Software & Systems

В химической технологии, особенно в производствах, связанных с химической переработкой природных ресурсов, задачи оптимизации энергозатрат наиболее актуальны, что объясняется быстрым увеличением мощности производств и их относительно высокой энергоемкостью. Перевод таких производств на интенсивную технологию также означает и рост качественных показателей, таких как расход топливно-энергетических ресурсов на единицу количества получаемого продукта. То есть интенсификация процесса, преследующего лишь увеличение выпуска продукции “любой ценой”, может привести к увеличению удельных энергозатрат, к экономической неэффективности и нерентабельности такого производства. Поэтому при разработке интенсивных процессов наряду с использованием более интенсивной аппаратной обвязки необходимо применять энергосберегающую технологию.

Несомненно, экономия топливно-энергетических ресурсов является одной из самых важных задач современной технологии, а главным направлением научно-технического прогресса является развитие так называемой энергосберегающей технологии в том числе и в химической отрасли в частности. Как известно, именно в химических производствах расходуется около 15% всех энергоресурсов [1]. Причем в большинстве из химических производств расход энергии составляет основную часть затрат.

В энергетике термодинамический анализ применяется широко и плодотворно. Разработан наиболее современный его вариант – эксергетический. Этот метод основан на применении второго закона термодинамики и разработан Дж.Гиббсом, Ж.Гюи, А.Стодолой и другими, с начала 50-х годов метод развивался в работах советских ученых (В.М.Бродянский), ученых ПНР (Я.Шаргут и др.), ГДР (В.Фратчер и др.).

Уже классический энергетический баланс на основе первого закона термодинамики позволяет вскрыть ряд источников энергетических потерь и разработать способы их уменьшения. Однако применение второго закона термодинамики дает возможность получить значительно более широкую и точную информацию. Анализ термодинамической необратимости и движущих сил химических, массообменных и теплообменных процессов позволяет найти разнообразные технические приемы снижения энергетических затрат, начиная с простейших методов (например с увеличения поверхностей теплообменников) до внесения кардинальных изменений в технологию.

За истекший период появилось много статей, посвященных методике эксергетического и термодинамического анализа и экономии энергии различных процессов. Так, созданы теория и методы расчета экономичных схем ректификации многокомпонентных смесей с пониженными затратами энергии. Разработаны и внедрены в промышленность абсорбционные методы очистки газов с существенным снижением затрат тепла.

Но наиболее важную роль при разработке новых и интенсификации действующих производств играют именно системы автоматизированного расчета и проектирования процессов, так как только с помощью микроЭВМ можно в минимальные сроки и наиболее качественно произвести необходимые расчеты. Отсюда становятся ясными важность и необходимость создания программного обеспечения автоматизированных систем расчета.

В статье предложен один из подходов создания энергосберегающей технологии, представленный автоматизированной системой, реализующей эксергетический метод термодинамического анализа технологических процессов.

Эксергетический метод термодинамического анализа основан на использовании первого и второго законов термодинамики. Его особенность заключается в том, что этот метод учитывает реальные условия протекания процессов, от которых зависит возможность получения максимальной полезной работы.

В общем случае, когда тепло подводится при переменной температуре (Q = f(T)), максимальная полезная работа равна:

(1)

При P=const

E=H-T0S=E-E0=H-H0-T0(S-S0).              (2)

Приращение эксергии de 1 моля вещества при изменении температуры, давления и состава составляет:

                                    (3)

После интегрирования соответственно получаем:

(4)

Здесь e0 – начальная эксергия системы, взятая при параметрах окружающей среды P0 ,T0;  – приращения эксергии системы при изменении ее температуры, давления и числа молей компонента; eT, eP , eX – величины термической, физической и химической эксергии соответственно (их сумма называется термомеханической (физической) эксергией).

Для математического выражения термической и физической составляющих эксергии необходимо продифференцировать уравнение (1) по температуре и давлению. Тогда получим:

(5)

                      (6)

Величину химической эксергии обычно выражают через энтальпию и свободную энергию Гиббса. Исключая из уравнения (1) энтропию, можно получить

e=H-(1-T0/T)+T0G/T;

de=dH(1-T0/T)+T0 dG/T;                               (7)

или De=DH(1-T0 /T)+T0 DG/T.                             (8)

Для оценки степени совершенства процесса широко применяется так называемый “эксергетический” коэффициент полезного действия (КПД), который показывает степень обратимости. В идеальном обратимом процессе сумма эксергий потоков, подведенных к системе, å E+ равна сумме эксергий потоков, отведенных от системы, å E -. Тогда КПД обратимого процесса he будет равен: he=å E - /å E+=1.

