Введение к работе
Актуальность темы. В диссертационной работе рассматриваются вопросы, связанные с повышением качества и производительности выпуска алкидных смол. На основе алкидных смол выпускается большое количество конечной продукции, например, лаки, краски, эмали; поэтому качество смол должно удовлетворять нормам. Алкидные смолы производятся в реакторе полиэтерификации периодического действия при температуре 240-260С и давлении 0,8 МПа, в течение 12-24 часов (в зависимости от сорта и марки смолы) под действием реакции полиэтерификации. В виду ее высокой экзотермичности не обеспечивается стабильности процесса, что, в свою очередь, влияет на качественные показатели смолы. Также на выход продукта и его характеристики влияет часто меняющийся состав сырья и соотношение компонентов в реакционной смеси. Время, затраченное на разогрев, влияет на производительность установки, то есть сложность обеспечения нужного температурного режима является одной из причин снижения качества алкидных смол.
Исследования по совершенствованию химико-технологического процесса в химическом реакторе проводили: Слинько М.Г., Островский Г.М., Волин Ю.М. и др. Также были изучены труды ведущих специалистов в области промышленного производства лаков и красок: Лившица М.Л., Паттона Т.К., Пэйна Г.Ф., Горловского И.А., Кочнова З.А., Манусова Е.Б. и др. Однако вопросы оптимизации температурного режима реактора полиэтерификации периодического действия на стадии разогрева и следующей за ней стадией полиэтерификации рассмотрены недостаточно.
В настоящее время данное производство отличается тем, что не обеспечивает выход продукта должного качества по следующим показателям (на основе экспериментальных данных): выход алкидной смолы в пределах 66-91%, цвет
алкидной смолы колеблется от 100 до 160 2/100/ё' ? кислотное число
алкидной смолы колеблется от 35 до ПО 2 . Данные показатели должны
быть в пределах: выход алкидной смолы (90-100%), цвет (130-14(Ш/2/10(Ш ^
кислотное число (55/2/100а).
Повышение качества может быть достигнуто совершенствованием процесса
разогрева реакционной смеси, что требует оптимизации его проведения в
условиях минимального времени и исключения выхода за зоны допустимого
стабильного режима.
Сложность проведения исследований по определению оптимальных
характеристик при варьировании параметров, ставит необходимостью
составление математических моделей процесса и дальнейшее решение задачи
оптимизации на их основе.
Итак, на сегодняшний день остаются важными: решение задачи качества
алкидных смол, что требует учета состава сырья и длительности процесса, а
также создание наиболее точной математической формулировки задачи
оптимизации процесса получения алкидных смол, отыскания
соответствующего эффективного способа решения задачи, а также разработке
программных комплексов, облегчающих вычислительный эксперимент.
Все это определяет актуальность поставленной задачи по разработке
оптимальной системы управления процессом получения алкидных смол.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности работы
реактора полиэтерификации периодического действия путем поиска
оптимальных режимов проведения различных этапов процесса.
Для достижения поставленной цели сформированы и решены следующие
задачи:
Выявлены особенности процесса полиэтерификации с постановкой задач эффективного управления.
Разработаны и исследованы математические модели процесса получения алкидных смол, учитывающие взаимосвязь параметров проведения процесса полиэтерификации с параметрами качества получаемой смолы.
Произведена оптимизация процесса разогрева реакционной смеси, что характеризуется минимальным временем протекания данной стадии и исключением выхода за зоны допустимого температурного режима.
Выполнена стабилизация температурного режима процесса полиэтерификации с учетом нелинейного характера тепловыделения в ходе процесса с последующей оптимизацией качества продукта.
Определены взаимосвязанные регуляторы (в виде программного продукта) для решения поставленных задач эффективного управления.
Предложен и исследован обобщенный критерий управления.
Составлен общий алгоритм управления стадиями полиэтерификации.
Методы исследования. В диссертации научные исследования основаны на
методах математического моделирования, математической статистики, методов
аппроксимации при широком использовании программно-математического
инструментария.
Научная новизна диссертационной работы:
Получены адекватные математические модели процесса полиэтерификации алкидных смол, представляющие собой уравнения регрессии, отличающиеся тем, что учитывают взаимосвязь не только параметров проведения процесса полиэтерификации, но и качества получаемой смолы от концентраций основных компонентов фракционного состава сырья.
Показана необходимость применения взаимосвязанных регуляторов на стадии загрузки сырья для учета его состава, на стадии разогрева для быстрого разогрева и плавного перехода в режим стабилизации температуры и для точной стабилизации температуры в условиях неравномерного тепловыделения на стадии
полиэтерификации; и разработан алгоритм их взаимосвязанной работы.
3. Показано, что оптимальное управление реактором
полиэтерификации на стадии разогрева должно быть организовано по
траектории, имеющей форму двух сопряженных парабол.
4. В связи с неравномерным тепловыделением предложен алгоритм
адаптивного управления стадиями периодического процесса в
реакторе полиэтерификации, обеспечивающий точную стабилизацию
температуры.
Практическая значимость и реализация результатов работы. По результатам диссертационной работы определена структура системы эффективного управления процессом полиэтерификации, которая нашла практическое применение при эксплуатации автоматизированной системы управления на ООО "Корунд" г. Дзержинск и реализована в виде программного обеспечения.
Диссертационные материалы используются в учебном процессе в рамках
дисциплин «Моделирование систем управления» и «Автоматизация
технологических процессов и производств» кафедры «Автоматизация и
информационные системы» Дзержинского политехнического института
Нижегородского государственного технического университета
им. Р.Е.Алексеева.
Апробация работы. Основные положения и результаты, полученные в диссертационной работе докладывались на XXII, XXIII и XXIV Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Иваново, 2009 г., Белгород, 2010 г. и Саратов, 2011 г.), на XVIII Всероссийской конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» (Нижний Новгород, 2008 г.), на VIII Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2009 г.), на XV, XVI и XVII Международных научно-технических конференциях «Информационные
системы и технологии - 2009» (Нижний Новгород, 2009г.), «Информационные системы и технологии - 2010» (Нижний Новгород, 2010г.) и «Информационные системы и технологии - 2011» (Нижний Новгород, 2011г.), на VII, VIII, IX Международных молодежных научно-технических конференциях «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2008, 2009, 2010 годы), на Международных научных конференциях «Фундаментальные и прикладные исследования» и «Современные наукоемкие технологии» (РАЕ, 2009 г., 2010г.). Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 20 печатных работ, в т.ч. 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. На защиту выносятся следующие основные положения:
Результаты анализа особенностей процесса полиэтерификации показавшие необходимость оптимизации температурного режима процесса.
Математические модели процесса получения алкидных смол, учитывающие взаимосвязь параметров проведения процесса полиэтерификации и концентраций основных компонентов, составляющих фракционный состав сырья, с параметрами качества получаемой алкидной смолы.
Результаты математического моделирования и оптимизации системы управления с выбором обобщенного критерия оптимизации.
Алгоритм адаптивного и программно-логического управления температурным режимом в реакторе периодического действия получения алкидной смолы.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 111 наименований, 6 приложений. Она содержит 126 страниц машинописного текста, 6 таблиц и 47 рисунков.
