Введение к работе
з
Актуальность работы. Основным аппаратом в технологической схеме получения практически любого химического продукта является реактор. Его работа определяет зачастую производительность всего производства в целом, качество и себестоимость получаемого продукта. Не последнюю роль в оптимизации работы реактора играет автоматизация.
В диссертации рассматривается синтез и оптимизация систем управления реактором в производстве малеинового ангидрида - продукта, широко применяемого в промышленности органического синтеза.
Известно, что химические реакторы отличаются большим разнообразием протекающих в них реакций, принципом действий и конструкций. В то же время, в реакторах можно найти что-то общее, что позволяет говорит о каком-то их классе.
В диссертации речь идет о реакторе в производстве малеинового ангидрида (МА) Новомосковского «Комбината органического синтеза» (КОС), основанном на непрерывном парофазном каталитическом окислении бензола кислородом воздуха и их превращением в малеино-воздушную смесь (МВС), из которой затем и выделяют МА. Окисление идет в контактном аппарате -реакторе на стационарном катализаторе. Реакция экзотермическая. Сам реактор представляет собой вертикальный кожух отру бый теплообменник длиной 3500 мм. В его центре встроен парогенератор полного испарения и осевая пропеллерная мешалка, являющаяся одновременно насосом, поднимающим расплав солей, являющихся промежуточным теплоносителем от МВС к парогенератору. Общая высота реактора - 5000 мм, а его диаметр - 4500 мм.
Главная особенность реактора - распределенность параметров, а именно, температурных профилей МВС и солей, по его высоте.
От статической и динамической точности поддержания этих температурных профилей (полей) во многом и зависят все показатели работы реактора: его производительность, определяемая селективностью окисления бензола в МА; качество получаемого МА, определяемое, во многом «проскоком бензола», а также безопасная работа реактора.
Традиционные системы регулирования применяемые для автоматизации работы реактора не обеспечивают безопасного выполнения задачи по интенсификации его работы и поддержания оптимального содержания МА в МВС на выходе из него. Более того, основное управление реактором ведется вручную с использованием лишь вспомогательных АСР, поддержания необходимых технологических величин. При этом вместо поддержания соотношения бензоло-воздушной смеси (БВС), подаваемой в реактор на уровне 1:28і (1 часть бензола, 28 - воздуха), при котором содержание МА в МВС на выходе из реактора доходит до 74 %, его ведут на уровне 1:35 -=- 1:40, обеспечивая выход МА не выше 65 %.
1 самовозгарание смеси происходит при соотношении 1:24
4 В этом плане создание автоматических систем регулирования,
позволяющих вести процесс в реакторе в оптимальном (или квазиоптимальном) режиме является актуальным, причем, не только для реактора в производстве МА КОС, но и для всех реакторов подобного класса, прежде всего, реакторов с распределенными параметрами.
Кроме того, рассмотренные в диссертации подходы к исследованию реактора и предложенные системы автоматического управления им, могут быть применены к иным объектам с распределенными параметрами (ОРП), что также делает работу актуальной.
Цель работы заключается в синтезе четких и нечетких систем управления реактором для автоматического высокоточного поддержания в статике и динамике требуемых температурных профилей реактора в производстве МА КОС, а также в исследовании работы этих систем для выбора наилучшего варианта их построения.
Предметом исследования является реактор в производстве МА КОС, как объект управления с распределенными параметрами, и системы автоматического управления его температурным режимом.
В связи с поставленной целью и предметом исследования в работе решались следующие задачи:
Статистические исследования работы реактора с целью выявления вида его температурных полей (по МВС и солям) и характера дрейфа их значимых точек, а также определения вида функций принадлежностей для лингвистических переменных, определяющих работу реактора;
Разработка тепловой динамической модели реактора, как ОРП, для последующего имитационного моделирования с ней работы систем управления как традиционных, так и предлагаемых.
Разработка систем автоматического управления поддержанием температурных профилей (по МВС и солям) в реакторе с использованием системы распределенного сбора измерительной информации и с учетом информации о значениях и дрейфе значимых точек полей.
Сравнительный анализ традиционных и предлагаемых систем автоматического управления реактором на основе имитационного моделирования.
Разработка нечетких моделей работы реактора и создание на их основе нечетких алгоритмов по управлению реактором.
Техническая реализация систем автоматического управления реактором с использованием системы распределенного сбора измерительной информации с учетом технических средств, имеющихся на КОС.
Анализ вариантов управляющих автоматов для реализации нечетких систем управления реактором (аппаратных или программных; индивидуальных, на базе специализированных контроллеров или на
5 базе универсальной программы логического управления) и предложения по их синтезу в условиях производства МА КОС. Основные положения, выносимые на защиту:
тепловая динамическая модель реактора, как объекта с распределенными параметрами;
результаты имитационного моделирования тепловых процессов в реакторе при использовании традиционных и предлагаемых систем автоматического управления реактором;
системы поддержания температурных профилей в реакторе с использованием систем распределенного сбора измерительной информации и с учетом информации о значениях и дрейфе «горячей точки» температурного профиля МВС;
нечеткая модель работы реактора;
алгоритм нечеткого управления по квазиоптимальному управлению реактором по выходу МА из МВС (селективности окисления бензола);
функции принадлежности и их вид для лингвистических переменных, определяющих работу реактора;
решения по техническому синтезу предлагаемых четких и нечетких систем управления реактором производства МА в условиях КОС.
