Оптимизация конструкции технологических аппаратов на основе компромисса между интенсивностью и энергопотреблением

© В.Ф. Беккер, 2012

УЛК 66.021.1 В.Ф. Беккер

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НА ОСНОВЕ КОМПРОМИССА МЕЖДУ ИНТЕНСИВНОСТЬЮ И ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ

Рассмотрена задача интенсификации и рациональной организации технологического процесса в отдельном аппарате и решение средствами конструирования. Показана оптимизация параметров конструкции абсорбционной колонны с вращающейся подвижной насадкой на основе компромисса между интенсивностью и энергопотреблением.

Ключевыю слова: технологический аппарат, параметры конструкции, оптимизация, энергопотребление, интенсификация массопереноса.

Энергетический и экологический кризисы побудили ученых многих стран в ходе интенсификации производства (особенно в добывающей, горной, металлургической, химической промышленности) искать возможные пути снижения энергопотребления. Интенсификация и рациональная организация технологических процессов в отдельном аппарате, достигнутая средствами конструирования, обеспечивает его устойчивую эффективность при существенном ограничении энергопотребления. Интенсификацию проводят методом интенсифицирующих факторов и/или методом структурной оптимизации.

В основу первого метода положено увеличение скоростей химических реакций и физических процессов. Его применение для коренного изменения старых технологий решает одновременно и проблему обеспечения малоотходности за счет достаточной глубины и полноты переработки сырья при снижении занимаемых площадей и капиталовложений в производственное и очистное оборудование.

Структурная оптимизация предполагает, что интенсификация процессов обеспечивает малоотходность в самом производственном процессе. Задачи интенсификации в этом случае эффективно решаются путем системного анализа химико-технологической системы. Такая интенсификация применима при проектировании и введении в эксплуатацию новых промышленных производств, но она чрезвычайно затратна при реконструкции существующих предприятий. В этом случае целесообразна компромиссная (разрешение конфликтной ситуации путём взаимных уступок) интенсификация с помощью первого метода.

Рассмотрим пример такой компромиссной оптимизации конструкции абсорбционной колонны с вращающейся подвижной насадкой. Здесь, наряду с интенсификацией абсорбции важно снизить энергозатраты на продувку через аппарат газового потока, псевдоожижающего подвижную насадку. Конструктивными параметрами такой колонны являются: доля свободного сечения опорно-распределительной решетки £ статическая

Рис. 1. Составляющие а

Рис. 2. Составляющие а

высота слоя насадки Нст, кажущаяся плотность материала насадки рш и диаметр колонны Ок Различным состояниям материальных потоков на входе абсорбционной колонны по математической модели процесса абсорбции аммиака водой [1] определены соответствующие параметры

потоков на выходе из аппарата. Показателями, количественно оценивающими составляющие интенсивности и энергопотребления, являются (в соответствии с рекомендациями, приведенными в [2]) удельная интенсивность абсорбции а(/, Нст, р0, £>к), равная массе абсорбированного компонента в единице объема аппарата в единицу времени, и гидравлическое сопротивление колонны ДР(/, Нст, Рш, А<).

Обобщающий критерий Ф записан согласно [3] из условия эквивалентности вклада в этот критерий составляющей эффективности процесса, характеризуемой удельной интенсивностью абсорбции, и вклада другой составляющей - энергопотребления, определяемой гидравлическим сопротивлением ДР. Диапазоны изменения ДР = 5 кПа, удельной интенсивности а = 15 г/(м3с). Весовыми коэффициентами составляющие критерия Ф приведены сначала к одинаковой размерности - Па, а затем выбраны их величины, равные Ах=1 и к2 = 0,33103 м2/с. Критерий оптимизации Ф приобрел вид Ф = к1 -АР - к2  а , где к\ и к2 - весовые коэффициенты при частных критериях: удельной интенсивности абсорбции а и гидравлическом сопротивлении ДР. Задача оптимизации приобрела вид

Результаты компромиссной оптимизации колонны с подвижной насадкой

Параметр конструкции Диапазон изменения Перепал давления, кПа Удельная интенсивность, г/м3-с Весовой коэффициент Оптимальное значение

ki k2 103, м2/с

Диаметр колонны, м 2,40 ... 1,00 1,4 ... 4,7 6,4 ... 6,6 - - 1,70

Высота статического слоя, м 0,45 ... 0,10 3,2 ... 1,1 4,2 ... 14,9 1,00 0,33 0,27

Доля свободного сечения 0,70 ... 0,25 1,6 ... 3,2 6,5 ... 7,3 1,00 0,33 0,46

Плотность насадки, кг/м3 800 ... 250 3,5 ... 1,9 8,6 ... 6,7 1,00 0,33 380

Рис. 3. Составляющие а

Ф

fm

min \k, -ЛР

ЛР,а 1 1

i\l

/

< f < fmax #„„;„ < Нст < Нст max Р ш min< Р ш< Р ш max

DK = const

Поисковая процедура пошаговых итераций в точках расчета была совмещена с найденными на предыдущих этапах поиска оптимальными значениями конструктивных параметров.

Зависимости составляющих компромиссного критерия Ф от статической высоты слоя насадки а(НСт), ЛР(НСТ) и полученная оптимальная величина слоя насадки представлены на рис. 1.

Полученные зависимости составляющих компромиссного критерия Ф от плотности материала насадки а(р0), ЛР(рш) и оптимальная доля свободного сечения решетки представлены на рис. 2.

Аналогичные зависимости составляющих компромиссного критерия Ф от доли свободного сечения опорно-распределительной решетки ЛР(/) и полученное значение оптимальной доли свободного сечения решетки представлены на рис. 3.

Границы области выполненного поиска и полученные оптимальные значения конструктивных параметров /, Нст, р0, £>к приведены в таблице.

Выводы

Выполнен анализ влияния конструктивных параметров на эффективность технологического процесса и на

требуемые для его проведения энергозатраты, соответственно, по степени абсорбции и гидравлическому сопротивлению аппарата. Веден критерий эффективности абсорбции в колонне с вращающейся подвижной насадкой - удельная интенсивность абсорбции, показывающий какое количество газа поглощается одним кубическим метром объема псевдоожи-

женного слоя в единицу времени. Предложен критерий многопараметрической оптимизации в виде компромисса между удельной интенсивностью и энергозатратами. Выявлены и ограничения. Сформулирована и решена задача компромиссной оптимизации параметров конструкции абсорбционной колонны с вращающейся подвижной насадкой.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Беккер В.Ф., Киссельман И.Ф. Математическое моделирование абсорбции аммиака в колонне с вращающейся подвижной насадкой. Научно-технический вестник Поволжья, №1, 2011. - С. 76-85.

2. Беккер В.Ф., Киссельман И.Ф. Оптимизация конструктивных параметров колонны с вращающейся подвижной насадкой. Научно-технический вестник Поволжья, №2, 2011. - С. 41-48.

3. Беккер В.Ф. Балансирование интенсивности и энергопотребления аппаратов химической технологии. Инженерные средства и методы оптимизации химических производств: Всеукраинская науч. конф. с междунар. участием 17-19 мая 2011 г.: материалы, - Днепродзержинск, 2011. - С. 41-43. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Беккер Вячеслав Филиппович - кандидат технических наук, профессор, Березниковский филиал Пермского национального исследовательского политехнического университета, bekker@bf.pstu.ac.ru

д

- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор | Название работы \ Специальность! Ученая степень

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КОРОБКОВА Обоснование геотехнологических

Елена параметров и продолжительности 25.00.22 к.т.н.

Ананьевна консервации неглубоких угольных разрезов