автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Моделирование и оптимизация технологического процесса отбелки целлюлозы для проектирования и совершенствования отбельных установок

На правах рукописи

Копейкин Дмитрий Викторович

0030В8344

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОТБЕЛКИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОТБЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

05.21.03 - технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

05.13.06 - автоматизация и управление технологическими процессами и производствами

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ- ПЕТЕРБУРГ 2007

003068344

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном технологическом

университете растительных полимеров

Научные руководители: кандидат технических наук, доцент Серебряков Н.П.

кандидат технических наук, профессор Суриков В.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Пазухина Галина Александровна, доктор технических наук, профессор Русинов Леон Абрамович

Ведущая организация: ОАО Всероссийский научно-исследовательский институт целлюлозно-бумажной промышленности (ВНИИБ)

Защита состоится Л^а^Л 2007 г. в У/ часов на заседании

диссертационного совета Д212.231.01 при ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров по адресу: 198095, Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГТУРП.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 198095, Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д. 4.

Автореферат разослан " ¿с7 " 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Швецов Ю.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Отбелка целлюлозы является одним из основных процессов в производстве беленой целлюлозы. Затраты на отбелку целлюлозы составляют до 30 % общих затрат. В последние годы появились новые отбеливающие реагенты, схемы с исключением элементарного хлора - ECF (Elemental Chlorine Free) и общего хлора TCF (Total Chlorine Free) и возросла тенденция к переходу к наилучшим достигнутым технологиям. Кроме того, повысились требования к охране окружающей среды.

В условиях рыночной экономики еще более актуальными стали вопросы сокращения расходов на производство беленой целлюлозы.

Решение этих задач возможно только путем оптимизации процесса многоступенчатой отбелки целлюлозы. До последнего времени такая задача не ставилась в полном объеме; решались лишь частные задачи оптимизации для отдельных ступеней отбелки с использованием частных технологических критериев оптимальности.

Особенно актуальной задача оптимизации отбелки целлюлозы становится при изменении качества небеленой целлюлозы и требований к беленой, а также ценовой политики к сырью, химикатам, энергии и ущербу от загрязнения окружающей среды.

Указанные задачи решались применительно к целлюлозе, которая используется в композиции бумаг.

В диссертационной работе рассматриваются вопросы моделирования и оптимизации технологического процесса отбелки целлюлозы, а также вопросы реализации оптимального режима с помощью автоматизированных систем управления технологическими процессами.

Целью работы является совершенствование процессов отбелки на основе развития их математического описания и оптимизации при эксплуатации и проектировании на основе обобщенных экономических критериев.

Для достижения этой цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:

- изучить особенности физико-химических процессов в современных и перспективных системах отбелки;

- исследовать и развить математическое описание процессов отбелки для их оптимизации по интегральным экономическим критериям, учитывающим затраты на химические реагенты, потери волокна, тепловую энергию и ущерб от загрязнения окружающей среды;

- проанализировать теоретические и практические задачи при оптимизации процессов многоступенчатой отбелки целлюлозы с целью их совершенствования;

- разработать программно-алгоритмическое обеспечение процессов оптимизации многоступенчатых систем отбелки по интегральным экономическим критериям;

- выполнить экспериментальные исследования оптимизационных задач для различных многоступенчатых систем отбелки на конкретных предприятиях отрасли;

- создать инженерную методику для внедрения оптимизационных процедур при совершенствовании процессов отбелки;

- разработать программно-алгоритмическое обеспечение системы автоматизированного проектирования для практической реализации оптимизационных задач многоступенчатых процессов отбелки целлюлозы при создании новых предприятий отрасли.

Методы исследования. Результаты исследования базируются на изучении физико-химических аспектов технологических процессов производства целлюлозы и бумаги, в частности систем отбелки, теории моделирования и оптимизации, теории алгоритмов, теории вероятностей и математической статистики, а также на накопленном опыте разработок при создании современных наукоемких многоступенчатых процессов отбелки в организациях и предприятиях отрасли (Гипробум, ВНИИБ, СПбГТУРП, ЦНИИБ).

Научная новизна. Развито математическое описание многоступенчатых систем отбелки по ступеням и в целом с целью их моделирования для оптимизации параметров процесса отбелки по интегральному экономическому критерию, учитывающему затраты на химические реагенты, потери волокна, тепловую энергию и ущерб от загрязнения окружающей среды.

При этом получены следующие конкретные результаты:

- получены уточненные математические модели существующих и недостающих ступеней технологического процесса отбелки целлюлозы, необходимые для оптимизации процесса;

- выбран метод оптимизации технологического процесса отбелки целлюлозы, удовлетворяющий требованиям поставленной задачи;

- разработано программно-алгоритмическое обеспечение оптимизации многоступенчатого процесса отбелки целлюлозы;

- выполнено экспериментальное исследование по оптимизации процессов отбелки для различных многоступенчатых систем отбелки на конкретных предприятиях и при их проектировании, позволившее подтвердить эффективность предложенных решений;

- разработано программно-алгоритмическое обеспечение системы автоматизированного проектирования многоступенчатых систем отбелки как подсистемы проектирования технологических процессов отраслевых предприятий с целью их совершенствования и обеспечения конкурентоспособности.

Практическая ценность. Выполненные теоретические и экспериментальные расчеты оптимальных параметров ряда отбельных установок для различных предприятий целлюлозно-бумажной промышленности (ОАО "Светогорск" и ОАО "Сясьский ЦБК") по предложенным в работе экономическим критериям убедительно показали возможность совершенствования этих систем отбелки. При этом использовалось разработанное программно-алгоритмическое обеспечение оптимизационных процедур и элементы системы автоматизированного проектирования процессов отбелки.

Показано, что оптимизация позволяет снизить затраты на отбелку на 5-7 % за счет сокращения капитальных затрат, экономии расходов химикатов и тепловой энергии, увеличения выхода целлюлозы, сокращения ущерба от загрязнения окружающей среды.

Инженерная методика использования оптимизации отбелки целлюлозы и техническое задание на систему автоматизированного проектирования многоступенчатых систем отбелки целлюлозы с учетом обобщенных экономических критериев их совершенствования переданы Государственному институту по проектированию предприятий целлюлозно-бумажной промышленности (Гипробум).

Разработанная методика и программно-алгоритмическое обеспечение оптимизации процесса отбелки целлюлозы переданы на ОАО "Сясьский ЦБК" и использованы при разработке технико-экономического обоснования АСУТП отбелки целлюлозы на ОАО "Сясьский ЦБК".

Результаты работы используются в учебном процессе при изучении следующих дисциплин: автоматизация технологических процессов отрасли (АТПО), проектирование автоматизированных систем (ПАС), автоматизированное проектирование систем автоматизации (АП), моделирование объектов автоматизации, интегрированные системы управления (ИСПиУ) и др.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научно-практической конференции "Достижения и проблемы варки и отбелки целлюлозы" (Санкт-Петербург, 2003 год); на Международной научно-технической конференции "Проблемы автоматизации и управления в технических системах" (Пенза, 2004 год); на Международной научно-практической конференции "Организация и управление производительностью производственных систем" (Новочеркасск, 2004 год); на Международной научно-практической конференции "Ресурсо- и энергосбережение в целлюлозно-бумажной промышленности и городском хозяйстве" (Санкт-Петербург, 2005 год); результаты диссертационной работы были представлены на 8-ой Международной выставке лесной, целлюлозно-бумажной и перерабатывающей промышленности РАР-БОК 2004.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов, библиографии и четырех приложений, изложенных на 187 страницах. Содержит: 13 таблиц, 54 рисунка, библиографию из 83 наименований.

