакете оптимизации приведены в другом месте (26). Этот подход может обрабатывать все трудности, упомянутые ранее, а щепотку подход не мог. Кроме того, использование математического программирования голосующие не означает, tnat мат понимание есть с графическим методом необходимо принести в жертву. Было показано (26), как выход из оптимизации могут быть использованы для создания композитных кривой системы водоснабжения, тем самым сохраняя графическое представление.
Химической промышленности процессе широко использовать горячую воду для мытья и стерилизации. Таким образом, наиболее эффективным, если энергетики и водных ресурсов рассматриваются вместе. В настоящее время существуют методы для одновременного энергии и воды минимизации (27). Они считают изотермических и неизотермических перемешивание водных потоков с косвенным рекуперации тепла для обеспечения энергетических и водных ресурсов целевых показателей с простейшей конструкции.
Очистка сточных вод также могут быть обработаны. Аналогичный подход может быть использована для разработки оптимальных процессов для лечения множества потоков сточных вод. Суть метода заключается в использовании распределенных лечения вместо централизованной обработки. При таком подходе, сточные потоки объединены для лечения в случае необходимости, отдельно, но в случае необходимости. Это может уменьшить объем на лечение и, следовательно, стоимости.
Более поздние работы считается использование водных ресурсов и лечения сетей 1 общей системе водоснабжения. Это важно, потому что воды не ограничивается стоков потоков. Процесс лечения может быть использован вместо воды для регенерации, так что она может быть утилизированы в сети водопользования. Вновь надстройки используется подход, но это уже гораздо более всеобъемлющим, и сложную структуру. Как и прежде, все соответствующие издержки и ограничения могут быть включены.
б) Минимизация дымовых газов
Экологические проблемы в настоящее время требуют, чтобы дымовых газов в результате энергоснабжение процессы должны быть сведены к минимуму. Метод существует в настоящее время для сайта утилиты - проектирование системы для удовлетворения соответствующих положений разряда при минимальных затратах (28). Для этого используется сочетание физических идей и математического программирования, а также используется, чтобы найти лучшие стратегии, которая будет представлять собой сочетание: изменение топлива, изменения системная утилита, процесс изменений, улучшение регенерации тепла, когенерационные и химической обработки. Акцент делается на достижение дымовых газов пределах при меньших капитальных инвестиций по сравнению с традиционными подходами и, возможно, принятия оперативных расходов экономия в то же время. Оба новых образцов и модернизации рассматриваются.
Технологические операции
Ранние работы процесса интеграции обеспокоена в основном с концептуальным дизайном и не очень заботится о изо дня в день операции и планирования. Теперь, однако, основной вклад был внесен и в этих областях.
а) процесс оптимизации товарных химикатов
Одна из серьезных проблем при проектировании и оптимизации товарно-химических процессов, что цены на корма и продукты колебаться с течением времени. Этот проект предусматривает анализ, который прост для выполнения и могут быть использованы для создания гибких процессов, которые обеспечивают достижение максимальной доходности в широком диапазоне условий. Изменение цены представлены в простой графический таким образом, чтобы быстро определяет экономические условия, что процесс может столкнуться, а также отсутствие необходимости цен прогнозов. Это может быть использовано, чтобы предложить альтернативные проекты, которые обеспечивают гибкость при определенных условиях может произойти. Она также может быть использован для нахождения оптимальных возможностей для нового завода и оптимальный размер для расширения существующих 1 (29).
б) НПЗ оптимизации и ликвидацией узких мест
НПЗ является чрезвычайно сложной. Рентабельной эксплуатации завода требует оптимизации водотоков и процесс кормов. Большинство нефтей обеспечить значительную гибкость в сокращение пунктов, и многие заводы могут также обрабатывать несколько различных нефтей. Оптимизация Ручей ограничен только возможностями оборудования, а также желаемые характеристики изделий. Новая методика была разработана с участием трех уровнях анализа и оптимизации, которая принимает во внимание все коммунальные и процесс взаимодействия (30). Процессов переработки, теплообменник сетей, инженерных систем и сетей водорода все они считаются как одна система. Целью является не просто для экономии энергии или водорода, а использовать их более эффективно для повышения рентабельности. Это может осуществляться в форме увеличения пропускной способности, более сланцев продукта, или сокращение расходов сырья.
