Актуальность работы. Основным аппаратом в технологической схеме получения практически любого химического продукта является реактор. Его работа определяет зачастую производительность всего производства в целом, качество и себестоимость получаемого продукта. Не последнюю роль в оптимизации работы реактора играет автоматизация.
В диссертации рассматривается синтез и оптимизация систем управления реактором в производстве малеинового ангидрида — продукта, широко применяемого в промышленности органического синтеза.
Известно, что химические реакторы отличаются большим разнообразием протекающих в них реакций, принципом действий и конструкций. В то же время, в реакторах можно найти что-то общее, что позволяет говорит о каком-то их классе.
В диссертации речь идет о реакторе в производстве малеинового ангидрида (МА) Новомосковского «Комбината органического синтеза» (КОС), основанном на непрерывном парофазном каталитическом окислении бензола кислородом воздуха и их превращением в малеино-воздушную смесь (МВС), из которой затем и выделяют МА. Окисление идет в контактном аппарате — реакторе на стационарном катализаторе. Реакция экзотермическая. Сам реактор представляет собой вертикальный кожухообразный теплообменник длиной 3500 мм. В его центре встроен парогененератор полного испарения и осевая пропеллерная мешалка, являющаяся одновременно насосом, поднимающим расплав солей, являющихся промежуточным теплоносителем от МВС к парогенератору. Общая высота реактора — 5000 мм, а его диаметр — 4500 мм.
Главная особенность реактора — распределенность параметров, а именно, температурных профилей МВС и солей, по его высоте.
От статической и динамической точности поддержания этих температурных профилей (полей) во многом и зависят все показатели работы реактора: его производительность, определяемая селективностью окисления бензола в МАкачество получаемого МА, определяемое, во многом, «проскоком бензола», а также безопасная работа реактора.
Традиционные системы регулирования применяемые для автоматизации работы реактора не обеспечивают безопасного выполнения задачи по интенсификации его работы и поддержания оптимального содержания МА в.
МВС на выходе из него. Более того, основное управление реактором ведется вручную с использованием лишь вспомогательных АСР поддержания некоторых технологических величин. При этом вместо поддержания соотношения бензоло-воздушной смеси (БВС), подаваемой в ректор на? уровне 1:28 (1 часть бензола, 28 — воздуха), при котором содержание МА в МВС на выходе из реактора доходит до 74%, его ведут на уровне 1:35 -г 1:40, обеспечивая выход МА не выше 65%.
В этом плане создание автоматических систем регулирования, позволяющих вести процесс в реакторе в оптимальном (или квазиоптимальном) режиме является актуальным, причем, не только для реактора в производстве МА КОС, но и для всех реакторов подобного класса, прежде всего, реакторов с распределенными параметрами.
Кроме того, рассмотренные в диссертации подходы к исследованию реактора и предложенные системы автоматического управления им, могут быть применены к иным объектам с распределенными параметрами (ОРП), что также делает работу актуальной.
Цель работы заключается в синтезе четких и нечетких систем управления реактором для автоматического высокоточного поддержания в статике и динамике требуемых температурных профилей реактора в самовозгарание смеси происходит при соотношении 1:24 производстве MA КОС, а также в исследовании работы этих систем для выбора наилучшего варианта их построения.
Предметом исследования является реактор в производстве МА КОС, как объект управления с распределенными параметрами, и системы автоматического управления его температурным режимом.
В связи с поставленной целью и предметом исследования в работе решались следующие задачи:
1. Статистические исследования работы реактора с целью выявления вида его температурных полей (по МВС и солям) и характера дрейфа их значимых точек, а также определения вида функций принадлежностей для лингвистических переменных, определяющих работу реактора;
2. Разработка тепловой динамической модели реактора, как ОРП, для последующего имитационного моделирования с ней работы систем управления реактором как традиционных, так и предлагаемых.
3. Разработка систем автоматического управления поддержанием температурных профилей потоков (МВС и солей) в реакторе с использованием системы распределенного сбора измерительной информации и с учетом информации о значениях и дрейфе значимых точек полей.
4. Сравнительный анализ традиционных и предлагаемых систем автоматического управления реактором на основе имитационного моделирования.
5. Разработка нечетких моделей работы реактора и создание на их основе нечетких алгоритмов по его управлению.
6. Техническая реализация систем автоматического управления реактором с использованием системы распределенного сбора измерительной информации с учетом технических средств, имеющихся на КОС.
7. Анализ вариантов управляющих автоматов для реализации нечетких систем управления реактором (аппаратных или программныхиндивидуальных, на базе специализированных контроллеров или на базе универсальной программы логического управления) и предложения по их синтезу в условиях производства МА КОС.
