автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Система управления ректификационной колонной в процессе получения перекиси водорода изопропиловым методом

прБ ОД

¡••■г: >.

На правах рукописи

ДЕРЯБИН ИГОРЬ ВЛАДИМИРОВИЧ

сшт управления ;;

ршшкАвдсшсй колсшж •;

В ПРОЦЕССЕ П0ЛУЧШ1Я ПЕРШИСИ ВОДОРОДА ИЗСПРШИЛОШМ МЕТОДОМ

05.I3.C7 - Автоматизация технологических процессов . и ароизводств {прошшленность) •

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой от«лещ. кандидата технических наук - '

' С&нкт-Петербург - 199В;.-;

работа выполнена вСанкт - Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете).

"Т^орший - руководитель : доктор технических наук,

•¿^г:.;йрофессор Владимир Васильевич Сотников.

НцучиЙ^кон^льтайт : 'кандидат технических наук, , , ;

доцент Анатолий АлександровичЕгоров..

Сфщвальнйе оппоненты : доктор "технических паук;: •

" 1 профессор Владислав Алексеевич Холодков,

.">..-'..>-; кавдвдат технических наук, -••■-■ с.н.о.Владиолав Алексеевич Лавров.

Ведудае . предцриятие. : Саню-Петербургский государственный 'йхнический унивёрсягет растительных полимеров. ;

.Защита диссертации состоится "26" ъюнл 1996 г. . :" ъ /Г чаб. на заседании диссертационного совета- • ' ! Д 063^25. II. в: С&шяЧ1етербургском: государственном . ; . теззолопгтеском институте : 198013, г.Санкт-Петербург, ^сюзвйой пр;'," д.й6 (^д.61).

!0^ввсертацией "можно ознакомиться в библиотеке ••'

института. ■ " 'Л'"*.'*""*' ■ „'' ...............

;;Отзыва на автореферат в одноМ экземпляре, заверенные печатью, просим .направлять по адресу : • 198013, г.Ошкт-Петербург, Московский пр., д.26, ■ ОЦЖ Ученый Совет, '

/ разослан "20" и/а Л 1996 г.

; Умений секретарь диссертационного совета ; ■■> ' к.т.н., доцент /'уЬ^ ■..' В.И.Хатамон

ОВЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В общем развитии промышленности . страны одно из первых мест го темпам роста принадлежит хя-' мической промышленности и химическим методам производства.

Пероксид (перекись) водорода является одним из важ-' нейшх продуктов химической промышленности. Масштабы его применения необычайно широки - от медицины до металлургии, , сельского хозяйства и охраны окружающей среда. Пероксид водорода находит также широкое применение в косметике* в-фармацевтической, пищевой, строительных отраслях промышленности, используется в космической технике, в подводных и подземных работах и т.д.

- Для увеличения объемов производства перекиси, водорода в настоящее время развернуты работы по проектированию крупнотоннажного производства получения перекиси водорода изопропиловым методом, технологическая схема которого включает три главных стадии : стадию окислении спирта и две стадии ректификации разделения реакционной смеси; на первой из них происходит выделение пероксида водорода в виде его водяного раствора (может содержать от 27.5 до 50% н202) , и отделяется смесь образовавшегося ацетона с избыточным спиртом; на второй - ведется разделение этой смеси на отдельные компоненты. Объектом исследования в диссертационной работе является тарельчатая ректификационш-я колонна, в которой исходная смесь, поступающая и реактор! окисленш', разделяется на органическую (ацетон, изопропи-' лоеый спирт) и неорганическую , (водяной раствор перекиси водорода) составляющие. Эффективность ректификационной установки зависит от качества выходного, продукта - концентрации перекиси водорода в кубовом остатке,'которая определяется распределением температур по тарелкам (температурным профилем колонны). - •

В этих условиях актуальной задачей является разработка автоматизированной системы управления жгификацион-ной. колонной процесса получения перекиси водорода, которая обеспечивает требуемое качество регулирования „рсновных технологических параметров процесса. .: - - "

- 4 -

Основной целью диссертации является разработка типовой подсистемы стабилизации температурного профиля рек-^Тификационной колонны I. структуре автоматизированной системы управления производства перекиси водорода изопропило-вым методом, обеспечивающая выход водного раствора переки-гси водорода заданной концентрации.