На защиту выносятся следующие положения:

- развитое математическое описание многоступенчатых систем отбелки, позволяющее решать оптимизационные задачи отдельных ступеней процессов отбелки целлюлозы и системы отбелки в целом по обобщенным экономическим критериям оптимизации;

оптимизация многоступенчатых систем отбелки целлюлозы по ступеням и в целом при проектировании и с целью их совершенствования при использовании интегральных экономических критериев оптимизации,

учитывающих затраты на химические реагенты, потери волокна, тепловую энергию и ущерб от загрязнения окружающей среды;

- программно-алгоритмическое обеспечение процесса оптимизации многоступенчатой системы отбелки целлюлозы по экономическому критерию оптимизации;

положительные результаты экспериментального исследования оптимизационных процедур для ряда отбельных установок отрасли, подтвердивших возможность снижения затрат на отбелку целлюлозы до 5- 7%;

инженерная методика для практической реализации процедур оптимизации систем отбелки целлюлозы по обобщенным экономическим критериям;

- разработанное программно-алгоритмическое обеспечение системы автоматизированного проектирования систем отбелки целлюлозы для оптимизации по экономическим критериям с целью их совершенствования при эксплуатации, проектировании и автоматизации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена актуальность темы, а также сформулированы положения работы, выносимые на защиту.

В первом разделе приведен аналитический обзор литературы по теме диссертации. В нем рассмотрено современное оборудование, классические и новые схемы отбелки, приведен анализ ECF и TCF схем отбелки целлюлозы, подробно описаны физико-химические процессы, происходящие при отбелке целлюлозы на разных ступенях.

Также в первом разделе содержатся материалы по моделированию и оптимизации отбелки целлюлозы. В подразделе по моделированию приводится обзор математических моделей процесса отбелки целлюлозы. Рассмотрены типы математических моделей и способы их получения. В подразделе по оптимизации приведен обзор различных методов оптимизации.

Во втором разделе проведен анализ и выбор моделей из рассмотренных в первом разделе. Выбор был сделан в пользу математических моделей, основанных на анализе механизма описываемого процесса.

Наиболее совершенным методом получения математического описания является метод, основанный на анализе механизма описываемого процесса. Отбелка целлюлозы является многоступенчатым процессом, при котором происходит последовательное образование и превращение продуктов реакции.

Для математического описания процесса отбелки целлюлозы был использован экспериментально - аналитический метод: общий вид модели был получен из механизма процесса, а коэффициенты модели определены из экспериментальных данных. Обрабатывая кинетические кривые процессов взаимодействия целлюлозы с отбеливающими реагентами, можно определить временные границы отдельных стадий и коэффициенты пропорциональности. После получения уравнений в общем виде на основе экспериментальных данных были определены зависимости коэффициентов аппроксимации от

параметров процесса, в результате чего были получены математические модели одного вида для разных условий отбелки.

Данная методика была использована для получения статических моделей отдельных ступеней отбелки.

В общем виде статические характеристики ступени отбелки целлюлозы описываются уравнением в векторной форме:

г = А*У + Ао*Аоо, (1)

где 2 - вектор показателей качества целлюлозы; А - матрица коэффициентов аппроксимации; У - вектор параметров процесса отбелки; Ао - вектор зависимых членов уравнения; Аоо - вектор свободных членов уравнения.

Для отдельных ступеней отбелки уравнение имеет вид:

Ко

Во

К Vo

В Lo

V = А * /goo

R g<w

VT

0

+ Ао + Аоо,

(2)

где К, В, V, R - соответственно жесткость, белизна, вязкость и химические потери целлюлозы после ступени отбелки; Ко, В0, V0 -соответственно жесткость, белизна, вязкость раствора целлюлозы перед ступенью отбелки; L0 - содержание лигнина в целлюлозе перед отбелкой; goo -относительный расход основного отбеливающего реагента; goa -относительный расход дополнительного реагента; Т - продолжительность отбелки; 0 - температура отбелки.

Уравнение описывает изменение показателей качества целлюлозы в зависимости от параметров процесса многоступенчатой отбелки целлюлозы. Погрешность аппроксимации является достаточной для технических применений. На параметры процесса отбелки целлюлозы были наложены ограничения, обусловленные технологическим регламентом. Математические модели конкретных ступеней отбелки позволяют оптимизировать отбелку целлюлозы.

Сущность оптимизации сводится к отысканию при наложенных ограничениях таких значений переменных хь х2, х3,..., хп, которые определяют экстремум целевой функции:

F = F(xbX2,x3, ...,Хп). (3)

Здесь Хь Хг, Хз, ..., х„- проектные параметры (независимые переменные), полностью и однозначно определяющие решаемую задачу проектирования.

Проектные параметры представляют собой неизвестные величины, значения которых определяются в процессе оптимизации. В качестве проектных параметров могут служить любые основные или производственные величины, служащие для количественного описания объекта оптимизации. Число проектных параметров характеризует степень сложности задачи проектирования.

Целевая функция называется также критерием качества. Значение целевой функции определяется проектными параметрами.

Выбор параметров оборудования и технологических режимов отбелки целлюлозы зависит от требований, предъявляемых к показателям качества целлюлозы и экономическим показателям процесса.

Важнейшими качественными показателями беленой целлюлозы для бумаги являются белизна и механическая прочность. В зависимости от схемы отбелки требования к их значениям могут быть различными. Задачей оптимального управления процессом отбелки целлюлозы является получение целлюлозы заданного качества при минимальных затратах.

Механическая прочность целлюлозы в значительной степени определяется вязкостью ее раствора и может быть учтена при введении ограничений. В качестве критерия оптимальности целесообразно использовать условно - переменные приведенные затраты (Snep) на 1 т абсолютно сухой целлюлозы:

Snep = Спер + Клер + Soc, (4)

где Спер - условно - переменная часть себестоимости 1 т целлюлозы; Кпер - условно - переменная часть капитальных вложений на 1 т целлюлозы; Soc - условно - переменная часть затрат, связанная с очисткой сточных вод.

Условно - переменная часть себестоимости целлюлозы отражает затраты, связанные с изменением параметров процесса отбелки:

Cnep = tH'Yi, (5)

1=1

где Ц- цена единицы параметра, руб/т; Yi- значение параметра; п -количество ступеней отбелки.

Условно-переменная часть капитальных вложений:

Кпср=£*2>, (6)

V i=]

где е - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; Q - годовая производительность отбельной установки, т/год; ki-калитальные затраты на ступень, руб; п - количество ступеней отбелки.

Условно-переменная часть затрат, связанная с очисткой сточных вод:

Soc = k*m*0,01 * jr iiziîîl^lli ^ (7)

¡=1 Р'

где k - константа; m - константа, зависящая от вида водохозяйственных участков; дц - степень утилизации сточных вод на ступени; gj - расход

основного реагента на ступени, %; р, - предельно допустимая концентрация сточных вод на ступени, г/м3; п - количество ступеней отбелки.

Наиболее подходящими методами решения задачи оптимизации в данном случае являются градиентный метод и метод сканирования. Градиентный метод основан на построении минимизирующей последовательности х1,х2,хз, ...,х„ ... по формуле:

Хп+1= х„-а^(хп). (8)

Задача оптимизации градиентным методом может быть сформулирована следующим образом: пусть оптимизируемая система характеризуется некоторой зависимостью между выходной величиной и входными переменными:

Б = Б (х,, х2) х3, ...,х„). (9)

При этом вид функции Б может быть заранее неизвестен. Требуется найти совокупность переменных х^ для которой величина функции Р минимальная, а допустимые значения переменных Xi удовлетворяют системе ограничений -неравенств:

14(х1,х2,хз,...,хд)<0. (10)

Градиентные методы являются итеративными, т.е. строится последовательность приближений Хо, XI ..., сходящаяся к точке минимального значения функции Р. Этим методом вычисляют частные производные целевой функции по всем переменным, направление градиентов и шаги по этому направлению.

В методе сканирования вся допустимая область пространства оптимизируемых параметров разбивается на элементарные подобласти -ячейки и в центре каждой из ячеек осуществляется подсчет целевой функции. Если ячейки достаточно малы (т.е. выбирается очень маленький шаг по направлению поиска), то получается общая картина поведения целевой функции в допустимой области с выявлением всех ее экстремумов.

Единым принципом, позволяющим рассчитать режимы большинства наиболее часто используемых в промышленности схем отбелки целлюлозы, является анализ массива, который создается при вводе основных данных и несет в себе информацию о наименовании, количестве и порядке расстановки ступеней в схеме отбелки.

Для иллюстрации функционирования и взаимосвязи программных модулей на рис. 1 приведена блок-схема алгоритма оптимизации процесса отбелки целлюлозы.

