Методология интегрированного проектирования гибких химико-технологических систем (на примере непрерывных и периодических процессов малотоннажных химических производств) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, доктор технических наук Дворецкий, Дмитрий Станиславович

• Дворецкий, Дмитрий Станиславович
• доктор технических наук
• 2012

Оглавление диссертации доктор технических наук Дворецкий, Дмитрий Станиславович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИНТЕГРИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ХТП, АППАРАТОВ И СИСТЕМ.

1.1 Проблемы аппаратурно-технологического оформления энерго- и ресурсосберегающих малотоннажных химических производств.

1.2 Основные понятия и общая характеристика процесса проектирования ХТП, аппаратов и систем.

1.3 Методология, современные средства и методы проектирования ХТС и САУ

1.4 Управление процессом совместного проектирования ХТС и САУ.

1.5 Формулирование проблемы и постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. НОВЫЕ ПОДХОДЫ К АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ОФОРМЛЕНИЮ ЭНЕРГО- И РЕСУРСО СБЕРЕГАЮЩИХ ГИБКИХ ХТП.

2.1. Формулировка задач оценки гибкости и статической оптимизации при интегрированном проектировании ХТС в условиях интервальной неопределенности исходных данных.

2.2. Методы и алгоритмы решения одностадийных задач интегрированного проектирования ХТС.

2.3. Методы и алгоритмы решения двухстадийных задач интегрированного проектирования ХТС с жесткими ограничениями.

2.4. Методы и алгоритмы решения двухстадийных задач интегрированного проектирования ХТС с мягкими и смешанными ограничениями.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. МЕТОДОЛОГИЯ ИНТЕГРИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ГИБКИХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ХТС. j j

3.1 Стратегия интегрированного проектирования гибких автоматизированных ХТС в составе МХП.

3.2 Структурная управляемость, наблюдаемость и устойчивость режимов функционирования ХТС.

3.3 Постановка задач динамической оптимизации при интегрированном проектировании гибких ХТС. Методы и алгоритмы их решения.

3.4 Основные подходы к выбору класса систем автоматического управления

ХТП на основе математического моделирования.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМНЫХ СВЯЗЕЙ И ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ХТС НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА, МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

4.1 Экспериментальное исследование кинетики и математическое моделирование непрерывных процессов тонкого органического синтеза в производстве азопигментов.

4.2 Экспериментальное исследование кинетики и математическое описание периодического процесса окислительной конденсации при синтезе сульфенамида М.

4.3 Экспериментальное исследование кинетики и математическое моделирование непрерывного процесса метанолиза растительного масла в органическое биодизельное топливо.

4.4 Экспериментальное исследование и математическое описание процесса обогащения воздуха кислородом методом короткоцикловой адсорбции.

4.5 Математическое моделирование и основы теплового и прочностного расчетов технологической оснастки процессов СВС и формования твердосплавных материалов.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

ГЛАВА 5. ИНТЕГРИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИБКИХ

АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ХТП, АППАРАТОВ И СИСТЕМ В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ.

5.1 Аппаратурно-технологическое оформление гибких непрерывных процессов тонкого органического синтеза в производстве азопигментов.

5.2 Аппаратурно-технологическое оформление ресурсосберегающего периодического процесса синтеза сульфенамида М.

5.3 Аппаратурно-технологическое оформление непрерывного процесса метанолиза растительного масла в органическое биодизельное топливо.

5.4 Аппаратурно-технологическое оформление гибкого энергосберегающего процесса обогащения воздуха кислородом методом короткоцикловой адсорбции.

5.5 Аппаратурно-технологическое оформление энергосберегающего процесса

СВС и формования твердосплавных материалов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методология интегрированного проектирования гибких химико-технологических систем (на примере непрерывных и периодических процессов малотоннажных химических производств)»

Актуальность исследования. В Стратегии1 развития химической и нефтехимической промышленности на период до 2015 года предусматривается техническое перевооружение, модернизация действующих и создание новых экономически эффективных и экологически безопасных химических производств. Для повышения эффективности производственных процессов в различных сферах народного хозяйства и улучшения качества жизни и здоровья населения усилия научного потенциала направляются на разработку и реализацию "прорывных" инновационных проектов, технологических процессов по выпуску конкурентоспособной продукции, материалов со специфическими эксплуатационными свойствами (сверхпрочности, твердости, химо-термостойкости, химической и каталитической активности и др.), экономически эффективных, экологически безопасных и ресурсосберегающих технологий. Определены следующие важнейшие направления химической промышленности: обновление ассортимента лакокрасочной продукции, красителей широкой цветовой гаммы, пигментов, текстильно-вспомогательных веществ с повышенными потребительскими свойствами на базе гибких, модульных технологических процессов с использованием широкой сырьевой основы; обновление ассортимента продукции малотоннажной химии (сорбенты, катализаторы, абсорбенты, адсорбенты, добавки к полимерным материалам, химические реактивы и особо чистые вещества, ингибиторы, комплексоны и др.).

Анализ опыта проектирования многоассортиментных малотоннажных химических производств (МХП) позволяет представить весь комплекс работ в виде последовательной схемы получения решений, т.е. определение структуры, оптимальных конструктивных параметров аппаратурного оформления и режимов функционирования МХП на первом этапе и системы автоматического управления (САУ) на втором этапе, исходя из целей функционирования МХП и САУ. При этом зачастую ХТП и ХТС МХП оказываются плохо приспособленными для автоматического управления, а САУ - органически не связанной с химико-технологическим объектом управления и излишне сложной.

Решение задач инновационного развития химического комплекса усугубляется тем, что материально-техническая база большинства научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций к настоящему времени разрушена, происходит значительная утечка научных кадров. В связи с этим особо важное значение приобретают теоретические и прикладные научные исследования, связанные с интегрированным проектированием гибких (работоспособных) химико-технологических систем (ХТС), включая многоассортиментные МХП, с высоким уровнем экономичности, энерго- и ресурсосбережения, экологической чистоты.

Интегрированное проектирование химических производств ориентировано на научное решение проблем обновления ассортиментов продукции малотоннажной химии, технологического оборудования и технологий производства, разработку гибких модульных ХТС на базе современных процессов и аппаратов, формирующих предпосылки эффективного управления и автоматизации.

1 Стратегия развития химической и нефтехимической промышленности России на период до 2015 года. Утв. приказом Минпромэнерго России от 14 марта 2008 г. №119; Комплексная программа научно-технологического развития и технологической модернизации экономики Российской Федерации до 2015 года. М., 2007.