. -Для достижения поставленной цели были решены следующие 'задачи :

.проведен анализ особенностей процесса; выявлены возможете внешние возмущения, осуществлен выбор канала управления и, в целом ректификационная колонна рассмотрена как объект управления;

- разработана математическая модель ректификационной колоши, позволяюгм рассчитывать ее температурный профиль;

- проведен расчет коэффициентов активности, учитывающий невдеальность исходной смеси и повышающий адекватность математической модели;

- разработана типовая подсистема стабилизации температурного профиля ректификационной колонны в структуре автоматизированной системы управления производства перекиси, водорода изопропиловнм методом, обеспечивающая оптимальное разделение исходной смеси. . .

Л- ' ' Методы исследования. При решении указанных задач использовались метода математического моделирования в химической технологии, методика аналитического конструирования оггшштышх регуляторов (АКОР).

Новш научные •результат», выносимые па защиту :

1. Расчет коэффициентов активности компонентов исходной смеси (ацетон, изопропиловый спирт, перекись водорода, вода) на основании использования литературных и эксперимент талъвиж данных о ее физико-химических свойствах.

2. Математическая модель статики процесса многокомпонентной ректификации в тарельчатой колонне в процессе получения перекиси водорода изопмвд. щым методом на основании учета физико-химических ^ и технологических особенностей щмцкоса.

3. Подсистема стабилизации заданного температурного щюфи-

- 5 -

ля колонии в структуре автоматизированной ск ;темц управления производства перекиси водорода изопропиловым методом, обеспечивающая оптимальное разделение исходной смеси.

Практическая ценность.

- получена значения коэффициентов активности для компонентов исходной смеси, позволяющие точнее описать равновесие в системе, что повышает адекватность математической модели;

- использование разработатшой подсистемы стабилизации заданного температурного профиля колонии в структуре автоматизированной системы управления производства перекиси водорода изопропиловим методом позволяет стоить пожаро-, взрывоопасность и повысить качество выходного продукта, а следовательно, снизить его себестоимость.

Реализации работы. Разработанная система управления ректификационной колонной использована при проектировании

строящегося производства перекиси водорода (пое.Морозова) Ленинградской области и модификации существующей АСУ Ш на Чебоксарском ПО "Химпром", что подтверждается соответствующим актом о внедрении.

Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались на международной конференции "Математические метода в химии и химической технологии" в 1995 году г Твери и на научно - техническом семинаре "Моделирувание производстве-дах процессов химической технологии" РХО. им. Д. М. Менделеева в 1994 году и обсуждались на постоянно действующих научно - технических семинарах кафедры систем автоматизированного проектирования и управления - (САПРиУ) Санкт - Петербургского технологического института.

Публикации. По теме диссертации опубликовано две

статьи.

Огруктура и объем •работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, описка, литературы и приложений. Работа изложена на 144 страницах основного текста, содержит 14 рисунков, 4 таблицы, и библиографический список из 98 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дается общая характеристика исследуемых ¿задач, обосновывается актуальность темы, формулируется цель исследования, а также приводится краткое изложение .работы. . .

Б иетшом разделе рассматриваются г.ромышлешюе значение перекиси водорода, способы ее получения, методы математического ; описания процесса и способы управления процессом; ректификационная колоша рассматривается как объект управления.

• Перспективы более широкого использования перекиси водорода в промышленных целях следует связиватт о эе применением в синтезе органических и неорганических веществ. :• Сфера- ис лользования перекиси водорода чрезвычайно широка и включает в себя : получение органических гидроперекисей и перекисей, как полупродуктов для других производств органического синтеза; использование их в качестве инициаторов отвержения эпоксидных смол; получение пербора-. та натрия, пероксигиграта мочевины и пероксидикарбонатов, которые используются при производстве моющих и отбеливаю-¡цих средств; применение перекиси при проявлении кубовых - и сернистых красителей при печатании и крашении тканей; консервирование пищевых продуктов; косметическая. промышленность; медицина; производство газобетона; химический анализ;-' военная промышленность и т.д.

':. . Тйким образом, даже краткий перечень существующих и потенциальных возможностей применения перекиси водорода говорит о большом промышленном значении этого продукта и. его . прогрессивном " влиянии на развитие различных отраслей . прожшленнооти.- Существуют триооноьных метода получения перекиси водорода:

,1.: Электрохимический (окисление серной кислоты). 2..Антрахинонный (каталитическое восстановление и окисле- • .' ше алкклантрахинонов).

