автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Автоматизированный синтез энергосберегающей технологической схемы и оптимальное управление массообменными процессами отделения ректификации производства капролактама из бензола

л П

чЖ

На правах"рукописи

НИКОЛЬСКИЙ Виктор Эдуардович

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СИНТЕЗ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ' МАССООБМЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ ОТДЕЛЕНИЯ РЕКТИФИКАЦИИ .......ПРОИЗВОДСТВА • КАПРОЛАКТАМА- ИЗ' БЕНЗОЛА"--------------

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (химическая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ.....

диссертации на соискание ученой степени •. кандидата технических наук •

Москва - 1996

Работа выполнена в Российском Химико-Технологическом Университет им. Д:И.Менделеева на кафедре кибернетики химико-технологических прс цессов и в Башкирском Научно-Исследовательском Институте Нефтяного Ме шиностроения ("БашНИИНефтемаш"), г.Уфа.

/

Научные руководители: академик Академии Технологических Наук РФ,

доктор технических наук, профессор Мешалкин B.I кандидат технических наук, директор "БашНИИНефтемаш" Сельский Б.Е.

\

Официальные оппоненты: 1-Д.т.н., профессор Артамонов H.A.

2. Д.т.н., профессор Софиев А.Э.

Ведущее предприятие: Акционерное Общество Открытого Типа "Щекино-Азо:

Защита состоится 3 О йЛЦсОЛ^иЯ 1996 года

в_УО час, на заседании Диссертационного совета

Д 053.34.08 при РХТУ им. Д.И.Менделеева'по адресу: 125190, Москва,. А-4?, Миусская пл. ,' 9, ауд. N_

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-Информационном Центре РХТУ им. Д.И.Менделеева

' Автореферат разослан И-О^^иД. 1996

года

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат технических наук,

доцент Бобров Д.А.

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним т главных способов интенсификации и ювыгаения эффективности химических производств является ресурсосбере- ( генис. Ресурсосбережение в химической промышленности представляет солей сажное направление практической реализации стратегии перехода России к устойчивому сощ1ально-зкономическому развитию, основные концеп-л-:;: 1ССТОРОГ''1 Д-'П! человечества ц целом были провозглашены ООН в начале

1УУ0-Х ГОДОВ. I

5 настсящос время наибольший ибъ^м ныцуок^нюго глпролчктяма пр;;-

Содйтоя на долю окислительного способа производства из бензола. Наибо-гее энергоемкими и металлоемкими функциональными отделениями крупнотоннажных производств капролактама из бензола являются отделения рек-ж^икзции многокомпонентных смесей продуктов окисления циклогексаиа и : {«гидрирования циклогексанола, которые существенно влияют ка^ на ка-гество выпускаемого капролактама, так и ка экономическую эффективность | фоизводства в целом.

Са-!).'й№'й практической задачей «нтчнеийккзши крупнотоннажных .м-юволств капролактама но бензола является валяла реконструкции тех-и отллмального управления маосообм^пными процесса»« тдедитя ратификации с полки- экономии расходов материальных ресур-. лоъдденпя кач*"от за еапдодактама и улучд^нчя охрани окр'-.'уагадеп :р0'Д!-!.

Разработка нш'чко оОосноьаиныл решений по реконструкции т^хн-ло-чг-к¡.кой ж: отделения ректифшсации сводится к решении ьадачи синтеза оптимальной энергосберегающей системы ректификации с вкетакхн 1

В сълап с этим разработка оыстродемствуздего декомпозиционно-эвристического алгоритма автоматизированного синтеза энергосберегающих ;

циклических СР и создание адаптивных систем оптимального управления

цел:г'""'./'.мп еапаеднванп/ является ноьои акт7лл',-

- й ■■■■¡ч'.'И е-<дачсч, имеющей ьахное хог-яй-твенно--кономическе-е оначе-I !•"-■>.

О-:'.".•ъпыо »-сл^лсвавия диссертации выполнены в соответствии с При-)ритетным направлением "Создание энергосберегающих процессов на основе ■ национальных химико-технологических схем, оптимизации теплоообменного ■ оборудования и эффективных технологий разделения смесей" по Государственной научно-технической, программе РФ "Новые принципы и методы полугения химических веществ и материалов"

---А -

Цель работы. Создать и наследовать быстродействующий декомпоз'и онно-эвристический алгоритм синтеза оптимальных ациклических сисч ректификации зеотропных многокомпонентных смесей, предложить ф!горич расчета стационарных технологических режимов

систем"ректификации в производстве капролактама и разработать адг тивную САУ с переменной структурой для оптимального управления проце сом ректификации с учетом запаздывания , которые обеспечивают эконол материальных ресурсов и повышение качества продуктов разделения.

Разработать научно-обоснованные рекомендации по реконструга технологической схемы и оптимальному управлению массообменными процс сами отделения ректификации крупнотоннажного производства капролактг из бензола Акционерного общества (АО) "Щекино-Азот" с целью снижез удельных расходов сырья, энергии и конструкционных материалов, а та! повышения качества капролактама.