Проблема интегрированного проектирования химико-технологических процессов (ХТП), аппаратов, технологических схем и систем автоматического управления (САУ) режимами их функционирования ставилась и частично решалась на протяжении многих десятилетий в работах Кафарова В.В., Девятова Б.Н., Grossmann I.E., Pistikopoulos E.N., Moran M., Островского Г.М., Бодрова В.И., Дьяконова С.Г., Егорова А.Ф., Малыгина E.H., Зиятдинова H.H., Лабутина А.Н. и многих других отечественных и зарубежных авторов [1-20]. Однако до настоящего времени нет законченной теории и сравнительно простых (инженерных) вычислительных алгоритмов для комплексного решения этой сложной многокритериальной проблемы.

Качественное повышение эффективности ХТС, включая и МХП, требует коренного изменения методологии создания и функционирования этих систем - создания гибких автоматизированных ХТС нового поколения, отличающихся принципиально новой организацией химического производства, оптимально сочетающей непрерывные и периодические процессы химической технологии и позволяющей оперативно перенастраивать структуру ХТС в связи с требуемым изменением ассортиментов выпускаемой продукции; новыми конструкциями аппаратов с легко перестраиваемой структурой, обладающими заданными или оптимальными (в смысле заданного критерия) статическими и динамическими характеристиками для каждой альтернативной конструкции аппарата; высоко эффективными алгоритмами статической и динамической оптимизации, реализуемыми в системах автоматизированного проектирования и управления, обеспечивающих выполнение проектных и регламентных ограничений с гарантированной вероятностью [21-25]. Проектно-конструкторские решения при интегрированном проектировании принимаются в условиях неопределенности (противоречий), связанных с неполнотой имеющейся информации на ранних этапах проектирования, с грубым (неточным) описанием (моделированием) отдельных стадий проектируемой ХТС, использованием упрощенных методик оценки показателей эффективности ее функционирования и т.п. В связи с этим принципиально важно рассматривать на стадии проектирования влияние неопределенных параметров на работоспособность и оптимальность функционирования ХТС.

Анализ традиционных подходов к проектированию ХТС показывает, что стремление добиться максимальной эффективности функционирования ХТС в статических режимах (в статике) с точки зрения энерго- и ресурсосбережения, как правило, приводит к выбору таких конструктивных параметров технологических аппаратов ХТС, при которых ухудшаются их динамические характеристики. В этом случае для обеспечения гибкости ХТС требуется использование сложных, а следовательно, дорогостоящих САУ. В то же время для улучшения динамических свойств ХТС и снижения общей стоимости проекта часто оказывается достаточно небольших изменений в конструкции технологического оборудования ХТП или конструктивных или режимных переменных его аппаратурно-технологического оформления.

Таким образом, при интегрированном проектировании гибких ХТП, аппаратов, ХТС и САУ оптимальные конструктивные параметры аппаратурного оформления ХТП, режимы функционирования ХТС и настроечные параметры САУ должны выбираться из условия разумного компромисса между эффективной работой ХТС с точки зрения энерго- и ресурсосбережения (в статике) и качеством управления режимами ее функционирования в динамике [25].

В связи с этим теоретические и прикладные исследования системных связей и закономерностей функционирования и развития химико-технологических процессов и систем, совершенствование их аппаратурного оформления и использование особенностей нестационарных режимов с позиций энерго- и ресурсосбережения, экологической безопасности и надежности химических процессов и производств, создание эффективных химико-технологических схем и производств на основе использования современных машин и аппаратов является актуальной проблемой как в научном, так и в практическом планах.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с грантами РФФИ 06-08-96327, 09-08-97542-рцентра, 09-08-97569 рцентра, ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 -2012 гг.» госконтракт 02.523.11.3001 от 13.04.2008; ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы госконтракт № 14.740.11.0821 от 3.12.2010 г., АВЦП Минобрнауки «Развитие научного потенциала высшей школы»на 2009-2011 гг., 20122014 гг.

Цель работы.

Обобщение научных достижений и разработка на их базе теоретических основ интегрированного проектирования энерго- и ресурсосберегающих гибких автоматизированных химико-технологических процессов, аппаратов и систем в условиях интервальной неопределенности исходных данных и решение на основе полученных результатов актуальной научно-технической проблемы совершенствования аппаратурно-технологического оформления и повышения эффективности функционирования реакторных установок синтеза азопигментов, химикатов-добавок для полимерных материалов, комплексной переработки растительного масла в органическое биодизельное топливо с оптимальным углеводородным составом, установок короткоцикловой адсорбции для обогащения воздуха кислородом, пресс-оснастки для осуществления процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и формования твердосплавных материалов.

Основные задачи исследования.

Развитие новых подходов к аппаратурно-технологическому оформлению химико-технологических процессов в зависимости от уровня доступной экспериментальной информации о технологическом процессе во время его реализации и возможных средств управления.

На основе современных методов системного анализа, математического и физического моделирования выполнить теоретические и прикладные исследования кинетики химических процессов, системных связей и закономерностей функционирования и развития энерго- и ресурсосберегающих ХТС в условиях частичной неопределенности параметров сырья, технологических переменных и коэффициентов математической модели (непрерывных и периодических химических процессов тонкого органического синтеза в производствах азопигментов и химикатов-добавок для полимерных материалов; процессов обогащения воздуха кислородом в замкнутых объемах, комплексной переработки растительного сырья в органическое топливо, СВС и формования твердосплавных материалов).

Определение и исследование: а) областей допустимых режимов функционирования, гибкости (работоспособности) ХТП в пространстве режимных (управляющих) переменных; б) допустимых областей изменения неопределенных (известных с точностью до некоторого интервала значений) параметров сырья, технологических переменных и коэффициентов математической модели ХТС, в пределах которых обеспечивается заданное регламентом производства (в смысле безопасности, энерго- и ресурсосбережения и качества выпускаемой продукции) функционирование ХТС в составе МХП.

Постановка практически ориентированных одно- и двухстадийных задач интегрированного проектирования ХТС с «мягкими» (вероятностными) и со смешанными ограничениями. Разработка методов и алгоритмов их решения.

Постановка задач синтеза: 1) химико-технологических аппаратов и систем с заданными динамическими характеристиками; 2) структуры автоматических систем регулирования (АСР) для непрерывных ХТП; 3) оптимального управления непрерывными и полунепрерывными (периодическими) нелинейными химическими процессами. Разработка алгоритмов их решения на базе метода аналитического конструирования оптимальных регуляторов (АКОР) и математического моделирования автоматизированных комплексов "ХТС - САУ".

Разработка гибких энерго- и ресурсосберегающих ХТС в составе многоассортиментного производства азопигментов и химикатов-добавок для полимерных материалов; энергосберегающих короткоцшшовых адсорбционных установок для малогабаритных медицинских концентраторов кислорода и бортовых кислородцобывающих установок; аппаратурно-технологического оформления процесса комплексной переработки растительного масла в органическое биодизельное топливо с оптимальным углеводородным составом; ресурсосберегающей (с минимальными удельными расходами конструкционного материала) пресс-оснастки для осуществления процессов СВС и формования твердосплавных материалов на основе дисилицида молибдена без применения сыпучего теплоизолягора.

