close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Математические модели стадии синтеза производства этаноламинов и разработка оптимальных систем коррекции его фракций на основе хроматографической диагностики.

код для вставкиСкачать
на правах рукописи
ПЕНКИН Константин Владимирович
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СТАДИИ СИНТЕЗА ПРОИЗВОДСТВА
ЭТАНОЛАМИНОВ И РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНЫХ СИСТЕМ
КОРРЕКЦИИ ЕГО ФРАКЦИЙ НА ОСНОВЕ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ
ДИАГНОСТИКИ
Специальность 05.11.13 – "Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий"
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Дзержинск – 2014 г.
2
Работа выполнена на кафедре «Автоматизация и информационные системы»
(АИС) Дзержинского политехнического института (филиал) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального
образования (ФГБОУ ВПО) «Нижегородский государственный технический университет имени Р.Е. Алексеева» (ДПИ НГТУ).
Научный руководитель:
Официальные оппоненты:
САЖИН Сергей Григорьевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры АИС ДПИ НГТУ, г. Дзержинск Нижегородской области.
ФИРСТОВ ВЛАДИМИР ГРИГОРЬЕВИЧ,
доктор технических наук, профессор
БЕССОНОВ Сергей Геннадьевич, кандидат
технических наук.
Ведущая организация:
ФГУП «НИИ химии и технологии полимеров
имени академика В. А. Каргина»
Защита диссертации состоится «28» мая 2014 года в 12 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 520.010.01 при ЗАО «Научно-исследовательский
институт интроскопии МНПО «Спектр» по адресу: 119048, г. Москва, ул. Усачева,
д. 35, стр. 1.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке НИИ интроскопии,
МНПО «Спектр».
Автореферат разослан «__» апреля 2014 года.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу совета: 119048, г. Москва, ул. Усачева, д. 35, стр. 1, ученому секретарю диссертационного совета Д 520.010.01.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
д.т.н., профессор
Н. Р. Кузелев
3
I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования
Производство этаноламинов имеет глубокую историю, начиная с середины
позапрошлого века. Значение этаноламинов объясняется их широкими возможностями при получении растворителей и ПАВ, гербицидов, цементов, моющих средств
и других продуктов.
Производством этаноламинов занимаются крупные фирмы США и Западной
Европы, например, компании DOW CHEMICAL (США), компании BASF и INEOS
OXIDE (Европа).
В России крупными производителями этаноламинов являются «Казаньоргсинтез» (г. Казань) и ОАО «Синтез» (г. Дзержинск).
Производство этаноламинов весьма сложный технологический процесс,
включающий большое количество аппаратов-реакторов, теплообменников, ректификационных колонн, насосов и других видов оборудования. В укрупненном плане
это производство можно подразделить на две стадии, а именно, стадию синтеза и
стадию ректификации.
Исследованиями в области неразрушающего контроля и технической диагностики процессов и оборудования занимаются такие ученые как Клюев В. В., Ковалев А. В., Матвиенко Г. Г., Фирстов В. Г., Иванов В. И., Артемьев Б. В., Евлампиев А. И., Сажин С. Г., Наумов В. И.
В области автоматического контроля процессов проводили исследования и
разработки такие ученые, как Кафаров В.В., Пухов Г.Е., Лбов Г.С., Эйкхофф П., Адлер Ю.П., Петрович М.А., Балакирев В.С., Фрэнкс Р., Бояринов А.И., Беллман Р..
Проблемы проведения процессов получения этаноламинов исследовались и
изучались подробно в организации ГИПХ (г. Санкт-Петербург).
Настоящая диссертационная работа посвящена задаче оптимизации стадии
синтеза, в ходе реализации которой происходит получение этаноламина при взаимодействии окиси этилена и аммиака
В зависимости от спроса рынка возникает задача реализации моноэтаноламина (МОЭ), диэтаноламина (ДЭЭ) или триэтаноломина (ТЭА). Разделение этаноламинов на фракции осуществляется на стадии ректификации. Но частичное разделение может быть реализовано и на стадии синтеза. В этом случае резко снижаются
энергетические до 9 % и временные затраты до 20 % при окончательном разделении
этаноламинов на стадии ректификации.
В ходе выполнения работы использовались результаты хроматографического
анализа как метода технической диагностики.
Исследования, которые выполнены в рамках настоящей работы, базируются
на обширном экспериментальном материале, математическом моделировании и технической диагностике.
4
Объектом исследования является непрерывный технологический процесс
получения этаноламинов на стадии синтеза.
Предметом исследования являются математические модели стадии синтеза
этаноламинов, алгоритмы решения задач коррекции состава этаноламинов, многоконтурные системы коррекции и их алгоритмы.
Цель работы: повышение эффективности стадии синтеза производства этаноламинов путем введения корректирующих контуров, обеспечивающих последовательно максимальное содержание моноэтаноламина (диэтаноламина) в реакционной
смеси перед ее окончательным разделением на основе технической хроматографической диагностики процесса.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие
задачи:
1. Выявление особенностей процесса получения этаноламина на стадии синтеза.
2. Выполнение корреляционного и регрессионного анализа процесса синтеза и
определение статических характеристик процесса по основным каналам диагностики.
3. Разработка математических моделей реактора-смесителя и реактора вытеснения, а также алгоритмов управления узлами синтеза этаноламина на основе методов технической диагностики.
4. Разработка приборно-программного аналитического комплекса как средства
технической диагностики.
5. Разработка программно-технического комплекса на основе современных
информационных технологий.
Методы исследования.
В процессе решения поставленной задачи в работе использовались: методика
обработки экспериментальных данных, корреляционный анализ стадии синтеза, метод последовательного регрессионного анализа, метод оптимизации для нахождения
