Введение к работе
Современные химические технологические процессы имеют двойственную детерминированно-стохастическую природу. Участвующие в них потоки вещества, как правило, многофазные и многокомпонентные. В ходе протекания процесса в каждой точке фазы и на границах раздела происходит перенос импульса, энергии, массы. Весь процесс в целом протекает в аппарате с конкретными геометрическими характеристиками, оказывающими, в свою очередь, влияние на характер этого процесса.
Существенная особенность химико-технологических процессов состоит в том,
что совокупность составляющих их явлений носит двойственную природу,
проявляющуюся в наложении стохастических особенностей
гидродинамической обстановки в аппарате на процессы массо-, теплопереноса и химического превращения. Это объясняется случайным взаимодействием составляющих компонентов фаз или случайным характером геометрии граничных условий в аппарате (случайное расположение элементов беспорядочно уложенной насадки, зерен катализатора, производственная ориентация межфазной границы движущихся сред).
Подобного рода системы характеризуются чрезвычайно сложным взаимодействием составляющих их фаз и компонентов, вследствие чего изучение их с позиций классических детерминированных законов переноса и сохранения становится невозможным.
Ключ к решению этой проблемы дает метод математического моделирования, базирующийся на стратегии системного анализа, сущность которой заключается в представлении процесса как сложной взаимодействующей иерархической системы параметров с последующим качественным анализом ее структуры, разработкой математического описания и оценкой неизвестных параметров.
Актуальность темы. В данной диссертационной работе рассматривается
процесс очистки циркуляционного газа (ЦТ) от углекислого газа (С02)
производства окиси этилена. Окись этилена - важнейшее сырьё, используемое в
производстве крупнотоннажной химической продукции, являющейся основой
для большого числа разнообразных товаров народного потребления во всех
промышленно развитых странах.
Основные направления использования окиси этилена:
этиленгликоли - благодаря своей дешевизне этиленгликоль нашёл широкое
применение в технике. Как компонент автомобильных антифризов и тормозных
жидкостей, что составляет 60 % его потребления. В качестве теплоносителя в
виде раствора в автомобилях, в системах жидкостного охлаждения
компьютеров. В производстве целлофана, полиуретанов и ряда других
полимеров и как растворитель красящих веществ. В органическом синтезе - в
качестве высокотемпературного растворителя;
полиэтиленгликоли - используются в производстве парфюмерии и косметики,
фармацевтических препаратов, лубрикантов, растворителей для красок и
пластификаторов;
эфиры этиленгликоля - входят в состав тормозных жидкостей, моющих средств,
растворителей лаков и красок;
этаноламины - применяются в производстве мыла и моющих средств, очистки
природного газа и аппретирования тканей;
этоксилаты - используют в производстве моющих средств, в качестве
сурфактантов, эмульгаторов и диспергаторов.
Исходя из вышеперечисленного, производство окиси этилена имеет важнейшее
народно-хозяйственное значение. Поэтому исследования, связанные с
совершенствованием процесса очистки ЦТ от СОг в производстве окиси
этилена является весьма актуальным и необходимым.
Объектом управления является процесс хемосорбции двуокиси углерода из
циркуляционного газа в производстве окиси этилена. Необходимо
поддерживать содержание С02 в ЦТ в пределах заданной нормы.
Регулирование содержания двуокиси углерода в циркуляционном газе при
подаче на стадию синтеза (не более 10 %) требуется для поддержания необходимой селективности процесса синтеза окиси этилена. Большой вклад в развитие концепции создания интегрированных систем управления предприятием, составной частью которых является система автоматизированного непрерывного контроля за выбросами загрязняющих веществ, и последующее формирование управляющих решений, направленных на сокращение выбросов, внесли работы Макарова Р.И., Кострова А.В., Хорошевой Е.Р., Клюшникова В.Ю., Белобородова В.В., Белова А.А. Изучены труды в области автоматизации Балакирева B.C., Лебедовско-го М.С., Шински Ф., Липатова Л.Н., Цирлина A.M., Бояринова А.И. и других учёных. Однако вопросы автоматизации очистки циркуляционного газа от СОг с коррекцией системы управления по результатам аналитического контроля выходного газа изучены недостаточно.
