Содержание к диссертации
I.Аналитический обзор научных работ по проблемам математического
моделирования, оптимизации и управления технологическими про
цессами в производстве формалина 9
I.I.Технологические особенности процесса производства формалина 9
1.2.Математическое моделирование агрегатов формалина 13
1.3.Анализ методов и алгоритмов идентификации параметров объ
ектов управления 20
I.4.Методы решения оптимизационных задач 26
1.5.Анализ состояния и основных проблем автоматизации управления технологическими процессами в производстве формалина .30
1.6.Основные выводы и постановка задач исследования 43
2.Построение и анализ модели ТП производства формалина 46
3.Моделирование узла синтеза формальдегида . 50
3.1.Математическое описание сложной каталитической системы 50
3.2. Гетерогенная модель процесса контактирования ... 54
3.3.Алгоритм математического моделирования процесса контакти
рования 56
3.4.Параметризация математической модели статики контактного
аппарата 58
3.5.Пример расчета параметров процесса контактирования 63
3.6.Сравнительный анализ результатов моделирования 65
4.Разработка алгоритма оптимального управления ТП получения
формальдегида 74
4.1.Планирование, постановка и результаты вычислительного
эксперимента 74
4.2.Задача оптимизации ТП получения формалина 78
4.3.Алгоритм оптимального управления ТП получения формальдегида 80 5.Разработка алгоритма управления узлом контактирования производства формалина подачей дополнителного количества
воздуха 85
5.1.Исследование влияния распределенной по высоте и сечению
контактного слоя подачи воздуха на процесс синтеза фор
мальдегида , 85
5.2.Построение модели контактного аппарата для цели управления
путем подачи дополнительного количества воздуха 97
5.3.Способ управления процессом контактирования подачей допол
нительного количества воздуха в слой катализатора 101
6.Адаптивное управление составом формалина ; 105
6.1.Разработка и исследование адаптивного способа управления
составом формалина 105
6.2.Техническая реализация способа управления составом форма
лина на промышленном агрегате 112
7.Разработка алгоритма управления процессом многоступенчатой
абсорбции формальдегида , 117
7.1.Математическое моделирование процесса абсорбции формаль
дегида 117
7.2.Параметризация математической модели процесса абсорбции ...119
7.3.Пример расчета параметров процесса абсорбции 124
7.4.Алгоритм управления и оптимизации процесса абсорбции 127
7.5.Способ управления процессом многоступенчатой абсорбции 132
Основные результаты работы 140
Список использованных источников 142
Введение к работе
АэтХЗЛЬНОСТЬ_проблемы
Среди производимых в Российской Федерации продуктов основного органического синтеза одно из ведущих мест как по объему производства, так и по количеству промышленных агрегатов занимает формалин - 37%-ный водный раствор формальдегида.
Технологические процессы (ТП) производства формалина характеризуются непрерывностью, токсичностью сырья, продукта и отходящих абсорбционных газов, пожаровзрывоопасностью, большим количеством взаимосвязанных входных и выходных параметров, дрейфом параметров стадии синтеза формальдегида, большим временем пребывания поглощаемых компонентов в абсорбционных аппаратах. Основной режим работы агрегатов по производству формалина - статический. В этих условиях для обеспечения производительности, требуемого качества продукта, сокращения сырьевых и энергетических затрат и повышения экологической безопасности производства значительно возрастают требования к системам автоматического контроля и управления отдельными стадиями и производством в целом.
Существующие системы автоматизации управления производством формалина представляют собой совокупности несвязанных локальных систем автоматического регулирования (САР) отдельных технологических параметров и вследствие этого не позволяют эффективно решать во взаимосвязи перечисленные задачи.
Для создания высокоэффективных систем управления производством формалина необходимо всестороннее и тщательное исследование технологических процессов с применением методов активного экспери-
-5-мента, выявление физико-химических закономерностей процессов и разработка на их основе алгоритмов оптимизации и управления. Решение этих задач при небольших объемах дорогостоящих экспериментальных исследований становится возможным при использовании методов математического моделирования как технологических процессов,так и алгоритмов управления.
Таким образом, актуальность темы диссертации определяется существованием проблемы совершенствования технологических процессов в производстве формалина и возможностью ее решения.
Работа выполнена в соответствии с проектами:
I."Создать методы исследований расчета и управления нестационарных технологических процессов, разработать алгоритмы систем автоматизации исследований, проектирования и управления" научно-технической программы Минвуза РСФСР "Химия и химическая технология" (1989-92 гг.), N Г.Р.01890033070.