3. йооцропиловый (жидкофазное окисление изоцропилсвого мц^га).

Проанализировав существующие '.-оды получения- перекиси водорода, можно сделать вывод, что лучшими экономическими плсазателями (удельные капитальные затраты, себестоимость, производительность труда, приведенные затраты) обладает

- 7 -

изопропиловцй метод производства, основании* на жидкофазном окислении изопропилового спирта молекулярным кислородом. Его технологическими преимуществами являются простая технологическая схема, высокопроизводительная аппаратура, безотходно с?ь схемы и т.д.

С появлением ЭВМ основное внимание уделяется методам Льюиса - Мачеоона и Тиле - Гедцеса. Основное различие между ними заключается в выборе независимых переменных : в методе Льюиса - Мачесона в качестве независимых переменных принимаются концентрации компонентов разделяемой смеси, а в методе 'Гиле - Гедцеса - температуры на ступенях разделения колоша. В конце 80-ых начале 90-ых годов появились проз j-аммные комплексы ChemCAD HI, разработанной Chems.tation Inc., IIYSXW (разработчик Hyprotech ltd (Канада)), f:?o ||, aspen plus (разработчик Aspen Technology Inc.), которые позволяют производить операции по проектированию или анализу процесса многокомпонентной ректификации. Но введу большой стоимос-ч этих программных продуктов (например, aspen plus вместе с модулями поддержки стоит 70000 $ за одну программную копию) применение их в данной работе неэкономично.- Математическим аспектам управления в этих программных продуктах уделяется мало внимания. Анализ существующих методов расчета процесса многокомпонентной ректификации показал, что наилучшим для поставленной задачи является метод Лыоиса - Матисона с -в -методой сходимости.

Управление ректификационной колонной в производстве перекиси водорода представляет соСой достаточно слож.!ую задачу из-за высокой пожаровзрывоопасности процесса, в виду большого количества взаимосвязанных переменных, а также веледстви' значительной емкости и инерционности аппарата.

Системы регулирования процессом ректификации, нашедшие применение в промышленности, весьма многочисленны и разнообразны вследствие большого'числа параметров, влияющих на этот процесс, сложности и недостаточной изученности объекта регулирования (ректификационной колонны в процессе получения перекиси водорода изопропиловнм методом) и их можно разделить на три группы : схемы стабилизации процесса по отклонению регулируемых величии, комбинированные схгчй стабилизации и системы оптимального управления. Рассмотренные' схемы управления имеют существенные недостатки : '. V - неэкономичное расходование - тепла, недостаточная г степень разделения, трудность автоматической перенастройки системы

на новый режим работы при изменении условий работы - для схем стабилизации по отклонению;

- отсутствие стабилизации флегмового числа - для комбиниро-' ванных схем стабилизации; . "

г, отсутствие стабилизации входного потока в колонну - для , систем оптимального управления;

.-''системы управления ректификационными колоннами для многокомпонентных смесей (МКС) малоизучены.

Анализ существующих способов управления ректификационными колоннами, показал, что наиболее целесообразно приме-, нтгь , комбинированные метода, сочетающие два принципа управления :по возмущению и по отклонению.

, • . Рассмотрение ректификационной колонны как объекта уп-. равления показало, что т.к. производство перекиси водорода изопропиловым метидом является потенциально пожаровзрывоо-пасным процессом химической технологии, то поэтому колебания температур на тарелках не должны превышать 1'С.

Во втором разделе проводится разработка математической модели ректификационной колонны в процессе получения перекиси водорода изопропиловым методом. Недостаток существующих методов расчета ректификационных колонн для многокомпонентных смесей заключается в том, что при явном использовании уравнений материального баланса тепловой баланс учитывается косвенно путем учета имеюпщхся зависимостей пароЖид-востного равновесия от состава, т.е. принимается допущение о постоянстве мольных расходов пара и жидкости в каждой из частей колонны. Расчет многокомпонентной ректификации с определением действительных расходов фаз в колонке применяют редаэ. ввиду отсутствия в большинстве случаей данных для достаточно; точного расчета энтальпий. Совместный учет уравнений-материальною и теплового балансов приводит из-за недостаточного объема сведений (особенно для МКС) к неустойчивым в плаке сходимости вычислительным процессам.

