автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка и исследование алгоритмов управления производством формалина

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

■•'г:, од • .

2 I ОНТ г:.' ■

На правах рукописи

Кондратов Сергей Николаевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ ФОРМАЛИНА

05.13.07-- Автоматизация технологических процессов и производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических-наук

Пермь - 1994

Работа выполнена в -Пермском государственном техническом- университете и Губахинском АООТ "Метафракс".

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент • Шумихин Александр Георгиевич.

Официальные ошоненты: доктор технических наук, профессор

Ведущая организация: Государственный научно-исследовательский институт управляющих машин.и - ' систем, г.Пермь

Защита состоится "М" ИОЯдрЯ 1994г. в ¿¿'час. 00-мин. на заседании специализированного Совета Д063.66.02 в Пермском государственном техническом университете: 614600, г.Пермь, ГСП-45, Комсомольский проспект, 29а,ауд.423.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного технического" университета.

Автореферат разослан "{О? ОКУпЯЗрЯ 1994г.

- 1 Ученый секретарь специализированного Совета

Первадчук Владимир Павлович; кандидат технических наук Оборин Геннадий Анатольевич

д.т.н., проф.

О.Б.Низамутдинов

-3-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы обусловлена тем, что на действующих- в Российской Федерации агрегатах формалина существует проблема повышения качества продукта, сокращения сырьевых и энергетических затрат, повышения экологической-безопасности производства. Существующие, системы управления производством формалина не позволяют в полной мере решить эту'задачу. Создание эффективных систем управления при небольших объемах дорогостоящих экспериментальных исследований становится возможным благодаря разработке с использованием методов математического моделирования адаптивных алгоритмов управления производством формалина.

Целью_работы является построение математических моделей технологических процессов (ТП) в производстве формалина, разработка на их основе моделей для пели управления, алгоритмов и способов оптимального управления ТП.

Научнай_новизна. Наиболее существенные и новые' результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1) разработана методология построения алгоретмов управления для автоматизированных систем контроля и управления производством формалина, основанная на математическом моделировании технологических процессов;

2) проведена структурная и параметрическая идентификация математической модели двухфазной гетерогенной каталитической системы применительно к процессу синтеза формальдегида окислительным дегидрированием метанола на серебряном катализаторе и математической модели двухфазной абсорбционной системы применительно к процессу неизотермической абсорбции формальдегида водой;

3) для цели управления разработаны математические модели, позволяющие прогнозировать соотношение концентраций формальдегида и метанола в готовом формалине, состав контактных газов, содержание водь! в готовом формалине, суммарное содержание формальдегида' и метанола в абсорбционных газах, суммарный расход хладагента на стадию абсорбции в зависимости от значений параметров технологического процесса, используемые в алгоритмах управления производством;

4) изучены процессы управления синтезом формальдегида, составом готового формалина, многоступенчатой абсорбцией формальдегида;

предложены алгоритмы адаптивного управления. 5) методом вычислительного эксперимента исследована сходимость процессов адаптации моделей и управления. Практическая 'ценность. ■ .

1. Разработано программное обеспечение для.исследования химике -технологических процессов, в производстве формалина методами математического моделирования.

2. Разработаны алгоритм и способ управления процессом синтеза формальдегида подачей дополнительного.количества воздуха в слой катализатора. .Проверка предложенного способа на лабораторной установке показала, что применение способа позволяет получать формалин с заданными показателями качества в широком диапазоне без изменения -селективности образования формальдегида. При этом увеличение выхода формальдегида составляет до 5 %.

3. Разработаны алгоритм и способ управления процессом получения формалина по критерию "состав готового формалина". Проверка предложенного способа на промышленном агрегате показала, что применение способа позволяет снизить удельный расход метанола на 2-3 %.

4. Разработаны алгоритм, и способ управления процессом многоступенчатой неизотермической абсорбции, обеспечивающий заданные степень абсорбции формальдегида и метанола, содержание воды в продукте и снижающий энергозатраты на охлаждение ре циркулирующей жидкости. Проведенные эксперименты по регулированию процесса абсорбции на ЭВМ согласно предложенного способа показали, что применение способа позволяет уменьшить дисперсию массовой доли вода в формалине более чем в 2,5 раза и снизить расход хладагента на 15-20 %.

5. Разработанные в результате проведенных исследований алгоритмы

и способы управления технологическими процессами производства формалина приняты к патентованию и использованию Губахинским АООТ "Метафракс". 4

Достоверность материалов, представленных в диссертации, подтверждается удовлетворительным соответствием расчетных данных, полученных с использованием предложенных в работе моделей, результатам экспериментальных исследований и результатам известных аналитических решений для задач данного класса.

Точность проведения лабораторных и промышленных экспериментов

соответствовала нормам технологического регламента производства формалина и. методик лабораторных исследования АООГ "Метафракс", установленных нз основании ГОСТ 1625-89Е: Формалин технический.

Апробадая_работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции "Автоматизация и роботизация в химической промышленности", г.Тамбов, 1988 г.; 3-ей Всесоюзной конференции "Динамика ПАХТ", г.Воронеж, 1990 г.; 8-й Всероссийской конференции "Математические метода в химии", г.Тула, 1993 г.; Российской научно-технической конференции "Автоматизация исследования, проектирования и испытания сложных технических систем", г.Калуга, 1993 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано II печатных работ, получено 2 авторских свидетельства на изобретения. .

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, 7-ми глав, основных результатов работы, списка использованной литературы (102 наименования) и приложений. Основной текст содержит 151 страницу, включая 22 иллюстрации, 19 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ,РАБОТЫ

Во_вв§5енш обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются задачи исследования, раскрываются новизна и практическая ценность работа.

1_П®Е12?_Е5ёМ сделан аналитический', обзор научных работ по проблемам математического моделирования, оптимизации'и управления технологическими процессами в производстве формалина.

Рассматриваются технологические особенности процесса производства формалина, в котором имеются три основные стадии: приготовления' реакционной спиртоводаовоздушной смеси,' каталитического синтеза и абсорбции .формальдегида. Показывается, что технологические процессы в производстве формалина характеризуются непрерывностью, токсичностью сырья, продукта и отходящих газов, пожаро-взрывоопасностью, большим количеством технологических параметров, дрейфом параметров стадии синтеза формальдегида, большим временем прэбывания поглощаемых компонентов в абсорбционных аппаратах.

-е-

Рассматрйваются характерные особенности и область применения двух основных груш математических моделей производства формалина: теоретических физико-химических моделей и эмпирических статистических моделей. Модели первой группы развивались, в основном, в работах'сотрудников Института катализа СО АН РФ, г.Новосибирск: Матроса Ю.Ш., Балясного Л.А., Слинько М.Г. .и сотрудников Университета Висконсина, г.Медасбн (США): Ray W.H., Schwedock M.J.', Windes L.C. Ими разработан ряд моделей, достаточно полно отражающих основные физико-химические закономерности ГП производства формалина и при отсутствии возмущений адекватных описываемым процессам. В работе показывается, что в связи с наличием значительных возмущающих воздействий нэ ТП и вследствие этого существенным увеличением размерности задачи данные модели нецелесообразно использовать в алгоритмах управления, их следует применять для проектирования аппаратов, оптимизации ТП и разработки моделей для цели управления. Модели второй группы разрабатывались в работах Walker J.K., Щерба-ня Г.1. и Шумихина А.Г. Показано, разработанные ими эмпирические . уравнения и регрессионные зависимости в общем случае не отражают физико-химические закономерности ТП так полно, как теоретические физико-химические модели, и адекватны описываемым процессам только в узком диапазоне изменения параметров. В то же время простота и возможность относительно несложной адаптации параметров -эмпирических моделей позволили сделать заключение о возможности их использования непосредственно в адаптивных алгоритмах оптимизации и управления производством формалина.

Рассматриваются особенности различных методов и алгоритмов ■ идентификации параметров объектов управления (ОУ), используемых в алгоритмах оптимизации и управления ТП. Обосновывается применение алгоритмов идентификации на основа рекуррентного метода наименьших квадратов (МНК), в частности алгоритма Качмажа, при.разработке алгоритмов управления производством формалина.

Рассматриваются метода "решения оптимизационных задач, используемых при разработке алгоритмов оптимального управления ТП, и проводится анализ состояния и основных проблем автоматизации и управления ТП в производстве формалина.

• На основе анализа данных литературных источников и основных проблем управления, лроизводством формалина сформулированы задачи

исследсвания, которые включают в себя разработку математических моделей ТП в производстве формалина, получение нз их основе моделей для цели управления ТП, разработку адаптивных алгоритмов оптимального управления ТП, а также разработку соответствующих технических решений по управлению, проверку их работоспособности и эффективности по сравнению с действующей системой управления производством формалина в АООТ "Мэтафракс".