Объект исследования.

Совмещенные нестационарные химические, тепло- и массообменные процессы в технологических аппаратах; энерго- и ресурсосберегающие химико-технологические системы с оптимальными удельными расходами сырья, топливно-энергетических ресурсов и конструкционных материалов.

Предмет исследования.

Методы исследования, оптимизации и создания энерго- и ресурсосберегающих гибких автоматизированных химико-технологических процессов, аппаратов и систем в условиях интервальной неопределенности исходных данных, совершенствование аппаратурно-технологического оформления.

Методологическая и теоретическая основа исследования. Методологической основой исследования является интегрированное проектирование, системный анализ и математическое моделирование. В соответствии с разработанной методологией интегрированного проектирования итерационно решаются три основные задачи: 1) генерирование альтернативных вариантов, математическое моделирование, системный анализ и отбор ХТС, удовлетворяющих условиям гибкости (в жёсткой, мягкой или смешанной форме); 2) математическое моделирование динамики ХТС, системный анализ и выбор альтернативных классов и структур САУ ХТС, удовлетворяющих условиям структурной наблюдаемости и управляемости ХТС с заданными динамическими свойствами по каналам управления; 3) решение одно- или двухстадийной задач оптимизации конструктивных и режимных (управляющих) переменных для альтернативных комплексов «ХТС - САУ» в условиях неопределённости по векторному критерию, включающему показатели качества производимой продукции, энерго- и ресурсосбережения, а также технико-экономические показатели производства, системный анализ и выбор экономически целесообразной САУ и автоматизированного комплекса «ХТС - САУ» на основе математического моделирования.

Теоретическую основу исследования составляют: методы системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации при интегрированном проектировании гибких ХТП, аппаратов и систем на основе сопряженного физического и математического моделирования; экономичные методы вычисления многомерных интегралов; численные методы решения систем нелинейных алгебраических, дифференциальных уравнений в обыкновенных и частных производных параболического типа.

Достоверность результатов работы.

Достоверность полученных в диссертации научных результатов подтверждается:

- методологической обоснованностью и непротиворечивостью исходных теоретических положений, адекватностью математических моделей исследуемых процессов и систем (непрерывных процессов диазотирования и азосочетания; нестационарного периодического процесса окислительной конденсации при синтезе сульфенамида М, нестационарных тепло- и массообменных процессов короткоцикловой адсорбции, процесса метанолиза растительного масла в биотопливо при наложении вращающегося электромагнитного поля, нестационарного процесса теплообмена в прессоснастке при осуществлении процессов СВС и формования твердосплавных материалов на основе дисилицида молибдена);

- использованием объективных законов природы и современных математических методов анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации в научных исследованиях;

- использованием при математическом моделировании лишь таких приближений, которые не противоречат физике рассматриваемых явлений и являются принятыми в литературе по данному вопросу;

- высокой точностью и устойчивостью применяемых численных методов решения систем нелинейных алгебраических уравнений, систем обыкновенных дифференциальных уравнений и систем дифференциальных уравнений в частных производных, используемых в математических моделях исследуемых процессов и систем; воспроизводимостью и согласованностью теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными с применением современных методов измерения, сертифицированных приборов и экспериментального оборудования.

Научная новизна исследования.

Разработана методология интегрированного синтеза энерго- и ресурсосберегающих гибких химико-технологических процессов, аппаратов и систем в условиях интервальной неопределенности в параметрах сырья, технологических переменных и коэффициентах математической модели ХТП и предложен новый подход к созданию ХТС, функционирующих в том числе и в составе многоассортиментных МХП и формирующих предпосылки эффективного управления и автоматизации

Сформулированы задачи аппаратурно-технологического оформления гибких автоматизированных ХТС в зависимости от уровня доступной экспериментальной информации о ХТС во время ее эксплуатации и возможных средств управления в форме одно- и двухстадийных задач стохастической оптимизации с мягкими и смешанными ограничениями. Разработаны новые методы и экономичные (в смысле скорости сходимости и быстродействия) алгоритмы решения задач аппаратурно-технологического оформления гибких ХТС, функционирующих в том числе и в составе многоассортиментных МХП в условиях неопределенности.

Сформулированы задачи анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации при интегрированном проектировании гибких химико-технологических процессов, аппаратов и систем.

На основе современных методов системного анализа, математического и физического моделирования выполнены теоретические и прикладные исследования системных связей и закономерностей функционирования и развития ХТС (синтеза азопигментов и химикатов-добавок для полимерных материалов, обогащения воздуха кислородом в замкнутых объемах, комплексной переработки растительного сырья в органическое топливо и процессов СВС и формования твердосплавных материалов), ориентированные на совершенствование их аппаратурно-технологического оформления и использование особенностей нестационарных режимов с позиций энерго- и ресурсосбережения, экологической безопасности и надежности химических процессов и производств.

Формализована задача и разработан оригинальный алгоритм построения и исследования областей работоспособности (анализа гибкости) ХТС в пространстве режимных (управляющих) переменных в зависимости от изменения внешних и внутренних неопределенных параметров ХТС. Дано теоретическое обоснование выбора экономически целесообразной системы управления гибкими ХТС на базе математического моделирования.

Выполнено теоретическое обоснование выбора экономически целесообразного автоматизированного комплекса "ХТС - САУ" с использованием математического моделирования, возможности применения метода аналитического конструирования регуляторов по критерию обобщенной работы A.A. Красовского для решения задачи оптимального управления нестационарными химическими процессами, разработаны универсальные алгоритмы оптимальной стабилизации и оптимального управления стационарными режимами непрерывных ХТП тонкого органического синтеза и нелинейными периодическими процессами синтеза химикатов-добавок для полимерных материалов.

Экспериментально исследована кинетика и выявлены особенности протекания химических реакций: 1) диазотирования ароматических аминов и азосочетания в производстве азопигментов (алого концентрированного, лакокрасочного, желтого светопрочного); 2) окислительной конденсации в производстве химикатов-добавок (сульфенамида М) для полимерных материалов; 3) метанолиза сложных эфиров глицерина и высших карбоновых кислот. Предложены кинетические уравнения и определены их коэффициенты.

Определены физико-химические параметры композитного органического топлива, в т.ч. фракционный состав, плотность, кинематическая вязкость, температура вспышки, помутнения, застывания, кислотное число.

Экспериментально исследованы адсорбционные, механические и аэродинамические свойства блочных цеолитовых адсорбентов типа X с целью их использования в установке короткоцикловой адсорбции при обогащении воздуха кислородом.