Рис. 1. Блок-схема алгоритма оптимизации процесса отбелки целлюлозы

Методика оптимизации процесса отбелки целлюлозы основывается на расчете номинального и оптимального режимов отбелки целлюлозы, их сравнении и выдаче оператору рекомендаций по более эффективному и экономичному управлению отбельной установкой. Представленная на рисунке 1 блок-схема показывает алгоритм оптимизации процесса отбелки целлюлозы. На первом этапе вводятся исходные данные, необходимые для расчета номинального и оптимального режимов. Далее происходит расчет белизны и вязкости по ступеням отбелки. Ограничение по вязкости раствора беленой целлюлозы составляет 20 мПа*с. Требуемая конечная белизна задается в самом начале при вводе исходных данных. Учитывая данные ограничения, происходит расчет условно-переменных приведенных затрат. Выбор оптимального режима процесса отбелки целлюлозы должен производится исходя из минимума условно-переменной части приведенных затрат, обеспечивающих получение целлюлозы заданной белизны и достаточной механической прочности из целлюлозы заданной жесткости и вязкости раствора. После расчета номинального и оптимального режимов отбелки целлюлозы происходит их сравнение и вывод результатов расчета.

Разработанная на основе вышеприведенного алгоритма программа учитывает все требования, предъявляемые к методике оптимизации процесса отбелки и позволяет рассчитать оптимальный и номинальный режимы работы отбельной установки. Программа оптимизации написана на языке С++ в среде Visual Studio.

и

Лицевая панель основного модуля программы представлена на рис. 2.

Т7?Л

Файл Свойства - ■ Результаты Сгравка

КЩО ОгНС

ЩХлорцюваже ОгЖ

Окислитель«» Щелочение СИ 5 Отбелка Гипохлоритон СМ-С Кислородкмцеяо* Диоксид хлора 1 ОгН>

обработка Щелочение С1Н-£

Диоксид хлора 2 От^Р

С) Оптгааиъмяй режим

{ Провести расчет |

Рис. 2. Лицевая панель основного модуля программы

Лицевая панель основного модуля программы состоит из трех частей: строка меню в верхней части модуля; область отображения количества и порядок ступеней отбелки с левой стороны и основная область, состоящая из кнопок и переключателя режимов отбелки целлюлозы. Элемент меню Свойства запрашивает основные технологические данные для процесса отбелки целлюлозы (например, годовая производительность отбельной установки, цена целлюлозы, цена пара и др.) и для каждой ступени отдельно (например, для ступени хлорирования - цена хлора, ПДК загрязнителя и др.). Элемент меню Ступени запрашивает дополнительную информацию для каждой ступени отбелки - это Продолжительность ступени отбелки и Температура на ступени (для номинального режима отбелки целлюлозы добавляется Расход основного и дополнительного отбеливающего реагента). Элемент меню Результаты выдает в виде таблицы результаты расчета номинального и оптимального режима, а также таблицу сравнения этих режимов.

Кнопка Провести расчет, находящаяся в основной области программы, выполняет расчет режима, выбранного с помощью переключателя в верхней части модуля программы. Для этого необходимо ввести необходимые показатели процесса отбелки целлюлозы: Начальная жесткость целлюлозы и Конечная белизна. В результате расчета выдаются данные для каждой ступени по статьям затрат. Основные статьи затрат при отбелке целлюлозы - это

затраты на химикаты; затраты на тепло; затраты на потери волокна; капитальные затраты и затраты на охрану окружающей среды. Кнопки Белизна и Вязкость позволяют просмотреть изменение этих показателей в номинальном и оптимальном режимах по ступеням отбелки в виде таблиц.

Третий раздел - это экспериментальная часть диссертационной работы. Эксперимент проводился для отбельных установок ОАО Светогорск (САЦ 1) и Сясьский ЦБК. На Сясьском ЦБК вырабатывается сульфитная беленая целлюлоза из хвойных пород древесины. Отбелка проводится по схеме XI -Щ1 - Х2 - Щ2 - Г1 - Г2 (где XI - первая ступень хлорирования; Щ1 - первая ступень щелочения; Х2 - вторая ступень хлорирования; Щ2 - вторая ступень щелочения; Г1 - первая ступень отбелки гипохлоритом; Г2 - вторая ступень отбелки гипохлоритом).

Программа оптимизации была адаптирована для этой схемы. В результате расчета был получен оптимальный режим, отличающийся от существующего.

В табл. 1 приведены номинальный и оптимальный режимы отбелки целлюлозы, рассчитанные по разработанной методике для условий Сясьского ЦБК

Таблица 1

Номинальный и оптимальный режимы работы отбельной установки на ОАО "Сясьский ЦБК" _

Ступень Температура Продолжительность Расход осн. Расход доп.

отбелки на ступени, мин реагента, % к реагента, % к

ступени,°С волокну волокну

Ном. Опт. Ном. Опт. Ном. Опт. Ном. Опт.

XI 20 25 45 60 3,43 3,0 - -

Щ1 60 50 65 90 2,5 2,1 - -

Х2 20 25 45 60 1,47 1,0 - -

Щ2 60 50 65 90 1,5 1,0 - -

Г1 47 45 115 210 1,26 1,0 0,8* 0,5

Г2 46 45 115 210 0,84 0,8 0,5 0,5

* - дополнительный реагент для ступеней Г1 и Г2 - щелочь

Ном. - номинальный режим; Опт. - оптимальный режим

Из табл. 1 видно, что температура на каждой ступени отбелки, продолжительность ступени и расход отбеливающих реагентов в оптимальном режиме отличается от номинального режима. На ступенях хлорирования произошло небольшое увеличение температуры, продолжительность отбелки также увеличилась, а расход хлора стал меньше. На двух ступенях щелочения наблюдается такая же тенденция, как и на ступенях хлорирования, кроме температуры, она немного понизилась. Температура на каждой ступени отбелки гипохлоритом осталась на том же уровне, продолжительность отбелки повысилась почти в два раза. Расходы на ступенях сократились. Исключением стал расход дополнительного отбеливающего реагента (щелочи) на второй ступени отбелки гипохлоритом, он остался прежним.

Экономическая эффективность оптимизации отбелки целлюлозы по ступеням на ОАО "Сясьский ЦБК" представлена на рис. 3.

XI Щ1 Х2

руб/т 12,37 руб/т РУб/т 48,57 руб/т руб/т 2^руб/т

руб/т

щ1

33,32 руб/т

руб/т " «, ^.РУ^т

Ш

-1

Рис, 3. Экономическая эффективность оптимизации отбелки целлюлозы по ступеням на ОАО Сясьский ЦБК: 1 - номинальный режим; 2 - оптимальный режим И - затраты на химикаты, □ - затраты, связанные с потерями волокна,

а - затраты на тепло

Как видно из рис. 3, наибольшая экономическая эффективность будет достигнута на первой и второй ступени щелочения {соответственно 50 и 30 рублей), а также на первой ступени хлорирования. Это произойдет в основном за счет сокращения расходов отбеливающих реагентов, т.е. уменьшатся затрат на химикаты. Оптимальный режим на второй ступени хлорирования мало отличается от номинального режима (прибыль составляет всего 2,2 рубля). Затраты на тепловую энергию в оптимальном режиме останутся приблизительно на том же уровне, что и в номинальном на всех ступенях отбелки. В статью убытков относятся затраты, связанные с потерями волокна на двух ступенях хлорирования и двух ступенях гипохлорнта, а также затраты на химикаты на второй ступени отбелки гнпохлоритом. Расчет показал, что применение оптимального режима не требуется на двух ступенях отбелки гипохлорнтом.

Суммарная экономическая эффективность оптимизации отбелки целлюлозы на ОАО Сясьский ЦБК представлена на рис, 4,

Рис. 4. Суммарная экономическая эффективность оптимизации отбелки целлюлозы на ОАО Сясьский ЦБК:

□ - затраты на химикаты,й- затраты, связанные с потерями волокна, и- затраты на тепло

Суммарная прибыль составит 85,8 рублей на тонну целлюлозы или 6,263 млн. руб. в год (производительность отбельной установки 73000 тонн беленой целлюлозы в год) за счет уменьшения затрат на расходы химических реагентов и тепла, уменьшения потерь волокна при отбелке, а также сокращения ущерба от загрязнения окружающей среды.