Научная новизна. Предложен декомпозиционно-эвристический аягор] синтеза оптимальных ациклических СР, который использует большой на< эвристических правил для выбора ректификационных колонн, библиат* различного уровня информационности модулей расчета ректификацион: колонн (РК), а также процедуры стохастической аппроксимации для обу ния выбору эвристик на каждом этапе декомпозиции исходной задачи с теза и отсечения неперспективных решений, что позволяет создавать с темы, обеспечивающие оптимальные удельные расходы энергии и констр ционных материалов при высоком качестве выделения целевых продуктов

Впервые проведен сравнительный анализ быстродействия и эффект ноети поиска оптимальных решений вадач синтеза СР с' применением раз ботанного декомпозиционно-эвристического алгоритма (ДЭ-алгоритма) ряда известных декомпозиционных алгоритмов. Показано» что синтез тимальной ациклической СР на основе предложенного ДЭ-алгоритма с ¡цествляется при минимальных затратах машинного времени и объема опе тивной памяти ЭВМ по сравнению с другими алгоритмами.

Предложен алгоритм анализа и оптимизации стационарных технолс ческих режимов С'Р, который позволяет для выбранных стандартных кол с учетом коэффициентов запаса проводить расчет оптимальных парамеч технологических режимов колонн СР в соответствии с минимумом приве? ных затрат.

Сформулирована математическая постановка задачи оптималы энёргос^регдадего~управления процессом ректификации с учетом зала; вания на основе использования регуляторов с переменной структ? (РПС).

Разработана функциональная схема оптимальной адаптивной САУ процессом - ректификации-продуктов - окисления-циклогексана как - объекта- с за------

называнием на основе использования РПС, которая при изменении знака ошибок регулирования оптимального расхода флегмы и температуры куба ?К. а также их ироизродных обеспечивает повышение качества выделяемых яегколетучих продуктов (циклогексана, циклогексанона и циклогексано-■¿а; при снижении энергопотребления.

Практическая значимость. Предложенные ДЭ-алгоритм синтеза оптимальны х ациклических СР, алгоритм анализа стационарных технологических рсжпысв СР, реализующие комплекс программ (язык программирования -Фортран-77, операционная система - МС ДОС), могут войти в состав методического и программного обеспечения САПР.

С помощью разработанных алгоритмов и комплекса программ для АО "Щекино-Азот" проведен анализ энергозатрат действующего отделения ректификации производства калролактама, синтезирована оптимальная энергосберегающая СР, а также разработана оптимальная адаптивная САУ процессами ректификации с использованием РПС, которые позволят обеспечить "¡ри рекоь г.трукции действующего производства снижение удельных расходов /реющего пара и оборотной воды на Юл. и уменьшение металлоемкости ".■борудотания.

Прочыэлеиная реализааия результатов проведенных научных исодедо-^ая»'": т'ускать капрол&ктгл» высокого качество в АО "Щеки

Дгкуг'л-'гриосгь научных пололетул. выводов ;г рекомендаций обосновала автором теоретически на основе применения методологии системного "^г г, га.ягтг'ской технологии. математического моделирования процес-

рекл'и^икаппи л теплообмен-:, использования теории ::ои"ка оптимань--шх решений и теории систем управления с переменной структурой для объектов с запаздыванием, а также экспериментально проверена в отделе- , иии ректификации производства калролактама АО "Щекино-Азот".

Апробации заботь;. '"'оновные полаг.&т»ия и результаты диссертационной иаОотц обсувдаяись на Х-к Международной конференции "Математические , методы в химии и химической технологии" ("ММХ-10-96") (г.Тула, 1996г.! '1 на Всероссийской научной конференции "Теория и практика массообмен-шх процессов" (г.Уфа, 1996г.), на УШ-Х-ой Международных конференциях иолодых ученых и студентов по химии и химической технологии (г.Москва, 1994-1996Г.Г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и

приложений общим объемом 202 страницы. Работа изложена на 106 стран цах основного текста, содержит 53 рисунка и 13 таблиц и список литер туры из 115 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен значив ресурсопотребления, показаны пре мущества и недостатки различных крупнотоннажных энергоемких прои ьодств капролактама из бензола, фенола и толуола. Установлено, что о деление ректификации - это одно из наиболее энерго- и метаялоемк отделений производства капролактама из бензола, представляющего соб сложную химико-технологическую систему (КТО). Показана важность реш ния задачи ресурсосбережения производств капролактама путем создан оптимальных CP с внешними теплоносителями.

ЛсоБеден анализ существующих методов и алгоритмов синтеза CP, также алгоритмов расчета PK. Изложена общая методология решения зад синтеза CP на основе декомпозиционно-поискового, эвристическо-деко позиционного и интегрально-гипотетического принципов синтеза КТО.