Учитывая эти факторы, следует считать задачу по разработке систем управления процессом очистки циркуляционного газа от углекислого газа весьма актуальной.
Целью диссертационной работы является энерго- и ресурсосбере-жение в процессе хемосорбции двуокиси углерода из циркуляционного газового потока путем создания оптимальной системы управления на основе разработанной математической модели и современных методов оптимизации. Достоверность теоретических разработок подтверждена совпадением результатов вычислительного эксперимента с экспериментальными данными, позволяет сделать вывод об эффективности разработанных методов для системы управления процессом очистки циркуляционного газа от СОг.
Задачами данного исследования являлось:
- изучить технологический процесс очистки циркуляционного газа от С02 и
систему управления производством;
рассмотреть основные типы аппаратов для проведения процесса абсорбции, их основные достоинства и недостатки. Изучить системы автоматизации газовых абсорберов и их приборное оформление;
проанализировать абсорбер как объект управления;
- на основе имеющихся сведений о кинетике и термодинамике процессов
хемосорбции в производстве окиси этилена построить математическую модель
процесса, пригодную для сравнительного исследования предлагаемых
вариантов систем управления и синтеза оптимального управления;
- исследовать статические и динамические характеристики объекта управления;
- изучить основные свойства системы управления, такие как устойчивость,
управляемость, наблюдаемость и их влияние на качество управления.
- на основе модели объекта реализовать синтез систем оптимального
программного управления и разработать алгоритм оптимального управления
объектом.
Методы исследования. В диссертации научные исследования основаны на методах математического моделирования с системным подходом к анализу и оптимизации управления объектом при широком использовании программно-математического инструментария. Научная новизна диссертационной работы:
Разработана модель объекта управления на основе термодина-мической, гидродинамической, химической особенностей процесса, позволяющая реализовать комплексный подход к процессу оптимального управления, что существенно отличает модель от предложенных другими авторами.
На основе модели объекта реализован синтез систем оптимального программного управления, позволяющий адаптировать систему управления к переменным условиям проведения процесса.
3. Предложен алгоритм оптимального программного управления процессом
очистки циркуляционного газа от С02 с коррекцией по результатам анализа
системы управления.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Диссертационные материалы используются в учебном процессе в рамках дисциплины «Моделирование систем управления», «Автоматизация технологических процессов и производств» и «Интегрированные системы управления» Дзержинского политехнического института Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. Проектные решения и программное обеспечение переданы в ФГУП «НИИ Полимеров им. В.А. Каргина» (г. Дзержинск).
Апробация работы. Основные положения и результаты, полученные в диссертационной работе докладывались на XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Белгород, 2010 г.), на XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-24. (Саратов, 2011), 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 и XVI Международных научно-технических конференциях «Информационные системы и технологии - 2009» (Нижний Новгород, 2009г.), «Информационные системы и технологии - 2010» (Нижний Новгород, 2010г.), «Информационные системы и технологии - 2011» (Нижний Новгород, 2011г.), на всероссийской заочной электронной научной конференции (2010г.), на VIII, IX Международных молодежных научно-технических конференциях «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2009, 2010 годы), на Международных научных конференциях «Фундаментальные и прикладные исследования» (Бразилия, Рио-де-Жанейро, 2009 г. и Испания, Тенерифе, 2010 г.). Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 20 печатных работ, из которых 2 статьи в издании, рекомендованном ВАК РФ. На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Система управления процессом очистки циркуляционного
газа от углекислого газа в производстве окиси этилена
с двумя контурами коррекции системы управления по результатам анализа содержания С02 в циркуляционном газе.
2. Математическая модель системы управления и алгоритм
оптимального управления объектом.
3. Результаты исследования устойчивости, управляемости и
наблюдаемости системы управления. Доказано, что система является управляемой по выходу.
4. Синтез систем программного управления.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 109 наименований, и 3 приложений. Основной текст занимает 132 страницы машинописного текста, содержит 47 рисунков и 3 таблицы.
Похожие диссертации на Система управления процессом очистки циркуляционного газа в производстве окиси этилена