Оптимизация процесса отбелки целлюлозы в цехе САЦ-] ОАО "Светогорск" возможна только для последних трех ступеней из пяти. Оптимизацию всей отбелки нельзя произвести вследствие отсутствия математической модели второй ступени отбелки, т.е. ступени щелочения с предварительной обработкой кислородом и пероксидом водорода. Эта ступень была введена в эксплуатацию совсем недавно и является нетиповой. Добелка целлюлозы происходит по схеме Д1 - П - Д2 (где Д1 и Д2 - ступени отбелки диоксидом хлора, П - ступень отбелки пероксидом водорода). Анализ данных расчетов показал, что основными статьями экономии будут являться прибыль за счет уменьшения затрат на химические реагенты и потерь волокна. Экономия составит 106,7 руб/т целлюлозы, что при производительности установки 103000 т/год составит 10,990,100 руб/год.

Четвертый раздел посвящен разработке и практическому использованию инженерной методики оптимизации процесса отбелки целлюлозы для целей проектирования и автоматизации.

Основная функция САПР состоит в осуществлении автоматизированного проектирования на всех или отдельных стадиях проектирования объектов и их составных частей на основе применения математических моделей, автоматизированных проектных процедур и средств вычислительной техники.

Основной целью создания подсистемы САПР оптимальной отбелки целлюлозы является повышение качества и технико-экономического уровня проектируемой и выпускаемой продукции.

Подсистема САПР оптимальной отбелки целлюлозы позволяет решать две задачи:

1. При проектировании новых отбельных установок выбирать оптимальную схему отбелки и определять оптимальный технологический режим по ступеням отбелки с учетом утилизации тепла и химикатов, а также ущерба от загрязнения окружающей среды.

2. При модернизации действующих отбельных установок оценивать эффективность работы отбельных установок путем их сравнения с оптимальным вариантом, выбирать оптимальную схему отбелки (при изменении схемы), а также рассчитывать оптимальный технологический режим для каждой ступени отбелки в зависимости от показателей качества небеленой целлюлозы и требований к беленой целлюлозе, а также ценовой политики и требований к охране окружающей среды.

Разработанная методика и программно-алгоритмическое обеспечение могут быть использованы в АСУТП отбелки целлюлозы.

АСУТП отбелки целлюлозы (АЩоЫеасИ) предназначена для стабилизации качества беленой целлюлозы, увеличения выхода целлюлозы высшего сорта, оптимизации процесса и для выполнения информационных функций.

Все задачи, решаемые АСУТП, разбиты на два уровня: нижний и верхний.

Задачи нижнего уровня - это традиционные задачи управления отдельными ступенями отбелки, основанные на измерении специальных сигналов в определенных местах технологического процесса. Эти задачи обеспечивают стабилизацию качества беленой целлюлозы при колебаниях жесткости небеленой целлюлозы и производительности установки, но не обеспечивают в полной мере экономичность процесса.

Задача верхнего уровня - это оптимизация процесса. Решение этой задачи позволяет получать целлюлозу заданного качества при минимальных затратах.

Выводы:

1. Показана возможность использования математических моделей отбелки целлюлозы, полученных с учетом механизма процесса, для целей оптимизации.

2. Сформулирована задача оптимизации с использованием обобщенного экономического критерия, учитывающего капитальные вложения, затраты на отбелку, выход целлюлозы и ущерб от загрязнения окружающей среды,

3. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение оптимизации многоступенчатой отбелки целлюлозы для бумаги.

4. С помощью разработанного программно-алгоритмического обеспечения проведен сравнительный анализ и расчет оптимальных режимов некоторых реальных отбельных установок.

5. Полученные результаты использованы при разработке технико-экономического обоснования АСУТП отбелки целлюлозы на ОАО Сясьский ЦБК.

6. Результаты работы переданы в ЗАО Гипробум для использования при проектировании и модернизации отбельных установок.

7. Разработано техническое задание на подсистему САПР оптимальной отбелки целлюлозы.

Публикации по теме диссертации

1. Серебряков Н.П. Моделирование и оптимизация технологического процесса отбелки целлюлозы [Текст] / Н.П. Серебряков, В.Н. Суриков, Д.В. Копейкин // Достижения и проблемы варки и отбелки целлюлозы. Тезисы докладов Научно-практической конференции/ СПбГТУРП. -СПб., 2003. -С. 111.

2. Суриков В.Н. Моделирование и оптимизация процесса отбелки целлюлозы [Текст] / В,Н. Суриков, Н.П. Серебряков, Д.В. Копейкин, JI.JI. Гурьевич // Машины и аппараты целлюлозно-бумажного производства. Межвузовский сборник научных трудов/ СПбГТУРП. -СПб., 2003. -С. 13-16.

3. Суриков В.Н. Моделирование и оптимизация процесса отбелки целлюлозы [Текст] / В.Н. Суриков, Н.П. Серебряков, Д.В. Копейкин // Организация и управление производительностью производственных систем. Тезисы докладов Международной научно-практической конференции/ ЮРГТУ (НПИ). -Новочеркасск, 2004. -С. 28-30.

4. Серебряков Н.П. Моделирование и оптимизация процесса отбелки целлюлозы [Текст] / Н.П. Серебряков, Д.В. Копейкин // Проблемы автоматизации и управления в технических системах. Труды Международной научно-технической конференции/ Информационно-издательский центр ПГУ. -Пенза, 2004. -С. 16-18.

5. Серебряков Н.П. Анализ и пути усовершенствования АСУТП отбелки целлюлозы [Текст] / Н.П. Серебряков, В.Н. Суриков, Д.В. Копейкин, JI.JI. Гурьевич // Сборник трудов научно-практической конференции: Ресурсо- и энергосбережение в целлюлозно-бумажной промышленности и городском коммунальном хозяйстве/ СПб ГТУРП.- СПб., 2005. -С. 93-95.

6. Копейкин Д.В. Анализ и пути усовершенствования АСУТП отбелки целлюлозы [Текст] / Д.В. Копейкин, Н.П. Серебряков, В.Н. Суриков // Молодые учёные университета -ЛПК России/ ГОУВПО СПб ГТУ РП. -СПб., 2006. -С. 92-94.

7. Суриков В.Н. Моделирование и оптимизация технологического процесса отбелки целлюлозы для бумаги [Текст] / В.Н. Суриков, Н.П. Серебряков, Д.В. Копейкин // Целлюлоза. Бумага. Картон. Пилотный научный выпуск, -2006. -С. 7-9.

Отпечатано методом ризографии в ООО «КОПИ-Р» 03.04.2007 года. Заказ № 91. Тираж 100 экз. пр. Стачек, д. 8 "А", тел. 786-09-05, 786-58-20

ВВЕДЕНИЕ.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОТБЕЛКИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ.

1.1. Общие сведения.

1.2. Технология отбелки целлюлозы.

1.2.1. Традиционная отбелка.

1.2.2. ECF отбелка целлюлозы.

1.2.3. TCF отбелка целлюлозы.

1.3. Оборудование для отбелки целлюлозы.

1.3.1. Отбельные башни.

1.3.2. Оборудование для промывки и сгущения массы.

1.3.3. Смесители и вспомогательное оборудование.

1.4. Механизм и химизм процесса отбелки целлюлозы.

1.4.1. Механизм процесса отбелки целлюлозы.

1.4.2. Кислородно-щелочная обработка целлюлозы.

1.4.3. Хлорирование.

1.4.4. Щелочение.

1.4.5. Отбелка гипохлоритом.

1.4.6. Отбелка пероксидом водорода.

1.4.7. Отбелка диоксидом хлора.

1.4.8. Отбелка озоном.

1.4.9. Вспомогательные реагенты для процесса отбелки целлюлозы.

1.5. Математическое описание отбелки целлюлозы.

1.5.1. Виды математических моделей.

1.5.2. Способы получения математических моделей.

1.5.3. Математические модели отбелки целлюлозы.

1.6. Методы оптимизации.

ВЫВОДЫ.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ОТБЕЖИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ.

2.1. Общие сведения.

2.2. Анализ математических моделей отбелки целлюлозы и выбор моделей для оптимизации.

2.3. Методика оптимизации процесса отбелки целлюлозы и выбор критерия оптимальности.

2.4. Анализ методов оптимизации и выбор метода.