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, протекающих в смешанной диффузионно-кинетической области; закономерности формирования колористических и физико-технологических показателей пигмента алого лакокрасочного в зависимости от рН -среды и других условий осуществления процесса азосочетания; 2) периодического процесса окислительной конденсации при синтезе сульфенамида М с учетом химических реакций образования побочных продуктов; 3) нестационарных тепло- и массообменных процессов при адсорбции азота из газовоздушной смеси сплошным пористым цеолитовым адсорбентом (модель позволяет рассчитывать профили концентрации кислорода и азота в газовой и твердой фазах, температуры адсорбента и газовой фазы по высоте адсорбента в зависимости от времени); 4) непрерывного процесса синтеза бифункциональных кислородсодержащих соединений по реакции нуклеофильного замещения в аппарате с вихревым слоем ферромагнитных частиц (модель позволяет рассчитать поле скоростей реакционной смеси, электромагнитодинамику вихревого аппарата, кинетику реакций нуклеофильного замещения в присутствии гомогенного щелочного катализатора); 5) нестационарного процесса теплообмена в прессоснастке при осуществлении процессов СВС и формования твердосплавных материалов.

Разработан неизотермический метод расчета аппаратурно-технологического оформления процессов СВС и формования твердосплавных материалов с учетом допустимых значений пределов прочности и текучести материала элементов технологической оснастки при расчетной температуре, обеспечивающий значительную экономию материала для изготовления прессоснастки процессов СВС твердосплавных материалов и их формования.

Практическая значимость. Определяется решением важной народно-хозяйственной проблемы реконструкции и создания новых гибких МХП синтетических красителей; химикатов-добавок для полимерных материалов; композитного органического биодизельного топлива; малогабаритных медицинских концентраторов кислорода и бортовых кислороддобывающих установок на базе короткоцикловых адсорбционных установок; технологической оснастки процессов СВС и формования твердосплавных материалов с позиций энерго- и ресурсосбережения, экологической безопасности и надежности.

На базе экспериментального исследования кинетики химических реакций, адсорбционных, механических и аэродинамических свойств блочных цеолитовых адсорбентов типа X и математических моделей разработаны и исследованы энерго- и ресурсосберегающие непрерывные технологические процессы синтеза азопигментов, метанолиза сложных эфиров глицерина и высших карбоновых кислот, обогащения воздуха кислородом в двухадсорберной установке короткоцикловой адсорбции с вакуумной десорбцией, процессов СВС и формования твердосплавных материалов на основе дисилицида молибдена.

С использованием разработанных методов, быстродействующих алгоритмов оптимизации и оптимального управления в условиях неопределенности выполнено интегрированное проектирование высокопроизводительных гибких автоматизированных промышленных установок синтеза азопигментов, определены области изменения неопределенных параметров (известных с точностью до некоторого интервала значений) сырья, технологических переменных и коэффициентов математической модели ХТС, в пределах которых конструкции химических реакторов обеспечивают качественное и безопасное осуществление процессов тонкого органического синтеза, синтезирована система автоматического управления нестационарным процессом синтеза сульфенамида М. Предложены и обоснованы оригинальные конструкции турбулентных трубчатых реакторов с диффузор-конфузорными устройствами турбулентного перемешивания и перспективные системы автоматического регулирования и адаптивной статической оптимизации для безопасного и качественного осуществления непрерывных процессов тонкого органического синтеза в многоассортиментных производствах азокрасителей, пигментов и химикатов-добавок для полимерных материалов.

Результаты работы (опытные данные и математические модели кинетики химических реакций диазотирования, азосочетания, окислительной конденсации, оригинальные конструкции турбулентных трубчатых реакторов с диффузор-конфузорными устройствами турбулентного перемешивания и перспективные системы автоматического регулирования и адаптивной статической оптимизации для безопасного и качественного осуществления непрерывных процессов тонкого органического синтеза, методология интегрированного проектирования ХТП, аппаратов и систем) рекомендованы и приняты к реализации Тамбовским ОАО "Пигмент", ОАО "НИИХИМПОЛИМЕР" г. Тамбов при реконструкции действующих и проектировании новых гибких автоматизированных МХП тонкого органического синтеза.

С использованием системного подхода и математической модели нестационарных тепло-и массообменных процессов короткоцикловой адсорбции разработаны оригинальные конструкции адсорберов для бортовых кислороддобывающих установок и медицинских концентраторов кислорода. Результаты работы (методика компьютерного моделирования нестационарного процесса обогащения воздуха кислородом и технологического расчета установки короткоцикловой адсорбции, конструкции адсорберов, алгоритмы оптимального проектирования установок короткоцикловой адсорбции в условиях неопределенности) приняты к реализации в ОАО "Корпорация "Росхимзащита" при разработке бортовых кислороддобывающих установок.

С использованием системного подхода и математической модели непрерывного процесса биоконверсии растительного масла в биотопливо при наложении вращающегося электромагнитного поля разработаны оригинальная конструкция аппарата с вихревым слоем, технологическая схема производства биодизельного топлива и определены оптимальные условия осуществления импульсных, механических, акустических, тепловых и электрических воздействий на сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот: величина магнитной индукции вращающегося электромагнитного поля - 0,13 Тл, магнитный момент - 8,63*10-5 А-м2, напряжённость магнитного поля - 398,01 А/м, коэффициент заполнения аппарата цилиндрическими ферромагнитными частицами - 0,12-0,15, размеры цилиндрических ферромагнитных частиц -1=11-13 мм, (1=1,0-1,1 мм, продолжительность процесса метанолиза ~ 3 с.

Результаты исследований (оригинальная конструкция аппарата с вихревым слоем, технологическая схема производства биодизельного топлива и оптимальные условия осуществления импульсных, механических, акустических, тепловых и электрических воздействий на сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот, методология интегрированного проектирования ХТП, аппаратов и систем) приняты к реализации в ГНУ «ВНИИТиН» РАСХН, г. Тамбов при разработке технического задания на проектирование промышленной установки переработки растительного сырья в биотопливо.

На основе математического моделирования нестационарного процесса теплообмена в прессоснастке при осуществлении процессов СВС и формовании твердосплавных материалов разработана методика расчета корпусов прессформы, позволившая обосновать возможность снижения расхода конструкционных материалов для прессформ без применения сыпучего теплоизолятора.

Результаты исследований (ресурсосберегающая методика расчета корпусов прессформ, алгоритмы и программы ЭВМ компьютерного моделирования нестационарных тепловых процессов при осуществлении процессов СВС и формовании твердосплавных материалов и оптимального проектирования ресурсосберегающей пресс-оснастки в условиях неопределенности) приняты к реализации в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка при разработке технического задания на проектирование ресурсосберегающей прессоснастки (с оптимальным расходом конструкционных материалов) для осуществления процессов СВС и формования твердосплавных материалов.