11°Е§3_0§§а посвящена построению и анализу обобщенной булевой модели технологического процесса производства формалина. Схема производства представлена нэ рис.1.

Рис.1. Принципиальная технологическая схема агрегата формалина: I - спиртоиспаритель; 2 - теплообменник; 3 - контактный аппарат; 4 - катализатор; 5 - подкснтактный холодильник; 6,7,8 - абсорберы; 9,10,11 - выносные теплообменники; - метанол; ~ вода на ске~ шение; о3 - воздух; - абсорбционные газы;ь5 - вода на орошение; - готовый формалин; - хладагент.

Для обработки результатов предварительного обследования объекта в режиме нормальной эксплуатации и выработки на его основе заключения о наиболее значимых факторах, аказьсаюших влияние на ход процесса, используется метод построения булевой модели.

Булева модель процесса получения формалина, построенная по исходной матрице зкс1юриментально-статистяческой информации, инее;' вид:

Н(1)=к1Х1(1) -к^дО) ^3X^1) -хи(1> ^к4Х6(0) ЛХ13{1) ^Х, (1Ь лХд(1) -Х10(1) -Х12(0> -Х14(1) -%х,(1> -Х4(1> ~Х5(1> -Х16(0>; (I)

где Х^, Ц=1,4,5,9,10,13,14) - параметры стадии контактирования; Х^,(3=6,12,16) - параметры стадии абсорбции; к1,(1=Т7б) - весовые коэффициенты; Н - выход формальдегида.

Анализ полученной модели показал, что на выход формальдегида--целевую функцию процесса оказывают влияние параметры двух стадий-контактирования и абсорбции, причем решающую роль играет стадия контактирования. В связи с этим делается заключение, чтп при разработке алгоритмов управления по критерию "выход формальдегида" возможно ограничиться параметрами двух указанных стадий.

В_тдотьеа_главв рассмотрены вопросы моделирования узла синтеза формальдегида.

Из анализа методов синтеза моделей контактирования на основании сопоставления критериев точности и простоты моделей делается вывод о целесообразности использования при математическом описании процесса синтеза формальдегиде типовых физико-химических моделей.

В работе для математического описания продасса контактирования используется двухфазная гетерогенная статическая модель неподвижного слоя катализатора, в которой газовый поток в слое следует модели идеального вытеснения, а каждый элемент поверхности катализатора работает как реактор идеального смешения:

сЗХ - -

-^д1 + Ь(У-Х)=0;

(2)

> * = 0;

(IX а

ЭГ + буд < 0 " т > =

Ь(Х-¥)-» = 0;

а2©

-в * 5уд( © - 1 ) + Е < -

3=1

х

при граничных условиях:

й?{0> -1=0: 1(0)=1ВХ; хк -gj— => в (в(0) - Твх); ХФНХ^; У(0)=0.

d0<L)

- \ — = 3 <®<L> - W-

В системе уравнений' (2) обозначено: ш - линейная скорость газового потока; X и У - векторы концентраций веществ соответственно на поверхности зерна катализатора и в потоке; f - вектор скоростей основных реакций; b - коэффициент массоотдачи;а - коэффициент теплопередачи; Т - температура в потоке; © - температура слоя катализатора; Ср - теплоемкость газа; SVJJ - удельная поверхность зернистого слоя; хк.~ коэффициент теплопроводности слоя катализатора; лН^ЗИТЗ) - тепловой эффект j-той реакции; 1 - высота слоя катализатора.

В системе уравнения (2) используются скорости основных про-дуктообразующих реакций, рассчитанные в соответствии с кинетическими уравнениями:

W, = 8,055 * 1014,й» ехр < - 35400/R® ) ■» У| * У1 * Y4 ; (3)

15 15 1'9 0,75

Иг = 1,166 * 1013,1D* ехр ( - 27800/R© ) * Y2 * Y5 ; (4)

,П = 1,75 0,1

W3 = 6,94 » 10U,,D- ехр ( - 22000/R© > * Y2 * Yg , (5)

где R -..универсальная газовая постоянная; концентрации веществ соответственно обозначены: Y^tCHgOHl; Y2=Í023; Y3=ÍH20j; Y4=tСОгj; Y5=tHg]; У6=ГСН20].

Параметрическая идентификация математической модели проведена по экспериментальным данным, полученным на действующем контактном аппарате производства формалина Губэхинского. А001""Метафрзкс", по показателям процесса, рассчитанным с учетом изменения коэффициентов тепло- и массообмена в зависимости от температуры процесса и концентрации компонентов в газовом потоке и на поверхности катализатора, и по известным корреляциям, описанным в литературе. Основные параметры при идентификации, соответствущие условиям на входе в контактный зппзрат, принимают следующие значения: и> = 0,637 м/с;

-10Т = 398 К; © = 473 К; \к = 0,812 Вт/м*К; !э = 19 с"1; а = = 83,5 Вт/м2«-К; Ср = 2092 Дж/кг«К; Y1 = 1,34*10-2 кмолъ/м3; У2 -= 4,82*<103 кмоль/м3; Y3 = 8,Э5*10~3 кмоль/м3; Y4 = О; Y5 = 0; Y6 =

= О.

Проверка адекватности двухфазной гетерогенной модели реальному процессу производилась цутем сравнения результатов моделирова- . кия с экспериментальными данными и результатами, полученными при моделировании процесса на псевдогомогенной модели. Проверка показала, что выбранный гетерогенный тип модели в условиях статического режима более адекватно описывает работу контактного аппарата, а расхождение между выходными концентрациями основных компонентов (метанола, формальдегида, вода), рассчитанными на математической модели (2) и полученными на действующем контактном аппарате, не превысило 5-8 %, что свидетельствует о высокой прогнозирующей способности гетерогенной модели процесса (2) и позволяет использовать еэ для синтеза алгоритмов управления производством формалина.

H§Î5§EΧS_EΧ§§ посвящена построению математической модели для цели управления технологическим процессом получения формальдегида. На ее основе осуществлены постановка задачи оптимизации процесса и разработка алгоритма оптимального управления.

Показано, что критерием экономической эффективности производства является прибыль П, которая достигает мзксимума при максимальном выходе формальдегида R при наличии ряда ограничений. Поэтому за цэ-ль функционирования автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУГП) производства формалина можно принять достижение максимально возможного в конкретных технологических условиях выхода формальдегида:.

Для разработки алгоритма оптимального управления технологическим процессом по критерию R и реализации его в составе АСУТП с учетом анализа математических моделей, используемых в задачах управления, проведенного в глазе I, строится модель ТП получения формальдегида регрессионного тала.

С учетом экспертных оценок и результатов моделирования найден вид зависимости выхода формальдегида от технологических факторов:

R = f, ( X, Д2Д3,Х4 ) = f, ( G^G/Cj^î^-îG/C^ ), (6)

гда , см и сн о ~ расхода кислорода, метанола и вода соответст-2 венно;

- температура газового потока на входе в контактный аппарат.

Для этого с использованием математической модели контактного аппарата (2) по ротэтэбел^ному плану второго порядка Боксэ-Хзнтера проведен вычислительный эксперимент с параметрами: число фзстороз п = 4, число опытов N = 31, число опытов в центре плана Яр =■ 7, величина "звездного" плеча а = ±2. По результатам вычислительного эксперимента получены линейные регрессионные уравнения:

Н = 1,14 - 16.26Х, -1,538*10"3Х2 - 4,64*10"4Х3 - 1,718*10""2Х4, (?)

(относительная ошибка аппроксимации б - 0,64Ж);

*> =-0,404 + 2б,8Х1 + 2,447*10~3Х2 + 5.268>*1 (Г 4Х3 + 5,62*10~2Х4,(8)

(й = 6,39%);

Т*-' = 316 + 180ЭХ1 + 13,79X2 + 0,2013Х3 + 7,414Х4,(6 = О.бЭЯЫЭ)

где р - соотношение СНдОН/СН^О в прореагировавших газах. Параметры полученных регрессионных уравнения при использовании их в системе управления процессом получения формальдегида корректируются по мер© поступления информации о значениях технологических параметров и результативных показателей (Я и р).

Сформулирована задача оптимизации ТП получения формальдегида по критерию Н. Для нахождения максимума функции й в области ее определения исследуется поверхность отклика Н = Н(Х) методом линейного программирования с наложением ограничений на ? и Тк'а :

й = И(Х) иах

о - *эад = О;

со2ор1: ^м^н^орг; ^орг'^м^о^орг

(Ю)

' ' Для случая модели (7)-(9) получено:

^ = Ш^-П; Х2(-1);.,Х3(-1); Х4<-»)> = 0,864, (II)

где индекс (-1) соответствует минимально допустимому нормированному значению факторов.