- ' Для достижения поставленной цели, в качестве которой выступает построение системы управления, достаточно включить в математическую модель ректификационной колонны следующие элементы : уравнения тепловых и материальных балансов для каядозх) компонента, зависимости, характеризующие парожид-костное равновесие.

Разрабатываемая математическая модель ректификационной коло^: основана на. замене реалыадх тарелок теоретическими ступенями разделения, что позволяет вести расчет колонны

- 9 —

без учета гидродинамической обстановки на тг елках. Т.к. расчет процесса основывается на модели расчета ректи-' фикациогшой колонны, состоящей из определенного числа теоретических ступеней, то систему уравнений, .характеризующую, процесс многокомпонентной ректификации, можно представить в виде :

Р=Р+№ (I)

Р*Хр^=Р*Хр1Ь (2)'

0д=Р*(й+1)*{х//-1Л); (3)

ОК=ОД+Р*1Р+И*1УУ-К*1|:; , (4)'

=1Лл +Р*ХрЛ • П>Г (5)

; ' .. 'х (6)

С„_4 =ЬГ1*ХП>1. п<={' (8)"

О)

-й,,^*!,,^ „(ю)

14

х* =(*;/* ' (II) ,

• •»л.. - -. . . - 1' '

гг=<А1/Ц*РР^ ) -где ' (12)

(I),(2)-уравнения материального баланса Для всей колонны; (3),{4)-уравнения теплового баланса дум воей. колонны; .

( 5)-(7)-уравнения материального; и теплового'"" баланса' для .

верхней части колонны; ~ • ;

(8)-(Ю) - уравнения материального и теплового баланса для ' ' нижней части колонны; > '•' ' г"-

(II),(12) - уравнения межфазного переноса.

í',W - дистиллят и кубоЕЫй остаток;

г - питание колонны;

G и l - мольный рас ход пара и жидкости;

í-и i - энтальпия пара и жидкости;

Т и х - состав naja и жидкости;

рр - парциальные давления паров компонентов;

R - флешовое число;

~ коэффициент относительной летучести; у - коэффициент активности. Индексы :

к - кипятильник; д - дефлегматор {конденсатор); Р,н - дистиллят и кубовый остаток; г - номер тарелки питания; п - номер тарелки колонны.

Решение системы уравнений (I) - (12), позволяющее определить температурный профиль колонны, возможно разными методами. Ниже рассмотрен один из методов расчета - "от ¿•тарелки к тарелке" (метод льюиса-Матисона). По этому мёто-'•;ду составы дистиллята и кубового остатка ищут итерационным. / путем. Задаваясь в качестве начального приближения концентрациями в дастилляте для всех компонентов, находят •состав кубового остатка из уравнений (2). Далее путем поо-" череджнх» использования уравнений (II) и (8) определяют последовательно составы фаз на выходе со всех ступеней исчерпывающей части колонны. После этого, исходя из предпо-' латаемого состава дистиллята, с цомощъю уравнений (II) и (5) Последовательно,- начиная с последней ступени, находят составы фаз, выходящих со всех ступеней укрепляющей части ¿оолоннн, вплоть до ступени питания. Алгоритм расчета тем-, пературного профиля ректификационной колонны приведен на рис. I. В результате такого расчета получают два варианта состава пара, выходящего с тарелки питания : один состав получают при расчете "снизу", от первой ступени, второй -при расчете "сверху", от последней ступени. Из сопоставления этих составов можно судить о близости концентраций в дистилляте, используемых в данной итерации, тем концентрациям, которые являются решением системы уравнений (I) -(12/. Расхождения в кощйн'г.й.:!;' ;х фаз на тарелке питания, полученных при расчете "сетпу" и "сверху", позволяют оценить поправки, которые требуется ввести в состав дистиллята для следующей итерации.

Исходные данные : г, Хр 1 , н, РР, N1, г, р

Пйррое ири0лгсзд;пио для хР(_

_............ i

асчет

Расчет х. . .

