Разработка и исследование компьютерной модели управления качеством продукта ректификации в насадочной колонне периодического действия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Щербина, Оксана Юрьевна

• Щербина, Оксана Юрьевна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Щербина, Оксана Юрьевна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1 Информационно-аналитическое исследование.

1.1 Анализ современных процессов формирования качества продуктов ректификации.

1.1.1 Сравнительный анализ методов и средств ректификации.

1.1.2 Регулирование работы насадочных ректификационных колонн.

1.1.3 Системы регулирования с вычислительными устройствами.

1.2 Анализ методов расчета ректификационных колонн.

1.3 Моделирование тепло - массообменных процессов ректификации.

1.3.1 Анализ основных закономерностей процессов тепло-массопереноса.

1.3.2 Анализ моделей процесса ректификации в насадочной колонне.

1.4 Результаты поискового информационно-аналитического исследования.

1.5 Цели, задачи и объект дальнейшего модельного исследования.

Глава 2 Разработка математической модели процесса ректификации в насадочной колонне.

2.1 Синтез математического описания процесса.

2.2 Описание теплофизических и диффузионных параметров модели.

2.3 Разработка базового программного продукта.

Глава 3 Имитационное и материальное моделирование управления формированием качества продукта ректификации.

3.1 Разработка и исследование цифровой системы управления насадочной колонной периодического действия.

3.1.1 Создание аппаратно-программного комплекса для имитационного моделирования управления процессом.

3.1.2 Разработка конструкции флегмоделителя.

3.1.3 Определение вида управляющих воздействий.

3.2 Экспериментальные исследования с использованием материальной и виртуальной моделей.

3.2.1 Описание экспериментально-производственной (пилотной) установки.

3.2.3 Результаты моделирования и проверка на адекватность.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование компьютерной модели управления качеством продукта ректификации в насадочной колонне периодического действия»

До настоящего времени методы технологического расчета ректификационных установок базируются на понятиях уравнения рабочей линии и теоретической ступени контакта. Данные методы вполне удобны и оправданы для расчета тарельчатых колонн непрерывного действия. В случае расчета процесса ректификации с применением аппаратов насадочного типа могут применяться как методы, базирующиеся на понятии теоретической ступени контакта, так и на понятие высоты единицы переноса. Все эти методы в той или иной мере теоретически обоснованы, но не являются достаточно точными.

В случае периодической ректификации или ректификации с переменной величиной потока питания получение продуктов с заданными параметра качества (управление качеством) обеспечивается путем непрерывной или краткопериодической генерацией управляющих воздействий с целью корректировки параметров процесса.

Для продуктовых колонн, предназначенных для получения одного целевого продукта (например, дистиллята), ставятся следующие задачи оптимального управления:

1) минимизация энергозатрат на получение целевого продукта заданной концентрации;

2) максимизация производительности по целевому продукту. ф

Принципы создания современных цифровых АСУТП предполагают наличие математического описания объекта. В результате проведенного анализа существующих методов расчета насадочных колонн и требований к математическим моделям, являющихся базовыми для создания компьютерных систем прямого цифрового управления, был сделан вывод о целесообразности разработки математического описания процесса ректификации на основе фундаментальных уравнений тепло- массопереноса, обладающего максимальным потенциалом прогностических возможностей.

Кроме того, математическая модель такого рода может служить базой для создания АРМ разработчиков ректификационных установок.

Данная работа посвящена вопросам исследования и совершенствования на базе компьютерного моделирования алгоритмов расчетов и процессов управления формированием качества верхнего продукта в ректификационных насадочных колоннах периодического действия. Такого рода установки широко применяются для реализации процессов утилизации, регенерации а также в малотоннажных производствах.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Щербина, Оксана Юрьевна

Основные результаты, полученные в процессе выполнения работы.

• Реализовано информационно-аналитическое исследование формирования качества продукта в процессе ректификации. Проведенный анализ литературных данных и информации патентных источников позволил сделать вывод о целесообразности разработки математического описания процесса ректификации на базе фундаментальных уравнений тепло- массопереноса, обладающего максимальным потенциалом прогностических возможностей.