оптимальных значении фракций этаноламина.
Научная новизна.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Получены адекватные математические модели процесса синтеза этаноламинов, представляющие собой уравнения регрессии, отличающиеся тем, что на их основе осуществляется прогнозирование состава реакционной смеси.
2. Доказано, что принятая кинетическая схема оксиэтилирования аммиака и
полученные на ее основе уравнения кинетики процесса не противоречат эксперименту и позволили построить адекватную детерминированную математическую модель узла синтеза.
3. Получена математическая модель основного реактора-смесителя в виде
дифференциальных уравнений, позволяющая оценить параметры состояния объекта
и оптимизировать состав смеси этаноламинов.
4. Предложен приборно-программный аналитический комплекс, позволяющий
с учетом критерия оптимизации обеспечить на выходе узла синтеза максимальное
5
значение
моноэтаноламина
(диэтаноламина).
Положительное
решение
№ 2013154829/04 (085607) от 10.12.2013 г. на выдачу патента.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
По результатам диссертационной работы, определен новый подход к повышению эффективности производства этаноламинов за счет экономии энергоресурсов и
временных затрат. Получено положительное решение Роспатента на выдачу патента
на новый способ формирования фракций этаноламина. Диссертационные материалы
используются в учебном процессе в рамках дисциплины «Автоматизация технологических процессов и производств» и «Моделирование систем управления» кафедры «Автоматизация и информационные системы» Дзержинского политехнического
института (филиала) Федерального государственного бюджетного образовательного
учреждения высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «Нижегородский государственный технический университет имени Р.Е. Алексеева» (ДПИ
НГТУ).
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы, полученные в диссертационной
работе докладывались на XXVI Международной научной конференции «Информационные системы и технологии» (г. Нижний Новгород), XIX Международной конференции «Будущее технической науки» (г. Нижний Новгород), XX Международной конференции по неразрушающему контролю и технической диагностики (г.
Москва), Международной конференции «Education and science without borders» (г.
Мюнхен).
Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 17 печатных работ, в т.ч. четыре статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Результаты анализа процесса синтеза производства этаноламинов, показавшие необходимость обеспечить на стадии синтеза максимизацию одной или двух
фракций этаноламина.
2. Результаты статистических исследований объекта управления, доказавшие
наибольшую эффективность каналов диагностики и выявившие подходы к оптимизации параметров объекта.
3. Система технической диагностики и оптимального управления процессом
синтеза производства этаноламинов и алгоритм коррекции фракций этаноламинов,
позволившие снизить энергетические и временные затраты на стадии ректификации.
4. Приборно-программный аналитический комплекс, состоящий из двух контуров коррекции фракций этаноламинов и алгоритма управления, обеспечивающий
эффективную их работу на основе метода технической диагностики.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,
четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 131 наименование и 4
приложений.
Работа изложена на 183 страницах машинописного текста, содержит
51 рисунка и 13 таблиц.
6
II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении объяснена актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и основные задачи исследования, определена научная новизна и
практическая значимость полученных результатов, обоснована их достоверность,
приведены научные конференции, на которых докладывались и обсуждались результаты работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассматривается технологический процесс получения этаноламинов как объект управления. В основу производства положена технология получения этаноламинов из окиси этилена и аммиака с использованием продуктов реакции в качестве катализаторов основной реакции. По указанной выше технологии
синтез этаноламинов может производиться при следующих параметрах: давление от
1,40 до 3,50 МПа, температура от 40 до 70 °С, мольное отношение аммиака и окиси
этилена, поступающих в зону реакции, от 8 : 1 до 30 : 1 (рисунок 1).
Все стадии технологического процесса решены по непрерывной схеме. В основе технологического процесса положена реакция оксиэтилирования аммиака.
Синтез этаноламинов осуществляется в безводной среде с использованием
продуктов реакции моноэтаноламинов в качестве катализатора. Процесс проводится
в двух реакторах: реакторе смешения и реакторе вытеснения, работающих при
мольном избытке аммиака. Аппаратурное оформление процесса позволяет осуществлять интенсивный теплосъем в зоне реакции и обеспечить устойчивое протекание
процесса в широком диапазоне соотношений исходных компонентов в зоне реакции.
Принятый диапазон концентраций исходных компонентов в зоне реакции и предусмотренный возврат моноэтаноламина позволяет свести к минимуму образование
триэтаноламина и дает возможность регулировать соотношение образующихся моно- и диэтаноламинов в соответствии с требованиями конъюнктурного рынка.
Основное количество избыточного аммиака отделяется от реакционной смеси
в испарителе при давлении синтеза и температуре до 130 °С и возвращается в зону
реакции.
Аммиак, отделенный в испарителе при давлении 0,9 – 1,55 МПа, конденсируется и возвращается на синтез. Аммиак, отделенный на стадии десорбции, возвращается на синтез после абсорбции возвратного моноэтаноламина. Отгонка возвратного моноэтаноламина осуществляется в испарителе при температуре 120 – 160 °С и
абсолютном давлении 10 – 71 кПа.
Этаноламин HO–CH2CH2–NH2 (2-аминоэтанол) – органическое соединение,
представитель класса аминоспиртов, густая маслянистая жидкость, смешивается с
