автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Анализ и синтез систем разделения с учетом оптимальной схемы управления

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Основные термины.

1.2. Программное обеспечение системы управления.

1.3. Автоматизация процесса ректификации.

1.4. Технологический расчет аппаратов разделения. Методы расчета.

1.5. Математическая модель ректификации.

1.6. Классификация и методы интенсификации работы теплообменного оборудования.

1.7. Расчет теплообменных аппаратов.

1.8. Экономический расчет синтеза схем разделения.

Выводы.

Глава 2. Основы проектирования схем разделения совместно с системой управления.

2.1. Системный анализ в решении задач синтеза схем

разделения.

Принципы разработки схем разделения.

Этапы проектирования схем разделения.

2.2. Выбор способа ведения процесса.

Оптимизирующие переменные процесса разделения.

Анализ свойств компонентов смеси.

Исследования и методы расчета равновесия смеси.

2.3. Выбор технологической схемы разделения.

Этапы задачи синтеза схемы разделения.

Задача синтеза теплообменной аппаратуры.

2.4. Технологический расчет единиц оборудования.

2.5. Выбор технологической схемы разделения с учетом системы управления.

Глава 3. Анализ и синтез систем автоматического управления схем разделения.

3.1. Принципы построения и расчета систем автоматического управления схем разделения.

3.2. Расчет настроек регуляторов в одноконтурной системе автоматического управления

3.3. Расчет настроек регуляторов в многоконтурных САР.

3.4. Системы регулирования объектов с запаздыванием и нестационарных объектов.

3.5. Предварительный выбор структуры системы регулирования и оценка параметров.

Выбор структуры САР и параметров регуляторов.

Способы определения параметров передаточных функций схемы регулирования.

Глава 4. Практическая реализация анализа и синтеза схем

разделения с учетом схемы управления.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Основные этапы проектирования технологических схем

разделения с учетом системы управления.

Выбор структуры ХТС.

Синтез системы автоматического регулирования.

Расчет системы автоматического регулирования.

Исходные данные для синтеза САР.

Анализ и синтез САУ.

Получение и исследование оптимальной САУ.

4.3. Расчет теплообменной аппаратуры.

4.4. Анализ и синтез технологической схемы разделения. 159 Расчет и выбор технологического оборудования.

Большой рост мощностей технологических установок привел к появлению ряда проблем, связанных с оптимальным использованием внешних и внутренних энергоресурсов.

Поэтому при проектировании новых крупнотоннажных производств особое внимание должно быть уделено созданию точных методов расчета технологических и конструктивных параметров.

Отсюда следует важность поиска новых способов анализа и синтеза схем разделения, совершенствования методов математического обеспечения и внедрения их в практику конструкторских и проектных работ.

В связи с этим разработка теоретических основ создания более эффективных технологических схем с низким энергопотреблением представляет собой актуальную задачу для целей проектирования сложных объектов химической технологии и имеет большое народо-хозяйственное значение.

В дайной работе предлагается разработка методики совместного анализа и синтеза схем разделения и схемы управления с учетом рекуперации тепла.

Данную проблему проектирования предлагается рассматривать в 3 этапа :

- анализ и синтез схемы разделения, без учета схемы управления;

- синтез схемы управления;

- совместный синтез схемы разделения и схемы управления.

Задача синтеза схемы разделения является многоуровневой проблемой и сформулирована следующим образом:

- необходимо определить стратегию получения целевых продуктов разделяемой смеси;

- топологию технологической схемы разделения при оптимальном значении критерия эффективности производства.

На этапе расчета технологической схемы необходимо учитывать математическое описание объекта. Математическая модель схемы разделения позволяет выбрать из возможного множества решений - оптимальное решение по экономическому критерию.

В общем виде задача синтеза схем разделения следующая: имеется смесь веществ заданного состава и определенных физико-химических свойств, которую необходимо разделить. Задача разработки технологической схемы заключается в выборе схемы G из множества вариантов схем.

В данной работе предлагается алгоритм поиска оптимального проектного решения, а в качестве критерия эффективности функционирования схемы приняты приведенные затраты. На основе критерия сформирована оценочная функция.

