Дворецкий Дмитрий Станиславович. Методы и алгоритмы интегрированного проектирования гибких химических процессов, аппаратов и систем управления многоассортиментных химических производств

brief description

Дворецкий Дмитрий Станиславович. Методы и алгоритмы интегрированного проектирования гибких химических процессов, аппаратов и систем управления многоассортиментных химических производств : диссертация ... кандидата технических наук : 05.17.08, 05.13.06.- Тамбов, 2001.- 267 с.: ил. РГБ ОД, 61 02-5/1805-1

ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
На правах рукописи
ДВОРЕЦКИЙ Дмитрий Станиславович
МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ИНТЕГРИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГИБКИХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, АППАРАТОВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ МНОГО АССОРТИМЕНТЫ^ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий
05.13.6 - Автоматизация и управление технологическими процессами и
производствами (промышленность)
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: Заслуженный
деятель науки и техники РФ,
доктор технических наук,
профессор В.И. Бодров
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент А.В. Майстренко

Тамбов -2001

2
СОДЕРЖАНИЕ Стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
1. СТРАТЕГИЯ СОВМЕСТНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ХТП, АППАРАТОВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРИ НАЛИЧИИ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ 8
1.1 Современное состояние технологии, аппаратурного оформления и
автоматизации многоассортиментных химических производств 8
1.2 Обзор существующих подходов к исследованию гибкости и
оптимизации ХТП при проектировании химического производства в условиях неопределенности исходной информации 26
1.3 Разработка стратегии интегрированного проектирования гибких
ХТП, аппаратов и систем автоматического управления при наличии неопределенности исходной информации 39
1.4 Основные подходы к выбору структуры локальных систем
автоматического управления технологическими процессами и исследованию динамических свойств объектов управления 46
1.5 Обзор методов решения задач статической и динамической
оптимизации ХТП и стратегия оптимизационного исследования.... 50
1.6 Постановка задач диссертационной работы 54
2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ ИНТЕГРИРОВАННОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ХТП, АППАРАТОВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРИ НАЛИЧИИ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ИСХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ 57
2.1 Постановка и методы решения одно- и двухэтапных задач
стохастического программирования при проектировании гибких ХТП и аппаратов 57
2.2 Разработка алгоритма синтеза структуры АСР для непрерывных
ХТП и аппаратов с заданными динамическими характеристиками. 79
2.3 Алгоритмы синтеза оптимального управления полунепрерывными
(периодическими) нелинейными химическими процессами 82
2.4 Применение метода имитационного моделирования для
интегрированного проектирования ХТП, аппаратов и систем управления при наличии неопределенности исходной информации 88
2.5 Разработка алгоритма интегрированного проектирования энерго- и
ресурсосберегающего комплекса “ХТП - аппарат - система управления” малотоннажной химии 97
3. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ И СТАТИКИ ПРОЦЕССОВ СИНТЕЗА АЗОПИГМЕНТОВ И ХИМИКАТОВ-ДОБАВОК ДЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ 100
3.1 Разработка алгоритмов моделирования процессов синтеза

з
азопигмента алого, осуществляемых в турбулентных трубчатых реакторах цилиндрического и комбинированного типов 101
3.2 Экспериментальное исследование непрерывных процессов
диазотирования и азосочетания при синтезе пигмента алого лакокрасочного в турбулентных трубчатых аппаратах 122
3.3 Исследование и оптимизация процессов синтеза азопигмента алого
лакокрасочного 134
3.3.1 Исследование статических характеристик процесса
диазотирования, осуществляемого в турбулентных трубчатых реакторах 134
3.3.2 Исследование статических характеристик процесса
азосочетания при синтезе пигмента алого лакокрасочного в турбулентном трубчатом реакторе 140
3.3.3 Оптимизация статических режимов процесса синтеза азопигмента алого лакокрасочного 145
3.4 Исследование и оптимизация процесса синтеза сульфенамида М 152
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИБКОСТИ И ОПТИМАЛЬНОЕ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕАКТОРНЫХ УСТАНОВОК СИНТЕЗА
ПИГМЕНТА АЛОГО ЛАКОКРАСОЧНОГО В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ИСХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ 157
4.1 Постановка и решение одноэтапных задач оптимизации процессов
и реакторных установок синтеза азопигментов 160
4.2 Постановка и решение двухэтапных задач оптимизации процессов
и трубчатых реакторов синтеза азопигментов 171
5. ИНТЕГРИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТОНКОГО ОРГАНИЧЕСКОГО СИНТЕЗА, РЕАКТОРНЫХ УСТАНОВОК И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 177
5.1 Синтез структуры многоассортиментного производства,
оперативное планирование и управление производством дисперсных красителей 177
5.2 Исследование динамических свойств процессов синтеза
азопигментов и проектирование локальных АСР 186
5.3 Интегрированное проектирование комплексов “химический
процесс - реакторная установка - система управления” методом имитационного моделирования 197
5.4 Практические рекомендации по оборудованию
многоассортиментных автоматизированных химических