водой во всех отношениях, обладает сильными щелочными свойствами. В промышленности синтез этаноламина проводится присоединением аммиака к оксиду этилена (ОЭ):
(СН2)2O + NH3 → HOCH2CH2NH2
Наряду с моноэтаноламином при этом получаются диэтаноламин и триэтаноламин.
8 – испаритель; 9 – теплообменник; 10 – емкости
1 – реактор-смеситель; 2, 3, 5 – насосы; 4 – теплообменник; 6 – реактор вытеснения; 7 – сепаратор;
Рисунок 1 – Принципиальная схема процесса синтеза этаноламинов:
7
8
При анализе технологического процесса производства этаноламинов можно
выделить две его основные стадии: стадию синтеза и стадию ректификации. Настоящая работа посвящена исследованию и математическому моделированию стадии синтеза. Эта стадия важна тем, что в ходе ее реализации можно управлять составом реактора-смесителя и влиять на фракции моноэтаноамина, диа- и триаэтаноламина. В зависимости от конъюнктуры рынка возникает задача обеспечить максимальную долю одной из фракций на стадии синтеза с тем, чтобы на стадии ректификации снизить энергетические затраты и повысить производительность процесса
производства. Такая задача четко сформулирована в первой главе.
В этой же главе подробно проанализировано состояние уровня технической
диагностики и автоматизации и установлено, что в процессе контроля не эффективно обеспечено аналитическое измерение параметров фракций этаноламинов промышленными анализаторами, что не позволяет решить базовую задачу – разделение
реакционной массы на составляющие. Это объясняется отсутствием в процессе производства средств промышленного неразрушающего технического контроля состава
фракций этаноламинов.
Все это свидетельствует о необходимости использования в системе управления математических моделей и алгоритмов, которые будут способствовать созданию
систем коррекции состава этаноламинов с учетом метода технической диагностики.
Во второй главе «Исследование и идентификация процесса синтеза этаноламинов как объекта управления методами статического анализа. Синтез
оптимального управления» рассмотрен технологический процесс синтеза этаноламинов, который реализован в последовательно соединенных реакторах непрерывного действия: реактор-смеситель (PC) и реактор вытеснения (РВ), – и представляет
собой многомерный объект с внутренним и внешним рециклами проведения сложных последовательно-параллельных реакций. Системный анализ процесса синтеза
как объекта управления с большим числом одновременно и совокупно действующих
факторов выполнен с помощью статистических методов: корреляционного и регрессионного анализа.
Для изучения статических характеристик объекта управления использовалcя
метод пассивного контроля квазистатики стадии синтеза. Исходная статистическая
выборка была получена в процессе нормальной эксплуатации объекта и включала
n = 170 результатов наблюдений.
Объект управления представлен в виде схемы на рисунке 2.
Рисунок 2 – Обобщенная принципиальная схема процесса
синтеза этаноламинов
9
Здесь вектор Y(Y1, Y2, Y3) – вектор целевых параметров объекта, вектор
U(X1, X2, X3, X4) – вектор параметров управления, а векторы ХР(Х5, Х6) и ХС(Х7, Х8) –
векторы параметров состояния реактора и смесителя.
Исследования объекта выполнили на основе корреляционного анализа связей
между параметрами многофакторного процесса синтеза этаноламинов.
В результате получена матрица парной корреляции основных параметров
(таблица 1).
Таблица 1 – Матрица коэффициентов парной корреляции.
Расходы, м3/час
Х1
ОЭ
NH3
Х1
Х2
Температура, °С Давление
МЭА Пар
Х3
Х4
Рн
Рв
См
См
Х5
Х6
Х7
Х8
Соотношение,%
МЭА ДЭА ТЭА
Y1
Y2
Y3
1
Х2 0,596
1
Х3 0,645 0,556
1
Х4 0,552 0,161 0,352
1
Х5 0,557 0,381 0,310 0,247
1
Х6 0,524 0,281 0,153 -0,200 0,952
1
Х7 0,373 0,388 0,645 0,282 0,277 0,125
1
Х8 -0,030 0,146 0,363 0,024 -0,070 -0,160 0,611
1
Y1 -0,610 -0,220 -0,250 -0,390 -0,380 -0,440 -0,220
0,228
1
Y2 0,341 0,087 -0,051 0,176 0,151 0,249 -0,190
-0,150
-0,380
Y3 0,594 0,227 -0,125 0,401 0,400 0,423 0,335
-0,190
-0,920 0,157
1
1
С учетом полученной информации о корреляционных связях между факторами представим блок-схему объекта управления (рисунок 3).
10
Рисунок 3 – Блок-схема объекта управления
с учетом корреляционных связей
Видно, что основными каналами управления составом реакционной смеси на
входе из стадии синтеза являются расход окиси этилена (ОЭ), температура в верхней и нижней части реактора вытеснения.
Статические характеристики объекта по статистически значимым каналам
управления приведены в виде графиков, на которых представлены наблюдаемые
значения выходных параметров в зависимости от входных факторов (рисунки 4 – 6).
– МЭА;
– доля МЭА-ОЭ
Рисунок 4 – Доля МЭА в продукте перед разделением
в зависимости от подачи ОЭ в узел синтеза:
уравнение регрессии Y1 = 62,0599 – 6,0553 ∙ X1;
коэффициент детерминации D = 0,3708; критерий Фишера F = 99,022
11
– ТЭА;
– доля ТЭА-ОЭ
Рисунок 5 – Связь между долей ТЭА в продукте перед разделением
и подачей ОЭ в узел синтеза:
уравнение регрессии Y3 = 10,2407 + 5,4613 ∙ X1;
коэффициент детерминации D = 0,3529; критерий Фишера F = 91,624
– ДЭА;
– дДЭА-PРС
Рисунок 6 – Доля ДЭА в продукте перед разделением
в зависимости от подачи ОЭ в узел синтеза:
уравнение регрессии Y2 = 45,23 – 0,215 ∙ X7;
коэффициент детерминации D = 0,0382; критерий Фишера F = 6,672
Корреляционный анализ обнаружил существование статистически значимых
связей между входными параметрами процесса (U, ХР и ХС) что указывает на мультиколлинеарность исследуемой статистической выборки. Наличие мультиколлинеарности не позволяет применить для идентификации объекта классический множественный регрессионный анализ. Для устранения или уменьшения влияния мультиколлинеарности статистики использована процедура последовательного (пошагового) регрессионного анализа.
В результате получена математическая регрессионная модель объекта управления, имеющая лучшие статистические характеристики:
12
Y1  67,74  5,196  X 1  0,108  X 5  3,28;