Научная новизна работы заключается в:
1) статистических исследованиях работы реактора по данным журналов
регистрации аппаратчиков, которые подтвердили наличие «горячей точки» в
температурном профиле МВС реактора, возможность ее дрейфа по значению и
положению по высоте реактора в зависимости от нагрузки реактора по бензолу;
соотношения бензол-воздух, подаваемой в реактор БВС; температуры «бани» и
срока службы катализатора;
2) нахождении лингвистических переменных, определяющих работу
реактора, определении их функций принадлежности и их вида;
3) разработке тепловой динамической модели реактора для обоснования применения предлагаемых систем управления реактором;
4) обосновании путем имитационного моделирования возможности
эффективного применения для высокоточного поддержания температурных
профилей МВС и солей реактора в статике и динамике систем управления с
распределенным сбором измерительной информации. Возможный вариант
построения таких систем - введение сигнала коррекции от системы сбора, в
частном случае, оптимального, измерительной информации в АСР
соотношения бензол-воздух и АСР температуры солей;
5) разработке нечеткой модели работы реактора и формализованной записи
задачи кавзиоптимального управления реактором по выходу малеинового
ангидрида;
6) написании алгоритмов нечеткого управления реактором путем задания
требуемого соотношения бензол-воздух БВС, подаваемой в реактор, и
6 температуры «бани» в зависимости от значений температуры «горячей точки» температурного профиля MB С и ее положения на этом профиле для нечетких знаний о сроке службы катализатора и нагрузке реактора по бензолу;
7) предложении и обосновании нечеткой системы управления реактором, как ОРП, в виде программного управляющего аппарата с использованием алгоритмов по п. 6.
Практическая ценность:
- предложен ряд вариантов систем четкого управления для автоматического
высокоточного поддержания требуемых температурных полей МВС и солей в
реакторе, обеспечивающих квазиоптимальный выход МА с реактора при
заданных технологических условиях;
предложены алгоритмы нечеткого управления реактором для квазиоптимальной его работы по выходу МА при заданных технологических условиях;
даны рекомендации по синтезу программного управляющего автомата для реализации нечетких алгоритмов управления реактором;
показана нецелесообразность аппаратного синтеза управляющего автомата для реализации нечетких алгоритмов управления реактором;
разработаны схемы реализации предложенных четких систем управления на базе модернизированного микроконтроллера Ломиконт-110 и многоканального измерительного преобразователя МИП Ш711, имеющихся в производстве МА КОС;
результаты практического выхода диссертационной работы переданы на КОС для их опытно-промышленной проверки и внедрения в производстве малеинового ангидрида.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе научных результатов, выводов и практических рекомендаций подтверждается проведенными статистическими исследованиями по данным реальной работы в производстве МА КОС, теоретическими выкладками, результатами имитационного моделирования, инженерными расчетами и практическим опытом по синтезу управляющих автоматов программными и аппаратными способами, накопленным на кафедре АПП НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Методика исследования базируется на использовании методов теории автоматического управления и динамики распределенных процессов в технологических аппаратах; теории распределенного контроля и управления; имитационном моделировании работы предлагаемых систем управления на ЭВМ; методах статистической обработки данных; методах теории нечетких множеств и систем; методах анализа и синтеза систем логического управления; использовании математического аппарата сетей Петри и графов операций; графовом представлении логических алгоритмов и матричном представлении графов операций.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на 17 и 18 Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ): г. Кострома, 2004 г., г. Казань, 2005 г.; на Международной научно-практической
7 конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии», г. Белгород, 2005 г.; на 18 Международной конференции молодых ученых «Успехи в химии и химической технологии», г. Москва, 2005 г.; на 24 и 25 научных конференциях профессорско-преподавательского состава и сотрудников Новомосковского института РХТУ им. Д.И. Менделеева, г. Новомосковск, 2003 г., 2004 г.; на 5, 7 и 8 научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов Новомосковского института РХТУ им. Д.И. Менделеева (2003, 2005, 2006 г.г.).
Реализация результатов. Результаты исследований по предложенным системам управления реактором, а именно, по высокоточному поддержанию температурных профилей МВС и солей с использованием систем распределенного контроля температур этих профилей и введения сигналов коррекции от них в АРС соотношения бензол-воздух, подаваемый в реактор БВС, и в АСР температуры «бани» переданы на Новомосковский «Комбинат органического синтеза» (в настоящее время ООО «Оргисинтез») для их внедрения в производстве малеинового ангидрида.
Туда же переданы предложения по синтезу нечеткой системы управления реактором для квазиоптимального выхода малеинового ангидрида из МВС на выходе из реактора путем поддержания требуемого соотношения бензол-воздух и температуры «бани» в зависимости от значений температуры «горячей точки» температурного профиля МВС и ее положения по высоте реактора.
На систему автоматического поддержания температурного профиля МВС в реакторе подана заявка на патент (№ 2006101607/15 с приоритетом от 23.01.2006 г.), прошедшая формальную экспертизу (подтверждение ФИПС от 20.04.2006 г.).
Публикации. По тематике диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ: 3 статьи в материалах Международных конференций, 8 тезисов докладов и одна статья в изданиях, рекомендованных ВАКом.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 182 страницах и состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка (41 наименование) и приложения. Работа содержит 73 рисунка и 5 таблиц.
