автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Управление процессом облагораживания вискозной целлюлозы

РГЗ од

_ 9 ИЮЛ

На правах рукописи

БАЛАКШИНА Вероника Юрьевна

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ОБЛАГОРАЖИВАНИЯ ВИСКОЗНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Специальность 05.13.07- "Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саикт- Петербург 1997

Работа выполнена в Санкт- Петербургском Государственном технологическом университете растительных полимеров.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Научный консультанат: кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, доцент

КОНДРАШКОВА Галина Анатольевна

САФОНОВА Марианна Рафаэлевна

ВИКТОРОВ Валерий Кирович

РАШКОВСКИЙ Павел Валентинович

Ведущая организация:

АО "Котласский ЦБК" 1997 года в (Ь Ч.6&

Защита состоится^//?" июня_

в ауд._на заседании диссертационного Совета Д-63-25-11

в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (технический университет) (198013,С-Г1етербург, Московский пр., 26).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Пегербургского государственного технологического института (технический университет)

Отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу диссертационного Совета.

Автореферат разослан

./Р.

мая

1997 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

В.И. Халимон

}

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы.

Рост выпуска вискозных волокон стимулируется дефицитом натуральных ио-окннстых материалов, приемлемыми физико-механическими и хорошими санигар-о-гигненическими свойствами вискозных волокон, а главное - доступной сырьевой азой.

Одной из новы* перспективных технологий целлюлозно- бумажной иро-штленности является технология производства вискозной целлюлозы для химиче-кой переработки, согласно которой процесс облагораживания из непрерывного пре-бразуется в периодический и переносится из схемы отбелки в варочный котел, где роводится сразу после завершения варки целлюлозы и вытеснения отработанного целого щелока горячим конденсатом.

Сравнительный анализ нового и традиционного способов производства пока-ывает значительные преимущества нового способа. Этот способ позволяет, во-ервых, сократить технологическую схему производства, во-вторых, значительно со-ратить расходы сырья, химикатов, свежем воды н энергоресурсов, в-третьих, отка-аться от использования газообразного хлера при отбелке, который является причи-ой загазованности в огбельном цехе, коррозии оборудования к наличия хлорорганн-еских веществ в сточных водах, в-четвертых, ликвидировать наиболее загрязненные точные воды в отбельном цехе от ступени горячего облагораживания. В настоящее ремя проектный институт ЗАО ГИПРОбум выполняет проект переоборудования роизводства сульфитной целлюлозы АО "Котласский ЦБК" для перехода на "новый пособ.

Внедрение современной технологии неразрывно связано и должно осуществиться одновременно с созданием автоматизированной системой управления рас-иатрнваемого процесса, которая позволит выбрать и поддержать оптимальные ре-;имы рабош, сокращающие производственные потерн, стабилизировать технологи-ескне процессы и свойства выпускаемой продукции. Однако, в целлюлозно- бумаж-ой промынтенностн пег опта проведения процесса облагораживания, как второй гупеии периодической варки целлюлозы непосредственно в варочном котле, и, со-твегавенно, 01сутс1вуюг решения по управлению периодическим процессом обла-оражинлния Гаьим образом, исследование периодического процесса облг.горажнва-ия и рачрабо1ка математических моделей и алгоритмов оптимизации процесса для втоматизации управления является актуальной проблемой, без решения которой не-озможно внедрение нового способа производства вискозной целлюлозы.

Работа выполнялась по Государственной научно- технической программе Рос-ии "Комплексное использование и воспроизводство древесного'сырья" р.4 "Новые ехнологические процессы производств бумаги и целлюлозных композиционных мя-ериаяо&" р <1.4.6 Методология создания интегрированных автоматизированных сис-

тем управления цешиолозно- бумажными производствами с использованием элементов искусственного интеллекта".

Цель работы состоит в математическом моделировании и оптимизации процесса облагораживания вискозной целлюлозы для автоматизации управления производства вискозной целлюлозы в целом.