Y2  25,778  1,332  X 1  1,55;
Y  8,471  5,796  X  0,088  X  0,394  X  3,033.
1
3
2
 3
Полученная регрессионная модель, отражающая связи состава реакционной
смеси с входными параметрами и параметрами состояния объекта управления, пригодны для целей прогнозирования состава продукта синтеза и для управления составом в зависимости от спроса.
Критерием оптимизации является максимальное содержание требуемого компонента, например, моноэтаноламина Y1 в реакционной смеси.
Блок-схема алгоритма поиска экстремального состава продукта представлена
на рисунке 7.
Рисунок 7 – Блок-схема алгоритма поиска экстремального состава продукта
Для поиска оптимальных режимов управления в более широком диапазоне
изменения параметров производства необходима разработка детерминированной
математической модели объекта.
В третьей главе «Математическая модель процесса синтеза этаноламинов
и создание алгоритмов оптимального управления объектом» рассмотрены мате-
13
матические модели реактора-смесителя и реактора вытеснения, составляющие основу функционирования стадии синтеза этаноламинов.
Основу математической модели реактора-смесителя составляют кинетический
блок и балансовые уравнения по компонентам реакционной смеси.
Блок-схема модели реактора смесителя представлена на рисунке 8.
Блок-схема позволяет четко определить входные факторы объекта, параметры
состояния и выходные параметры процесса, а также конструкционные и технологические параметры и все взаимосвязи параметров в процессе производства. Блоксхема также является основой при решении системы с помощью численных методов
интегрирования.
Рисунки 8 – Блок-схема модели реактора-смесителя:
Т – температура в реакторе, °С; V – объем реактора, м3; [ОЭ], [NH3], [МЭА],
[ДЭА], [ТЭА] – концентрации компонентов реакционной смеси в реакторе, кг/м3;
Fоэвх, Fоэвых, FNH3вх, FNH3воз, FNH3вых, Fмэавх, Fмэавых, Fдэавых, Fтэавых – входные и выходные потоки по компонентам, кг/ч
14
На основании блок-схемы запишем математическую модель реакторасмесителя.
 dОЭ
вх
вых
V dt  Fоэ  Fоэ  V K1ОЭ  K 2 ОЭМ ЭА  K 3 ОЭДЭА ,

