Введение к работе
Актуальность проблемы:
Автоматизация всех этапов управления научно-исследовательскими разработками и опытно-конструкторскими разработками (НИОКР) необходима при создании сложных экспериментальных установок. Необходимо разработать принципы построения и структуру технической системы, определить тематику научной работы при проведении последующих экспериментов в заданные временные сроки при ограниченных финансовых ресурсах научно-исследовательской организации. В последнее время стали актуальными исследования по созданию реакторов фронтальной полимеризации, которые можно рассматривать как альтернативные реакторам смешения и трубчатым реакторам [1]. Принцип работы реакторов фронтальной полимеризации основан на распространении реакции полимеризации волной и на возможности проведения полимеризации в стационарной (стоячей) волне реакции. В [2] показано, что в стоячей волне реакции могут быть осуществлены различные химические экзотермические процессы, в частности, и неадиабатические процессы. Преимуществом проведения полимеризации в волне является стабилизация неустойчивого режима, характерного при использовании реакторов смешения и трубчатых реакторов.
При проведении научных исследований на опытных реакторах фронтальной полимеризации возникла необходимость разработки автоматизированной системы управления исследованиями процесса в ходе НИОКР. При разработке опытных установок необходимо определить оптимальные параметры установки, обеспечивающие эффективность проведения процесса. В ходе исследования процесса на работающей экспериментальной установке необходимо иметь информацию о пусковых режимах, позволяющих получить полимер заданного качества (марки). Требуется автоматизированный контроль температур внутри реактора и наружной стенки реактора. Необходимо разработать алгоритмы расчета получения полимера необходимого качества, чтобы обеспечить оператору возможность регулирования процесса полимеризации в волне с помощью управляющих параметров: начальной и конечной температуры смеси, типа инициатора, начальной
концентрации инициатора реакции, расхода мономера. При решении задач оптимального планирования и управления выбор критериев оптимальної* управления - числовых величин, определенным образом определяющих ха рактер процесса, имеет важное значение. При автоматизированном упра влении необходимо решить задачи, связанные со стабилизацией процесса і оптимизацией его [3]. Этим исследованиям посвящена данная работа.
Цель работы: разработка базовых моделей автоматизированной системы управления исследованием процесса полимеризации в волновом режиме. Необходимо провести имитационное моделирование процесса с целью получения рациональных моделей. При создании и исследовании опытных установок фронтальной полимеризации необходимо иметь исходные данные для проектирования, оценить эффективность процесса. В дальнейшем планируется создание промышленных установок. Для проведения процесса волновой полимеризации на опытных реакторах фронтальной полимеризации необходима автоматизированная система управления пусковых режимов и качества получаемого полимера. Создание автоматизированной системы для установки фронтальной полимеризации - трудоемкая задача. В диссертационной работе разрабатываются базовые модели автоматизированной системы управления исследованием процесса полимеризации в волне, необходимые для получения полимера необходимого качества при высокой эффективности проведения процесса.
Необходимо обеспечить организационное управление исследованием, оптимальное взаимодействие между членами творческого коллектива исследователей в ходе НИОКР. В связи со сложностью исследования и проектирования необходимо создание исследовательской группы научных работников, занимающейся обработкой данных, поступающих с экспериментальной установки, для последующей выдачи командной информации исполнительным органам управления экспериментом.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следую щие задачи:
1. Разработка необходимого алгоритмического и программного обеспече
лия, реализующего управление процессом в неадиабатическом проточном химическом реакторе, стабилизированном в вынужденной волне реакции, так как в экспериментах по фронтальной полимеризации [1,2] наблюдалась неадиабатичность процесса и подогрев наружной стенки реактора. Оценка эффективности получаемых волновых решений относительно различных параметров: удельной производительности, протяженности зоны реакции на каждом типе решений. Эти вопросы рассматриваются во 2 главе диссертации.