Исходя из поставленной цели, в работе решаются следующие научные и прак-шческие задачи:

- экспериментальное исследование кинетики процесса облагораживания;

- разработка методики построения математических моделей кинетики процесса облагораживания;

- математическое описание кинетики процесса облагораживания;

- определение оптимальных начальных условий процесса облагораживания, г зависимости от производственной ситуации и предъявляемых требований г качеству продукцш;

- разработка способа определения количества щелочи, необходимою на нейтрализацию остаточного варочного щелока;

- разработка алгоритмов управления ступенью облагораживания с эталонно!1 моделью;

- исследование чувствительности математических моделей процесса и определение требований к метрологическим характеристикам средств измерения;

- разработка структуры системы управления процессом облагораживания;

- экспериментальная проверка достоверности разработанных адгоритмоЕ управления процессом облагораживания вискозной целлюлозы.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались теория кинетики, математическое моделирование, численные методы оптимизации, р«-рессионнмй анализ, метода планировшшя эксперимента.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Предложена методика получения математической модели формальной кинетики процесса облагораживания.

2. Получена адекватная модель формальной кинетики процесса облагоражива ния вискозной целлюлозы.

3. Разработан способ определения количества щелочи, необходимого для ней трализашш оставшегося кислого щелока в котле после варки.

4. Разработан алгоротм и решена задача определения оптимальных начальны; условий процесса облагораживания в зависимости от производственной си туацки и предъявляемых требований к качеству продукции.

5. Предложены и опробованы экспериментально алгоритмы и система управ ления ступенью облагораживания вискозной целлюлозы н варочном котле.

Практическая ценность работы.

Разработанная в диссертации система управления процессом облагораживании вискозной целлюлозы обеспечивает минимальные затраты ресурсов (химикатов, пара) на облагораживание при достижении требуемых показателей качества получаемой целлюлозы. Алгоритмы управления прошли экспериментальную проверку, которая подтвердила точность и достоверность управляющих решений и пригодность их к использованию в автома газированной системе управления производством вискозной целлюлозы.

Приводятся акт внедрения результатов работы в учебный процесс и 3 акта использования основных положений диссертации для создания автоматизированной системы управления облагораживанием целлюлозы.

Реализащгя результатов работы.

В настоящее время ЗАО ГИПРОбум выполняет проект переоборудования производства сульфитной целлюлозы АО "Котласский ЦБК" для перехода на модифицированный способ. Разработанная структура подсистемы АСУ производством вискозной целлюлозы используется для автоматизации рассматриваемого процесса.

Автор защищает:

- методику математического моделирования процесса облагораживания вискозной целлюлозы в варо'шом котле периодического действия;

- модели кинетики периодического процесса облагораживания вискозной целлюлозы;

- алгоритмы и техническую структуру системы управления процессом облагораживания в варочном котле.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующие конференциях:

- Российская межотраслевая научно-практическая конференция, Санкт-Петербург, 1993 год;

- Международная научно-техническая конференция "Пап-Фор 94", Санкт-Петербург, 1994 год;

- четвертая Всероссийская научная конференция "Дииамька процессов и аппаратов химической технологии" , Ярославль, 1994 год;

- сообщение для специалистов Котласского ЦБК, Коряжма, 1995год;

- школа молодых ученых при международной конференции "Математические методы в химик и химической технологии", Тула, 199бгод.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 4 печатных работы и 2 работы приняты к печати.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы включающег о 75 наименований и 3 приложений. Основная часть работы изложена иг 90 страницах машинописного текста. Работа содержит рисунков к таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована е< цель, основные решаемые задачи.

В первой главе работы рассматриваются основные свойства и требования к по казателям сульфитной вискозной целлюлозы. Эти требования регламентируют« ГОСТ 5982-84. Однако, главным показателем качества вискозной целлюлозы, харак теризующим содержание основного вещества, а также полидисперсность и чистоту является содержание (массовая доля) альфа- целлюлозы.