V dNH3   F вх  F воз  F вых  VK ОЭ,
NH 3
NH 3
NH 3
1

dt

воз
вых
V dМ ЭА  Fмэа
 Fмэа
 V K1ОЭ  K 2 ОЭМ ЭА,

dt
 dДЭА 
вых
V
 V K 2 ОЭМ ЭА  K 3 ОЭДЭА   Fдэа
,

dt
 dТЭА
вых
V
 VK 3 ОЭДЭА   Fтэа
.
dt

Начальные условия

ОЭ(t  0)  ОЭ0 , NH3 (t  0)  NH3 0 , М ЭА(t  0)  М ЭА0 ,
ДЭА (t  0)  0, ТЭА(t  0)  0.

 Fоэвх  Fоэвых  V K1ОЭ  K 2 ОЭМ ЭА  K 3 ОЭДЭА   0,
 вх
воз
вых
 FNH 3  FNH 3  FNH 3  VK1ОЭ  0,
 воз
вых
 Fмэа  Fмэа  V K1ОЭ  K 2 ОЭМ ЭА  0,

вых
V K 2 ОЭМ ЭА  K 3 ОЭДЭА   Fдэа  0,
VK ОЭДЭА   F вых  0.
тэа
 3
Для разработки полной математической модели узла синтеза необходимо дополнительно построить математическую модель реактора вытеснения, которая
представляет собой систему дифференциальных уравнений в частных производных,
причем независимыми переменными являются время (t) и координата длины (высоты) реактора (х).
Блок-схема математической модели (рисунок 9) реактора вытеснения включает кинетический блок и балансовые уравнения по компонентам реакционной смеси.
Кинетический блок отражает реакции взаимодействия ОЭ с этаноламинами (МЭА и
ДЭА), а балансовые соотношения записываются для ОЭ и этаноламинов (МЭА,
ДЭА, ТЭА) как для реактора идеального вытеснения.
15
Рисунок 9 – Блок-схема математической модели реактора вытеснения:
ω – линейная скорость потока реакционной смеси внутри реактора вытеснения, м/ч; х – линейная координата по длине (высоте) реактора, м
На основании полученной блок-схемы можно записать следующую математическую модель реактора вытеснения для синтеза этаноламинов:
16
E
E
 ОЭ
 2
 3
ОЭ
RT
RT
ω
 K 20e
 ОЭМ ЭА  K 30e
 ОЭДЭА   0