2.Ы 25 "Построение математических моделей нестационарных процессов химической технологии, исследование их свойств самоорганизации и возможности создания режимов с "обострением" научно-технической программы "Математическое моделирование в научных и технических системах" (1989-91гт.), приказ N805'от 26.10.89 Государственного комитета СССР по народному образованию.
3."Разработка теоретических основ моделирования, оптимизации и управления нестационарных технологических процессов, автоматизация исследований, проектирования и управления в химической и смежных отраслях промышленности" научно-технической программы Государственного комитета РФ по высшему образованию "Химия и химическая технология" (І993-95ГТ.), М Г.Р.0І94000095І.
4.MM8.I0 "Построение математических моделей нестационарных процессов химической технологии" научно-технической программы "Университеты России" (І992-94ГТ.), приказ N43 от 13.03.92 Мини-стерства науки, высшей школы и технической политики РСФСР.
^3^_дассертациднной_работы
I.Разработать математические модели ТП в производстве формалина.
2.На основе полученных математических моделей ТП разработать ^ модели управления ТП.
З.С использованием моделей управления ТП разработать адаптивные алгоритмы и методы оптимального управления ТП. Для создания автоматизированной системы управления производством формалина в Губахинском АООТ "Метафракс" разработать соответствующие технические решения, проверить их работоспособность и эффективность по сравнению с действующей системой управления.
НаУЛэя__ндвизна_работы
I.Разработана методология построения алгоритмов управления для автоматизированных систем контроля и управления производством формалина, основанная на математическом моделировании технологи-*. ческих процессов.
2.Проведена структурная и параметрическая идентификация математической модели двухфазной гетерогенной каталитической системы применительно к процессу синтеза формальдегида окислительным дегидрированием метанола на серебряном катализаторе и математической модели двухфазной абсорбционной системы применительно к про-цессу неизотермической абсорбции формальдегида водой.
З.Для цели управления разработаны математические модели, поз-
-7-воляющие прогнозировать соотношение концентраций формальдегида и метанола в готовом формалине, состав контактных газов, содержание вода в готовом формалине, суммарное содержание формальдегида и метанола в абсорбционных газах, суммарный расход хладагента на стадию абсорбции в зависимости от значений параметров технологического процесса, используемые в алгоритмах управления производством.
4.Изучен процесс управления узлом контактирования при распределенной iio высоте подаче воздуха в слой катализатора. Получены зависимости общей конверсии, полезной конверсии и селективности процесса образования формальдегида от расхода дополнительного потока воздуха и высоты его ввода в слой катализатора. Предложен алгоритм адаптивного управления.
5.Исследован процесс управления составом готового формалина. Предложен алгоритм адаптивного управления.
6.Изучен процесс управления стадией многоступенчатой неизотермической абсорбции формальдегида при ограничениях на составы отходящих абгазов и готового формалина, стабилизирующий состав продукта и оптимизирующий расход хладагента для осуществления процесса. Предложен алгоритм адаптивного управления.
7.Методом вычислительного эксперимента исследована сходимость процессов адаптации моделей и управления.
Пакт^еская_ценность_рабдты
I.Разработано программное обеспечение (ПО) для исследования химико - технологических процессов в производстве формалина методами математического моделирования.
2.Разработаны алгоритм и способ управления процессом синтеза формальдегида подачей дополнительного количества воздуха в слой
катализаторэ. Проверка предложенного способа на лабораторной установке показала, что применение способа позволяет получать формалин с заданными показателями качества в широком диапазоне без изменения селективности образования формальдегида. При этом увеличение выхода формальдегида составляет до 5 %.
3. Разработаны алгоритм и способ управления процессом получения формалина по критерию "состав готового продукта". Проверка предложенного способа на промышленном агрегате показала, что применение способа позволяет снизить удельный расход метанола на 2-3 Ж.
4.Разработаны алгоритм и способ управления процессом многоступенчатой неизотермической абсорбции, обеспечивающий заданные степень абсорбции формальдегида и метанола, содержание воды в продукте и снижающий расход хладагента на стадию абсорбции. Проведенные эксперименты по регулированию процесса абсорбции на ЭВМ согласно предложенного способа показали, что применение способа позволяет уменьшить дисперсию массовой доли воды в формалине более чем в 2,5 раза и снизить расход хладагента на 15-20 %.
5.Разработанные в результате проведенных исследований алгоритмы и способы управления технологическими процессами производства формалина приняты к патентованию и использованию Губахинским АООТ "Метафракс".
I. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР НАУЧНЫХ РАБОТ ПО ПРОБЛЕМАМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ, ОПТИМИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ ФОРМАЛИНА
