автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация управления технологическими процессами разделения газов в промышленности

На правах рукописи

СВЕРДЛОВА ОЛЬГА ЛЕОНИДОВНА

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специальность 05.13.06 — Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005548286

1 5 МАЙ 2014

Иркутск - 2014

005548286

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ангарская государственная техническая академия» (ФГБОУ ВПО «АГТА») на кафедре высшей математики

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Евсевлеева Лариса Геннадьевна,

кандидат химических наук, доцент Асламова Вера Сергеевна, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения», профессор кафедры «Безопасность жизнедеятельности и экологии» Кузнецов Борис Федорович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Иркутская государственная сельскохозяйственная академия», профессор кафедры «Электрооборудования и физики»

ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Защита состоится «19» июня 2014 г. в 13.00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д. 218.004.01 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университете путей сообщения» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, ауд. А-803; тел. (8-3952) 63-83-11; тел. (8-3952) 38-7607; факс (8-3952) 38-76-72.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» и на сайте www: http://www.irgups.ru.

Автореферат разослан «5» мая 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного ^ Данеев Алексей Васильевич

совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современной химической, газовой, нефтеперерабатывающей, горнодобывающей, металлургической промышленности адсорбционные процессы широко используют дня глубокой очистки и сушки технологических потоков, улучшения качества сырья, воздуха, получения кислорода и т.д. Адсорбция также занимает ведущее место среди способов защиты биосферы от промышленных выбросов. Поэтому развитию и совершенствованию технологических процессов (ТП), основанных на адсорбции, в настоящее время уделяется большое внимание как в нашей стране, так и за рубежом.

Одним из путей решения указанной проблемы является автоматизация управления ТП разделения газов, которая позволяет поддерживать технологические параметры в заданных пределах, обеспечивающих максимальную эффективность процесса. Выявление параметров технологического процесса и их оптимальных значений составляет решение одной из задач автоматизированного управления исследуемых ТП.

В настоящее время определение значений таких параметров, интервала их изменения осуществляется в основном путем физического моделирования, однако полный учет всех факторов в условиях физического моделирования приводит к значительным затратам. Поэтому для описания химико-технологических процессов в целях управления ими целесообразно использовать математические модели.

Математические модели, используемые для описания адсорбционных процессов, в качестве примеров рассматривают решетку с симметричной и однородной пространственной структурой, под эти свойства подходят металлы платиновой группы (Р1,Рс1,1г). Существенный вклад в разработку таких моделей адсорбции внесли отечественные ученые: А.Г. Макеев, Н.Л. Семендяеева, Е.Е. Еленин, Ю.К. Товбин, Г.А. Чумаков, М.М. Слинько, В.Д. Беляеев, М.Г. Слинько и др. Однако при этом не рассматривается последующий процесс - хемосорбции (взаимодействия адсорбированного вещества с поверхностью), являющийся необходимым условием в технологических процессах разделения газов. Для изучения процессов хемосорбции необходима реакционная поверхность, т.е. поверхность, которая сама является реак-тантом.

Исходя из изложенного, разработка программного комплекса моделирования процесса адсорбции с последующей хемосорбцией и расчета управляемых параметров, как подсистемы автоматизированной системы управления (АСУ) химико-технологическими процессами разделения газов, является актуальной и практически значимой.

Цель работы — разработка подсистемы моделирования и определения комплекса параметров управления технологическими процессами разделения газов.

з

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать современное состояние моделирования и автоматизации технологических процессов разделения газов в отечественной и зарубежной промышленности.

2. Разработать математическое описание процесса адсорбции кислорода с последующей хемосорбцией на неоднородной поверхности адсорбента.

3. Разработать алгоритм расчета скорости адсорбции кислорода на неоднородной поверхности адсорбента.

4. Разработать программный комплекс моделирования процесса адсорбции и определения параметров управления, как подсистемы АСУ ТП.

5. Разработать программное обеспечение определения параметров управления процесса на основе современных средств программирования.

6. Провести параметрический синтез системы управления технологическим процессом разделения газов и установить степень адекватности разработанной модели.

Объект исследования: технологические процессы, основанные на разделении

газов.

Предмет исследования: подсистема моделирования и определения параметров в АСУ ТП.

Методы исследования: теория моделирования технологических процессов, теория стохастических систем, теория проектирования автоматизированных систем управления. Использовано следующее программное обеспечение: ОС: Microsoft Windows 8; среда визуального программирования Embarcadero RAD Studio ХЕЗ (Delphi ХЕЗ); MS Visio 2010 (векторный и графический редактор для диаграмм и блок-схем).

Научную новизну работы составляют и на защиту выносятся следующие результаты:

1. Математическая модель процесса адсорбции газа на неоднородной поверхности адсорбента, отличающаяся от ранее предложенных учетом стадии взаимодействия контактирующих фаз. Математическая модель построена с использованием стохастического подхода на масштабном уровне отдельных центров адсорбции.

2. Методика моделирования адсорбции газа на неоднородной поверхности адсорбента.

3. Алгоритмы расчета параметров управления в технологическом процессе разделения газов.

4. Методика определения комплекса параметров управления в технологическом процессе разделения газов.

Практическая значимость:

1. Теоретические положения реализованы в виде программного комплекса для ПК, позволяющего определять эффективные параметры управления технологических процессов разделения газов в АСУ ТП.

2. Результаты исследования позволяют существенно снизить затраты энергии на изменение давления в технологических процессах разделения газов.

3. Материалы диссертации могут быть использованы в учебном процессе подготовки бакалавров и магистров по автоматизации технологических процессов в химической технологии и повышению квалификации работников Ангарской нефтехимической компании (ОАО «АНХК»),

Реализация результатов работы: основные результаты диссертационной работы планируются к внедрению на адсорбционную установку для разделения газов в условиях цеха обеспечения ремонтов ТЭЦ-10 ОАО «Иркутскэнерго». Материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедре «Автоматизация технологических процессов» ФГБОУ ВПО «АГТА».

Достоверность основных теоретических положений и полученных научных результатов подтверждается соответствием полученных в результате программного расчета параметров управления известным научным фактам и ранее построенным эвристическим моделям, апробированным на практике.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях «Современные технологии и научно-технический прогресс» в Ангарской государственной технической академии (2009-2013), Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2010, Харьков, 2012, Ангарск, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи, изданных в журналах, рекомендованных ВАК, без соавторов опубликовано 4 работы. В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад автора составляет от 40 до 75 %.

Структура и объем работы. Диссертация включает введение, 3 главы, выводы, список использованной литературы (109 наименований) и три приложения. Общий объем диссертации составляет 117 страниц, в том числе 40 рисунков и 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы и приведена общая характеристика диссертации с тезисным изложением основных положений и результатов работы, обозначены цель и задачи исследования.