Разработаны и зарегистрированы в государственном Реестре программ ЭВМ для решения задач анализа системных связей и закономерностей функционирования турбулентных трубчатых реакторных установок тонкого органического синтеза непрерывного действия, определения и исследования: а) областей допустимых режимов функционирования, гибкости (работоспособности) реакторных установок тонкого органического синтеза в пространстве режимных (управляющих) переменных; б) допустимых областей изменения неопределенных (известных с точностью до некоторого интервала значений) параметров сырья, технологических переменных и коэффициентов математической модели реакторных установок тонкого органического синтеза непрерывного действия, в пределах которых обеспечивается заданное регламентом производства (в смысле безопасности, энерго- и ресурсосбережения и качества выпускаемой продукции) функционирование реакторных установок (свидетельства о регистрации программ ЭВМ № 2009613713 от 13.07.2009 г., № 2009613714 от 13.07.2009 г., №2012617530 от 20.08.2012 г.).

Разработана и зарегистрирована в государственном Реестре программ ЭВМ для технологического расчета установки короткоцикловой адсорбции обогащения воздуха кислородом (свидетельство об официальной регистрации программы ЭВМ № 2009616584 от 26.11.2009 г.).

Разработана методология интегрированного проектирования научно-образовательных систем инновационно-ориентированной подготовки инженерных кадров в области системного анализа, математического моделирования и автоматизированного проектирования энерго- и ресурсосберегающих гибких автоматизированных химико-технологических систем. Рекомендации и предложения по управлению инновационно-ориентированной подготовкой инженерных кадров используются в учебном процессе Тамбовского государственного технического университета и Воронежского государственного университета инженерных технологий при подготовке дипломированных специалистов, бакалавров и магистров по специальности «Проектирование технологических машин и комплексов» и направлениям «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в нефтехимии, химической технологии и биотехнологии», «Химическая технология», «Биотехнология», «Технологические машины и оборудование».

На защиту выносятся.

Методология интегрированного проектирования гибких автоматизированных ХТС.

Новые постановки задач аппаратурно-технологического оформления гибких автоматизированных ХТС (одно- и двухэтапные задачи стохастической оптимизации с мягкими и смешанными ограничениями), новые методы и вычислительные алгоритмы их решения.

Результаты экспериментальных исследований: 1) кинетики химических реакций синтеза азопигментов (алого концентрированного, лакокрасочного, желтого светопрочного), сульфенамида М; 2) кинетики метанолиза сложных эфиров глицерина и высших карбоновых кислот; 3) адсорбционных, механических и аэродинамических свойств блочных цеолитовых адсорбентов.

Математические модели статики и динамики непрерывных процессов диазотирования и азосочетания; нестационарного периодического процесса окислительной конденсации при синтезе сульфенамида М, непрерывного процесса синтеза бифункциональных кислородсодержащих соединений по реакции нуклеофильного замещения в аппарате с вихревым слоем ферромагнитных частиц, нестационарных тепло- и массообменных процессов короткоцикловой адсорбции, нестационарного процесса теплообмена в прессоснастке при осуществлении процессов СВС и формования образцов на основе дисилицида молибдена.

Результаты исследования допустимых областей изменения параметров сырья, технологических переменных и коэффициентов математических моделей ХТС, математического моделирования и интегрированного проектирования ХТС в условиях неопределенности исходных данных: 1) синтеза азопигментов (алого концентрированного, лакокрасочного и желтого светопрочного) и химикатов добавок для полимерных материалов (ускорителя вулканизации сульфенамида М); 2) метанолиза сложных эфиров глицерина и высших карбоновых кислот; 3) обогащения воздуха кислородом в двухадсорберной установке короткоцикловой адсорбции с вакуумной десорбцией; 4) СВС-компактирования образцов на основе дисилицида молибдена.

Неизотермический метод расчета корпусов пресс-формы с учетом допустимых значений пределов прочности и текучести материала стенки при расчетной температуре, обеспечивающий возможность использования тонкостенных прессформ для осуществления процессов СВС и формования образцов на основе дисилицида молибдена без применения сыпучего теплоизолятора.

Энерго- и ресурсосберегающие непрерывные технологические процессы синтеза азопигментов (алого концентрированного, лакокрасочного и желтого светопрочного), биоконверсии растительного масла в биотопливо при наложении вращающегося электромагнитного поля, СВС-компактирования образцов на основе дисилицида молибдена, обогащения воздуха кислородом в двухадсорберной установке короткоцикловой адсорбции с вакуумной десорбцией.

Оригинальные конструкции турбулентных трубчатых реакторов с диффузор-конфузорными устройствами турбулентного перемешивания, адсорберов для медицинских концентраторов кислорода и бортовых кислороддобывающих установок.

Перспективные системы автоматического регулирования, адаптивной статической оптимизации и оптимального управления нестационарными химическими процессами для безопасного и качественного осуществления непрерывных и периодических процессов тонкого органического синтеза в многоассортиментных производствах синтетических красителей и химикатов-добавок для полимерных материалов.

Научные публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 83 работы, в том числе монография, 30 статей в научных журналах из перечня ВАК, 2 учебных пособия, 3 патента и 4 свидетельства о регистрации в государственном реестре программ для ЭВМ.

Апробация результатов работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научных конгрессах, симпозиумах и конференциях: International Meeting on Chemical Engineering, Environmental Protection and Biotechnology, Franktfurt am Main, Germany, 2000; European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE'11, 2001); IV European Congress of Chemical Engineering, Granada, Spain, 2003; Symposiums der Internationalen Gesellschaft fur Ingenierpadagogik, Fachhochschule Karlsruhe, Germany, 2003; European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE'14), Lisbon, Portugal, 2004; Международные научные конференции «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-14), Смоленск, 2001; ММТТ-15, Тамбов, 2002; ММТТ-16, Санкт Петербург, 2003; ММТТ-17, Кострома, 2004; ММТТ-18, Казань, 2005; ММТТ-19, Воронеж, 2006; ММТТ-20, Ярославль, 2007; ММТТ-21, Саратов, 2008; ММТТ-22, Псков, 2009; ММТТ-24, Киев, 2011; ММТТ-25, Волгоград, 2012); VI Международная научная конференция (к 90-летию со дня рождения академика В.В. Кафарова), РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2004; Международная научная конференция «Энергоресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства», Иваново, 2004; Международная научная конференция по химической технологии ХТ"07, Москва, 2007; 7th World Congress of Chemical Engineering. SECC, Glasgow, Scotland, 2005; European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE'16), Garmisch-Partenkirchen, Germany, 2006; European Congress of Chemical Engineering (ECCE-6), Copenhagen, 2007; European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE'18), Lion, France, 2008; 37th International IGIP Symposium «Engineering competencies - traditions and innovations», Moscow, 2008; Joint International IGIP-SEFI Annual Conference 2010 «Diversity unifies - Diversity in Engineering Education», Trnava, Slovakia, 2010; Международная научно-практическая конференция «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и влажностная обработка материалов (СЭТТ - 2011)», Москва, 2011; European Congress of Chemical Engineering (ECCE-2011), Berlin, Germany, 25-30 September 2011.

