Введение к работе
Актуальность работы. Производство сорбционно-каталитических материалов характеризуется многоассортиментностью и гибкостью технологических схем. Продукция пооизвоттства используется в системах и устройствах жизнеобеспечения защиты окружающей среды, при кондиционировании, в газоаналитической аппаратуре, что определяет строгие требования к процессам получения сорбентов и катализаторов, а также к качеству полупродуктов и готовой продукции. Только в России располагается более 20 предприятий, выпускающих сорбенты и катализаторы для высокоэффективной газоочистки с производительностью 1-5 тыс. тонн в год. В настоящее время, в связи с ужесточением экологических требований, проводятся интенсивные исследования свойств сорбентов и катализаторов с целью создания новых типов материалов, обладающих высокой активностью и устойчивых в работе при их эксплуатации. За период 2008-2013гг. прогнозируемые объемы производства катализаторов обеспечат получение высококачественной продукции на сумму свыше 4 млрд. руб., спрос на новые катализаторы составит около 12 тыс. тонн в год. Сложность управления и исследования свойств различных типов сорбционно-каталитических материалов обусловлена высокой стоимостью сырья, чувствительностью к возникновению брака при выборе управляющих воздействий на ключевых стадиях, разнородностью и многообразием физико-химических процессов переработки сырья и материалов (гранулирование, сушка, прокаливание, пропитка). Поэтому актуальной и экономически обоснованной является задача создания гибкой системы моделирования процессов получения сорбентов и катализаторов, настраиваемой на различные технологические схемы производства, изменяющийся ассортимент продукции, виды сырья, производительность, аппаратурное оформление и позволяющей проводить исследование как процесса в целом, так и отдельных ключевых стадий в различных режимах функционирования.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка программного комплекса для моделирования процессов получения сорбентов и катализаторов в условиях гибкого многоассортиментного производства, позволяющего на основе математических моделей (ММ) ключевых стадий решать задачу исследования процессов получения сорбентов и катализаторов в номинальном режиме функционирования, при возникновении брака, а также решать задачу перенастройки производства на новый вид продукции.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
- исследованы процессы получения сорбционно-каталитических материалов; выявлены характеристики используемого сырья, оборудования; определены требования к качеству полупродуктов и готовой продукции; систематизированы типовые ситуации, связанные с нарушением показателей качества продукции, на иснивашш чсю розраишана иаза данных [р/у ларшисрииіші ііришиидства, включающая технологические регламенты процессов получения различных типов сорбентов и катализаторов;
определены особенности производства как объекта исследования и моделирования, выделены ключевые стадии; составлено формализованное описание, необходимое для построения ММ и синтеза системы моделирования;
разработана структура системы моделирования, алгоритм перенастройки системы на различные виды сорбентов и катализаторов, аппаратурное оформление, требования к качеству материалов;
разработана библиотека ММ ключевых стадий производства, позволяющих имитировать поведение объекта исследования в номинальном режиме, а также при возникновении брака продукции;
обоснован выбор методов решения ММ и методов обработки экспериментальных данных для определения параметров ММ, на основании которых разработана библиотека параметров ММ, настраиваемых на различные характеристики конечных продуктов, оборудование, а также нештатные ситуации;
проведено исследование адекватности ММ на примере производства различных типов алюмооксидных сорбционно-каталитических материалов;
разработан программный комплекс для моделирования процессов получения сорбентов и катализаторов, позволяющий проводить исследования в различных режимах функционирования, решать задачу перенастройки производства на изменяющийся ассортимент и аппаратурное оформление;
проведено тестирование и внедрение программного комплекса на примере действующего гибкого многоассортиментного производства материалов сорбционно-каталитического назначения.
Научной новизной диссертационной работы являются:
Формализованное описание процессов получения сорбентов и катализаторов, на основании которого разработаны БД характеристик сырья, оборудования, требований к качеству, включающие технологические регламенты процессов получения различных видов продукции; база знаний (БЗ) нештатных ситуаций возникновения брака.
Структура системы моделирования, алгоритм её перенастройки на различный вид продукции, аппаратурное оформление, требования к качеству.
ММ ключевых стадий производства (гранулирования, прокаливания, пропитки), позволяющие решать задачу исследования процессов получения сорбентов и катализаторов и задачу перенастройки производства.
Библиотека параметров Мм ключевых стадий, полученных на основании обработки и анализа экспериментальных данных, что позволяет настраивать ММ на различные виды продукции, оборудование, моделировать нештатные ситуации, связанные с возникновением брака.
Программный комплекс для моделирования процессов получения сорбентов и кятялизятппов В усдопиях гибкого многоассоптиментного производства, позволяющий исследовать различные технологические режимы производства, физико-химические свойства полупродуктов, показатели качества продукции; исследовать влияние управляющих воздействий; снизить риск возникновения брака, что способствует улучшению качества готовой продукции.
Объект исследования. Гибкое многоассортиментное многостадийное производство сорбционно-каталитических материалов.
Предмет исследования. ММ ключевых стадий и проблемно-ориентированный программный комплекс для исследования физико-химических процессов получения различных видов сорбционно-каталитических материалов.
Методы исследования. Методы математического моделирования; методы численного решеїшя систем алгебраических и дифференциальных уравнений; методы проектирования БД; инструментальные средства визуализации и разработки сложных программных комплексов; математические методы обработки экспериментальных данных; основы химической технологии.
Практическая ценность работы. Разработано информационное, математическое и программное обеспечение для моделирования процессов получения сорбционно-каталитических материалов. Программный комплекс внедрен на действующем многоассортиментном производстве, выпускающем продукцию сорбционно-каталитического назначения. Комплекс позволяет повысить уровень качества продукции, экономить дорогостоящие химические компоненты, необходимые для проведения исследований новых типов сорбентов и катализаторов, более рационально использовать сырьё и материалы. Комплекс может быть использован на аналогичных многоассортиментных производствах, выпускающих продукцию сорбционно-каталитического назначения.
Реализация результатов. Программный комплекс внедрен и используется в ФГУП «НКТБ «Кристалл». Результаты работы внедрены в учебный и научно-исследовательский процессы кафедры систем автоматизированного проектирования и управления, кафедры технологии катализаторов Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета).
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях ММТТ-17 (г. Кострома, 2004г.); ММТТ-18 (г. Казань, 2005г.); ММТТ-19 (г. Воронеж, 2006г.); ММТТ-20 (г. Ярославль, 2007г.); ММТТ-21 (г. Саратов, 2008г.); Второй всероссийской научно-практической конференции ИММОД-2005 (г. Санкт-Петербург, 2005г.); в Рурском университете по программе им. Леонарда Эйлера, DAAD (Германия, г. Бохум, 2007г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том числе получено 3 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ в Рлгпятрнтр* 2 frrs,rtif опубликованы в ж^7т,налвх из п?псчня еєітл7щих пет,ензип,7смых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 5 приложений. Работа изложена на 197 страницах, содержит 49 рисунков и 43 таблиц. Список литературы включает 128 наименований.