В главе 1 проведен обзор существующих современных отечественных и зарубежных разработок в организации технологических процессов разделения газов, проведен анализ автоматизированных систем и способов управления ТП разделения

5

газов. Дано краткое описание способов организации короткоцикповых безнагревных адсорбционных процессов (КБА).

В основе короткоцикловых безнагревных адсорбционных процессов разделения и очистки газов, как бы сложны ни были их современные реализации, лежит схема, предложенная в 1960 году американским изобретателем Скарстромом. На рис. 1 представлена схема работы установки Скарстрома. Установка включает в себя два адсорбера А, автоматические клапаны к, дроссель о и два обратных клапана КО, пропускающих поток газа только в обратном направлении. Весь процесс А делится на две фазы, последовательно происходящие в каждом аппарате: адсорбцию и десорбцию. Такие установки используют при разделении азота и кислорода.

Рис. 1. Принципиальная технологическая схема установки разделения газовой смеси по Скарстрому (БСК - более сорбирующийся компонент;

МСК - менее сорбирующийся компонент) Принцип действия подобной установки применительно к процессу разделения газовой смеси заключается в следующем. Исходная смесь вводится в коллектор с помощью клапанов К,,К„. В момент времени, когда открыты клапаны К,,К„ ,КО,, клапаны ки, К,', ко„ закрыты. Исходная смесь через клапан К, поступает в адсорбер А1, заполненный адсорбентом, который селективно поглощает один (несколько) из компонентов исходной газовой смеси. Через обратный клапан КО, выходит смесь, концентрированная менее сорбирующимся компонентом (МСК). Часть смеси, насыщенной МСК, дросселируется до атмосферного давления в дросселе О и противоточно выводится в адсорбер А„.

Взаимодействие смеси МСК с адсорбентом, насыщенным более сорбирующимся компонентом (БСК) в течение предшествующей стадии адсорбции, приводит

к десорбции БСК и регенерации адсорбента. Через клапан Ки сбрасывают смесь БСК. Переключение клапанов осуществляется через равные промежутки времени.

При использовании этой схемы азот производится при давлении выше атмосферного, что приводит к значительному энергопотреблению. Сокращение затрат энергии на изменение давления и сокращение времени выхода процесса на стационарный режим можно добиваться не только оптимизацией технологического процесса в рамках изменения физических параметров (физического моделирования), что приводит к значительным затратам, но и моделируя процесс адсорбционного разделения газов. Сорбционные процессы, протекающие в адсорберах установки КБА, являются основой адсорбционного разделения газов. Поэтому адекватное математическое описание сорбционных процессов в адсорберах является приоритетной задачей математического моделирования процесса КБА в целом.

Анализ современного состояния в области математического моделирования процессов адсорбции показал:

1. Процессы адсорбции протекают на трех масштабных уровнях:

- масштаб слоя 1 м);

- масштаб зерна (а КГ3 -«);

- масштаб отдельных центров адсорбции (»Ю-7 -1(Г9 м).

2. Основные характеристики процесса, такие как концентрация и потоки, испытывают значительные флуктуации при переходе отточки к точке внутри слоя или адсорбционных центров.

3. В математическое описание вводятся только дифференциальные уравнения, описывающие кинетику адсорбции, и не рассматривают допущения о равновесии в системе газ-адсорбент.

4. Для анализа адсорбционных процессов выгодно использовать стохастические модели к подходу моделирования, учитывающие флуктуации естественным образом.

5. При адсорбции воздуха на микропористых адсорбционных системах и малом времени контакта кислород адсорбируется лучше, чем азот, что объясняется чисто кинетическим эффектом.

На основании этих выводов сформулирована цель и поставлены основные задачи исследования.

В главе 2 представлена математическая модель адсорбции газа с последующей хемосорбцией на неоднородной поверхности адсорбента, разработан алгоритм расчета скорости процесса. Представлены внутренние и внешние параметры модели. Сформулирована методика моделирования процесса адсорбции газа на неоднородной поверхности адсорбента.

В качестве адсорбента выбран моносульфид железа (РеЗ), в качестве адсорба-та— кислород (02). Кристаллическая решетка моносульфида железа неоднородна по пространству, но имеет симметричную структуру, и в отличие от исследованных примеров вступает в реакцию с кислородом.

Механизм окисления ГеБ проходит в соответствии с теорией мономолекулярной адсорбции Ленгмюра, моделью решеточного газа, центры адсорбции которого расположены в узлах идеальной квадратной решетки, и состоит из Nacl = 5 элементарных стадий:

1) +(*), +(*), -►Си, +0^ - адсорбция Ог;

2) +(Р)ЫС1 + (*),+(*), - десорбция 02;

3) (ОЦ, +(4 Т+(«■), + (*), - образование ЗОг\

4) (О),*, + (,)J -> (*), + (О)^ - миграция О;

5) (о)Ыс , + (Ре), н» (РеО), - образование РеО,

где (*),, (*)1 - свободные узлы решетки с номерами г и у; у е <ал(;), где оД/) — множество узлов решетки, расположенных на расстоянии п-ого соседства от узла с номером /; (ои;, - адсорбированные частицы в узле /'; (02 )еа! - молекулы в газовой фазе. Первые две стадии описывают обмен между молекулами газовой фазы и поверхностью кристалла, третья и пятая стадии описывают изменение фрагмента поверхности решетки. Миграция частиц происходит за счет индивидуальных «прыжков» в соседние пустые узлы. Все стадии, кроме пятой, являются двухузель-ными, пятая стадия — одноузельная. Условия проведения реакции задаются температурой Т [к] поверхности кристалла, а также парциальным давлением реагента в газовой фазе Рог. При этом принимается ряд допущений: адсорбцию частиц кислорода в узлах решетки, содержащих 5 и Ре, считать событиями равновероятными; миграцию адатома кислорода считать возможной только для узла решетки, содержащего 5. Латеральные взаимодействия влияют только на скорости элементарных стадий и не приводят к образованию упорядоченных состояний в адсорбционном слое.

Для построения модели используется стохастический подход. Выбор данного подхода обусловлен следующими факторами:

1) стохастический подход учитывает флуктуации естественным образом, которые вблизи бифуркационных (критических) точек способны смещать непредсказуемым образом ход эволюции макроскопических характеристик реакционной системы;

2) реакция происходит в системе с малым объемом реагирующих частиц;

3) каждой реализации ее входных данных соответствует вероятностное распределение выходных данных.