Автор благодарит всех, кто способствовал выполнению этой работы:

Егорова А.Ф., научного консультанта , зав. кафедрой «Компьютерно-интегрированные системы в химической технологии» РХТУ им. Д.И. Менделеева, д.т.н., профессора;

Островского Г.М., д.т.н., профессора, (ГНЦ Физико-химический институт им. Л.Я. Карпова);

Бодрова В.И., Заслуженного деятеля науки и техники РФ, д.т.н., профессора (Тамбовский государственный технический университет);

Балакирева B.C., д.т.н., профессора (Московский государственный университет инженерной экологии);

Коновалова В.И., Заслуженного деятеля науки и техники РФ, д.т.н., профессора (Тамбовский государственный технический университет);

Малыгина E.H., Заслуженного деятеля науки РФ, д.т.н., профессора (Тамбовский государственный технический университет);

Зиятдинова H.H., зав. кафедрой системотехники Казанского национального исследовательского технологического университета, д.т.н., профессора;

Дворецкого С.И., Заслуженного деятеля науки РФ, д.т.н., профессора (Тамбовский государственный технический университет).

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Дворецкий, Дмитрий Станиславович

Основные результаты исследования, связанные с аппаратурно-технологическим оформлением непрерывного процесса метанолиза растительного масла в органическое биодизельное топливо приведены в Приложении 2.

-3445.4 Аппаратурно-технологическое оформление гибкого энергосберегающего процесса обогащения воздуха кислородом методом короткоцикловой адсорбции

С использованием алгоритма решения дифференциальных уравнений (4.87) - (4.109) математической модели процесса обогащения воздуха кислородом методом короткоцикловой адсорбции рассчитывались профили концентрации кислорода в газовой фазе по высоте адсорбента при адсорбции (а) и десорбции (б) в зависимости от времени (рисунок 5.43) и зависимости концентрации кислорода в газовой фазе и аэродинамического сопротивления адсорбента от величины отношения высоты слоя адсорбента к диаметру адсорбера (рисунок 5.44).

Из анализа графиков на рисунке 5.43 следует, что максимальная концентрация кислорода достигается при величинах Н! £>Вн в диапазоне значений 4.6, а при Н / £>вн > 8 сопротивление слоя монотонно возрастает, что приводит к снижению Рад и, следовательно, к уменьшению концентрации кислорода на выходе из установки.

Методом вычислительного эксперимента также установлено, что в цикле работы установки концентрация кислорода на выходе повышается до максимального значения = 91,1% при минимальном числе циклов адсорбции-десорбции иц = 18.

Рисунок 5.43 - Изменение концентрации кислорода в газовой фазе в 1 цикле: а - при адсорбции; б - при десорбции; 1 - / = 0,2; 2-/ = 0,4; 5-/ = 0,6; 4-/ = 0,8; 5-/= 1,0

С использованием математической модели тепло- и массообменных процессов при обогащении воздуха кислородом разработана методика и программа ЭВМ технологического расчета установки короткоцикловой адсорбции, с использованием которой были определены конструктивные (высота слоя адсорбента, диаметр адсорбера) и режимные (управляющие) переменные (длительность цикла, коэффициент обратной промывки) установки при обеспечении

Л л заданных значений производительности ¡¥зад = 0,05 -10 м /с и концентрации кислорода зад>90%.

АР • 105, Па/м 1.4- с$2,% об.

1.2 -

1 - 1

0.8 - -0.8

0.6 - 0.6

0.4 - -0.4^

0.2 - 0.2

0 - - .

-г-6

H/D

Рисунок 5.44 - Концентрация кислорода и аэродинамическое сопротивление слоя в зависимости от отношения высоты к диаметру адсорбера: Граб = 0,25 • Ю-3 м3; d3 = 0,2 мм Задача оптимального (по критерию приведенных затрат) проектирования установки короткоцикловой адсорбции обогащения воздуха кислородом формулируется следующим образом: для заданных типов аппаратурного оформления а е А адсорбционной установки и Ъ е В адсорбента, значений производительности Q3m и концентрации кислорода на выходе из установки требуется определить конструктивные параметры (высоту слоя Н адсорбента, диаметр Dm адсорбера) и режимные переменные (значения давлений Рад, Рдес, длительность цикла тц, коэффициент обратной промывки 0), при которых достигается минимум приведенных затрат С(а, d, Рад, Рдес, тц, 9, с, W0, ß) на создание установки. Неопределенными вх параметрами в этой задаче являются концентрация кислорода с0 в воздухе, подаваемом компрессором на обогащение в адсорбер (может изменяться в пределах от 18 до 23% об.), предельный адсорбционный объем цеолитового адсорбента Wo (0,160.0,230 см3/г), значение коэффициента массоотдачи ß (1,2. 1,8- Ю-5 1/с). Сформулируем ДЗИП4 в математической постановке (2.98) - (2.101):

Г = min и (5.24) при связях в форме уравнений математической модели нестационарного процесса обогащения воздуха кислородом (4.87) - (4.109) и ограничениях: -на значение целевой функции проектирования

Вер(с„х Жо p}{g0(e) = С(Я, DBH, Рп, Рдес, тц, 9, c-,W0,ß)-u< 0 } > р0; (5.25)

-на производительность установки

Верk.,*.„){*,(•) = Cq2,W0, ß) < О} > Pl;

-на функцию гибкости х,(Я,ДН)= шах min max g, (Я, Dm, Рад, Рдес, т ц, 9, с ^, W0, ß) < 0; с®*W0, ß Рьл • рак. Тц, е ]=2,3

5.26)

5.27)

I ,1 I

Ч 11 ' I 5

-346-и габариты установки кр<кр, Я<Я, Г>ВН<Ь.(5.28)

В задаче (5.24) - (5.28) и — скалярная переменная (аналог конструктивных переменных); Вер{•}-вероятность выполнения ограничения {•}; g0, gJ —функции ограничений; о (*) = с(н> А™ '^ад'-Рдес »со2 > ^о»Р) ~ критерий интегрированного проектирования;

Я, Ц,н, Рм, , тц, 0, с™ , 1Г0, р) = у,зад - у 1 < 0, у = 1 функции ограничений; у, = 3(Я, £>вн, Ри> Рдес, тц, 0, с™ , УГ0, Р), ] = 1,т,

3(Я, £>вн ,Рад,Рдес,хп, 0, с™ , , Р) - оператор математической модели (4.87) -(4.109); £2(•) = [с™]зад - с™х (Я, £>вн, Рад, Рдес, тц, 6,,^,р); А g3(•) = M(H,Dflt,Pn,PJm,тц,Q,cZ2,W0,$)-M; р0,р,-заданные значения вероятности выполнения ограничений; (Я, £)вн)-функция гибкости адсорбционной установки;

А А А А

М, кр, Я, £>вн - предельно допустимые значения массы, коэффициента давления и габаритов адсорберов установки.