Для решения задачи (10) в реальном времени строится цикличес-

кий алгоритм управления ТП получения формальдегида, который включает в себя: 1)решение на основе модели (7)-(9) задачи (10); 2)реализацию на действующем агрегате формалина управления при заданной нагрузке Св = const; 3)расчет реального выхода формальдегида по данньм газового анализа; 4)коррекцию коэффициентов модели (7)-(9); расчет нового зцачения управления G^P1".

Проверка алгоритма на ЭВМ с использованием модели (2) подтвердила его работоспособность.

В пятой главе впервые исследуется и находит практическое применение эффект влияния распределенной по высоте контактного слоя подачи воздуха на показатели процесса синтеза формальдегида.

Для предварительной оценки реакции системы контактирования на подачу дополнительного количества воздуха проводится моделирование • процесса контактирования с использованием математичссной модели (2). Входные параметры и коэффициенты модели принимались равными рассчитанным в главе 3. Моделировался ввод в слой катализатора на высоте 4-7*10~2 м в радиальном направлении дополнительного потока воздуха Сдоп с расходом 0 %, 5 10 % от расхода основного (аксиального) потока воздуха GD.

Результаты вычислительного эксперимента свидетельствует, что подача в аппарат синтеза формальдегида дополнительного количества воздуха при прочих равных условиях позволяет увеличить общую конверсию и выход формальдегида на 3-5 % при сохранении селективности основной реакции образования формальдегида.

Для экспериментальной проверки результатов моделирования в Центральной заводской лаборатории АООТ "Метафракс" проведена серия опытов на лабораторной установке, основные узлы которой соответствуют технологической схеме производства формалина. Установка была дополнена оригинальным авторским узлом подачи воздуха, распределенного по высоте м сечению слоя катализатора. Показатели процесса контактирования рассчитывались по результатам анализа абгазов по методике Уокера. Воспроизводимость результатов эксперимента и расчетных показателей процэсса подтверждается-параллельными опытами: по 3 опыта в каждой точке ввода дополнительного воздуха. Результаты эксшрдаента-подтвердили результаты моделирования, свидетельствующие об увел1$чении выхода формальдегида на 3-5 % при сохранении селективности в случае подачи дополнительного воздуха в количества

б £ доп 0,1СВ; Тк'.а" > ПШ1 ~ 0; opt орг

тк.а. _ —' Сяоп= <С«оп/СВ> • (12)

а._ тК»а. ^ шах ~ 0; . -

-1310 % от основного воздуха на уровне 2/3 высоты слоя от места ввода реакционной смеси.

Совпадение результатов вычислительного и лабораторного экспериментов, при воспроизводимости последнего, подтвердило ранее «деланный вывод, что используемая модель адекватна исследуемому процессу, а полученные закономерности для серебряного катализэтора не зависят от масштаба аппарата и могут быть использованы для совершенствования промышленных процессов синтеза формальдегида.

Для учета обнаруженного эффекта при упрзвленш процессом синтеза формальдегида сформулирована задача оптимизации:

Н = й (X) -» шах х1,х2

Используемая в задаче математическая модель, прздставляющая собой систему регрессионных уравнений, получена по результатам вычислительного эксперимента на модели контактного аппарата (2), реализованного по ротатабэльному плану второго порядка с параметрами: число факторов п = 2 <Х1=Сдоп;Хг=Сдоп/Св>;число опытов N = 13; число опытов в цзнтре плана Ы0 = 5; величина "звездного плеча" а = = 1,412. Для случая значений входных параметров и коэффициентов модели контактного аппарата, приведенных в главе 3, были получены уравнения:

Я = 0,648 + 4.49Х, - 180Х2, (& = 3,44Ж); (13)

1к'а'= 945 - 0,1768Х1 + 0,7807X2, (5 = 0.27Ж). _ (14)

Решение задачи линейного программирования (12) для модели • (13),(14) дало значение выхода формальдегида:

И = Ш^+П; Х^-П) = 0,912. (15)

Для решения оптимизационной задачи (12) разработай способ адаптивного управления процессом. Циклический алгоритм способа включает в себя: решение задачи (12);-реализацию на действующем агрегате управления при нагрузке Св, соответствующей заданной в задаче (12); расчет по результатам анализа готового формалина и измеренным значениям расходов метанола и воздуха выхода формальде-

гвдз, коррекцию кооффициантов модели (13),(14); расчет нового значения управления

Предложенный способ позволяет увеличить выход формальдегида на 3-5 %, снизить температуру процесса на 20-30 К, увеличить пробег катализатора.

Шестая глава посвящена разработке, исследованию и технической реализации адаптивного способа управления составом формалина.

В основу способа положена подученная экспериментальным путем регрессионная модель, связывающая соотношение формальдегид/метанол в готовом формалине с температурой контактного аппарата:

У = а0 + а^, (16)

где 1 - температура контактного аппарата; У - соотношение концентраций формальдегида и метанола в продукте; а0 и а^ - коэффициенты.

Для использования уравнения (16) в системе управления ТП производства формалина коэффициенты уравнения корректируются по мере поступления информации о значениях технологических параметров и показателей качества готового продукта в соответствии с выраженями:

УСп] - ТР*-ад

ап[п) = ап[п-1] + -^- , (17)

и / и 2 +■ ) '

ХЕШ - уэая

а, ш] = а,£п»1 3 + -^- » Т£п-13 , (18)

1 1 2 + ГЧп-11

где п - номер такта управления; ТСп-1) - значение температуры контактного аппарата, реализованное на [п-1 ] такте управления; У£п] -значение соотношения концентраций формальдегида и метанола в формалине, реализованное на £п) такте управления; у°ая - заданное значение соотношения концентраций формальдегида и метанола в формалине.

На основе уравнений (16)-(18) разработан циклический алгоритм управления составом формалина, включающий в себя: измерение концентраций формальдегида Сф и метанола См на линии готового форма-ина; расчет их текущего соотношения У(п2 = сф/сн: коррекцию коэффициентов а0Еп] и а^п]; расчет управления - температуры контакт-

ного аппарата по формуле X[п) = (Узад-а01п])/в1СпЗ; реализацию Пп] в контактном аппарате. Никл управления повторяется до тех пор, пока текущее соотношение концентраций формальдегида и метанола в продукте У1пЗ не станет равным заданному Узая (с заданной точностью).

Опытно-промышленная эксплуатация предложенного алгоритма в заводских условиях показала, что его применение позволяет уменьшить дисперсию соотношения концентраций формальдегида и метанола в формалине, при этом технологический процесс можно вести вблизи нижней границы допустимого диапазона концентраций метанола в формалине {например, поддерживать 6 % из диапазона 5-11 %), что приводит к снижению удельного расхода метанола на 2-3 %.

В_седьмой_глзве оуществляется разработка алгоритма управления процессом многоступенчатой абсорбции формальдегида.

Для математического описания процесса многоступенчатой неизотермической абсорбции формальдегида используется модель насадочной абсорбционной колонны с рециркуляцией жидкой фазы через выносной теплообменник:'

йТ

С ( Сг + ах + а^х, + вг2х2 ) -д| + 1Ц( Т -©) + (>- + г,х

Р - Р_

+ г2х2 ) Ь 1п ^ _ ? = 0;

I + V <'*1 - > + V у2 - 4 > гг + кг< 1 - в > + '

_ , Дг .

+ хь 1п р _ р - СаСГ < 1 - & )

сйс.

(ЗХд

р - р_

¿¡Г

ЙУр

61

р

р -рж

р - И,

г

р - р.

ж

и - |>„

р гг -р. тз

> х2 - 0; ) х* = О; ) х2 - 0;

<19 >

при начальных и граничных условиях:

у,(0) = у1вх; у2(0) = у2вх; КО) = Твх; х,(г) = (1-К)х,вх +йх,(0); хг<2> = (1-Н> х2вх + Их2(0); в(2> = (1-Н) ©вх > Нвт .