Реакция рассматривается как случайный марковский процесс с дискретным множеством состояний для потока элементарных событий, проходящих на фрагменте 0{м,и) идеальной квадратной решетки моносульфида железа ^еЯ). Элементарными событиями являются акты 1) - 5) из кинетической схемы, которые разыгрываются на конечном двумерном фрагменте 0{м,и) идеальной квадратной решетки, содержащем ¿ = М -ЛГ узлов, с периодическими граничными условиями. Состояние фрагмента решетки £(/) в момент времени г определяется совокупностью чисел заполнения 3,(1) всех его узлов (/ = Пл). Каждое состояние принимает одно из значений:

, ч \0-если узел ¡пуст, •г, =$,(/)=<

[1 -если узел/занятадатомом.

Каждый узел < фрагмента квадратной решетки имеет четыре первых и четыре

вторьк соседних узла, принадлежащих множествам со,(/) и ш2(г) соответственно

(рис. 2 (а)). При осуществлении двухузельного элементарного акта активированный

комплекс занимает сразу два соседних узла / и у. Для пары (/,_/) первые и вторые

идеальные узлы принадлежат множествам со,(/,у) и с>2(',_/) (рис. 2(6)):

ш I ('. -/) = : к е ш 1 (')и ш2 ОХк * »>к ф У}•

<а2(<',у') = {к : к е й>2(;)ио)2(/), к 1 <о,(/), к г <»,(/)}, у с <»,(/), / = 1,1\ \ сПтЦ (/, у)) = 6, сНт(со2 (/, у))= 4, о, (/', у) о е>2 (/, у)=0.

2 1 2

1 1

2 1 2

2 1 1 2

1 2 ; 1 I 1 1 2

а) б)

Рис. 2. Первые и вторые соседние узлы: а) для узла »; б) для пары (',_/)

Полная группа событий, происходящих в узле с номером /", определена следующим образом:

1) адсорбция кислорода;

2) десорбция кислорода;

3) хемосорбция (образование Б02 для узла решетки, содержащего 5);

4) миграция адатома кислорода (для узла решетки, содержащего 5);

5) хемосорбция (образование FeO для узла решетки, содержащего^).

Вычисление скоростей элементарных актов проводится на основе теории абсолютных скоростей реакций. Константы скоростей вычисляются по формуле Арре-ниуса:

Ка =ка -ехр(-рЕа\ а = \,Ыаа, где р = 1/(лг); Л-универсальная газовая постоянная; ка,Еа — предэкспоненциальный множитель и энергия активации стадии с номером а. Предполагается, что энергии активации элементарных актов могут зависеть от локального окружения узла или узлов, в котором (которых) они происходят. Зависимость учитывается с помощь энергетических параметров взаимодействий Еат)р, где а - номер стадии а = 1,Л^(, ц - номер соседства (п = 1,2 ), р - сорт адсорбированной частицы ( р е {*, о}). Считается, что отрицательные (положительные) значения этих параметров соответствуют отталкивающим (притягивающим) взаимодействиям активированного комплекса с соседними адсорбированными частицами.

Скорости элементарных актов определяются текущим состоянием фрагмента и вычисляются по формулам (1):

1) ^ 0,7,= - /Г, • (0) 8, (0) - /,,

2) Г20,7,')=АГ2-5,(1)5/1)-/2,

3)КзО,у,/)=^-5((1)5у(1)-/3, (1)

4)К4(/,у,/)=К4-8,(1)5,(о)-/4>

5) У, (', У, /) = • 5, (1) ■ /5, у е ш, (,), / = и;

1, если = р,

О, если в I * р, Р

( , \ Л --[ю (/), при га = 5,

/„=ехр Р Е Е Е84(р)Бал , л = 1,2, рЩМ^, ¿6 п _

V п к р ) [о>п (/, у), при а = 1,4.

Так как рассматриваемый процесс предполагает один сорт адсорбированных частиц, то формулы расчета скорости элементарных актов (I) принимают вид:

1) У,(и.')=Р<н.8,(0)5у(0).ехр^.Е Е5*(/>К.}.

2) М'.Л'Мг-^8,(1)5,(О-ехр^-Е Е8,(р)е2„].

3) Г3(/,у,|) = *э-е^ -бДОбДО-ехр^-Е Е84Ыез„]. (2)

( 1

4) К4(/,у,"т ■5/0)8у(О)• ехр • Е Е8,(р)е4

'441 т, к

г ,

5) /)=*,■* *г8,(1)-ехй —-Е Е5к{р)е,ц1

\К' Л '

Рассматриваемый дискретный марковский процесс подчиняется основному кинетическому (управляющему) уравнению:

ю

Л х'

где {.?} — множество всевозможных состояний фрагмента решетки; р(з,/)

— вероятность реализации состояния 5 в момент времени /; — новое состояние, которое может быть получено из 5 в результате осуществления одного из элементарных актов; — частоты переходов, вычисляемые по формулам расчета скорости элементарных актов.

Неоднородность поверхности кристалла можно учесть с помощью математической модели структуры поверхности, которая основана на строении кристаллической решетки. Кристаллическая решетка моносульфида железа симметрична по структуре и представляет собой чередование узлов 5 и Ее, что позволяет рассматривать поверхность данной решетки в виде матрицы размером тх п :

«11 а12 • ■ ац ■

°2| а1г • ■ "и • ■ а2п

а!\ "а " " аи ' "¡л

ат2 ■ "щ/ ■ атп,

(4)

где для индексов ¡ = 2к- = 2к-1, к & N и / = 2Лг,у = 2к,ке N элемент аи соответствует узлу решетки, в котором находится Я. Для индексов i = 2k-\,j = 2k,k^N и / = 24,_/ = -1, к с N элемент а0 соответствует узлу решетки, содержащему Ре, где / = 1,от;у = \,п. Элементы матрицы аи могут принимать одно из значений: , если з, (г) = О, если я, (/) = 1,

Осуществление элементарного акта адсорбции в узле с номером < предполага-

{0, О. 111 — V, * \

^ ул _ 1 где я, (/) — состояние узла решетки в момент времени /. Осущес

ет наличие двух соседних свободных узлов

'. Для элемента ац матрицы

(4) элементарный акт адсорбции возможен при условии, что ач =0, и равен нулю один из элементов локального окружения, представленного на рис. 3.

Осуществление элементарного акта десорбции в узле решетки с номером /

предполагает наличие двух занятых узлов .у, у (/)=•{ ' ' Для элемента аи матрицы

(4) элементарный акт десорбции возможен при условии, что а= 1, и равен единице один из элементов локального окружения, представленного на рис. 3.

Оц-1 -- а,} -а,И1

Рис. 3. Локальное окружение элемента ау матрицы (4) Стадия образования ВО-, возможна, если узел / занят и занят один из соседних

узлов = '' при условии, что узел / содержит Возможность осуществления данного элементарного акта для элемента ац матрицы (4) предполагает проверку следующего условия: ау = \, индексы которого принимают значения: / = 2А - 1,у = 2А — 1 или /' = 2к,у =2к, где ¿сЛ7; / = 1,т;у = 1,л, и равенство единице одного из четырех соседних элементов (рис. 3). Если элемент а9 является граничным, то число ближайших соседей может быть равным двум или трем.

