Введение к работе
Актуальность темы. Большая группа промышленно важных для на родного хозяйства продуктов химической промышленности получается путем реализации сложных многоступенчатых последовательно-параллельных реакций присоединения. Основной особенностью этого класса реакций является образование спектра продуктов, часть из которых является целевыми, а часть побочными. Для аппаратурно-технологи ческой оптимизации реакционных узлов классической является следу юшая постановка задачи:
а) максимизация селективности по одному продукту при задан
ной степени превращения исходных веществ;
б) максимизация выхода'целевого продукта при полном превра
щении сырья.
В условиях рынка при колебаниях спроса на продукты существенно изменяется постановка задачи, а именно; химико-технологическая система (ХТС) должна обладать свойством гибкости (прежде всего структурной), что бы адекватно отслеживать конъюнктуру рынка. В связи с этим актуальна задача выбора критерия эффективности и разработки подхода к синтезу оптимального аппаратурно-техноло-гического оформления реакторного узла для рассматриваемо;^ класса реакций. Кибернетическая организация реакторной подсистемы ХТС предполагает создание системы, управления (СУ), способной поддерживать оптимальное функционирование производства. Учитывая двуху ровневую сущность ХТС, следует разрабатывать двухуровневую СУ, обеспечивающую оперативную оптимизацию процесса в реальном времени. Решение этой задачи осложнено тем, .что во многих случаях для рассматриваемых процессов нет возможности оперативного автомати -ческого контроля состава реакционной смеси. Поэтому необходимо разработать математические модели элементов ХТС и эффективные алгоритмы раб >ты СУ с тем что бы организовать управление с использованием модели. Однако, такого рода способ управления требует в большинстве случаев проведение большого количества промежуточных расчетов с использованием математической модели процесса, что определяет большое большое запаздывание в информационном канале. поэтому уроРйнь сложности модели должен быть возможно ни :'. Для бол» шинства процессов рассматриваемого класса характерно ііяііичи. большого транспортного запаздывания, так как они прсв-дят-" г
- г -
реакторах, близких по своей гидродинамике ; аппаратам идеального вытеснения, поэтому необходимо построение системы динамической стабилизации, эффективно работающей в условиях большого запаздывания в контуре управления. Типовым представителем процессов рассматриваемого класса является процесс некаталитической гидратации оксида этилена с получением-моно-, ди-, три- и более тяжелых этиленгликолей. Производство является крупнотоннажным, мно-гопрод/ктовыч и в условиях изменения рыночного спроса на те или иные выпускаемые продукты его модернизация и частичная реконструкция является актуальной практической задачей.
Цель работы. Целью диссертационной работы является синтез функциональной структуры и алгоритмического обеспечения системы оптимальногс оперативного управления реакционным узлом процесса сплтеза гликолей и замкнутой 'системы динамической стабилизации переменных состояния. Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:
теоретический анализ'уравнений математической модели кинетики последовательно-параллельных реакций присоединения с большим числом стадий;
разработка математических моделей статики основных аппаратов реакторного узла синтеза гликолей;
формулировка критерия эффективности функционирования ХТС, отражающего многовариантность структуры ХТС и конъюнктуру рынка;
создание программно-алгоритмического обеспечения в целях анализа и оптимального синтеза структуры ХТС;
разработка функциональных операторов динамических связей между переменными элементов ХТС синтеза гликолей и,системы динамической стабилизации концентрации оксида этилена на выходе реакционного узла:
структурный и алгоритмический синтез двухуровневой системы оптимального управления реакционным узлом процесса синтеза гликолей.
Методы исследований. В работе использованы методология и математический аппарат системного анализа ХТС, методы моделирования и оптимизации процессов, реализованные на ПЭВМ; методы теории автоматического управления.
Научная новизна:
- предложен новый полуаналитический метод решения епетнцц
дифференциальных уравнений, описывающих кинетику последоватьт-
ни-параллельных реакций присоединения, г, ненулевыми начальными
условиями по продуктам реакции, что позволяет описывать ХТС син-
гоот гликолей со сложным аппаратурным оформлением;
получены аналитические ьыражения, позволяющие раогчиїїп распределение по продуктам реакции при ее полном завершении о .-.а г.иопмости от состава исходной реакционной смеси;
на основе полученных решений разработаны математические модели реакторов различного типа и других элементов аппаратурнигп Г',,*)0|,мления процесса;
предложен критерий эффективности функционирования ХТС, учитывающий ее многовариантность и конъюнктурные данные;
разработаны методы и алгоритмы структурной оптимизации ре акторного узла;
установлена линейная зависимость между количеством оксида этилена, поступающего в реакторную систему и интегральным тепловым эффектом процесса;
предложен метод получения линейных функциональных операторов динамики реакторного узла непосредственно из нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих динамику системы, что обоп-грчпвает высокую точность моделирования динамики;
на основе утих исследований разработана структура дьуху Р-вновой системы управления.
Практическая значимость. Разраоотанные в диссертации зоно. ;іігміі статический оптимизации1 могут сыть попользованы для .-ннтг-зі - '."руьтурїі реакторного узла вновь проектируемых и модерниззоои юйсіьукл'іпх ХТС на базе поодеповательно-паралельних рраниш .- \зра*ста!іна:і система управления мпжет пцть рекомендована к ік ти
о РаЯ ДЛЯ Ю.ДиОН'.ГО шпа ПрОЦеССОЕ.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы "- ,w"i-:: ні а о "Ьа.аарюктзм" г. Дзерсн-гт.а о ц^оло использования о; и :і!;ч'і!;о-:!;ип ' ;оу: ту, ы р--.-ік: арного узла і! [мал; очіил системи o;;:;i мального управления процессом синтеза гликолеіі.
Апробация работы: Результаты исследований докладывались на Meкдународной научней конференции KXin-lV-94 (г М^Рса. \г"-\\
_ 4 -
паратов химической технологии" (г. Ярославль, 1994). Итоговой научно-технической конференции преподавателей и .сотрудников Ивановской Государственной химико-технологической академии (г. Иваново, 1993/ 1994, 1995), на 9-ой Всероссийской конференции "Математические методы в химии" (г. Тверь, 1995), на IV и V конференциях молодых ученых (г. Москва. 1993, 1994). на 9-ой международной конференции молодых учёных и студентов по химии и химической технологии (г. Москва, 1995)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и 1-го приложения. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунка и 3 таблицы. Список литературы включает 1'47 наименований.