V/, и

X • —* I

П=1

д,

г 1-^7 ¡----->

Кет

И

Расчет ХП4, п=п+1

п- =ТП

1)

Расчет

г—£—,Да

п=Ш?(—-

Нот _)

п= п-1

Новое приближение

Да-т

для х^д

Конец|

'-----' Гйи. Т. Алгоритм расчет;}

темт» [о.т,урно "грофшм кодеппп;

- 12 -

Наиболее существенной частью этого - метода расчета является способ определения новых концентраций в. дистилляте для кавдой последующей итерации. В качестве метода сходимости был взят так называемый "» - метод". Новый состав дистиллята определяют цутем сопоставления составов пара на тарелке питания, то в соответствии с этим методом концентрации в дистилляте для (о'+1)-й итерации находят из уравнений :

„ -:-

' : Р»<1+е*---г->

где I и у - концентрации компонентов в паре, выходящем со ступени питания, подученные соответственно при расчете "снизу" и "сверху". Параметр е подбирают так, чтобы , оумма концентраций, в дистилляте равнялась единице. Повторяя расчет до тех пор, пока сумма расхождений концентраций компонентов в паре на тарелке питания, полученных при расчете , "снизу" и ."сверху", не станет меньше 0.0001, получим окон, чательные ооставы дистиллята я кубового остатка и температурный профиль колонны.

, . Научная новизна заключается в том, что построена' математическая модель ректификационной колонны в процессе

■ получения, перекиси водорода изопропиловым методом, в кото-

■ рой учтены материальный и тепловой балансы, а также прове: дсн расчет коэффициентов активности..

; . В третьем разделе проводится расчет ' коэффициен-; ; тов активности, позволяющий повысить адекватность матема--тической модели и учитывающий цеидеальность исходной смеси. ■ .■•..-.-.•

Как показано выше, при разделении реакционных смесей, полученных окислением изопроштлового спирта, имемт, дело с системой» главными составными частями которой являются изоцропиловый спирт, вода, ацетон, нероксвд водорода.: Равновесие^ в бинарных системах, включающих изопропилоЕый спирт, воду.и ацетон, можно охарактеризовать, пользуясь" нексторцш литературными данными, .из которых следует, что ич^оматриваемые системы отличаются 'значительным отклонена-

' - 13 - •

ем от закона Рауля. О степени отклонения от идеальности можно судить по коэффициентам активности, рассчитанным по равновесным данным.

О системах, в которые в качестве компонентов входят пероксида водорода и органические вещества, в литературе данные отсутствуют. Это, по-видимому, следует объяснить нестабильностью пероксида водорода и его окисляющим действием на органические вещества (в течение опыта по установлению равновесия), что приводит к искажению, результатов. Приведенные в литературе данные по равновесию в системе вода - пероксид водорода указывает на заметное отрицательное отклонение от идеальности в этой системе.

Поэтоку раньше рекомендовалось смеси, включающие перекись водорода, принимать идеальными. В данной работе принято, что исходная смесь - неидеальная, а бинарные смеси, включающие перекись водорода - идеальные, что позволяет повысить адекватность предложенной математической модели статики процесса. Этот расчет проведен в таком объеме впервые и может быть рекомендован в качестве типового для ,смесей типа :• ацетон, изопропиловый опирт, вода, перекись водорода. : •

Хдя ра( 1ета коэффициентов активности используются уравнения Вильсона, Цубоки - Катаяда - Вильсона, шгтъ, тшоилс, Маргулеса и Ван Лаара. Системы, в состав которых входят спирты с малой молекулярной массой, лучше всего описываются уравнением Вильсона, однако, если число атомов углерода превышает три,' преимущество этого менее ощутимо.

На основании вышеизложенного было выбрано уравнение Вильсона, к достоинствам которого можно отнести и большую простоту. Уравнение. Вильсона-для смеси из Л компонентов будет выглядеть следующим образом .:

ха*Л*1

А*+*1*А,1+*ч*Лц " х1*Лг|+ха+х1*А21+х«

- 14 -

Расчет коэффициентов активности -по методу Вильсона состоит из сле,пующих этапов :

а) ввод данных для расчета (мольные доли компонентов в жидкой фазе, данные по равновесию для каждой пары компо-

. центов);

б) расчет матрицы AAA (n*n); если номер строки совпадает с номером столбца, то элемент матрицы равен I. Исходная смесь разбивается на бинарные, и для кавдого компонента бинарной смеси записывается уравнение Вильсона, которые решаются методом Ньютона-Рафсона. Уравнения Вильсона бу^ут выглядеть следующим образом :