В любом реальном процессе вследствие необратимости å E+<å E -, то есть КПД меньше единицы. Разность å E+ – å E -=DE характеризует потери эксергии в системе, то есть

he=å E - /å E+=(å E+–D E)/ å E+=1–DE/åE+.(9)

Разработка алгоритмической части

Имея расчетные зависимости (5), (6) и (8), можно определить изменение эксергии при изменении температуры, давления или при протекании химической реакции. Кроме начальных и конечных параметров, требуется знать также теплоемкость, энтальпию и свободную энергию при протекании химической реакции. Энтальпию DHx.p. можно рассчитать через энтальпии реагирующих веществ и коэффициенты химической реакции по соотношению

                              (10)

Для расчета их теплоемкости, как зависимости от температуры, удобно воспользоваться интерполяционной зависимостью с известными коэффициентами a, b, c вида:

Cp = f(T)=a+b*T+c’/ T 2                                 (11)

Что касается свободной энергии DG, то для ее расчета можно применить известное соотношение [2]

                               (12)

Здесь энтропия химической реакции считается аналогично по формуле (10). Начальное значение эксергии e0 определяется на основе справочных данных, рассчитанных по методике, основанной на системе уровней отсчета эксергии, предложенной Я.Шаргутом. Таким образом, алгоритм расчета изменения эксергии можно представить блок-схемой (рис. 1).

Программная реализация системы расчета эксергии

Для удобства работы было решено ввести в систему расчета базу данных, хранящую в себе все необходимые физико-химические константы для расчета эксергии. Каждая запись состоит их следующих полей: название вещества, его молекулярная масса, энтальпия, энтропия и теплоемкость при нормальных условиях, начальная эксергия, вспомогательные коэффициенты a, b, c для расчета теплоемкости, как функции температуры. В программе предусмотрена возможность редактирования базы данных, то есть оперативное дополнение и изменение полей и записей, изменение формата поля (числовое, символьное) и др. Сама база представляет собой обычный файл DBF-формата, что было сделано для удобства обработки базы другими внешними программами (типа Dbase, FoxPro и пр.), а также для возможности использования этой базы в других программах для других целей.

Таким образом, работа с программой расчета эксергетического баланса начинается с описания химико-технологической системы. Диалоговая часть программы организует интерфейс пользователя в виде экранных меню, то есть от пользователя требуется указать количество технологических стадий, количество потоков и выбрать эти потоки из базы данных; затем определяются матрица следования потоков по стадиям, векторы, описывающие массовую долю, давление и температуру потоков, и, наконец, если в системе проходят химические реакции, определяется матрица, описывающая коэффициенты продуктов реакции и начальных веществ для каждой реакции.

После описания процесса можно произвести расчет эксергетического баланса по представленной выше блок-схеме, выбрав соответствующий пункт в пользовательском меню, причем результаты расчета по желанию можно сохранить в файле или вывести на принтер. Далее программа завершает свою работу.

Технические требования к аппаратным средствам

Программа написана на языке Турбо-Паскаль, работает под управлением MS DOS версии не ниже 3.0, размер исполняемого файла составляет около 150 Кб, предъявляет минимальные требования к аппаратной части, а именно: любой IBM-совместимый компьютер с оперативной памятью не менее 512 Кб и любым монитором, поддерживающим режим 80´25 символов. Для нормальной работы рекомендуется использовать компьютер не ниже 286/287 с жестким диском.

Разработка системы оптимизации эксергетического баланса

Для того, чтобы решить задачу оптимизации химико-технологической системы по критерию минимума эксергетического КПД, необходимо многократно произвести расчет эксергетического баланса при изменяющихся параметрах оптимизации, которыми могут быть массовая доля, температура и давление потоков. Естественно, что при изменении оптимизационных потоков будут меняться массовый, тепловой и эксергетический балансы. Эти изменения должны отражать математические модели аппаратов системы.