x
 t
E
 М ЭА
 2
М ЭА
RT

ω

K
e
 ОЭМ ЭА  0

20

t

x

E
E
 ДЭА 
 2
 3
ДЭА 
RT
RT
ω
 K 20e
 ОЭМ ЭА  K 30e
 ОЭДЭА   0

x
 t

E3
 ТЭА  ω ТЭА  K e  RT  ОЭДЭА   0
30
 t
x

Начальные условия
[ОЭ( x)]0 , [М ЭА( x)]0 , [ДЭА ( x)]0 , [ТЭА( x)]0

Граничные условия
[ОЭ( x  0)], [М ЭА( x  0)], [ДЭА ( x  0)], [ТЭА( x  0)]
Начальные условия определяются при t = 0. Граничные условия задаются концентрациями соответствующих компонентов в реакционной смеси на входе в реактор вытеснения (РВ) из реактора-смесителя (PC).
В равновесном (установившемся) режиме работы реактора вытеснения математическая модель будет представлена обыкновенными дифференциальными уравнениями с независимой переменной – координатой длины (высоты) реактора:
E
E
 dОЭ
 2
 3
RT
RT
 K 20e
 ОЭМ ЭА  K 30e
 ОЭДЭА   0
ω
dx

E
 dМ ЭА
 2
RT
ω

K
e
 ОЭМ ЭА  0

20

dx

E3
E2
ω dДЭА   K e  RT  ОЭМ ЭА  K e  RT  ОЭДЭА   0
20
30

dx

E
 3
 dТЭА
RT
 ОЭДЭА   0
ω dx  K 30e
Полученные выше математические модели реактора-смесителя и реактора вытеснения с распределенными параметрами составляют основу для моделирования
стадии синтеза этаноламинов, которая реализована в виде каскада реакторов смешения и вытеснения.
С использованием математической модели реактора-смесителя и с целью получения уравнений замкнутой системы объекта с управлением, модель должна быть
дополнена уравнением регулятора подачи окиси этилена:
Tр1 
dМЭА
 МЭА  k р1  Fоэвх
dt
 