Альфа - целлюлозой условно называют часть целлюлозы, которая не растворя ется в 17.5 % ЫаОН при 20°С. Она не является индивидуальным химическим соеди пением. Это чисто техническое понятие, позволяющее судить о пригодности целлю лозы для тех или иных промышленных целей, характеризующее степень деструкцш технической целлюлозы.

Чем выше содержание альфа- целлюлозы, тем выше выход текстильного во локна, тем меньше вносится низкомолекулярных продуктов в мерсеризациокную ще лочъ, в результате чего отпадает необходимость специальной очистки отработанны: щелочных растворов. Качество древесного сырья и способы получения целлюлоз! для химической переработки являются главными факторами, влияющими на ее свой ства.

На Котласском ЦБК вискозная целлюлоза для химической переработк получается традиционным методом сульфитной варки еловой древесины кислото; на растворимом основании и последующей многоступенчатой комбинированно: отбелкой, включающей от семи до девяти ступеней обработки. Одна га ступене: отбелки - горячее облагораживание (рис.1). Задачей облагораживания, в широко! смысле слова, является придание целлюлозе таких химических и физике механических свойств, которые в наилучшей степени отвечают ее целевому назначе нию, что достигается путем дополнительной, облагораживающей обработки.

Рис. 1 Схема традиционного способа производства вискозной целлюлозы.

ГО- горячее облагораживание, Х- хлорирование, Г1, Г2- отбелка пшохлорнтом, С- кисловка, Х\Д- хлорирование с добавлением двуокиси хлора, Щ\Г- горячее тцело-зенне.

Эгот способ получения вискозной целлюлозы характеризуется зтчнтелышм >бьемом сшчных вод отбельного цеха и наличием в нач большого количества ток-;нч11их хлорорганнческих веществ. Кроме того, этот способ неэкономичен, так как 1ся щелочь, используемая на горячее облагораживание, сбрасывается со сточными ю/тамн. Использование газообразного хлора при отбелке целлюлозы является грнчиной загазованности в 01белыюм цехе, коррозии оборудования и наличия ;лорорг аники в сточных водах. Сульфита« небеленая целлюлоза содержит повы-иенное количество смолы и мелкого волокна, поэтому применяется фракциони-швание- отделение мелкою волокна с высоким содержанием смолы, которое плохо ■лавливаегся, обезвоживается и значительная его часть попадает в сток, что нано-иг ущерб окружающей среде.

Для устранения недостатков традиционного способа получения целлюлозы (ля химической переработки па Когласском ЦБК бил разработан новый способ, со-пасно которому облагораживание целлюлозы переносится из отбелки непосредст-енно в варочный котел (рис.2 ).

Модифицированный способ состоит из обычной сульфитной варки древесины нежной на натриевом основании (первая ступень), отбора сульфитного щелока для иохш.шческой перерабоиси н последующего облагораживания целлюлозы раство-ом щелочи непосредственно в варочном котле, которое рассматривается как вторая тупень варки.

Рис.2. Схема модифицированного способа производства вискозной целлюлозы.

КЩО- кислородно-щелочная обработка целлюлозы, Д- отбелка диоксидом хлора.

После облагораживания в нарочном котле щелок направляется в регенераци-онный цикл: вначале на выпарную установку, затем на сжш ание в содорегенераци-ониьш котел и далее в цех каустизации и регенерации извести. Регенерированные химикаты (Ыа и 8 ) поступают обратно в производство. Таким образом, значительно сокращаются расходы сырья, химикатов, свежей воды и энср| «ресурсов, лик-видир' ются наиболее загрязненные сточные воды в отбельном цехе от ступени горячего облагораживания, сокращается технологическая схема производства в целом.