В качестве примера оптимального проектирования энергосберегающей установки короткоцикловой адсорбции рассмотрим разработку портативного медицинского концентратора кислорода, техническое задание на проектирование которого включает достижение следующих характеристик: производительность концентратора - бзад = 0,05 • 10 м - с ; концентрацию кислорода на выходе из аппарата - ] зад > 90%; р0,р,=0,9; предельно допустимые значения массы адсорберов М = 0,6 кг; отношения давлений адсорбции Рт и десорбции Рдес -кр= 3; высоту слоя адсорбента Н= 0,4 м и диаметр адсорбера Е)ън = 0,1 м соответственно.

Альтернативные варианты аппаратурно-технологического оформления включали адсорбер колонного типа, двухадсорберную схему без выравнивания давлений между адсорберами, двухадсорберную схему с выравниванием давлений, четырехадсорберную схему с выравниванием давлений и пятиадсорберную схему с двумя операциями выравнивания давлений. Для каждого варианта анализировались различные схемы организации процесса обогащения воздуха кислородом (напорная, с вакуумной десорбцией, вакуум-напорная) и типы адсорбентов (гранулированный и блочный - ЫаХ, ПЬБХ).

В ходе оптимального проектирования была выбрана двухадсорберная адсорбционная установка с вакуумной десорбцией и определены оптимальные значения конструктивных параметров Я* = 0,22 м; £>в*н = 0,035 м, режимных переменных 1,5 • 105 Па; Р*дес= 0,5 • 105 Па;

0* = 2,5; т*= 1,6 с; = 2,93 • 10"4 м3/с и технико-экономических показателей портативного медицинского концентратора кислорода: ПЗ* = 45 250 р.; М* = 0,5 кг; М* = 76 Вт.

Наши практические рекомендации при проектировании медицинских концентраторов кислорода с диапазоном производительности до 0,08 • 103 м3/с включают использование адсорберов с размерами 4 < НЮШ < 6 при реализации напорной схемы с вакуумной десорбцией (кр = Рад/Дес^З) и блочных цеолитовых адсорбентов ПЬБХ с с!э < 0,5 • 103 м. При этом достигается улучшение энергосберегающих показателей медицинских концентраторов кислорода по сравнению с мировыми аналогами в среднем на 20%.

5.5 Аппаратурно-технологическое оформление энергосберегающего процесса СВС и формования твердосплавных материалов с использованием метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза

5.5.1 Математическое моделирование (анализ) процесса СВС и формования твердосплавных материалов

По разработанной математической модели нестационарных тепловых процессов при СВС твердосплавных материалов был проведён ряд вычислительных экспериментов по исследованию влияния времени задержки на температуру в стенке пресс-формы с целью выявления:

1) зависимости температуры в стенке от времени задержки;

2) неравномерности температурного распределения по радиусу пресс-формы;

3) термонагруженных и участков пресс-формы.

А £,ММ гр с * 1

Рисунок 5.43 - Схема пресс-формы с указанием поверхностей и сечений, для которых определяется распределение температуры: г\ = 42 мм; ц = 67 мм; гз = 92 мм; Анализ температурных полей в элементах пресс-формы проводится в соответствии со следующей схемой (рисунок 5.43):

- исследование изменения температуры на внутренней поверхности пресс-формы во времени;

- исследование изменения температуры на внешней поверхности пресс-формы во времени;

- выявление опасного сечения стенки пресс-формы - сечения с максимальным перепадом температур АТ = Тхс{г) - Т2с(г);

- исследование изменения температуры Т(г) во времени для опасного сечения г.

В результате решения уравнений модели были рассчитаны температурные поля для различных моментов времени (рисунок 5.44).

60 1 80 Высота г, мм

Рисунок 5.44 - Распределение температуры Т\(г) в зависимости от времени задержки /3

Из анализа рисунка 5.44 следует, что по окончании синтеза температура на внутренней поверхности пресс-формы Т\с(г) распределена неравномерно. Рассмотрим среднюю часть пресс-формы по высоте (участок [21; Zз]). На этом участке в течение времени синтеза ¿2 имеет место непосредственный контакт пресс-формы с зоной реакции (фронтом горения), перемещающейся снизу вверх в направлении от г\ к гъ- Для момента времени /3 = 0, соответствующего окончанию синтеза, характерен температурный максимум Т= 800°С в районе сечения гг (т. А на рисунке 5.44). С течением времени (кривые /3 = 1 с, Г3= 5 с) температурный профиль по высоте пресс-формы меняет свою форму, и температурный максимум смещается к центральному сечению гг. Это объясняется интенсивным остыванием синтезированного материала в верхней части пресс-формы (гз) за счёт большей поверхности теплообмена (пресс-форма и крышка), тогда как в центре (гг) имеет место теплообмен только с пресс-формой. Остывание центральной части замедляется по сравнению с верхней (гз) и нижней (21) частями пресс-формы, поэтому с момента времени /3 = 5 с температурный максимум наблюдается только в сечении ц (кривые /3 = 10 с, /3= 20 с на рисунке 5.44).

Участки [0; г{\ и [гз; Щ, сопряжённые с крышкой и поддоном соответственно, в первые секунды также прогреваются неравномерно. Наиболее существенный градиент температур характерен для верхнего участка пресс-формы [гз', Щ, так как при /3= 0 вследствие контакта стенки с зоной реакции на внутренней поверхности развиваются высокие температуры, в то время как пресс-форма ещё не успевает прогреться по всей высоте. Нижний участок пресс-формы [0; г{\ к моменту времени /3=0 уже не находится в контакте с зоной реакции и нагревается за счёт быстро остывающего синтезированного продукта.

Максимальная температура участков характерна для момента времени /3=0: в сечении I = Гтах = 229°С, в сечении г = гз ^тах = 380°С. На торцевых внешних поверхностях прессформы (г = 0, г = Н) в течение всего интервала времени /3= 0.20 с температура повышается с 20 до 45-50°С. С течением времени температурный профиль на верхнем и нижнем участках пресс-формы выравнивается и приближается к линейному, как в случае стационарной теплопроводности.

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.

1. 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.

2. 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.

3. Обоснована возможность применения метода аналитического конструирования регуляторов по критерию обобщенной работы A.A. Красовского для решения задачи оптимального управления нестационарными химическими процессами и доказана их эффективность на примере периодического процесса синтеза ускорителя вулканизации сульфенамида М.

4. 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 moho-, ди-, и 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 с!г=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 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.