Проблема синтеза схемы разделения многокомпонентных смесей состоит в том, что количество возможных вариантов схем увеличивается экспоненциально с ростом числа продуктов и способов их получения.

Основная исследовательская работа была направлена на снижение размерности задачи и создание алгоритма синтеза схем разделения с учетом оптимальной схемы управления.

К методу синтеза, рассматриваемому в данной работе,применяются следующие требования:

- сокращение пространства поиска до "узкой " области вариантов,

- исключение необходимости генерации всех возможных вариантов схем,

- обеспечение условий сохранности оптимального варианта схемы (исключение потери в процессе синтеза).

В работе используется сочетание метода ветвей и границ (для установления допустимых границ критерия оптимальности и отыскания оптимальной структуры в этой области) с эвристической функцией оценки стоимости схемы разделения с учетом рекуперации тепла и синтезом оптимальной схемы управления. Исходной информацией на этапе синтеза является:

- анализ статических связей между технологическими потоками с целью определения возможности проектирования системы управления,

- анализ различных вариантов системы автоматического регулирования (САР) схем разделения,

- определение оптимальной схемы регулирования.

На этапе анализа вариантов САР необходимо выполнить следующие задачи:

- исследование динамических свойств проектируемого объекта управления;

- выбор и настройку регуляторов всей схемы разделения и проектирование алгоритмов управления;

- оценка качества регулирования спроектированной системы;

- проведение предварительной экономической оценки САР.

При использовании сравнительного анализа статических связей между входными и выходными технологическими потоками, с учетом взаимосвязей между параметрами управления необходим предварительный синтез системы автоматического управления.

Алгоритмически задача синтеза схем разделения состоит в разработке и выборе методов ее анализа, оценки и оптимизации. На этапе анализа необходимо составить уравнения математического описания, задать параметры схемы, и в результате получить информацию о технологических режимах полученной схемы разделения. Оценка состоит в совместном использовании информации с предыдущего этапа и экономических данных для определения целевой функции. Оптимизация состоит в поиске наилучшего выбора переменных схемы разделения.

Анализ показал, что традиционный подход на стадии проектирования схем разделения имеет следующий недостаток: на стадии генерации оптимальных вариантов схемы необходимо учитывать выбор наилучшей схемы ХТС-САУ, осуществляемой на стадии синтеза систем автоматического регулирования.

Не учет стадии синтеза автоматического управления приводит к потере оптимальной схемы разделения.

Выводы по работе.

1. Разработан алгоритм синтеза схем разделения с учетом совместного синтеза ХТС-САУ.

2. Произведена оценка статических связей для всей технологической схем разделения смеси непредельных углеводородов (С[ - С7).

3. Произведена оценка динамических свойств проектируемого технологического процесса.

4. Получено описание элементов схем ХТС-САУ в виде передаточных функций; на их основании выбраны и настроены параметры регуляторов.

5. Сгенерирована схема разделения совместно с системой автоматического управления.

6. Сформированы и проанализированы оптимальные и квазиоптимальные схемы разделения с учетом подбора теплообменной аппаратуры и с учетом спроектированного комплекса ХТС-САУ.

7. Использование на стадии синтеза схемы разделения непредельных углеводородов (Q - С7) процедуры синтеза системы автоматического управления позволило получить оптимальную схему разделения с экономией энергоресурсов более чем на 30%.

1. Анисгшов И. В., Бодров В. И., Покровский В. Б. Математическое моделирование и оптимизация ректификационных установок. М.: Химия, 1975. 216 с.

2. Анисимов И. В. Основы автоматического управления технологическими процессами нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. Л., Химия, 1967. 408 с.

3. Архипов Г.В. Автоматическое регулирование поверхностных теплообменников. М., Энергия, 1971. 304 с.

4. Балакирев В. С., Володин В. М., Цирлин А. М. Оптимальное управление процессами химической технологии. М.: Химия, 1978.384 с.