В системе уравнений (19) обозначено: С - расход газов; Сг - теплоемкость газов; Сж - теплоемкость жидкой фазы; а - коэффициент сопряжения; г1 и г2 - теплоты сорбции формальдегида и метанола в воде; х, и х2 - мольные доли формальдегида и метанола в жидкой фазе; х* и х2 - равновесные мольные доли компонентов в жидкой фазе; у] и у2 - мольные доли формальдегида и метанола в газовой фазе; у* и у2 - равновесные мольные доли компонентов в газовой фазе; Т - температура газа; © - температура жидкости; I - расход жидкости на орошение; г - высота насадки; 1Ц - объемный коэффициент теплопередачи; - теплота конденсации паров вода; Ь - коэффициент массоотда-чи вода; Р - давление в абсорбере; Рг и Ря - парциальные давления ларов воды в газе и у поверхности жидкости соответственно; К^ и Ку2 - объемные коэффициенты массоотдачи формальдегида и метанола соответственно; й - кратность циркуляции жидкости; &г - температура рециркулиругацвй жидкости после теплообменника.

При моделировании процесса абсорбции формальдегида принято, что структура моделей всех ступеней абсорбции идентична и представлена системой уравнения (19).

Параметрическая идентификация математической модели проведена на основе экспериментальных данных, полученных на действующем аг-'регате формалина, рассчитанных показателей процесса и известных корреляций, описанных в литературе. Основные параметры при идентификации имели следующие значения: С = 7,26 кг/с; Т = 413 К; г = • = 2 м; Р = 1,425*105 Па; I = 18 кг/с; ©т= 293 К; Сж=

. = 4,18*103 Дк/кт*К; Р. = 11251 Пз; х = 2,2584*106 Дк/кг; х? = * * '

= 0,109-моль/моль; х2 = 0,529 моль/моль; у1 = 0,112 моль/моль; у2 = 0,031 моль/моль; Сг = 1,49*103 Дк/кг*К; Ь. = 0,149 м/с; ?г= ' = 53536,-26 Па; Ц. = 8526,8 Вт/м*К; Ку1 = 40,33 кг/м»с; = 39,61 кг/м*с; г, = 1,448*105 Дк/кг; г2 = 6,47*103 Дк/кг; на входе у, = 0,1726, у2 = 0,374; на выходе у1 = 0,000834, у2 = 0,000.17, X, = 0,277, Х2 = 0,0374. ••

Проверка адекватности модели (19) проводилась путем сравнения результатов моделирования с данными эксплуатации промышленного аг-

регата формалина. Проверка показала, что модель по целевому компоненту. - формальдегиду адекватна.исследуемому процессу.

На основе результатов моделирования процесса с использованием методов планирования и вычислительного эксперимента ищется модель стадии абсорбции для цели управления в виде зависимостей содержания воды в готовом формалине 11 и содержания углеродсо'держащих компонентов (СН30Н,СН20) в отходящих абгазах У2 от технологических параметров процесса:

У, = 0,595 + 6,353*10~3Х, + 1 ,04*10~4Х2 - 1,046*10"4Х3 -- 2,324*10"3Х4, (6 = 0,07?); (20)

У2 = 4,785*10~2 - 3,216*10"^ - 1,083*10""^ -' - 1 ,42»10"4Х3 + 1,193»10_4Х4, (6 = 1,032); ' ' (21)

где X,, Х2, Х3 - температуры жидкой фазы в абсорберах первой, второй и третьей ступени соответственно; Х4 - нагрузка стадии абсорб-:хт по контактному газу.

Сформулирована задача оптимизации стадии абсорбции по критерию "суммарный расход хладагента в теплообменники абсорберов":

О, = 0, + С!2 + 03 = (Х1 ,Х2,Х3,Х4) — шш

Х1Х2Х3

= 12(Х1,Хг,Х3,Х4) < Уг,зд: Х4 = Х4 : = Т1,оп

х^ > 1х, з = Т73 } - Х?РЧ Х°РЧ

уг

(22)

где , 02, а3, От. — расходы хладагента в теплообменники первой, второй, третьей ступени абсорбции и суммарный, соответственно; ?х - температура хладагента; индексы "зд","орГ" и "изм" соответствуют заданному, оптимальному и измеренному значениям параметров.

Результаты обследования действующего производства показали, что б пределах регламентных значений переменных процэссз зависимости в (22) суммарного расхода охлаждающей вода и суммы массовых долей формальдегида и метанола в отходящих збгазах от температур жидкой фазы б абсорберах и от нагрузки по газу могут быть аппроксимированы линейными формами вада:

Яе = Д • *о = 1 • <23>

= |0 асА ' *0 = 1 • (24>

где а^, (3=Т74) - коэффициенты.

Для решения задачи (22) в темпе с технологическим процессом строится циклический алгоритм оптимального управления стадией абсорбции по критерию включающий в себя: измерение Х4; решение методом линейного программирования задачи (¿2); реализацию на действующем агрегате формалина управлений Х^Р£(0=ТГЗ); измерение и расчет суммы массовых долей формальдегида и метанола в отходящих абгазах суммарного расхода хладагента (X.; коррекцию коэффициентов модели для цэли управления; измерение Х4 и т.д.

Анализ результатов моделирования процесса управления стадией многоступенчатой абсорбции по предложенному алгоритму показал, что дисперсия массовой доли воды в формалине по сравнению с данными эксплуатации промышленного агрегата уменьшается более чем в 2,Б раза, расход хладагента на стадию абсорбции уменьшается на 15-20 % при обеспечении заданной степени очистки абгазов от СН20 и СН30Н.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ и ВЫВОДЫ

1. Разработана методология построения алгоритмов управления для автоматизированных систем контроля и-управления производством формалина, основанная на математическом моделировании технологических процессов.

2. Проведена структурная и параметрическая идентификация математической модели двухфазной гетерогенной каталитической системы применительно к процессу синтеза формальдегида окислительным дегидрированием метанола на серебряном катализаторе, проведен сравнительный анализ результатов моделирования. Показано, что выбранный гетерогенный тип модели в условиях статического режима наилучшим образом имитирует работу контактного аппарата.

3. Получена линейная регрессионная модель ТП производства формалина для цели оптимизации и управления. Разработан алгоритм управления ТП получения формалина по критерию "выход формальдегида".

4. Впервые изучен процесс управления узлом контактирования при

распределенной по высоте'подаче воздуха в слой катализатора. Показано, что при подаче дополнительного количества воздуха выход Формальдегида можно увеличить на 3-5 % при неизменной селективности х>рз?ов-зния фору альдегида.

Получена регрессионная модель управления контактным аппаратом. Разработаны злгоритм и способ управления процессом синтеза Формальдегида. Показано,'что применение предложенного способа позволяет на типовом промышленном згрегэте получать формалин с заданными показателями качества в широком диапазоне концентраций первых компонентов.

5. Исследован процесс управления составом формалина. Разработаны алгоритм и способ управления процессом получения формалина.- Показано, что применение предложенного способа управления позволяет существенно уменьшить дисперсию соотношения концентраций формаль- , дегида и метанола в формалине и снизить удельный расход метанола на 2-3 %.

6. Проведена структурная и параметрическая идентификация математической модели двухфазной абсорбционной системы применительно к процессу неизотермической абсорбции формальдегида водой. Получены модели для цели управления технологическим процессом многоступен-той^ абсорбции по критериям "содержание воды в продукте" и "суммарное содержание формальдегида и метанола в отходящих абгазах". Разработан алгоритм оптимального управления процессом абсорбции.

■ Разработан способ управления процессом многоступенчатой абсорбции; обеспечивающий заданные степень абсорбции формальдегида и метанола водой., содержание вода в продукте и снижающий расход хладагента в теплообменники абсорберов. Показано,что применение способа позволяет уменьшить дисперсию массовой доли воды в формалине более чем в 2,5 раза и снизить расход хладзгента на 15-20 %.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Шумихин -А.Г., Мустафин А.И., Кондратов С:Н. Обучающийся алгоритм распознавания и прогнозирования качества продуктов химических производств//2-я Всесоюзц.конф."Автоматизация и роботизация в химической промышленности":Тез.докл.- Тамбов, 1988.- С.194-195.

2. Кондратов' С.Н., Шумихин А.Г. Программа КСН построения булевых моделей массивов экспериментально-статистической информации.-Пермь:

-20-

ШТИ.ИЛ.Ы106-90.- 1990.-'2с. . • '

3: Шумихин А.Г., Кондратов С.Н. Адаптивный способ управления качеством товарного формалина и его техническая реализация на промышленном агрегате/Деп.в ОНИИТЭХим, Черкассы, 1990,Н369-хп90.-12с.

4. Шумихин А.Г., Кондратов С.Н. Автоматический анализ состава технического формалина.-Пермь:ДНТИ.ИЛ.N96-91.- 1991.-2с.

5. Кондрашов С.Н., Шумихин Air., Меренков Б.Г., и др. Исследование влияния распределенной по высоте и сечению контактного слоя подачи воздуха на процесс синтеза формальдегида на серебряном катэдизато-ре/Деп.в ОРШТЭХим, Черкассы, 1991, К318-хп91.- 19с.

