Система управления процессом очистки циркуляционного газа в производстве окиси этилена тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Павлова, Наталья Сергеевна

• Павлова, Наталья Сергеевна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Павлова, Наталья Сергеевна

Введение.

Глава 1. Современное состояние в области управления процессом получения окиси этилена.

1.1 Анализ технологического процесса и системы управления производства окиси этилена.

1.2 Основные типы аппаратов для проведения процесса абсорбции, их основные достоинства и недостатки.

1.3 Анализ существующего метода управления процессом абсорбции.

1.4 Анализ абсорбера как объекта управления.

1.5 Автоматизация газовых абсорберов.

1.6 Анализ системы управления процессом очистки ЦТ от углекислого газа с коррекцией по возмущающим воздействиям.

1.7 Постановка задач исследования.

Выводы.

Глава 2. Исследование моделей хемосорбционных и абсорбционных аппаратов для построения математической модели процесса хемосорбции двуокиси углерода из циркуляционного газа в производстве окиси этилена.

2.1 Обзор математических моделей, применяемых для анализа и оптимизации процессов в абсорбционных аппаратах.

2.1.1 Модели идеального смешения и идеального вытеснения.

2.1.2 Диффузионная модель.

2.1.3 Ячеечная модель.

2.1.4 Комбинированные модели.

2.2 Математическая модель объекта управления. Статические и динамические характеристики.

2.2.1 Анализ физико-химических основ процесса хемосорбции и обоснование выбора модели процесса.

2.2.2 Математическое моделирование процесса поглощения двуокиси углерода карбонатом калия в аппарате колонного типа с насадкой как объекта управления.

Выводы.

Глава 3. Математическая модель и основные свойства системы управления процессом очистки циркуляционного газа в производстве окиси этилена. Синтез оптимального программного управления.

3.1 Математическая модель системы.

3.2 Уравнения состояния и выхода системы.

3.3 Исследование устойчивости системы.

3.4 Исследование управляемости системы.

3.5 Исследование наблюдаемости системы.

3.6 Синтез оптимального программного управления процессом хемосорбции двуокиси углерода из циркуляционного газа.

Выводы.

Глава 4. Управление процессом очистки циркуляционного газа от углекислого газа.1.

4.1 Схема автоматизации процесса очистки циркуляционного газа от углекислого газа и создание контура управления.

4.2 Программно-технический комплекс.

4.3 Расчёт настроек автоматического регулятора.

4.4 Перспективы развития систем управления процессом очистки циркуляционного газа от углекислого газа.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система управления процессом очистки циркуляционного газа в производстве окиси этилена»

Современные химические технологические процессы имеют двойственную детерминированно-стохастическую природу. Участвующие в них потоки вещества, как правило, многофазные и многокомпонентные. В ходе протекания процесса в каждой точке фазы и на границах раздела происходит перенос импульса, энергии, массы. Весь процесс в целом протекает в аппарате с конкретными геометрическими характеристиками, оказывающими, в свою очередь, влияние на характер этого процесса.

Существенная особенность химико-технологических процессов состоит в том, что совокупность составляющих их явлений носит двойственную природу, проявляющуюся в наложении стохастических особенностей гидродинамической обстановки в аппарате на процессы массо-, теплопереноса и химического превращения. Это объясняется случайным взаимодействием составляющих компонентов фаз или случайным характером геометрии граничных условий в аппарате (случайное расположение элементов беспорядочно уложенной насадки, зерен I катализатора, производственная ориентация межфазной границы с движущихся сред) [1,2].

Подобного рода системы характеризуются чрезвычайно сложным взаимодействием составляющих их фаз и компонентов, вследствие чего изучение их с позиций классических детерминированных законов переноса и сохранения становится невозможным.

Ключ к решению этой проблемы дает метод математического моделирования, базирующийся на стратегии системного анализа, сущность которой заключается в представлении процесса как сложной взаимодействующей иерархической системы с последующим качественным анализом ее структуры, разработкой математического описания и оценкой неизвестных параметров [3].

В данной диссертационной работе рассматривается процесс очистки циркуляционного газа (ЦТ) от углекислого газа (С02) производства окиси этилена.