Согласно новому технологическому процессу, сваренная и облагороженная целлюлоза промывается и подвергается кислородно-щелочной обработке, ггосле чего промывается н направляется на отбелку. После облагораживания в варочном когле и последующей кислородно-щелочной отбелки целлюлоза имеет высокую массовую долю альфа- целлюлозы, низкое содержание смолы и мелкого волокна, почти полное отсутствие сора, низку ю жесткость,. поэтому отпадает необходимость фракционирования и применения хлора в отбелке.

К числу основных факторов, определяющих эффективность горячего облагораживания целлюлозы относятся: расход и концентрация щелочи (в массе), температура и продолжительность щелочной обработки, концентрация волокна. Несмотря «а многочисленные исследования процесса облагораживания целлюлозы, ее состав и механизм химических взаимодействий окончательно не выяснены. Это один из сложных вопросов в химии целлюлозы.

Во второй тлаве диссертации, на основе анализа процесса облагораживания и обзора литературных источников, дается постановка задачи исследования. В работе были поставлены и решены следующие проблемы:

-разработка математической модели процесса облагораживания;

-разработка способа определения количества шелочн, необходимого на нейтрализацию остаточного нарочного щелока;

-определение оптимальных начальных условий и температурного графика процесса облагораживания;

-разработка алгоритмов управления ступенью облагораживания;

-анализ метрологических свойств систем контроля дол управлении процессом

облагораживания вискозной целлюлозы;

-экспериментальная проверка достоверности разработанных алгоритмов управления процессом облагораживать вискозной целлюлозы. В третьей глане приводятся данные экспериментального исследования процесса облагораживания. Экспериментальное исследование процесса первоначально выполнялось н лабораторных антокланах, где согласно плану эксперимента были ревизованы различные режимы облагораживания, задаваемые путем варьирования фак-юрон процесса - температуры н начального удельного расхода едкого натра. План эксперимента включал 15 режимов облагораживания. Для каждого режима проводилось не менее 3-х серий экспериментов, в результате которых были получены данные по кинетике, характеризующие изменение основных показателей - содержания а-целлюлозы <% вес.) и выхода целлюлозы (% вес.) в твердой фазе, а также концентрации Гч'аЮ (г/л) в щелоке. Экспериментальные данные были подвергнуты статистической проверке однородности и отбраковке промахов.

Че тертая глава посвящена математическому описанию кинетики процесса оолат ораживатшя в варочном котле.

При разработке математической модели процесса облагораживания были учтены следующие особенности конструктивного оформления процесса. Благодаря 1е1шоизолянин коша, потерн теплоты в окружающую среду пренебрежимо малы. Циркуляция шелоьа через подогреватель в течение геего периода облагораживания, а также способ отбора и подачи щелока п котел обеспечивает однородность иол» температур и концентраций п обт.еме котла в каждый момент времени.

С учетом лото, для математического описания процесса были сделаны следующие допущения:

- температурное тюле и ноле концентраций щелочи однородны в обьеме котла;

- потерн теттоты о окружающую среду отсутствуют.

С учетом сдашшмх попущений математическое описание процесса облаюра-жинания вискозной цел пони»ы сводится к математическому описанию кинетики об-лат ораживанпя.

I к. оонагораусиншше является сложным и малоизученным процессом, была поставлена задача описания формальной кинетики процесса, т.е. определение количественных зависимостей между скоростью реакции и определяющими ее факторами

- удельным расходом щелочи, температурой и длительностью процесса облагораживания. На первом этапе решения этой задачи необходимо было определигь структуру уравнения формальной кинетики. Наиболее распространенным способом получения структуры математической модели является задание ее исследователем, исходя из соображений простоты построения и удобства использования модели при моделирова нии. Поскольку облагораживание в настоящем исследовании представляет собой периодический процесс, очевидно, математическая модель должна отражать динамику процесса, т.е. содержать производную исследуемого параметра: (1у/'1(=Г(х, а).