5. Баумштейн И. П. Автоматизированные системы управления тепловыми процессами в керамической и стекольной промышленности. JL: Стройиздат, 1979. 88 с.

6. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М., Наука, 1975. 767 с.

7. Борзенко И. М. Методология функционально-алгоритмического синтеза АСУТП. //Методические вопросы проектирования АСУ. М.: Энергоатомиздат, 1984.

8. Борзенко И.М. Адаптация, прогнозирование и выбор решений в алгоритмах управления технологическими объектами. М.: Энергоатомиздат, 1984. 144 с.

9. Вейцман К. Распределенные системы мини- и микро-ЭВМ. М.: Финансы и статистика, 1983. 382 с.

10. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. М., Энергия, 1980. 309 с.

11. Вольтер Б. В., Софиев А.Э., Шатхан Ф.А. Автоматизация производства полиэтилена. М.: ЦНИИТЭИприборостроения, 1968.68 с.

12. Гапеев В. В., Софиев А. Э. Функционально-алгоритмический синтез АСУТП химико-технологических производств непрерывного действия//Методические вопросы проектирования АСУ. М.: Энергоатомиздат, 1984.

13. ГропД. Методы идентификации систем. М.: Мир, 1979. 302 с.

14. Дудников Е.Г., Казаков А.В., Софиева Ю.Н., Софиев А.Э., Цирлин A.M. Автоматическое управление в химической промышленности. Под ред. Е.Г.Дудникова,. М.; 1987. 368 с.

15. Дудников Е.Г. Основы автоматического регулирования тепловых процессов. М.; Госэнергоиздат, 1956. 246с.

16. Дудников Е. Г.,Балакирев В. С.,Кривсунов В. П.,Цирлин А. М. Построение математических моделей химико-технологических объектов. JL: Химия, 1970. 312 с.

17. Дудников Е. Г., Левин А.А. Промышленные автоматизированные системы управления. М., Энергия, 1973. 193 с.

18. Дианов В.Г. Автоматизация в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М., Химия, 1968. 328 с.

19. Емельянов С. В. Системы автоматического управления с переменной структурой. М.: Наука, 1967. 256 с.

20. Изерман Р. Цифровые системы управления. М., Мир, 1984.

21. Йцкович Э. Л. Контроль производства с помощью вычислительных машин. М.: Энергия, 1975. 416 с.

22. Клюев А.С. Автоматическое регулирование. М., Энергия, 1973.391 с.

23. Клюев А.С., Глазов Б.В., Дубровский А.Х. Проектирование систем автоматизации технологических процессов. М., Энергия, 1973. 512 с.

24. Королев Л. Н. Структуры ЭВМ и их математическое обеспечение. М.: Наука, 1974. 255 с.

25. Кротов В. Ф., Гурман В. И. Методы и задачи оптимального управления. М.: Наука, 1973. 446 с.

26. Кулаков М. В. Технологические измерения и приборы для химических производств. М.: Машиностроение, 1983. 424 с.

27. Мартин Дж. Организация базы данных в вычислительных системах. М.: Мир. 1980. 312 с.

28. Мейер Б., Бодуэн К. Методы программирования, т. I. М.: Мир, 1982. 356 с.

29. Моисеев Н. Н. Вычислительные методы оптимального управления. М.: Наука, 1972. 394 с.

30. Мячев А. А. Организация управляющих вычислительных комплексов. М.: Энергия, 1980, 272 с.

31. Островский Г. М., Береэюинский Т. А., Беляева А. Р. Алгоритмы оптимизации химико-технологических процессов. М.: Химия,1978.294 с.

32. Перов В.Л. Основы теории автоматического регулирования химико-технологических процессов. М., Химия, 1970. 352 с.

33. Полоцкий Л.М., Лапшенков Г.И. Автоматизация химических производств. Теория, расчет и проектирование систем автоматизации. М.; Химия, 1982. 296 с.

34. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты хиимической и нефтехимической технологии. М.; Химия, 1975. 552 с.

35. Понтрягин Л. С; Болтянский В. Г., Гамкрелидзе Р. В., Мии^енко Е. Ф. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Физматгиз, 1961. 376 с.

