Дворецкий, Дмитрий Станиславович. Методология интегрированного проектирования гибких химико-технологических систем (на примере непрерывных и периодических процессов малотоннажных химических производств)

Краткое описание

Федеральное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет"
На правах рукописи
05201350233
ДВОРЕЦКИЙ Дмитрий Станиславович
МЕТОДОЛОГИЯ ИНТЕГРИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГИБКИХ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ (на примере непрерывных и периодических процессов малотоннажных
химических производств)
Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка
информации (химическая промышленность)
Том 1
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук
Научный консультант: д.т.н., профессор А.Ф. Егоров
Тамбов 2012

-2-
ОГЛАВЛЕНИЕ
Том 1
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИНТЕГРИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ХТП, АППАРАТОВ И СИСТЕМ 16
1.1 Проблемы аппаратурно-технологического оформления энерго- и ресурсосберегающих малотоннажных химических производств 16
1.2 Основные понятия и общая характеристика процесса проектирования ХТП, аппаратов и систем 20
1.3 Методология, современные средства и методы проектирования ХТС и САУ ... 21
1.4 Управление процессом совместного проектирования ХТС и САУ 55
1.5 Формулирование проблемы и постановка задач исследования 56
ГЛАВА 2. НОВЫЕ ПОДХОДЫ К АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ОФОРМЛЕНИЮ ЭНЕРГО- И РЕСУРСО СБЕРЕГАЮЩИХ ГИБКИХ ХТП 70
2.1. Формулировка задач оценки гибкости и статической оптимизации при интегрированном проектировании ХТС в условиях интервальной неопределенности исходных данных 70
2.2. Методы и алгоритмы решения одностадийных задач интегрированного проектирования ХТС 82
2.3. Методы и алгоритмы решения двухстадийных задач интегрированного проектирования ХТС с жесткими ограничениями 90
2.4. Методы и алгоритмы решения двухстадийных задач интегрированного
проектирования ХТС с мягкими и смешанными ограничениями 105
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 113
ГЛАВА 3. МЕТОДОЛОГИЯ ИНТЕГРИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ГИБКИХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ХТС j j 5
3.1 Стратегия интегрированного проектирования гибких автоматизированных ХТС в составе МХП 115
3.2 Структурная управляемость, наблюдаемость и устойчивость режимов функционирования ХТС 125
3.3 Постановка задач динамической оптимизации при интегрированном проектировании гибких ХТС. Методы и алгоритмы их решения 130
3.4 Основные подходы к выбору класса систем автоматического управления
ХТП на основе математического моделирования 148

-3-
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 155
ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМНЫХ СВЯЗЕЙ И ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ХТС НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА, МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 174
4.1 Экспериментальное исследование кинетики и математическое моделирование непрерывных процессов тонкого органического синтеза в производстве азопигментов 174
4.2 Экспериментальное исследование кинетики и математическое описание периодического процесса окислительной конденсации при синтезе сульфенамида М 234
4.3 Экспериментальное исследование кинетики и математическое моделирование непрерывного процесса метанолиза растительного масла в органическое биодизельное топливо 243
4.4 Экспериментальное исследование и математическое описание процесса обогащения воздуха кислородом методом короткоцикловой адсорбции 244
4.5 Математическое моделирование и основы теплового и прочностного расчетов технологической оснастки процессов СВС и формования твердосплавных материалов 271
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 284
ГЛАВА 5. ИНТЕГРИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИБКИХ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ХТП, АППАРАТОВ И СИСТЕМ В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ 286
5.1 Аппаратурно-технологическое оформление гибких непрерывных процессов тонкого органического синтеза в производстве азопигментов 286
5.2 Аппаратурно-технологическое оформление ресурсосберегающего периодического процесса синтеза сульфенамида М 358
5.3 Аппаратурно-технологическое оформление непрерывного процесса метанолиза растительного масла в органическое биодизельное топливо 363
5.4 Аппаратурно-технологическое оформление гибкого энергосберегающего процесса обогащения воздуха кислородом методом короткоцикловой адсорбции 3 64
5.5 Аппаратурно-технологическое оформление энергосберегающего процесса
СВС и формования твердосплавных материалов 368
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 392
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 396
к

-4-
Том 2 (приложения)
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Современное состояние аппаратурно-технологического оформления и проектирования непрерывных и периодических процессов многоассортиментных малотоннажных химических производств 3
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Кинетика, математическое описание и аппаратурно¬технологическое оформление непрерывного процесса метанолиза растительного масла в органическое биодизельное топливо 86
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Синтез структуры многоассортиментного производства
- 136
дисперсных красителеи, оперативное планирование и управление производством
АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ 153