Использование математической модели дииамики, включающей производную исследуемого показателя, связано с ее интегрированием. Ошибка интегрирования нелинейных зависимостей тем больше, чем больше шаг интегрирования, который определяется значениями экспериментальных данных. Поэюму, если экспериментальные зависимости имеют четко выраженный характер, то целесообразно описать их с высокой степенью точности какими-либо уравнениями, которые можно было бы использовать при расчете коэффициентов математической модели вмесю экспериментальных данных.

Эти уравнения отличаются от кинетической модели процесса тем, чю описывают один отдельно взятый эксперимент, т.е. между коэффициентами уравнений и технологическими параметрами отсутствует функциональная зависимость.

Таким образом, методика описания кинетики процесса облагораживания была сведена к следующим этапам:

1. Описание экспериментальных зависимостей для каждого отдельно взятого технологического режима с высокой степенью точности;

2. Выбор структуры уравнения кинетики процесса облагораживания;

3. Постановка обратной кинетической задачи и выбор метода ее решения;

4. Использование результатов и. 1 для оценки коэффициентов кинетическою уравнения;

5. Проверка адекватности получетгой математической модели кинетики процесса облагораживания экспериментальным данным.

По данным экспериментов были построены кинетические зависимости изменения содержания альфа- целлюлозы и изменения остаточной щелочности в рабочем растворе от длительности процесса облагораживания, температуры и начального удельною расхода щелочи. Для аппроксимации экспериментальных зависимостей был выбран метод моментов весовых функций. Метод моментов весовых функций широко применяется дая идентификации динамических характеристик различных объектов при обработке экспериментально полученных переходных характеристик исследуемых объектов. Как известно, переходная характеристика представляет собой реакцшо какого- либо показателя на выходе обгекта на ступенчатме изменение одного из параметров на его входе.

Исходя т этого, кинетические зависимости, полученные в экспериментах, были интерпретированы, как изменение показа гелей остаточной щелочности и содержания альфа- целлюлозы под воздействием щелочи, удельный расход которой в момент начала процесса изменялся от 0 до 8, 10 или 12% при постоянной температуре.

Обработка кнпетическггх кривых методом моментов была выполнена для каждого режима облагораживания в отдельности. Недостатком этого метода является высокая чувствительность коэффициентов модели к незначительным изменениям экспериментальных данных, что не позволило выявить зависимость параметров модели от параметром технолог ическог о режима. Тем не менее метод моментов потпо-лил с высокой точности" аппроксимировать кинетические кривые закономерностями, яиалопгшымп переходным функциям элементарных динамических звеньев н использовать 1гх на последующих эгаиач вместо экспериментальных для интегрирования уравнений кинетики со сколь угодно малой временной дискретностью Д(.

Структура уралнеш я кинетики процесса облагораживания вискозной целлюлозы была выбрана традиционной для кинетических уравнений химических реакции с учетом представлений о характере взаимодействия веществ в процессе облагораживания

с начальными условиями НО, а(0) = а„ где

к - коэффициент, зависящий от температуры; q(t) - концентрация щелочи в рабочем растворе; <x(t) - содержание атьфа- целлюлозы;

( 100 - oc(t) ) - вещества, еще способные вступить в реакцию; al, а2 - коэффициенты.

Уравнение (i) было преобразовано как уравнение с разделяющимися переменными, проинтегрировано и приведено к виду:

Следующий этап работы- идентификация параметров математической модели. Требовалось найти оценки коэффициентов к, а I, а2, которые обеспечила™ б: < минимум функции ошибки модели Функция ошибкк модели, была представлена я

(4.6)

oc(t) - 100 - [ ( 100-«„„„Г^1 - (-а2 -и 1 ) j"(k*qB' dtj

1/(-п2М)

виде:

i = i j - о

где Лу " определяется интегрированием уравнения (I), Ы-количество рассматриваемых режимов, (п- кошчество точек для каждого режима.

Нелинейность математической модели по параметрам не позволила использо-ьать дня количественной оценки коэффициентов метод наименьших квадратов. Овражный характер функции ошибки (рис.3) обусловил применение численною метода Хука- Дживса (метод поиска по образцу) .

