Структурно-параметрическая оптимизация комплексов получения синтез-газа; Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ]. Инжиниринг георесурсов; Т. 337, № 9
| Parent link: | Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ]. Инжиниринг георесурсов=Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering/ Национальный исследовательский Томский политехнический университет.— .— Томск: Изд-во ТПУ, 2015-.— 2413-1830 Т. 337, № 9.— 2026.— С. 7-16 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Corporate Author: | |
| Other Authors: | |
| Summary: | Актуальность. Освоение удалённых и труднодоступных месторождений углеводородов требует создания автономных мобильных комплексов переработки попутного нефтяного газа в синтез-газ. Традиционные методы проектирования, ориентированные на крупнотоннажное производство, не учитывают жёсткие массогабаритные ограничения и высокие требования к энергоэффективности, характерные для транспортабельных установок. Цель. Разработка алгоритма структурно-параметрической оптимизации узлов малотоннажных установок получения синтез-газа методом некаталитического парциального окисления, обеспечивающего многокритериальный поиск компромиссных решений между компактностью и гидравлическими потерями. Методы. Исследование базируется на иерархической декомпозиции блоков, термодинамическом моделировании и решении многокритериальной задачи оптимизации методом главного критерия с последовательными допущениями. Расчёт теплообменного оборудования выполнен на основе классических критериальных уравнений с уточнением теплофизических свойств по справочным данным, внесенным в библиотеку программного обеспечения. Результаты. Разработан и верифицирован алгоритм, интегрирующий термодинамические и конструктивные расчёты в единое вычислительное ядро. На примере двухтрубного теплообменного аппарата показано, что зависимость длины аппарата от внутреннего диаметра труб и площади межтрубного сечения носит экспериментальный характер. Построены Парето-фронты по критериям длины аппарата и гидравлических потерь. Верификация путём сравнения с моделированием в Ansys Fluent показала расхождение по тепловой мощности не более 5 %. Выводы. Предложенный алгоритм позволяет на ранних стадиях проектирования определить рациональные геометрические параметры теплообменного оборудования, обеспечивая обоснованный компромисс между массогабаритными характеристиками и энергоэффективностью. Алгоритм может служить вычислительным ядром специализированной системы автоматизированного проектирования транспортабельных установок Relevance. The development of remote and hard-to-access hydrocarbon fields requires the creation of autonomous mobile systems for processing associated petroleum gas into synthesis gas. Conventional design approaches oriented toward large-scale production do not account for strict weight and size constraints and the high energy-efficiency requirements typical of mobile units. Aim. To develop an algorithm for the structural and parametric optimization of components of small-scale synthesis gas production units based on non-catalytic partial oxidation, enabling a multi-criteria search for tradeoff solutions between compactness and hydraulic losses. Methods. The study is based on the hierarchical decomposition of system components, thermodynamic modeling, and the solution of a multi-criteria optimization problem using the principal criterion method with successive approximations. The calculation of heat exchange equipment is performed using classical dimensionless correlation equations, with thermophysical properties refined on the basis of reference data incorporated into the software library. Results. The authors have developed and validated an algorithm that integrates thermodynamic and design calculations into a unified computational core. Using a double-pipe heat exchanger as an example, it is shown that the dependence of apparatus length on the inner tube diameter and the annular cross-sectional area is empirical. Pareto fronts were constructed for the criteria of apparatus length and hydraulic losses. Verification by comparison with simulations in Ansys Fluent showed a deviation in heat duty of no more than 5%. Conclusions. The proposed algorithm enables the determination of rational geometric parameters of heat exchange equipment at the early design stages, ensuring a justified compromise between weight and size characteristics and energy efficiency. The algorithm can serve as the computational core of a specialized computer-aided design system for mobile units Текстовый файл |
| Language: | Russian |
| Published: |
2026
|
| Subjects: | |
| Online Access: | bulletin_tpu-2026-v337-i9-01.pdf https://doi.org/10.18799/24131830/2026/9/5697 |
| Format: | Electronic Book Chapter |
| KOHA link: | https://koha.lib.tpu.ru/cgi-bin/koha/opac-detail.pl?biblionumber=688598 |
| Summary: | Актуальность. Освоение удалённых и труднодоступных месторождений углеводородов требует создания автономных мобильных комплексов переработки попутного нефтяного газа в синтез-газ. Традиционные методы проектирования, ориентированные на крупнотоннажное производство, не учитывают жёсткие массогабаритные ограничения и высокие требования к энергоэффективности, характерные для транспортабельных установок. Цель. Разработка алгоритма структурно-параметрической оптимизации узлов малотоннажных установок получения синтез-газа методом некаталитического парциального окисления, обеспечивающего многокритериальный поиск компромиссных решений между компактностью и гидравлическими потерями. Методы. Исследование базируется на иерархической декомпозиции блоков, термодинамическом моделировании и решении многокритериальной задачи оптимизации методом главного критерия с последовательными допущениями. Расчёт теплообменного оборудования выполнен на основе классических критериальных уравнений с уточнением теплофизических свойств по справочным данным, внесенным в библиотеку программного обеспечения. Результаты. Разработан и верифицирован алгоритм, интегрирующий термодинамические и конструктивные расчёты в единое вычислительное ядро. На примере двухтрубного теплообменного аппарата показано, что зависимость длины аппарата от внутреннего диаметра труб и площади межтрубного сечения носит экспериментальный характер. Построены Парето-фронты по критериям длины аппарата и гидравлических потерь. Верификация путём сравнения с моделированием в Ansys Fluent показала расхождение по тепловой мощности не более 5 %. Выводы. Предложенный алгоритм позволяет на ранних стадиях проектирования определить рациональные геометрические параметры теплообменного оборудования, обеспечивая обоснованный компромисс между массогабаритными характеристиками и энергоэффективностью. Алгоритм может служить вычислительным ядром специализированной системы автоматизированного проектирования транспортабельных установок Relevance. The development of remote and hard-to-access hydrocarbon fields requires the creation of autonomous mobile systems for processing associated petroleum gas into synthesis gas. Conventional design approaches oriented toward large-scale production do not account for strict weight and size constraints and the high energy-efficiency requirements typical of mobile units. Aim. To develop an algorithm for the structural and parametric optimization of components of small-scale synthesis gas production units based on non-catalytic partial oxidation, enabling a multi-criteria search for tradeoff solutions between compactness and hydraulic losses. Methods. The study is based on the hierarchical decomposition of system components, thermodynamic modeling, and the solution of a multi-criteria optimization problem using the principal criterion method with successive approximations. The calculation of heat exchange equipment is performed using classical dimensionless correlation equations, with thermophysical properties refined on the basis of reference data incorporated into the software library. Results. The authors have developed and validated an algorithm that integrates thermodynamic and design calculations into a unified computational core. Using a double-pipe heat exchanger as an example, it is shown that the dependence of apparatus length on the inner tube diameter and the annular cross-sectional area is empirical. Pareto fronts were constructed for the criteria of apparatus length and hydraulic losses. Verification by comparison with simulations in Ansys Fluent showed a deviation in heat duty of no more than 5%. Conclusions. The proposed algorithm enables the determination of rational geometric parameters of heat exchange equipment at the early design stages, ensuring a justified compromise between weight and size characteristics and energy efficiency. The algorithm can serve as the computational core of a specialized computer-aided design system for mobile units Текстовый файл |
|---|---|
| DOI: | 10.18799/24131830/2026/9/5697 |