Введение к работе
Актуальность проблемы. Комплексная переработка нефелинового онрья является главным направлением технического и экологического прогресса в производстве кальцинированной соды и поташа. Больпля мощность содовых цехов глиноземных комбинатов, вознок-пооть безотходной переработки исходного сырья на гатовуп продукт ііі'п розлкчгщх гидов і! сортов с использованием технологических :хеа, гг:геЕ^пх переионпуп структуру, обуславливают высокув эффек-гвкссть автоматизации производства.
Г» пастопіцео ірєия известно свцие двадцати различных техноло-п.ческпх oxen по переработке карбонатных шелоков глинозешшго производства. ориентированных на работу при неизменной структуре ;::ен. Создание гсбккх автоматизированных производсївеншіх систем ГГАПС) по-голит интенсифицировать процесс л геогк переработку .сходного оь'рьп с использованием технологических сяеи переменной структуры. При зїои управление псоцзссоп осуществляется не только путей варьирования .параметров технологических пзпккоз производства» i;o к изменением сгрукгурн хкнитга-технологйчосяон схвип ;,ХЇС), потерся будет являться оптимальной для заданных, условий.
Реализация автоматизированных систем управления для процессов политеркйчесхото-ргадвления многокомпонентных содопотапшнх растворов иатрудаена из-за недостаточной изученности процесса, отсутствия математических описаний, отракающих специфику процесса, из-за сложностей определения оптимальних управлений и, наконец, ОТСУТСТВИЯ СООїіеіСТВуЩЗГО ПрОГраИйНОГО Обеспечения. ЇІ0ЯЇО-
цу для построения ГАПС важное теоретическое и практическое значение приобретает исследования содопоташного производства о позиций системного подхода, позволяющие существенно повысить эффективность схекных решений для ыногостадкйных процессов.
Работа выполнена в соответствии с постановлением ГКНТ, Госплана СССР и Президиума АН СССР й 374 250/132 от 12.12.1980 г. (проблема иц.С27, задание 04) в координационный планом научно-исследовательских работ ГКНТ по направлеаив "Теоретические основы химической технологии" на 1986-1990 г.г. по теке 2.27.7 -"Матеиатическоа коделврование, оптвкизация и автоматизация сдобных хицико-техяологаческих систем".
Целые работы явилась разработка принципов создания е~тока-твзированной системы управления многостадийным произв. детвой оо-
ды и потава из недядиновото сырья с реализацией оптимальных схемных решений и оптимальных режимов на основе обобщения свойств ХТС содопогашного производства, как объекта управления.
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
разработка методики определения числа управляючих воздействий и расчета материальных балансов для гибких технологических схем производства;
разработка научных основ и методов математического моделирования аппаратурно-гехнологических блоков для класса процессов политермического разделения многокомпонентных солевых систем;
исследование влияния управляющих воздействий на выходные параметры объекта управления и целевую функцию;
создание базы данных солевых систем для информационного обеспечения гибкой автоматизированной производственной системы;
разработка методического и програмного обеспечения для моделирования технологических схем переменной структуры;
разработка эффективных способов оптимизации и сопоставления технологических схем при оптимальном управлении процессом.
Научная новизна. Разработаны принципы и предложены технические и технологические решения для управления гибким производством соды и поташа из нефелинов на базе теоретических представлений о сущности многостадийных процессов полигерыического разделения сложных многокомпонентных солевых систем. Предложены новые иею-ды автоматизированного управления гибкой технологией производства, позволяющие обеспечить высокую эффективность ХТС при изменении составов исходных растворов содового цеха.
Выявлены ранее неизвестные особенности производства содопро-дукгов из нефелинов, характерные для любых технологических схем: многоэксгремалыюсть целевой функции управления, обусловленная изменением совокупности сортов выпускаемых продуктов. Разработана методика оптимизации ХТС с целевой функцией управления, имеющей разрывы первого рода в областях изменения сортов получаемой продукции, что позволило решить задачу поиска параметров оптимального управления ХТС с определением глобального экстремума.
предложена методика преобразования дискретной задачи сопоставления различных технологических схем при оптимальном упраїле-нии в непрерывную путем свертки моделей ХТС.
Разработаны научные основы синтеза теоретических моделей статики процессов политеринческого разделения солевых систеи для разных стадий содопоташшго производства. Создана база данных солевых систем, включаючая фазакс—хиыическла данные о фазових равновесиях, что позволило перейти от "ручных" графо-аяалитвчес-ких к аналитическим мяоговариантньш расчетам на Эв!1.
На научной основе определены для каждого АТБ и взой ХТС з целом каналы управления, обцее количество которых зависит от числа входов ХТС и ее топологий.
Разработана диалоговая автоматизированная адапгпруемая система описания потоковых структур (ACOUC), которая нонет быть использована для имитационного иоделирования различных процессов.