При расчете функции Ф(в) вместо экспериментальных данных были использованы аппроксимирующие зависимости значения содержания альфа- целлюлозы от температуры, удельного расхода щелочи и длительности процесса облагораживания, лолученные с помощью метода моментов.

Для достижения требуемой точности модели была введена функциональная зависимость коэффициентов oí факторов технологическою режима.

После оггределегпгя коэффициентов уравнения кинетики была сделагга оценка адекватности полученной модели экспериментальным данным. Дисперсия адекватности модели составляет 0.45 %2 (дисперсия воспроизводимое ni эксперимента имеет значение 0.34 %2). Сравнение дисперсий адекватности и воспроизводимости осуществлялось но критерию Фишера и подтвердило адекватность модели реальному процессу.

Важным количественным показателем процесса облагораживания является выход вискозной целлюлозы, который характеризует химические и отер и целлюлозы. Лабораторное определение этого показателя очень длительный процесс, поэтому необходимо было найти способ косвенною измерения этою параметра. Чтобы оценшь количество химических потерь на прирост 1% альфа- целлюлозы использовали метод наименьших квадратов для анализа экспериментальных значений изменения содер-

жамня альфа- целлюлозы и соответствующих им значений изменения выхода. В результате эту зависимость получили в виде линейной модели вида:

AV„e,w = - 2.9 + 2.95 * Лег,

где AVota, - изменение выхода целлюлозы во время облагораживания, причем масса, поступающая на облагораживание принимается за 100%.

Общий выход целлюлозы после облагораживания определяется следующим выражением

» - V(I44 oC:tm - VH„40fy„>r ♦ 0.01 ♦ ЛУоб„,,

где \'на,г„г,1лг- значение выхода целлюлозы до начала облагораживания.

Коэффициент множественной корреляции модели 0.9.

Пятая глава работы посвящена разрабо гке систсмы управления процессом облагораживания вискозной целлюлозы в варочном котле. Система управления процессом облагораживания входит в состав АСУ производством сульфитной целлюлозы в качестве частично автономной подсистемы. В слога очередь, в системе управления облагораживанием по функциональному назначению были выделе!пл две подсистемы. Алгоритмы первой системы предназначены для расчета и обеспечения оптимальных начальных условии процесса облагораживания и вызываются на решение один раз в момент начала нового цикла облагораживания. Алгоритмы второй подсистемы реализуются в течение всего времени облагораживания и предназначены для корректировки режима облагораживания и определения временя его завершения.

Математическая модель задачи расчета оптимальных условий процесса облагораживания была сформулирована в следующей виде: для заданного общим графиком работы варочного цеха времени облагораживания t^ обеспечить минимальные затраты ресурсов (пара и едкого натра) при достижении требуемого ГОСТ значения содержания а- целлюлозы. Функция затрат имеет следующий вид:

/• = Спдп)г(г)Л+С((9„ + ?.)*0.01-+ min (4)

о

где С„ и С„ - стоимость 1 Гкал пара и цена 1 т едкого натра, q„ - удельный расход пара на нагрев 1 т целлюлозы на 1, q„, q„ - удельный расход едкого натра на нейтрализацию остаточного щелока в котле после варки и на облагораживание целлюлозы соответственно, T(t)- график изменения температуры, i„.

Величина q„ рассчитывается на основании измерения расхода едкого натра на титрование пробы остаточного щелока в котле после варки с помощью автоматического анализатора щелока. Величина q0 и графит изменения температуры T(t) определяются минимизацией функции (3) при условии достижения

u(tk)>= а ад . (5)

где a(t) на каждом шаге минимизации функции (4) рассчитывается интегрированием уравнешк: (2) для соответствующих этому шагу значений T(t) и q0

Оптимальный график температуры, полученный решением задач (4)-(5), выдается в качестий уставки системе автоматического управления температуры щелока на выходе подогревателя (регулирование температуры осуществляется путем изменения степени открытия клапана на лшиш подачи пара в менлрубное пространство подогревателя).