Миграция адатома кислорода с узла решетки с номером / предполагает наличие занятого и свободного узла 5,у(/)=где узел < содержит Для элемента

а,у матрицы (4) элементарный акт миграции возможен при условии, что а. = 1, и равен нулю один из элементов локального окружения, причем индексы элемента ач принимают значения: / = 2 к- 1,у = 2к-\ или / = 2 к,} = 2к, где к е Л';/ = \rn\j = ¡7л.

Стадия образования РеС) является одноузельной и возможна при условии, что узел I занят .9,(') = 1 и содержит Ре. Возможность осуществления данного элементарного акта для элемента а^ матрицы (4) предполагает проверку следующего условия: ац =1, где 1 = 2к -1, у = 2к ИЛИ / = 2£,у = 2А-1, где /V; ; = 1^;у = 1

Энергия активации для двухузельных элементарных актов зависит от локального окружения активированного комплекса. Возможные конфигурации расположения активированного комплекса для элемента а0 матрицы (4) представлены на рис. 4. Количество элементов, входящих в локальное окружение активированного комплекса, зависит от граничности его расположения. Для внутреннего расположения одной из конфигураций активированного комплекса <-а0, локальное окружение представлено на рис. 5.

Энергия активации одноузельного элементарного акта зависит от локального окружения узла активированного комплекса, расположенного в узле /'. Для внутреннего расположения элемента аи матрицы (4), локальное окружение изображено на рис. 6. Число элементов, входящих в локальное окружение, зависит от граничности расположения активированного комплекса.

12

Рис. 4. Возможные конфигурации раположения активированного комплекса для элемента ач матрицы (7)

а1-1}-2 С>1-1]-1 0/-1/ Ощп

<*1-1И Ом/ °1-Ц+1

а1*ц-г а:*11 01+11+1 Рис. 6. Локальное окружение

\

Оь1}-2 ам/-1 аМ1 Рис. 5. Локальное окружение

активированного комплекса активированного комплекса а^

Основное кинетическое уравнение (3) представляет собой систему линейных ОДУ, однако его непосредственное решение с помощью аналитических и численных методов не представляется возможным, отдельные реализации рассматриваемого случайного процесса можно получить с помощью имитационного метода моделирования. Один из вариантов этого метода состоит из следующих этапов, представленных в виде алгоритма:

1. Задание состояния фрагмента. Состояние фрагмента 5(о) либо соответствует полностью незанятой поверхности, либо формируется после случайного «разбрасывания» по узлам фрагмента заданного числа частиц кислорода.

2. Вычисление скоростей элементарных актов. Пусть в текущий момент времени /, фрагмент находится в состоянии По формулам расчета скоростей элементарных актов (2) определяется скорость для каждого узла решетки.

3.Расчет скорости процесса. Значение скорости реакции Ук для данного состояния фрагмента вычисляется в результате осреднения по всем узлам фраг-

4. Определение времени нахождения системы в текущем состоянии. Время ожидания т представляет собой случайную величину, распределенную по показательному закону с плотностью распределения /(?.)- при т>0Д>0, где Х = — сумма всех скоростей элементарных актов. Розыгрыш непрерывной

£

ЬУ,

мента, т.е. Кя = ь]—, где Ь = М-Ы.

(5)

случайной величины х, распределенной с плотностью

вероятности /(*) |/(*)л = 1

производится согласно лемме, лежащей в основе метода Монте-Карло:

5= !/(*>&,

(6)

где £ — случайное число, равномерно распределенное в интервале (0,1). Таким образом, для плотности распределения /(х)=х е'и имеем:

(7)

Описанный стохастический алгоритм имитирует микроскопические процессы на решетке. Отличие построенного алгоритма от уже существующих состоит в вычислении скорости процесса, включающего стадию взаимодействия контактирующих фаз. Учет стадии взаимодействия контактирующих фаз стал возможным благодаря математической модели структуры поверхности. При этом возникает необходимость оценки реального времени нахождения системы в текущем состоянии (т.е. для одного цикла).

Блок-схема полученного алгоритма с учетом построенной математической модели представлена на рис. 7.

Полученную модель можно оценить как использование стохастического подхода для расширения возможности описания элементарных процессов адсорбции, десорбции и поверхностных реакций на неоднородной поверхности. Представленный материал следует рассматривать не как попытку описать конкретные экспериментальные данные, а как изложение общего подхода и исследование модельного примера. Общий характер этого вывода очевиден. Для конкретного наполнения необходима информация о механизме реакций, о кинетике протекания, о соотношении между числами элементарных и линейно независимых реакций. Для гетерофаз-ных реакций такую информацию получить проблематично.

Данный метод позволяет исследовать процессы, происходящие на участках поверхности, содержащих от 10" до 106 узлов. Это число не является макроскопическим, но оно достаточно большое для того, чтобы результаты, полученные данным методом, считать практически достоверными.

Несмотря на большую общность стохастического подхода в теории адсорбции, именно такой подход позволяет легко осуществить изучение различных явлений пространственно-временной организации на границе раздела фаз, вследствие чего дальнейшая разработка стохастического подхода является перспективной.

С^ Начало

с последующей хемосорбцией на поверхности моносульфида железа: в блоке 1 выполняется расчет скорости адсорбции У1 для элемента а,у, изменение параметров е = /(/),,? = /(у); в блоке 2 выполняется расчет скорости образования

<Ю2(к3) для элемента а0 при / = 2£ -1, у = 2£ -1, & е //, изменение параметров е = /(/'),£ = <р0); в блоке 3 выполняется расчет скорости миграции V, для элемента а:/ при I = 2к у = 2кк с- N, изменение параметров е- /(/),# = фОЬ в блоке 4 выполняется расчет скорости образования ЯеО(к5) для при ; = 2/с - 1,у = 2А, изменение параметров е = /(/). 1Г = ф(/)! в блоке 5 выполняется расчет скорости образования РеО (к5) для элемента аи при ¡ = 2к,у = 2к -1, изменение параметров е = /(;),^ = <р(у); в блоке 6 выполняется расчет скорости образования 5<Э2(К3) Л*1* элемента а,-, при ¡ = 7к,] = 2к, изменение параметров с = /(')> ё = ф(/)"> в блоке 7 выполняется расчет скорости миграции К4 для элемента аи при 1 = 2к, у = 2£.