Текущие операции первой модели оптимизированы с помощью операций, которые позволяют дискретным (вкл / выкл) эффектов, а также постоянные изменения. На втором уровне выявляются основные узкие места и почти узких мест. Третий уровень предусматривает стратегию ликвидацией узких мест, рассматривая изменения в условиях эксплуатации, передача "узкие места" дорогой в менее дорогое оборудование, и осуществляют структурные изменения. Оптимизация обеспечивает инвестиционную стратегию на краткосрочную, среднесрочную и долгосрочную перспективу.
в) оптимального планирования, проектирования и эксплуатации пакетной обработки
Технологии для планирования и планирования операций партии должны, как правило, принимают во внимание многие проблемы в цепочке поставок. К ним относятся: поставка сырья, вплоть до технологических установок, которые будут использоваться в производстве, хранении и упаковке операций, транспортных систем, используемых для доставки продуктов и графиков поставок для наших клиентов. Новый метод был разработан для решения таких проблем (31). Он использует системную информацию и уникальные представления, которые используют логистический процесс, в результате чего значительные улучшения в области потенциал математических методов. Она способна обеспечить быстрые решения, в которых обычные технологии совершенно не получается.
г) работоспособность когенерации и сайт инженерных систем Изменение в эксплуатацию "нормой" для многих процессов. Такие изменения могут быть следствием различных кормов, изменения в условиях эксплуатации, снижение или повышение пропускной способности, закрытие подразделений для обслуживания и т. д. Эти изменения создадут меняющихся потребностей на системная утилита, которая должна обрабатывать эти изменения в стоимости эффективным образом. Дизайн сайта системы утилита теперь могут учитывать изменения оперативных (32). Оптимизированная графиков технического обслуживания за коммунальные системы может быть развита.
Применение в реальном мире
Проблема с исследованиями в области интеграционных процессов всегда является обеспечить, что она работает на практике. Единственный способ добиться этого заключается в последующих исследований на основе применения. Опыт применения, то необходимо обратно в исследованиях. Кафедра процесса интеграции в UMIST добилась этого через процесс интеграции исследовательский консорциум, группа из 30 крупных компаний, которые спонсируют исследования, и работа в тесном контакте с исследователями из первых областей применения новых технологий.
Консорциум предоставляет значительную финансовую и техническую поддержку для программы исследований, и в свою очередь, получает ряд существенных преимуществ, в том числе специализированных пакетов программного обеспечения. Поскольку эта статья пытается подчеркнуть, процесс интеграции технологий в настоящее время составляет значительную использования математического программирования и методов оптимизации. Мощность этих методов является неоспоримым, но они практически невозможно применить без использования программного обеспечения. Стоит упомянуть, что некоторые члены консорциума компаний, таких как AspenTech, Linnhoff-марте, и Hyprotech, создали коммерческие пакеты, основанные на исследовании.
Тесных производственных связей и обратной связи обеспечить, чтобы исследования практическую направленность и может помочь инженерам решать реальные проблемы. Это требование может быть резервной копии на впечатляющий послужной список промышленных применений, который следует ниже.
Пинч-анализа сама по себе уже огромное количество приложений, тысячи проектов, были проведены по всему миру. Мотивация включили экономия расходов на электроэнергию, ликвидацией узких мест для увеличения пропускной способности и сокращения выбросов дымовых газов (33). Компании, такие как Shell, Exxon, BP-Amoco, Neste Oy и Mitsubishi, заявили об экономии топлива до 25%, а аналогичные сокращения выбросов, стоимостью в несколько миллионов долларов в год. EI-Альваги и Спригс (6) список некоторых промышленных приложений массовой интеграции. Здесь мы рассмотрим, как некоторые из современное состояние технологий обсуждаются в настоящей статье, применяются.
Дистилляции-конструкторских работ видел успешного промышленного применения членами консорциума. Разделительную стену колонки технологии недавно обратились к Корйтон НПЗ BP-Amoco в Великобритании изменений в два раза мощность колонки и увеличил средний урожай дистиллятов на 50%, со сроком окупаемости менее 1 года и ни один из действующих и проблемы управления . Кроме того, азеотропной перегонки методы были применены в ряде успешных совместных проектов с другими участниками.