2.5. Разработка программно-алгоритмического обеспечения процесса оптимизации отбелки целлюлозы.

2.5.1. Постановка задачи и выбор программного средства.

2.5.2. Разработка блок-схемы программы.

2.5.3. Описание программных модулей на VisualStudio.

ВЫВОДЫ.

3. ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И МОДЕРНИЗАЦИИ ОТБЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК.

3.1. Адаптация моделей и программы оптимизации для конкретных отбельных установок.

3.2. Анализ и оптимизация технологического режима отбелки целлюлозы на ОАО Сясьский ЦБК.

3.3. Анализ и оптимизация технологического режима отбелки целлюлозы на ОАО Светогорск.

ВЫВОДЫ.

4. РАЗРАБОТКА И ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНЖЕНЕРНОЙ МЕТОДИКИ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА

ОТБЕЖИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И АВТОМАТИЗАЦИИ.

4.1. Разработка и практическое использование инженерной методики оптимизации процесса отбелки целлюлозы для целей проектирования.

4.2. Разработка и практическое использование инженерной методики оптимизации процесса отбелки целлюлозы для целей автоматизации.

ВЫВОДЫ.

Отбелка целлюлозы является одним из основных процессов в производстве беленой целлюлозы. Доля беленой целлюлозы от производства всей целлюлозы в Швеции составляет 70 %, в Канаде - почти 90 %, в России -около 50 %. Причем доля сульфатной целлюлозы составляет в Канаде 97 %, в Швеции - 92 %, в России - 87 %.

Затраты на отбелку целлюлозы достигают 30 % общих затрат.

В последние годы появились новые отбеливающие реагенты, схемы с исключением элементарного хлора - ECF (Elemental Chlorine Free) и общего хлора TCF (Total Chlorine Free) и возросла тенденция к переходу к лучшим из имеющихся технологий (квалификация ВАТ). Сегодня в мире без использования молекулярного хлора отбеливается около 74 % всей беленой целлюлозы, причем на долю TCF приходится лишь около 5-7 %.

Несмотря на то, что существует тенденция к сокращению числа ступеней отбелки, современные отбельные установки насчитывают от 6 до 9 ступеней, а общее число параметров, которые влияют на отбелку, составляет несколько десятков.

В этих условиях выбор наилучшей схемы отбелки и технологического режима на ступенях является сложной задачей, особенно с учетом требований к охране окружающей среды.

В настоящее время эти задачи решаются преимущественно эмпирическим путем с помощью метода физического моделирования на пилотных установках с последующим переносом результатов на промышленные установки с использованием теории подобия. В России большинство отбельных установок поставлены инофирмами в комплекте с технологическими режимами и системами автоматизации. Рекомендуемые режимы и схемы нельзя считать наилучшими, так как они не учитывают соотношение реальных цен химикатов, оборудования, энергии, а также требования к защите окружающей среды.

В полной мере эти задачи могут быть поставлены и решены только на базе развитого математического обеспечения путем моделирования и оптимизации.

До настоящего времени отсутствовали обобщенные модели и методы оптимизации процесса отбелки целлюлозы.

Несмотря на то, что вопросы построения математического описания отбелки целлюлозы ставились начиная с 1980-х годов, полученные модели носили частный характер, охватывали лишь отдельные ступени отбелки, носили чисто формальный характер и не могли быть использованы для оптимизации процесса.

В диссертационной работе используются модели всех типовых ступеней отбелки, включая кислородно-щелочную отбелку (КЩО), отбелку пероксидом водорода, а также хлорирование с добавкой диоксида хлора, щелочную обработку с добавкой кислорода и др.

Такое развитое математическое обеспечение, полученное на основе механизма процесса отбелки целлюлозы, позволяет сформулировать и решать задачи оптимизации для любых схем отбелки.

Разработанное программно - алгоритмическое обеспечение позволяет оптимизировать различные схемы отбелки по экономическому критерию, учитывающему ущерб от загрязнения окружающей среды, и рассчитывать оптимальный технологический режим для каждой ступени отбелки, обеспечивающий получение целлюлозы заданного качества при минимальных затратах.

Указанные задачи могут решаться как при проектировании и модернизации отбельных установок, так и при управлении ими с помощью АСУТП.

Указанные задачи решались применительно к целлюлозе, которая используется в композиции бумаг.

В диссертационной работе рассматриваются вопросы моделирования и оптимизации технологического процесса отбелки целлюлозы, а также вопросы реализации оптимального режима с помощью автоматизированных систем управления технологическими процессами.

На защиту выносятся следующие положения:

-развитое математическое описание многоступенчатых систем отбелки, позволяющее решать оптимизационные задачи отдельных ступеней процессов отбелки целлюлозы и системы отбелки в целом по обобщенным экономическим критериям оптимальности;

-оптимизация многоступенчатых систем отбелки целлюлозы по ступеням и в целом при проектировании и с целью их совершенствования при использовании интегральных экономических критериев оптимальности, учитывающих затраты на химические реагенты, потери волокна, тепловую энергию и ущерб от загрязнения окружающей среды;

- программно-алгоритмическое обеспечение процесса оптимизации многоступенчатой отбелки целлюлозы по экономическому критерию оптимальности;

-положительные результаты экспериментального исследования оптимизационных процедур для ряда отбельных установок отрасли, подтвердивших возможность снижения затрат на отбелку целлюлозы до 5-7 %;

- инженерная методика для практической реализации процедур оптимизации систем отбелки целлюлозы по обобщенным экономическим критериям;

-разработанное программно-алгоритмическое обеспечение системы автоматизированного проектирования систем отбелки целлюлозы для оптимизации по экономическим критериям с целью их совершенствования при эксплуатации, проектировании и автоматизации.

6. Результаты работы переданы в ЗАО Гипробум для использования при проектировании и модернизации отбельных установок.

7. Разработано техническое задание на подсистему САПР оптимальной отбелки целлюлозы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе было проведено исследование технологического процесса отбелки целлюлозы. Целью работы являлось моделирование и оптимизация процесса отбелки целлюлозы для проектирования и совершенствования отбельных установок.

В ходе исследования были рассмотрены различные способы получения целлюлозы (сульфитный и сульфатный). В настоящее время наиболее перспективным является сульфатный способ получения целлюлозы.

В работе были разобраны разные способы отбелки целлюлозы: с использованием хлора и его соединений (традиционная отбелка), отбелка без молекулярного хлора (ECF-отбелка) и полностью бесхлорная (TCF-отбелка).

Ужесточение конкурентной борьбы и требований к охране окружающей среды в ЦБП заставляют производителей использовать новые схемы отбелки для получения ECF и TCF целлюлоз. Эти схемы усложняют задачи, стоящие перед системами управления по сохранению качества продукции и производительности при одновременной минимизации затрат. При проектировании и автоматизации процесса отбелки целлюлозы необходимо учитывать наилучшие существующие технологии и оборудование процесса отбелки целлюлозы. В настоящее время в России практически все предприятия отрасли (как сульфитные, так и сульфатные) нуждаются в коренном изменении технологии производства. Основной движущей силой эволюции схем отбелки явилось осознание необходимости отказа от применения молекулярного хлора. Использование молекулярного хлора в производстве целлюлозы, вследствие его вредного воздействия на окружающую среду, в некоторых странах (например, Швеция, Финляндия) запрещено, в других странах (например, США, Канада) это произойдет в ближайшее время. Сегодня в мире, даже с учетом очень отсталых в области ЦБП стран, без использования молекулярного хлора отбеливается уже около 74% всей беленой целлюлозы.

Отказ от применения молекулярного хлора в 80-е годы привел к увеличению расхода диоксида хлора. Значительно более высокая цена диоксида хлора в сравнении с молекулярным хлором вызвала необходимость поиска новых технологических решений, обеспечивающих приемлемую стоимость отбелки с учетом цен на химикаты. К таким решениям относится: продленная делигнификация в процессе варки, одно- и двухступенчатая кислородно-щелочная обработка, применение кислорода и пероксида водорода на щелочных ступенях обработки. Даже при отбелке без применения молекулярного хлора, но с использованием диоксида хлора, образуются хлорорганические соединения. При исключении из процесса отбелки молекулярного хлора альтернативой может быть применение в качестве заменителей диоксида хлора сочетания кислорода, пероксида водорода, озона или перуксуснои кислоты и энзимов.