При исследовании взаимодействие с окружением учитывается только на стадиях образования 302 и РеО, причем е211 =е221 =е, езп = е321 =ъо°с, е4ц = е421 = ео"\ е5И =е521 =г"ас, также не учитывается десорбцияОг(кг =о). Значения внутренних параметров модели процесса адсорбции указаны в таблице 1. Значения внешних параметров таковы: Р02 =10"5 Па, Т = 298А", Я = 8,31(44)Дж/(моль-к). Варьировалось давление ра , число узлов решетки I, константа скорости миграции, степень заполнения поверхности 0.

Таблица 1 — Значения внутренних параметров модели процесса адсорбции

а к Еаг|1

"а Дж/моль Дж/моль

1 3,5 108 0 0

2 0 0 0

3 2-Ю9 78000 -4100

4 5 0 0

5 6,0-10' 110000 -4100

В главе 3 рассматривается программный комплекс расчета параметров управления технологического процесса разделения газов, структурная схема которого приведена на рис. 8. Программный комплекс расчета параметров управления ориентирован на решение следующих основных задач:

1. Формирование состояния фрагмента (подпрограмма формирования состояния фрагмента).

2. Расчет скорости процесса по введенным параметрам: предэкспоненциаль-ному множителю, энергии активации каждой элементарной стадии; парциальному давлению, температуре, универсальной газовой постоянной (подпрограмма расчета скорости процесса).

3. Определение модельного времени нахождения системы в текущем состоянии (подпрограмма расчета модельного времени).

4. Определение зависимости изменения скорости процесса от количества узлов поверхности (программный модуль «Уя = v(l)(0-cos/)»), от степени заполнения поверхности (программный модуль «К* = v(e)(L-cosi)»), от парциального давления (программный модуль « Уя = У(Р(,2)(/. - cos /) »).

5. Определете зависимости времени нахождения системы в текущем состоянии от степени заполнения поверхности (программный модуль «х = х(в)(ь- const)»).

6. Определение влияния изменений внутренних и внешних параметров на скорость процесса (подпрограмма изменения параметров).

Рис. 8. Структурная схема программного комплекса расчета параметров управления Использование программного обеспечения осуществляется следующим образом: на первом этапе задаются параметры процесса, моделируется состояние фраг-

мента в текущий момент времени и рассчитывается скорость по узлам фрагмента, осреднекная скорость процесса за время т в зависимости от параметров построенной модели.

На втором этапе предоставляется выбор исследования влияния внутренних и внешних параметров на скорость процесса. При этом система автоматически определит зависимость влияния и построит графики соответствующих изменений.

Для корректного определения управляемых параметров необходимо, чтобы построенная модель была адекватна реальному процессу. Для этого была проведена серия исследований, имитирующих процесс адсорбции кислорода на поверхности моносульфида железа. В результате проведенных исследований произведена оценка влияния различных параметров на характер протекания процесса адсорбции кислорода на неоднородной поверхности и как следствие процесса адсорбционного разделения газовых смесей:

1) время контакта кислорода с поверхностью моносульфида железа;

2) изменение давления на реакционную систему;

3) объемный расход адсорбента;

4) степень покрытия адсорбента чистым продуктом.

Проведенные имитационные исследования позволяют сделать вывод о зависимости скорости реакции Кя от количества узлов фрагмента и степени заполнения поверхности 8. И в первом, и во втором случае зависимость носит обратный характер:

Изменение не оказывает существенного влияния на скорости процессов, происходящих на поверхности, соответственно не изменяет средних характеристик процесса. Такое поведение системы закономерно: реакционная способность исследуемого процесса преобладает над диффузионной.

Флуктуации скорости физико-химических процессов наблюдаются на фрагменте, содержащем от ста до тысячи узлов, и достаточно заметны на фрагменте, содержащем до пяти тысяч узлов. С увеличением размеров фрагмента роль спонтанных флуктуаций становится менее значимой. Влияние латеральных взаимодействий между адсорбированными частицами на скорость процесса зависит не только от размеров решетки, но и от степени заполнения поверхности 9 и достигает максимума при 8=50%, отклонение в среднем составляет ст = ±25%(рис. 9).

^=/(1/0).

(В) (9)

Ьпеатш

•ф Мсдау.'рогамие ярочесс.1 «дсо^ци/. Р«сч«т Злгмлмигь решехчу * ' __

' Ларянетаы1 Гра^поР02 1 ГрвОикI»стет-е***' П»*к1»ра»«ву ;кр,реи*тча 1 Осоо«-«;

1000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000 8 000 9 000 10 000|

в)

Рис. 9. Зависимость скорости реакции от степени заполнения фрагмента: а) в = 25%; б) в = 50%; в) в = 75%.

С увеличением степени заполнения поверхности система начинает входить в стадию устойчивых автоколебаний и при 9 = 100% - система отвечает автоколебаниям (рис. 10).

Исходя из результатов наблюдения, можно сделать вывод о том, что степень влияния латеральных взаимодействий между адсорбированными частицами на скорость процесса подчинена нормальному закону распределения с математическим ожиданием а = 0,5 и средним квадратическим отклонением ст = 0,25 .

Расчетное время процесса составило т = 1045 - КГ5 с при условии, что степень покрытия поверхности чистым продуктом не превосходит 90%. Полученный результат не превосходит эвристической оценки времени взаимодействия частиц кислорода с поверхностью моносульфида железа (« 10 ъс). В основе аналитической модели взаимодействия кислорода с поверхностью моносульфида железа положено решение пространственно-однородного уравнения Больцмана для потенциала.

Расчет Зтоятяеть рсш«х>-'о**"?1**-' Граф^лорог 1 ГреФ^. по степени ' по ркмеру Гкр. р^ие^«» &св(юай

(от) и (со)

.V (от)

1 ООО 2 ООО

ЩЩшШштт

5оао бооо

7 ООО

оода 9000 юооо;

Рис. 10. Автоколебания скорости реакции при 0 = 100%

При изменении давления качественные различия наблюдаются для небольших размеров фрагментов 000, 5000) узлов, с увеличением размеров фрагмента различия нивелируются. Таким образом, свойство стабильности проявляется при достаточно больших размерах фрагмента.

Результаты исследования позволяют сделать вывод о том, что повышение эффективности безнагревных короткоцикповых адсорбционных процессов разделения и очистки газов в зависимости от типа сорбента и адсорбционных характеристик системы адсорбент-адсорбтив можно достигнуть путем сокращения времени процесса

= Ю~6 том 9 = 25%.

На основании выполненных исследований автором предложена методика определения комплекса параметров управления в технологии разделения газов, алгоритм которой представлен на рис. 11.

