Введение к работе
Актуальность работы обусловлена тем, что эффективность производств химической промышленности определяется качеством проектньгх, .решений, полнотой и достоверностью исходной информации для проектирования, качеством управления действующими производствами. На всех этапах проектирования и при управлении химико-технологическими процессами используются математические модели, адекватность и информативность которых зависит от глубины исследования физико-химических закономерностей процессов и функциональных связей между их параметрами.
Основу большей части крупнотоннажных химических производств составляют гетерогенно-каталитические реакторные процессы, которые являются нелинейными динамическими системами, функциошірующими в условиях естественной нестационарности, вызванной возмущениями со стороны внешней среды и изменением характеристик оборудования. Особого внимания заслуживают химико-технологические процессы, в частности гетерогенно-каталитические, проводимые в искусственно создаваемых нестационарных режимах. При определенных условиях оптимально организованные нестационарные режимы (особенно циклические) могут оказаться более эффективными по сравнению со стационарными.
Проектирование таких технологических процессов с системами управления требует широкого использования математических моделей их динамики, построение которых является одной из основных задач технологических АСНИ для изучения нестационарных режимов.
Диссертационная работа является частью научных исследований, выполненных в соответствии с координационными планами научно-исследовательских работ по проблеме «Высокотемпературная электрохимия расплавленных и твердых электролитов (1985-90г.г.) АН СССР, научной программой Министерства науки, высшей школы и технической политики РСФСР «Университеты России» (1992-94 г.г., проект ММ8.10, приказ №43 от 13.03.92 Минвуза РСФСР), научно-технической программой Министерства общего и профессионального образования по проблеме «Химия, химическая технология и химическое машиностроение» (1996-98 г.г., проект №Г.Р.01970004045).
Цель работы. Разработка методов и алгоритмов решения задач, возникающих при исследовании нестационарных гетерогенно-каталитических химико-технологических процессов, разработка и преобразоваїше математических моделей их динамики для целей проектирования и управления, в частности процессов синтеза формальдегида из метанола и паровой конверсии монооксида углерода.
Научная новизна работы состоит:
в подходе к выводу, исходя, из, детального механизма, уравнений математических моделей кинетики гетерргенно-каталитических реакций, основанном на исключении из уравнений концентраций ненаблюдаемых компонентов с использованием средств аналитического вывода (например, пакета MathCAD);
в обосновании и исследовании на примере кинетики химических процессов метода параметрической идентификации математических моделей, ос-
нованного на алгоритмах оптимальной фильтрации, по данным эксперимента, полученным в нестационарных условиях;
в подходе к решению системы'дифференциальных и алгебраических уравнений математических моделей статических режимов реакторов с неподвижным слоем катализатора, являющейся двухточечной краевой задачей, сочетающем использование стандартной процедуры численного решения системы обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений и коррекцию неизвестного краевого условия в процессе решения методом бисекций;
в математической модели технологического процесса синтеза формальдегида, приведенной к виду, удобному для качественного анализа ее динамического поведения;
в математической модели процесса паровой конверсии монооксида углерода, приведенной к виду, удобному для использования в задачах автоматического управления.
Практическая значимость работы заключается:
в методике и алгоритмах стехиометрического анализа реагирующей химической системы и их программной реализации с использованием средств аналитического вывода;
в методике и алгоритме решения системы дифференциальных и алгебраических уравнений при моделировании статических режимов реакторов с неподвижным слоем катализатора и его программной реализации;
-. в методике преобразования математических моделей динамики химико-технологических процессов с пространственно распределенными координатами для целей синтеза алгоритмов автоматического управления;
- в методике преобразования математических моделей динамики хими
ко-технологических процессов для целей качественного анализа их динамиче
ского поведения.
Реализация результатов работы;
методика и компьютерные программы стехиометрического анализа реагирующей химической системы и автоматизированного вывода кинетических уравнений переданы в Институт технической химии УрО РАН, г. Пермь;
математическая модель процесса паровой конверсии монооксида углерода, преобразованная для целей синтеза системы автоматического управления, и методика преобразования переданы ОАО "Минеральные удобрения", г. Пермь;
результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре автоматизации технологических процессов и производств Пермского государственного технического университета.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на ГУ Всероссийской научной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" ("Динамика ПАХТ-94") (Ярославль, 1994), Международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии (ММХ-9)" (Тверь, 1995), Международной конференции "Перспективные химические технологии,и материалы" (Пермь, 1997), Международном симпозиуме по алгебраическим и численным аспектам дифференциально-алгебраических уравнений (Гренобль, Франция, 1997), Международной конфе-
ренции по дифференциальным уравнениям и динамическим системам (Ватерлоо, Канада, 1997), Международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" (Новомосковск, 1997), 29-й научно-технической конференции химико-технологического факультета ПГТУ "Химия и химическая технология" (Пермь, 1998), Всероссийской конференции молодых ученых "Математическое маделйрбванйе физико-механических процессов" (Пермь; 1999), ХІП Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии ("МКХТ-99"), Международной конференции по дифференциальным уравнениям и динамическим системам (Кеннесоу, США, 2000)..,! На защиту выносятся:
подход к выводу, исходя из детального механизма, уравнений математических моделей кинетики гетерогенно-каталитических реакций, основанный на исключении из уравнений концентраций ненаблюдаемых компонентов с использованием средств аналитического вывода;
методика и алгоритмы стехиометрического анализа реагирующей химической системы и их программная реализация с использованием средств аналитического вывода;
результаты исследования на примере кинетики химических процессов метода параметрической идентификации математических моделей, основанного на алгоритмах оптимальной фильтрации, по данным эксперимента, полученным в нестационарных условиях;
методика и алгоритм решения системы дифференциальных и алгебраических уравнений при моделировании статических режимов реакторов с неподвижным слоем катализатора и его программная реализация;
методика преобразования математических моделей динамики химико-технологических процессов для целей качественного анализа их динамического поведения;
математическая модель технологического процесса синтеза формальдегида, приведенная к виду, удобному для качественного анализа ее динамического поведения;
методика преобразования математических моделей динамики химико-технологических процессов с пространственно распределенными координатами для целей синтеза алгоритмов автоматического управления;
математическая модель процесса паровой конверсии монооксида углерода, приведенная к виду,, удобному для использования в задачах автоматического управления;
постановка задачи оптимального проектирования реакторов с неподвижным слоем катализатора с учетом синергетических эффектов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Текст диссертации изложен на Ив страницах, включая /2. рисунков и ? таблиц. Список литературы содержит J-& наименований. В приложении приведены справки об использовании результатов работы.