Отмечен основополагающий 'вклад в создание методов и алгоритм синтеза оптимальных CP с использованием декомпозиционных принципов с тега ХТС, энтропийно-информационного и термодинамике-топологическо методов, который внесли отечественные ученые - академик Кафаров В.В профессора - Александров И.А,, Бояринов А.И., Майков В.П., академ АТН России Мешаикин B.IL , Петлюк Ф.Б., Платонов Б.М., академик МИА С рафимов Л.А., и академик МИА Тимофеев B.C., а также зарубежные учен - Rudel D.F., King C.J., Nishida N., Umeda T., Rathore Ram M.S., Powe S. J., Westerberg A.W.

Анализ существующих алгоритмов синтеза оптимальных ациклическ CP с внешними теплоносителями позволил сделать - следующие выводы: Метология решения задач основана на декомпозиционных принципах синте ХТС. г. Алгоритмы использую? либо процедуры полного перебора (алгери динамического программирования), либо процедуры упорядоченного яереб ра (.метол ветвей и границ) решении исходных задач синтеза (ИЗС). Выб. стратегии упорядоченного перебора решений ИЗС в большинстве работ обосновывается, что не позволяет обеспечить высокое быстродействие п иска оптимального решения и экономию требуемого объема памяти ЭВМ. : Не проведен сравнительный анализ быстродействия и эффективности ра личных декомпозиционных алгоритмов. 4. Отсутствуют эвристические аил ритмы с использованием большого набора эвристических правил и процед

¡учения выбору оптимальной стратегии декомпозиции решений ИЗС. 5. В юияссег поиска--оптималь ного—решения - ИБС.не осуществляется проверка :.'юр,ий физической реализуемости процессов массо- и теплообмена в сопутствующих аппаратах, что может привести к выбору неустойчивых, не-щежных и нереализуемых Ср. 6. При синтезе С'Р не рассматриваются всп-зеи-онтимального управления РК.

; "нячи'ге.;'];^^!-0 р^зулътпть; , полученные в области теории

'¡стем с переменной структурой (акадч-мик Емельянов С.В. , профессор Ут-лн R.H.") и создания регуляторов с переменной структурой (РПС), в об-»»крнгюти «адаптивных САУ ".ямкко-?»»>'нод< >сйчеокими процессами ? словичх интенсивных гидродинамических режимов fакадемики Петров Б.Н. Кафиров В.В., профессора Перов В.Л., Рутковский Ю.Б., Ядьпсин И.В.).

Показано, что в настоящее время не решены многие вопросы разрасти! алгоритмов функционирования и принципиальных схем специальных стройсгв адаптивного оптимального управления процессами ректификации учетом запаздывания. Проведен анализ способов автоматического управ-••чин vx'izzrrrz- ректификации с полью энергосбережения и повышения ка-

'.•ф: рмулисогвни пель и основные ьадачи научных кослодований пс ?;-] >о п?е наущу обоснованных решений то очконстиукшта г'^хнологиче-с-

■•'.Й -V.: ■ - ;■ - /п >С^КЧЧК^ИКг."?!llllí И 110 1 < >■;< ! i'К1 ОПТИМАЛЬНЫХ ^ДЗПТМЕиЫХ.

1 : \>,1 u-1', ; : '' , ' ; ; ; :' f i^ l ;- ■ г ; l ; ; 1 < ' ' : . — ,

Зо второй гладе проведен анализ технико-^конст-ческиг. показателей ■ v .стс-1 ■-■■■'^i'.'z ■.у:^""'^.''"'"'*''" теугнот^инажных производств капролак-

цзсизводств. Показано, что наибольшие затраты ьнергоресурооЕ лрихсдаг-:я на подсистемы ректификации продуктов окисления и продуктов дегидри-пкклтрксанола.

отделения ректификации до "¡ДокикоЛзот".

ñoKa.'vtíí'j, ч?у яажнкм чтшюм синтеза оптимальных шзткляч?скйх является зтап анализа к оптшийацли сгенерированных технологических схем СР.

Задача анализа и оптимизации ациклических СР сформулирована следующим образом. Для заданных значений параметров состояния исходных потоков зеотропных смесей, конструкционных параметров стандартных РК, выбранных из стандартного ряда с учетом коэффициентов-запаса, тополо-

гии синтезированной СР и ограничений на чистоту целевых продуктов н обходимо определить значения флегмового числа (К), температуры ( и/или давления (Р), линейной скорости (и) паровой фазы по высоте ре тификационных колонн, а также массовые расходы ((3), составы (X) и э тальпии (Н) внутренних потоков СР., которые обеспечивают выделение в левых продуктов требуемого качества при минимуме приведенных затр СР. Лля решения поставленной задачи разработан специальный алгорл анализа и оптимизации стационарных технологических режимов ацикличе ких СР.. который позволяет выбирать оптимальные решения задач синтез соответствующие миншуму приведенных затрат.

В алгоритме анализа и оптимизации СР используется библиотека рг личных уровней информационности модулей расчета РК, которые соотвеч твуют различным вариантам расчета тарельчатых ректификационных колог На основе разработанного алгоритма анализа СР рассчитаны парам« ры стационарных режимов действующего отделения ректификации ДО "Ще!-ко-Азот", обобщенная информационная структура которого представлена рис.1.