В этой связи крайне актуальной является задача оптимизации процесса отбелки целлюлозы. Решение этой задачи позволит снизить расходы дорогостоящих отбеливающих реагентов и энергоносителей.

Для решения этой задачи был проведен анализ существующих математических моделей процесса отбелки целлюлозы. В результате исследования были выбраны математические модели, основанные на анализе механизма описываемого процесса, разработанные Серебряковым Н.П. Данные модели были получены с помощью экспериментально -аналитического метода. Однако, в существующем математическом описании процесса отбелки целлюлозы для бумаги отсутствовали модели вторых (дублирующихся) ступеней. Например, на Сясьском ЦБК отбелку производят по следующей схеме: Хлорирование - Щелочение - Хлорирование -Щелочение - Гипохлорит - Гипохлорит. Для математического обеспечения и для оптимизации процесса отбелки целлюлозы для условий Сясьского ЦБК необходимо было разработать модели, в частности, второй ступени хлорирования и второй ступени отбелки гипохлоритом.

В работе, по экспериментальным данным, был проведен анализ, который показал, что существующие математические модели для первых ступеней отбелки дают существенную погрешность. При помощи экспериментальных данных нами была проведена адаптация моделей. Сущность адаптации заключалась в корректировке свободного члена и коэффициентов модели. В результате было получено развитое математическое описание, которое позволило решить задачу оптимизации для конкретных отбельных установок.

В качестве критерия оптимальности был выбран экономический критерий, условно-переменные приведенные затраты на тонну абсолютно сухой целлюлозы, учитывающий затраты на химические реагенты, потери волокна, тепловую энергию и ущерб от загрязнения окружающей среды.

Далее для определения экстремального значения критерия оптимальности мы перешли к выбору конкретного метода оптимизации. Для выбора метода оптимизации был проведен подробный анализ каждого метода, подходящего для решения существующей задачи оптимизации. В результате анализа, из нескольких методов был выбран поисковый метод, так как он применим для функций многих переменных и наиболее подходил для нашего случая. В свою очередь поисковые методы отличаются друг от друга способом определения направления движения к оптимуму, размером шага и продолжительностью поиска вдоль найденного направления. От величины шага зависят многие параметры поиска, такие как, потери на поиск, точность определения экстремума, надежность поиска. Способ выбора величины шага обычно не относят к процедурам, определяющим метод поиска. Сущность метода, в первую очередь, выражается в способе выбора направления очередного шага. Если при выборе направления используется информация о первых производных целевой функции по управляемым параметрам, то метод относится к группе методов первого порядка, если используется информация о вторых производных - к группе методов второго порядка. Методы, использующие только информацию о значениях минимизируемой функции, называются методами нулевого порядка

Из поисковых методов как наиболее подходящими методами решения нашей задачи оптимизации были выбраны градиентный метод (метод первого порядка) и метод сканирования (метод нулевого порядка).

Проанализировав зависимость критерия оптимальности от двух оптимизационных расходов при фиксированных остальных переменных, был сделан вывод, что максимальное и минимальное значение нашей функции быстро достигается в нуле или на бесконечности. Поэтому градиентные методы в решении нашей задачи не смогут сойтись к локальному минимуму. Тем самым оптимальные значения переменных при использовании градиентных методов будут находиться на границах интервала изменения, кроме одной переменной. В данном случае при использовании градиентного метода были необходимы вычисления не только значения критерия оптимальности, но и значений производных этого критерия на каждом итерационном шаге. В этом случае точность определения экстремума будет сопоставима с точностью определения методом сканирования. Поэтому основным методом оптимизации в данной работе был выбран метод сканирования. В методе сканирования вся допустимая область пространства оптимизируемых параметров разбивается на элементарные подобласти -ячейки и в центре каждой из ячеек осуществляется подсчет целевой функции. Если ячейки достаточно малы (т.е. выбирается очень маленький шаг по направлению поиска), то получается общая картина поведения целевой функции в допустимой области с выявлением всех ее экстремумов.

В результате решения задачи оптимизации был получен оптимальный режим работы отбельной установки, обеспечивающий минимальные затраты.

Для написания программы расчета оптимального режима работы отбельной установки был выбран язык программирования С++ и среда разработки Visual Studio 2005 Standard Edition. Язык С++ относится к языкам программирования высокого уровня пятого поколения: языки объектно-ориентированные и визуальные.

Методика оптимизации процесса отбелки целлюлозы, разработанная в диссертационной работе, заключается в расчете номинального и оптимального режимов отбелки целлюлозы, их сравнении и выдаче оператору рекомендаций по более эффективному и экономичному управлению отбельной установкой. На первом этапе расчета вводятся исходные данные, необходимые для расчета номинального и оптимального режимов. Далее происходит расчет жесткости, белизны и вязкости по ступеням отбелки. Ограничение по вязкости раствора беленой целлюлозы составляет 20 мПа*с. Требуемая конечная белизна и начальная жесткость целлюлозы была задана в самом начале при вводе исходных данных. С учетом данных ограничений, происходит расчет условно-переменных приведенных затрат. Выбор оптимального режима процесса отбелки целлюлозы проводился исходя из минимума условно-переменной части приведенных затрат, обеспечивающих получение целлюлозы заданной белизны и достаточной механической прочности из целлюлозы заданной жесткости. После расчета номинального и оптимального режимов отбелки целлюлозы было произведено их сравнение и вывод результатов расчета.

Разработанная нами методика была использована при расчете оптимального режима для двух отбельных установок: на ОАО "Сясьский ЦБК" и ОАО "Светогорск" (САЦ-1).

Для отбельной установки на ОАО "Сясьский ЦБК" наибольшая экономическая эффективность будет достигнута на первой и второй ступени щелочения (соответственно 50 и 30 рублей), а также на первой ступени хлорирования. Это произойдет в основном за счет сокращения расходов отбеливающих реагентов, т.е. уменьшатся затрат на химикаты. Оптимальный режим на второй ступени хлорирования мало отличается от номинального режима (прибыль составляет всего 2,2 рубля). Затраты на тепловую энергию в оптимальном режиме останутся приблизительно на том же уровне, что и в номинальном на всех ступенях отбелки. В статью убытков относятся затраты, связанные с потерями волокна на двух ступенях хлорирования и двух ступенях гипохлорита, а также затраты на химикаты на второй ступени отбелки гипохлоритом. Расчет показал, что применение оптимального режима не требуется на двух ступенях отбелки гипохлоритом. Суммарная прибыль составит 85,8 рублей на тонну целлюлозы или 6,263 млн. рублей в год (производительность отбельной установки 73000 тонн беленой целлюлозы в год) за счет уменьшения затрат на расходы химических реагентов и тепла, а также сокращения ущерба от загрязнения окружающей среды.

Анализ данных расчетов для ОАО "Светогорск" показал, что основными статьями экономии будут являться прибыль за счет уменьшения затрат на химические реагенты и потерь волокна. Доля прибыли от уменьшения затрат на охрану окружающей среды и тепловую энергию очень незначительна. В целом экономия составит 106,7 руб/т целлюлозы, что при производительности установки 103000 т/год составит 10,990,100 руб/год.

Разработанная инженерная методика оптимизации и программно-алгоритмическое обеспечение были использованы как для проектирования, так и для автоматизации процесса отбелки целлюлозы.

В ходе проведенных исследований в диссертационной работе получены следующие научные и практические результаты:

1. Показана возможность использования математических моделей отбелки целлюлозы, полученных с учетом механизма процесса, для целей оптимизации.

2. Сформулирована задача оптимизации с использованием обобщенного экономического критерия, учитывающего капитальные вложения, затраты на отбелку, выход целлюлозы и ущерб от загрязнения окружающей среды.

3. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение оптимизации многоступенчатой отбелки целлюлозы для бумаги.

4. С помощью разработанного программно-алгоритмического обеспечения проведен сравнительный анализ и расчет оптимальных режимов некоторых реальных отбельных установок.

5. Полученные результаты использованы при разработке технико-экономического обоснования АСУТП отбелки целлюлозы на ОАО Сясьский ЦБК.