6. A.C.I6699II, СССР, МКИ CQ7C47/04, G05D27/00. Способ'управления процессом получения формалина/Шумихин А.Г., Кондрашов- С.Н., Мзйер В.В. (СССР).- 6с.

7. Кондрашов С.Н., Шумихин А.Г. Моделирование, оптимизация и адаптивное управление технологическими процессами в производстве фор-калина/Деп.в ФНШЭХим, Черкассы, 1992, N99-xn92.- 26с.

8. А.с.1807050 СССР, МКИ С07С47/04, G05D27/00. Способ управления процессом синтеза формальдегида/Меренков В.Г., Шумихин А.Г., Кондратов С.Н. и др.(СССР).- 4с. ,

9. Кондрашов С.Н., Плехов В.Г. Программа для расчета процесса неизотермической абсорбции.- Пермь: ШТИ.ИЛ.Ж6-93.- 1993.- 2с.

10. Шумихин-А.Г., Кондрашов С.Н., Плехов В.Г. Применение методов кластеризации для анализа параметрической чувствительности критерия управления химико-технологической системы//8-я'Всерос.конф. "Математические методы в химии": Тез.докл.- Тула, 1993.- С.84.

11. Кондрашов С.Н., Шумихин А.Г. Имитационное моделирование при анализе и совершенствовании каталитических процессов органического синтеза//8-я Всерос.конф."Математические методы в химии":Тез.докл. - Тула, 1993.- С.85.

12. Кондратов С.Н., Шумихин А.Г. Применение методов моделирования при исследовании и проектировании сложных автоматизированных технологических систем//1осс.научно-техн.крнф."Автоматизация исследования, проектирования и испытания сложных технических систем": Тез.докл.- Кэлуга, 1993.- С.46.

13. Шумихин А.Т., Кондрашов С.Н. Способы и алгоритмы управления

технологическими процессами в производстве формалина/Деп.в

ФНЖГЭХим, Черкассы, 1993, Ж01-хп93.- 15с.

Сдано в печать 27.9.94. Формат 60x84/15.

___Тираж ЮС. Заказ 1293. Объем 1,25 п.л.

Ротапринт Пермского государственного технического университета

Введение

1.Аналитический обзор научных работ по проблемам математического моделирования, оптимизации и управления технологическими процессами в производстве формалина

IЛ.Технологические особенности процесса производства формалина

1.2.Математическое моделирование агрегатов формалина

1.3.Анализ методов и алгоритмов идентификации параметров объектов управления

1.4.Метода решения оптимизационных задач

1.5.Анализ состояния и основных проблем автоматизации управления технологическими процессами в производстве формалина

1.6.Основные вывода и постановка задач исследования

2.Построение и анализ модели ТП производства формалина

3.Моделирование узла синтеза формальдегида

3.1.Математическое описание сложной каталитической системы

3.2. Гетерогенная модель процесса контактирования

3.3.Алгоритм математического моделирования процесса контактирования

3.4.Параметризация математической модели статики контактного аппарата

3.5.Пример расчета параметров процесса контактирования

3.6.Сравнительный анализ результатов моделирования

4.Разработка алгоритма оптимального управления ТП получения формальдегида

4.1.Планирование, постановка и результаты вычислительного эксперимента

4.2.Задача оптимизации ТП получения формалина

4.3.Алгоритм оптимального управления ТП получения формальдегида

5.Разработка алгоритма управления узлом контактирования производства формалина подачей дополнителного количества воздуха

5.1.Исследование влияния распределенной по высоте и сечению контактного слоя подачи воздуха на процесс синтеза формальдегида

5.2.Построение модели контактного аппарата для цели управления путем подачи дополнительного количества воздуха

5.3.Способ управления процессом контактирования подачей дополнительного количества воздуха в слой катализатора

6.Адаптивное управление составом формалина .;. 6.1.Разработка и исследование адаптивного способа управления составом формалина.

6.2.Техническая реализация способа управления составом формалина на промышленном агрегате

7.Разработка алгоритма управления процессом многоступенчатой абсорбции формальдегида

7.1.Математическое моделирование процесса абсорбции формальдегида

7.2.Параметризация математической модели процесса абсорбции

7.3.Пример расчета параметров процесса абсорбции.

7.4.Алгоритм управления и оптимизации процесса абсорбции.

7.5.Способ управления процессом многоступенчатой абсорбции

Основные результаты работы

Среди производимых в Российской Федерации продуктов основного органического синтеза одно из ведущих мест как по объему производства, так и по количеству промышленных агрегатов занимает формалин - 37%-ный водный раствор формальдегида.

Технологические процессы (ТП) производства формалина характеризуются непрерывностью, токсичностью сырья, продукта и отходящих абсорбционных газов, пожаровзрывоопасностью, большим количеством взаимосвязанных входных и выходных параметров, дрейфом параметров стадии синтеза формальдегида, большим временем пребывания поглощаемых компонентов в абсорбционных аппаратах. Основной режим работы агрегатов по производству формалина - статический. В этих условиях для обеспечения производительности, требуемого качества продукта, сокращения сырьевых и энергетических затрат и повышения экологической безопасности производства значительно возрастают требования к системам автоматического контроля и управления отдельными стадиями и производством в целом.

Существующие системы автоматизации управления производством формалина представляют собой совокупности несвязанных локальных систем автоматического регулирования (САР) отдельных технологических параметров и вследствие этого не позволяют эффективно решать во взаимосвязи перечисленные задачи.

Для создания высокоэффективных систем управления производством формалина необходимо всестороннее и тщательное исследование технологических процессов с применением методов активного эксперимента, выявление физико-химических закономерностей процессов и разработка на их основе алгоритмов оптимизации и управления. Реше ние этих задач при небольших объемах дорогостоящих эксперименталь ных исследований становится возможным при использовании методов математического моделирования как технологических процессов,так и алгоритмов управления.

Таким образом, актуальность темы диссертации определяется существованием проблемы совершенствования технологических процессов в производстве формалина и возможностью ее решения.

Работа выполнена в соответствии с проектами:

1."Создать методы исследований расчета и управления нестационарных технологических процессов, разработать алгоритмы систем автоматизации исследований, проектирования и управления" научно-технической программы Минвуза РСФСР "Химия и химическая технология" (1989-92 гг.), N Г.Р.01890033070.

2.Н 25 "Построение математических моделей нестационарных процессов химической технологии, исследование их свойств самоорганизации и возможности создания режимов с "обострением" научно-технической программы "Математическое моделирование в научных и технических системах" (1989-91гг.), приказ №Ю5 от 26.10.89 Государственного комитета СССР по народному образованию.

3."Разработка теоретических основ моделирования, оптимизации и управления нестационарных технологических процессов, автоматизация исследований, проектирования и управления в химической и смежных отраслях промышленности" научно-технической программы Государственного комитета РФ по высшему образованию "Химия и химическая технология" (1993-95гг.), И Г.Р.01940000951.

4.ММ8.Ю "Построение математических моделей нестационарных процессов химической технологии" научно-технической программы "Университеты России" (1992-94гт.), приказ N43 от 13.03.92 Министерства науки, высшей школы и технической политики РСФСР.

5§^дассертащдннойработы

1.Разработать математические модели ТП в производстве формалина.

2.На основе полученных математических моделей ТП разработать модели управления ТП.

3.С использованием моделей управления ТП разработать адаптивные алгоритмы и методы оптимального управления ТП. Для создания автоматизированной системы управления производством формалина в Губахинском АООТ "Метафракс" разработать соответствующие технические решения, проверить их работоспособность и эффективность по сравнению с действующей системой управления.

На25§эяндвизнаработы

1.Разработана методология построения алгоритмов управления для автоматизированных систем контроля и управления производством формалина, основанная на математическом моделировании технологических процессов.

2.Проведена структурная и параметрическая идентификация математической модели двухфазной гетерогенной каталитической системы применительно к процессу синтеза формальдегида окислительным дегидрированием метанола на серебряном катализаторе и математической модели двухфазной абсорбционной системы применительно к процессу неизотермической абсорбции формальдегида водой.

3.Для цели управления разработаны математические модели, позволяющие прогнозировать соотношение концентраций формальдегида и метанола в готовом формалине, состав контактных газов, содержание вода в готовом формалине, суммарное содержание формальдегида и метанола в абсорбционных газах, суммарный расход хладагента на стадию абсорбции в зависимости от значений параметров технологического процесса, используемые в алгоритмах управления производством.

4.Изучен процесс управления узлом контактирования при распределенной по высоте подаче воздуха в слой катализатора. Получены зависимости общей конверсии, полезной конверсии и селективности процесса образования формальдегида от расхода дополнительного потока воздуха и высоты его ввода в слой катализатора. Предложен алгоритм адаптивного управления.