£=ln ?i+ln( x't+A*x,) -х *(а/(х1 +А*х2 ) -В/( В*х4 +хг)) =0, ¿-luyi+ln( B*xi+хг) +x *(A/(x1 +A*xt)-B/(В*xt +xt)) =0. Начиная с первого приближения ао-Во=0.5, находим Ао и во, удовлетворяющие записанным выше уравнениям. AAA(i,j)=AO; AAA(j,i)=Bo;

в) расчет коэффициентов активности по заданному составу жидкой фазы.: ¿

ln(gamma [к])=1.-ln(Gl)-G2, где Gl= ZTx[ j]*AAA[lc][j]. ¿X[i]*AAA[i][k]

±x[j]*AAA[lKj] 1=1,2.....b; j=I,2,. ... b; lc=I,2, ... ъ.

. giurra - вектор коэффициентов активности; X - вектор состава жидкой фазы; ' Gl.cZ - вололГохательные переменные.

В четвертом разделе приведены результаты построения* подсистемы стабилизации рассчитанного температурного профиля ректификационной колонны в структуре автоматизированной системы управления производства перекиси водорода изопрен-иловым методом'.

Управление ректификационной' колонной в процессе получения-перекиси .водорода изопропиловым методом предполагает следующее : цри меняющихся составе и расходе питания колоти необходимо обеспечить определение значений режим; ннх параметров процесса (при которых достигается его наибольшая эффективность и выполняются технологические требования к качеству целевых продуктов, причем состав и расход шггншш являются выходом стадии окисления) и стабилизацию. i',iiii\iirnjx\i режима. Рассмотрим .чадачу управления ректифика-

- 15 -

шюнной колонной более подробно.

Назначением ганного пропеоеа является получение перекиси водорода, и в р-мл критерия здесь выступает качеств? выходного пт-сп:"гта хл! г-кзихажной оеб-етспмоотп.

цеоое получек пегег.п;т 1гес:с-;:шловым метод:;.'

может снть представлена в виде двух ооотавляюЕЖ ; во--первых, расчет ;* з алголе) ^ябсчего т^еяша я, эс-втсркх, его стабилизация. Первая подзадача связана о. поиске м онтлуглз -еых статических ре:кслов процесса и по существу состоит э определении оптимальной гемпературы для качщсй ступени разделения - тегйнегатурного црофпля колонны, который позволяет достигнуть заданного качества целевого продукта. ■ Алгоритм н&холщбйж зюгс 1сМ11ера.1^"рного профиля описан в глазе- 2. В ходе рехекпя это" подзадачи огранпченяш: лвля-втсл диапазон}! изменения температур ка тарелках колонны,

Вторая подзадача управления ректификационной колонной состоит в обеспечения качественной стабилизации най-.денного оптимального статического режима.процесса, который задан распределением температур по ступеням разделения колонна.

■" •• Ка ооювании опыта прошгиенной экоалуатадш ректи- ; фквгиЕСНннх колени к качеству регулирования- температуркего предъявлены следующие требования ; мак-'симаяыае отклонения текущих значений температур ка тарелках реки^икапионной колонна при наиболее тяжелых внезких воздействиях не жшны превышать ±1*0, статические одибкл регулирования температур кг. тарелках допускаются не более О.С5* ст заданных.

Пр&ктичеекое решение проблемы оптимального управления ректификационной колонуой связано о созданием типовой система стабилизации рассчитанного .охиимального режима, работоспособной в широком диапазоне аппаратурно-технолога-ческогс процесса ректификации,

оухегтвуэдЕк:: способов упраэленпя ^ехг.'фпка-шюннаж колонками, показал, что наиболее целесообразно приме?°.тъ комбиг/грованные метода, сочетавшие • два прзнаш»

¡равле?П1я ■ по ^''¿^[уш^ндю п.по стклеко1ппс. .этом у

п-

~рга-:гтяк;".: обрмлъ что игл гоыененж! хе-"«■•л!тери'>т»,ч зхо>3-гс истока, к которым следует стк^отп расход п со стаз ^п^.'л/л, н котор-ые слезет считать в ка-

путем подачи управляющих сигналов в верхнюю и нижнюю части колонии (тепловых нагрузок кипятильника и дефлехматора). А возможная неточность компенсации возмущений отрабатывается системой управления по отклонению по принципу обратной связи. Еток-схема такого комбинированного управления изображена на рис.2.