Д° = 10 " - Ю 5 с и первоначальным заполнением слоя адсорбента чистым продук

Рис. 11. Алгоритм формирования комплекса параметров управления в технологии

разделения газов Основные выводы и результаты работы В диссертационной работе получены теоретические и прикладные результаты, позволившие решить актуальную научно-техническую задачу автоматизации управления безнагревными короткоцикловыми адсорбционными процессами разделения газов, имеющую существенное значение для развития и совершенствования технологий в химической, газовой, нефтеперерабатывающей, горнодобывающей и металлургической промышленности. Для этого в работе:

1. Проведен анализ технологических комплексов разделения газов, выявивший их недостатки, связанные с повышенным расходом энергии, требующейся на изменение давления при разделении газов.

2. Разработана математическая модель адсорбции кислорода на неоднородной поверхности, позволяющая анализировать и прогнозировать процесс на минимальных поверхностях раздела фаз и при минимальном времени контакта, учитывающая стохастическое поведение системы.

3. Разработана методика моделирования адсорбции газа на неоднородной поверхности адсорбента и расчета параметров управления в технологическом процессе разделения газов, позволяющая по сравнению с ранее предложенными, учитывать стадию взаимодействия контактирующих фаз.

4. Разработан алгоритм расчета скорости процесса адсорбции на неоднородной поверхности адсорбента.

5. Разработан программный комплекс моделирования и расчета параметров управления процесса адсорбционного разделения газов, как подсистемы АСУ ТП, определяющий условия выхода процесса на установившийся режим. Установлено, что флуктуации скорости физико-химических процессов, происходящих на решетке, достигают максимума при 50% заполнении поверхности. Процесс разделения газов стабилизируется при 25% заполнении поверхности и времени контакта взаимодействующих фаз кг6 -ю~5с.

6. Теоретические положения реализованы в виде программного комплекса для ПК, с помощью которого были проведены расчеты параметров.

7. Проведен параметрический синтез системы управления технологическим процессом адсорбционного разделения газов.

8. Разработана методика определения комплекса параметров управления в технологическом процессе разделения газов, на основании которой установлены эффективные значения параметров управления.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Евсевлеева, Л.Г. Аналитическая модель взаимодействия атомов кислорода с поверхностью адсорбента / Л.Г. Евсевлеева, ОЛ. Свердлова, М.С. Кирик, В.Е. Гоз-бенко // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. — 2012. - № 3 (35).-С. 137-140.

2. Евсевлеева, Л.Г. К вопросу о моделировании мономолекулярного адсорбционного слоя / Л.Г. Евсевлеева, О.Л. Свердлова, H.H. Добрынина // Известия вузов. Химия и химическая технология. — 2013. — Т.56. — Вып. 3. — С. 102-105.

3. Свердлова, О Л. Алгоритм расчета скорости образования диоксида серы на поверхности / О.Л. Свердлова, Н.М. Туркина, И.М. Александров // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. — 2013. — № 3 (39). — С. 275-278.

Статьи в сборниках трудов, другие публикации

4. Свердлова, О Л. Сравнение стохастического и детерминистического подходов к моделированию адсорбции газов на поверхности твердых тел / O.JI. Свердлова, Н.М. Туркина // Сборник научных трудов. - Ангарск: ATTA, 2010. - С. 177178.

5. Евсевлеева, Л.Г. Моделирование процесса адсорбции кислорода на поверхности сульфида железа / Л.Г. Евсевлеева, O.JI. Свердлова, Н.М. Туркина // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-23: сб. трудов XXIII Междунар. науч. конф.:в 12 т. Т. 8. / под общ. ред. B.C. Балакирева. — Саратов: изд-во Сарат. гос. техн. ун-т, 2010. - С. 20-21.

6. Свердлова, ОЛ. Стохастический подход к процессу моделирования адсорбции кислорода на поверхности сульфида железа / O.JI. Свердлова // Сборник научных трудов. - Ангарск: ATTA, 2011.-С.98-102.

7. Свердлова, ОЛ. Кинетика взаимодействия частиц газа с диэлектрической поверхностью адсорбента / O.JI. Свердлова, JI.M. Быкова // Сборник научных трудов. - Ангарск: АГТА, 2012. - С. 99-103.

8. Свердлова, O.JI. Моделирование адсорбции кислорода на поверхности моносульфида железа / О.Л. Свердлова // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25: сб. трудов XXV Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т. 7. / под общ. ред. A.A. Большакова. - Волгоград: Гос. техн. ун-т, 2012; Харьков: Харьков, национ. техн. ун-т, 2012. - С. 143-145.

9. Свердлова, ОЛ. Выбор подхода к моделированию процесса адсорбции кислорода на поверхности моносульфида железа / О.Л. Свердлова // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-26: сб. трудов XXVI Междунар. науч. конф.:в 2 ч. Ч. 1. / под общ. ред. A.A. Большакова. - Ангарск: Ангарск, гос. техн. акад.; Иркутск: Иркут. гос. ун-т, 2013. - С. 68-69.

10. Свердлова, ОЛ. Алгоритм расчета скорости образования оксида железа в процессе адсорбции кислорода / О.Л. Свердлова // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-26: сб. трудов XXVI Междунар. науч. конф.:в 2 ч. Ч. 1. / под общ.ред. A.A. Большакова. - Ангарск: Ангарск, гос. техн. акад.; Иркутск: Иркут. гос. ун-т, 2013. - С. 70-72.

11. Евсевлеева, Л.Г. Проблема «живучести» схем структур адсорбционных поверхностей / Л.Г. Евсевлеева, Л.М. Быкова, ОЛ. Свердлова // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-26: сб. трудов XXVI Междунар. науч. конф.: в 2-х ч. Ч. 1. / под общ. ред. A.A. Большакова. — Ангарск: Ангарск, гос. техн. акад.; Иркутск: Иркут. гос. ун-т, 2013. - С. 72-75.

Подписано в печать: 17.04.2014 г. Формат 60x90 1/8. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,4. Уч. печ. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ 2335

Ангарская государственная техническая академия 665835, Ангарск, ул. Чайковского, 60

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ангарская государственная техническая академия»

На правах рукописи

04201459958

Свердлова Ольга Леонидовна

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат химических наук, доцент Евсевлеева Л.Г.