Актуальность: окись этилена - важнейшее сырьё, используемое в производстве крупнотоннажной химической продукции, являющейся основой для большого числа разнообразных товаров народного потребления во всех промышленно развитых странах.

Полиолы; 3% триэтиленгликоль; 7% Этиленгликоль; 65%

Рисунок 1.1 - Глобальное промышленное использование окиси этилена (по данным на 2010 год)

Основные направления использования окиси этилена: этиленгликоли - благодаря своей дешевизне этиленгликоль нашёл широкое применение в технике. Как компонент автомобильных антифризов и тормозных жидкостей, что составляет 60 % его потребления. В качестве теплоносителя в виде раствора в автомобилях, в системах жидкостного охлаждения компьютеров. В производстве целлофана, полиуретанов и ряда других полимеров и как растворитель красящих веществ. В органическом синтезе - в качестве высокотемпературного растворителя; полиэтиленгликоли - используются в производстве парфюмерии и косметики, фармацевтических препаратов, лубрикантов, растворителей для красок и пластификаторов; эфиры этиленгликоля - входят в состав тормозных жидкостей, моющих средств, растворителей лаков и красок; этаноламины - применяются в производстве мыла и моющих средств, очистки природного газа и аппретирования тканей; этоксилаты - используют в производстве моющих средств, в качестве сурфактантов, эмульгаторов и диспергаторов.

Исходя из вышеперечисленного, производство окиси этилена имеет важнейшее народно-хозяйственное значение. Поэтому исследования, связанные с совершенствованием процесса очистки ЦТ от С02 в производстве окиси этилена является весьма актуальным и необходимым.

Объектом управления является процесс хемосорбции двуокиси углерода из циркуляционного газа в производстве окиси этилена. Необходимо поддерживать содержание СОг в ЦТ в пределах заданной нормы. Регулирование содержания двуокиси углерода в циркуляционном газе при подаче на стадию синтеза (не более 10%) требуется для поддержания необходимой селективности процесса синтеза окиси этилена.

Большой вклад в развитие концепции создания интегрированных систем управления предприятием, составной частью которых является система автоматизированного непрерывного контроля за выбросами загрязняющих веществ, и последующее формирование управляющих решений, направленных на сокращение выбросов, внесли работы Макарова Р.И., Кострова A.B., Хорошевой Е.Р., Клюшникова В.Ю., Белобородова В.В., Белова A.A. [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10].

Изучены труды в области автоматизации Балакирева B.C., Лебедовского М.С., Шински Ф., Липатова Л.Н., Цирлина A.M., Бояринова А.И. и других учёных [12, 13, 14, 15, 16, 17]. Однако вопросы автоматизации очистки циркуляционного газа от СО2 с коррекцией системы управления по результатам аналитического контроля выходного газа изучены недостаточно.

Учитывая эти факторы, следует считать задачу по разработке систем управления процессом очистки циркуляционного газа от углекислого газа весьма актуальной.

Цель: энерго- и ресурсосбережение в процессе хемосорбции двуокиси углерода из циркуляционного газового потока путем создания оптимальной системы управления на основе разработанной математической модели и современных методов оптимизации.

Достоверность теоретических разработок подтверждена совпадением результатов вычислительного эксперимента с экспериментальными данными, позволяет сделать вывод об эффективности разработанных методов для системы управления процессом очистки циркуляционного газа от СОг.

Задачами данного исследования являлось:

- изучить технологический процесс очистки циркуляционного газа от СО2 и систему управления производством;

- рассмотреть основные типы аппаратов для проведения процесса абсорбции, их основные достоинства и недостатки. Изучить системы автоматизации газовых абсорберов и их приборное оформление;

- проанализировать абсорбер как объект управления;

- на основе имеющихся сведений о кинетике и термодинамике процессов хемосорбции в производстве окиси этилена построить математическую модель процесса, пригодную для сравнительного г>~ < исследования предлагаемых вариантов систем управления и синтеза оптимального управления;

- исследовать статические и динамические характеристики объекта управления;

- изучить основные свойства системы управления, такие как устойчивость, управляемость, наблюдаемость и их влияние на качество управления.

- на основе модели объекта реализовать синтез систем оптимального программного управления и разработать алгоритм оптимального управления объектом.

Методы исследования. В диссертации научные исследования основаны на методах математического моделирования с системным подходом к анализу и оптимизации управления объектом при широком использовании программно-математического инструментария.