bibliography

ВЫВОДЫ
1. Ha основе анализа современного состояния технологии, аппаратурного оформления и автоматизации многоассортиментных химических произ¬водств сформулировано направление работы по разработке стратегии, мето¬дов и алгоритмов интегрированного проектирования гибких автоматизиро¬ванных производств при наличии неопределенности исходных данных для проектирования.
2. Сформулированы одно- и двухэтапные задачи оптимизации конструк¬тивных и режимных переменных процессов и реакторных установок тонкого органического синтеза при наличии неопределенности исходных данных. Разработаны методы и алгоритмы их решения, позволяющие за приемлемое время получать решение задач оптимизации и проектирования промышлен¬ных процессов и аппаратов химической технологии.
3. Разработаны математические модели (статики и динамики) непрерыв¬ных процессов диазотирования, азосочетания (при синтезе азопигментов) и периодического процесса окислительной конденсации (при синтезе сульфе- намидного ускорителя вулканизации каучуков), учитывающие особенности кинетики процессов растворения твердой фазы ароматического амина (имеющего полидисперсный состав при диазотировании) и кристаллизации пигмента алого лакокрасочного, протекающих в смешанных диффузионно-кинетических областях; процессов разложения диазотирующего агента, диа¬зосоединения и образования побочных продуктов при синтезе сульфенамида М; закономерности формирования колористических и физико¬технологических показателей пигмента алого лакокрасочного в зависимости от рн -среды и других условий осуществления процесса азосочетания.

220
4. Проведены эксперименты в лабораторных и опытно-промышленных ус¬ловиях по исследованию статических и динамических режимов исследуемых процессов. Среднеквадратичное отклонение расчетных от эксперименталь¬ных данных для моделей статики не превышает 10%, максимальное рассо¬гласование - 14%; для моделей динамики - 12% и 15%, соответственно.
5. Методом математического моделирования исследованы статические и динамические режимы и проведено оптимизационное исследование функ¬ционирования реакторных установок диазотирования и азосочетания с уче¬том влияния неопределенных параметров на результаты оптимизации.
6. Методом АКОР решена задача динамической оптимизации периодиче¬ского процесса получения сульфенамида М. Сравнительный анализ рассчи¬танных оптимальных режимов процесса окислительной конденсации и дей¬ствующих на производстве химикатов показывает, что оптимизация позволя¬ет увеличить выход сульфенамида М в среднем на 3 % при одновременном снижении количества используемого окислителя на 5-7%.
7. Решены одно- и двухэтапные задачи оптимизации конструктивных и ре¬жимных переменных непрерывных процессов диазотирования и азосочета¬ния, осуществляемых в турбулентных трубчатых реакторах комбинирован¬ного типа и с устройством турбулизации диффузор-конфузорного типа, про¬изводительностью 1000 т/год. Установлено, что для одноэтапных задач запас технического ресурса реакторных установок составляет 72% (с вероятност¬ными ограничениями) и 86% (с “жесткими” ограничениями) от базового ва-рианта, для двухэтапных задач - 58-65%.
8. Разработаны быстродействующие алгоритмы оптимального управления (на базе метода АКОР) периодическими процессами тонкого органического синтеза, оперативного планирования и управления многоассортиментными химическими производствами.
9. Разработана методика имитационного исследования эффективности функционирования гибких автоматизированных комплексов «процесс тонко¬го органического синтеза - реакторная установка - система управления».
10. Для реализации в анилинокрасочной промышленности рекомендуются малогабаритные высокопроизводительные турбулентные трубчатые реакто¬ры комбинированного типа и с устройствами турбулизации потока диффу¬зор-конфузорного типа, обеспечивающие в сочетании с АСР и АССО безо¬пасное и качественное осуществление процессов тонкого органического син¬

теза с высоким уровнем энерго- и ресурсосбережения и экологической чис¬тоты. Спроектированы трубчатые реакторные установки диазотирования и азосочетания для производства пигмента алого лакокрасочного производи¬тельностью 1500 т/год, определены оптимальные режимы их функциониро¬вания и предложены экономически целесообразные классы и структуры сис¬тем управления. Практические рекомендации по оптимизации и модерниза¬ции действующих многоассортиментных производств малотоннажной химии приняты к использованию в АО «Пигмент», ОАО «НИИХИМПОЛИМЕР», ОАО «Экохимпроект».
11. Результаты выполненной работы используются в учебном процессе ТГТУ при подготовке инженеров и магистров по направлениям 655400 и 551800.