Вход Выход

Отделение ректификации производства капролактама из бензола

Ъу

А В С Б

Е

Рис.1. Информационная структура системы—ректификации производства капролактама из бензола .

Технологические потоки отдельных компонентов: А -циклогексан; В - спиртовая фракция; С - циклогексакон-ректкфккат: 0 - циклогексанол-ректификат; Е - фракция Х-масел. Входные технологические потоки: 1% - поток, содержащий компоненты (А), (В), (С), (0) и (Е); Ьг -поток, содержащий компоненты (В), (С), (0) и (Е).

Проведенный расчет параметров стационарных технологических ре; мот; позволил выявить следующие существенные недостатки действующей и разработать основные технологические способы повышения ее эффект!

кости:

1. Выделение непрореагировавшего циклогексана, циклогексано. циклогексанона осуществляется в двух последовательно-параллель: ациклических СР, соответственно, потока шестикомпонентной смеси п;

дуктов окисления циклогексана (поток 1,1) и потока пятикомпонентной смеси продуктов дегидрирования_циклогексанола-- (поток Ь?).-Нами - уста--—! ноьленя возможность снижения энергопотребления за счет разработки только одной ациклической С'Р общей для двух параллельных потоков смесей.

Применение более совершенных САУ процессами ректификации в дейгтрущих схемах с простыми колоннами, потребляющими внешние теплоносители, позволяет снизить удельные расходы энергоресурсов. Необходимо осуществить экономию энергоресурсов и металлоемкости за счет ввода ; структуру схем при реконструкции СР слсашых колонн о

несколькими потоками питания.'

3. Колонная установка выделения непрореагировавшего циклогексана имеет наибольшие расходы греющего пара и оборотной воды. Это обусловлено малой разделительной способностью вследствие небольшой разности температур (10-25°С) между низом и верхом колонны. В связи с этим в данную колонную установку необходимо включить термодинамически рациональные процессы теплообмена с применением теплового насоса на нижнем или в^гчк^м технологическом потоке.

4. Изи'Ългвше расходы грешего пара (,15,86 и 9,32 г'кал/'ч! и оборотной ноды »''бь и 509,7 т/ц': тлеют колонны, в которых осуществляется ао^лт-прятеиьная и основная отгонка непрореагировавшего циклогексана. На их дол*! приходится о7,8™ ра<-ходд греющего пара к 77,,^ расхода обс-ро^коп воды отделением ректификации. Поэтому необходимо отдельно разработать. мероприятия по повышен;!?! эффективности данных колонн.

На подсистему выделения циклогекоанона-ректификата расходуется 10,8 Ткал/ч греющего пара и 31 я т/ч оборотней годы, что составляет г/_: ,1 [9,1 о общих расходов оооть^тсч'ву.^сщих вн^лних г-^.члоносителей отделения ректификации.

Аналогично предыдущей подсистеме на подсистему выделения цикло-гексанола-ректификата приходится 0,95 Гкал/ч греющего пара и 4.77 т/ч р*ьпт! что СОСТНЬЛЯ'"'Т Г\'5/. И /./Р ОбГ.ЦРХ РАСХОДОВ соотв^то-у^шиу внес них теплоносителей.

5. Наибольший расход греющего пара, равный 10.45 Гкал/ч, приходится на колонну, которая обеспечивает шд^ление непрореагировавшего циклогексана. Для остальных колонн расход греющего пара изменяется от 3,5 Гкал/ч до 0,811 Гкал/ч, т.е. тепловая нагрузка на кипятильники ко-донн распределяется равномерно. Использование аппаратов воздушного ох-гшждения в отделении ректификации позволит резко сократить расход обо- : эотной воды.

б. Отделение ректификации, которое потребляет около 30% знергор* суроов производства в целом, является наиболее энергоемким и металле емким функциональным отделением крупнотоннажных производств калрола1 тама из. бензола.

В связи с указанными недостатками возникла необходимость разрг ботки научно-обоснованных рекомендаций по реконструкции действующе1 отделения ректификации с целью снижения удельных расходов энергоресу; сов.

В третьей главе разработан декомпозиционно-эвристический адгори1] (ДЭ-алгоритм) синтеза энергосберегающих ациклических СР зеотропнь смесей с оптимальными удельными расходами материальных ресурсов предложено научно-обоснованное решение задачи реконструкции действук щей технологической схемы СР производства капролактама как задачи сш теза оптимальной энергосберегающей СР.

Сущность предложенного ДЭ-алгоритма состоит в том, что поиск ог тимального решения сформулированной выше ИЗС проводится путем упор? доченного перебора множества эвристических решений, которые получены результате заданного числа попыток синтеза СР. Каждая попытка поись оптимального решения ИЗС осуществляется в две стадии:

1. Стадия эвристического синтеза ациклических СР с оптимальньа расходами внешних теплоносителей на основе использования эвристически правил, позволяющих выбирать положения точки деления в ранжирование списке компонентов исходной многокомпонентной смеси, каждая из которь соответствует одной простой колонне;

8. Стадия обучения выбору оптимальной стратегии элементарной де композиции ИЗС путем определения оптимальных значений весовых козффя циентов для эвристик.

Для реализации стадии эвристического синтеза ациклических СР в каждом шаге поиска решения ИБС используется набор из 8-ми звристичес ких правил (ЭР).

Каждое ЭР отдает предпочтение:

ЭР-1 - "прямой" СР, в которой каждый продукт выделяется в вид легкого компонента; ЭР-2 - выделению в первую очередь агрессивног компонента; ЭР-3 - выделению первым компонента, количество которог существенно превышает количества всех остальных компонентов исходна смеси; ЭР-4 - эквимолярному (эквитепловому) разделению потока питания ЭР-5 (ЗР-6) - выбору точки деления смеси между ключевыми компонентам с максимальной разностью температур кипения (максимальной величино

Чи -

озффициента относительной летучести);-ЭР-7 - разделению смеси яри ус-овии минимума приведенных аатрат_одной_ колонны на-j-M-уровне-декомпс----

йШйГИЗО,

Рьюоо чвристик кз множества I на каждом этапе синтеза осуществля-т по методу •"•татипескогэ моделирования с использованием генератора лу-'ляных чисел.

Стадия обучения выбегу оптимальной стратегия лекомпооипии У.ЭС у,:>г> счет о1:, рулетку; тукузуй ;шборм&иип о результатах продуду-лл лины-х-ок синтеза определять также значения весовых коэффициентов "¡ггои*.яуемь?х ««ри^тж, которые оочаиечив.ямт «кг-тр^мум фупкщгснсла ъж-"ípi-критерия достижения цели обучения:

KV) = ÍD(n,V)wffl)dn = ímDOLV)?

где D(n,V) - некоторая заданная выпуклая функция; w(II) - плотность ^определения случайной величины приведенных затрат П; V = (Vi, Vo,

.. - г^ктор гесовых усзФФ^циу'уув эвристически/. ир^ил предпоч-

vr-x-niví! деког.:ло:;мци.м J43C; и - математические ожидание за > У у/УЧТУ IVHKíí.i'if. уууУ'уа-кгуй куму ]i:i- ам-срита программно ре-у-ли'-сван с успулс-уору---уи иг:'".M"H'.-'?J!MÍ:."H ГУУРУ.ЗУОИ гХуууотнуу снсуууу ''УКУЛУ - лТС'1. ууус ........, -id'^í'í.ruo ручной групхн ''Д;;ау;!с у синто.;

С" 4y:¡yyyy ¡тл'ернетикл .".ими,'"'.'-т^лнологнч'-'ских ч:уу:"ууур РлТУ к Мн-.*ит>та Проблем Информатики РАН (научные руководители разработки -

гадемкк АТН РФ, профессор Г.Л. :: сг.ч.с. . 'у':уу, ус:гу-лутл

у

С использованием ДЭ-алгоритма нами решена задача синтеза опти-¡льной ациклической СР производства капролактама из бензола АО "Щеки-'-AiOT".

Сучугу;/уууу ч'-ту;.;? учу у:'чууунуу :>уук.яиу yyiy •"•у.^мк П- 4 У.м. у. - у уууу ггуЗузаам: различные маршруты разделения продуктов iууухуу ууууустану :: лсоукту'з цегнлуусог-ууу!. иуду!1"ксанола.

'УУууууучя у;умз CP-: - рис. учу соответствует СР, обеспечивающей следовательнее выделение из верхней части колонн легких продуктовых токов непрореагировавшего циклогексана (А), спиртовой фракции (В), клогексанона-ректификата (С) и циклогексанола-ректификата (D), при нимуме приведенных затрат П*. Ациклическим схемам СР-2 - С'Р-4

Hifof

tdUe cSt . '_

Вак&умна о sacmb

а) оптимальная аца/гмиуескасг сгена CP-i

_L___I

• Лахяяпае но*.

йокг/иинаячастЬ

~ШГ

J>£

S] кЬазиолти.маяьная ациклическая схема сР-£

äoxi/имиаи vacmb

jcZ>£ _

r>

—>cZ>£

I

L_

ж

В) iSc/J и оптимально а аци/сли уе сха е сх^агс С/>-3

ScHUtiTMUalt *ах. Ьаяуунна? кол.

"1 ШьС ^п

... I V& А 1

м- (

Зак&умнав уagj. _|

£)t£asuoamunaj><>Hcxii ацик-vctvec^cxo схема CP-tj

Рис.2. Синтезированные ациклические системы ректификации прои водства калролактама из бензола АСГ"Щекино-Азот": {LiJ- - поток проду тов окисления циклогексана, содержаний компоненты (А), (В), (С), (D) (Е); ^г} - поток продуктов дегидрирования циклогексанола, содержал! компоненты (В), (С), (D) и (Е); А - циклогексан; В - спиртовая фра ция; С - циклогексанон; D - циклогексанол; Е - Х-масла.

рис.ИЗ, в, г) соответствуют перспективные СР исходных смесей ^Ьц}- и . 1гК. на.целевые.продукты,__длякоторых значения_приведенных _з_атрат_на-

'однтер г; диапазоне ш*. П*(?) при наличии коэффициента квазиоптималь-юсти и = 1,25.

''¡интезяиованная оптимальная энергосберегающая С?1 !. (рис.Ра1» по .хчиякшю с действующей схемой «Т-Ш содержит меньшее число теплооб-^.нн^к-ое конденсаторов, аппаратов воздушного охлаждения, холодильки-:ов, подог;-вотелей и кипятильников), потребляющих втк'щние теплоносители.

. цгм'тльннь ациклическая оисаьма СР-1 о исиольоосанцсм новы;; рок-:ификационных колонн является более эффективной но технике-экономическим показателям, чем действующая схема. Это обусловлено уменьшением металлоемкости, а также снижением удельных расходов греющего пара на 3,33 Гкал и оборотной воды на 5,6 т.

Впервые на примере решения задачи синтеза оптимальной ациклической СР производства капролактама из бензола проведен сранительный анаше быстродействия и эффективности поиска оптимальных решений с приме-и-нием предложенного яя-алгоритма и ранее разработанных д^-композицион-1>л< алгоритмов. £ качестве косвенных показателей быстродействия и эф-'"■г ■''¡о::!!.;:.."'!' с р а в и! 1 в ас1 ми декомпозиционных алгоритмов риит^зр выбрано

;„-„„, ■■ Р^РЛПВ р.р РРрРРНРСР р>.'Ш"НИЙ РДВг,) И "IX

;р,'р- :>т орррр'о рисл:?. ьозмолйС!".- количества вершин лерева.

,;р.; р".иёнии МНрпрМОрНОЙ ;■;■'-■ г, РРТИМаЛЫР 'й ациклической !'Р прон/ с../;-. р-р рррр-олротррр из ''енрсла на основе 'члгоопрма динамического ¡рограммировакил ^ДЛ алгоритма; сгенерировано 56 вершин, для которых значения поивеленных затрат - Ш (яц). на основе дексм-трп'.р:р; аческого элгоритма ; дт-алгоритма • - вершина, на эснове алгоритма направленного поиска - 05 вершин и ка основе ДЭ алгоритма - 24 вершины, что составляет в процентах соответственно 100, 55.4, 62.5 и 42.9 от общего числа вершин ДВР, равного 5р. Из анализа р-"рр:-н рих • -.-ррррор'р- рррно сделать ев'ьер". что р--р"мпч /рр¡.р: рци!^рр:ес-:'р р- рр; рр;ро;ч! "му '"'рру-ррг; о меньшими г.-этратами малинного времени 1 о^т-емм аа.чн'!ч: ОРУ по равн-ни;-*! - другими декррпорииионккмп алгорпт-

'.10!,'И .

Показано, что выбор оптимальной ациклической системы СР на основе зредлехенного ДЭ-алгоритма осуществляется при минимальных затратах малинного времени и объема оперативной памяти ЭВМ по сравнению с другими алгоритмами.

В предложенном ДЭ-алгоритме по сравнению с. ранее разработанными

/

алгоритмами (ДТ-алгоритмом, эвристическим алгоритмом и ДП-алгоритмо: используется библиотека различного уровня сложности и информационное модулей расчета ректификационных колонн (РК), что позволяет решать з< дачи синтеза ациклических СР с желаемой точностью.

В отличие от ДТ-алгоритма, эвристического алгоритма и ДП-алгори1 ма на завершающем этапе предложенного алгоритма синтеза ацикличесга СР после выбора из стандартного ряда колонн некоторой РК с учетом го эффициентов запаса проводят анализ и оптимизацию стационарных технол( гических режимов колонн в сствествии с минимумом приведенных затрат.

В четвертой главе проведен анализ процесса ректификации как обг екта управления с запаздыванием и разработана оптимальная "адалтивн; САУ процессом ректификации с использованием РПС.

Для определения статических и динамических характеристик РК ра; работана методика экспериментальных исследований технологических реж] мов процессов ректификации. Разработана методика проверки адекватное модулей расчета РК на основе анализа кривых изменения концентрат компонентов по высоте .аппарата.

Проверка адекватности расширенно-информационного модуля расче' параметров состояния (МРПС) РК осуществлялась путем сравнения экспер] ментальных и расчетных кривых изменения концентраций циклогексанола фракции Х-масел в колонне РК-У с использованием критерия Фишера. Сре; няя относительная ошибка отклонений экспериментальных данных и расче' ных значений концентраций жидкости на тарелках для расширенно-информ; ционного МРПС не более 5% (уровень достоверности Р = 0,95), а для Ш1 роко-информационного МРПС не более 1-3% (уровень достоверности Р 0,99 и Р = 0,9?).

На основе анализа стационарных и динамических характеристик прс цесса ректификации как объекта управления с запаздыванием сформулирс взна постановка задачи оптимального управления процессом в следуют* виде:

Для синтезированной ациклической СР, заданных параметров физ! ко-химических свойств компонентов и смесей, динамических и статичесга характеристик колонн по каналам управления и возмущений необходю выбрать блок-схему и аппаратурно-технические средства САУ процессс ректификации , а также определить параметры настройки РПС, котор1 обеспечивают выделение целевых продуктов при оптимальных удельных рас ходах греющего пара и оборотной воды, соответствующих минимуму прив< денных затрат:

-------------------mv", mu r,.iM;, K-. X0, yo

.1 = 1, n

U) с V при ограничениях:

Rj 'i kjnv«; Хоз x^D:,; < x*wj |

Fj ; F]¡пахXrj XFjmax !

/

, гдл: r,;; = {Rh. Gjr.n., Gjo.b. } - вектор управляющих Переменных; Rk, Rí - флегмовое число ,1- й колонны: (З-ю.а.) ~ расход греющего па-

ра (оборотной воды) j-й колонны; Кз - вектор конструкционных параметров состояния потоков питания; F^Xf.-/) - общий массовый расход (состав) потока питания; Yj = Kdj; Ищ } - вектор параметров состояния потоков дистиллята и кубовой жидкости; Dj(XDj) и Wj(Xv/j) - общий мас-сое.чй Расход 'состав) потока дистиллята и кубовой жидкости; X*Dj и

- желаемы^ значения и Xw. ; Fjsíax. ~ максимально

Для ;ш?смя.тизации. процесса ректификации как объекта управления с нами предложено испольвовять регуляторы с переменной ..vovirvpoñ РПС-1 с двумя ликрямк переключения и двумя н.чстрст»?мь»йг зонами нечувствительности ¡„НЙН5 и F'HC'-S с "плавающей" зоной нечувстви тздьнооти и линией переключения с переменным наклоном.

Р~ту.'1:т!рк РИС 1 и РПС'-С Dft'-íwnüoraHW коллективом ученых из Тульского Государственного Университета. РХТУ им. Д.И.Менделеева и ДО "Щк-кино-Азот".

Особенностью РПС-1 является отсутствие изменения управляющего

ьоу/г^ппч'кия в окрестности начала координат фазовой плоскости, что повышает ¡кзмехоэаадагенноот!, ОДУ. Носледссат'сл/-. кое mhoí'остуде'Ячатое яе-р-клл:ЧёТ1'ле параметров регулятора уменьшает величины скачков по управляющему воздействию. в отличие от РПС-t особенностью алгоритма перек- ! лючения параметров РПС-й является совмещение функций формирования двух линий переключения в одном блоке предварения путем скачкообразного изменения его постоянной времени, а также совмещение функций формирования двух НЗН в одном релейном звене путем плавного изменения величины ( его зоны нечувствительности.

В качестве технических" средств для построения выбранных РПС : пользуются пневматические устройства.

Разработана и реализована адаптивная САУ колонной ректификац построенная на основе применения РПС-2 (рис.3).

В вычислительном блоке 16 по,текущей информации о температу) расходе и составе сырья с датчиков И, 14 и анализатора 15 расчитьг

Жившаг.;

Рис.3. Структурная схема ада! I тивной системы оптимального упр; I леник процессом ректификации на ; основе использования РПС: ! 1 - колонна ректификации; 2 - дг | чик расхода флегмы: 3, 8 - регу. 1 торы; 4, 7, 10, 13 - регулирующ! . клапаны; 5 - датчик расхода дист$ ! лята; 8 - датчик температуры кус ¡9, 12 - регуляторы типа РПС; 11 I датчик температуры сырья; 14 - дг ! чик расхода сырья; 15 - анализам |состава сырья; 16 - вычислитель* | блок; 17 - оптимизатор; 18 - дт ! мический фильтр

ются количества паровой жидкости фаз питания и их составы. Количест жидкости и пара в питании и их составы, а также расход флегмы, диета лята и температура куба рассчитываются через составы дистиллята и к бового продукта по уравнениям математической модели процесса ректи£ кадии. Алгоритмы поиска минимума критерия стоимости потерь примесей дистиллятом и кубовым продуктом программно реализованы в оптимизато 17.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Проведен анализ стационарных режимов

действующего отделения ректификации крупнотоннажного прои водства капролактама из бензола с целью выявления резервов энергосб-режения и повышения качества продуктов разделения. Разработана метод: ка системного подхода к решению комплексной задачи ресурсосбережен! для отделения ректификации при реконструкции производства капролакта) 2.. Разработан быстродействующий декомпозиционно-эвристический а горитм синтеза ациклических систем ректификации многокомпонентных см< сей с оптимальными расходами энергоресурсов и. конструкционных материи

ов-Исследована, эффективность существующих декомпозиционных алгоритме . г»!нтег<а оптимальных ацикййчёс'ких''систем - ректификации.

3. Проведен анализ процесса ректификации как объекта управления "с""" аназдыванием и обоснован выбор эффективного регулятора с переменной структурой С РПС) для оптимального управления процессом ректификации рупнотоннажного производства капролактама из бензола.

'I. Разработана оптимальная адаптивная СЛУ процессом ректификации родуктов окисления цикдогексана пак объекта упраменин с гапзздыъани-м па ¿enorme топольоовакия РПС. которая позволяет повысить качество ыделяемых легкодетучих продуктов «ииклогексанс, никлогоксзлопл, -цик-огексанола), а также снизить потребление энергоресурсов.

5. Предложены научно-обоснованные решения по реконструкции техно-огичеокой схемы и по оптимальному адаптивному управлению массообмен-ыми процессами отделения ректификации крупнотоннажных производств апролактама из бензола АО "Щекино-Азот", которые обеспечивают снижена удельных расходов сырья, энергии и конструкционных материалов, а ...v^о^е'.шен'ле ■е; у;

¡Ччювюс содержание дис.'^-'р-г^ацш изложено ~ оледукляих работах:

!. Давыдов Ю.й., Сельски!1 В. К., '..'мотрич O.A. . Никсаьокий Б.5. налие -^¡фектиености декомпозиционно- ее чей ."тиче-ск-то алгоритма синтеза ргкмйльнкх аикклчч-'оких систем oe«'T№.l'4K3üi4i многокомпонентных смесей / В кн.: Тезисы доклада- ПИелн молодых ученых при междунар. кон;герен-:.■•[: "Математические методы в химии и химической технологи!! Мл К-■"■'>". - "'\'Ла: !'.'".komby:'. Не leX, г. !4~1Б.

2. Мешалкин БЛ1., Никол; екай О'лзакич К.!-.. Ан.чдцг эф-тлктав-

dcth анпроксимационно-тспологических методов расчета сложных трубоп--тодных систем // В кн.: Тезисы докладов Школы молодых ученых при дач/чар. сГ'Нф"]>.'КШ1л "Мат-^матмч^окие методы в химии и химической тех--•ЛОГЛИ - b'ii~- T-V'a'3 Р.'л: г; ■ е"ёК'"'МгУp'i , К'-'О, е. :"Л-°5.

.у,. fotopot A.A... Дйкыяов w.M., Селт "кии P.E.. С мотрич С. А., Нк-н.э. Ртулнтосч е- ¡ъ-р^меяной отр'/ктчрой для оптимального уп-звления процессами ректификации в производстве капролактама // В кн.: звисы докладов Школы молодых ученых при Междунар. конференции "Мате-атическке методы в химии и химической технологии - ММХ-10-96". - Ту-' а: Госкомвуз РФ, 1996, с. 46.

4. Сельский Б.Е., Смотрич С.А., Никольский В.Э. Архитектура и ал-эритмы функционирования двухуровневой АСУ отделением ректификации // ;

В кн.: Тезисы докладов Международной конференции "Математические мет-, ды в химии и химической технологии - ММХ-10-98". - Тула: т£оскомвуз R 1996, с. 182.

5. Никольский В.Э., Смотрич С. А. Повышение эффективности отдел* ния ректификации производства капролактама из бензола // В кн.: Тези< докладов X Международной конференции молодых ученых и студентов по хт мии и химической технологии "МКХТ-96". - М.: РХТУ, 1996 (в печати).

6. Смотрич С.А., Никольский В.Э. Алгоритм расчета оценок зколоп ческого риска от нефтеперерабатывающего предприятия // В кн.: Тезись докладов X Международной конференции молодых ученых и студентов по xi мии и химической технологии "МКХТ-96". - М.: РХТУ, 1996 (в печати).

7. Мешалкин В.П., Сельский В., Никольский В.Э. Декомпозиции ко-эвристический алгоритм синтеза энергосберегающих систем ректифик; ции углеводородных смесей //В кн.: Тезисы докладов Всероссийской нау* ной конф. "Теория и практика массоообменных процессов химической те) нологии". - Уфа: Уфимск. гос. нефт. техн. университет, окт. 1996, -< 25-26.

8. Мешалкин В.П., Никольский В.Э., Сельский Б.Е. Анализ процесс ректификации производства капролактама как объекта управления с зал; зыванием //В кн.: Тезисы докладов Всероссийской научной конф. "Teopi и практика массоообменных процессов химической технологии". - Уф; Уфимск. гос. нефт. техн. университет, окт. 1996, с. 27.

9. Мешалкин В.П., Сельский Б.Е., Богомолов В.Б., Никольский В.' Декомпозиционно-топологический алгоритм приближенного гидравлическо] расчета отделения кристаллизации установки депарафинизации минеральш масел // Химическое и нефтяное машиностроение, июль-август 1996, N

с.с. £0-26.