В целях упрощения задачи, было решено использовать для расчета материального и теплового балансов отдельную программу СTS Windows Manager [4], использующую специальные модули, написанные на собственном языке программирования этой системы, описывающие математические модели всех аппаратов системы. Преимущества такого подхода заключаются в том, что система СTS Windows Manager является открытой и позволяет использовать как уже имеющуюся библиотеку модулей математических моделей различных аппаратов, так и создавать свои собственные модели, описав их на языке системы (структурированный язык, похожий на Pascal, C). Кроме того, эта система дает возможность производить структурный анализ ХТС и оптимизацию путем многократной сгонки схемы модифицированным методом простой итерации, автоматически изменяя параметры оптимизации в заданных пределах. К тому же практика работы с этой программой показала достаточно высокую скорость вычислений и хорошую сходимость процесса. Единственное ограничение – программа требует для своей работы компьютер с процессором не ниже 386, оперативную память не менее 2 Мб, монитор VGA и занимает на жестком диске около 3 Мб.

Таким образом, автоматизированная система эксергетического расчета и оптимизации ХТС состоит из двух объединенных программ с общей логикой расчета.

Разработка интерфейса взаимодействия комплекса программ

Интерфейс взаимодействия системы реализован через пакетные bat-файлы системы MS DOS. После завершения работы какой-либо программы генерируется определенное значение переменной ERRORLEVEL среды MS DOS, а следующая программа, анализируя эту переменную, выполняет требуемые действия, все необходимые данные передаются через текстовые файлы.

Для обеспечения взаимодействия программ комплекса предполагается такая последовательность: сначала запускается программа CTS Windows Manager, производится описание ХТС, указываются количество потоков и стадий, вектор следования потоков по стадиям, задаются все физико-химические параметры потоков, определяются математические модели аппаратов на каждой стадии, устанавливаются границы параметров оптимизации. Файл с данными *.tsk сохраняется. Далее вызывается программа расчета эксергетического баланса, которой через ERRORLEVEL указывается, что необходимо работать в режиме редактирования. В этом режиме производится дополнение файла данных *.tsk, выбираются определенные ранее потоки из базы данных, указываются коэффициенты протекающих химических реакциий, сохраняется полный файл данных *.dat. Далее снова запускается CTS Windows Manager, и производится многостадийная оптимизация; после каждой итерации записывается файл с рассчитанным материальным и тепловым балансом, снова запускается программа расчета эксергетического баланса, но уже с другим значением переменной ERRORLEVEL, которая заставляет работать программу в режиме автоматизированного расчета; она в свою очередь считывает файл с данными *.dat, а также файл с сохраненными балансами и производит постадийный расчет эксергетического баланса и эксергетического КПД, который и является критерием оптимизации, далее сохраняет файл со значением этого КПД и соответствующие ему параметры потоков. Наконец, опять запускается CTS Windows Manager, считывает файл со значениями КПД и, если достигнут оптимум (максимум), то завершает работу с сохранением и выводом результатов расчета, в противном случае рассчитываются новые материальный и тепловой балансы системы, и процесс повторяется заново. Последовательность взаимодействия программ системы можно представить схемой (рис.2).

Таким образом, была создана автоматизированная система расчета и оптимизации ХТС, основанная на эксергетическом методе термодинамического анализа. Оптимизация процесса по этому КПД позволяет по его абсолютной величине определить степень термодинамического процесса и, соответственно, целесообразность поиска способов снижения энергетических затрат путем выбора наилучших условий протекания процесса с точки зрения энергетики.

Практическое применение автоматизированной системы показало высокую скорость и точность расчета, позволило получить адекватные результаты. Система может быть рекомендована к использованию специалистами разных отраслей.

Список литературы

1. Кафаров В.В., Макаров В.В. Гибкие автоматизированные системы в химической промышленности. - М.: Химия, 1990.

2. Физическая химия: Теоретическое и практическое руководство. / Под ред. акад. Б.П. Никольского. - Л.: Химия, 1987.

3. Лейтес И.Л., Сосна М.Х. Теория и практика химической энерготехнологии. - М.: Химия, 1988.

4. Кисленко Н.А. Разработка интеллектуальной объектно-ориентированной системы анализа сложных схем (на примере оптимизации химико-технологических систем): Дис... канд. техн. наук. - М., 1994.