• Осуществлен синтез математического описания процесса ректификации: в насадочной колонне на базе феноменологических представлений о механизмах протекающих процессов.

• Разработан пакет программ для компьютерной реализации полученного математического описания. Данный пакет может, служить-основой для создания систем автоматизированного проектирования ректификационных колонн насадочного типа, а также для реализации систем прямого цифрового управления формированием качества продуктов ректификации.

• Разработан аппаратно-программный модельный комплекс для синтеза и исследования системы прямого цифрового управления процессом ректификации.

• Разработана автоматизированная система управления пилотной ректификационной установкой.

• Разработана конструкция флегмоделителя - основного исполнительного элемента управления формированием качеством верхнего продукта в насадочной ректификационной колонне.

• Проведены экспериментальные исследования на пилотной установке с установкой начальных и поддержанием текущих параметров процесса на уровнях, полученных при имитационном моделировании на аппаратно-программном комплексе. В итоге доказана адекватность разработанной модели управления формированием качества продуктов ректификации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Щербина, Оксана Юрьевна, 2004 год

1. Решетов С.А. Непрерывная ректификация трехкомпонентных смесей с С- и S- образным ходом линий сопряженных нод-ренод // Теоретические основы химической технологии. 2000. - Т.34. - №5.- С. 514 — 519.

2. Тимошенко А.В. Топологические инварианты распределения изоэнер-гетических многообразий в концентрационных симплексах исходных составов питания / А.В. Тимошенко, Л.А. Серафимов// Теоретические основы химической технологии. -1999. — Т.ЗЗ. №2. - С.164-168.

3. Лисицин Н.В. Расчет материального баланса нефтеперерабатывающего предприятия / Н.В. Лисицин, С.В. Дрогов, Н.В. Кузичкин // Химическая промышленность. 2003. - №2. - С.35- 40.

4. Патласов В.П. Исследование математической модели реакционно-ректификационного процесса трехкомпонентной смеси с нелокализованной реакционной зоной / В.П. Патласов, В.А. Готлиб, Б.А. Гендельман //

5. Теоретические основы химической технологии. 1996. — Т.ЗО. - №3.- С.314-320.

6. Ананченко И.В. Метод оценки экономической эффективности гибких систем ректификационных колонн / И.В. Ананченко, В.К. Викторов // Теоретические основы химической технологии. 1997. — Т.31. - №5. - С.495-497.

7. Давыдян А.Г. Граничные режимы в простой ректификационной колонне при разделении азеотропных смесей / А.Г Давыдян, М. Мэлоун, М. Дохерти // Теоретические основы химической технологии. 1997. — Т.31. -№4.- С.367-379.

8. Демусенко Е.В. Правило Банкрофта и возможность его использования при разработке технологических схем ректификации / Е.В. Демусенко, А.С. Мозжухин // Теоретические основы химической технологии.- 1997.-Т.31. №5. - С.491-494.

9. Налетов А.Ю. Информационный подход к масштабированию тепло-и массобменных процессов// Теоретические основы химической технологии.1999. Т.ЗЗ. - №3. - С.328-336.

10. Полянин А.Д. Линейные задачи тепло- и массопереноса: общие формулы и результаты// Теоретические основы химической технологии.2000.-№6.-С. 563-574.

11. Захаров В.П. Нейтрализация агрессивных сред в трубчатых турбулентных аппаратах / В.П. Захаров, К.С. Минскер, Ф.Б. Шевляков и др.// Химическая промышленность. 2003. - №3. — С.30-35.

12. Амелькин С.А. Оценка предельных возможностей процессов разделения/ С.А. Амелькин, И.М. Бурцлер, К.Н. Хоффманн и др. // Теоретические основы химической технологии. 2001. - Т.35. - №3. - С.232 — 238.

13. Систер В.Г. Гидродинамика и массообмен пленки жидкости при полидисперсном капельном орошении / В.Г. Систер, О.Ю. Мартынов //

14. Теоретические основы химической технологии. 2001. - Т.35. - №2. - С. 164171.