36. Прангиилвили И. В. Микропроцессоры и локальные сети микро-ЭВМ в распределенных системах управления. М.: Энергоатомиздат, 1985. 272 с.

37. Ротач В. Я. Расчет настройки промышленных систем регулирования. М.: Госэнергоиздат, 1961. 340 с.

38. Рэй У. Методы управления технологическими процессами. М.: Мир, 1983.368 с.

39. Справочник по автоматизации и средствам контроля производственных процессов. Книга 5. М.: Недра, 1967. 956 с.

40. Справочник по автоматизации и средствам контроля производственных процессов. Книга 6, М.: Недра, 1972. 696 с.

41. Справочник проектировщика автоматизированных систем управления производственными процессами. /Под ред. Г. J1. Смилянского. М.: Машиностроение, 1983. 528 с.

42. Стефаны Е. П. Основы построения АСУТП. М.: Энергия, 1982.352 с.

43. Строганов Р. П. Управляющие машины и их применение. М.: Высшая школа, 1978. 264 с.

44. Теория автоматического управления. Часть 1/Под ред. А. В. Нетушила. М.: Высшая школа, 1976. 400 с.

45. Теория автоматического управления. Часть И. / Под ред. А. В. Нетушила. М.: Высшая школа, 1972. 432 с.

46. Теория автоматического управления. / Под ред. А. А. Воронова. М.: Высшая школа, 1986. 504 с.

47. Функционально-алгоритмический синтез АСУТП. Методические указания. МУ—25607—83. М.: Издательство стандартов, 1985. 168 с.

48. Цирлин А. М., Балакирев В. С., Дудников Е. Г. Вариационные методы оптимизации управляемых объектов. М.: Энергия, 1976. 372 с.

49. Цирлин А. М. Оптимальные циклы и циклические режимы. М: Энергоатомиздат, 1985. 265 с.

50. Цыпкин Я. 3. Основы теории автоматических систем. М.: Наука, 1977. 560 с.

51. Численные методы условной оптимизации/Под ред. Ф. Гилла и У. Мюррей. М.: Мир, 1977. 290 с.

52. Шенброт И. М., Антропов М. В., Давиденко К. Я. Распределенные АСУ технологическими процессами. М.: Энергоатомиздат, 1985. 240 с.

53. Шински Ф. Системы автоматического регулирования химико-технологических процессов. М.: Химия, 1974. 330 с.

54. Шкатов Е. Ф. Автоматизация промышленной и санитарной очистки газов в химической промышленности. М.: Химия, 1981.86 с.

55. Эрриот П. Регулирование производственных процессов. М.: Энергия, 1967. 480 с.

56. Юсифов С. И. Особенности архитектуры и структуры микропроцессоров и микро-ЭВМ и их классификация. //Управляющие системы и машины. 1984. № 6.

57. Кафаров В.В., Перов В.Л., Мешалкин В.П. Принципы математического моделирования химико-технологических систем. М.: Химия, 1974. 344 с.

58. Кафаров В.В., Мешалкин В.П., Перов В.Л. Математические основы автоматизированного проектирования химических производств. М.: Химия, 1979. 320 с.

59. Кафаров В.В., Перов В.Л., Бобров Д.А. Метод выбора оптимальной структуры тепловых подсистем химических производств на основе термоэкономического принципа. // Докл. АН СССР.1978. т. 239, №2, с. 398-400.

60. Кафаров В.В., Перов В.Л., Иванов В.А., Бобров Д.А. Системный подход к оптимальному проектиованию ХТС. //ТОХТ. 1972. т.6, №6. С. 908-913.

61. Кафаров В.В., Перов В.Л., Иванов В.А., Бобров Д.А. Декомпозиция ХТС с произвольной структурой.// Докл. АН СССР.1972. т. 207, №1, с. 142-145.

62. Гордеев Л.С., Кафаров В.В., Бояринов А.И. Оптимизация процессов химической технологии. М.: МХТИ, 1972. 251.с.