2. Разработка алгоритма обработки имеющихся экспериментальных
данных по изотермической радикальной полимеризации для получения
обобщенной модели константы скорости обрыва цепи с целью использо
вания в дальнейших расчетах волновой полимеризации. Обоснование воз
можности применения разработанного способа учета гель-эффекта для
существенно неизотермической радикальной полимеризации в волне. Со
здание необходимого алгоритмического и программного обеспечения для
расчета нестационарной радикальной полимеризации с учетом получен
ной обобщенной универсальной аппроксимации гель-эффекта. Сравнение
результатов расчета с имеющимися экспериментальными данными по не
стационарной изотермической радикальной полимеризации. Этому посвя
щена 3 глава настоящей работы.
В 4 главе диссертации решаются наиболее значимые проблемы:
3. Разработка алгоритмов расчета и создание программного обеспечения
для автоматизированного контроля исследований волновой радикальной по
лимеризации на моделях различной степени приближения [2] с помощью
управляющих параметров. Сравнение моделей описания процесса и выбор
наиболее рациональной модели.
-
Разработка алгоритмов, реализующих методику управления качеством (маркой) полимера, получаемого в волне полимеризации, используя в качестве управляющих параметров тип инициатора, начальные температуру смеси и массовую долю инициатора.
-
Разработка алгоритма расчета, реализующего существенное повыше-
ниє конверсии в реакторе со стоячей волной радикальной полимеризации метилметакрилата.
Методы исследования:
В процессе исследований и решения сформулированных задач использованы методы системного анализа, математической статистики, численные методы решения систем нелинейных алгебраических уравнений и систем жестких дифференциальных уравнений, разработаны соответствующие алгоритмы и методы алгоритмизации задач управления процессами полимеризации и их экспериментальное применение на ЭВМ.
Научная новизна:
Для получения исходной информации, необходимой при создании химических реакторов, работающих в волновом режиме, разработаны оптимизационные алгоритмы, реализующие стабилизированный в волне режим в неадиабатическом проточном химическом реакторе и реакторе фронтальной полимеризации непрерывного действия при различных параметрах проведения процесса. Исследовано влияние управляющих параметров процесса фронтальной полимеризации: начальных концентраций реагирующих веществ, начальных температур, позволяющее оператору автоматизированной системы управления процессом волновой полимеризации осуществлять обратную связь, необходимую для получения полимера заданного качества (марки). Предложена модель гель-эффекта применительно к волновой полимеризации. Разработаны алгоритмы расчета по модели нестационарной радикальной полимеризации с учетом новой обобщенной модели гель-эффекта. Создано программное обеспечевне для наиболее корректного описания процесса волновой радикальной полимеризации: с учетом деполимеризации и разработанной методики учета гель-эффекта.
Практическая ценность:
В практическом плане разработанное алгоритмическое и программное обеспечение позволяет получить исходную информацию, необходимую для получения полимеров в стоячей волне реакции с заданным качеством (маркой) в реакторах фронтальной полимеризации. Результаты работы опре-
деляют способ повышения конверсии, дают возможность оператору автоматизированной системы управления регулировать процесс. Разработаны оптимизационные алгоритмы для процесса в неадиабатическом проточном химическом реакторе, стабилизированном в волне реакции, что представляет интерес при рассмотрении не только фронтальной полимеризации. Положения, выносимые на защиту:
1. Оптимизационные алгоритмы, реализующие стабилизированный в
волне реакции режим в неадиабатическом проточном химическом реакторе.
-
Методика учета влияния гель-эффекта для волновой радикальной полимеризации.
-
Применение разработанного алгоритмического и программного обеспечения для контроля качества получаемого полимера с помощью управляющих параметров процесса. Алгоритмы расчета волн радикальной полимеризации, необходимые для корректного описания процесса.
Апробация работы:
Основные результаты, вошедшие в диссертацию, обсуждались на семинарах кафедры химии и охраны окружающей среды факультета технологии веществ и материалов, кафедры физики Северо-Западного заочного политехнического института, и используются в учебном процессе. Работа рассматривалась в комитете мэрии С.-Петербурга по делам молодежи. Получен персональный грант Конкурсного центра фундаментального естествознания для молодых ученых в 1996г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 3 статьи. Результаты работы включены в 3 отчета по НИР АО "ЛенНИИхиммаш". Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.
Структура и объем. Диссертация состоит из предисловия, 4 глав и Заключения, содержит 110 машинописных страниц, 53 рисунка, 2 таблицы, в списке литературы 76 наименований.