зад

 Fоэвх ,
где Tp1 и kp1 – параметры ПИ-регулятора.
Критерием оптимальности является, как было показано в главе 2, максимальное значение одного из компонентов реакционной смеси на выходе из реактора, чаще моноэтаноламин:
I = [МЭА] →max.
17
Оптимальный состав реакционной смеси на выходе из узла синтеза достигается регулированием температуры в реакторе вытеснения за счет подачи пара.
В четвертой главе «Реализация оптимального управления процессом
коррекции состава этаноламинов» рассматривается система технической диагностики и автоматизации процессом управления этаноламинов и делается вывод о необходимости ее усиления за счет применения промышленных многокомпонентных
анализаторов компонентов этаноламина.
В связи с этим в диссертации приведена классификация многокомпонентных
аналитических систем. На этой основе для задачи коррекции состава этаноламинов
выбран поточный хроматографический комплекс Mark II фирмы Yokogawa, включающий не только сам хроматограф, но и аналитическую шину, обеспечивающих
эффективную техническую диагностику.
Реализация разработанных математических моделей и алгоритмов обеспечивается созданным в настоящей работе приборно-программным аналитическим комплексом, который включает два аналитических контура технической диагностики и
автоматического регулирования (рисунок 10). В состав приборно-программного
комплекса включены также промышленно-поточные хроматографы типа MARK II
как средства технической диагностики.
Рисунок 10 – Принципиальная схема приборно-программного
аналитического комплекса стадии синтеза в производстве этаноламинов
В первом контуре комплекса на основе хроматографической информации о
составе фракций этаноламина микропроцессорный контроллер с эксклюзивной программой на основе детерминированной математической модели обеспечивает регулирование расхода окиси этилена с целью формирования на выходе реакторасмесителя в соответствии с целевой функцией максимального значения концентрации моноэтаноламина.
18
Решение поставленной задачи на базе математической модели, полученной
для стационарного состояния объекта, позволяет осуществлять поиск оптимума путем численного решения системы нелинейных алгебраических уравнений.
Критерием оптимальности является, как было показано в главе 2, один из
компонентов реакционной смеси на выходе из реактора, чаще моноэтаноламин:
I = [МЭА] → max.
Алгоритм корректировки подачи ОЭ в реактор-смеситель в общем виде можно
представить (рисунок 11):
Рисунок 11 – Алгоритм корректировки подачи ОЭ в реактор-смеситель:
S – погрешность расходомера ОЭ
Второй контура комплекса обеспечивает регулирование расхода пара на основе регрессионной математической модели с целью уточнения концентрации моноэтаноламина на выходе стадии синтеза.
Оптимальный состав реакционной смеси на выходе из узла синтеза (после аппарата вытеснения) достигается регулированием температуры в реакторе вытеснения за счет подачи пара, определяемой с помощью регрессионной математической
модели:
[МЭА] = 66,450 – 6,4655 Fпарвх,
полученной в ходе статистического анализа объекта управления, и затем преобразованной относительно расхода пара в уравнение:
Fпарвх = 10,2776 – 0,0,1505 [МЭА],
Алгоритм управления подачей пара в реактор вытеснения представлен на рисунке 12.
19
Рисунок 12 – Алгоритм управления подачей пара в реактор вытеснения
Важным звеном приборно-программного аналитического комплекса (ППАК)
служит промышленный хроматограф GC 1000 MARK II, обеспечивающий первичную функцию технической диагностики. Благодаря наличию клапана ввода жидкой
пробы реакционной смеси этаноламинов и уникального испарителя становится возможным анализ фракций этаноламинов. Выходной сигнал GC 1000 MARK II в виде
аналогового сигнала поступает в управляющую станцию хроматографа и далее после преобразования в цифровую форму поступает в контур регулирования расхода
ОЭ.
Хроматографический комплекс GC 1000 MARK II, как основное средство технической диагностики, имеет специализированное программное обеспечение, позволяющее получить на выходе информацию о процентном составе фракций этаноламинов. Это программное обеспечение согласовано с программным обеспечением
микропроцессорных контроллеров. Эксплуатация, обслуживание и техническая настройка значительно упрощена благодаря реализации эффективного интерфейса и
программного обеспечения Maintenance Terminal.
При каждом анализе фракций этаноламинов проводится предварительная
внутренняя диагностика хроматографического комплекса, результаты которой отображаются на экране.
20
В хроматографе используется анализаторная шина, которая позволяет строить
единую систему обслуживания. Выходная информация анализаторной шины с помощью сетевого серсера и специализированных плат используется для формирования выходных команд и выполнения других функций. Анализаторная шина при организации промышленного аналитического мониторинга, например, в производстве
этаноламинов позволяет создать эффективную техническую диагностику процесса.
Хроматограф GC 1000 MARK II обеспечивает контроль концентрации фракций этаноламинов в диапазоне от 10 ppm до 100 %. Воспроизводимость показаний
± 1 %.
Таким образом, хроматографический комплекс GC 1000 MARK II, обеспечивая первичную техническую диагностику фракций этаноламина, в соответствии с
алгоритмом обработки математической модели микропроцессорным контроллером,
способствует эффективной работе приборно-программного аналитического комплекса по технической диагностики процесса и коррекции фракций этаноламинов.
Управление технологическим процессом и его диагностикой реализовано на
основе программно-технического комплекса с использованием микропроцессорного
контроллера Simatic SM – 400, разработано программное обеспечение системы
управления с обеспечением функционирования приведенных выше алгоритмов коррекции фракций этаноламинов.