Основные положения, выносимые на защиту:
• тепловая динамическая модель реактора, как объекта с распределенными параметрами;
• результаты имитационного моделирования тепловых процессов в реакторе при использовании традиционных и предлагаемых систем автоматического управления реактором;
• системы поддержания температурных профилей в реакторе с использованием систем распределенного сбора измерительной информации и с учетом информации о значениях и дрейфе «горячей точки» температурного профиля МВС;
• нечеткая модель работы реактора;
• алгоритм нечеткого управления по квазиоптимальному управлению реактором по выходу МА из МВС (селективности окисления бензола);
• функции принадлежности и их вид для лингвистических переменных, определяющих работу реактора;
• решения по техническому синтезу предлагаемых четких и нечетких систем управления реактором производства МА в условиях КОС.
Научная новизна работы заключается в:
1) статистических исследованиях работы реактора по данным журналов регистрации аппаратчиков, которые подтвердили наличие «горячей точки» в температурном профиле МВС реактора, возможность ее дрейфа по значению и положению по высоте реактора в зависимости от нагрузки реактора по бензолусоотношения бензол-воздух, подаваемой в реактор БВСтемпературы «бани» и срока службы катализатора;
2) нахождении лингвистических переменных, определяющих работу реактора, определении их функций принадлежности и их вида;
3) разработке тепловой динамической модели реактора для обоснования применения предлагаемых систем управления реактором;
4) обосновании путем имитационного моделирования возможности эффективного применения для высокоточного поддержания температурных профилей МВС и солей реактора в статике и динамике систем управления с распределенным сбором измерительной информации. Возможный вариант построения таких систем — введение сигнала коррекции от системы сбора, в частном случае, оптимального, измерительной информации в АСР соотношения бензол-воздух и АСР температуры солей;
5) разработке нечеткой модели работы реактора и формализованной записи задачи кавзиоптимального управления реактором по выходу малеинового ангидрида;
6) написании алгоритмов нечеткого управления реактором путем задания требуемого соотношения бензол-воздух БВС, подаваемой в реактор, и температуры «бани» в зависимости от значений температуры «горячей точки» температурного профиля МВС и ее положения на этом профиле для нечетких знаний о сроке службы катализатора и нагрузке реактора по бензолу;
7) предложении и обосновании нечеткой системы управления реактором, как ОРП, в виде программного управляющего аппарата с использованием алгоритмов по п. 6.
Практическая ценность: предложен ряд вариантов систем четкого управления для автоматического высокоточного поддержания требуемых температурных полей MB С и солей в реакторе, обеспечивающих квазиоптимальный выход МА с реактора при заданных технологических условиях;
— предложены алгоритмы нечеткого управления реактором для квазиоптимальной его работы по выходу МА при заданных технологических условиях;
— даны рекомендации по синтезу программного управляющего автомата для реализации нечетких алгоритмов управления реактором;
— показана нецелесообразность аппаратного синтеза управляющего автомата для реализации нечетких алгоритмов управления реактором;
— разработаны схемы реализации предложенных четких систем управления на базе модернизированного контроллера Ломиконт 110 и многоканального измерительного преобразователя МИП Ш711, имеющихся в производстве МА КОС;
— результаты практического выхода диссертационной работы переданы на КОС для их внедрения в производстве малеинового ангидрида.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе научных результатов, выводов и практических рекомендаций подтверждается проведенными статистическими исследованиями по данным реальной работы в производстве МА КОС, теоретическими выкладками, результатами имитационного моделирования, инженерными расчетами и практическим опытом по синтезу управляющих автоматов программными и аппаратными способами, накопленным на кафедре «Автоматизация производственных процессов» (АПП) Новомосковского института РХТУ им. Д. И. Менделеева (НИ РХТУ).
Методика исследования базируется на использовании методов теории автоматического управления и динамики распределенных процессов в технологических аппаратахтеории распределенного контроля и управленияимитационном моделировании работы предлагаемых систем управления на ЭВМметодах анализа и синтеза систем логического управленияиспользовании математического аппарата сетей Петри и графов операцийграфовом представлении логических алгоритмов и матричном представлении графов операций.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на 17 и 18 Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ): г. Кострома, 2004 г., г. Казань, 2005 г.- на Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии», г. Белгород, 2005 г.- на 18 Международной конференции молодых ученых «Успехи в химии и химической технологии», г. Москва, 2005 г.- на 14 научной конференции профессорско-преподавательского состава и сотрудников Новомосковского института РХТУ им. Д. И. Менделеева, г. Новомосковск, 2003 г.- на 5, 7 и 8 научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов Новомосковского института РХТУ им. Д. И. Менделеева (2003, 2005, 2006 г. г.).