ИрсЕеденныа исследования позволила на основе теоретического и экспериментального обобщения решить крупную научную проблему интенсификации процесса политермического разделения солевых систем путей построения гибкой автоматизированной производственной системы для получения соды и потааа из нефелинов, имеющих важное народнохозяйственное значение.
На зашиту выносятся следующие научные положения и результаты:
концепция управления гибким производством соды и поташа из нефелинового сырья как основа оптимального управления процессом при варьировании характеристик исходного сырья с изменением структуры ХТС;
развитие теоретических представлений о физико-химических процессах, протекающих в разветвленных ХТС, и способах эффективного управления многостадийными производствами;
результаты математического иоделирования процессов получения содолродуктов из нефелинового сырья при варьировании составов исходных растворов производства;
научные основы проектирования структур баз данных для солевых систем и практическая реализация баз данных с включением математического описания диаграмм растворимости взашг чх четырех-і;оі«поненгньк систем К+, Na+//C02g,S 0^ - Н20 и К+, Na"V/C02",
СІ - Н20, являющихся основой для расчетов процессов политермического разделения карбонатных растворов производства;
- теоретические основы математического описания статики
процессов разделения сложных многокомпонентных солевкх систем;
методика, алгоритмы и программы автоматизированного расчета на ЭВМ сложных технологических схем с рециклическими логс-<аии;
диалоговая адаптируемая система описания потокових структур (АС011С);
результаты расчетно-теоретического и экспериментального исследования по глобальной оптимизации процессов, имеющих ыного-экстреыалхную целевую фикцию управления с разрывами первого рода;
методика перевода дискретной задачи сопоставления различите структур технологических схем в непрерывную на ОСНОВО ОБСрї-ки моделей /.ТС при оптимальном управлении процессов.;
ыетодические положения и практические рекомендации по организации систем автоматизированного проектирования химических производств с использовании сетей ЭВМ, разделением исполнительных функций между параллельно работающим Э.ВН и эффективной организацией межмашинного обмена информацией.
Практическая ценность и реализация результатов научнях исследований. На основе теоретических исследований солевой системы и разработанных моделей технологических схеы производства соды и потача из нефелинов проведено сопоставление альтернативных структурных схем для Ачинского ч Пикалзвсного глинозеьных комбинатов, что позволило выбрать оптимальные схемы на стадии проектирования производства. Методика сопоставления технологические схеы цожет оыть использована для других производств, имеющих разветвленную структуру с рециклическими и байпасними технологическими потоками. Реализация оптимальных ХТС позволила получить реальны;. экономический эффект в суше более 3 млн.рублей при долевой участии Одесского политехнического института 853,1 тыс.рублен.
Программное обеспечение диалоговой адаптируемой системы описания потоковых структур ЛСОПС для моделирования технологических схеы переменной структуры используется в Харьковском ШЇ0 "Карбонат", ГОСШШетанолпроекте, НИФХИ им. Л.Я.Карпов а. Адаптируя АСОПС под конкретную предметную область процессов химической технологии можно осуществлять имитационное моделирование различных процессов на основе моделей АТБ, реализованных на алгоритмических языках Пі/І, фортран, ассемблер. Программирующий ком1 .леке АСОПС является ваянейией подоиотеиой САЙР химических щ^ааво^ -п<,
позволяющей осуществить переход к "безбумажной" технологии проектирования с передачей информационных потоков на машинных носителях от одного этапа проектирования к следующему. Разработанная концепция машинной технологии проектирования химических производств на основе организации разветвленной сети ЭВМ может быть тиражирована для других процессов.
Научные разработки автора по математическому моделированию процессов химической технологии использованы в учебно-воспитательном процессе при обучении студентов в Одесском политехническом институте в курсовом и дипломном проектировании,
Апробация работы. Основные результаты исследований и отдельные разделы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Опыт создания АСУТП в глиноземном производстве" (1976); 1,1У,У Всесоюзных конференциях "Математическое моделирование сложных химико-технологических систем" (1975,1985,1988); ЛН,1Х,ХП,ХШ,Х1У Всесоюзных конференциях "Технология неорганических веществ и минеральных удобрений (1972-1988); Всесоюзной конференции пФосфагы-87п (1987); УП Всесоюзном совещании по физико-химическому анализу (1988); УІ Всесоюзной конференции "Математические методы в химии"(1989).
Результаты выполненных исследований отражены в 53 публикациях, в том числе 31 сгатья, 18 тезисов докладов и k учебно-методических издания.
Структура диссертации. Работа содержит введение, шесть глав, выводы и приложения. Основное содержание, изложено на 235 страницах машинописного текста с 92 рисунками и 13 таблицаии. Библиография включает 352 наименования.