Иркутск 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА ОБЩЕЙ СТРУКТУРЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ (АСУ ТП) РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ.....................................................10

1.1 Промышленные способы разделения газов на составляющие компоненты.....10

1.2 Анализ современного состояния в области решения задачи управления процессами адсорбционного разделения газов..........................................................12

1.3 Процесс адсорбционного разделения газовых смесей как объект управления 16

1.4 Способы организации безнагревных адсорбционных процессов разделения газовых смесей...............................................................................................................19

1.5 Математические модели процессов разделения газовых смесей.......................30

1.6 Автоматизация технологического процесса адсорбции кислорода...................38

1.7 Постановка задач исследования............................................................................39

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОДСИСТЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ КОМПЛЕКСА УПРАВЛЯЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ АСУ ТП РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ.....................................................42

2.1 Разработка математической модели процесса адсорбции..................................42

2.1.1 Механизм процесса адсорбции кислорода на поверхности моносульфида железа.............................................................................................................................42

2.1.2 Математическая модель процесса адсорбции кислорода на поверхности моносульфида железа....................................................................................................46

2.1.3 Математическая модель структуры поверхности кристалла...........................52

2.2 Алгоритм расчета скорости адсорбции кислорода на поверхности моносульфида железа....................................................................................................55

2.3 Параметры модели процесса адсорбции...............................................................59

2.4 Методика моделирования адсорбции газа на неоднородной поверхности адсорбента......................................................................................................................60

ГЛАВА 3 ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ АСУ ТП АДСОРБЦИОННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ.................................................................................................63

3.1 Программный комплекс расчета параметров управления..................................63

3.2 Выбор и обоснование способа управления технологическим процессом разделения газов............................................................................................................68

3.2.1 Оценка времени взаимодействия частиц кислорода с поверхностью моносульфида железа....................................................................................................68

3.2.2 Управление процессом по внутренним и внешним параметрам....................73

3.3 Параметрическая идентификация и оценка адекватности математической модели процесса адсорбции.........................................................................................93

3.4 Методика формирования комплекса параметров управления в технологическом процессе разделения газов.............................................................97

3.5 Структурная схема системы преобразования информации и управления при оценке параметрических характеристик адсорбционного разделения газов........102

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.............................................105

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ..................................................................................107

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................................108

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В современной химической, газовой, нефтеперерабатывающей, горнодобывающей, металлургической промышленности адсорбционные процессы широко используют для глубокой очистки и сушки технологических потоков, улучшения качества сырья, воздуха, получения кислорода и т.д. Адсорбция также занимает ведущее место среди способов защиты биосферы от промышленных выбросов. Поэтому развитию и совершенствованию технологических процессов (ТП), основанных на адсорбции, в настоящее время уделяется большое внимание как в нашей стране, так и за рубежом.

Одним из путей решения указанной проблемы является автоматизация управления ТП разделения газов, которая позволяет поддерживать технологические параметры в заданных пределах, обеспечивающих максимальную эффективность процесса. Выявление параметров технологического процесса и их оптимальных значений составляет решение одной из задач автоматизированного управления исследуемых ТП.

В настоящее время определение значений таких параметров, интервала их изменения осуществляется в основном путем физического моделирования, однако полный учет всех факторов в условиях физического моделирования приводит к значительным затратам. Поэтому для описания химико-технологических процессов в целях управления ими целесообразно использовать математические модели.

Математические модели, используемые для описания адсорбционных процессов, в качестве примеров рассматривают решетку с симметричной и однородной пространственной структурой, под эти свойства подходят металлы платиновой группы {Pt,Pd,Ir). Существенный вклад в разработку таких моделей адсорбции внесли отечественные ученые: А.Г. Макеев, Н.Л. Семендяеева, Е.Е. Еленин, Ю.К. Товбин, Г.А. Чумаков, М.М. Слинько, В.Д. Беляеев, М.Г. Слинько и др. Однако при этом не рассматривается последующий процесс - хемосорбции (взаимодействия адсорбированного вещества с поверхностью), являющийся необходимым условием в технологических процессах разделения газов. Для изучения про-

цессов хемосорбции необходима реакционная поверхность, т.е. поверхность, которая сама является реактантом.

Исходя из изложенного, разработка программного комплекса моделирования процесса адсорбции с последующей хемосорбцией и расчета управляемых параметров, как подсистемы автоматизированной системы управления (АСУ) химико-технологическими процессами разделения газов, является актуальной и практически значимой.

Цель работы - разработка подсистемы моделирования и определения комплекса параметров управления технологическими процессами разделения газов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать современное состояние моделирования и автоматизации технологических процессов разделения газов в отечественной и зарубежной промышленности.

2. Разработать математическое описание процесса адсорбции кислорода с последующей хемосорбцией на неоднородной поверхности адсорбента.

3. Разработать алгоритм расчета скорости адсорбции кислорода на неоднородной поверхности адсорбента.

4. Разработать программный комплекс моделирования процесса адсорбции и определения параметров управления, как подсистемы АСУ ТП.

5. Разработать программное обеспечение определения параметров управления процесса на основе современных средств программирования.

6. Провести параметрический синтез системы управления технологическим процессом разделения газов и установить степень адекватности разработанной модели.

Объект исследования: технологические процессы, основанные на разделении газов.

Предмет исследования: подсистема моделирования и определения параметров в АСУ ТП.

Методы исследования: теория моделирования технологических процессов, теория стохастических систем, теория проектирования автоматизированных си-

стем управления. Использовано следующее программное обеспечение: ОС: Microsoft Windows 8; среда визуального программирования Embarcadero RAD Studio ХЕЗ (Delphi ХЕЗ); MS Visio 2010 (векторный и графический редактор для диаграмм и блок-схем).

Научную новизну работы составляют и на защиту выносятся следующие результаты:

1. Математическая модель процесса адсорбции газа на неоднородной поверхности адсорбента, отличающаяся от ранее предложенных учетом стадии взаимодействия контактирующих фаз. Математическая модель построена с использованием стохастического подхода на масштабном уровне отдельных центров адсорбции.

2. Методика моделирования адсорбции газа на неоднородной поверхности адсорбента.

3. Алгоритмы расчета параметров управления в технологическом процессе разделения газов.

4. Методика определения комплекса параметров управления в технологическом процессе разделения газов.

Практическая значимость:

1. Теоретические положения реализованы в виде программного комплекса для ПК, позволяющего определять эффективные параметры управления технологических процессов разделения газов в АСУ ТП.

2. Результаты исследования позволяют существенно снизить затраты энергии на изменение давления в технологических процессах разделения газов.

3. Материалы диссертации могут быть использованы в учебном процессе подготовки бакалавров и магистров по автоматизации технологических процессов в химической технологии и повышению квалификации работников Ангарской нефтехимической компании (ОАО «АНХК»).

Реализация результатов работы: основные результаты диссертационной работы планируются к внедрению на адсорбционную установку для разделения газов в условиях цеха обеспечёнйя"ре"м0нт0в~ТЭЦг10" О АО" «Иркутскэнерго»-; Ма- —

териалы диссертации используются в учебном процессе на кафедре «Автоматизации технологических процессов ФГБОУ ВПО «АГТА».

Достоверность основных теоретических положений и полученных научных результатов подтверждается соответствием полученных в результате программного расчета параметров управления известным научным фактам и ранее построенными эвристическим моделями, апробированным на практике.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях «Современные технологии и научно-технический прогресс» в Ангарской государственной технической академии (2009-2013), Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2010, Харьков, 2012, Ангарск, 2013, Иркутск, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи, изданных в журналах, рекомендованных ВАК, без соавторов опубликовано 4 работы. В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад автора составляет от 40 до 75 %.