Научная новизна:

Разработана модель объекта управления на основе термодинамической, гидродинамической, химической особенностей процесса, позволяющая реализовать комплексный подход к процессу оптимального управления, что существенно отличает модель от предложенных другими авторами;

- на основе модели объекта реализован синтез систем оптимального программного управления, позволяющий адаптировать систему управления к переменным условиям проведения процесса;

- предложен алгоритм оптимального программного управления процессом очистки циркуляционного газа от С02 с коррекцией по результатам анализа системы управления.

Диссертационные материалы используются в учебном процессе в рамках дисциплин «Моделирование систем управления» и «Автоматизация технологических процессов и производств» кафедры «Автоматизация и информационные системы» Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева, Дзержинского политехнического института.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования действующих систем управления процессами получения окиси этилена и процесса очистки циркуляционного газа от углекислого газа в производстве окиси этилена как объекта управления.

2. Предложена система управления процессом очистки циркуляционного газа от углекислого газа в производстве окиси этилена с двумя контурами коррекции системы управления по результатам анализа содержания СОг в циркуляционном газе.

3. Результаты математического моделирования оптимизации системы управления и алгоритм оптимального управления объектом.

4. Результаты исследования устойчивости, управляемости и наблюдаемости системы управления. Доказано, что система является управляемой по выходу;

5. Результаты анализа модели объекта на основе которой реализован синтез систем оптимального программного управления.

Апробирование. Основные положения и результаты, полученные в диссертационной работе докладывались на XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Белгород, 2010 г.), на XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-24. (Саратов, 2011), на XVIII Всероссийской конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» (Нижний Новгород, 2008 г.), на VIII Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2009 г.), на XV и XVI Международных научно-технических конференциях «Информационные системы и технологии - 2009» (Нижний Новгород, 2009г.), «Информационные системы и технологии - 2010» (Нижний Новгород, 2010г.), «Информационные системы и технологии - 2011» (Нижний Новгород, 2011г.), на всероссийской заочной электронной научной конференции (2010г.), на VIII, IX Международных молодежных научно-технических конференциях «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2009, 2010 годы), на Международных научных конференциях «Фундаментальные и прикладные исследования» (Бразилия, Рио-де-Жанейро, 2009 г. и Испания, Тенерифе, 2010 г.).

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 20 печатных работ, в т.ч. 2 статьи в изданиях, рекомендованном ВАК РФ.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи диссертационной работы.

В первой главе «Современное состояние в области управления процессом получения окиси этилена» выполнен анализ процесса очистки циркуляционного газа от углекислого газа в производстве окиси этилена, выявлены особенности процесса как объекта управления. Установлено, что в большинстве установок по очистке ЦТ от СО2 отсутствуют подходы по оптимизации системы управления, основанной на математическом моделировании. Анализ показал необходимость создания одноконтурной системы коррекции по результатам анализа циркуляционного газа. Рассмотрены и классифицированы основные типы аппаратов для проведения процесса абсорбции. Определены и классифицированы контролируемые, входные и выходные параметры процесса, имеющие значение при исследовании системы управления. Выполнен анализ существующих систем управления процессом очистки циркуляционного газа от углекислого газа, сформулированы задачи исследования. 4

Во второй главе «Исследование применяемых моделей хемосорбционных и абсорбционных аппаратов для построения математической модели процесса хемосорбции двуокиси углерода из циркуляционного газа в производстве окиси этилена» разработана математическая модель процесса хемосорбции углекислого газа из циркуляционного газа в производстве окиси этилена поглотителем -карбонатом калия.

Найдены аналитические решения и исследованы стационарные и динамические режимы работы колонны хемосорбции как объекта управления.

Обосновано принятое при построении модели предположение о гидродинамическом режиме работы колонны. Относительно термодинамического и кинетического режима работы колонны показано соответствие принятой математической модели процесса хемосорбции -модели первой кинетической области протекания процесса хемосорбции. Таким образом, разработанная математическая модель процесса используется для разработки системы оптимального управления объектом.