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основе современных методов системного анализа, математического и физического моделирования получены новые научные результаты для теории интегрированного проектирования энерго- и ресурсосберегающих гибких промышленных химико¬технологических процессов, аппаратов и систем, формирующих предпосылки эффективного управления и автоматизации.
0. Разработана методология (система принципов, способов организации и построения теоретической и практической деятельности при интегрированном проектировании) и формализована стратегия интегрированного проектирования промышленных энерго- и ресурсосберегающих гибких ХТП, оборудования и систем автоматического управления в условиях интервальной неопределенности физико-химических, технологических и экономических исходных данных. Реализована многоэтапная итерационная процедура решения задач интегрированного проектирования гибких автоматизированных ХТС, предусматривающая: выбор типа, расчет конструктивных параметров и режимных переменных аппаратурно-технологического оформления ХТС; выбор класса, структуры и расчет настроечных параметров САУ; определение допустимой области изменения параметров сырья, технологических переменных и коэффициентов математической модели ХТС, в пределах которой обеспечивается оптимальное (в смысле безопасности, энерго- и ресурсосбережения и качества выпускаемой продукции) функционирование ХТС.
1. Разработаны методы и алгоритмы решения задач стохастической оптимизации с «мягкими» (вероятностными) и смешанными ограничениями, возникающих при аппаратурно¬технологическом оформлении промышленных энерго- и ресурсосберегающих гибких автоматизированных ХТС в условиях неопределенности. ‘
2. Обоснована возможность применения метода аналитического конструирования регуляторов по критерию обобщенной работы А.А. Красовского для решения задачи оптимального управления нестационарными химическими процессами и доказана их эффективность на примере периодического процесса синтеза ускорителя вулканизации сульфенамида М.
3. Проведены экспериментальные исследования кинетики (получены кинетические уравнения и определены их коэффициенты, выявлены особенности кинетики):
1) процессов тонкого органического синтеза: а) химических реакций диазотирования и азосочетания в производстве азопигментов (алого концентрированного, лакокрасочного и желтого светопрочного), протекающих в смешанной диффузионно-кинетической области; б) реакции окислительной конденсации при синтезе ускорителя вулканизации сульфенамида М в производстве химикатов-добавок для полимерных материалов (осуществлен выбор наиболее вероятного механизма реакции окислительной конденсации 2-меркаптобензтиазола и морфолина перекисью водорода); в) процесса метанолиза сложных эфиров глицерина и высших карбоновых кислот (триацилглицеринов растительных масел) при наложении электромагнитного поля, протекающего в смешанной диффузионно-кинетической области (определен фракционный состав метиловых эфиров рапсового, подсолнечного и льняного масел. Установлено, что в результате термодеструкции получается смесь предельных и непредельных углеводородов, карбоновых кислот, непрореагировавших моно-, ди-, и

-373 -
триацилглицеринов, а также неиндентифицированных соединений. Выявлен наиболее вероятный механизм термической деструкции триацилглицеринов);
2) процесса обогащения воздуха кислородом в энергосберегающей установке короткоцикловой адсорбции производительностью С>зад=0,05 мЗ/с: а) экспериментально исследованы адсорбционные, механические и аэродинамические свойства блочных цеолитовых адсорбентов типа X с целью их использования в установке короткоцикловой адсорбции при обогащении воздуха кислородом (при реализации процесса короткоцикловой адсорбции обогащения кислородом воздуха в продолжительных испытаниях (~5 суток) разрушения блочного адсорбента и образования пыли не наблюдается); максимальное сопротивление потоку блока высотой Н=0,2 м с сЬ=0,2 мм составляет ДР=0,19><105 Па, что на 8% ниже по сравнению со слоем шихты той же высоты с dr=0,28 мм); б) концентрация кислорода на выходе увеличивается в среднем на ~30% - при сокращении длительности цикла тц с 20 до 2 с, на -70% - при увеличении высоты слоя адсорбента Н с 0,1 до 0,25 м и достигает максимума при значении коэффициента обратной промывки, равном 2,6.
5. Разработаны математические модели:
1) статики и динамики непрерывных процессов диазотирования и азосочетания, учитывающие: особенности кинетики процессов растворения твердой фазы ароматического амина (имеющего полидисперсный состав при диазотировании) и кристаллизации пигмента алого лакокрасочного, закономерности формирования колористических и физико¬технологических показателей пигмента алого лакокрасочного в зависимости от -среды и других условий осуществления процесса азосочетания (свидетельства об официальной регистрации программ ЭВМ № 2009613713 от 13.07.2009 г., № 2009613714 от 13.07.2009 г.);
2) периодического процесса окислительной конденсации 2-меркаптобензтиазола и морфолина перекисью водорода при синтезе сульфенамида М с учетом химических реакций образования побочных продуктов и неравномерности распределения перекиси водорода по объему реактора с мешалкой;
3) непрерывного процесса метанолиза сложных эфиров глицерина и высших карбоновых кислот (триацилглицеринов растительных масел);
4) нестационарных тепло- и массообменных процессов при обогащении воздуха кислородом путем адсорбции азота из газовоздушной смеси сплошным пористым цеолитовым адсорбентом (свидетельство о государственной регистрации программы ЭВМ № 2009616584 от 26.11.2009 г.);
5) нестационарного процесса теплообмена в прессоснастке для осуществления СВС твердосплавных материалов на основе дисилицида молибдена (свидетельства о государственной регистрации программ ЭВМ №2012613247, №2012613248 от 6.04.2012 г.).
6. С использованием разработанных методов и быстродействующих алгоритмов оптимизации и оптимального управления в условиях неопределенности выполнено интегрированное проектирование малогабаритных гибких автоматизированных промышленных установок синтеза азопигментов и химикатов добавок для полимерных материалов (спроектированы малогабаритные высокопроизводительные конструкции гибких турбулентных трубчатых реакторных установок с диффузор-конфузорными устройствами турбулентного перемешивания, оснащенных перспективными системами автоматического регулирования и адаптивной статической оптимизации; гибкий автоматизированный модуль осуществления периодических нестационарных химических процессов), определены области

-374-
изменения неопределенных параметров сырья, технологических переменных и коэффициентов математической модели ХТС, в пределах которых гибкие автоматизированные установки обеспечивают качественное и безопасное осуществление процессов тонкого органического синтеза. Результаты работы рекомендованы и приняты к реализации Тамбовским ОАО “Пигмент”, ОАО “НИИХИМПОЛИМЕР”, г. Тамбов при реконструкции действующих и проектировании новых гибких автоматизированных химических производств тонкого органического синтеза.