Общее количество щелочи, которое необходимо затрузнть в котел к моменту начала облагораживания, складывается из затрат на процесс облагораживания непосредственно и количества щелочи, которое должно быть израсходовано на нейтрализацию остаточного щелока в котле.

Удельный расход NaOH на нейтрализацию остаточного щелока определяется на основе данных, полученных с помощью автоматическою анализатора, установленного на линии циркуляции щелока и включает автомагический пробоотборник и пирометр тина "Каяни". Сигнал о результате титрования пробы остаточного щелока поступает в подсистему управления облагораживанием, где рассчтыьается общее количество МаОП, необходимое для нейтрализации остаточного щелока (см.рис.4).

Далее в работе рассматриваются задачи контроля и корректировки процесса облагораживания н приводится общий алгоритм их решгния. В произведет меиных условиях различного рода нарушения технологического режима (больший по сравнению с расчетным расход едкого Na на нейтрализацию за счет щелока в волокнах целлюлозы, перебои в подаче пара, неточное соблюдение временного графика производства, неточности расчета материальных балансов и пр.) вызывают отклонения фактических значений показателей a (i) и выхода целлюлозы от расчетных значений.

Поскольку эти показатели могут быть оценены только с помощью длительны.* лабораторных анализов, алгоритмы второй части подсистемы управления процессом облагораживания обеспечивают косвенный контроль показателей путем интегриро&аиия уравнения (2), в котором используются результаты измерений концентрации едкого Na в щелоке (с помощью автоматического анашпатора), осуществляется коррскшровка температурного трафшеа процесса и монета завершения процесса облагораживания m условия достижении заданного значения содержания альфа- целлюлозы а Алгоритмическая структура системы управления процессом облагораживания представлена на рис.4

Для включения разработанных в диссертации алгоритмов системы угтршшетт* oôjiaroраживанием & состав задач АСУ сульфитным производством, сыло необходимо проверить их работоспособность и достоверность полученных результатов, С этой

с

Рис. 4. Общий алгоритм управления процессом облагораживания.

целью был проведен эксперимент, в котором расчетные начальные условия и температурный график облагораживания были реализованы в лабораторном автоклаве, объем которого в 30 раз превосходил объем автоклава в котором проводилось изучение кипе гики процесса. Значение дисперсии адекватности математической модели экспериментальным исследованиям в режиме постепенного нагрева целлюлозной массы составляет 0 243 %2, что не превышает дисперсию воспроизводимости эксперимента. Таким образом, можно сделать вывод о достоверности разработанных алгоритмов управления процессом облагораживания для системы управления процессом облагораживания.

Достоверность и точность прогнозируемых показателей качества целлюлозы существенно зависит от точности средств измерения, используемых в системе управления. Поэтому, был проведен анализ метрологических свойств систем контроля для управления процессом облагораживания вискозной целлюлозы. Выбор датчиков был обусловлен необходимостью обеспечения требуемой точности прогноза содержания альфа- целлюлозы, в зависимости от которого осуществляется принятие управляющего воздействия: корректировка температурного режима и оценка времени окончания процесса. Поскольку алгоритм системы управления процессом облагораживания основан иа сложной математической модели, се аналитический анализ для определения требований к метрологическим свойствам, используемых при управлении специальных приборов, реализован быть не может.

Для определения требуемого уровня метрологического обеспечения системы управления процесса облагораживания был поставлен вычислите лысый иммнгацнои-ный эксперимент с использованием для этой цели ПЭВМ Для оценки чувствительности коэффициентов математической модели процесса облагораживания к погрешностям измерения ее параметров- концентрации щелочи н температуры процесса облагораживания, вносились дискретные отклонения значений параметров управления по температуре и щелочности в диапазонах возможного изменения погрешностей результатов измерения этих величин. Исходя из требуемой погрешности определения содержания альфа- целлюлозы порядка ± 0.6 %, погрешность измерения температуры не должна превышать ± 0.5°С, а щелочности ±0.05г/л.