5.Исследован процесс управления составом готового формалина. Предложен алгоритм адаптивного управления.

6.Изучен процесс управления стадией многоступенчатой неизотермической абсорбции формальдегида при ограничениях на составы отходящих абгазов и готового формалина, стабилизирующий состав продукта и оптимизирующий расход хладагента для осуществления процесса. Предложен алгоритм адаптивного управления.

7.Методом вычислительного эксперимента исследована сходимость процессов адаптации моделей и управления.

Практ^ескаяцешостьработы

1.Разработано программное обеспечение (ПО) для исследования химико - технологических процессов в производстве формалина методами математического моделирования.

2.Разработаны алгоритм и способ управления процессом синтеза формальдегида подачей дополнительного количества воздуха в слой катализатора. Проверка предложенного способа на лабораторной установке показала, что применение способа позволяет получать формалин с заданными показателями качества в широком диапазоне без изменения селективности образования формальдегида. При этом увеличение выхода формальдегида составляет до 5 %.

3. Разработаны алгоритм и способ управления процессом получения формалина по критерию "состав готового продукта". Проверка предложенного способа на промышленном агрегате показала, что применение способа позволяет снизить удельный расход метанола на 2-3 %.

4.Разработаны алгоритм и способ управления процессом многоступенчатой неизотермической абсорбции, обеспечивающий заданные степень абсорбции формальдегида и метанола, содержание вода в продукте и снижающий расход хладагента на стадию абсорбции. Проведенные эксперименты по регулированию процесса абсорбции на ЭВМ согласно предложенного способа показали, что применение способа позволяет уменьшить дисперсию- массовой доли воды в формалине более чем в 2,5 раза и снизить расход хладагента на 15-20 %.

5.Разработанные в результате проведенных исследований алгоритмы и способы управления технологическими процессами производства формалина приняты к патентованию и использованию Губахинским АООТ "Метафракс".

I. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР НАУЧНЫХ РАБОТ ПО ПРОБЛЕМАМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ, ОПТИМИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ ФОРМАЛИНА

1.1. Технологические особенности процесса производства формалина

Основной производственный метод получения формалина во всем мире уже много лет - каталитическое окисление метанола кислородом воздуха с получением формальдегида и дальнейшей его абсорбцией до формалина. Процесс протекает на металлических, в настоящее время (в основном) серебряных катализаторах. Собственно образование формальдегида осуществляется в результате протекания параллельных реакций простого и окислительного дегидрирования метанола

СН30Н—> С^О + Н2 - 93,4 Кда/моль; (1.1)

СН30Н + 1/2 02 —> СН20 + Н^О + 147,4 Кда/моль. (1.2)

Наряду с этими реакциями в системе протекает целый комплекс побочных превращений. Суммарный тепловой эффект всех реакций положителен и в условиях технологического процесса составляет 90-110 Кда/моль [1-61.

В промышленном процессе получения формалина обычно выделяют три основные стадии [7]:

- приготовление спиртоводновоздушной реакционной смеси;

- каталитический синтез;

- абсорбция формальдегида.

Формалин после абсорбции может подвергаться ректификации с целью уменьшения содержания в нем метанола и увеличения содержания формальдегида .

Принципиальная схема агрегата формалина [81 приведена на рис.1.1.

В спиртоиспаритель I поступает смесь метанола и воды где она испаряется при температуре 338-360 К. После спиртоиспари-теля спиртоводная смесь смешивается с воздухом ^ и» нагретая в теплообменнике 2 до температуры 383-413 К, в виде спиртоводновоз-душной смеси С3 поступает в контактный аппарат 3, где на катализаторе 4 при температуре 923-1023 К происходит синтез формальдегида. Контактные газы С^, охладившись в подконтактном холодильнике 5 до температуры 393-413 К, поступают на стадию абсорбции. Газы 'С^, С5, С6 последовательно проходят абсорберы 6, 7, 8 и отводятся на факел С7. Абсорберы орошаются слабым формалином бедным формалином конденсатом Ь5 и ^циркулирующей жидкостью 16, Ьд. Рециркули-рующая жидкость охлаждается в выносных теплообменниках 9, 10, II хладгентом Ьд, Ь10, Готовый 37 %-ный формалин отводится в товарный парк. Процесс ведется под небольшим избыточным давлением с:

1,65*10 Па по непрерывной технологии. Основной режим работы агрегата - статический.

К особенностям процесса производства формалина относятся:

I.Токсичность сырья, продукта и отходящих абсорбционных газов [9]. Метанол и формалин являются сильнодействующими ядами. Доза 30 - 50 г, принятая внутрь, смертельна. Предельно-допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны производственных помещений (по о формальдегиду) - 0,5 мг/м . Содержание в отходящих абгазах фор ф

С. з 5 6 V V 7

0?

ГЛ.

ОТ

Рис.1.1. Принципиальная схема агрегата формалина: I - спиртоиспаригель; 2 - теплообменник; 3 - контактный аппарат; 4 - катализатор; 5 - подконтактный холодильник; 6, 7, 8 - абсорберы; 9, 10, II - выносные теплообменники. мальдегида должно составлять не более 0,5 г/м , метанола - не гз более 5 г/м .

2.Пожаровзрывоопасность. Температура самовоспламенения метанола 709 К, пределы взрываемости 7-73 % об. Для предотвращения образования пожаровзрывоопасной смеси воздух - метанол на входе в контактный аппарат поступающий на агрегат метанол смешивают с водой в пропорции 70:30.

3.Регулирование ведущего параметра процесса синтеза формальдегида - температуры контактного аппарата изменением параметров стадии приготовления реакционной смеси [101. В частности, при снижении выхода формальдегида температуру контактного аппарата повышают. Для этого уменьшают температуру метанольно-водной шихты в спиртоиспарителе, что вызывает уменьшение концентрации метанола в реакционной смеси. При неизменной подаче воздуха это ведет к ослаблению реакции дегидрирования (I.I) и повышению температуры контактного аппарата.

4.Многоступенчатая неизотермическая абсорбция формальдегида и метанола водой и слабым формалином. Процесс характеризуется высоким коэффициентом рецикла жидкой фазы (R = 10 - 30) и большим временем пребывания поглощаемых компонентов в аппаратах (т < ю часов) [II3.

5.Нестационарность характеристик процесса синтеза формальдегида вследствие снижения активности катализатора, что приводит к уменьшению массовой доли формальдегида в продукте. Снижение активности катализатора компенсируют повышением температуры контактного аппарата до 983 К, в случае невозможности получения при данной температуре кондиционного продукта катализатор подвергают регенерации.

Таким образом, технологические процессы производства формалина характеризуются непрерывностью, токсичностью сырья, продукта и отходящих абгазов, пожаровзрывоопасностью, большим количеством технологических параметров, дрейфом параметров стадии синтеза формальдегида, большим временем пребывания поглощаемых компонентов в абсорбционных аппаратах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана методология построения алгоритмов оптимизации и управления для автоматизированных систем контроля и управления непрерывными технологическими процессами в производстве формалина.

2. Изучено влияние основных технологических параметров на процесс получения формалина. Показано, что на выход формальдегида целевую функцию процесса оказывают влияние параметры двух стадий -контактирования и абсорбции.

3. Разработана гетерогенная математическая модель процесса контактирования, определены коэффициенты ММ статики контактного аппарата и параметры процесса, проведен сравнительный анализ результатов моделирования. Показано, что выбранный гетерогенный тип модели в условиях статического режима наилучшим образом имитирует работу контактного аппарата.

4. Получена линейная регрессионная модель ТП производства формалина для цели оптимизации и управления. Разработан алгоритм оптимального управления ТП получения формалина по критерию "выход формальдегида".

5. Впервые изучен процесс управления узлом контактирования при подаче дополнительного количества воздуха в слой катализатора. Показано, что при подаче дополнительного количества воздуха выход формальдегида можно увеличить на 3 - 5 % при неизменной селективности образования формальдегида.

Получена регрессионная модель управления контактным аппаратом Разработан способ управления процессом синтеза формальдегида (авторское свидетельство СССР N 1807050). Показано, что применение предложенного способа позволяет на типовом промышленном агрегате получать формалин с заданными показателями качества в широком-диапазоне концентраций целевых компонентов.

6. Изучен процесс адаптивного управления составом формалина. Разработан способ и система управления процессом получения формалина (авторское свидетельство СССР N 1669911; заявка на изобретение N 4769648, положительное решение на выдэчу патента). Показано, что применение предложенного способа управления позволяет существенно уменьшить дисперсию соотношения концентраций формальдегида и метанола в формалине и снизить удельный расход метанола на 2 - 3 %.