7. На базе математической модели непрерывного процесса метанолиза сложных эфиров глицерина и высших карбоновых кислот (триацилглицеринов растительных масел), методов и алгоритмов интегрированного проектирования в условиях неопределенности установлены оптимальные условия осуществления процесса переэтерификации и выполнена конструктивная разработка оригинального аппарата с вихревым слоем ферромагнитных частиц: температура процесса - 65°С; массовое содержание щелочного катализатора в реакционной смеси - 1,5%; мольное отношение метанола к маслу -8:1; степень заполнения реакционного объема аппарата ферромагнитными частицами 5% об.; сила тока, подаваемого на обмотки индуктора аппарата, -10 А; величина магнитной индукции - от 0,14 Тл; отношение длины к диаметру ферромагнитных частиц - =12; размеры реакционной камеры аппарата - D = 100 мм; L= 150 мм.

8. На базе математической модели нестационарных тепло- и массообменных процессов короткоцикловой адсорбции, методов и алгоритмов интегрированного проектирования ХТС в условиях неопределенности выполнена конструктивная разработка аппаратурно-технологического оформления портативного медицинского концентратора кислорода, включающая разработку ресурсосберегающей конструкции адсорберов (оптимальные значения конструктивных параметров - Н*=0,22 м; Dbh*=0,035 м и режимных переменных -Рад*=1,5x105 Па; Рдес*=0,5x105 Па; 9*=2,5; тц*=0,8) (патент на полезную модель №96338 от 27.07. 2010; положительное решение о выдаче патента на изобретение от 05.05.2010 по заявке №2010108850/22), обеспечивающих при заданной производительности С)зад=0,05х10-3 мЗ/с надежную герметизацию блочного цеолитового адсорбента, концентрацию кислорода на выходе из двухадсорберной установки с вакуумной десорбцией не ниже заданной - зад>90% и технико - экономические показатели медицинского концентратора кислорода П3*=45250 руб; М*=0,5 кг; N*=76, превосходящие мировые аналоги.

9. Разработана неизотермическая методика расчета корпусов прессформы с учетом допустимых значений пределов прочности и текучести материала стенки при расчетной температуре, обеспечивающий возможность использования тонкостенных прессформ для СВС образцов на основе дисилицида молибдена без применения сыпучего теплоизолятора (свидетельство об официальной регистрации программы ЭВМ № 2009614680 от 1.09.2009). Результаты работы приняты к реализации в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка.

10. Разработанная методология интегрированного проектирования была использована при проектировании гибкой научно-образовательной системы инновационно-ориентированной подготовки инженерных кадров (дипломированных специалистов, бакалавров и магистров) в области системного анализа, математического моделирования и автоматизированного проектирования энерго- и ресурсосберегающих гибких автоматизированных технологических систем. Рекомендации и предложения по управлению инновационно-ориентированной подготовкой инженерных кадров используются в учебном процессе ТГТУ, Воронежском государственном университете инженерных технологий при подготовке дипломированных специалистов, бакалавров и магистров по специальности «Проектирование технологических машин и комплексов» и направлениям «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в нефтехимии, химической технологии и биотехнологии», «Химическая технология», «Биотехнология», «Технологические машины и оборудование».

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Дворецкий, Дмитрий Станиславович, 2012 год

1. Девятов, Б.Н. Теория переходных процессов в технологических аппаратах с точки зрения задач управления /Б.Н. Девятов. Новосибирск: Редакционно-издательский отдел сибирского отделения АН СССР, 1964. - 324 с.

2. Девятов, Б.Н. Определение динамических характеристик и критериев инерционности и регулируемости химико-технологических аппаратов / Б.Н. Девятов // АиТ. -1960.-Т.21, №6.-С.5-14.

3. Девятов, Б.Н. Определение инерционности и регулируемости прямоточных теплообменных аппаратов / Б.Н. Девятов, Ю.Н. Корнев // Известия СО АН СССР. -1961. №1. - С.12-21.

4. Девятов, Б.Н. Определение инерционности и регулируемости проектируемых технологических процессов /Б.Н. Девятов //ДАН. -1961. Т.141, №5. - С.18-24.

5. Девятов, Б.Н. Определение зависимости инерционности и регулируемости непрерывно действующих технологических аппаратов от их конструкции и режима работы / Б.Н. Девятов // Известия СО АН СССР. 1956. - №6,- С.56-63.

6. Девятов, Б.Н. Динамика распределенных процессов в технологических аппаратах, распределенный контроль и управление/ Б.Н. Девятов, Н.Д. Демиденко, В.А. -Красноярск: Красноярск, кн. изд-во, 1976. 310 с.

7. Девятов, Б.Н. Определение регулируемости противоточных теплообменных аппаратов / Б.Н. Девятов, Ю.Н. Корнев // Сб. трудов Института автоматики и электрометрии СО АН СССР. 1960. -Вып.2. С. 124-130.

8. Кафаров, В.В Методы кибернетики в химии и химической технологии / В.В. Кафаров. -М.: Химия, 1985. -448с.

9. Кафаров, В.В. Совместное проектирование сложных ХТС как объектов многосвязного управления / В.В. Кафаров, B.JI. Перов А.Ю. Хабарин, С.А. Туркатов // ТОХТ.- 1985.-Т.19, №1. -С.86-90.

10. Biegler, L.T. Systematic methods of chemical process design / L.T. Biegler, I.E. Grossmann, A.W. Westerberg.- Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall, 1997. 796 p.

11. Mohiden, M.J. Optimal design of dynamic systems under uncertainty/ M.J. Mohiden, J.D. Perkins, E.N. Pistikopoulos // AIChE Journal.- 1996.- № 42.- P. 22-52.

12. Островский, Г.М. Оптимальное проектирование гибких химико-технологических процессов/ Г.М. Островский, Ю.М. Волин // Доклады Академии наук.-1993. -Т.ЗЗ 1. -С. 326-328.

13. Островский, Г.М. Оптимизация химико-технологических процессов в условиях частичной неопределенности исходной информации / Г.М. Островский, Ю.М. Волин // Автоматика и телемеханика. -1995. №12. - С.92-106.

14. Островский, Г.М. Новые проблемы теории гибкости химико-технологических процессов / Г.М. Островский, Ю.М. Волин // Доклады Академии наук. 2000. -Т.370. — С. 773-776.

15. Островский, Г.М. Технические системы в условиях неопределенности: анализ гибкости и оптимизации / Г.М. Островский. М.: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2008. -319с.

16. Бодров, В.И. Стратегия синтеза гибких автоматизированных химико-технологических систем / В.И. Бодров, С.И. Дворецкий // ТОХТ. -1991. -Т.25, №5. -С.716-730.

17. Бодров, В.И. Оптимальное проектирование энерго- и ресурсосберегающих процессов и аппаратов химической технологии / В.И. Бодров, С.И. Дворецкий, Д.С. Дворецкий // ТОХТ. -1997. -Т.31, №5. - С. 542-548.19.20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35.