Для измеретшя температуры был выбран платиновый термопреобразователь класса А, который имеет маркировку Pt 1000/А/ 1, 3910 / 3-50 / 150 (с yr ± 0,6 %), для измерения щелочности - автоматический тигромегр фирмы "Каяки" (с yq ± 0,5 %).

При практической реализации системы контроля возможно окажутся необходимыми кибернетические способы улучшения метрологические харакгеристик указанных средств измерения путем обмена быстродействия на точность или способы введения структурной избыточности с использованием ряда датчиков температуры с последующий осреднением результатов измерения по объему варочного котла. В

этой же главе приводятся предложения но технической реализации управления процессов облагораживания.

В заключении приводятся основные итоги работы и намечаются перспективы дальнейшего использования разработанных алгоритмов и методик.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Предложена методика построения математсггеских моделей кинетики периодического процесса облагораживания вискозной целлюлозы, суть которой состоит в том, что сначала эксперименталып'е данные с высокой степенью точности описываются уравнениями, а затем эти уравнения используются для решения обратной кинетической задачи- определения параметров кинетической модели из условия минимума ошибки модели. Такой подход значительно облегчает построение математической модели процесса и позволяет достичь требуемой точности.

2. Получена адекватная модель формальной кинетики процесса облагораживания пискозной целлюлозы. Проверка адекватности проводилась в варочных установках различного размера для разных темперагурно- временных трафиков процесса.

3. Поставлена задача и определены оптимальные начальные условия процесса облагораживания из условия минимума удельных затрат ресурсов для заданной продолжительности процесса и достижения требуемого содержания альфа- целлюлозы. В зависимости от конкретных условий производства, требования к процессу могут изменяться (время облагораживания, требуемое значение содержания альфа- целлюлозы, скорость нагрева массы), но будет использоваться тот же метод решения задачи оптимизации и разработанная математическая модель процесса облагораживания.

4. Разработан способ определения количества щелочи, необходимого на нейтрализацию оставшегося кислого щелока в котле после сульфитной варки.

5. Разработан алгоритм управления ступенью облагораживания с эталонной моделью.

6. Исследована чувствительность математических моделей процесса и определены требования к метрологическим характеристикам средств измерения.

7. Разработана структура системы управления процессом облагораживания.

8. Осуществлена экспериментальная проверка работоспособности разработанных алгоритмов управления и достоверности управляющих решений для различных режимов процесса облагораживания вискозной целлюлозы.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Сафонова М.Р., Балакшина В.Ю. Исследование кинетики и выбор оптимального режима ресурсосберегающего способа облагораживания вискозной целлюлозы// Тез.докл. Российской межотраслевой научно-практической конференции "Организация комплексных мероприятий природоохрашгой деятельности на предприятиях".- С.-Петербург.-8-9 декабря, 1993.-С.93-95.

2. Балакшина В.Ю., Сафонова М.Р., Кондрашкова Г.А. Исследование н оптимизация процесса облагораживания вискозной целлюлозы в варочном котле // Тез.докл. Международной научно-технической конференции "РАР-РОК-94",-С.-Петербург,-10-12 октября, 1994,- С.32.

3. Балакшина В.Ю., Сафонова М.Р., Кондрашкова Г.А. Исследование н оптимизация процесса облагораживания вискозной целлюлозы в варочном котле // Тез. докл. IV Всероссийской научной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии". -Ярославль. - 18-19октября, 1994.-Т.1,С. 258-259.

4. Балакшина В.Ю., Сафонова М.Р., Кондрашкова Г.А. Моделирование процесса облагораживания вискозной целлюлозы в варочном котле л Тездокл Международной конференции молодых ученых "Математические методы в химии и химической технологии". - Тула,- 20 - 24 мая, 1996 - С. 146.

lS.CS.S7n, гип. АО «Пласп.сыы.р» 1 Шг 70