Реализация результатов. Результаты исследований по предложенным системам управления реактором, а именно, по высокоточному поддержанию температурных профилей МВС и солей с использованием систем распределенного контроля температур этих профилей и введения сигналов коррекции от них в АРС соотношения бензол-воздух, подаваемой в реактор БВС, и в АСР температуры «бани», переданы на Новомосковский «Комбинат органического синтеза» (в настоящее время ООО «Оргисинтез») для их внедрения в производстве малеинового ангидрида.
Туда же переданы предложения по синтезу нечеткой системы управления реактором для квазиоптимального выхода малеинового ангидрида из МВС на выходе из реактора путем поддержания требуемого соотношения бензол-воздух и температуры «бани» в зависимости от значений температуры горячей точки" температурного профиля МВС и ее положения по высоте реактора.
На систему автоматического поддержания температурного профиля МВС в реакторе подана заявка на патент (№ 2 006 101 607/15 с приоритетом от 23.01.2006 г.), прошедшая формальную экспертизу (подтверждение ФИПС от 20.04.2006 г.).
Публикации. По тематике диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ: 3 статьи в материалах Международных конференций и 8 тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 182 страницах и состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка (41 наименование) и приложения. Работа содержит 73 рисунка и 5 таблиц.
ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.
В работе сделан анализ состояния с получением малеинового ангидрида на Новомосковском «Комбинате органического синтеза».
Существующие традиционные системы регулирования (одноконтурные и каскадные) реактора в производстве малеинового ангидрида, как типичного объекта с распределенными параметрами, не позволяют обеспечить оптимальный выход малеинового ангидрида с реактора. Вместо возможного 75% выхода его значение составляет не более 65%, что делает продукт не конкурентоспособным на рынке. Причина низкого выхода в подаче в реактор бензоло-воздушной смеси (БВС) с соотношением, лежащим в пределах 1:35 1:40 (1 часть бензола, остальное — воздух) вместо возможного 1:28, т. е. вместо соотношения, сдвигаемого в сторону предела самовозгораемости смеси равного 1:24.
Решение задачи по квазиоптимальному выходу малеинового ангидрида с реактора возможно путем обеспечения статической и динамической точности требуемых температурных профилей потоков малеино-воздушной смеси (МВС) и солей по высоте реактора, что можно достичь лишь путем создания высокоточных систем автоматического управления реактором, основанных на иных, чем традиционные, принципах.
В этом плане сделан вывод о том, что обеспечение температурных профилей потоков МВС и солей в реакторе является главной задачей управления.
Для решения главной задачи разработана ячеечная модель реактора, как объекта с распределенными параметрами, используемая при моделировании предлагаемых систем управления реактором и исследованиях, связанных с выбором их наилучшего варианта.
Всего промоделировано более 20 вариантов систем распределенного управления с получением более 400 переходных процессов в различных точках реактора и возможных кривых разгона объекта управления — реактора по различным каналам.
Ряд из предложеных системы распределенного управления может быть рекомендован для решения задачи высокоточного поддержания температурных профилей МВС и солей в реакторе. На один из вариантов подана заявка на патент.
Наряду с исследованием четких решений по управлению реактором рассмотрены и нечеткие алгоритмы его управлением, поскольку процессы, протекающие в реакторе, носят зачастую неопределенный характер в силу сложности химизма реакции, распределенности параметров по высоте реактора, измерения температур в потоках МВС и солей в дискретных точках, качественном суждении о ряде показателей работы реактора и др.
Построена нечеткая модель работы реактора на основе которой предложено решение главной задачи по высокоточному поддержанию температурных профилей потоков в реакторе и, как следствие, квазиоптимальному выходу малеинового ангидрида с реактора путем синтеза управляющих автоматов, воздействующих на соотношение БВС, подаваемой в реактор, и температуры «бани» по показаниям о положении и значении температуры «горячей точки» реактора.
Показаны пути технической реализации предложенных распределенных систем управления реактором на базе технических средств, имеющихся в производстве малеинового ангидрида КОС, с некоторой их модернизацией, а именно, применением для управления вместо контроллера Ломиконт 110 его модернизированного варианта Ломиконт ТМ, а также возможного решения с использованием многоканального преобразователя МИПШ711.
Для синтеза управляющих автоматов, реализующих нечеткие алгоритмы управления реактором, рекомендованы программные методы на основе универсальной программы логического управления, разработки кафедры АПП НИ РХТУ им. Д. И. Менделеева. Их реализация предполагается на ЭВМ класса Pentium IV.
Материалы исследований и разработок переданы на ООО «Оргсинтез» для их последующего использования и промышленного внедрения. Последнее позволит выйти на выход по малеиновому ангидриду с реактора на уровень близкий к 70−75% и сделать продукт предприятия конкурентноспособным.
Результаты исследований и разработок доложены автором на ряде Международных научных конференций и опубликованы в их материалах и трудах [6, 39, 40, 41].