7. Разработана ММ процесса многоступенчатой неизотермической абсорбции, определены коэффициенты ММ и параметры процесса. Получены модели ТП МА по критериям "содержание вода в продукте" и "суммарное содержание формальдегида и метанола в отходящих абга-зах". С использованием полученных моделей разработан алгоритм оптимального управления процессом МА, минимизирующий энергозатраты на рециркуляцию и охлаждение жидкой фазы.

Разработан способ управления процессом МА, обеспечивающий заданные степень абсорбции формальдегида и метанола водой, содержание воды в готовом продукте и снижающий энергозатраты на охлаждение рециркулирующей жидкости. Показано, что применение предложенного способа управления процессом МА позволяет уменьшить дисперсию массовой дож вода в формалине более чем в 2,5 раза и снизить расход хладагента на 15 - 20 % .

1. Петрик В.Н., Кудрина Н.В., Иваненко Г.И., Образцов А.Е. Влияние параметров синтеза на окислительное дегидрирование метанола в формальдегид на серебряном катализаторе//Журн. прикл. химии. 1981, Вып.II, С.2589.

2. Лопатина Л.И., Васильева Л.М. Перспективы производства и потребления формалина и пентаэритрита в СССР//Исследование и разработка новых технологических процессов и материалов: Сб.научн.тр. Черкассы, ОНИИТЭХим, 1989.

3. Яковенко З.И., Павликов Р.З., Потапов В.П., Зыкова H.A., Букреев С.Д., Лукешкин В.П., Паныпина В.А. Способ получения фор-мальдегида//А.с.947158(СССР). Бюл.N28-1982.

4. Огородников С.К. Формальдегид.- Л.:Химия, 1984.- 279с.

5. Бращайко A.A., Дуран И.В. Безотходная технология производства формалина//Гидролиз.и лесохим.пром-сть.- 1988.- N1.- С.7-8.

6. Eur.ehem.news.- 1986.12.08, Т.47, N1254.- P.27.

7. Лендер Ю.В. Производство метанола и формалина.- Киев: Техника, 1972.- С.87.

8. Справочник нефтехимика/Под. ред.С.К.Огородникова.- Л.: Химия, 1978.- Т2.

9. Zagroienia zdrowotne wynikajace z narazenia na formaldehyd /Wasiela Tomasz, Majka Gerzy//Bezpiech.pr.- 1989.- N12.- C.5-8,14.

10. Технологический регламент производства формалина. N9. Губаха, ПО "Метанол". 1981.- 89с.

11. Кафаров В.В. и др. Математическое моделирование процесса неизотермической абсорбции формальдегида в насадочных колоннах с-143рециклом.- М. :Хим.пром., 1970.- N3.- С.212-215.

12. Баранова О.В. О существовании периодического решения одной линеаризованной задачи химического катализа//Нелинейные колебания и теория управления: Сб.научн.тр./Ижевск: Удмуртский гос. ун-т, 1982.- С.19-30.

13. Валко П., Матрос Ю.Ш. Об одном искусственно создаваемом нестационарном процессе в гетерогенном каталитическом рзеакторе.-В кн.Динамич.режимы в химии и хим.технологии. Новосибирск, Ин-т катализа СО АН СССР, 1979.- С.83-90.

14. Mathematische modellurieng chemischer reaktoren-entuick-lung und einbindung neuertechnologien/Matros Yuri Shaevich//Augew Chem.- 1990.- 102.N11. С.1274-1285.

15. Кафаров В.В., Черепанов А.И., Шумихин А.Г. Оптимизация химико-технологических систем с учетом самоорганизации//ДАН СССР. 1983, Т.269, С.II36-II38.

16. Балясный Л.А., Слинько М.Г., Матрос Ю.Ш. Хим.пром., N3, 27, 1968.

17. Клепов О.П., Матрос Ю.Ш., Лахмостов B.C. Теор.основы хим технологии, Т.17, 3, 337, 1983.

18. Canavas С. Estimation of-the dynamic behaviour of a fixed-bed reactor through filteringZ/Dyn.and Сontr.Chem.React.and Distill. Columns.: Selec.Pap.IFAC Symp. .Bournemouth. 8-10 Dec.1986 Oxford ect.- 1988.- P.273-278.

19. Матрос Ю.Ш., Чумакова H.A. Докл.АН СССР, Т.250, 6, 1421,1980.

20. Schwedock M.J., Windes L.C., Ray W.H. Steady state and dynamic modelling of a packed bed reactor for the partial oxidation of methanol to formaldehyde.2.Experimental resalts compared with model prediction//Chem.Ing.Commun.- 1989.- Vol.78.- P.45-71.

21. Windes L.C., Schwedock M.J., Ray W.H. Steady state and dynamic modelling of a packed bed reactor for the partial oxidation of methanol to formaldehyde. 1 .Model development//Chem.Ing. Commun.- 1989.- Vol.78.- P.1-43.

22. Барласов Б.З., Белкин-Л.А., Пин Л.М. Расчет параметров настройки системы автоматического регулирования процесса спирто-испарения. Хим.пром., I965, N5, С.366-368.

23. Кафаров В.В., Глебов М.Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств.- М.: Высшая школа, 1991.- 400с.

24. Матрос Ю.Ш. Нестационарные процессы в каталитических реакторах: Новосибирск: Наука. Сиб.отд., 1982.

25. Walker J.К. Formaldehyde.3d ed.New York-London,Reinhold Corp., 1964; Уокер Дж. Формальдегид: Пер.со 2-го изд.- М.: Госхим издат, 1957.- 608с.

26. Щербань Г.Т. Определение выхода формальдегида и технологических потерь метанола в производстве формалина.- М.: Хим.пром. 1966.- N8.- С.585-587.

27. Саломыков В.И. и др. Автоматический контроль состава вых лопных газов производства формалина//Хим.пром., 1968.- N9.1. С.667-668.

28. Шумихин А.Г., Чарная Е.Б. Оптимальное управление техноло гическим процессом производства формалина/Депонир.в ОНЖГЭХим, Черкассы.- N820 ХП89.- 15с.

29. Аведьян Э.Д., Цыпкин Я.З. Обобщенный алгоритм Качмажа/ Автоматика и телемеханика, 1979.- N1.- С.72-78.

30. Кафаров В.В., Мешалкин В.П., Блохина Т.К. Быстродействую ший адаптивный алгоритм помехоустойчивой параметрической идентифи кации линейных объектов химической технологии/Докл.АН CCGP, 1990. Т.310.- N5.- С.II78-II84.

31. Автоматическое управление в химической промышленности. Под ред.Е.Г. Дудникова.- М.: Химия, 1987.- С.296-300.

32. Изерман Р. Цифровые системы управления.- M., 1981.- 91с.

33. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления.- М., 1975.- 683с.

34. Блохина Т.К. Адаптивные алгоритмы оптимального помехоза-щищенного управления установками каталитического крекинга на базе микропроцессорной техники/Дисс.к.т.н., МХТИ, 1989,- с.38.

35. Kaczmazz S. Angenäherte Auflosung von Systemen Linearer Cleichungen.Bull.Acad.Polon.Sciences et Letters.Ser.A, pp.355-357 1937.

36. Райбман H.С., Чадеев В.M. Построение моделей процессов производства.- М.: Энергия, 1975.- 376с.

37. Пушкин Я.З. Основы информационной теории идентификации. М.: Наука, 1984.- 320с.

38. Автоматизированные системы управления технологическими процессами (справочник). Под ред. Б.Б.Тимофеева.- К.: Техника,1983.- 351с.

39. Евтушенко Ю.Г. Метода решения экстремальных задач и их применение в системах оптимизации.- М.: Наука, 1982.- 432с.

40. Бертсекас Д. Условная оптимизация и методы множителей Лагранжа.- М.: Радио и связь, 1987.- 399с.

41. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация.- М.: Мир, 1985.- 509с.

42. Ганипольский С.Л., Казаков A.B. Оптимальное управление процессом биосинтеза лизина.- M., 1987.- Деп.в ЦБ НТИ Минмедбио-прома.- N29 МП87.- 36с.

43. ФеДоренко Р.П. Приближенное решение задач оптимального управления.- М.: Наука, 1978.- 488с.

44. Хофер Э., Лундерштед Т. Численные методы оптимизации.- M.: Машиностроение, 1981.- 192с.

45. Черноусько Ф.Л., Баничук Н.В. Вариационные задачи механи ки и управления.- М.: Наука, 1973.- 238с.

46. Моисеев H.H. 'Численные методы в теории оптимальных систем .- M.: Наука, 1971.- 424с.

47. Моисеев H.H., Иванилов Ю.П., Столяров Е.М. Методы оптими зации.- М.: Наука, 1978.- 352с.

48. Гурман В.И., Батурина В.А., Расина И.В. Приближенные методы оптимального управления.- Иркутск: Изд-во Иркутск.ун-та, 1983.- 178с.

49. Кротов В.Ф., Фельдман И.Н. Итерационный метод решения задач оптимального управления.- M.: Изв.АН СССР.Техн.кибернетика, 1983.2.- С.160-168.

50. ГОСТ I625-89E (CT СЭВ 2337-80). Формалин технический.1. М.: 1990.- I2c.

51. Отчет о НИР. Разработка системы автоматического управления стадии синтеза формальдегида производства формалина.

52. N Г.Р. 76014653.- Новочеркасский ПИ,- Новочеркасск, 1978.- 34с.

53. Нейдорф P.A. и др. А.с.767082(COOP>, 1980. БИ N36.

54. Нейдорф P.A. и др. А.с.730697(СССР), 1980. БИ N16.

55. Андреев A.A. и др. А.с.804627(СССР), 1981. БИ N6.

56. Ухабин М.М. и др. А.с.1606506(СССР), 1990. БИ N42.

57. Northeimer E.S. Пат.3959383(США); С.А., 1976, v.85.N19. 142641.

58. Kiser G.W., Hendrick B.G. Пат.4076754(США); С.А., 1978, v.88.152034.

59. Петрик В.Н. и др.- ЖПХ, 1982, т.54, N11, с.2589-2592.

60. Должанский В.А. и др. А.с.1278349 AI(СССР), 1986. БИ N47.

61. Таваст Р., Яаксоо Ю. Оптимальное управление процессом производства формальдегида из метанола. I и 2 ч.- Таллин: Изв.АН ЭССР, серия физ.-мат.и техн.наук, N3, 1965.

62. Шигин Е.К., Щербань Г.Т. О критерии оптимальности управления производством формалина.- М.: Хим.пром., 1967.- N7.- С.14-20.

63. Кондратов С.Н., Шумихин А.Г. Программа КСН построения булевых моделей массивов экспериментально-статистической информации. Пермь: ИЩИ. ИЛ N 106-90. 1990.- 2с.

64. Шумихин А.Г., Кондратов С.Н., Плехов В.Г. Применение методов кластеризации для анализа параметрической чувствительности критерия одной химико-технологической системы.- Тез.докл.8-й Все-рос.конф."Мат.метода в химии". Тула, 1993.- С.84.

65. Кутепов A.M., Бондарева Т.И., Берентгартен М.Г. Общая химическая технология.- M.: Высшая школа, 1990.- с.21.

66. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии. Основы стратегии.- М.: Наука, 1976.1. С.100-107.

67. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Кольцова Э.М. Системный анализ процессов химической технологии. Энтропийный и вариационный метода неравновесной термодинамики в задачах химической технологии.- М.: Наука, 1988.- 367с.

68. Бесков B.C., Флокк В. Моделирование каталитических процессов и реакторов.- М.: Химия, 1991.- 256с.

69. Windes L.C. Ph.D.Dissertation, Univ.of Wisconsin.Madison,1986.

70. Machiels C.I. Catalysis Under Transient Conditions-ACS Symp. Ser.178. 238-251. 1982.

71. Отчет о НИР N 6-74. Разработка оптимальных условий получения формалина под избыточным давлением. НФ Охтинского НПО "Пластполимер",1974.

72. Кондратов С.Н., Шумихин А.Г. Моделирование, оптимизация и адаптивное управление технологическими процессами в производстве формалина/Деп.в фил.НИИТЭХим, Черкассы.- N99 ХП92.- 26с.

73. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков A.A. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.- Л.: Химия,1987.- 576с.

74. Киреев В.А. Метода практических расчетов в термодинамике химических реакций.- М.: Химия, 1975.- 536с.

75. Перри Дж. Справочник инженера-химика. T.I.- М.: Химия, 1969.- 640с.

76. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Метода оптимизации эксперимента в химической технологии.- М.: Высшая школа, 1985.- 328с.

77. Шумихин А.Г., Кондратов G.H. Способы и алгоритмы управления технологическими процессами в производстве формалина/Деп. в ФНИИТЭХим, Черкассы, 1993, N101,- ХП93.- 15с.

78. Фомин В.Н., Фрадков А.Л., Якубович В.А. Адаптивное управление динамическими объектами.- Н.: Наука, 1981.- 448с.

79. Иосимунз К. Пат.24065, 1961(Япония); РЖХим, 1961, 22Л24.

80. Aicher А.е.а. Пат.2322757(ФРГ); РЖХим, 1975, I4P46.

81. Gerloff U.е.а. Пат.1294360(ФРГ); РЖХим, 1970, 20Н37.

82. Wolf Б.е.а. Пат.2334981(ФРГ); С.А., 1975, V.82, N19, 124764.

83. Кондратов С.Н., Шумихин А.Г., Меренков В.Г. и др. Исследование влияния распределенной по высоте и сечению контактного слоя подачи воздуха на процесс синтеза формальдегида на серебряном катализаторе/Деп.в фил.НЙИТЭХим, Черкассы. N313 ХП91.- 19с.

84. Кондратов С.Н., Шумихин А.Г. Имитационное моделирование при анализе и совершенствовании каталитических процессов органического синтеза.- Тез.докл.8-й Всеросс.конф. "Математические методы в химии".- Тула, 1993.- с.85.

85. Меренков В.Г., Шумихин А.Г., Кондратов С.Н. и др. Способ управления процессом синтеза формальдегида. А.с.СССР N1807050,1993.- БИ N 13.

86. Шумихин А.Г., Кондратов С.Н., Майер В.В. Способ управления процессом получения формалина.- А.с.СССР N6699II, 1991.1. БИ N30.

87. Шумихин А.Г., Кондратов С.Н. Исследование сходимости процессов адаптации и управления в автоматизированной системе управления качеством формалина//27-я научн.-техн.конф. ПермПИ по результатам НИР: Тез.докл.- Пермь, 1991.- С.107.

88. Шумихин А.Г., Кондратов С.Н., Меренков В.Г. и др. Способ автоматического управления процессом получения формалина.Заявка на изобретение N4769648/26 (150240), положительное решение.

89. Шумихин А.Г., Кондратов С.Н. Адаптивный способ управления качеством товарного формалина и его техническая реализация на промышленном агрегате/Деп.в ОНИИТЭХим, Черкассы. N369 ХП90.- 12с.

90. Аганин И.Х., Ковалев В.Г.- Система автоматического контроля и управления производством формалина.- СевереДонецк: ОКБА, 1967.- 20с.

91. Определение формальдегида с получением производного после хроматографического разделения/SetolmcJii 0., Matuzawa S., Yamamoto Т. et.al.Z/Бунсэки кагаку.- 1988.- Vol.37', N12.-3.637-641.

92. Шумихин А.Г., Кондратов С.Н. Автоматический анализ состава технического формалина.- Пермь: ЦНТИ. ИЛ N96-91.- 1991.- 2с.

93. Стыскин Е.Л., Гурвич Я.А. Определение формальдегида в воднометанольных растворах методом газовой хроматографии//Хим. пром.- 1972.- N5.- С.352.

94. Кучеренко Г.К., Потапова М.Н., Нечипоренко В.П. Хромато-графическое определение формальдегида в водных и спиртовых раст-ворах/Научн.техн.реф.сб. Сер.методы анал. и контроля качества про дукции/НИИТЭХим.- 1990.- N1.- С.6-7.

95. Регулирующие микропроцессорные контроллеры. Ремиконты PII0, PII2, PI20, PI22. Отраслевой каталог Минприбор СССР. Вып.6, 7, 8, 9 М., 1987.- 120с. •

96. Рамм В.М. Абсорбция газов.- М.: Химия, 1976.- 656с.

97. Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки: Справочник/Рабинович Г.Г., Рябых n.M., Хохряков П.А., и др.; Под ред.Е.Н.Судакова.- М.: Химия, 1979.- 568с.

98. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/Борисов Г.С. и др. Под ред.Дытнерского Ю.И.- М.: Химия, 1991.- 496с.

99. Кондратов С.Н., Плехов В.Г. Программа для расчета процесса неизотермической абсорбции с рециклом жидкой фазы.- Пермь: ЦНТИ. ИЛ N16-93.- 1993.- 2с.

100. Рудин М.Г. Карманный справочник нефтепереработчика.- Л. Химия, 1989.- С.258.