Хотя реактора систем технологии проектирования еще слишком молод, он уже видел два основных приложений. Они оба были проведены совместно с UOP
Интеграции новых теплота и работа системная утилита также уже видели несколько приложений. Топ-уровень анализа имеет успешный приложений хотя является относительно новым. Низкотемпературной системы дизайн был применен в этилен и сжиженный природный газ систем. Новый теплообменник сети модифицированные методы хорошо отлаженных и в настоящее время включены в коммерческих программных пакетов. Powergen сотрудничает по вопросам применения технологии электростанции-дизайн.
Проектирование системы водоснабжения методологии встретился с весьма впечатляющим успехом, Unilever отчетности сокращение на 50% пресной воды спроса и 65% в сточных водах, производство (34).
Новый член семьи пинча, водород шнура, уже были приняты на борт компаний-членов, таких, как AspenTech, BP-Amoco, Engineers India, Exxon, ICI, Linnhoff марта, Келлог и UOP водорода экономия, как правило, опытные сотни тысяч и даже миллионы долларов в год. Кроме того, водород высвобождается были использованы для увеличения парциального давления в отдельных реакторов и повышения их преобразования, выход, и селективность, несмотря на увеличение катализатора жизни.
Наконец, корпорации Mitsubishi Chemical сообщает, что с использованием новых методов, разработанных для планирования процесса и оптимизации supplychain, компания "может снизить стоимость доставки на 20-30 миллионов иен (около $ 200000 - $ 300000) в год" (35). Таковы лишь некоторые из применений новой технологии, но, надеюсь, они будут иллюстрировать разнообразия, промышленной значимости и целесообразности интеграции.
Проблемы для более широкого использования
Следует признать, что процесс интеграции - особенно новые разработки - не используется настолько широко, насколько это может быть. По мнению этого автора, главным препятствием был просто недостаток знаний. Люди не хотят что-то, если они не знают о ее существовании! Жаль, что многие люди все еще думают интеграционных процессов как только к теплообменник сетей, как это было в 1970-х и 1980-х.
Какие будущие тенденции, которые можно ожидать? Робин Смит, руководитель кафедры интеграционного процесса, делает интересные прогнозы (36). Первый из них связан с философией ориентации до дизайна. Современные методы по-прежнему пытаться, по возможности, использовать двухэтапный подход к дизайну. Во-первых, целевые показатели устанавливаются в рамки экрана и параметры. Затем, когда важные параметры прошли обследование, проектирование метод используется для достижения целей. В будущем, представляется вероятным, что граница между целями и дизайн будет размытым, и что они будут основаны на более структурной информации, касающейся процесса сети.
Во-вторых, вполне вероятно, что мы увидим гораздо более широкий спектр применения процесса интеграции. Существует еще много работы, которая будет проводиться в районе разъединения, а не только в сложных системах перегонки, а также в смешанных типов разделения систем. Это включает в себя процессы с участием твердых веществ, таких, как флотации и кристаллизации. Использование технологий, процесс интеграции для реактора наблюдается бурный прогресс, но все еще находится на ранних стадиях. Дальнейшая работа по одновременной реакции и разделения не требуется. Процесс интеграции будет все более широкое применение для обработки операций. Безопасность и контроль еще должны быть надлежащим образом. Кроме того, мы также не должны упускать из виду работы по-прежнему остается делать в области энергоэффективности и сокращению выбросов.
В-третьих, новое поколение программных средств не ожидается. Появление коммерческого программного обеспечения для процесса интеграции имеет основополагающее значение для их более широкого применения в процессе разработки. Хотя инструменты моделирования в настоящее время становится достаточно зрелой и развитой, программное обеспечение процесса интеграции, для сравнения, в зачаточном состоянии. Развитие программного обеспечения ведет к так называемой открытой архитектуры позволит процесса интеграции программного обеспечения для взаимодействия с онлайн моделирования программного обеспечения для доступа к физическим данным собственности и имитационных моделей. Это позволит сделать более широкий круг имеющихся моделей на процесс интеграции алгоритмов.