Третья глава «Математическая модель и основные свойства системы управления процессом очистки циркуляционного газа в производстве окиси этилена. Синтез оптимального программного управления». Исходная математическая модель системы управления процессом абсорбции двуокиси углерода карбонатом калия в аппарате колонного типа, представляющая собой модель объекта с распределенными параметрами, с помощью метода Эйлера преобразована в конечномерную модель с сосредоточенными параметрами, нелинейную. Линеаризация модели позволила применить для исследования свойств системы управления объектом достаточно хорошо разработанные методы.

Исследованы свободное и вынужденное поведение системы. Определены параметры и корни характеристического уравнения.

Исследованы следующие свойства системы: устойчивость, управляемость и наблюдаемость. г

Как один из перспективных вариантов рассмотрено оптимальное программное управление объектом. Предложен алгоритм оптимального программного управления процессом хемосорбции двуокиси углерода из циркуляционного газового потока на основе разработанной математической модели объекта.

Четвертая глава «Управление процессом очистки циркуляционного газа от углекислого газа» посвящена исследованию системы управления и программно-технического комплекса. Представлена обобщенная схема системы управления, а также архитектура программного обеспечения. Рассмотрены перспективы развития систем управления процессом сжигания отходов.

12

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Павлова, Наталья Сергеевна

11. Результаты работы переданы на кафедру "Автоматизация и информационные системы" Дзержинского политехнического института Нижегородского государственного технического университета и на их основе создаются методические указания для студентов. Проектные решения и программное обеспечение переданы в ФГУП «НИИ Полимеров им. В.А. Каргина» (г. Дзержинск).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполнен анализ действующих систем управления процессами получения окиси этилена.

2. Предложена система управления процессом очистки циркуляционного газа от углекислого газа в производстве окиси этилена с коррекцией системы управления по результатам анализа содержания С02 в циркуляционном газе.

3. Исследованы математические модели, применяемые для анализа и оптимизации процессов в абсорбционных аппаратах.

4. Разработана математическая модель исследуемого объекта управления.

5. Решена задача оптимального управления процессом очистки циркуляционного газа от С02 на основе анализа дифференциальных уравнений, характеризующих динамику процесса, и, уравнений статики, учитывающих особенности процесса очистки циркуляционного газа от С02.

6. Исследована устойчивость объекта и предложенной системы управления. Показано, что асимптотически устойчивыми являются разомкнутая система управления, система управления с обратной связью, а также система управления с обратной связью и с управлением по возмущению.

7. Система исследована на управляемость. Сделан вывод, что система не является управляемой по состоянию. Однако, управляемость по состоянию не является критическим показателем, это справочный показатель. Главным качеством системы управления является управляемость по выходу, это означает, что всегда можно найти управление, которое за конечный промежуток времени переводит систему из заданного начального состояния в любое заданное конечное состояние.

8. Изучена система с точки зрения наблюдаемости. Ранг матрицы наблюдаемости равен размеру вектора состояния, что свидетельствует о выполнении необходимого и достаточного условия наблюдаемости. Следовательно, сделан вывод, что система является вполне наблюдаемой.

9. На основе модели объекта реализован синтез систем оптимального программного управления.

10. Разработан алгоритм оптимального управления объектом.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Павлова, Наталья Сергеевна, 2011 год

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

2. Закгейм А.Ю. Введение в моделирование химико-технологических процессов, 2-е изд., доп. М.: Химия, 1982. - 288 с.

3. Азбелев Н.В. Автоматизация химических производств на базе математического моделирования: сборник статей, М.: Наука, 1974. -159 с.

4. Макаров Р.И. Управление качеством листового стекла (флоат-способ). Учебное пособие для ВУЗов / Р.И. Макаров, В.В. Тарбеев, Е.Р. Хорошева, Ю.М. Попов, В.Н. Чуплыгин. М.: АСВ, 2004. - 152 с.

5. Костров A.B. Основы информационного менеджмента. — М.: Финансы и статистика, 2003. — 336 с.

6. Макаров Р.И. Автоматизация производства листового стекла: учебное пособие для вузов под ред. Макарова Р.И. / С.А. Лукашкин, Р.И. Макаров, Е.Р. Хорошева. -М.: Ассоциация строительных вузов, 2002. -195 с.

7. Макаров Р.И. Методы и модели информационного менеджмента / Р.И. Макаров, Д.В. Александров, A.B. Костров, Е.Р. Хорошова. М.: Финансы и статистика, 2007. - 336 с.