63. Кафаров В.В., Ветохии В.И. Основы автоматизированного проектирования химических производств. М.: Наука, 1987.521 с.

64. Кафаров В.В., Дорохов КН. Системный анализ процессов химической технологии: Основы стратегии. М.: Наука, 1976. 500с.

65. Кафаров В.В., Ветохин В.Н. Декомпозиционный метод расчета технологических схем выделения целевых продуктов.// Изв. Вузов.Химия и хим. технология 1984.т.27,вып.4.с.470-474.

66. Кафаров В.В., Бояринов А.И., Ветохин В.Н. Моделирование ректификационных установок в системе автоматизированного проектирования ХТП. // Нефтепереработка и нефтехимия. 1975.Вып.9.с.81-103.

67. Кафаров В.В., Бояринов А.И. Стратегия синтеза сложных схем ректификации многокомпонентных смесей.// Автоматизация химических производств. НИИТЭХИМ, 1975. Вып.6. с.36-41.

68. Кафаров В.В., Ветохин В.Н. Синтез технологически; схемы разделения многокомпонентных смесей с рекуперацией тепла материальных потоков.// Докл. АН СССР. 1981. т.258, №3. с.702-706.

69. Комиссаров Ю.А., Гордеев Л.С., Вент Д.П. Основы конструирования и проектирования промышленных аппаратов. М.: Химия, 1997. 366 с.

70. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Наука, 1987. 315с.

71. Варгафтик Н.Б. Теплофизические свойства газов и жтдкостей. М.: Гостоптехиздат. 1960.

72. Гималеев М.К., Теляков Э.Ш., Покровский В.Б. Совместное проектирование ректификационного объекта и системы управления.// ТОХТ. т.26, №2, 1992.312 с.

73. Горбатов B.C. Логическое управление технологическими процессами. М.: Энергия, 1978. 274с.

74. Демиденко Н.Д., Ушатинская Н.П. Моделирование, распределенный контроль и управление процессами ректификации. Новосибирск: Наука, 1978. 286с.

75. Демиденко Н.Д., Ушатинская Н.П. Моделирование, распределенный контроль и управление процессами ректификации. Новосибирск: Наука, 1978. 286с.

76. Поспелов Д. А. Большие системы. Ситуационное управление. М.: Знание, 1975. 356с.

77. Рид Р., Шервуд Г. Свойства газов и жидкостей. Л.:Химия, 1982.

78. Справочник по теплообменникам.т.2.М.: Энергоатомиздат, 1987.352 с.

79. Танаторов М.А., Кондратьев А.А. и др. Проектирование установок первичной перегонки нефти. М.: Химия, 1976.,245с.

80. Татевский В.М. Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов. М.: Гостоптехиздат. 1960.

81. Теляков Э.Ш., Сергеев А.Д., Матюшко Б.Н., Резванов В.Н. Исследование работы блока газоразделения установки каталитического риформинга. Известия ВУЗов, нефть и газ, 1977,№3, с.53-57.

82. Химмелъблау Д. Обнаружение и диагностика неполадок в химических нефтехимических процессах. Л.: Химия, 1973. 382с.

83. Холланд Ч.Д. Многокомпонентная ректификация. М.: Химия, 1969. 349 с.

84. Эберт К., Эдерер X. Компьютеры. Применение в химии. М.: Мир,1988, 286с.

85. James W.Hobbs. Constraint control of a Fractional distillation process. US Patent; 4,400,239. август № 23, 1983.

86. R.G. Franks. Modelling and simulation in Chemical Engineering. Wiley, N.Y., 1972.

87. E.Hale, J.Pick, V.Fried. Vapor-Liquid Equilibrium. Pergamon Press, 1958.

88. R. V. Orye, J.M. Prausnit. Multi-Component Equilibrium. Ind. Eng, Chem., 57; №5, 1965.

89. E.J. Smoker. Analitic Determination of Plates in Fractionating Columns. Trans AIChE, 1938, 34, 165.

90. P.L. Lee, G.R. Sullivan. Generic Model Control. Сотр. Chem. Eng., 1988, 12, 573.