15. Викторов В.К. Синтез теплоинтегрированных систем ректификации/ В.К. Викторов, Н.В. Кузичкин, М.В. Жуковец // Теоретические основы химической технологии. 2001. - Т.35. - №1. - С.49 - 56.

16. Ким Л. А. Учет перекрестных эффектов в нелокальных уравнениях переноса тепла и массы / JI.A. Ким, A.M. Бренер // Теоретические основы химической технологии. 1998. - Т.32. - №3. - С.247 -249.

17. Алексашенко А.А. Аналитическое исследование систем уравнений тепломассопереноса // Теоретические основы химической технологии. -1997.- Т.31. №4. - С.361-366.

18. Осипова Л.Э. Моделирование неэквимолярных процессов массо-теплопереноса в системах газ (пар) жидкость / Л.Э. Осипова, Э.Ш. Теляков, Н.А. Николаев // Теоретические основы химической технологии. - 1997. — Т.31.- №3.- С.274 - 280.

19. Абиев Р.Ш. Исследование течения газожидкостной системы в трубе с периодически меняющимся сечением// Химическая промышленность. -2003.- №12.- С.10-17.

20. Берлин А.А. Малогабаритные трубчатые турбулентные реакторы вытеснения. Технология XXI века / А.А. Берлин, К.С. Минскер, В.П. Захаров// Химическая промышленность. 2003. - №3. — С.36-45.

21. Холпанов JI.П. Турбулентный двухфазный массообмен в пленке жидкости// Теоретические основы химической технологии. 1997. — Т.31. -№2.- С.132-140.

22. Солохин А.В. Качественный анализ реакционно-ректификационных систем / А.В. Солохин, С.А. Благов, B.C. Тимофеев // Теоретические основы химической технологии. 1996. -Т.30. - №2. - С. 151-162.

23. Писаренко Ю.А. Возможные виды разделения непрерывных совмещенных реакционно-ректификационных процессов / Ю.А. Писаренко, Р.Ю. Данилов, JI.A. Серафимов // Теоретические основы химической технологии. 1996. - Т.ЗО. - №6.- С.641-649.

24. Писаренко Ю.А. Использование режимов бесконечной эффективности в анализе статики реакционно-ректификационных процессов/ Ю.А. Писаренко, Р.Ю. Данилов, JI.A. Серафимов // Теоретические основы химической технологии.- 1995. Т.29. - №6. - С.612-621.

25. Патласов В.П. Качественное исследование математической модели динамики безотборного режима процесса ректификации бинарной смеси с химической реакцией // Теоретические основы химической технологии. -1995.- Т.29. №3. - С.279-284.

26. Анисимов А.В. Метод расчета химико-технологических систем с обратными потоками / А.В. Анисимов, B.C. Тимофеев // Теоретические основы химической технологии. 1994. -Т.28. - №6. - С.605-612.

27. Джонова-Анатасова Д.Б. Коэффициент массопередачи в жидкой фазе для регулярно уложенных насадок / Д.Б. Джонова-Анатасова, С. Ц. Наков, Н.Н. Колев // Теоретические основы химической технологии. 1996. — Т.ЗО. - №3. - С.265-267.

28. Пономарев В.Н. Полистационарность в процессах непрерывной ректификации / В.Н. Пономарев, О.И. Саксонова, B.C. Тимофеев // Теоретические основы химической технологии. 1996. - Т.ЗО. - №4. - С.383-391.

29. Полянин А.Д. Массо- и теплообмен частиц, капель и пузырей с потоком при различных усложняющих факторах / А.Д. Полянин, А.В. Вязьмин// Теоретические основы химической технологии. 1996. — Т.ЗО. -№6. - С.595-604.

30. Алексашенко А.А. Выбор формул для расчета параметров тепломассопереноса// Теоретические основы химической технологии. -1996.-Т.30. №6. - С.605-610.