Результаты экспериментальных исследований показали улучшение точностных показателей процесса за счет внедрения предложенных решений на основе
хроматографической диагностики.
III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Разработаны математические модели реактора-смесителя и реактора вытеснения, позволяющие обеспечить функционирование приборно-программного аналитического комплекса и коррекцию состава этаноламинов.
2. Разработаны алгоритмы поиска экстремального состава этаноламина на основе метода технической диагностики хроматографического комплекса и коррекции
его фракций, обеспечивающие получение на выходе стадии синтеза максимального
значения (> 70 %) моноэтаноламина как наиболее востребованного на рынках.
3. Благодаря созданию в ходе настоящей работы приборно-программного аналитического комплекса и решению задачи коррекции моноэтаноламина до 70 %
обеспечено снижение энергозатрат на стадии ректификации на 9 % и уменьшения
временных затрат на получение фракции моноэтаноламина на 15 %, что позволило
обеспечить увеличение выпуска товарной продукции на 5 %.
4. Получено положительное решение Роспатента на созданный приборнопрограммный аналитический комплекс. Теоретические результаты работы и алгоритмы управления переданы для внедрения на промышленном предприятии. Созданный приборно-программный аналитический комплекс внедрен в учебный процесс на кафедре «Автоматизация и информационные системы» ДПИ НГТУ.
21
IV. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ОПУБЛИКОВАННЫ В РАБОТАХ
В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Пенкин, К. В. Идентификация процесса синтеза этаноламинов как объекта
управления [Текст] / К. В. Пенкин, С. Г. Сажин // Журнал «Фундаментальные исследования», – 2013 г. № 10 (часть 1). – С. 2440 – 2444. (Соискатель – 60 %)
2. Пенкин, К. В. Математическа модель реактора-смесителя стадии синтеза
этаноламинов [Текст] / К. В. Пенкин, С. Г. Сажин // Журнал «Современные проблемы науки и образования»,– 2013 г. № 6. (Соискатель – 50 %)
3. Пенкин, К. В. Блок синтеза этаноламинов и его математическая модель для
задачи управления процессом / К. В. Пенкин, С. Г. Сажин // Журнал «Фундаментальные исследования», – 2013 г. № 11. – С. 1147 – 1149. (Соискатель – 50 %)
4. Пенкин, К. В. Исследование управляемости и устойчивости системы управления стадией синтеза этаноламинов / К. В. Пенкин // Журнал «Современные проблемы науки и образования», – 2013 г. № 6.
В трудах Международных и Всероссийских конференций, зачитываемых
ВАК при защите диссертаций (Постановление Правительства РФ № 475 от 20
июня 2011 г., п. 10):
5. Пенкин, К. В. Аналитический контроль технологических процессов производства этаноломинов [Текст] / К. В. Пенкин, С. Г. Сажин // Pullishing House
«Eclucation and Science», – 2013 г. – С. 7 (Соискатель – 80 %)
6. Пенкин, К. В. Информационное обеспечение системы управления стадией
синтеза производства этаноламинов [Текст] / К. В. Пенкин, С. Г. Сажин // Сборник
докладов XIX Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии». Н. Новгород, – апрель, 2013 г. – С. 207. (Соискатель –
80 %)
7. Пенкин, К. В. Экологический мониторинг процесса получения этанолапинов [Текст] / К. В. Пенкин, С. Г. Сажин // Сборник докладов XX Всероссийской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика». Москва, – март, 2014 г. – С. 4 (Соискатель – 80 %)
8. Пенкин, К. В. Идентификация процесса синтеза этаноламинов как объекта
управления методом регрессионного анализа [Текст] / К. В. Пенкин, С. Г. Сажин //
Сборник докладов XII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки». Н. Новгород, – май, 2013 г. – С. 419. (Соискатель – 80 %)
9. Пенкин, К. В. Информационные средства аналитического контроля в системе коррекции состава этаноламина [Текст] / К. В. Пенкин // Сборник докладов XIII
Международной научно-технической конференции «Информационные системы и
технологии». Н.Новгород, – апрель, 2014 г. – С. 45. (Соискатель – 80 %)
10. Пенкин, К. В. Алгоритмы управления процессом коррекции составом этаноламинов [Текст] / К. В. Пенкин // Сборник докладов XIII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки».
Н.Новгород, – май, 2014 г. – С. 45.
22
В других изданиях:
11. Пенкин, К. В. Технологический процесс производства этаноламинов и его
особенности как объекта управления [Текст] / К. В. Пенкин, С. Г. Сажин // Журнал
«Современная наукоемкие технологии», – 2013 г. № 2. – С. 29 – 32. (Соискатель –
80 %)
12. Пенкин, К. В. История развития методов и средств измерения /
К. В. Пенкин, С. Г. Сажин // Журнал «Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований», – 2013 г. № 5. – С. 19 – 21. (Соискатель – 80 %)
13. Пенкин, К. В. Инструментальный контроль технологического процесса
производства этанорламинов / К. В. Пенкин, С. Г. Сажин // Журнал «Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований», – 2013 г. № 12. –
С. 20 – 31. (Соискатель – 80 %)
14. Пенкин, К. В. Синтез оптимального управления процесса получения этаноламинов методами математического программирования на основе регрессионных
моделей объекта [Текст] / К. В. Пенкин, С. Г. Сажин // Журнал «Europen journal of
natural history», – 2013 г. № 4. – С. 21 – 24. (Соискатель – 80 %)
15. K. V. Penkin The ethanolamine synthesis unit mathematical model and the production optimal control Basic diagram at the synthesis stage [Text] // K. V. Penkin,
S. G. Sazhin // «International journal of applied and fundamental research», – 2013 г. № 2.
(Соискатель – 80 %)
16. Пенкин, К. В. Мониторинг процесса синтеза этаноламинов [Текст] /
К. В. Пенкин,
А. И. Кульков
//
Журнал
«Международный
журнал
экспериментального оборудования», – 2013 г. № 11. – С. 77 – 81. (Соискатель –
80 %)
Патентные материалы:
17. Положительное решение о выдаче патента на полезную модель по заявке
№ 2013154829/04 (085607) от 10.12.13
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа