Методология интегрированного проектирования гибких химико-технологических систем (на примере непрерывных и периодических процессов малотоннажных химических производств)

Дворецкий, Дмитрий Станиславович

Процессы и аппараты химической технологии

автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Методология интегрированного проектирования гибких химико-технологических систем (на примере непрерывных и периодических процессов малотоннажных химических производств)

доктора технических наук: Дворецкий, Дмитрий Станиславович
город: Тамбов
год: 2012
специальность ВАК РФ: 05.17.08

Диссертация по химической технологии на тему «Методология интегрированного проектирования гибких химико-технологических систем (на примере непрерывных и периодических процессов малотоннажных химических производств)»

Автореферат диссертации по теме "Методология интегрированного проектирования гибких химико-технологических систем (на примере непрерывных и периодических процессов малотоннажных химических производств)"

00504/¿о«

На правах рукописи

ДВОРЕЦКИЙ Дмитрий Станиславович

МЕТОДОЛОГИЯ ИНТЕГРИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГИБКИХ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ (на примере непрерывных и периодических процессов малотоннажных химических производств)

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка

информации (химическая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 3 ДЕК 2012

Тамбов 2012

005047387

Работа выполнена в НОЦ федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ») - ОАО «Корпорация «Росхимзащита» «Новые химические технологии» и на кафедре «Технологии продовольственных продуктов» ФГБОУ ВПО «ТГТУ».

Научный консультант Егоров Александр Федорович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Малыгин Евгений Николаевич,

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «ТГТУ», профессор кафедры «Автоматизированное проектирование технологического оборудования»

Лабутин Александр Николаевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет», заведующий кафедрой «Техническая кибернетика и автоматика»

Холодное Владислав Алексеевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)», профессор кафедры «Системный анализ»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Казанский национальный

исследовательский химико-технологический университет» (г. Казань)

Защита состоится 21 декабря 2012 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 в ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Ленинградская, д. 1, ауд. 160. E-mail: kvidep@cen.tstu.ru, факс: 8(4752)632024.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ФГБОУ ВПО «ТГТУ», ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.02.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: 392032, г. Тамбов, ул. Мичуринская, д. 112, корп. «Б», а с авторефератом диссертации на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ТГТУ»: htpp://www.tstu.ru и ВАК Минобрнауки РФ http://vak.ed.gov.ru.

Автореферат разослан «

Ученый секретарь диссертационного совета

V^vguS^S^ 2012 г-

Нечаев Василий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. При решении задач инновационного развития химического комплекса1 важное значение приобретают теоретические и прикладные научные исследования, связанные с интегрированным проектированием гибких (работоспособных) химико-технологических систем (ХТС), функционирующих в том числе и в составе многоассортиментных малотоннажных химических производств (МХП), с высоким уровнем экономичности, энерго- и ресурсосбережения, экологической чистоты. Интегрированное проектирование ориентировано на научное решение проблем совершенствования и создания эффективных ХТС на основе использования современных машин и аппаратов и формирующих предпосылки эффективного управления и автоматизации.

Проблема интегрированного проектирования химико-технологических процессов (ХТП), аппаратов, ХТС и систем автоматического управления (САУ) режимами их функционирования ставилась и частично решалась на протяжении многих десятилетий в работах В.В. Кафарова, Б.Н. Девятова, I.E. Grossmann, Г.М. Островского, В.И. Бодрова, Pistik opoulos E.N., М. Moran, С.Г. Дьяконова, E.H. Малыгина, А.Ф. Егорова, H.H. Зиятдинова, А.Н. Лабутина и многих других отечественных и зарубежных авторов. Однако до настоящего времени нет законченной теории и сравнительно простых (инженерных) вычислительных алгоритмов для комплексного решения этой сложной многокритериальной проблемы.

Качественное повышение эффективности ХТС, функционирующих в составе МХП, требует коренного изменения методологии создания и функционирования этих систем - создания гибких автоматизированных ХТС нового поколения, отличающихся принципиально новой организацией МХП, оптимально сочетающей непрерывные и периодические процессы химической технологии и позволяющей оперативно перенастраивать структуру МХП в связи с требуемым изменением ассортиментов выпускаемой продукции. Гибкие ХТС должны быть оснащены новыми конструкциями аппаратов с легко перестраиваемой структурой, обладающими заданными или оптимальными (в смысле заданного критерия) статическими и динамическими характеристиками для каждой альтернативной конструкции аппарата; высоко эффективными (в смысле сходимости и быстродействия) алгоритмами статической и динамической оптимизации, реализуемыми в системах автоматизированного проектирования и управления, обеспечивающими выполнение проектных и регламентных требований с гарантированной вероятностью.

Проектно-конструкторские решения при интегрированном проектировании принимаются в условиях неопределенности, связанных с неполнотой имеющейся информации на ранних этапах проектирования, с неточным описанием (моделированием) отдельных стадий проектируемой ХТС, использованием упрощенных методик оценки ее показателей и т.п.

1 Комплексная программа научно-технологического развития и технологической модернизации экономики Российской Федерации до 2015 г.

Стратегия развития химической и нефтехимической промышленности России на период до 2015 г. (утв. приказом Минпромэнерго России № 119 от 14.03.2008 г.)

ния, экологической безопасности и надежности химических процессов и производств, создание эффективных химико-технологических схем и производств на основе использования современных машин и аппаратов являются актуальной проблемой в научном и практическом плане.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с грантами РФФИ 06-08-96327, 09-08-97542, 09-08-97569 р_центр_а, 12-03-97552 р_центр_а, ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гт. (госконтракт № 14.740.11.0821 от 1.12.2010 г.), АВЦП Минобрнауки «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2009 - 2011 гг. (шифр темы 2.1.2/11245).

Цель работы. Обобщение научных достижений и разработка на их базе теоретических основ интегрированного проектирования энерго- и ресурсосберегающих гибких автоматизированных химико-технологических процессов, аппаратов и систем в условиях интервальной неопределенности исходных данных.

Основные задачи исследования. Развитие новых подходов к аппаратурно-технологическому оформлению химико-технологических процессов в зависимости от уровня доступной экспериментальной информации о технологическом процессе во время его реализации и возможных средств управления.

На основе современных методов системного анализа, математического и физического моделирования выполнить теоретические и прикладные исследования кинетики химических процессов, системных связей и закономерностей функционирования и развития энерго- и ресурсосберегающих ХТС в условиях частичной неопределенности параметров сырья, технологических переменных и коэффициентов математической модели (непрерывных и периодических химических процессов тонкого органического синтеза в производствах азопигментов и химикатов-добавок для полимерных материалов; процессов обогащения воздуха кислородом в замкнутых объемах, комплексной переработки растительного сырья в органическое топливо и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) при прессовании твердосплавных материалов). Определение и исследование: а) областей допустимых режимов функционирования, гибкости (работоспособности) ХТП в пространстве режимных (управляющих) переменных; б) допустимых областей изменения неопределенных (известных с точностью до некоторого интервала значений) параметров сырья, технологических переменных и коэффициентов математической модели ХТС, в пределах которых обеспечивается заданное регламентом производства (в смысле безопасности, энерго-и ресурсосбережения и качества выпускаемой продукции) функционирование ХТС в составе МХП.

Постановка практически ориентированных одно- и двухстадийных задач интегрированного проектирования ХТС с «мягкими» (вероятностными) и со смешанными ограничениями. Разработка методов и алгоритмов их решения.

Постановка задач синтеза: 1) аппаратов с заданными динамическими характеристиками; 2) структуры автоматических систем регулирования (АСР) для непрерывных ХТП; 3) оптимального управления непрерывными и полунепрерывными (периодическими) нелинейными химическими процессами. Разработка алгоритмов их решения на базе метода АКОР и имитационного моделирования автоматизированных комплексов «ХТС - САУ».

установок; аппаратурно-технологического оформления процесса комплексной переработки растительного масла в органическое биодизельное топливо с оптимальным углеводородным составом; ресурсосберегающей (с минимальными удельными расходами конструкционного материала) пресс-оснастки для СВС и формования твердосплавных материалов на основе дисилицида молибдена без применения сыпучего теплоизолятора.

Научная новизна. Разработана методология интегрированного синтеза энерго-и ресурсосберегающих гибких химико-технологических процессов, аппаратов и систем в условиях интервальной неопределенности в параметрах сырья, технологических переменных и коэффициентах математической модели ХТП, предложен новый подход к созданию ХТС в составе МХП, формирующих предпосылки эффективного управления и автоматизации. Стратегия принятия решений при интегрированном проектировании предусматривает поэтапное осуществление выбора оптимальных проектных и регламентных параметров МХП: ассортимента выпускаемой продукции, структуры производства и аппаратурно-технологического оформления гибких энерго-и ресурсосберегающих ХТС в составе МХП.

Сформулированы задачи аппаратурно-технологического оформления гибких автоматизированных ХТС в зависимости от уровня доступной экспериментальной информации о ХТС во время ее эксплуатации и возможных средств управления в форме одно- и двухстадийных задач стохастической оптимизации с мягкими и смешанными ограничениями. Разработаны новые методы и экономичные (в смысле скорости сходимости и быстродействия) алгоритмы решения задач аппаратурно-технологического оформления гибких ХТС, функционирующих в том числе и в составе многоассортиментных МХП, в условиях неопределенности.

На основе современных методов системного анализа, математического и физического моделирования выполнены теоретические и прикладные исследования системных связей и закономерностей функционирования и развития ХТС (синтеза азо-пигментов и химикатов-добавок для полимерных материалов, обогащения воздуха кислородом в замкнутых объемах, комплексной переработки растительного сырья в органическое топливо и процесса СВС твердосплавных материалов), ориентированные на совершенствование их аппаратурно-технологического оформления и использование особенностей нестационарных режимов с позиций энерго- и ресурсосбережения, экологической безопасности и надежности химических процессов и производств.

Предложены новые принципы и методы синтеза энерго- и ресурсосберегающего управления гибкими ХТС. С использованием концепции структурной наблюдаемости и управляемости ХТС разработана методика выбора класса и структуры АСР, поддерживающей оптимальные стационарные режимы функционирования гибких ХТС непрерывного действия. На базе метода АКОР разработаны универсальные алгоритмы оптимальной стабилизации стационарных режимов непрерывных ХТП тонкого органического синтеза и оптимального управления нелинейными периодическими процессами синтеза химикатов-добавок для полимерных материалов.

Экспериментально исследована кинетика химических реакций: 1) диазотирова-ния ароматических аминов и азосочетания в производстве азопигментов (алого концентрированного, лакокрасочного, желтого светопрочного); 2) окислительной кон-

денсации в производстве химикатов-добавок (сульфенамида М) для полимерных материалов; 3) метанолиза сложных эфиров глицерина и высших карбоновых кислот. Предложены кинетические уравнения и определены их коэффициенты.

Определены физико-химические параметры композитного органического топлива, в том числе фракционный состав, плотность, кинематическая вязкость, температура вспышки, помутнения, застывания, кислотное число. Доказано, что наилучшими экологическими и энергетическими характеристиками обладает топливная смесь, состоящая из 50 об. % биодизельного топлива, 10 об. % изоамилового эфира масляной кислоты, 10 об. % октилового эфира масляной кислоты, 10 об. % гептилового эфира валериановой кислоты, 10 об. % нонилового эфира валериановой кислоты, 10 об. % нонилового эфира капроновой кислоты.

Экспериментально исследованы адсорбционные, механические и аэродинамические свойства блочных цеолитовых адсорбентов типа X с целью их использования в установке короткоцикловой адсорбции при обогащении воздуха кислородом.

Разработаны математические модели: 1) статики и динамики непрерывных процессов диазотирования и азосочетания, учитывающие: особенности кинетики процессов растворения твердой фазы ароматического амина (имеющего полидисперсный состав при диазотировании) и кристаллизации пигмента алого лакокрасочного, протекающих в смешанной диффузионно-кинетической области; закономерности формирования колористических и физико-технологических показателей пигмента алого лакокрасочного в зависимости от рН-среды и других условий осуществления процесса азосочетания [58, 59]; 2) периодического процесса окислительной конденсации при синтезе сульфенамида М с учетом химических реакций образования побочных продуктов; 3) нестационарных тепло- и массообменных процессов при адсорбции азота из газовоздушной смеси сплошным пористым цеолитовым адсорбентом (модель позволяет рассчитывать профили концентрации кислорода и азота в газовой и твердой фазах, температуры адсорбента и газовой фазы по высоте адсорбента в зависимости от времени) [60]; 4) непрерывного процесса синтеза бифункциональных кислородсодержащих соединений по реакции нуклеофильного замещения в аппарате с вихревым слоем ферромагнитных частиц (модель позволяет рассчитать поле скоростей реакционной смеси, элекгромагнитодинамику вихревого аппарата, кинетику реакций нуклеофильного замещения в присутствии гомогенного щелочного катализатора) [25, 26]; 5) нестационарного процесса теплообмена в прессоснастке для осуществления процесса СВС твердосплавных материалов на основе дисилицида молибдена.

Разработан неизотермический метод расчета толщины стенки пресс-формы с учетом допустимых значений пределов прочности и текучести материала стенки пресс-формы при расчетной температуре, обеспечивающий значительную экономию материала для изготовления пресс-оснастки процессов СВС твердосплавных материалов и их формования [22].

Практическая значимость. Определяется решением важной народно-хозяйственной проблемы реконструкции и создания новых гибких МХП синтетических красителей; химикатов-добавок для полимерных материалов; композитного органического биодизельного топлива; малогабаритных медицинских концентраторов кислорода и бортовых кислородцобывающих установок на базе короткоцикловых адсорбционных установок; технологической оснастки процесса СВС твердосплавных материалов и их формования с позиций энерго- и ресурсосбережения, экологической безопасности и надежности.

На базе экспериментального исследования кинетики химических реакций, адсорбционных, механических и аэродинамических свойств блочных цеолитовых ад-

сорбентов типа X и математических моделей разработаны и исследованы энерго- и ресурсосберегающие непрерывные технологические процессы синтеза азопигментов, метанолиза сложных эфиров глицерина и высших карбоновых кислот, обогащения воздуха кислородом в двухадсорберной установке короткоцикловой адсорбции с вакуумной десорбцией, СВС твердосплавных материалов на основе дисилицида молибдена.

С использованием разработанных методов, быстродействующих алгоритмов оптимизации и оптимального управления в условиях неопределенности выполнено интегрированное проектирование высокопроизводительных гибких автоматизированных промышленных установок синтеза азопигментов, определены области изменения неопределенных параметров математической модели, в пределах которых конструкции химических реакторов обеспечивают качественное и безопасное осуществление процессов тонкого органического синтеза, синтезирована система автоматического управления нестационарным процессом синтеза сульфенамида М. Предложены и обоснованы оригинальные конструкции турбулентных трубчатых реакторов с диффу-зор-конфузорными устройствами турбулентного перемешивания и перспективные системы автоматического регулирования и адаптивной статической оптимизации для безопасного и качественного осуществления непрерывных процессов тонкого органического синтеза в многоассортиментных производствах азокрасителей, пигментов и химикатов-добавок для полимерных материалов.

Результаты работы рекомендованы и приняты к реализации Тамбовским ОАО «Пигмент», ОАО «НИИХИМПОЛИМЕР» (Тамбов) при проектировании гибких автоматизированных МХП тонкого органического синтеза.

С использованием системного подхода и математической модели непрерывного процесса биоконверсии растительного масла в биотопливо при наложении вращающегося электромагнитного поля разработаны оригинальная конструкция аппарата с вихревым слоем [55], технологическая схема производства биодизельного топлива и определены оптимальные условия осуществления импульсных, механических, акустических, тепловых и электрических воздействий на сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот: величина магнитной индукции вращающегося электромагнитного поля-0,13 Тл, мапштный момент - 8,63Т0~5 А м2, напряженность магнитного поля - 398,01 А/м, коэффициент заполнения аппарата цилиндрическими ферромагнитными частицами - 0,12...0,15, размеры цилиндрических ферромагнитных частиц -/ = 11...13 мм, й= 1,0... 1,1 мм, продолжительность процесса метанолиза ~3 с.

На основе математического моделирования нестационарного процесса теплообмена в пресс-оснастке при СВС образцов разработана ресурсосберегающая методика расчета корпусов пресс-формы, позволившая обосновать возможность использования тонкостенных пресс-форм для СВС твердосплавных материалов на основе дисилицида молибдена без применения сыпучего теплоизолятора [57, 61, 62].

Разработана методология интегрированного проектирования научно-образовательных систем инновационно ориентированной подготовки инженерных кадров в области системного анализа, математического моделирования и автоматизированного проектирования энерго- и ресурсосберегающих гибких автоматизированных химико-технологических систем. Рекомендации и предложения по управлению инновационно

ориентированной подготовкой инженерных кадров используются в учебном процессе Тамбовского государственного технического университета и Воронежского государственного университета инженерных технологий при подготовке дипломированных специалистов, бакалавров и магистров по специальности «Проектирование технологических машин и комплексов» и направлениям «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в нефтехимии, химической технологии и биотехнологии», «Химическая технология», «Биотехнология», «Технологические машины и оборудование».

Научные публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 95 работ, в том числе монография, более 30 статей в журналах, рекомендованных ВАК, два учебных пособия, три патента и семь свидетельств о регистрации программ для ЭВМ.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научных конгрессах, симпозиумах и конференциях: International Meeting on Chemical Engineering, Environmental Protection and Biotechnology, Franktfurt am Main, Germany, 2000; European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE'11), Kolding, 2001; IV European Congress of Chemical Engineering, Granada, Spain, 2003; Symposiums der Internationalen Gesellschaft fur Ingenierpadagogik, Fachhochschule Karlsruhe, Germany, 2003; European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE'14), Lisbon, Portugal, 2004; международные научные конференции «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-14, Смоленск, 2001; ММТТ-15, Тамбов, 2002; ММТТ-16, Санкт Петербург, 2003; ММТТ-17, Кострома, 2004; ММТТ-18, Казань, 2005; ММТТ-19, Воронеж, 2006; ММТТ-20, Ярославль, 2007; ММТТ-21, Саратов, 2008; ММТТ-22, Псков, 2009; ММТТ-24, Киев, 2011; ММТТ-25, Волгоград, 2012); VI Международная научная конференция (к 90-летию со дня рождения академика В.В. Кафарова), РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2004; Международная научная конференция «Энергоресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства», Иваново, 2004; Международная научная конференция по химической технологии ХТ»07, Москва, 2007; 7th World Congress of Chemical Engineering. SECC, Glasgow, Scotland, 2005; European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE'16), Garmisch-Partenkirchen, Germany, 2006; European Congress of Chemical Engineering (ECCE-6), Copenhagen, 2007; European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE'18), Lion, France, 2008; 37th International IGIP Symposium «Engineering competencies - traditions and innovations», Moscow, 2008; Joint International IGIP-SEFI Annual Conference 2010 «Diversity unifies - Diversity in Engineering Education», Trnava, Slovakia, 2010; Международная научно-практическая конференция «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и влажностная обработка материалов (СЭТТ - 2011)», Москва, 2011; European Congress of Chemical Engineering (ECCE-2011), Berlin, Germany, 25 - 30 September 2011.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 268 источников. Объем диссертации составляет 395 страниц, из них 320 страниц текста, 65 рисунков, 28 таблиц, три приложения, акты о внедрениях.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель работы, обоснована ее актуальность, приведена аннотация основных результатов работы, показана научная новизна и практическая значимость, даны рекомендации по реализации результатов исследований в промышленности и научно-инженерной практике.

В первой главе (Современное состояние, проблемы и перспективы проектирования энерго- и ресрсосберегающих ХТП, аппаратов и систем) проводится критический анализ проблем и перспектив исследования и проектирования энерго- и ресурсосберегающих ХТП, аппаратов и систем, аппаратурно-технологического оформления сложных промышленных ХТС, функционирующих в том числе и в составе МХП (процессов тонкого органического синтеза при производстве азопигментов, химикатов-добавок для полимерных материалов, процессов комплексной переработки растительного сырья в органическое топливо, короткоцикловой адсорбции для обогащения воздуха кислородом и СВС твердосплавных материалов и их формования), включая вопросы моделирования, оптимизации, совершенствования управления и принятия решений с целью повышения эффективности функционирования объектов исследования.

На основе анализа литературных источников и результатов обследования ряда промышленных предприятий показано, что применяемые в совмещенных периодических МХП аппараты типовых конструкций мало пригодны для создания энерго- и ресурсосберегающих гибких ХТС. Совмещенные периодические МХП трудно поддаются традиционной автоматизации вследствие того, что периодические химические процессы нелинейны, нестационарны и вообще трудно управляемы из-за невозможности идентификации традиционными средствами контроля множества их состояний.

На примере анилинокрасочных производств — типичного представителя класса многоассортиментных МХП - доказывается, что: 1) непрерывные технологические процессы позволяют обеспечить стабильное высокое качество продукции, более низкие (по сравнению с периодическими процессами) расходные нормы дорогостоящего сырья, снизить габариты и одновременно увеличить производительность установок МХП, значительно улучшить условия труда обслуживающего персонала за счет комплексной автоматизации; 2) требуется создание гибких (работоспособных) ХТП, аппаратов и систем. Под гибкостью ХТС здесь понимается ее способность к управлению и сохранению своего функционального назначения при случайном изменении внутренних и внешних неопределенных параметров ^ е Е . На стадии эксплуатации гибкого ХТП условия его осуществления, задаваемые технологическим регламентом производства, должны выполняться независимо от случайного изменения неопределенных параметров С, в заданной области Е за счет соответствующего выбора режимов функционирования ХТС , реализуемых с помощью управляющих воздействий н е 1/ в САУ.

В ходе критического обзора установлено, что: 1) при неопределенности изменения параметров сырья, технологических переменных и коэффициентов математической модели ХТС в заданной области только интегрированное (совместное) проектирование ХТС и САУ позволит обеспечить оптимальное (в смысле безопасности, энерго- и ресурсосбережения и качества выпускаемой продукции) функционирование ХТС; 2) новый подход к интегрированному проектированию при аппаратурно-технологическом оформлении ХТС должен предусматривать учет неопределенности в параметрах сырья, технологических переменных и коэффициентах математической модели ХТС в самой постановке задачи интегрированного проектирования, неопределенности вводятся как в критерий задачи оптимизации, так и в ограничения задачи; 3) наибольший интерес для интегрированного проектирования промышленных ХТС представляют двухстадийные задачи оптимизации с мягкими (вероятностными) и смешанными ограничениями; 4) наиболее эффективными методами решения двухста-дийных задач оптимизации являются методы, развиваемые в научной школе профес-

сора Г.М. Островским в ГНЦ НИФХИ им. Л.Я. Карпова и основанные на вычислении нижней и верхней оценок функции гибкости методом разбиений и границ; 5) оптимальные статические режимы функционирования ХТП, найденные из решения одностадийных задач оптимизации, могут быть реализованы в классе систем автоматического регулирования (АСР); 6) для реализации оптимальных режимов функционирования ХТС, найденных из решения двухстадийных задач оптимизации, необходимо использовать адаптивную систему статической оптимизации, позволяющую идентифицировать неопределенные параметры на стадии эксплуатации ХТС; 7) при выборе допустимой структуры АСР целесообразно использовать критерий структурной управляемости; 8) при оптимизации нестационарных режимов периодических ХТП наиболее эффективным является метод аналитического конструирования оптимальных регуляторов (АКОР) по критерию обобщенной работы, предложенный академиком A.A. Красовским; 9) наиболее эффективным методом исследования эффективности функционирования гибкого автоматизированного комплекса «ХТС - САУ» в условиях неопределенности является метод имитационного моделирования, обоснованный и развиваемый в научной школе, основанной академиком [В.В. Кафаровым| и профессором |В.И. Бодровым] в Тамбовском государственном техническом университете в 1970 г.

В главе показано, что создание новых гибких энерго- и ресурсосберегающих ХТС и модернизация действующих химических производств невозможны без разработки новых подходов к аппаратурно-технологическому оформлению ХТС, химической аппаратуры с заранее заданными статическими и динамическими характеристиками и специального математического обеспечения САУ, призванных обеспечить поддержание оптимальных режимов функционирования и выполнение регламентных ограничений с гарантированной вероятностью. Сложность решения вышеперечисленных задач усугубляется отсутствием теоретических основ, надежных методов и сравнительно простых (инженерных) вычислительных алгоритмов интегрированного синтеза гибких энерго- и ресурсосберегающих ХТС, функционирующих в составе МХП нового поколения.

В заключительном параграфе главы сформулированы проблема и задачи исследования.

Во второй главе (Новые подходы к аппаратурно-технологическому оформлению энерго- и ресурсосберегающих гибких ХГП) формулируются задачи оценки гибкости и статической оптимизации при аппаратурно-технологическом оформлении энерго- и ресурсосберегающих гибких ХТС, формирующем предпосылки эффективного управления и автоматизации.

Задачи статической оптимизации формулируются при следующих предположениях:

1) в жизненном цикле ХТС выделяются две стадии: проектирования и функционирования:;

2) имеются регламентные требования и проектные ограничения, связанные с экономикой производства, взрывобезопасностью, экологией, качеством выпускаемой продукции;

3) имеются два типа переменных - конструктивные переменные R е 9i, а 6 А ,d е D (структура ХТС, тип аппарата, размеры оборудования и т.п.) и режимные (управляющие) переменные ze Z (температура, давление, расход и др.). На стадии функционирования, как правило, конструктивные переменные остаются постоянными, а управляющие переменные, вообще говоря, могут изменяться. Это по-

зволяет учесть на стадии проектирования возможность настройки на стадии функционирования управляющих переменных для выполнения регламентных требований и проектных ограничений.

На стадии функционирования ХТС будем выделять три группы неопределенных параметров \ . К первой группе относятся параметры, значения которых могут быть определены (измерены) достаточно точно на стадии функционирования ХТС. Другими словами, на стадии функционирования имеется достаточный объем экспериментальной информации, позволяющий определить «точные» значения неопределенных параметров. Ко второй группе относятся параметры, которые не могут быть измерены (уточнены) на стадии функционирования. Область неопределенности для этих параметров остается такой же, как и на стадии проектирования. В третьей группе на стадии функционирования ХТС определяются точные значения только части неопределенных параметров, другая часть при этом остается неопределенной.

Как следует из главы 1, при проектировании ХТП, аппаратов и систем возникает задача совместного проектирования ХТС и системы автоматического управления режимами ее функционирования, при этом оптимальные конструктивные параметры аппаратурного оформления ХТП, режимы функционирования ХТС и настроечные параметры САУ выбираются из условия разумного компромисса между эффективной работой ХТС с точки зрения экономической эффективности, энерго- и ресурсосбережения (в статике) и качеством управления режимами функционирования ХТС (в динамике).

При формулировании задач аппаратурно-технологического оформления ХТС в условиях неопределенности вводится целевая функция и условия выполнения регламентных требований и проектных ограничений (далее ограничения). В качестве целевой функции мы будем использовать некоторую оценку эффективности функционирования (будущей работы) проектируемой ХТС, а в качестве ограничений - условия, гарантирующие гибкость (работоспособность) ХТС на стадии функционирования.

Введем множества / е Ер показателей эффективности функционирования ХТС в статике и динамике и <2 в Еч показателей технологических условий (ограничений), соответствующих технологическому регламенту эксплуатации ХТС и определяющих достижение целей, указанных в техническом задании на проектирование ХТС. Будем

считать, что на множествах / и 2 заданы функциональные зависимости а : £2 —» / ,

—¥ О , отображающие множество Г2 ассортиментов МХП во множества I допустимых показателей эффективности функционирования ХТС в статике и динамике и Q

технологических условий (ограничений), соответствующих технологическому регламенту эксплуатации ХТС.

Решение задачи интегрированного проектирования сложной ХТС невозможно простым перебором возможных структур (технологий) получения заданных ассортиментов продукции, типов аппаратурно-технологического оформления процессов, классов и структур систем управления, векторов конструктивных и режимных переменных из-за высокой размерности задачи, нелинейности технологических процессов, сложности алгоритмов вычисления компонент векторной целевой функции /(•). Требуется декомпозиция задачи, разработка стратегии применения методов интегрированного проектирования, поскольку допустимая область проектных параметров £2x9\xAxDxZxBxH

ХоХа строится в ходе самого процесса проектирования.

Мы будем называть химико-технологическую систему гибкой, а соответствующую ей конструкцию допустимой, если на стадии функционирования мы можем удовлетворить все ограничения (жесткие и мягкие) при условии, что неопределенные параметры ^ могут принимать любые значения из области неопределенности Н.

Объединяя целевую функцию /(•) и условие стохастической гибкости ХТС -

рзад или Рг{^(а,</,^)<о}>ру, n = {S,:gj(a,d,z,Z,)< О,

Q = у=1,..., т\, gj(a, d, z, < 0 , j = 1,..., т — ограничения задачи - сформулируем одностадийную задачу интегрированного проектирования (ОЗИП) при аппара-турно-технологическом оформлении ХТС в условиях неопределенности:

I(a, d* ) = min МЛС (а, d,z,Q], (1)

a,d,2

j = \,...,m, (2)

где d, z, i;) < oj - вероятность выполнения ограничения

gj (а, d, z,£,)< 0; P(Q — функция плотности вероятности случайной переменной Е,; Ру — заданные значения (гарантированные) вероятности выполнения ограничений.

Возможна и другая формулировка ОЗИП, где в качестве критерия будет использоваться его верхняя граница, которая не может быть нарушена с заданной вероятностью Ро '■

min а, (3)

a,d,z,a

P4{C(a,d, -а <0}>р0, (4)

|g,.(a, d, z, < 0}> р Jtj = 1,..., т , (5)

где а - новая переменная, ограничивающая целевую функцию С (а, d, z,E,). В задаче

(3)- (5) мы ищем наименьшее значение а* переменной а, для которой условие С(а, d, z, i;) — а < 0 удовлетворяется с заданной вероятностью р0 . Таким образом,

решив задачу ОЗИП (3) - (5), мы находим конструкцию ХТС а* ,d* и режим z*, которые гарантируют, что в процессе функционирования ХТС целевая функция C(a*,d*,z*,Q будет меньше или равна а* с вероятностью р0 .

Ясно, что постановка и решение задачи ОЗИП при аппаратурно-техноло-гическом оформлении ХТС приводят к не вполне экономичным конструкциям аппаратов, так как не допускается использование настройки управляющих переменных z на стадии функционирования ХТС.

При формулировке двухстадийных задач интегрированного проектирования (ДЗИП) при аппаратурно-технологическом оформлении ХТС в автореферате будут рассмотрены только два случая, применимые для проектирования промышленных ХТС (в диссертации рассмотрены четыре случая).

1. На стадии функционирования ХТС можно определить точные значения неопределенных параметров, при этом все ограничения являются мягкими и должны быть удовлетворены с заданной вероятностью рзад.

Для данного случая задача ДЗИП имеет следующий вид:

1{а, d*) = min [Ix(a, d) + I2(a, с/)], (6)

a,d

fP{%)dE, > рзад, n = h(a, d, Q = min max gj (a, d, z, q) < 01, (7)

а ^ z J£j

где

h(a,d) =

mdi, (8)

J z

gj(a,d,z,fy< 0, j = 1, 2,..., m I2(a, d) = Jmin [C(a, d, l ß) | gj(a, d, z, £) < 0,j = 1,2,..., m]p(^, (9)

E\£2e

E \ Q| — теоретико-множественная разность,

— i0, если г, < 0,

J^i [ Sj , если gj > 0,

ß - штрафной коэффициент.

Ясно, что оптимальное значение целевой функции этой задачи зависит от а, d, Р, и пусть z (а, d, i;, ß) - решение этой задачи. Тогда переменные а, d, ß должны быть выбраны таким образом, чтобы ограничения удовлетворялись с заданной вероятностью рзад и среднее значение величины С*(а, ß) принимало минимальное значение. Формулировка задачи в этом случае будет иметь вид:

I(a,d')= min М%\с*(а, d, ß)}, (10)

gj(a,d,z(£,),fy<0, j = \,...,m, ^gQ, (11)

]>©4>рзад, (12)

n = £: gj (а, d, z(a, d, ß), %) < 0, j = 1,..., m\. (13)

Заметим, что неравенство (12) гарантирует удовлетворение ограничений с вероятностью не меньшей рзад. В определении области О (13) используются значения z(a, d, ß) управляющих переменных, полученных из решения внутренней задачи оптимизации, а штрафной коэффициент ß используется как дополнительная поисковая переменная.

2. На стадии функционирования ХТС можно определить точные значения неопределенных параметров, при этом имеют место смешанные ограничения: ограничения с номерами je Jl = (1,..., т{) являются мягкими и должны удовлетворяться с заданной вероятностью рзад, а ограничения с номерами j е Jг =(щ +1,..., от) -

жесткими, J е Jl П J2 — (I, •••, т) ■

В этом случае формулировка задачи ДЗИП будет иметь вид:

1{а, d* ) = min [/t (a, d) +12 (a, ¿/)], (14)

a,d

рзад, (15)

%j(a, d;J2) = max min max gAa, d, z, < 0, (16)

z ji=J2

где /](<7, d) определяется как (8), I2(a,d) - как (9), область £2 - как (13), ß—штрафной коэффициент; Pr[^e Q J > рзад - величина стохастической гибкости.

Здесь £2 — множество тех значений Е,, для которых могут быть выполнены ограничения задачи, и Pr[^e £i]> рзад . В критерии оптимизации для каждого qe £2 переменная z должна выбираться из условия минимума С (a, d, z,^) при выполнении ограничений h{a, d, с,) = min max g • (a, d, z, i;) < 0 , а при E, £ £2 — из условия

z jeJ

минимизации функции, учитывающей величину С (a, d, z, С,) и штраф за нарушение

ограничений gj(a, d, z,£) <0.

Возможна и другая формулировка задачи ДЗИП, где в качестве критерия будет использоваться его верхняя граница, которая не может быть нарушена с заданной вероятностью р0:

I(a*,d*)= min и, (17)

a,d,u,z(f,)

Prjgo = С(а, d, zß), §)-и < 0}> Po , (18)

Prjgy(a, d, z(q), < o}> pj, i'eJ,, (19)

(a, d) = max min max g (a, d,z,^)< 0. (20)

z jeJ2

В задаче (17) - (20) и — скалярная переменная (аналог конструктивных переменных); g0, gj - функции ограничений; g0(a, d, z(i;),i;) = С (a, d, z(^), q) - критерий оптимизации.

Анализ постановок задач ОЗИП и ДЗИП при аппаратурно-технологическом оформлении ХТС в условиях неопределенности в параметрах сырья, технологических переменных и коэффициентах математической модели химико-технологического

процесса показывает, что вектор С, вводится в целевую функцию, математическую модель, проектные и регламентные ограничения оптимизационных задач, решение которых позволит обеспечить оптимальное (в смысле заданной целевой функции) функционирование и работоспособность ХТС (по сравнению с другими альтернативными вариантами) при любых значениях параметров с неопределенностью из области возможных значений Н.

Для решения сформулированных задач разработаны экономичные (в смысле скорости сходимости и быстродействия) алгоритмы [1, 2, 13, 14, 34, 46].

В третьей главе (Методология интегрированного проектирования гибких автоматизированных ХТП, аппаратов и систем) проведен анализ гибкой автоматизированной ХТС в составе МХП как кибернетической системы и на основе современных методов системного анализа, математического и физического моделирования разработаны теоретические принципы (потенциальной гибкости; сопряженности ап-паратурно-технологического оформления с требуемым ассортиментом продукции; блочно-модулыгой организации МХП; эволюционизируемости конструкций химической аппаратуры и модульной структуры технологических аппаратов; управляемости аппаратов и технологических установок; сопряженности конструкций технологических аппаратов с множеством оптимальных статических и динамических режимов, соответствующих производству требуемого ассортимента продукции; экологической безопасности) и стратегия интегрированного проектирования гибких автоматизированных ХТС. В соответствии с предлагаемой стратегией задача интегрированного проектирования декомпозируется на последовательно и итерационно решаемые три блока основных задач (рис. 1): 1) генерирование альтернативных вариантов ХТС, удовлетворяющих условиям гибкости: решение одно- или двухстадийных задач оптимизации конструктивных и режимных (управляющих) переменных ХТС в условиях неопределенности, определение допустимой области изменения неопределенных переменных (параметров сырья, технологических переменных и коэффициентов математической модели) ХТС, в пределах которой обеспечивается заданное регламентом производства (в смысле безопасности, энерго- и ресурсосбережения и качества выпускаемой продукции) функционирование ХТС; 2) исследование динамических свойств технологических аппаратов ХТС и выбор альтернативных классов и структур САУ ХТП, удовлетворяющих условиям структурной наблюдаемости и управляемости; решение задач оптимальной стабилизации стационарных режимов непрерывных процессов и оптимального управления периодическими процессами МХП; 3) попарное сравнение альтернатив и выбор наилучшего варианта аппаратурно-технологи-ческого оформления ХТС решением многокритериальной задачи оптимизации для альтернативных комплексов «ХТС - САУ».

При проектировании многоассортиментных МХП вначале решаются задачи выбора оптимального ассортимента выпускаемой продукции и определения оптимального состава технологических блоков и их числа (на рис. 1 не показаны), а также множества временных конфигураций технологических установок (структуры производства ), расписание перенастройки и функционирования установок.

В качестве альтернативных классов систем автоматического управления будем рассматривать замкнутые (с обратной отрицательной связью) и разомкнутые системы, предназначенные для решения задач стабилизации режимов, адаптивной статической оптимизации, динамической оптимизации (определение программы управления), программного управления (реализации известной программы управления) и оптимального управления нестационарными режимами ХТС (для периодических процессов).

Рис. 1. Стратегия принятия решений при интегрированном проектировании автоматизированных ХТС:

ТЗ - техническое задание; АО - аппаратурное оформление; САУ - система автоматического управления

Выбор структуры системы автоматической стабилизации оптимальных режимных переменных осуществляется с использованием регулируемых (наблюдаемых) переменных и управляющих воздействий, полученных в результате анализа структурной матрицы системы линеаризованных уравнений динамики ХТС. При этом учитываются наблюдаемость выходных переменных ХТС, оценка затрат на разработку необходимых датчиков, приборов, возможность и точность прогноза выходных переменных по косвенным показателям, управляемость ХТС с той или иной комбинацией управляющих воздействий.

Для допустимых структур САУ проводится исследование динамических показателей ХТС (регулируемости = Яу(а, с/, и) и инерционности = с1, и) по Б.Н. Девятову) по каналам управления (регулирования) V = 1,..., К . В том случае,

если управляемые в статике ХТС имеют неудовлетворительные динамические характеристики, то производится коррекция конструктивных d параметров и управляющих и переменных ХТС (найденных на первом этапе), либо выбираются новые типы а аппаратурного оформления ХТС.

Таким образом, при интегрированном проектировании ХТП, аппаратов и системы управления показатель регулируемости Rv должен являться либо одной из составляющих векторной целевой функции, либо функцией ограничений, накладываемых на динамические свойства объекта управления [35 - 37].

Для решения задач синтеза энерго- и ресурсосберегающего управления нелинейными (по фазовым координатам) химическими процессами в замкнутой САУ разработаны высокоэффективные методы АКОР по критерию обобщенной работы академика A.A. Красовского [1].

На завершающем этапе интегрированного проектирования осуществляется решение многокритериальной задачи оптимизации для альтернативных комплексов «ХТС - САУ». В ходе имитационных исследований помимо вычисления оценок показателей энерго- и ресурсосбережения, экономической целесообразности также определяется техническое задание на точность и быстродействие информационно-измерительной подсистемы, алгоритмов оптимального управления, исполнительных механизмов и устройств управления, на разработку подсистем адаптации моделей и алгоритмов управления. По результатам имитационных исследований проверяется достижимость поставленных целей функционирования ХТС и осуществимость требований технического задания на проектирование. В том случае, если эти требования не достижимы, осуществляется переход к новым типам аппаратурного оформления ХТС или выбору новой структуры ХТС [1, 13, 23, 35 - 37].

В четвертой главе (Экспериментальное исследование кинетики, компьютерное моделирование и системный анализ ХТП) на основе современных методов системного анализа, математического и физического моделирования проводятся исследование кинетики, компьютерное моделирование и системный анализ объектов исследования и интегрированного проектирования: химических процессов синтеза азопигментов и химикатов-добавок для полимерных материалов [1, 3, 5, 6, 12, 15], процесса обогащения воздуха кислородом методом короткоцикловой адсорбции [18, 20, 30, 32, 48], непрерывного процесса метанолиза сложных эфиров глицерина и высших карбоновых кислот (триацилглицеринов растительных масел) при наложении вращающегося электромагнитного поля [25, 26, 33, 47] и тепловых процессов СВС твердосплавных материалов и их формования [17, 22, 27, 31, 49].

Далее в автореферате из-за его ограниченного объема описывается методика применения современных методов системного анализа, математического и физического моделирования в полном объеме при исследовании, оптимизации и интегрированном проектировании только непрерывных процессов тонкого органического синтеза {диазотирования и азосочетания), реакторных установок, ХТС и САУ в составе многоассортиментного производства азопигментов.

При осуществлении непрерывных процессов тонкого органического синтеза (химических реакций диазотирования и азосочетания) значительное влияние на скорость образования целевых и побочных продуктов реакций оказывает интенсивность перемешивания реакционных сред. В ходе химического процесса диазотирования происходит растворение твердых частиц ароматического амина в среде солянокислой суспензии, образование неустойчивых соединений (азотистой кислоты и диазосоеди-нения) и выделение тепла. Для осуществления процессов тонкого органического син-

теза была разработана оригинальная конструкция турбулентного трубчатого реактора с диффузор-конфузорными устройствами, позволяющими осуществлять химические процессы в высокотурбулентных потоках (рис. 2).

Хладаге! 1

Диазосоединение

/. = (8-10)0 7

Рис. 2. Малогабаритный турбулентный трубчатый реактор с камерами смешения диффузор-конфузорного типа (комбинированный реактор): 1 - трубчатый модуль; 2 - колено; 3 - форсунки для распыления нитрита натрия; 4 - диффузор-конфузорное устройство; 5 - теплообменная рубашка; 6 - диффузор; 7 - прямой участок; 8 - конфузор; <1-1р - диаметр трубчатой части реактора; О - диаметр камеры смешения;

/к - длина камеры смешения; ад - угол расширения диффузора; ак - угол сужения конфузора

Основными элементами реактора являются вертикально расположенные трубчатые модули 1, соединительные колени 2, форсунки для распыления нитрита натрия 3, диффузор-конфузорные устройства турбулизации потока 4 и теплообменные рубашки 5. Солянокислая суспензия ароматического амина непрерывно подается в реактор одновременно с водным раствором нитрита натрия, подача которого распределена по длине трубчатой части реактора. Подача раствора нитрита натрия в реактор осуществляется через форсунки, смонтированными непосредственно перед тремя диффузор-

конфузорными устройствами турбулизации потока на входе в реактор, на /¡* -м и

¡2 -м метрах длины реактора. Диаметр ¿/тр вертикальной трубы выбирается однозначно из условий обеспечения заданной производительности, неосаждения твердой фазы и турбулентности режима течения реакционной массы. Чтобы избежать нарушения условий работоспособности реактора, необходимо выбрать такой диаметр трубы, которому будет соответствовать максимально возможный интервал допустимых концентраций амина для выбранной производительности. Такому условию соответствует диаметр трубы с1тр, равный 40 мм, концентрация твердой фазы амина [сА] ? е

е [300...400] моль/м3.

Отличительной особенностью комбинированного реактора является наличие диффузор-конфузорных устройств турбулизации потока, работоспособность которых

определяется условиями обеспечения турбулентности гидродинамического режима течения. Основными параметрами, определяющими эти условия, являются диаметр диффузор-конфузорных камер смешения £), длина диффузор-конфузорной камеры /к, угол расширения диффузора ад и сужения конфузора ак, а также концентрация амина в питании реактора. Конструктивными параметрами реактора являются длина реактора Ь, состоящего из четырехметровых модулей, внутренний диаметр трубы модуля (¡^ и объем камеры смешения Ккгш.

В диффузор-конфузорных устройствах с углом расширения ад > 40 происходит полный отрыв потока от стенок диффузора с образованием интенсивных обратных токов и завихрений. Отрыв потока распространяется дальше на участок постоянного сечения за диффузором, поэтому чтобы сгладить турбулизацию потока реакционной среды за диффузором, необходимо наличие участка цилиндрической формы. На этом участке полное выравнивание потока по сечению достигается на расстоянии /к = (8... 10) И, где И - диаметр выходного сечения диффузора.

Конфузор служит для окончательного выравнивания потока при переходе из камеры смешения в трубчатую часть реактора. Для выравнивания профиля скорости потока целесообразно принять угол сужения конфузора ОСк равным 30...40°. Следовательно, для более интенсивного подвода нитрита натрия в реакционную зону можно применять камеры смешения с параметрами: диаметр камеры смешения £> = 0,1 м, длина камеры /к= 1,0 м, угол расширения диффузора ад = 60° и сужения конфузора ОСк = 30°.

Таким образом, отдельная секция реактора состоит из устройства смешения, смонтированного на входе в аппарат; трубчатой части и диффузор-конфузорных устройств турбулизации потока (камер смешения).

Экспериментальные исследования статических и динамических режимов процессов диазотирования и азосочетания проводили на пилотной установке в НОЦ ТГТУ - ОАО «Корпорация «Росхимзащита» «Новые химические технологии» в широком диапазоне изменения факторов эксперимента: расхода солянокислой суспензии

амина <?/0', концентрации твердой фазы амина [сА ', температуры Г*-0' солянокислой суспензии амина в питании ректора диазотирования, рН-среды азосочетания, отношения мольных расходов азо- и диазосоставляющей О^ / бд' в питании реакторной установки азосочетания.

Адекватность математических моделей проверяли по обширному массиву экспериментальных данных, полученных в ходе проведенных экспериментальных исследований на пилотной установке. Среднеквадратичное отклонение расчетных от экспериментальных данных для моделей статики не превышает 10%, максимальное рассогласование - 14%; для моделей динамики - 12 и 15% соответственно.

Проведены серии вычислительных экспериментов по исследованию статических режимов функционирования реакторных установок диазотирования с диффузор-конфузорными устройствами турбулизации потока и циклического типа. Технологическим регламентом непрерывного производства азопигментов к реакторной установке диазотирования предъявляются следующие требования (ограничения): по выходу диазосоединения - Ко > 98,0%; по «проскоку» твердой фазы амина - Г) < 0,25%; по содержанию диазосмол - Пх < 0,5% и нитрозных газов - ГТ^ < 0,5% в диазорастворе. Выполнение вышеперечисленных требований необходимо обеспечить в условиях

неопределенности отдельных параметров: концентрации твердой фазы амина [сА ](s0) = 380,0 (±4%) моль/м3, кинетических коэффициентов растворения твердой фазы амина А = 5,4-105 (±5%), кинетических коэффициентов (энергий активации Е04 = = 87 150 (±0,2%) Дж/моль, Eo¡ = 63 690 (±0,2%) Дж/моль) реакций разложения диазо-соединения.

На рисунках 3 и 4 представлены статические характеристики и области допустимых режимов функционирования реакторной установки диазотирования в координатах «доля расхода у® раствора нитрита натрия в первую секцию реактора - тем-

т( 0)

пература солянокислой суспензии амина на входе в реактор / при варьировании неопределенного параметра - концентрации твердой фазы амина [сд]'0^ в питании реакторной установки (рис. 4). Анализ графиков и областей допустимых режимов функционирования реакторной установки диазотирования производительностью 1000 т/год позволяет сделать следующие выводы: 1) при случайных отклонениях концентрации твердой фазы амина [сА J от регламентного значения и кинетических коэффициентов уравнении растворения А и энергий активации образования диазосмол Ем, Е05 от номинальных значений выход диазосоединения снижается, и нарушаются требования технологического регламента (ограничения). Это обстоятельство позволяет рассматривать эти переменные как неопределенные параметры; 2) для управления процессом диазотирования целесообразно использовать распределение подачи раствора нитрита натрия по длине реактора у д?, i = 1, 2, 3, добиваясь при этом стабили-

Рис. 3. Поверхность изменения «проскока» ГЦ твердой фазы ароматического амина на выходе из турбулентного трубчатого реактора

диазотирования в зависимости от температуры и расхода солянокислой суспензии амина в питании реактора

Рис. 4. Области допустимых режимных параметров

функционирования турбулентного трубчатого реактора диазотирования при нижнем (область 1), номинальном (область 2) и верхнем (область 5)

значении концентрации [с

Х0)

A-t

ароматического амина в питании реактора

зации оптимального профиля температуры реакционной среды T(i), i = 1,2,3 по

длине трубчатого реактора; 3) при изменении неопределенных параметров в заданных пределах существуют допустимые области изменения управляющих переменных, и имеет место пересечение этих областей (заштрихованная область), что подтверждает возможность и целесообразность постановки задачи оптимизации реакторных установок диазотирования в условиях неопределенности.

Технологическим регламентом непрерывного производства азопигментов к реакторной установке азосочетания предъявляются следующие требования (ограничения): по выходу пигмента - К > 99,0%; по содержанию диазосмол Пх < 0,1%; по колористическим и физико-технологическим свойствам пигмента Yj>YjT, /=1,8.

Выполнение вышеперечисленных требований к реакторным установкам необходимо обеспечить в условиях неопределенности отдельных входных параметров: входной концентрации диазосоставляющей cD = 394 (±5%) моль/м3, входной концентрации азосоставляющей Caz = 487 (±5%).

На рисунках 5 и 6 представлены статические характеристики и области допустимых режимов функционирования реакторной установки азосочетания трубчатого типа при различных значениях неопределенной переменной — концентрации диазосое-динения Сд в питании реактора азосочетания.

Анализ графиков и областей допустимых режимов функционирования реакторной установки азосочетания производительностью 1000 т/год позволяет сделать следующие выводы: 1) при проведении процесса азосочетания отклонение входных концентраций диазо- и азосоставляющих сд, от номинальных значений приводит к

а)

Рис. 5. Изменение выхода пигмента

из реактора азосочетания в зависимости от значения рН-среды реакционной массы и мольного соотношения подачи диазо- и азосоставляющей Л' в питании трубчатого реактора азосочетания

б)

Рис. 6. Области допустимых режимных параметров для трубчатого реактора азосочетания при нижнем (область /), номинальном (область 2) и верхнем (область 3) значении концентрации диазосоединения св питании трубчатого реактора азосочетания

нарушениям технологических ограничений; 2) для управления процессом азосочета-ния целесообразно использовать рН реакционной среды и мольное соотношение подач диазо- и азосотавляющей в питании реактора 5 = с^Сд^ / ; 3) при изменении неопределенных параметров в указанных пределах существуют допустимые области изменения управляющих переменных и имеет место пересечение этих областей, что подтверждает возможность и целесообразность постановки задач оптимизации статических режимов в условиях неопределенности.

В пятой главе (Интегрированное проектирование автоматизированных ХТП, аппаратов и систем в условиях неопределенности) рассматриваются вопросы интегрированного проектирования аппаратурно-технологического оформления гибких энерго- и ресурсосберегающих ХТП, аппаратов и систем в составе производства азо-пигментов и химикатов-добавок для полимерных материалов [1, 7, 8, 11, 13, 15, 16], процесса обогащения воздуха кислородом методом короткоцикловой адсорбции [1, 18, 45], непрерывного процесса метанолиза сложных эфиров глицерина и высших карбоновых кислот при наложении вращающегося электромагнитного поля [25, 26, 33] и тепловых процессов СВС твердосплавных материалов и их формования [49, 51] в условиях неопределенности.

Техническое задание на проектирование гибкой энерго- и ресурсосберегающей ХТС тонкого органического синтеза в составе многоассортиментного производства азокрасителей включает: производительность - 1000 т/год; выход диазосоединения -Кв >98,0%; «проскок» твердой фазы амина ГЦ в реакторе - П^ <0,5%; содержание диазосмол И^ в диазорастворе - П^ < 0,5%; содержание нитрозных газов Па в

диазорастворе - Па < 1%.

Переходные процессы в системах стабилизации режимных переменных процесса диазотирования должны удовлетворять требованиям:

- при регулировании концентрации кислоты Сд^ в зоне реакции диазотирования - время регулирования - ГрСдк < 4,5 мин; перерегулирование - <3Сд|<, < 0,35; число колебаний N за время регулирования Тр - N < (2 - 3); степень затухания переходного процесса - \|/ ~ 0,75, что соответствует показателю колебательности т = 0,221; допустимая статическая ошибка регулирования - £Сдк 2 |0,5| моль/м3;

— при регулировании температуры в первой секции трубчатого реактора диазотирования - время регулирования температуры в первой секции трубчатого реактора диазотирования — 7< 1,0... 1,2 мин; в последующих секциях реактора -

Гр7^1* < 1,5. ..2,0 мин; перерегулирование - От < 0,2; число колебаний за время регулирования и степень затухания соответствуют вышеприведенным значениям при регулировании концентрации азотистой кислоты; статическая ошибка регулирования -гт < |0,5| К.

Выполнение вышеперечисленных требований ТЗ на проектирование реакторных установок необходимо обеспечить в условиях неопределенности концентрации твердой фазы амина [сА , среднего радиуса г частиц амина, кинетических коэффициентов (растворения твердой фазы амина, энергий активации при разложении диазосоединения Е04, Е05).

В качестве целевой функции (критерия интегрированного проектирования) использовали приведенные затраты С(-) на производство 1 т пигмента.

Внутреннюю и внешнюю задачи нелинейного программирования в задачах ОЗИП и ДЗИП решали методом последовательного квадратичного программирования с использованием программы ЯОРХЛЭ, разработанной сотрудниками лаборатории математического моделирования НИФХИ им. Л.Я. Карпова (Москва) под руководством д-ра техн. наук, проф. Г.М. Островского. Вероятностные интегралы вычисляли методом Монте-Карло. Число стохастических испытаний выбиралось опытным путем из условия несущественного влияния двукратных изменений числа экспериментов на результаты решения задачи оптимизации (оно выбиралось равным 100).

Сравнительный анализ результатов решения задач оптимизации в номинальной

точке = (без учета неопределенности), ОЗИП и ДЗИП показывает, что гибкие реакторные установки диазотирования и азосочетания должны обладать следующими коэффициентами запаса по числу секций: 1) для задачи ОЗИП с жесткими ограничениями - [АЛЛ = (Л^ -Л^110")/^110" =0,57; 2) для задачи ОЗИП с мягкими ограничениями — [Л]У] = 0,29; 3) для задачи ДЗИП со смешанными ограничениями -[АЛ?] = 0,43.

Решение задачи интегрированного проектирования реакторной установки диазотирования предусматривает также определение оптимальных заданий регуляторам САУ 2 е X (распределение температуры реакционной среды Т(г) и подачи нитрита

натрия по зонам Уд/, г = 1, 2, 3 (длине) трубчатой части реактора диазотирования), структуры к(Ь)е Н и вектора настроечных параметров 5(/г)е 5 САУ. На рисунке 7 представлена принципиальная технологическая и функциональная схема автоматиза-

Рис. 7. Схема непрерывного технологического процесса синтеза азопигментов

ции реакторной установки синтеза азопигментов (алого, лакокрасочного и желтого светопрочного) непрерывного действия производительностью 1000 т пигмента/год, разработанная в соответствии с методологией интегрированного синтеза.

Солянокислую суспензию амина (З-нитро-4-аминотолуола) с заданной концентрацией приготавливают в аппарате 1. Процесс диазотирования З-нитро-4-амино-толуола нитритом натрия в присутствии 2,5...3-кратного избытка соляной кислоты осуществляют непрерывно в турбулентном трубчатом реакторе диазотирования 2, куда солянокислая суспензия амина подается центробежным насосом 3. Водный раствор нитрита натрия непрерывно и распределенно (по длине трубчатого реактора) подают в реакторную установку 2 с помощью системы дозирующих насосов 4 таким образом, чтобы избыточная концентрация азотистой кислоты (диазотирующего агента) в зоне реакции диазотирования находилась в пределах 7,0... 14,0 моль/м3. Процесс диазотирования осуществляют при турбулентном режиме движения потока реакционной массы при заданном (оптимальном) температурном профиле. Полученный диазо-раствор непрерывно подается на стадию очистки, которая осуществляется с помощью ультрацентрифуги 5, и далее в емкость 6.

Очищенный раствор диазосоединения самотеком непрерывно поступает в турбулентный трубчатый реактор азосочетания 7. В реактор 7 одновременно подают растворы азосоставляющей (Р-нафтолята или анилида ацетоуксусной кислоты в зависимости от марки пигмента) и наполнителя (хлористого бария, гидроокиси алюминия). Подача щелочного агента осуществляется распределенно по длине реактора 7 для формирования оптимального профиля рН-среды сочетания.

Суспензии азопигментов накапливаются в специальных аппаратах-сборниках для проведения последующих операций термообработки и транспортировки на заключительные стадии физико-механической обработки (фильтрования, сушки и размола).

Автоматическая система регулирования переменных состояния реакторных установок диазотирования и азосочетания включает контуры I - VII, реализующие найденные при решении задачи статической оптимизации оптимальные значения режимных (управляющих) переменных. В контуре I поддерживается оптимальное значение расхода солянокислой суспензии амина (датчик (Д1), регулятор (Р1), клапан (К1)) с коррекцией по концентрации азотистой кислоты в третьей зоне реакторной установки диазотирования (Д2(12,з), корректирующий регулятор (КР1)). Оптимальное распределение подачи нитрита натрия в зоны реакторной установки диазотирования обеспечивается системой высокоточных дозирующих насосов. В контурах II - IV поддерживается оптимальный профиль температуры в зонах 1, 2, 3 диазотирования (Д3(1,2,з), Р2(!,2,з)> К2(1,2,з))- Соотношение расходов азосоставляющей и диазораствора в питании реакторной установки азосочетания поддерживается в контуре V с помощью Д4, Д5, РЗ и КЗ. Наконец, оптимальный профиль рН-среды азосочетания реализуется в контурах VI и VII (Д6(1,2), Д7(2), P4(U), КР2, К4(1Д).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

На основе современных методов системного анализа, математического и физического моделирования получены новые научные результаты для теории интегрированного проектирования энерго- и ресурсосберегающих гибких промышленных химико-технологических процессов, аппаратов и систем, формирующих предпосылки эффективного управления и автоматизации.

1. Разработана методология (система принципов, способов организации и построения теоретической и практической деятельности при интегрированном проекти-

ровании) и формализована стратегия интегрированного проектирования промышленных энерго- и ресурсосберегающих гибких ХТП, оборудования и систем автоматического управления в условиях интервальной неопределенности физико-химических, технологических и экономических исходных данных. Реализована многоэтапная итерационная процедура решения задач интегрированного проектирования гибких автоматизированных ХТС, предусматривающая: выбор типа, расчет конструктивных параметров и режимных переменных аппаратурно-технологического оформления ХТС; выбор класса, структуры и расчет настроечных параметров САУ; определение допустимой области изменения параметров сырья, технологических переменных и коэффициентов математической модели ХТС, в пределах которой обеспечивается оптимальное (в смысле безопасности, энерго- и ресурсосбережения и качества выпускаемой продукции) функционирование ХТС.

2. Разработаны методы и алгоритмы решения задач стохастической оптимизации с «мягкими» (вероятностными) и смешанными ограничениями, возникающих при аппаратурно-технологическом оформлении промышленных энерго- и ресурсосберегающих гибких автоматизированных ХТС в условиях неопределенности.

3. Обоснована возможность применения метода аналитического конструирования регуляторов по критерию обобщенной работы A.A. Красовского для решения задачи оптимального управления нестационарными химическими процессами и доказана их эффективность на примере периодического процесса синтеза ускорителя вулканизации сульфенамида М.

4. Проведены экспериментальные исследования кинетики (получены кинетические уравнения и определены их коэффициенты, выявлены особенности кинетики):

1) процессов тонкого органического синтеза: а) химических реакций диазоти-рования и азосочетания в производстве азопигментов (алого концентрированного, лакокрасочного и желтого светопрочного), протекающих в смешанной диффузионно-кинетической области; б) реакции окислительной конденсации при синтезе ускорителя вулканизации сульфенамида М в производстве химикатов-добавок для полимерных материалов (осуществлен выбор наиболее вероятного механизма реакции окислительной конденсации 2-меркаптобензтиазола и морфолина перекисью водорода); в) процесса метанолиза сложных эфиров глицерина и высших карбоновых кислот (триацилглицеринов растительных масел) при наложении электромагнитного поля, протекающего в смешанной диффузионно-кинетической области (определен фракционный состав метиловых эфиров рапсового, подсолнечного и льняного масел. Установлено, что в результате термодеструкции получается смесь предельных и непредельных углеводородов, карбоновых кислот, непрореагировавших moho-, ди- и триацилглицеринов, а также неиндентифицированных соединений. Выявлен наиболее вероятный механизм термической деструкции триацилглицеринов);

2) процесса обогащения воздуха кислородом в энергосберегающей установке короткоцикловой адсорбции производительностью £?зад= 0,05 м3/с: а) экспериментально исследованы адсорбционные, механические и аэродинамические свойства блочных цеолитовых адсорбентов типа X с целью их использования в установке короткоцикловой адсорбции при обогащении воздуха кислородом (при реализации процесса короткоцикловой адсорбции обогащения кислородом воздуха в продолжительных испытаниях (~5 суток) разрушения блочного адсорбента и образования пыли не наблюдается); максимальное сопротивление потоку блока высотой Н = 0,2 м с d3 = 0,2 мм составляет АР = 0,19-105 Па, что на 8% ниже по сравнению со слоем шихты той же высоты с dr — 0,28 мм); б) концентрация кислорода на выходе Cq"x увеличивается в

среднем на ~30% - при сокращении длительности цикла тц с 20 до 2 с, на ~70% - при увеличении высоты слоя адсорбента Н с 0,1 до 0,25 м и достигает максимума при значении коэффициента обратной промывки, равного 2,6.

5. Разработаны математические модели:

1) статики и динамики непрерывных процессов диазотирования и азосочетания, учитывающие: особенности кинетики процессов растворения твердой фазы ароматического амина (имеющего полидисперсный состав при диазотировалии) и кристаллизации пигмента алого лакокрасочного, закономерности формирования колористических и физико-технологических показателей пигмента алого лакокрасочного в зависимости от рН-среды и других условий осуществления процесса азосочетания (свидетельства об официальной регистрации программ ЭВМ № 2009613713 от 13.07.2009 г., № 2009613714 от 13.07.2009 г.);

2) периодического процесса окислительной конденсации 2-меркаптобензтиазола и морфолина перекисью водорода при синтезе сульфенамида М с учетом химических реакций образования побочных продуктов и неравномерности распределения перекиси водорода по объему реактора с мешалкой;

3) непрерывного процесса метанолиза сложных эфиров глицерина и высших карбоновых кислот (триацилглицеринов растительных масел);

4) нестационарных тепло- и массообменных процессов при обогащении воздуха кислородом путем адсорбции азота из газовоздушной смеси сплошным пористым цеолитовым адсорбентом (свидетельство о государственной регистрации программы ЭВМ № 2009616584 от 26.11.2009 г.);

5) нестационарного процесса теплообмена в пресс-оснасгке для осуществления СВС твердосплавных материалов на основе дисилицида молибдена (свидетельства о государственной регистрации программ ЭВМ № 2012613247, № 2012613248 от 6.04.2012 г.).

6. С использованием разработанных методов и быстродействующих алгоритмов оптимизации и оптимального управления в условиях неопределенности выполнено интегрированное проектирование малогабаритных гибких автоматизированных промышленных установок синтеза азопигментов и химикатов-добавок для полимерных материалов (спроектированы малогабаритные высокопроизводительные конструкции гибких турбулентных трубчатых реакторных установок с диффузор-конфузорными устройствами турбулентного перемешивания, оснащенных перспективными системами автоматического регулирования и адаптивной статической оптимизации; гибкий автоматизированный модуль осуществления периодических нестационарных химических процессов), определены области изменения неопределенных параметров сырья, технологических переменных и коэффициентов математической модели ХТС, в пределах которых гибкие автоматизированные установки обеспечивают качественное и безопасное осуществление процессов тонкого органического синтеза. Результаты работы рекомендованы и приняты к реализации Тамбовским ОАО «Пигмент», ОАО «НИИХИМПОЛИМЕР» (Тамбов) при реконструкции действующих и проектировании новых гибких автоматизированных химических производств тонкого органического синтеза.

го катализатора в реакционной смеси - 1,5%; мольное отношение метанола к маслу -8:1; степень заполнения реакционного объема аппарата ферромагнитными частицами 5 об. %; сила тока, подаваемого на обмотки индуктора аппарата, - 10 А; величина магнитной индукции - от 0,14 Тл; отношение длины к диаметру ферромагнитных частиц -//¿/ = 12; размеры реакционной камеры аппарата - D = 100 мм; L = 150 мм.

8. На базе математической модели нестационарных тепло- и массообменных процессов короткоцикловой адсорбции, методов и алгоритмов интегрированного проектирования ХТС в условиях неопределенности выполнена конструктивная разработка аппаратурно-технологического оформления портативного медицинского концентратора кислорода, включающая разработку ресурсосберегающей конструкции адсорберов (оптимальные значения конструктивных параметров - Н* = 0,22 м; Д,,* = 0,035 м и режимных переменных - Ра* = 1,5-105 Па; Ряе1 = 0,5105 Па; 9* = 2,5; т* = 0,8) (патент на полезную модель № 96338 от 27.07. 2010; положительное решение о выдаче патента на изобретение от 05.05.2010 по заявке №2010108850/22), обеспечивающих при заданной производительности £2зад = 0,0510~3 м3/с надежную герметизацию блочного цеолитового адсорбента, концентрацию кислорода на выходе из двухадсорберной

установки с вакуумной десорбцией не ниже заданной - [cq"x ]мд > 90% и технико-

экономические показатели медицинского концентратора кислорода ПЗ* = 45 250 р.; М* = 0,5 кг; N* = 16, превосходящие мировые аналоги.

9. Разработана неизотермическая методика расчета корпусов пресс-формы с учетом допустимых значений пределов прочности и текучести материала стенки при расчетной температуре, обеспечивающая возможность использования тонкостенных пресс-форм для СВС образцов на основе дисилицида молибдена без применения сыпучего теплоизолятора (свидетельство об официальной регистрации программы ЭВМ №2009614680 от 1.09.2009). Результаты работы приняты к реализации в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН , г. Черноголовка.

10. Разработанная методология интегрированного проектирования была использована при проектировании гибкой научно-образовательной системы инновационно-ориентированной подготовки инженерных кадров (дипломированных специалистов, бакалавров и магистров) в области системного анализа, математического моделирования и автоматизированного проектирования энерго- и ресурсосберегающих гибких автоматизированных технологических систем. Рекомендации и предложения по управлению инновационно ориентированной подготовкой инженерных кадров используются в учебном процессе ТГТУ, Воронежском государственном университете инженерных технологий при подготовке дипломированных специалистов, бакалавров и магистров по специальности «Проектирование технологических машин и комплексов» и направлениям «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в нефтехимии, химической технологии и биотехнологии», «Химическая технология», «Биотехнология», «Технологические машины и оборудование».

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации:

Монография

1. Дворецкий, Д.С. Новые подходы к проектированию химико-технологических процессов, аппаратов и систем в условиях интервальной неопределенности / Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий, Г.М. Островский. - М. : Издательский дом «Спектр», 2012. -344 с.

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях по перечню ВАК:

2. Бодров, В.И. Оптимальное проектирование энерго- и ресурсосберегающих процессов и аппаратов химической технологии / В.И. Бодров, С.И. Дворецкий, Д.С. Дворецкий // Теоретические основы химической технологии. - 1997. - Т. 31, № 5. - С. 542 - 548.

3. Дворецкий, С.И. Разработка энерго- и ресурсосберегающих технологических установок непрерывного действия / С.И. Дворецкий, В.В. Карнишев, Д.С. Дворецкий // Химическое и нефтегазовое оборудование. - 1998. - № 4. - С. 4 - 7.

4. Дворецкий, С.И. Проектирование безопасных химических процессов / С.И. Дворецкий, Д.С. Дворецкий // Вестник ТГУ им. Г.Р. Державина. - 1999. - Т. 4, вып. 2. -С. 232-233.

5. Дворецкий, С.И. Разработка и исследование прогрессивной технологии и ресурсосберегающей техники в производстве азокрасителей / С.И. Дворецкий, Д.С. Дворецкий, И.Н. Мамонтов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2000. - Т. 6, № 1. - С. 26 - 40.

6. Бодров, В.И. Стратегия и алгоритмы интегрированного проектирования энерго- и ресурсосберегающих химических процессов и систем управления ими /

B.И. Бодров, С.И. Дворецкий, Д.С. Дворецкий // Вестник ТГУ им. Г.Р.Державина. -2001. - Т. 6, вып. 2. - С. 208 - 220.

7. Дворецкий, Д.С. Постановка задач и проблемы интегрированного проектирования гибких автоматизированных химико-технологических процессов при наличии неопределенности. Ч. 1 / Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2003. - Т. 9, № 3. - С. 360 - 381.

8. Дворецкий, Д.С. Интегрированное проектирование гибких автоматизированных химико-технологических процессов при наличии неопределенности. Ч. 2 / Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2004. - Т. 10, Юбилейный, № 2. - С. 379 - 396.

9. Дворецкий, Д.С. Математические методы интегрированного проектирования автоматизированных технологических процессов и оборудования / Д.С. Дворецкий,

C.И. Дворецкий // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского, 2005. -№ 1. - С. 79 - 96.

10. Дворецкий, Д.С. Теоретические основы инновационных химических технологий / Д.С. Дворецкий, Н.Ф. Гладышев // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - 2006. - № 1(3). - С. 136 - 152.

11. Островский, Г.М. Интегрированный синтез энерго- и ресурсосберегающих многоассортиментных химико-технологических систем / Г.М. Островский, Д.С. Дворецкий // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - 2006. -№ 4(6). - С. 175- 185.

12. Дворецкий, Д.С. Компьютерное моделирование турбулентных реакторных установок тонкого органического синтеза в условиях неопределенности / Д.С Дворецкий, Е.В. Пешкова // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. Научно-теоретический журнал. - 2007. - Т. 50, вып. 8. - С. 70 - 75.

13. Дворецкий, Д.С. Интегрированное проектирование энерго- и ресурсосберегающих химико-технологических процессов и систем управления: стратегия, методы и применение / Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий, Г.М. Островский // Теоретические основы химической технологии. - 2008. - Т. 42, № 1. - С. 29 - 39.

14. Дворецкий, Д.С. Решение двухэтапной задачи стохастической оптимизации при проектировании комбинированной реакторной установки тонкого органического синтеза / Д.С. Дворецкий, А.Ф. Егоров, Г.М. Островский // Химическая технология. -2008,-№2.-С. 67-73.

15. Дворецкий, Д.С. Оптимизация и аппаратурно-технологическое оформление непрерывных процессов тонкого органического синтеза в производстве органических полупродуктов и красителей / Д.С. Дворецкий, Г.М. Островский, Е.В. Пешкова // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2008. - Т. 14, № 1.-С. 75-89.

16. Дворецкий, Д.С. Методология интегрированного синтеза энерго- и ресурсосберегающих ХТС / Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2008. - Т. 14, № 4. - С. 755 - 772.

17. Стельмах, Л.С. Неизотермический метод прочностного расчета пресс-формы на основе математической модели тепловых режимов СВС-прессования / JI.C. Стельмах, В.В. Шепелев, А.М. Столин, Д.С. Дворецкий // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2008. - Т. 14, № 3. - С. 660 - 663.

18. Акулинин, Е.И. Современные тенденции по уменьшению энергозатрат ки-слородцобывающих установок короткоцикловой безнагревной адсорбции / Е.И. Акулинин, A.A. Ермаков, Д.С. Дворецкий, С.И. Симаненков // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2008. - Т. 14, № 3. - С. 597 - 601.

19. Дворецкий, Д.С. Оптимизация и аппаратурно-технологическое оформление ХТП в условиях интервальной неопределенности / Д.С. Дворецкий, Г.М. Островский, А.Ф. Егоров // Химическая промышленность. - 2009. - № 4. - С. 46 - 56.

20. Акулинин, Е.И. Математическое моделирование процесса обогащения кислородом воздуха в установке короткоцикловой адсорбции / Е.И. Акулинин, Д.С. Дворецкий, A.A. Ермаков // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2009. - Т. 15, № 2. - С. 341 - 355.

21. Гудков, C.B. Совершенствование методики испытания изолирующих дыхательных аппаратов с химически связанным кислородом / C.B. Гудков, Д.С. Дворецкий, А.Ю. Хромов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2009. - Т. 15, № 3. - С. 589 - 597.

22. Стельмах, U.C. Неизотермический метод расчета пресс-оснастки установки компактирования горячих продуктов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза / Л.С. Стельмах, А.М. Столин, Д.С. Дворецкий // Теоретические основы химической технологии. - 2010. - Т. 44, № 2. - С. 205 - 213.

23. Дворецкий, Д.С. Новые подходы к интегрированному синтезу гибких автоматизированных химико-технологических систем / Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий, C.B. Мищенко, Г.М. Островский // Теоретические основы химической технологии. -2010.-Т. 44, № 1.-С. 69-77.

24. Дворецкий, Д.С. Кинетика взаимодействия диоксида углерода с регенеративным продуктом на матрице РПК-П / Д.С. Дворецкий, М.Ю. Плотников // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2010, - Т. 16, № 3. - С. 597 - 602.

25. Нагорнов, С.А. Моделирование гидродинамики в реакторе с вихревым слоем ферромагнитных частиц при синтезе биотоплива / С.А. Нагорнов, Д.С. Дворецкий, A.A. Ермаков // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - 2010. - № 10- 12(31).-С. 359-368.

26. Нагорнов, С.А. Моделирование процесса метанолиза растительных масел в аппарате вихревого слоя ферромагнитных частиц / С.А. Нагорнов, Д.С. Дворецкий, A.A. Ермаков // Вестник Тамбовского государственного технического университета. -2010. - Т. 16, № 4. - С. 895 - 904.

27. Стельмах, Л.С. Тепловой расчет пресс-оснастки для СВС-компактирования и выбор оптимальных технологических режимов / Л.С. Стельмах, А.М. Столин, Д.С. Дворецкий // Инженерная физика. - 2010. - № 1. - С. 25 - 33.

28. Путин, С.Б. Разработка автоматизированного стенда для испытаний дыхательных аппаратов, используемых для защиты человека при чрезвычайных ситуациях /

С.Б. Путин, С.В. Гудков, С.Ю. Алексеев, Д.С. Дворецкий, А.Ю. Хромов // Автоматизация в промышленности. - 2010. - № 12. - С. 64 - 68.

29. Дворецкий, Д.С. Разработка алгоритма двухэтапной оптимизации промышленных аппаратов химической технологии (на английском языке) / Д.С. Дворецкий,

C.И. Дворецкий, Г.М. Островский, Б.Б. Поляков // Вестник Тамбовского государственного технического университета. -2011. - Т. 17, № 3. - С. 674-686.

30. Акулинин, Е.И. Моделирование процесса обогащения воздуха кислородом путем поглощения азота в установке короткоцикловой адсорбции (на английском языке) / Е.И. Акулинин, Д.С. Дворецкий, Е.Н. Туголуков // Вестник Тамбовского государственного технического университета.-2012.-Т. 18,№ 1.-С. 182- 196.

31. Дворецкий, Д.С. Новый подход к получению тугоплавких неорганических соединений на основе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза / Д.С. Дворецкий, Б.Б. Поляков, JI.C. Стельмах, A.M. Столин // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - 2012. - Специальный выпуск (39) к 150-летию В.И. Вернадского. - С. 166 - 178.

32. Акулинин, Е.И. Моделирование процесса обогащения воздуха кислородом в установке короткоцикловой адсорбции / Е.И. Акулинин, Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий, Е.Н. Туголуков // Химическая технология. - 2012. - Т. 13, № 4. - С. 247 - 256.

33. Дворецкий, Д.С. Технология получения биодизельного топлива с использованием гетерофазных катализаторов и СВЧ-нагрева / Д.С. Дворецкий, С.А. Нагорнов, А.А. Ермаков, С.В. Неизвестная // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. — 2012. - Специальный выпуск (39) к 150-летию В.И. Вернадского. -С. 136- 143.

34. Дворецкий, Д.С. Новый подход к оптимальному проектированию промышленных аппаратов химической технологии / Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий, Г.М. Островский, Б.Б. Поляков // Теоретические основы химической технологии. - 2012. -Т. 46, №5.-С. 501-510.

Статьи, опубликованные в рецензируемых научных изданиях и трудах международных научных симпозиумов, конгрессов и конференций, в том числе'.

35. Dvoretsky, D.S. Methods of Integrated Design of Flexible Chemical Processes and Automated Control Systems / D.S. Dvoretsky, S.I. Dvoretsky, V.F. Kalinin // IV European Congress of Chemical Engineering / T. 9 Proceedings. Granada, Spain, 21-25 September, 2003.-P. 154- 159.

36. Dvoretsky, S.I. New problem statements, algorithms and problems of integrated design of flexible chemical processes and automatic control systems / S.I. Dvoretsky,

D.S. Dvoretsky, V.F. Kalinin // European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE44): Proceedings. - Lisbon, Portugal, 2004. - P. 397 - 402.

37. Бодров, В.И. Постановка задач и проблемы интегрированного проектирования гибких автоматизированных ХТП / В.И. Бодров, С.И. Дворецкий, В.Г. Матвейкин, Д.С. Дворецкий // VI Международная научная конференция (к 90-летию со дня рождения академика В.В. Кафарова) : сб. докл. - М. : РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2004. -

C. 149- 162.

38. Дворецкий, С.И. Синтез гибких автоматизированных производств / С.И. Дворецкий, Д.С. Дворецкий // XVIII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» : сб. тр. - Казань, 2005. - Т. 2. - С. 17-21.

39. Ostrovsky, G.M. Integrated design of energy-saving chemical process systems: strategy, methods and implementation / G.M. Ostrovsky, Y.M. Volin, S.I. Dvoretsky,

D.S. Dvoretsky // 16th European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE' 16): Published by Elsiver В.V., 2006. - P. 521 - 526.

40. Дворецкий, Д.С. Интегрированное проектирование автоматизированных энерго- и ресурсосберегающих химических комплексов / Д.С. Дворецкий, Г.М. Островский // Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-20) : сб. тр. XX Междунар. науч. конф. В 10 т. - Ярославль : Изд-во Яросл. гос. техн. ун-та, 2007. - Т. 2. - С. 5 - 7.

41. Дворецкий, Д.С. Теория и методы интегрированного проектирования гибких химико-технологических систем в условиях неопределенности / Д.С. Дворецкий, Г.М. Островский, Е.В. Пешкова // Фундаментальная наука - Центральной России : сб. ст. - Тамбов, 2007. - С. 295 - 306.

42. Дворецкий, Д.С. Двухэтапный алгоритм стохастической оптимизации для расчета процессов тонкого органического синтеза / Д.С. Дворецкий, Г.М. Островский, Е.В. Пешкова // Математические методы в технике и технологиях-ММТТ-21 : сб. тр. XXI Междунар. науч. конф. В 10 т. Т. 2. / под общ. ред. B.C. Балакирева. - Саратов : Сарат. гос. техн. ун-т, 2008. - С. 8 - 10.

43. Dvoretsky, D.S. New method of stochastic optimization on example of cyclic reactor of thin organic synthesis / D.S. Dvoretsky, G.M. Ostrovsky, Ye.V. Peshkova // European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE'18): Proceedings on CD-ROM. - Eion, France, 2008. - 6 p.

44. Dvoretsky, D.S. Optimization of caustic treatment processes of zeolite's sorbents / D.S., A.A. Ermakov // European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE'18): Proceedings on CD-ROM. - Lion, France, 2008. - 6 p.

45. Акулинин, Е.И. Оптимальное проектирование установки короткоцикловой адсорбции / Е.И. Акулинин, Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий // Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-24) : сб. тр. XXIV Междунар. науч. конф. В 10т,-Киев : Нац. техн. ун-т Украины, 2011. - Т. 2. - С. 29 - 31.

46. Дворецкий, Д.С. Об одном алгоритме двухэтапной задачи оптимизации // Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-24) : сб. тр. XXIV Междунар. науч. конф. В 10 т. - Саратов : Сарат. гос. техн. ун-т Украины, 2011. - С. 85-87.

47. Dvoretsky, D.S. Computer modeling of the methanolysis process of vegetable oil in the vortex layer reactor with the vortical layer of magnetic elements / D.S. Dvoretsky, S.A. Nagornov, A.A. Ermakov // European Congress of Chemical Engineering (ECCE-2011), Berlin, Germany, 25-30 September 2011. CD-rom, 5 p.

48. Akulinin, E.I. Mathematical modeling of air oxygen concentration process in pressure swing adsorption unit / E.I. Akulinin, D.S. Dvoretsky, S.I. Dvoretsky // European Congress of Chemical Engineering (ECCE-2011), Berlin, Germany, 25 - 30 September 2011. CD-rom, 5 p.

49. Stelmah, L.S. On a method of thermal computation of press equipment for compaction of heated products of self-propagating high temperature synthesis / L.S. Stelmah, A.M. Stolin, B.B. Polyakov, D.S. Dvoretsky // European Congress of Chemical Engineering (ECCE-2011), Berlin, Germany, 25 - 30 September 2011. CD-rom, 5 p.

50. Акулинин, Е.И. Моделирование процесса обогащения воздуха кислородом в установке короткоцикловой адсорбции / Е.И. Акулинин, Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий, Е.Н. Туголуков // Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-25) : сб. тр. XXV Междунар. науч. конф. В 10 т. - Волгоград : Волгогр. гос. техн. ун-т, 2012; Харьков : Национ. техн. ун-т «ХПИ», 2012. - Т. 2. - С. 23-24.

51. Поляков, Б.Б. Прочностной расчет пресс-формы для получения твердосплавных материалов методом высокотемпературного синтеза / Б.Б. Поляков, А.М. Столин, JI.C. Стельмах, Д.С. Дворецкий // Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-25) : сб. тр. XXV Междунар. науч. конф. В 10 т. - Волгоград : Волгогр. гос. техн. ун-т, 2012. - Т. 8. - С. 82 - 84.

Учебные пособия:

52. Дворецкий, С.И. Компьютерное моделирование и оптимизация технологических процессов и оборудования : учебное пособие / С.И. Дворецкий, А.Ф. Егоров, Д.С. Дворецкий. - Тамбов : Изд-во ТГТУ, 2003. - 224 с.

53. Дворецкий, С.И. Основы проектирования химических производств : учебное пособие с грифом УМО по образованию в области химической технологии и биотехнологии / С.И. Дворецкий, Д.С. Дворецкий, Г.С. Кормильцин, A.A. Пахомов. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2011. - 452 с.

Патенты и авторские свидетельства:

54. Пат. на полезную модель № 96338. РФ. Адсорбер / Акулинин Е.И., Дворецкий Д.С., Ермаков A.A., Симаненков С.И.; опубл. 2010, Бюл. № 21.

55. Пат. на полезную модель № 116789 от 10 июня 2012 г. Аппарат вихревого слоя для производства биодизельного топлива / Акулинин Е.И., Дворецкий Д.С., Дворецкий С.И., Ермаков A.A., Нагорнов С.А.

56. Пат. № 2429050. РФ, МПК B01D53/04. Адсорбер / Акулинин Е.И., Дворецкий Д.С., Ермаков A.A., Путин С.Б., Симаненков С.И., Симаненков Э.И. ; опубл. 20.09.2011, Бюл. №26.

57. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2009614680 от 1.09.2009. Программа расчета пресс-оснастки для СВС и определения оптимального времени задержки / JI.C. Стельмах, A.M. Столин, Д.С. Дворецкий, Б.Б. Поляков.

58. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2009613713 от 13.07.2009. Программа моделирования непрерывного реактора диа-зотирования ароматических аминов с устройствами турбулизации потока диффузор-конфузорного типа / Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий, Е.В. Пешкова.

59. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2009613714 от 13.07.2009. Программа моделирования непрерывного трубчатого реактора диазотирования ароматических аминов / Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий, Е.В. Пешкова.

60. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2009616584 от 26.11.2009. Программа технологического расчета установки ко-роткоцикловой адсорбции / Е.И. Акулинин, Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий, A.A. Ермаков.

61. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2012613248 от 6.04.2012. Программа расчета температурных полей в материале образца при СВС-экструзии на стадии прессования / JLC. Стельмах, Д.А. Паршин, Д.С. Дворецкий.

62. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2012613247 от 6.04.2012. Программа расчета температурных полей в материале образца при СВС-экструзии на стадии горения-задержки / JI.C. Стельмах, Д.А. Паршин, Б.Б. Поляков, Д.С. Дворецкий.

63. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2012617530 от 4.07.2012. Программа расчета функции гибкости трубчатого реактора диазотирования ароматических аминов для заданной области неопределенности / С.И. Дворецкий, Б.Б. Поляков, Е.И. Акулинин.

Подписано в печать 16.11.2012. Формат 60 х 84/16. 1,86 усл. печ. л. Тираж 120 экз. Заказ № 581

Издательско-полиграфический центр ФГБОУ ВПО «ТГТУ» 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, к. 14

Оглавление автор диссертации — доктора технических наук Дворецкий, Дмитрий Станиславович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИНТЕГРИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ХТП, АППАРАТОВ И СИСТЕМ.

1.1 Проблемы аппаратурно-технологического оформления энерго- и ресурсосберегающих малотоннажных химических производств.

1.2 Основные понятия и общая характеристика процесса проектирования ХТП, аппаратов и систем.

1.3 Методология, современные средства и методы проектирования ХТС и САУ

1.4 Управление процессом совместного проектирования ХТС и САУ.

1.5 Формулирование проблемы и постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. НОВЫЕ ПОДХОДЫ К АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ОФОРМЛЕНИЮ ЭНЕРГО- И РЕСУРСО СБЕРЕГАЮЩИХ ГИБКИХ ХТП.

2.1. Формулировка задач оценки гибкости и статической оптимизации при интегрированном проектировании ХТС в условиях интервальной неопределенности исходных данных.

2.2. Методы и алгоритмы решения одностадийных задач интегрированного проектирования ХТС.

2.3. Методы и алгоритмы решения двухстадийных задач интегрированного проектирования ХТС с жесткими ограничениями.

2.4. Методы и алгоритмы решения двухстадийных задач интегрированного проектирования ХТС с мягкими и смешанными ограничениями.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. МЕТОДОЛОГИЯ ИНТЕГРИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ГИБКИХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ХТС. j j

3.1 Стратегия интегрированного проектирования гибких автоматизированных ХТС в составе МХП.

3.2 Структурная управляемость, наблюдаемость и устойчивость режимов функционирования ХТС.

3.3 Постановка задач динамической оптимизации при интегрированном проектировании гибких ХТС. Методы и алгоритмы их решения.

3.4 Основные подходы к выбору класса систем автоматического управления

ХТП на основе математического моделирования.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМНЫХ СВЯЗЕЙ И ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ХТС НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА, МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

4.1 Экспериментальное исследование кинетики и математическое моделирование непрерывных процессов тонкого органического синтеза в производстве азопигментов.

4.2 Экспериментальное исследование кинетики и математическое описание периодического процесса окислительной конденсации при синтезе сульфенамида М.

4.3 Экспериментальное исследование кинетики и математическое моделирование непрерывного процесса метанолиза растительного масла в органическое биодизельное топливо.

4.4 Экспериментальное исследование и математическое описание процесса обогащения воздуха кислородом методом короткоцикловой адсорбции.

4.5 Математическое моделирование и основы теплового и прочностного расчетов технологической оснастки процессов СВС и формования твердосплавных материалов.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

ГЛАВА 5. ИНТЕГРИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИБКИХ

АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ХТП, АППАРАТОВ И СИСТЕМ В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ.

5.1 Аппаратурно-технологическое оформление гибких непрерывных процессов тонкого органического синтеза в производстве азопигментов.

5.2 Аппаратурно-технологическое оформление ресурсосберегающего периодического процесса синтеза сульфенамида М.

5.3 Аппаратурно-технологическое оформление непрерывного процесса метанолиза растительного масла в органическое биодизельное топливо.

5.4 Аппаратурно-технологическое оформление гибкого энергосберегающего процесса обогащения воздуха кислородом методом короткоцикловой адсорбции.

5.5 Аппаратурно-технологическое оформление энергосберегающего процесса

СВС и формования твердосплавных материалов.

Введение 2012 год, диссертация по химической технологии, Дворецкий, Дмитрий Станиславович

Актуальность исследования. В Стратегии1 развития химической и нефтехимической промышленности на период до 2015 года предусматривается техническое перевооружение, модернизация действующих и создание новых экономически эффективных и экологически безопасных химических производств. Для повышения эффективности производственных процессов в различных сферах народного хозяйства и улучшения качества жизни и здоровья населения усилия научного потенциала направляются на разработку и реализацию "прорывных" инновационных проектов, технологических процессов по выпуску конкурентоспособной продукции, материалов со специфическими эксплуатационными свойствами (сверхпрочности, твердости, химо-термостойкости, химической и каталитической активности и др.), экономически эффективных, экологически безопасных и ресурсосберегающих технологий. Определены следующие важнейшие направления химической промышленности: обновление ассортимента лакокрасочной продукции, красителей широкой цветовой гаммы, пигментов, текстильно-вспомогательных веществ с повышенными потребительскими свойствами на базе гибких, модульных технологических процессов с использованием широкой сырьевой основы; обновление ассортимента продукции малотоннажной химии (сорбенты, катализаторы, абсорбенты, адсорбенты, добавки к полимерным материалам, химические реактивы и особо чистые вещества, ингибиторы, комплексоны и др.).

Анализ опыта проектирования многоассортиментных малотоннажных химических производств (МХП) позволяет представить весь комплекс работ в виде последовательной схемы получения решений, т.е. определение структуры, оптимальных конструктивных параметров аппаратурного оформления и режимов функционирования МХП на первом этапе и системы автоматического управления (САУ) на втором этапе, исходя из целей функционирования МХП и САУ. При этом зачастую ХТП и ХТС МХП оказываются плохо приспособленными для автоматического управления, а САУ - органически не связанной с химико-технологическим объектом управления и излишне сложной.

Решение задач инновационного развития химического комплекса усугубляется тем, что материально-техническая база большинства научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций к настоящему времени разрушена, происходит значительная утечка научных кадров. В связи с этим особо важное значение приобретают теоретические и прикладные научные исследования, связанные с интегрированным проектированием гибких (работоспособных) химико-технологических систем (ХТС), включая многоассортиментные МХП, с высоким уровнем экономичности, энерго- и ресурсосбережения, экологической чистоты.

Интегрированное проектирование химических производств ориентировано на научное решение проблем обновления ассортиментов продукции малотоннажной химии, технологического оборудования и технологий производства, разработку гибких модульных ХТС на базе современных процессов и аппаратов, формирующих предпосылки эффективного управления и автоматизации.

1 Стратегия развития химической и нефтехимической промышленности России на период до 2015 года. Утв. приказом Минпромэнерго России от 14 марта 2008 г. №119; Комплексная программа научно-технологического развития и технологической модернизации экономики Российской Федерации до 2015 года. М., 2007.

Проблема интегрированного проектирования химико-технологических процессов (ХТП), аппаратов, технологических схем и систем автоматического управления (САУ) режимами их функционирования ставилась и частично решалась на протяжении многих десятилетий в работах Кафарова В.В., Девятова Б.Н., Grossmann I.E., Pistikopoulos E.N., Moran M., Островского Г.М., Бодрова В.И., Дьяконова С.Г., Егорова А.Ф., Малыгина E.H., Зиятдинова H.H., Лабутина А.Н. и многих других отечественных и зарубежных авторов [1-20]. Однако до настоящего времени нет законченной теории и сравнительно простых (инженерных) вычислительных алгоритмов для комплексного решения этой сложной многокритериальной проблемы.

Качественное повышение эффективности ХТС, включая и МХП, требует коренного изменения методологии создания и функционирования этих систем - создания гибких автоматизированных ХТС нового поколения, отличающихся принципиально новой организацией химического производства, оптимально сочетающей непрерывные и периодические процессы химической технологии и позволяющей оперативно перенастраивать структуру ХТС в связи с требуемым изменением ассортиментов выпускаемой продукции; новыми конструкциями аппаратов с легко перестраиваемой структурой, обладающими заданными или оптимальными (в смысле заданного критерия) статическими и динамическими характеристиками для каждой альтернативной конструкции аппарата; высоко эффективными алгоритмами статической и динамической оптимизации, реализуемыми в системах автоматизированного проектирования и управления, обеспечивающих выполнение проектных и регламентных ограничений с гарантированной вероятностью [21-25]. Проектно-конструкторские решения при интегрированном проектировании принимаются в условиях неопределенности (противоречий), связанных с неполнотой имеющейся информации на ранних этапах проектирования, с грубым (неточным) описанием (моделированием) отдельных стадий проектируемой ХТС, использованием упрощенных методик оценки показателей эффективности ее функционирования и т.п. В связи с этим принципиально важно рассматривать на стадии проектирования влияние неопределенных параметров на работоспособность и оптимальность функционирования ХТС.

Анализ традиционных подходов к проектированию ХТС показывает, что стремление добиться максимальной эффективности функционирования ХТС в статических режимах (в статике) с точки зрения энерго- и ресурсосбережения, как правило, приводит к выбору таких конструктивных параметров технологических аппаратов ХТС, при которых ухудшаются их динамические характеристики. В этом случае для обеспечения гибкости ХТС требуется использование сложных, а следовательно, дорогостоящих САУ. В то же время для улучшения динамических свойств ХТС и снижения общей стоимости проекта часто оказывается достаточно небольших изменений в конструкции технологического оборудования ХТП или конструктивных или режимных переменных его аппаратурно-технологического оформления.

Таким образом, при интегрированном проектировании гибких ХТП, аппаратов, ХТС и САУ оптимальные конструктивные параметры аппаратурного оформления ХТП, режимы функционирования ХТС и настроечные параметры САУ должны выбираться из условия разумного компромисса между эффективной работой ХТС с точки зрения энерго- и ресурсосбережения (в статике) и качеством управления режимами ее функционирования в динамике [25].

В связи с этим теоретические и прикладные исследования системных связей и закономерностей функционирования и развития химико-технологических процессов и систем, совершенствование их аппаратурного оформления и использование особенностей нестационарных режимов с позиций энерго- и ресурсосбережения, экологической безопасности и надежности химических процессов и производств, создание эффективных химико-технологических схем и производств на основе использования современных машин и аппаратов является актуальной проблемой как в научном, так и в практическом планах.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с грантами РФФИ 06-08-96327, 09-08-97542-рцентра, 09-08-97569 рцентра, ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 -2012 гг.» госконтракт 02.523.11.3001 от 13.04.2008; ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы госконтракт № 14.740.11.0821 от 3.12.2010 г., АВЦП Минобрнауки «Развитие научного потенциала высшей школы»на 2009-2011 гг., 20122014 гг.

Цель работы.

Обобщение научных достижений и разработка на их базе теоретических основ интегрированного проектирования энерго- и ресурсосберегающих гибких автоматизированных химико-технологических процессов, аппаратов и систем в условиях интервальной неопределенности исходных данных и решение на основе полученных результатов актуальной научно-технической проблемы совершенствования аппаратурно-технологического оформления и повышения эффективности функционирования реакторных установок синтеза азопигментов, химикатов-добавок для полимерных материалов, комплексной переработки растительного масла в органическое биодизельное топливо с оптимальным углеводородным составом, установок короткоцикловой адсорбции для обогащения воздуха кислородом, пресс-оснастки для осуществления процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и формования твердосплавных материалов.

Основные задачи исследования.

Развитие новых подходов к аппаратурно-технологическому оформлению химико-технологических процессов в зависимости от уровня доступной экспериментальной информации о технологическом процессе во время его реализации и возможных средств управления.

Определение и исследование: а) областей допустимых режимов функционирования, гибкости (работоспособности) ХТП в пространстве режимных (управляющих) переменных; б) допустимых областей изменения неопределенных (известных с точностью до некоторого интервала значений) параметров сырья, технологических переменных и коэффициентов математической модели ХТС, в пределах которых обеспечивается заданное регламентом производства (в смысле безопасности, энерго- и ресурсосбережения и качества выпускаемой продукции) функционирование ХТС в составе МХП.

Постановка задач синтеза: 1) химико-технологических аппаратов и систем с заданными динамическими характеристиками; 2) структуры автоматических систем регулирования (АСР) для непрерывных ХТП; 3) оптимального управления непрерывными и полунепрерывными (периодическими) нелинейными химическими процессами. Разработка алгоритмов их решения на базе метода аналитического конструирования оптимальных регуляторов (АКОР) и математического моделирования автоматизированных комплексов "ХТС - САУ".

Разработка гибких энерго- и ресурсосберегающих ХТС в составе многоассортиментного производства азопигментов и химикатов-добавок для полимерных материалов; энергосберегающих короткоцшшовых адсорбционных установок для малогабаритных медицинских концентраторов кислорода и бортовых кислородцобывающих установок; аппаратурно-технологического оформления процесса комплексной переработки растительного масла в органическое биодизельное топливо с оптимальным углеводородным составом; ресурсосберегающей (с минимальными удельными расходами конструкционного материала) пресс-оснастки для осуществления процессов СВС и формования твердосплавных материалов на основе дисилицида молибдена без применения сыпучего теплоизолягора.

Объект исследования.

Совмещенные нестационарные химические, тепло- и массообменные процессы в технологических аппаратах; энерго- и ресурсосберегающие химико-технологические системы с оптимальными удельными расходами сырья, топливно-энергетических ресурсов и конструкционных материалов.

Предмет исследования.

Методы исследования, оптимизации и создания энерго- и ресурсосберегающих гибких автоматизированных химико-технологических процессов, аппаратов и систем в условиях интервальной неопределенности исходных данных, совершенствование аппаратурно-технологического оформления.

Методологическая и теоретическая основа исследования. Методологической основой исследования является интегрированное проектирование, системный анализ и математическое моделирование. В соответствии с разработанной методологией интегрированного проектирования итерационно решаются три основные задачи: 1) генерирование альтернативных вариантов, математическое моделирование, системный анализ и отбор ХТС, удовлетворяющих условиям гибкости (в жёсткой, мягкой или смешанной форме); 2) математическое моделирование динамики ХТС, системный анализ и выбор альтернативных классов и структур САУ ХТС, удовлетворяющих условиям структурной наблюдаемости и управляемости ХТС с заданными динамическими свойствами по каналам управления; 3) решение одно- или двухстадийной задач оптимизации конструктивных и режимных (управляющих) переменных для альтернативных комплексов «ХТС - САУ» в условиях неопределённости по векторному критерию, включающему показатели качества производимой продукции, энерго- и ресурсосбережения, а также технико-экономические показатели производства, системный анализ и выбор экономически целесообразной САУ и автоматизированного комплекса «ХТС - САУ» на основе математического моделирования.

Теоретическую основу исследования составляют: методы системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации при интегрированном проектировании гибких ХТП, аппаратов и систем на основе сопряженного физического и математического моделирования; экономичные методы вычисления многомерных интегралов; численные методы решения систем нелинейных алгебраических, дифференциальных уравнений в обыкновенных и частных производных параболического типа.

Достоверность результатов работы.

Достоверность полученных в диссертации научных результатов подтверждается:

- методологической обоснованностью и непротиворечивостью исходных теоретических положений, адекватностью математических моделей исследуемых процессов и систем (непрерывных процессов диазотирования и азосочетания; нестационарного периодического процесса окислительной конденсации при синтезе сульфенамида М, нестационарных тепло- и массообменных процессов короткоцикловой адсорбции, процесса метанолиза растительного масла в биотопливо при наложении вращающегося электромагнитного поля, нестационарного процесса теплообмена в прессоснастке при осуществлении процессов СВС и формования твердосплавных материалов на основе дисилицида молибдена);

- использованием объективных законов природы и современных математических методов анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации в научных исследованиях;

- использованием при математическом моделировании лишь таких приближений, которые не противоречат физике рассматриваемых явлений и являются принятыми в литературе по данному вопросу;

- высокой точностью и устойчивостью применяемых численных методов решения систем нелинейных алгебраических уравнений, систем обыкновенных дифференциальных уравнений и систем дифференциальных уравнений в частных производных, используемых в математических моделях исследуемых процессов и систем; воспроизводимостью и согласованностью теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными с применением современных методов измерения, сертифицированных приборов и экспериментального оборудования.

Научная новизна исследования.

Разработана методология интегрированного синтеза энерго- и ресурсосберегающих гибких химико-технологических процессов, аппаратов и систем в условиях интервальной неопределенности в параметрах сырья, технологических переменных и коэффициентах математической модели ХТП и предложен новый подход к созданию ХТС, функционирующих в том числе и в составе многоассортиментных МХП и формирующих предпосылки эффективного управления и автоматизации

Сформулированы задачи аппаратурно-технологического оформления гибких автоматизированных ХТС в зависимости от уровня доступной экспериментальной информации о ХТС во время ее эксплуатации и возможных средств управления в форме одно- и двухстадийных задач стохастической оптимизации с мягкими и смешанными ограничениями. Разработаны новые методы и экономичные (в смысле скорости сходимости и быстродействия) алгоритмы решения задач аппаратурно-технологического оформления гибких ХТС, функционирующих в том числе и в составе многоассортиментных МХП в условиях неопределенности.

Сформулированы задачи анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации при интегрированном проектировании гибких химико-технологических процессов, аппаратов и систем.

На основе современных методов системного анализа, математического и физического моделирования выполнены теоретические и прикладные исследования системных связей и закономерностей функционирования и развития ХТС (синтеза азопигментов и химикатов-добавок для полимерных материалов, обогащения воздуха кислородом в замкнутых объемах, комплексной переработки растительного сырья в органическое топливо и процессов СВС и формования твердосплавных материалов), ориентированные на совершенствование их аппаратурно-технологического оформления и использование особенностей нестационарных режимов с позиций энерго- и ресурсосбережения, экологической безопасности и надежности химических процессов и производств.

Формализована задача и разработан оригинальный алгоритм построения и исследования областей работоспособности (анализа гибкости) ХТС в пространстве режимных (управляющих) переменных в зависимости от изменения внешних и внутренних неопределенных параметров ХТС. Дано теоретическое обоснование выбора экономически целесообразной системы управления гибкими ХТС на базе математического моделирования.

Выполнено теоретическое обоснование выбора экономически целесообразного автоматизированного комплекса "ХТС - САУ" с использованием математического моделирования, возможности применения метода аналитического конструирования регуляторов по критерию обобщенной работы A.A. Красовского для решения задачи оптимального управления нестационарными химическими процессами, разработаны универсальные алгоритмы оптимальной стабилизации и оптимального управления стационарными режимами непрерывных ХТП тонкого органического синтеза и нелинейными периодическими процессами синтеза химикатов-добавок для полимерных материалов.

Экспериментально исследована кинетика и выявлены особенности протекания химических реакций: 1) диазотирования ароматических аминов и азосочетания в производстве азопигментов (алого концентрированного, лакокрасочного, желтого светопрочного); 2) окислительной конденсации в производстве химикатов-добавок (сульфенамида М) для полимерных материалов; 3) метанолиза сложных эфиров глицерина и высших карбоновых кислот. Предложены кинетические уравнения и определены их коэффициенты.

Определены физико-химические параметры композитного органического топлива, в т.ч. фракционный состав, плотность, кинематическая вязкость, температура вспышки, помутнения, застывания, кислотное число.

Разработаны математические модели: 1) статики и динамики непрерывных процессов диазотирования и азосочетания, учитывающие: особенности кинетики процессов растворения твердой фазы ароматического амина (имеющего полидисперсный состав при диазотировании) и кристаллизации пигмента алого лакокрасочного, протекающих в смешанной диффузионно-кинетической области; закономерности формирования колористических и физико-технологических показателей пигмента алого лакокрасочного в зависимости от рН -среды и других условий осуществления процесса азосочетания; 2) периодического процесса окислительной конденсации при синтезе сульфенамида М с учетом химических реакций образования побочных продуктов; 3) нестационарных тепло- и массообменных процессов при адсорбции азота из газовоздушной смеси сплошным пористым цеолитовым адсорбентом (модель позволяет рассчитывать профили концентрации кислорода и азота в газовой и твердой фазах, температуры адсорбента и газовой фазы по высоте адсорбента в зависимости от времени); 4) непрерывного процесса синтеза бифункциональных кислородсодержащих соединений по реакции нуклеофильного замещения в аппарате с вихревым слоем ферромагнитных частиц (модель позволяет рассчитать поле скоростей реакционной смеси, электромагнитодинамику вихревого аппарата, кинетику реакций нуклеофильного замещения в присутствии гомогенного щелочного катализатора); 5) нестационарного процесса теплообмена в прессоснастке при осуществлении процессов СВС и формования твердосплавных материалов.

Разработан неизотермический метод расчета аппаратурно-технологического оформления процессов СВС и формования твердосплавных материалов с учетом допустимых значений пределов прочности и текучести материала элементов технологической оснастки при расчетной температуре, обеспечивающий значительную экономию материала для изготовления прессоснастки процессов СВС твердосплавных материалов и их формования.

Практическая значимость. Определяется решением важной народно-хозяйственной проблемы реконструкции и создания новых гибких МХП синтетических красителей; химикатов-добавок для полимерных материалов; композитного органического биодизельного топлива; малогабаритных медицинских концентраторов кислорода и бортовых кислороддобывающих установок на базе короткоцикловых адсорбционных установок; технологической оснастки процессов СВС и формования твердосплавных материалов с позиций энерго- и ресурсосбережения, экологической безопасности и надежности.

На базе экспериментального исследования кинетики химических реакций, адсорбционных, механических и аэродинамических свойств блочных цеолитовых адсорбентов типа X и математических моделей разработаны и исследованы энерго- и ресурсосберегающие непрерывные технологические процессы синтеза азопигментов, метанолиза сложных эфиров глицерина и высших карбоновых кислот, обогащения воздуха кислородом в двухадсорберной установке короткоцикловой адсорбции с вакуумной десорбцией, процессов СВС и формования твердосплавных материалов на основе дисилицида молибдена.

С использованием разработанных методов, быстродействующих алгоритмов оптимизации и оптимального управления в условиях неопределенности выполнено интегрированное проектирование высокопроизводительных гибких автоматизированных промышленных установок синтеза азопигментов, определены области изменения неопределенных параметров (известных с точностью до некоторого интервала значений) сырья, технологических переменных и коэффициентов математической модели ХТС, в пределах которых конструкции химических реакторов обеспечивают качественное и безопасное осуществление процессов тонкого органического синтеза, синтезирована система автоматического управления нестационарным процессом синтеза сульфенамида М. Предложены и обоснованы оригинальные конструкции турбулентных трубчатых реакторов с диффузор-конфузорными устройствами турбулентного перемешивания и перспективные системы автоматического регулирования и адаптивной статической оптимизации для безопасного и качественного осуществления непрерывных процессов тонкого органического синтеза в многоассортиментных производствах азокрасителей, пигментов и химикатов-добавок для полимерных материалов.

Результаты работы (опытные данные и математические модели кинетики химических реакций диазотирования, азосочетания, окислительной конденсации, оригинальные конструкции турбулентных трубчатых реакторов с диффузор-конфузорными устройствами турбулентного перемешивания и перспективные системы автоматического регулирования и адаптивной статической оптимизации для безопасного и качественного осуществления непрерывных процессов тонкого органического синтеза, методология интегрированного проектирования ХТП, аппаратов и систем) рекомендованы и приняты к реализации Тамбовским ОАО "Пигмент", ОАО "НИИХИМПОЛИМЕР" г. Тамбов при реконструкции действующих и проектировании новых гибких автоматизированных МХП тонкого органического синтеза.

С использованием системного подхода и математической модели нестационарных тепло-и массообменных процессов короткоцикловой адсорбции разработаны оригинальные конструкции адсорберов для бортовых кислороддобывающих установок и медицинских концентраторов кислорода. Результаты работы (методика компьютерного моделирования нестационарного процесса обогащения воздуха кислородом и технологического расчета установки короткоцикловой адсорбции, конструкции адсорберов, алгоритмы оптимального проектирования установок короткоцикловой адсорбции в условиях неопределенности) приняты к реализации в ОАО "Корпорация "Росхимзащита" при разработке бортовых кислороддобывающих установок.

С использованием системного подхода и математической модели непрерывного процесса биоконверсии растительного масла в биотопливо при наложении вращающегося электромагнитного поля разработаны оригинальная конструкция аппарата с вихревым слоем, технологическая схема производства биодизельного топлива и определены оптимальные условия осуществления импульсных, механических, акустических, тепловых и электрических воздействий на сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот: величина магнитной индукции вращающегося электромагнитного поля - 0,13 Тл, магнитный момент - 8,63*10-5 А-м2, напряжённость магнитного поля - 398,01 А/м, коэффициент заполнения аппарата цилиндрическими ферромагнитными частицами - 0,12-0,15, размеры цилиндрических ферромагнитных частиц -1=11-13 мм, (1=1,0-1,1 мм, продолжительность процесса метанолиза ~ 3 с.

Результаты исследований (оригинальная конструкция аппарата с вихревым слоем, технологическая схема производства биодизельного топлива и оптимальные условия осуществления импульсных, механических, акустических, тепловых и электрических воздействий на сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот, методология интегрированного проектирования ХТП, аппаратов и систем) приняты к реализации в ГНУ «ВНИИТиН» РАСХН, г. Тамбов при разработке технического задания на проектирование промышленной установки переработки растительного сырья в биотопливо.

На основе математического моделирования нестационарного процесса теплообмена в прессоснастке при осуществлении процессов СВС и формовании твердосплавных материалов разработана методика расчета корпусов прессформы, позволившая обосновать возможность снижения расхода конструкционных материалов для прессформ без применения сыпучего теплоизолятора.

Результаты исследований (ресурсосберегающая методика расчета корпусов прессформ, алгоритмы и программы ЭВМ компьютерного моделирования нестационарных тепловых процессов при осуществлении процессов СВС и формовании твердосплавных материалов и оптимального проектирования ресурсосберегающей пресс-оснастки в условиях неопределенности) приняты к реализации в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка при разработке технического задания на проектирование ресурсосберегающей прессоснастки (с оптимальным расходом конструкционных материалов) для осуществления процессов СВС и формования твердосплавных материалов.

Разработаны и зарегистрированы в государственном Реестре программ ЭВМ для решения задач анализа системных связей и закономерностей функционирования турбулентных трубчатых реакторных установок тонкого органического синтеза непрерывного действия, определения и исследования: а) областей допустимых режимов функционирования, гибкости (работоспособности) реакторных установок тонкого органического синтеза в пространстве режимных (управляющих) переменных; б) допустимых областей изменения неопределенных (известных с точностью до некоторого интервала значений) параметров сырья, технологических переменных и коэффициентов математической модели реакторных установок тонкого органического синтеза непрерывного действия, в пределах которых обеспечивается заданное регламентом производства (в смысле безопасности, энерго- и ресурсосбережения и качества выпускаемой продукции) функционирование реакторных установок (свидетельства о регистрации программ ЭВМ № 2009613713 от 13.07.2009 г., № 2009613714 от 13.07.2009 г., №2012617530 от 20.08.2012 г.).

Разработана и зарегистрирована в государственном Реестре программ ЭВМ для технологического расчета установки короткоцикловой адсорбции обогащения воздуха кислородом (свидетельство об официальной регистрации программы ЭВМ № 2009616584 от 26.11.2009 г.).

Разработана методология интегрированного проектирования научно-образовательных систем инновационно-ориентированной подготовки инженерных кадров в области системного анализа, математического моделирования и автоматизированного проектирования энерго- и ресурсосберегающих гибких автоматизированных химико-технологических систем. Рекомендации и предложения по управлению инновационно-ориентированной подготовкой инженерных кадров используются в учебном процессе Тамбовского государственного технического университета и Воронежского государственного университета инженерных технологий при подготовке дипломированных специалистов, бакалавров и магистров по специальности «Проектирование технологических машин и комплексов» и направлениям «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в нефтехимии, химической технологии и биотехнологии», «Химическая технология», «Биотехнология», «Технологические машины и оборудование».

На защиту выносятся.

Методология интегрированного проектирования гибких автоматизированных ХТС.

Новые постановки задач аппаратурно-технологического оформления гибких автоматизированных ХТС (одно- и двухэтапные задачи стохастической оптимизации с мягкими и смешанными ограничениями), новые методы и вычислительные алгоритмы их решения.

Результаты экспериментальных исследований: 1) кинетики химических реакций синтеза азопигментов (алого концентрированного, лакокрасочного, желтого светопрочного), сульфенамида М; 2) кинетики метанолиза сложных эфиров глицерина и высших карбоновых кислот; 3) адсорбционных, механических и аэродинамических свойств блочных цеолитовых адсорбентов.

Математические модели статики и динамики непрерывных процессов диазотирования и азосочетания; нестационарного периодического процесса окислительной конденсации при синтезе сульфенамида М, непрерывного процесса синтеза бифункциональных кислородсодержащих соединений по реакции нуклеофильного замещения в аппарате с вихревым слоем ферромагнитных частиц, нестационарных тепло- и массообменных процессов короткоцикловой адсорбции, нестационарного процесса теплообмена в прессоснастке при осуществлении процессов СВС и формования образцов на основе дисилицида молибдена.

Результаты исследования допустимых областей изменения параметров сырья, технологических переменных и коэффициентов математических моделей ХТС, математического моделирования и интегрированного проектирования ХТС в условиях неопределенности исходных данных: 1) синтеза азопигментов (алого концентрированного, лакокрасочного и желтого светопрочного) и химикатов добавок для полимерных материалов (ускорителя вулканизации сульфенамида М); 2) метанолиза сложных эфиров глицерина и высших карбоновых кислот; 3) обогащения воздуха кислородом в двухадсорберной установке короткоцикловой адсорбции с вакуумной десорбцией; 4) СВС-компактирования образцов на основе дисилицида молибдена.

Неизотермический метод расчета корпусов пресс-формы с учетом допустимых значений пределов прочности и текучести материала стенки при расчетной температуре, обеспечивающий возможность использования тонкостенных прессформ для осуществления процессов СВС и формования образцов на основе дисилицида молибдена без применения сыпучего теплоизолятора.

Энерго- и ресурсосберегающие непрерывные технологические процессы синтеза азопигментов (алого концентрированного, лакокрасочного и желтого светопрочного), биоконверсии растительного масла в биотопливо при наложении вращающегося электромагнитного поля, СВС-компактирования образцов на основе дисилицида молибдена, обогащения воздуха кислородом в двухадсорберной установке короткоцикловой адсорбции с вакуумной десорбцией.

Оригинальные конструкции турбулентных трубчатых реакторов с диффузор-конфузорными устройствами турбулентного перемешивания, адсорберов для медицинских концентраторов кислорода и бортовых кислороддобывающих установок.

Перспективные системы автоматического регулирования, адаптивной статической оптимизации и оптимального управления нестационарными химическими процессами для безопасного и качественного осуществления непрерывных и периодических процессов тонкого органического синтеза в многоассортиментных производствах синтетических красителей и химикатов-добавок для полимерных материалов.

Научные публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 83 работы, в том числе монография, 30 статей в научных журналах из перечня ВАК, 2 учебных пособия, 3 патента и 4 свидетельства о регистрации в государственном реестре программ для ЭВМ.

Апробация результатов работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научных конгрессах, симпозиумах и конференциях: International Meeting on Chemical Engineering, Environmental Protection and Biotechnology, Franktfurt am Main, Germany, 2000; European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE'11, 2001); IV European Congress of Chemical Engineering, Granada, Spain, 2003; Symposiums der Internationalen Gesellschaft fur Ingenierpadagogik, Fachhochschule Karlsruhe, Germany, 2003; European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE'14), Lisbon, Portugal, 2004; Международные научные конференции «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-14), Смоленск, 2001; ММТТ-15, Тамбов, 2002; ММТТ-16, Санкт Петербург, 2003; ММТТ-17, Кострома, 2004; ММТТ-18, Казань, 2005; ММТТ-19, Воронеж, 2006; ММТТ-20, Ярославль, 2007; ММТТ-21, Саратов, 2008; ММТТ-22, Псков, 2009; ММТТ-24, Киев, 2011; ММТТ-25, Волгоград, 2012); VI Международная научная конференция (к 90-летию со дня рождения академика В.В. Кафарова), РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2004; Международная научная конференция «Энергоресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства», Иваново, 2004; Международная научная конференция по химической технологии ХТ"07, Москва, 2007; 7th World Congress of Chemical Engineering. SECC, Glasgow, Scotland, 2005; European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE'16), Garmisch-Partenkirchen, Germany, 2006; European Congress of Chemical Engineering (ECCE-6), Copenhagen, 2007; European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE'18), Lion, France, 2008; 37th International IGIP Symposium «Engineering competencies - traditions and innovations», Moscow, 2008; Joint International IGIP-SEFI Annual Conference 2010 «Diversity unifies - Diversity in Engineering Education», Trnava, Slovakia, 2010; Международная научно-практическая конференция «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и влажностная обработка материалов (СЭТТ - 2011)», Москва, 2011; European Congress of Chemical Engineering (ECCE-2011), Berlin, Germany, 25-30 September 2011.

Автор благодарит всех, кто способствовал выполнению этой работы:

Егорова А.Ф., научного консультанта , зав. кафедрой «Компьютерно-интегрированные системы в химической технологии» РХТУ им. Д.И. Менделеева, д.т.н., профессора;

Островского Г.М., д.т.н., профессора, (ГНЦ Физико-химический институт им. Л.Я. Карпова);

Бодрова В.И., Заслуженного деятеля науки и техники РФ, д.т.н., профессора (Тамбовский государственный технический университет);

Балакирева B.C., д.т.н., профессора (Московский государственный университет инженерной экологии);

Коновалова В.И., Заслуженного деятеля науки и техники РФ, д.т.н., профессора (Тамбовский государственный технический университет);

Малыгина E.H., Заслуженного деятеля науки РФ, д.т.н., профессора (Тамбовский государственный технический университет);

Зиятдинова H.H., зав. кафедрой системотехники Казанского национального исследовательского технологического университета, д.т.н., профессора;

Дворецкого С.И., Заслуженного деятеля науки РФ, д.т.н., профессора (Тамбовский государственный технический университет).

Заключение диссертация на тему "Методология интегрированного проектирования гибких химико-технологических систем (на примере непрерывных и периодических процессов малотоннажных химических производств)"

Основные результаты исследования, связанные с аппаратурно-технологическим оформлением непрерывного процесса метанолиза растительного масла в органическое биодизельное топливо приведены в Приложении 2.

-3445.4 Аппаратурно-технологическое оформление гибкого энергосберегающего процесса обогащения воздуха кислородом методом короткоцикловой адсорбции

С использованием алгоритма решения дифференциальных уравнений (4.87) - (4.109) математической модели процесса обогащения воздуха кислородом методом короткоцикловой адсорбции рассчитывались профили концентрации кислорода в газовой фазе по высоте адсорбента при адсорбции (а) и десорбции (б) в зависимости от времени (рисунок 5.43) и зависимости концентрации кислорода в газовой фазе и аэродинамического сопротивления адсорбента от величины отношения высоты слоя адсорбента к диаметру адсорбера (рисунок 5.44).

Из анализа графиков на рисунке 5.43 следует, что максимальная концентрация кислорода достигается при величинах Н! £>Вн в диапазоне значений 4.6, а при Н / £>вн > 8 сопротивление слоя монотонно возрастает, что приводит к снижению Рад и, следовательно, к уменьшению концентрации кислорода на выходе из установки.

Методом вычислительного эксперимента также установлено, что в цикле работы установки концентрация кислорода на выходе повышается до максимального значения = 91,1% при минимальном числе циклов адсорбции-десорбции иц = 18.

Рисунок 5.43 - Изменение концентрации кислорода в газовой фазе в 1 цикле: а - при адсорбции; б - при десорбции; 1 - / = 0,2; 2-/ = 0,4; 5-/ = 0,6; 4-/ = 0,8; 5-/= 1,0

С использованием математической модели тепло- и массообменных процессов при обогащении воздуха кислородом разработана методика и программа ЭВМ технологического расчета установки короткоцикловой адсорбции, с использованием которой были определены конструктивные (высота слоя адсорбента, диаметр адсорбера) и режимные (управляющие) переменные (длительность цикла, коэффициент обратной промывки) установки при обеспечении

Л л заданных значений производительности ¡¥зад = 0,05 -10 м /с и концентрации кислорода зад>90%.

АР • 105, Па/м 1.4- с$2,% об.

1.2 -

1 - 1

0.8 - -0.8

0.6 - 0.6

0.4 - -0.4^

0.2 - 0.2

0 - - .

-г-6

H/D

Рисунок 5.44 - Концентрация кислорода и аэродинамическое сопротивление слоя в зависимости от отношения высоты к диаметру адсорбера: Граб = 0,25 • Ю-3 м3; d3 = 0,2 мм Задача оптимального (по критерию приведенных затрат) проектирования установки короткоцикловой адсорбции обогащения воздуха кислородом формулируется следующим образом: для заданных типов аппаратурного оформления а е А адсорбционной установки и Ъ е В адсорбента, значений производительности Q3m и концентрации кислорода на выходе из установки требуется определить конструктивные параметры (высоту слоя Н адсорбента, диаметр Dm адсорбера) и режимные переменные (значения давлений Рад, Рдес, длительность цикла тц, коэффициент обратной промывки 0), при которых достигается минимум приведенных затрат С(а, d, Рад, Рдес, тц, 9, с, W0, ß) на создание установки. Неопределенными вх параметрами в этой задаче являются концентрация кислорода с0 в воздухе, подаваемом компрессором на обогащение в адсорбер (может изменяться в пределах от 18 до 23% об.), предельный адсорбционный объем цеолитового адсорбента Wo (0,160.0,230 см3/г), значение коэффициента массоотдачи ß (1,2. 1,8- Ю-5 1/с). Сформулируем ДЗИП4 в математической постановке (2.98) - (2.101):

Г = min и (5.24) при связях в форме уравнений математической модели нестационарного процесса обогащения воздуха кислородом (4.87) - (4.109) и ограничениях: -на значение целевой функции проектирования

Вер(с„х Жо p}{g0(e) = С(Я, DBH, Рп, Рдес, тц, 9, c-,W0,ß)-u< 0 } > р0; (5.25)

-на производительность установки

Верk.,*.„){*,(•) = Cq2,W0, ß) < О} > Pl;

-на функцию гибкости х,(Я,ДН)= шах min max g, (Я, Dm, Рад, Рдес, т ц, 9, с ^, W0, ß) < 0; с®*W0, ß Рьл • рак. Тц, е ]=2,3

5.26)

5.27)

I ,1 I

Ч 11 ' I 5

-346-и габариты установки кр<кр, Я<Я, Г>ВН<Ь.(5.28)

В задаче (5.24) - (5.28) и — скалярная переменная (аналог конструктивных переменных); Вер{•}-вероятность выполнения ограничения {•}; g0, gJ —функции ограничений; о (*) = с(н> А™ '^ад'-Рдес »со2 > ^о»Р) ~ критерий интегрированного проектирования;

Я, Ц,н, Рм, , тц, 0, с™ , 1Г0, р) = у,зад - у 1 < 0, у = 1 функции ограничений; у, = 3(Я, £>вн, Ри> Рдес, тц, 0, с™ , УГ0, Р), ] = 1,т,

3(Я, £>вн ,Рад,Рдес,хп, 0, с™ , , Р) - оператор математической модели (4.87) -(4.109); £2(•) = [с™]зад - с™х (Я, £>вн, Рад, Рдес, тц, 6,,^,р); А g3(•) = M(H,Dflt,Pn,PJm,тц,Q,cZ2,W0,$)-M; р0,р,-заданные значения вероятности выполнения ограничений; (Я, £)вн)-функция гибкости адсорбционной установки;

А А А А

М, кр, Я, £>вн - предельно допустимые значения массы, коэффициента давления и габаритов адсорберов установки.

В качестве примера оптимального проектирования энергосберегающей установки короткоцикловой адсорбции рассмотрим разработку портативного медицинского концентратора кислорода, техническое задание на проектирование которого включает достижение следующих характеристик: производительность концентратора - бзад = 0,05 • 10 м - с ; концентрацию кислорода на выходе из аппарата - ] зад > 90%; р0,р,=0,9; предельно допустимые значения массы адсорберов М = 0,6 кг; отношения давлений адсорбции Рт и десорбции Рдес -кр= 3; высоту слоя адсорбента Н= 0,4 м и диаметр адсорбера Е)ън = 0,1 м соответственно.

Альтернативные варианты аппаратурно-технологического оформления включали адсорбер колонного типа, двухадсорберную схему без выравнивания давлений между адсорберами, двухадсорберную схему с выравниванием давлений, четырехадсорберную схему с выравниванием давлений и пятиадсорберную схему с двумя операциями выравнивания давлений. Для каждого варианта анализировались различные схемы организации процесса обогащения воздуха кислородом (напорная, с вакуумной десорбцией, вакуум-напорная) и типы адсорбентов (гранулированный и блочный - ЫаХ, ПЬБХ).

В ходе оптимального проектирования была выбрана двухадсорберная адсорбционная установка с вакуумной десорбцией и определены оптимальные значения конструктивных параметров Я* = 0,22 м; £>в*н = 0,035 м, режимных переменных 1,5 • 105 Па; Р*дес= 0,5 • 105 Па;

0* = 2,5; т*= 1,6 с; = 2,93 • 10"4 м3/с и технико-экономических показателей портативного медицинского концентратора кислорода: ПЗ* = 45 250 р.; М* = 0,5 кг; М* = 76 Вт.

Наши практические рекомендации при проектировании медицинских концентраторов кислорода с диапазоном производительности до 0,08 • 103 м3/с включают использование адсорберов с размерами 4 < НЮШ < 6 при реализации напорной схемы с вакуумной десорбцией (кр = Рад/Дес^З) и блочных цеолитовых адсорбентов ПЬБХ с с!э < 0,5 • 103 м. При этом достигается улучшение энергосберегающих показателей медицинских концентраторов кислорода по сравнению с мировыми аналогами в среднем на 20%.

5.5 Аппаратурно-технологическое оформление энергосберегающего процесса СВС и формования твердосплавных материалов с использованием метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза

5.5.1 Математическое моделирование (анализ) процесса СВС и формования твердосплавных материалов

По разработанной математической модели нестационарных тепловых процессов при СВС твердосплавных материалов был проведён ряд вычислительных экспериментов по исследованию влияния времени задержки на температуру в стенке пресс-формы с целью выявления:

1) зависимости температуры в стенке от времени задержки;

2) неравномерности температурного распределения по радиусу пресс-формы;

3) термонагруженных и участков пресс-формы.

А £,ММ гр с * 1

Рисунок 5.43 - Схема пресс-формы с указанием поверхностей и сечений, для которых определяется распределение температуры: г\ = 42 мм; ц = 67 мм; гз = 92 мм; Анализ температурных полей в элементах пресс-формы проводится в соответствии со следующей схемой (рисунок 5.43):

- исследование изменения температуры на внутренней поверхности пресс-формы во времени;

- исследование изменения температуры на внешней поверхности пресс-формы во времени;

- выявление опасного сечения стенки пресс-формы - сечения с максимальным перепадом температур АТ = Тхс{г) - Т2с(г);

- исследование изменения температуры Т(г) во времени для опасного сечения г.

В результате решения уравнений модели были рассчитаны температурные поля для различных моментов времени (рисунок 5.44).

60 1 80 Высота г, мм

Рисунок 5.44 - Распределение температуры Т\(г) в зависимости от времени задержки /3

Из анализа рисунка 5.44 следует, что по окончании синтеза температура на внутренней поверхности пресс-формы Т\с(г) распределена неравномерно. Рассмотрим среднюю часть пресс-формы по высоте (участок [21; Zз]). На этом участке в течение времени синтеза ¿2 имеет место непосредственный контакт пресс-формы с зоной реакции (фронтом горения), перемещающейся снизу вверх в направлении от г\ к гъ- Для момента времени /3 = 0, соответствующего окончанию синтеза, характерен температурный максимум Т= 800°С в районе сечения гг (т. А на рисунке 5.44). С течением времени (кривые /3 = 1 с, Г3= 5 с) температурный профиль по высоте пресс-формы меняет свою форму, и температурный максимум смещается к центральному сечению гг. Это объясняется интенсивным остыванием синтезированного материала в верхней части пресс-формы (гз) за счёт большей поверхности теплообмена (пресс-форма и крышка), тогда как в центре (гг) имеет место теплообмен только с пресс-формой. Остывание центральной части замедляется по сравнению с верхней (гз) и нижней (21) частями пресс-формы, поэтому с момента времени /3 = 5 с температурный максимум наблюдается только в сечении ц (кривые /3 = 10 с, /3= 20 с на рисунке 5.44).

Участки [0; г{\ и [гз; Щ, сопряжённые с крышкой и поддоном соответственно, в первые секунды также прогреваются неравномерно. Наиболее существенный градиент температур характерен для верхнего участка пресс-формы [гз', Щ, так как при /3= 0 вследствие контакта стенки с зоной реакции на внутренней поверхности развиваются высокие температуры, в то время как пресс-форма ещё не успевает прогреться по всей высоте. Нижний участок пресс-формы [0; г{\ к моменту времени /3=0 уже не находится в контакте с зоной реакции и нагревается за счёт быстро остывающего синтезированного продукта.

Максимальная температура участков характерна для момента времени /3=0: в сечении I = Гтах = 229°С, в сечении г = гз ^тах = 380°С. На торцевых внешних поверхностях прессформы (г = 0, г = Н) в течение всего интервала времени /3= 0.20 с температура повышается с 20 до 45-50°С. С течением времени температурный профиль на верхнем и нижнем участках пресс-формы выравнивается и приближается к линейному, как в случае стационарной теплопроводности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана методология (система принципов, способов организации и построения теоретической и практической деятельности при интегрированном проектировании) и формализована стратегия интегрированного проектирования промышленных энерго- и ресурсосберегающих гибких ХТП, оборудования и систем автоматического управления в условиях интервальной неопределенности физико-химических, технологических и экономических исходных данных. Реализована многоэтапная итерационная процедура решения задач интегрированного проектирования гибких автоматизированных ХТС, предусматривающая: выбор типа, расчет конструктивных параметров и режимных переменных аппаратурно-технологического оформления ХТС; выбор класса, структуры и расчет настроечных параметров САУ; определение допустимой области изменения параметров сырья, технологических переменных и коэффициентов математической модели ХТС, в пределах которой обеспечивается оптимальное (в смысле безопасности, энерго- и ресурсосбережения и качества выпускаемой продукции) функционирование ХТС.

1) процессов тонкого органического синтеза: а) химических реакций диазотирования и азосочетания в производстве азопигментов (алого концентрированного, лакокрасочного и желтого светопрочного), протекающих в смешанной диффузионно-кинетической области; б) реакции окислительной конденсации при синтезе ускорителя вулканизации сульфенамида М в производстве химикатов-добавок для полимерных материалов (осуществлен выбор наиболее вероятного механизма реакции окислительной конденсации 2-меркаптобензтиазола и морфолина перекисью водорода); в) процесса метанолиза сложных эфиров глицерина и высших карбоновых кислот (триацилглицеринов растительных масел) при наложении электромагнитного поля, протекающего в смешанной диффузионно-кинетической области (определен фракционный состав метиловых эфиров рапсового, подсолнечного и льняного масел. Установлено, что в результате термодеструкции получается смесь предельных и непредельных углеводородов, карбоновых кислот, непрореагировавших moho-, ди-, и триацилглицеринов, а также неиндентифицированных соединений. Выявлен наиболее вероятный механизм термической деструкции триацилглицеринов);

2) процесса обогащения воздуха кислородом в энергосберегающей установке короткоцикловой адсорбции производительностью С>зад=0,05 мЗ/с: а) экспериментально исследованы адсорбционные, механические и аэродинамические свойства блочных цеолитовых адсорбентов типа X с целью их использования в установке короткоцикловой адсорбции при обогащении воздуха кислородом (при реализации процесса короткоцикловой адсорбции обогащения кислородом воздуха в продолжительных испытаниях (~5 суток) разрушения блочного адсорбента и образования пыли не наблюдается); максимальное сопротивление потоку блока высотой Н=0,2 м с сЬ=0,2 мм составляет ДР=0,19><105 Па, что на 8% ниже по сравнению со слоем шихты той же высоты с с!г=0,28 мм); б) концентрация кислорода на выходе увеличивается в среднем на ~30% - при сокращении длительности цикла тц с 20 до 2 с, на -70% - при увеличении высоты слоя адсорбента Н с 0,1 до 0,25 м и достигает максимума при значении коэффициента обратной промывки, равном 2,6.

5. Разработаны математические модели:

1) статики и динамики непрерывных процессов диазотирования и азосочетания, учитывающие: особенности кинетики процессов растворения твердой фазы ароматического амина (имеющего полидисперсный состав при диазотировании) и кристаллизации пигмента алого лакокрасочного, закономерности формирования колористических и физико-технологических показателей пигмента алого лакокрасочного в зависимости от -среды и других условий осуществления процесса азосочетания (свидетельства об официальной регистрации программ ЭВМ № 2009613713 от 13.07.2009 г., № 2009613714 от 13.07.2009 г.);

5) нестационарного процесса теплообмена в прессоснастке для осуществления СВС твердосплавных материалов на основе дисилицида молибдена (свидетельства о государственной регистрации программ ЭВМ №2012613247, №2012613248 от 6.04.2012 г.).

6. С использованием разработанных методов и быстродействующих алгоритмов оптимизации и оптимального управления в условиях неопределенности выполнено интегрированное проектирование малогабаритных гибких автоматизированных промышленных установок синтеза азопигментов и химикатов добавок для полимерных материалов (спроектированы малогабаритные высокопроизводительные конструкции гибких турбулентных трубчатых реакторных установок с диффузор-конфузорными устройствами турбулентного перемешивания, оснащенных перспективными системами автоматического регулирования и адаптивной статической оптимизации; гибкий автоматизированный модуль осуществления периодических нестационарных химических процессов), определены области изменения неопределенных параметров сырья, технологических переменных и коэффициентов математической модели ХТС, в пределах которых гибкие автоматизированные установки обеспечивают качественное и безопасное осуществление процессов тонкого органического синтеза. Результаты работы рекомендованы и приняты к реализации Тамбовским ОАО "Пигмент", ОАО "НИИХИМПОЛИМЕР", г. Тамбов при реконструкции действующих и проектировании новых гибких автоматизированных химических производств тонкого органического синтеза.

7. На базе математической модели непрерывного процесса метанолиза сложных эфиров глицерина и высших карбоновых кислот (триацилглицеринов растительных масел), методов и алгоритмов интегрированного проектирования в условиях неопределенности установлены оптимальные условия осуществления процесса переэтерификации и выполнена конструктивная разработка оригинального аппарата с вихревым слоем ферромагнитных частиц: температура процесса - 65°С; массовое содержание щелочного катализатора в реакционной смеси - 1,5%; мольное отношение метанола к маслу -8:1; степень заполнения реакционного объема аппарата ферромагнитными частицами 5% об.; сила тока, подаваемого на обмотки индуктора аппарата, -10 А; величина магнитной индукции - от 0,14 Тл; отношение длины к диаметру ферромагнитных частиц - =12; размеры реакционной камеры аппарата - D = 100 мм; L= 150 мм.

8. На базе математической модели нестационарных тепло- и массообменных процессов короткоцикловой адсорбции, методов и алгоритмов интегрированного проектирования ХТС в условиях неопределенности выполнена конструктивная разработка аппаратурно-технологического оформления портативного медицинского концентратора кислорода, включающая разработку ресурсосберегающей конструкции адсорберов (оптимальные значения конструктивных параметров - Н*=0,22 м; Dbh*=0,035 м и режимных переменных -Рад*=1,5x105 Па; Рдес*=0,5x105 Па; 9*=2,5; тц*=0,8) (патент на полезную модель №96338 от 27.07. 2010; положительное решение о выдаче патента на изобретение от 05.05.2010 по заявке №2010108850/22), обеспечивающих при заданной производительности С)зад=0,05х10-3 мЗ/с надежную герметизацию блочного цеолитового адсорбента, концентрацию кислорода на выходе из двухадсорберной установки с вакуумной десорбцией не ниже заданной - зад>90% и технико - экономические показатели медицинского концентратора кислорода П3*=45250 руб; М*=0,5 кг; N*=76, превосходящие мировые аналоги.

9. Разработана неизотермическая методика расчета корпусов прессформы с учетом допустимых значений пределов прочности и текучести материала стенки при расчетной температуре, обеспечивающий возможность использования тонкостенных прессформ для СВС образцов на основе дисилицида молибдена без применения сыпучего теплоизолятора (свидетельство об официальной регистрации программы ЭВМ № 2009614680 от 1.09.2009). Результаты работы приняты к реализации в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка.

10. Разработанная методология интегрированного проектирования была использована при проектировании гибкой научно-образовательной системы инновационно-ориентированной подготовки инженерных кадров (дипломированных специалистов, бакалавров и магистров) в области системного анализа, математического моделирования и автоматизированного проектирования энерго- и ресурсосберегающих гибких автоматизированных технологических систем. Рекомендации и предложения по управлению инновационно-ориентированной подготовкой инженерных кадров используются в учебном процессе ТГТУ, Воронежском государственном университете инженерных технологий при подготовке дипломированных специалистов, бакалавров и магистров по специальности «Проектирование технологических машин и комплексов» и направлениям «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в нефтехимии, химической технологии и биотехнологии», «Химическая технология», «Биотехнология», «Технологические машины и оборудование».

Библиография Дворецкий, Дмитрий Станиславович, диссертация по теме Процессы и аппараты химической технологии

1. Девятов, Б.Н. Теория переходных процессов в технологических аппаратах с точки зрения задач управления /Б.Н. Девятов. Новосибирск: Редакционно-издательский отдел сибирского отделения АН СССР, 1964. - 324 с.

2. Девятов, Б.Н. Определение динамических характеристик и критериев инерционности и регулируемости химико-технологических аппаратов / Б.Н. Девятов // АиТ. -1960.-Т.21, №6.-С.5-14.

3. Девятов, Б.Н. Определение инерционности и регулируемости прямоточных теплообменных аппаратов / Б.Н. Девятов, Ю.Н. Корнев // Известия СО АН СССР. -1961. №1. - С.12-21.

4. Девятов, Б.Н. Определение инерционности и регулируемости проектируемых технологических процессов /Б.Н. Девятов //ДАН. -1961. Т.141, №5. - С.18-24.

5. Девятов, Б.Н. Определение зависимости инерционности и регулируемости непрерывно действующих технологических аппаратов от их конструкции и режима работы / Б.Н. Девятов // Известия СО АН СССР. 1956. - №6,- С.56-63.

6. Девятов, Б.Н. Динамика распределенных процессов в технологических аппаратах, распределенный контроль и управление/ Б.Н. Девятов, Н.Д. Демиденко, В.А. -Красноярск: Красноярск, кн. изд-во, 1976. 310 с.

7. Девятов, Б.Н. Определение регулируемости противоточных теплообменных аппаратов / Б.Н. Девятов, Ю.Н. Корнев // Сб. трудов Института автоматики и электрометрии СО АН СССР. 1960. -Вып.2. С. 124-130.

8. Кафаров, В.В Методы кибернетики в химии и химической технологии / В.В. Кафаров. -М.: Химия, 1985. -448с.

9. Кафаров, В.В. Совместное проектирование сложных ХТС как объектов многосвязного управления / В.В. Кафаров, B.JI. Перов А.Ю. Хабарин, С.А. Туркатов // ТОХТ.- 1985.-Т.19, №1. -С.86-90.

10. Biegler, L.T. Systematic methods of chemical process design / L.T. Biegler, I.E. Grossmann, A.W. Westerberg.- Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall, 1997. 796 p.

11. Mohiden, M.J. Optimal design of dynamic systems under uncertainty/ M.J. Mohiden, J.D. Perkins, E.N. Pistikopoulos // AIChE Journal.- 1996.- № 42.- P. 22-52.

12. Островский, Г.М. Оптимальное проектирование гибких химико-технологических процессов/ Г.М. Островский, Ю.М. Волин // Доклады Академии наук.-1993. -Т.ЗЗ 1. -С. 326-328.

13. Островский, Г.М. Оптимизация химико-технологических процессов в условиях частичной неопределенности исходной информации / Г.М. Островский, Ю.М. Волин // Автоматика и телемеханика. -1995. №12. - С.92-106.

14. Островский, Г.М. Новые проблемы теории гибкости химико-технологических процессов / Г.М. Островский, Ю.М. Волин // Доклады Академии наук. 2000. -Т.370. — С. 773-776.

15. Островский, Г.М. Технические системы в условиях неопределенности: анализ гибкости и оптимизации / Г.М. Островский. М.: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2008. -319с.

16. Бодров, В.И. Стратегия синтеза гибких автоматизированных химико-технологических систем / В.И. Бодров, С.И. Дворецкий // ТОХТ. -1991. -Т.25, №5. -С.716-730.

17. Бодров, В.И. Оптимальное проектирование энерго- и ресурсосберегающих процессов и аппаратов химической технологии / В.И. Бодров, С.И. Дворецкий, Д.С. Дворецкий // ТОХТ. -1997. -Т.31, №5. - С. 542-548.19.20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35.

Похожие работы

Химическая технология
05.17.00