Рис. 2. Блок-схема комбинированного управления ректификационной колонной» где г- питание колонны, дистиллят, кубовый остаток;

к - коммутатор; мм - математическая модель; Per -, регулятор; D.P. - оптимальный регулятор; P.O. - регулирующий орган; с'ад и и'зад - заданные расхода кигштилышка и дефлегматора; .-к ;; 1?гек - текущие расходы кипятильника и дефлехматора.

- 17 -

В ЭВМ поступает информация о входном штоке и о реальном температурном профил» колонны. На основе ятой информации по математической модели видаются, во-первых, уо-.тавка регулятору дефлегматора, задающее ве.здпгацу ракс/л хлздоагентя, охджкпакшто горхиш часть колонны, и во-рто-рмх, устарк'' регулятору кипятильника,задающему ьеличгау расхода теплоносителя, нагревающего нижнюю часть колонии, в-третьих, получешшй из условий парожидкостного равновесия температурный профиль. По вектору отклонений от заданно!« температурного профиля вырабатывается вектор управления, который компенсирует возможные неточности управления по возмущению. Вектор отклонений формируется следующим об-гйяом. Например, ш входа колоний догоняется расход ттаг-щей смеси. В результате этого происходи соответствующее изменение температурного профиля колонны. По достижении отклонения от рассчитанного профиля температур на одной им тарелок более 1''с включается обратная связь, а полученный профиль температур представляет ненулевые начальные условия.

| Построение управления ректификационной колонной по

методу АКОР предполагает последовательное решение следую- -

щих задач :

- составление системы ди$фврешшальн«х уравнений теплгаччи баланса;

- линеаризация системы уравнений;

- получение матриц а ч в:

- формулировка квадратичного интегрального критерия оптимальности;,*,

С т т ,! (х £>лх+и РиМг.

о

= -А^ЬА+Р(А^,В)Р(В,А^, ГД9

л >- ~ л + 6"*Е, где^О, а 5 - единичная матрица,

Ч = ВГВ Ъ ~ Е-Р(Ау,В)+Р(В,А^), где

¡'( Лг,п)-Л£-(!; - формула проектора (т.е. ;,тн дат;

ОС'."! т ¡грсекцпоннкм свойством ? -Р),

— О г • тт."ч р^ Д С ^ ^т"0 iгля

Г1' Лс) -в( Л с Г: ,

- 18 -

- построение матрицы коэффициентов обратной связи и, строки которой являются коэффициентами линейных форм от координат состояния и с помощью которой реализуется проекционное управление по формуле :

u=-Ux, где - и=в р(в,Ag)

- проверка устойчивости.

С целью проверки устойчивости строим матрицу замкнутой системы:

АЗам=А-Р(В,А£).

Исследование устойчивости проводилось непосредственно по кривой переходного процесса отработки ненулевых начальных условий возмущенного движения для системы, замкнутой матрицей обратных связей, т.е. для уравнения :

х=Азам*х с начальными условиями t=t0, x(te)=x(>. Построение решения этого уравнения проходило по методу Эйлера.- Исследование устойчивости проходило следующим образом. На входе колонны изменяют расход смеси (например, увеличился на 10%). Вследствие того, что температура.питающей смеси ниже чем температура на тарелке питания, происходит охлавдение колонны. По достижении отклонения от профиля температур на одной из тарелок более 11С включается обратная связь- Полученный профиль температур в' отклонениях от заданного представляет собой ненулевые начальные условия для уравнений: возмущенного движения. Аналогично й 'при изменении состава питания.

В качестве внешних возмущений использовались 10%-е отклонения расхода питания и 10%-е отклонения состава витания (по изопроготовому спирту).

Переходные процессы для всех тарелок ректификационной колонны показывают, что максимальное отклонение температуры на тарелках аппарата при имитации возмущающих воздействий- соотавляет менее 0.1% от рассчитанного значения, статическая, ошибка регулирования не превышает 0.01% от Tmod. Степень затухания близка к единице. Представленные характеристики свидетельствуют о том, что A CP обеспечивает требования к качеству релулирования.