Структура и объем работы. Диссертация включает введение, 3 главы, выводы, список использованной литературы (109 наименований) и три приложения. Общий объем диссертации составляет 117 страниц, в том числе 40 рисунков и три таблицы.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1 .Евсевлеева, Л.Г. Аналитическая модель взаимодействия атомов кислорода с поверхностью адсорбента / Л.Г. Евсевлеева, О.Л. Свердлова, М.С. Кирик, В.Е. Гозбенко // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2012. -№ 3 (35). - С. 137-140.

2. Евсевлеева, Л.Г. К вопросу о моделировании мономолекулярного адсорбционного слоя / Л.Г. Евсевлеева, О.Л. Свердлова, H.H. Добрынина // Известия вузов. Химия и химическая технология. - 2013. - Т.56. - Вып. 3. - С. 102-105.

3. Свердлова, О.JI. Алгоритм расчета скорости образования диоксида серы на поверхности / О.Л. Свердлова, Н.М. Туркина, И.М. Александров // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2013. - № 3 (39). - С. 275278.

Статьи в сборниках трудов, другие публикации:

4. Свердлова, О.Л. Сравнение стохастического и детерминистического подходов к моделированию адсорбции газов на поверхности твердых тел / О.Л. Свердлова, Н.М. Туркина // Сборник научных трудов. - Ангарск: АГТА, 2010. -С. 177-178.

5. Евсевлеева, Л.Г. Моделирование процесса адсорбции кислорода на поверхности сульфида железа / Л.Г. Евсевлеева, О.Л. Свердлова, Н.М. Туркина // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-23: сб. трудов XXIII Междунар. науч. конф.: в 12 т. Т. 8. / под общ. ред. B.C. Балакирева. - Саратов: изд-во Сарат. гос. техн. ун-т, 2010. - С. 20-21.

6. Свердлова, О.Л. Стохастический подход к процессу моделирования адсорбции кислорода на поверхности сульфида железа / О.Л. Свердлова // Сборник научных трудов. - Ангарск: ATTA, 2011. - С. 98-102.

7. Свердлова, О.Л. Кинетика взаимодействия частиц газа с диэлектрической поверхностью адсорбента железа / О.Л. Свердлова, Л.М. Быкова // Сборник научных трудов. - Ангарск: АГТА, 2012. - С. 99-103.

8. Свердлова, О.Л. Моделирование адсорбции кислорода на поверхности моносульфида железа /О.Л. Свердлова // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25: сб. трудов XXV Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т. 7. / под общ. ред. A.A. Большакова. - Волгоград: Гос. техн. ун-т, 2012; Харьков: Харьков, национ. техн. ун-т, 2012. - С. 143-145.

9. Свердлова, О.Л. Выбор подхода к моделированию процесса адсорбции кислорода на поверхности моносульфида железа /О.Л. Свердлова // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-26: сб. трудов XXVI Междунар. науч. конф.: в 2-х ч. Ч. 1. / под общ. ред. A.A. Большакова. - Ангарск: Ангарск, гос. техн. акад.; Иркутск: ЙркутТТбсТун-т, 20Г37- С: 68-69.-" ----— — --------

10. Свердлова, О.JI. Алгоритм расчета скорости образования оксида железа в процессе адсорбции кислорода / О.Л. Свердлова // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-26: сб. трудов XXVI Междунар. науч. конф.: в 2-х ч. Ч. 1. / под общ. ред. A.A. Большакова. - Ангарск: Ангарск, гос. техн. акад.; Иркутск: Иркут. гос. ун-т, 2013. - С. 70-72.

11. Евсевлеева, Л.Г. Проблема «живучести» схем структур адсорбционных поверхностей / Л.Г. Евсевлеева, Л.М. Быкова, О.Л. Свердлова // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-26: сб. трудов XXVI Междунар. науч. конф.: в 2-х ч. Ч. 1. / под общ. ред. A.A. Большакова. - Ангарск: Ангарск, гос. техн. акад.; Иркутск: Иркут. гос. ун-т, 2013. - С. 72-75.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА ОБЩЕЙ СТРУКТУРЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ (АСУ ТП) РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ

В данном разделе рассматриваются вопросы построения алгоритмов и систем управления процессом адсорбционного разделения газовой смеси и определяются задачи исследования.

1.1 Промышленные способы разделения газов на составляющие

компоненты

Разделение воздуха на составляющие компоненты - одна из классических задач химической технологии [87]. Состав воздуха - 78% азота, 21% кислорода, 1% аргона - указывает на то, сколь важная и сырьевая база нас окружает [102]. Большое количество кислорода, прежде всего, необходимо в металлургической промышленности, азот требуется для производства аммиака, азотной кислоты, который является важнейшим компонентом промышленных удобрений, особо чистый азот используется как инертная атмосфера в производстве современной микроэлектроники [102]. Поскольку воздух представляет собой смесь газов, то при его разделении можно воспользоваться относительно простыми технологическими решениями, такими, как дистилляция, адсорбция и мембраны [84; 99; 102].

При дистилляционном разделении воздуха предварительно ожиженный воздух делят на компоненты в ректификационных колоннах. При давлении в 10 атмосфер температура конденсации воздуха составляет примерно 112 К. Температура кипения азота и кислорода различаются на величину 10°С, что позволяет надежно их разделить методом дистилляции [102].

При дистилляционном разделении основная проблема, которая возникает -это проблема получения холода. Для того чтобы получить холодный воздух, необходимо сначала сжать его, а потом дать ему расшириться, заставляя совершать м ех ан и чес кую работу г Совре ме н н ы е машины для -разделения-воздуха,-вко-

торых воздух охлаждают с помощью турбодетандеров, получают в час тысячи нормальных кубометров газообразных продуктов. Данный метод разделения воздуха в основном применим только для крупного производства, требующего много вспомогательного оборудования, и в связи с этим и больших капитальных затрат [102]. При этом его достоинства состоят в следующем: высокая чистота продукта, относительное удобство транспортировки продукта в жидком виде.

Для разделения воздуха в меньших масштабах, используют другие методы, в которых отпадает необходимость создавать низкотемпературный холод. К такому методу сегодня можно отнести мембранный метод с использованием селективных синтетических мембран. Достоинства этого метода состоит в том, что он не требует больших капитальных затрат, достаточно прост в конструкции, выход на стационарный режим занимает мало времени, и процесс при таком методе разделения воздуха является непрерывным. При этом недостатки этого метода заключаются в следующем: трудности синтеза высокоселективных мембран с большой поверхностью, малая производительность технологического процесса [102].

Наиболее прогрессивным во всех отношениях является адсорбционный метод по способу PSA (Pressure Swing Adsorption),