1. Непенин Ю.Н. Отбелка и облагораживание целлюлозы Текст. / Ю.Н. Непенин, Н.С. Вишневская, Б.Н. Филатов // -Л., ЛТА, 1987,-С 52.

2. Рощин В.И. Отбелка целлюлозы Текст. / В.И. Рощин, С.И. Носова // -М., Лесная промышленность, 1977.-С 304.

3. Непенин Н.Н. Технология целлюлозы Текст. / Н.Н. Непенин, Ю.Н.Непенин // Очистка, сушка и отбелка целлюлозы. Прочие способы производства целлюлозы, т. 3,-М., Экология, 1994.-С 592.

4. Технология целлюлозно-бумажного производства Текст. / Справочное издание // Производство полуфабрикатов,т. 1,ч.2,-СПб., Политехника, 2003.-С 633.

5. Кряжев A.M. Схемы отбелки сульфитной целлюлозы для бумаги Текст. / А.М. Кряжев, Ф.В. Шпаков, С.В. Мусинский // Целлюлоза. Бумага. Картон. 1998.-№7-8.-С. 34-38.

6. Аким Г.Л. Бесхлорная отбелка целлюлозы Текст. / Г.Л. Аким // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2001.-№5-6. -С. 24-28.

7. Kramer U. Overview of emerging technologies in pulping and bleaching Text. / U. Kramer // Pulp and Paper. 2000.-№4.-P. 51-59.

8. Неволин В.Ф. Переход на технологию ECF экономика и экология Текст. / В.Ф. Неволин, А.М. Кряжев, Ф.В. Шпаков // Целлюлоза. Бумага. Картон. 1997.-№ 3-4.-С. 8-10.

9. Мак Доно Т. Дж. Последние достижения в области технологии производства беленой целлюлозы Текст. / Т. Дж. Мак Доно // Пленарные докл. междунар. конф. PAPFOR-94. СПб., 1994.-С. 184-206.

10. Clapp R.T. АОХ content of paper manufactured with "chlorine free" pulps Text. / R.T. Clapp, C.A. Truemper, S. Azir, T. Reschke // TAPPI Journal. 1996.-Vol.79.-N3 .-P. 111-113.

11. Strunz A. Vergleichende Untersuchungen zum Mahlungverhalten von ECF- und TCF-gebleichten Zellstoffen Text. / A. Strunz, J. Blechschmidt, H.L. Baumgarten // Das Papier. 1996.-Vol.50.-N6.-S. 310-319.

12. Барановский А. Последние достижения в технологии целлюлозного производства Текст. / А. Барановский, У. Эстберг // Пленарные докл. пятой междунар. конф РАРРОЯ-98.-СПб., 1998.-С. 106-124.

13. Таранников Н.М. Беленая лиственная сульфатная целлюлоза ECF Архангельского ЦБК Текст. / Н.М. Таранников, Н.Е. Иванов, Т.Г. Давыдова и др. //Целлюлоза. Бумага. Картон. 1997.-№ 9-10.-С. 12-14.

14. Парен А. Бесхлорная отбелка целлюлозы с использованием пероксида водорода, дистиллированной надуксусной кислоты и новых экологически безвредных хелатообразующих веществ Текст. / А. Парен // Семинар фирмы "Kemira Chemicals ОУ'.-СПб., 1997.

15. Ni Y. Laboratory study on bleaching softwood kraft pulp by TCF Text. / Y.Ni,T. Ooi//TAPPI Journal. 1996.-Vol.79.-N10.-P. 167-171.

16. Brown Y. Medium-consistency ozone bleaching with enzyme pretreatment Text. / Y. Brown, M. Cheek // TAPPI Journal. 1994.-N11.-P. 105107.

17. Eriksson E.L. Pulp bleaching and deinking pilot plants use chlorine free process Text. / E.L. Eriksson, R.B. Adolphson // TAPPI Journal. 1997.-Vol.80.-N 6.-P. 80-81.

18. Гуннарссон А. Производство "бесхлорной" целлюлозы с применением озона на заводе "Менстерос" (Швеция) Текст. / А. Гуннарссон // Свенск Папперстиднинг. 1993.-№ 12.-С. 22-23.

19. Valkeapaa R. Wisaforest edges toward effluent closure with TCF Text. / R. Valkeapaa, K. Patrick // PPI. 1995.-Vol.37.-N6.-P. 66-69.

20. Бъерклунд Т. Применение новых технологий на целлюлозных заводах за рубежом и в России Текст. / Т. Бъерклунд, Г. Каре, К. Хафвестрем, Л.-Э. Линдстрем // Целлюлоза. Бумага. Картон. 1996.-№9-10. -С. 26-29.

21. Оборудование для целлюлозно-бумажного производства Текст. / Кн.

22. Химическое оборудование: Каталог ЗАО "Петрозаводскмаш" // -Петрозаводск, Петропресс, 1994.-С. 259.

23. Тордуа Г.А. Машины и аппараты целлюлозного производства Текст. / Г.А. Тордуа // -М., Лесная промышленность, 1986.-С 440.

24. Рощин В.И. Отбелка целлюлозы Текст. / В.И. Рощин, С.И. Носова // -М., Лесная промышленность, 1977.-С 304.

25. Рощин В.И. Отбелка целлюлозы Текст. / В.И. Рощин, Е.Г. Рощина // -М., Лесная промышленность, 1990.-С 232.

26. Оборудование для целлюлозно-бумажного производства Текст. / Кн.

27. Оборудование бумагоделательное: Каталог ЗАО "Петрозаводскмаш" // -Петрозаводск, Петропресс, 1994.-С. 138.

28. Непенин Ю.Н. Технология целлюлозы. Т.2. Производство сульфатной целлюлозы Текст./ Ю.Н. Непенин // -М., Гослесбумиздат, 1963. -С. 936.

29. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов Текст. / О. Левеншпиль // -М., Химия, 1969.-С 622.

30. Азаров В.И. Химия древесины и синтетических полимеров Текст. / В.И. Азаров, А.В. Буров, А.В. Оболенская // -СПб., СПбЛТА, 1999.-С. 628.

31. Новикова А.И. Отбелка целлюлозы и технологические расчеты отбельного цеха Текст.: учеб.-мет. пособие / А.И. Новикова // -СПб., ГОУВПО СПбГТУРП, 2005.-С. 62.

32. Бокстрем М. Продленная кислородная делигнификация Текст. / М. Бокстрем, С. Норден // Целлюлоза. Бумага. Картон.

33. Гермер Э.И. Варка и отбелка сегодня и завтра Текст. / Э.И. Гермер // Достижения и проблемы варки и отбелки целлюлозы. Тезисы докладов научно-практической конференции/ СПбГТУРП. -СПб., 2003.-С. 3-12.

34. Потапов B.C. Отбелка целлюлозы Текст. / B.C. Потапов, В.Е. Шамко // -М., Лесная промышленность, 1976.-С. 152.

35. Отбелка целлюлозы. Монография ТАППИ №27 под редакцией У.Г. Рэпсона Текст. / -М., Лесная промышленность, 1968.-С 284.

36. Кряжев A.M. Нормативы расхода хлора, хлорсодержащих реагентов и потерь волокна при отбелке целлюлозы Текст. / A.M. Кряжев, А.И. Зацепилин и др. // -Л., Межвузовская типография СППО-2, 1990,-С. 10.

37. Королева Т.А. Влияние условий отбелки пероксидом водорода на свойства лиственной сульфатной целлюлозы Текст. / Т.А. Королева, Л.А. Миловидова, Г.В. Комарова, В.И. Комаров // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2001.-№7-8.-С. 18-20.

38. Аким Г.Л. Бесхлорная отбелка целлюлозы Текст. / Г.Л. Аким // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2001.-№5-6.-С. 24-28.

39. Прик Д.С. Обзор по делигнификации диоксидом хлора в Канаде Текст. / Д.С. Прик, Д.В. Рив // Tappi journal. 1997,-Vol.80,-№5,-P. 153-161.

40. Кремлякова И.В. Озон и его использование в целлюлозно-бумажной промышленности Текст. / И.В. Кремлякова, М.И. Буйницкая // Целлюлоза. Бумага. Картон. Обзор, информ. -М., 1990.-С. 28.