В данной работе был реализован комбинированный ме-тид управления, сочетающий два принципа : управление по и по отклонению. При этом управление оршнизо-

вано таким образом, что при изменении характеристик входного потока, к которым следует отнести ; расход и состав питания, и которые слвдует считать з качестве- воаютешй. - происходит компйнсяпк этих изменений путем гсдачл управляющих сигналов в верхнюю и нижнюю части колонгяг (теп-лояях натгузок кпжппьнлка и дефлехматора). А гоэмоэсЕДО неточность ксмзенс&слп г:к.тв?нга отрабатывается зкотешй управления по отклонена» по сркшщт обратной связи, щи этом .матрица кс&ф{жш:ентов обратной связи рассчитана vo метслу АКСР,

Таким обрвасм. :-:а соковакин доведенного исследования можно читать, что предасженнэя в данной работе неделе тема стабгсогаспз 1&сочшшного температурного црофии ректЕфшсацнонной колонны, в структуре а^ахззаров&яклй систем* у-лАзлеви т^гпгводохаа пер^киоп эодсрола из о про-ягягзнм входом позволяет обеспечить качественную стабилизацию требуемых технологических режимов процесса,

S заключении сформулированы основные теоретические л практические результаты диссертационной работы. . , В приложениях приведены данные по равновесию - для ' ' .расчета кор^пциектов активности, а также акт о . внедреыги j.1 разработанной системы. •;

ОСНОВНЫЕ ЕЕЗКПЬТАЧЫ ^аШЯ-O^bhso теоретические и практические результаты длсс^ртапт-от^ной хоботы в сл^лут-сщем ; ' I, 3 результате изучения • фйгао-хйлических осэбеннсстей процесса :,'>:о;хг.омпокектг:оь iегафикапии в тарельчатой колонне в глоцеосе получении псрекися волоре,ца лзопропиловкм методом и авалига известных способов его математического одпзакяя осуществлен синтез математической модели статики згоцеооа, .позволяягеП р&оочзГгЕэать температурный пробиль кзленаы. Полученная модель отражает основные физико-хила-... чеокие з«козсмеуноота• реального процесса ;путем учета тепловик и ттеркальтш. балансов'для кахплох)' Kov.no гекта'и ст-гех&эа из условия 2арс:*пзт5боТЕого равяове-

?.. С целы/ гозязэняя 'ад^^таооти.разх^отйжзо? '.штешга- '• ческой модели осузеотзлэк ■ jae?«' кб5ф$шга?йгзз активности для лг?л?д7ек:й омеог. .(асетон, -иэопрогпиовь^етнтрт, Еере-■ :?>тов зегб-ола. зо~5/, пегкглкгих учесть ее неид^алжоть.

г;о— г.^лдгадпя пред^жж-й VATCvia-модели на- -^¿л', 'петляет хаоочлтьзаг:.

температурный профиль колонны и может, быть использована для разработки системы управления процессом. 4.. lia основе анализа существующих систем управления был проведен синтез системы управления ректификационной колонны как многомерной системы по методу ЖОР на основе разделения возмущенного и невозмущенного движения. При этом был реализован ' линэйный оптимальный безынерционный регулятор, включений в цепь обратной связи системы. 5. Исследование качества работы предложенной системы управления заключалось,в построении кривых переходного процесса для замкнутой системы управления возмущенным движением. Было установлено, что она позволяет качественно поддерживать рассчитанные по математической 'модели значения основных технологических параметров процесса - . температур на каждой • ступени разделения ректификационной колонны, , и обладает необходимым запасом устойчивости. . i

G..Все материалы, связанные с разработкой системы управления. переданы в НЩ "Прикладная химия" /Санкт-Петербург/ для включения в технический проект производства перекиси' водорода изопропиловым методом. ' . - :

. ; ;пщикда;по ТИЛЕ шшжщм; ■ ,.

; I. Кторов A.A.', ; Дерябин И. В. Проекционные метода в" АКОР. '//Тс-иисы международной конференции "Математические методы .в химии "и'химической технологам". Часть 5. - Тверь: РАН, ■ 1996;. ель. - гЧ-V i;'' ■ -г;. • ■ , • ;

2. Егоров -A.A., ^шова Ö.B., Дерябин И.В. Обзор по методам синтеза систем разделения многокомпонентных смесей /Егоров A.A., Ершова*0.В., Дерябин"Й^В»; Ред. Ж.прикл.химии'РАН. -C4!6;-i995.-9c. Деп.в ВИНИТИ, 05.ОТ. 95.''«004 - В95.

16.05.96 3#и 102*56 тик-,синтез uççko^*,