В конечном счете, мы хотели бы отделиться от того, чтобы разложить процесс проектирования на слои, а также разработать подход, который рассматривает проблему во всей ее полноте. Если учесть скорость, с которой исследований процесса интеграции идет по нарастающей, а также большие достижения в вычислительной мощности, это видение должно стать реальностью в будущем.
Благодарности
Эта статья во многом обязана исследований из моих друзей на UMIST, а именно: Робин Смит, Меган Джобсон, Антонис Kokossis и Фрэнка Чжу.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мехта, В. А. Kokossis, "Новые инструменты генерации многофазных систем реакция: Проверенные систематическую методологию Новизна и Design Automation," Компьютеры
2. Мехта, В. А. Kokossis ", систематическую основу для развития новых видов многофазных образцов" Реактор "," представила на IChemE исследований события, Ньюкасл (апрель 1998).
3. Линке П., и др.., "Синтез Reaction / Разделение систем с помощью системного подхода", представил на Айше Spring Meeting, Хьюстон (март 1999).
4. Линке П., и др.. ", Новый подход для синтеза реакционноспособных дистилляции Системы" представила на Айше Spring Meeting, Хьюстон (март 1999).
5. Marcoulaki, Е. А. Kokossis, "Молекулярная Синтез Дизайн Использование стохастической оптимизации для обзора и отбора," Компьютеры КТП Chem. Eng., 22, Suppl., Стр. S11-S18 (1998).
6. Эль-Альваги, М. и Х. Спригс, "Дизайн Решите головоломки со средствами массовой интеграция". Cheng Eng. Прогресс, 94 (81, с. 25-44 (август 1998).
7. Hallale, Н. Д. Фрэзер, "Оптимальный дизайн массового сети Exchange Использование Пинч техники" Компьютеры
8. Алвес, J., "Анализ и проектирование НПЗ Системы распределения водорода", диссертация, UMIST (1999).
9. Hallale, Н. Ф. Лю, "Эффективное управление НПЗ водорода для производства экологически чистых видов топлива", представил на ежегодном совещании Айше, Лос-Анджелесе (2000).
10. Шах, П. и А. Kokossis, "Системные технологии оптимизации для высокого уровня отбора и анализа сложных систем дистилляции," Компьютеры
11. Шах, П. и А. Kokossis, "Новые образцы для холодной Этилен-End Разделение Используя концептуальные Технология программирования", Компьютеры
12. Amminudin, К., "Разработка и оптимизация разделительной стены Колонка". Диссертация, UMIST (1999).
13. Widagdo, С. и В. Сейдер ", азеотропной дистилляции". Айше J., 42 (1). с. 96-130 (1996).
14. Кастильо, Ф. и др. /., "Однородные азеотропной дистилляции (части I и II)," Рус штат Индиана. Химреагент Рез., 30 (3), с. 987-1008.
15. Thong, D., "Многокомпонентные азеотропной дистилляции Дизайн", диссертация, UMIST (2000).
16. Соареш Пинто, F., "Термодинамический анализ дистилляции", кандидатская диссертация, UMIST (1998).
17. Либман, К. "," Комплексное нефти Перегонка Дизайн ", кандидатская диссертация, UMIST (1997).
18. Таулер, Г. и др. /. "Совершенствование абсорбер-Stripper технических средств для газового Подсластители к сверхнизкого Поисково-спасательная служба концентрации", представленные на ежегодной Ассоциации газа Процессоры собрания, Сан-Антонио (март 1997).
19. Makwana Ю., и др.. ", Новый подход к Модернизация и оперативного управления существующих Всего сайтов," Компьютеры и Chem. Eng., 22, Suppl., С. 5793-796 (1998).
20. Zhu, X. Л. Vaideeswaran, "Последние исследования проблем развития интеграционных процессов в анализе и оптимизации систем энергетики", представленный на PRES 99, 2-й конференции по интеграции процессов, Будапешт (май 1999).
21. У Г. "Проектирование и модернизации комплексной системы охлаждения", диссертация, UMIST (2000).
22. Zhu, X. и др.., "Метод автоматизированного Теплообменник сети синтеза с использованием блочного разложения и нелинейной оптимизации," Trans. IChemE (часть), 73 (8), с. 919-930 (1995).