31. Айнштейн В.П. О лимитирующих стадиях в процессах массопереноса при течении тонких пленок / В.П. Айнштейн, М.К. Захаров // Теоретические основы химической технологии. 1996. - Т.ЗО. - №6. - С.624-633.

32. Полевой А.С. Исследование высокоэффективных насадок при ректификации разбавленных растворов на основе .fi -фенилэтилового спирта// Теоретические основы химической технологии. 1996. — Т.ЗО. - №5. - С.473-484.

33. Алексашенко А. А. Качественное исследование некоторых нелинейных прямых и обратных задач тепломассопереноса // Теоретические основы химической технологии. 1996. — Т.ЗО. - №1. - С.5-13.

34. Патласов В.П. Качественное исследование математической модели динамики безотборного режима процесса многокомпонентной ректификации с химической реакцией // Теоретические основы химической технологии. -1996.-Т.30. №1. - С.91-99.

35. Патласов В.П. Метод интегральных многообразий в качественном исследовании процесса ректификации с химической реакцией / В.П. Патласов, В.А. Готлиб // Теоретические основы химической технологии. -1995. -Т.29. №6. - С.622-630.

36. Солохин А.В. Качественный анализ реакционно-ректификационного процесса с нелокализованной реакционной зоной / А.В. Солохин, С.А. Благов, B.C. Тимофеев и др. // Теоретические основы химической технологии. 1993. -Т.27. - №5. - С.478-488.

37. Сучков Б.А. О количественной оценке четкости разделения в ректификации // Теоретические основы химической технологии. 1995. — Т.29. - №4. - С.390-394.

38. Кузьменко Ю.Л. Влияние скорости фазовых потоков на разделение веществ в противоточной кристаллизационной колонне / Ю.Л. Кузьменко, А.А. Бакбергенов, С.К. Мясников и др. // Теоретические основы химической технологии.- 1995. Т.29. - №4. - С.395-399.

39. Мемедляев З.Н. Массоотдача в орошаемой насадке в режимах подвисания в инверсии фаз / З.Н. Мемедляев, Н.Н. Кулов, А.А. Ильиных и др. // Теоретические основы химической технологии. 1994. - Т.28. - №1. -С.37.

40. Мемедляев З.Н. Гидродинамика и массообмен в орошаемой насадке при пульсирующей подаче жидкости / З.Н. Мемедляев, Н.Н. Кулов, В.М. Маскалик // Теоретические основы химической технологии. 1994. — Т.28. -№5.- С.483-489.

41. Мищенко С.В. Разработка автоматизированной системы научных исследований и проектирования технологических процессов тепломассопереноса / С.В. Мищенко, С.В. Пономарев // Теоретические основы химической технологии. 1994. -Т.28. - №5. - С.547-555.

42. Петин В.Ф. Явление последовательного взаимодействия вихрей в регулярно-расположенной насадке массообменных аппаратов / В.Ф. Петин,

43. О.С. Балабеков // Теоретические основы химической технологии. 1994. — Т.28.- №4.- С.328-335.

44. Кениг Е.Я. Исследование кинетики массо- и теплопереноса при разделении многокомпонентных смесей // Теоретические основы химической технологии. 1994. - Т.28. - №3. - С.223-242.

45. Кениг Е.Я. Исследование кинетики массо- и теплопереноса при разделении многокомпонентных смесей // Теоретческие основы химической технологии. 1994. - Т.28. - №4. - С.348-370.

46. Максимов В.В. О воздействии электромагнитного излучения на ассоциаты молекул в газовой фазе / В.В. Максимов, А.Н. Орлов, Ю.Н. Петров и др. // Теоретические основы химической технологии. 1994. — Т.28. - №4.-С.371-374.

47. Волошко А.А. Теплообмен при образовании пузырей // Теоретические основы химической технологии. 1994. — Т.28. - №2.- С.185-187.

48. Готлиб В.А. Анализ эволюции фазовых портретов динамических систем ректификации / В.А. Готлиб, В.А. Митропольская, А.С. Мозжухин // Теоретические основы химической технологии. 1993. — Т.27. - №5. - С.489-494.