41. Matsumoto J. Studies on chemical structure of lignin by ozonization Text. / J. Matsumoto // International Symposium on Wood and Pulping Chemistry, organized by Japan Tappi. 1983,-Vol.4,-P.68-71.

42. Pryke D. International Pulp Bleaching Text. / D. Pryke // Tappi journal. 1985, Vol.86,-№8,-P. 145-147.

43. Saton I. Studies of pulp bleaching with ozone Text. /1. Saton, A. Ishizu, J. Nakano //JapanTappi. 1984,-Vol.38,9,-P. 958-964.

44. Дятлова H.M. Комплексоны Текст. / H.M. Дятлова, В.Я. Темкина, И.Д. Колпакова // -М., Химия, 1970.-С. 217.

45. Применение энзимов в отбелке целлюлозы Текст. / Рекламный материал фирмы "Сиба-Гейги" // Целлюлоза. Бумага. Картон. 1996,-№5-6. -С. 20-21.

46. Скольд-Йоргенсен С. Энзимы для отбелки и проблемы смоляных затруднений Текст. / С. Скольд-Йоргенсен, М. Кребс Ланге // Svensk Papperstidning. 1991,-№6,-С. 32-37.

47. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии Текст. / В.В. Кафаров // -М., Химия, 1976.-С. 464.

48. Норенков И.П. Системы автоматизированного проектирования. В 9 кн. Кн. 1. Принципы построения и структура Текст. / Норенков И.П // -М., Высшая школа, 1986.-С. 127.

49. Кудрявцев А.С. Моделирование элементов и систем теплоэнергосбережения промышленных предприятий Текст. / А.С. Кудрявцев, Н.Н. Гладышев, Т.Ю. Короткова // -СПб., ГОУВПО СПбГТУРП, 2004.-С. 106.

50. Вальков К.И. Введение в теорию моделирования Текст. / К.И. Вальков // -Л., ЛИСИ, 1974.-С. 152.

51. Неуймин Я.Г. Модели в науке и технике Текст. / Я.Г. Неуймин // -Л., Наука, 1984.-С 187.

52. Лебедев А.Н. Моделирование в научно-технических исследованиях Текст. / А.Н. Лебедев // -М., Радио и связь, 1989.-С. 224.

53. Трахтенберг B.C. Математическое моделирование инженерных объектов Текст. / B.C. Трахтенберг // -Горький, Марийская республиканская типография, 1978.-С. 139.

54. Дудников Е.Г. Построение математических моделей химико-технологических объектов Текст. / Е.Г. Дудников, B.C. Балакирев, В.Н. Кривсунов, A.M. Цирлин // -Л., Химия, 1970.-С. 312.

55. Вьюков И.Е. Автоматизация технологических процессов целлюлозно-бумажной промышленности Текст. / И.Е. Вьюков // -М., Лесная промышленность, 1983.-С. 384.

56. Вьюков И.Е. Математические модели и управление технологическими процессами целлюлозно-бумажной промышленности Текст. / И.Е. Вьюков, И.Ф. Зорин, В.П. Петров // -М., Лесная промышленность, 1975.-С. 376.

57. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем Текст. / И.П. Норенков // -М., Высшая школа, 1986.-С. 304.

58. Налимов В.В. Теория эксперимента Текст. / В.В. Налимов // -М., Наука, 1971.-С. 207.

59. Адлер Ю.П. Планирование экспериментов при поиске оптимальных условий Текст. / Ю.П. Адлер, Е.А. Маркова, Ю.В. Грановский // -М., Наука, 1976.-С. 279.

60. Норенков И.П. Основы теории и проектирования САПР Текст. / И.П. Норенков, В.Б. Маничев // -М., Высшая школа, 1990.-С. 335.

61. Петров А.В. Разработка САПР. В 10 кн. Кн. 1. Проблемы и принципы создания САПР Текст. / А.В. Петров, В.М. Черненький // -М., Высшая школа, 1990.-С. 143.

62. Моисеев Н.Н. Элементы теории оптимальных систем Текст. / Н.Н. Моисеев // -М., Наука, 1975.-С. 528.

63. Моисеев Н.Н. Методы оптимизации Текст. / Н.Н. Моисеев, Ю.П. Иванилов, Е.М. Столярова // -М., Наука, 1978.-С. 352.

64. Сухарев А.Г. Курс методов оптимизации Текст. / А.Г. Сухарев, А.В. Тимохов, В.В. Федоров // -М., Наука, 1986.-С. 328.

65. Сафонова М.Р. Оптимизация технологических процессов целлюлозно-бумажной промышленности Текст. / М.Р. Сафонова // -JL, JITA, 1981.-С. 115.

66. Сосновский Р.И. Модели процессов отбелки сульфатной лиственной целлюлозы для бумаги Текст./ Р.И. Сосновский, Ю.В. Пальвинский // Сборник трудов ВНИИБ, -М., 1975.-№ 68.-С. 156-160.

67. Сосновский Р.И., Серебряков Н.П., Аким Г.Л. Математическое описание процесса кислородно-щелочной отбелки целлюлозы Текст. / Р.И. Сосновский, Н.П. Серебряков, Г.Л. Аким // Бумажная промышленность, 1973.-№8.-С. 9-11.

68. Веденеев В.И. Математические модели ступени горячего облагораживания вискозной целлюлозы Текст. / В.И. Веденеев, С.Н. Долгих, Л.Д. Торопова, Л.Н. Стребкова //Бумажная промышленность, 1980.-№6. -С. 26.

69. Серебряков Н.П. Методика построения математических моделей процесса отбелки целлюлозы Текст. / Н.П. Серебряков // Химическая переработка древесины и ее отходов: Межвуз. сб. науч. тр., -Л., ЛТА, 1988.-С. 59-62.

70. Серебряков Н.П. Оптимизация технологического процесса отбелки целлюлозы Текст. / Н.П. Серебряков // Химия и технология волокнистых полуфабрикатов различного назначения: Межвуз. сб. науч. тр., -Л., ЛТА, 1990.-С. 57-61.

71. Кафаров А.В. Основы массопередачи Текст. / А.В. Кафаров // -М., Высшая школа, 1979.-С. 439.

72. Буйлов Г.П. Автоматическое управление процессом отбелки целлюлозы Текст. / Г.П. Буйлов, Н.П. Серебряков // -М., ВНИПИЭИлеспром, 1989.-С. 28.

73. Методика определения предотвращенного экологического ущерба Текст. / -СПб., Ленкомэкология, 2000.

74. Сердобинцева Е.Г. Экономика природопользования (Современные подходы) Текст. / Е.Г. Сердобинцева // -СПб., СПбГТУРП, 2002.-С. 106.

75. Ильина В.А. Численные методы для физиков-теоретиков. I Текст. / В.А. Ильина, П.К. Силаев // -Москва-Ижевск, Институт компьютерных исследований, 2003.-С. 132.

76. Ильина В.А. Численные методы для физиков-теоретиков. II Текст. / В.А. Ильина, П.К. Силаев // -Москва-Ижевск, Институт компьютерных исследований, 2004.-С. 118.

77. Бахвалов Н.С. Численные методы Текст. / Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М. Кобельков // -М., Бином. Лаборатория знаний, 2004.-С. 640.

78. Коррера A. Visual С++ .NET: Пособие для разработчиков С++ Текст. / А. Коррера, С. Фрейзер, С. Джентайл, Н. Кумар, С. Маклин, С. Робинсон, П.Г. Саранг // -М., Лори, 2003.-С. 398.

79. Фейсон Т. Объектно-ориентированное программирование на Borland С++ 4.5 Текст. / Т. Фейсон // -Киев, Диалектика, 1996.-С. 544.

80. Баженова ИЛО. Visual С++ 6.0. Уроки программирования Текст. / ИЛО. Баженова // -М., ДИАЛОГМИФИ, 1999.-С. 416.

81. Серебряков Н.П. Автоматизированное проектирование систем автоматизации Текст. / Н.П. Серебряков, В.А. Доронин, Ю.М. Вуколов // -СПб., СПбГТУРП, 1994.-С. 102.

82. ГОСТ 19.002-80. Схемы алгоритмов и программ. Правила выполнения Текст.

83. ГОСТ 19.003-80. Схемы алгоритмов и программ. Обозначения условные графические Текст.