8. Клюшников В.Ю. Система производственного экологического мониторинга // Экология производства. 2007, № 1.

9. Белобородов В.В. Критерии выбора автоматической системы контроля выбросов // Экология производства. 2007, № 6, стр. 69-73.

10. Белов A.A. Автоматизированная обработка данных о загрязняющих выбросах: на примере ОАО "Муромский радиозавод": дис. канд. техн. наук. Владимир, 2009. — 158 с.

11. Антохов М.В. Совершенствование процесса формирования качества серной кислоты контактным методом на базе компьютерного моделирования стадии абсорбции серного ангидрида: дис. канд. техн. наук. Бийск, 2004. — 130 с.

12. Балакирев B.C. Оптимальное управление процессами в химических технологиях (экстремальные задачи в АСУ) / B.C. Балакирев, В.М. Володин, A.M. Цирлин. М. : Химия, 1978. - 384 с.

13. Лебедовский М.С. Автоматизация в промышленности. Справочная книга / М.С. Лебедовский, А.И. Федотов. JL: Лениздат, 1976. -256с.

14. Липатов Л. Н. Типовые процессы химической технологии как объекты управления М.: Химия , 1973. — 320 с.

15. Шински Ф. Системы автоматического регулирования химико-технологических процессов. Пер. с англ. Под ред. Н.И.Гельперина. -М.: Химия, 1974.-336 с.

16. Цирлин А. Оптимальное управление технологическими процессами: Учеб. Пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 400 с.

17. Бояринов А.И. Методы оптимизации в химической технологии / А.И. Бояринов, В.В. Кафаров. М.: Химия, 1973. - 575 с.

18. Рамм В.М. Абсорбционные процессы в химической промышленности. -М.: Госхимиздат, 1951. 352 с.

19. Астарита Дж. Массопередача с химической реакцией. Перевод с англ. Л. : Химия, 1971. - 224 с.

20. Скобло А.И. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности / А.И. Скобло, И.А. Трегубова, Ю.К. Молоканов. -М.: Химия, 1982. 356 с.

21. Маньковский О.Н. Теплообменная аппаратура химических производств / О.Н. Маньковский, А.Р. Толчинский, М.В. Александров. Л.: Химия, 1976. - 376 с.

22. Родионов А.И. и др. Определение межфазной поверхности в системе ,, газ-жидкость на контактных тарелках//Хим. пром-сть. -1964. № 10.-737-741.

23. Родионов А.И. и др. Определение поверхности контакта фаз на провальных ситчатых тарелках // ЖПХ. 1965. - Т. 38. - Вып.1. -143-148.

24. Меньшиков В. А. Профиль газосодержания и циркуляция в барботажном слое / В. А. Меньшиков, М.Э. Аэров //ТОХТ. 1970. -Т.4.-№6.-875-881.

25. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химических технологий М.: Химия, 1973. - 752 с.

26. Рамм В.М. Абсорбция газов, 2-е изд., переработ, и доп. М.: Химия, 1976.-656 с.

27. Бретшнайдер Свойства газов и жидкостей. Инженерные методыIрасчета. Л.: Химия, 1970. - 535 с.

28. Данквертс П.В. Газожидкостные реакции: Пер. с англ. М.: Химия, 1973.-296 с.

29. Туревский E.H. Схемы и методы расчёта процесса абсорбции / E.H. Туревский, А.И. Александров, A.JI. Халиф. М.: ВНИИЭгазпром, 1969.-51 с.

30. Хоблер Т. Массопередача и абсорбция. Перевод с польского JL: Химия, 1964.-497 с.

31. Беннет К.О. Гидродинамика, теплообмен и массообмен. Перевод с англ. / К.О. Беннет, Дж.Е. Майерс. М.: Недра, 1966. - 728 с.

32. Кутателадзе С. Основы теории теплообмена, 4-е изд. Новосибирск: Наука, 1970. - 659 с.

33. Аксельрод Ю.В. О расчете противоточной абсорбции, осложненной необратимой химической реакцией второго порядка / Ю.В. Аксельрод, В.В. Дильман, A.M. Вайнсберг // ТОХТ. 1970. - Т. 4. -№ 6. - 845-652.t