49. Давыдян А.Г. Режим минимальной флегмы в ректификационной колонне со средним резервуаром / А.Г. Давыдян, В.Н. Кива, В.М. Платонов // Теоретические основы химической технологии. 1993. - Т.27. - №4. - С.368-372.

50. Кива В.Н. Возможные составы продуктов ректификации тройной смеси с бинарным седлом / В.Н. Кива, И.М. Марченко, Ю.Н. Гарбер // Теоретические основы химической технологии. 1993. - Т.27. - №4. - С.373-380.

51. Мошинский А.И. О нелинейных уравнениях для ячеечных моделей// Теоретические основы химической технологии. 1993. — Т.27. - №2. -С. 130135.

52. Малюсов В.А. О кинетике некоторых процессов разделения смесей // Теоретические основы химической технологии. 1993. — Т.27. - №1. - С. 1417.

53. Холпанов Л.П. Методы расчета гидродинамики тепломассообмена в системах с подвижной поверхностью раздела // Теоретические основы химической технологии. 1993. — Т.27. - №1. - С. 18-27.

54. Рассказов А.В. Массообмен и инверсия фазового состава при росте двухфазных кристаллических слоев / А.В. Рассказов, С.К. Мясников // Теоретические основы химической технологии. 1992. - Т.26. - №1. - С.3-24.

55. Давыдян А.Г. Периодическая ректификация в двухсекционной колонне со средним резервуаром при различающихся потоках пара в секциях/ А.Г. Давыдян, В.Н. Кива, В.М. Платонов // Теоретические основы химической технологии. 1992. - Т.26. - №2. - С.163-172.

56. Давыдян А.Г. Периодическая ректификация многокомпонентных смесей в двухсекционной колонне со средним резервуаром / А.Г. Давыдян, В.Н. Кива, В.М. Платонов // Теоретические основы химической технологии. -1992. -Т.26.- №4. С.467-478.

57. Гималаев М.К. Совместное проектирование ректификационного объекта и системы управления / М.К. Гималаев, Э.Ш. Теляков, В.Б.

58. Покровский// Теоретические основы химической технологии. 1992. — Т.26.2.-0.312-316.

59. Хиао — Мин Ху. Применение оценки скорости переноса для расчета бинарных коэффициентов массопередачи и моделирование многокомпонентной ректификации / Хиао — Мин Ху, Фу Шен // Теоретические основы химической технологии. 1992. - Т.26. - №4. - С.486-494.

60. Тасев Ж. Неадибатическая ректификация в роторно-пленочной колонне с коническими тарелками / Ж. Тасев, X. Генчев // Теоретические основы химической технологиии. 1992. - Т.26. - №4. - С.556-562.

61. Крель Э. Руководство к лабораторной перегонке / Пер. с нем. В.И. Чернышева, А.В. Шафрановского; Под ред. В.М. Олевского. М.: Химия, 1980.- 520 с.

62. Кантерман Л.Б. Химия и технология топлив и масел / Л.Б. Кантерман, Б.С. Духан, П.Г. Иванов // Теоретические основы химической технологии. 1958,- Т.З. - №5. - С.57-60.

63. Перри Дж. Справочник инженера-химика. Т.1./ Пер. с англ. под ред. Н.М. Жаворонкова, П.Г. Романкова. - JL: Химия, 1969. - 640 с.

64. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химиии и химической технологии. М.: Химия, 1985. - 448 с.

65. Кафаров В.В. Основы массопередачи. Системы газ жидкость, пар — жидкость, жидкость - жидкость. - М.: Высшая школа, 1979. - 288 с.

66. Перри Дж. Справочник инженера-химика. Т. II./ Пер. с англ. под ред. Н.М. Жаворонкова, П.Г. Романкова. - JL: Химия, 1969. - 650 с.

67. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии.- В 2ч.-Ч.1./ Пер. с англ. А.В. Беспалова, А.П. Жукова, В.В. Паукова; Под ред. B.C. Бескова- М.:Мир, 1989.-304с.

68. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии.- В 2 ч.-Ч.2./ Пер. с англ. А.В. Беспалова, А.П. Жукова, В.В. Паукова; Под ред. B.C. Бескова- М.: Мир, 1989. 360 с.

69. Яровенко B.JI. Технология спирта / В Л. Яровенко, В. А. Маринченко, В.А. Смирнов. М.: Колос, 1999. - 464 с.

70. Таганов И.Н. Моделирование процессов массо- и энергопереноса. — Л.: Химия, 1979. -208 с.

71. Романков П.Г. Теплообменные процессы химической технологии / П.Г. Романков, В.Ф. Фролов. Л.: Химия, 1982. - 288 с.

72. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. — М.: Наука, 1970. -214с.

73. Исаченко В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.

74. Бакластов A.M. Промышленные тепломассообменные процессы и: установки. -М.: Энергоатомиздат, 1986. 328 с.

75. Скобло А.И. Процессы и аппараты химической промышленности / А.И. Скобло, И.А. Трегубова, Ю.К. Молоканов. -М.: Химия, 1982. 584 с.

76. Закгейм А.Ю. Введение в моделирование химико-технологических процессов. М.: Химия, 1982. - 288 с.

77. Бельков В.П. Математические модели и алгоритмы расчета массообменных и тепловых процессов / В.П. Бельков, В.В. Кафаров. — М.: МХТИ, 1985.-312 с.

78. Берман Ю.А. Тепломассоперенос. Минск: ИТМО АН БССР, 1979.-217с.

79. Бакластов A.M. Промышленные тепло-массообменные процессы и установки / A.M. Бакластов, В.А. Горбенко, О.Л. Данилов. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 328 с.

80. Михеев М.А. Основы теплопередачи / М.А. Михеев, И.М. Михеева.-М.: Энергия, 1977. 344 с.

81. Исаев С.И. Теория тепломассообмена / С.И. Исаев, И.А. Кожинов, В.И. Кофанов. М.: Высшая школа, 1979. - 495 с.

82. Кафаров В.В. Математическое моделирование основных процессов химических производств / В.В. Кафаров, М.Б. Глебов. М.: Высшая школа, 1991.-400 с.

83. Леонов Г.В. Разработка компьютерной модели управления качеством продукта ректификации в насадочной колонне периодического действия / Г.В: Леонов, О.Ю. Щербина, А.В. Жданов // Вестник алтайской науки. -2001№ 1.- С.217-221.

84. Рамм В.М. Абсорбция газов. — М.: Химия, 1976. 656 с.

85. Аметистов Е.В. Тепло— и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Е.В. Аметистов Е.В. и др.; Под ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. М.: Энергоиздат, 1982. - 365 с.

86. Александровский А.Д. Delphi 5. Шаг в будущее. М.: ДМК, 1999. -528с.

87. Фаронов В.В. Турбо Паскаль. М.: УИЦ МВТУ ФЕСТО ДИДАКТИК, 1992. - 304 с.

88. Патент РФ №2200611, МКИ В01 D 3/32. Устройство для деления потока жидкости массообменного аппарата / В.А. Куничан, Г.В. Леонов, О.Ю. Щербина, Д.В. Чащилов. 2003. - Б.и. №8.

89. Калишников С.Г. Электричество. — М.: Наука, 1985. 576 с.

90. Левшина Е.С. Электрические измерения физических величин / Е.С. Левшина, П.В. Новицкий. Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 514 с.

91. Евстигнеев Н.Н. Измерение электрических и неэлектрических величин. — М.: Энергоатомиздат, 1990. 317 с.

92. Леонов Г.В. Синтез компьютерной модели процесса ректификации в насадочной колонне периодического действия / Г.В. Леонов, О.Ю. Щербина// Исследовано в России. 2003. - №176. - С.2133-2142. -http://zhurnal.ape.relaern.ru/articles/2003/176.pdf.

93. Решетников М.Т. Планирование эксперимента и статистическая обработка данных: Учебное пособие. Томск: ТГТУ, 2000. — 231с.