Автоматичне керування оптимальними статичними режимами процесів ректифікації з використанням рухливих керуючих впливів

Abstract

У дисертаційній роботі представлено вирішення актуального наукового завдання розробки методу автоматичного керування оптимальними статичними режимами процесів ректифікації з використанням рухливих керуючих впливів, а також удосконалення математичної моделі і алгоритмів, необхідних для його реалізації. Розроблено математичну модель процесу багатокомпонентної ректифікації, яка враховує дискретні і неперервні рухливі керуючі впливи на процес. Здійснено модифікацію θ-методу розрахунку статичних характеристик процесу, запропоновано методику параметричної ідентифікації моделі. Досліджено технологічні особливості і розроблено метод автоматичного керування оптимальними статичними режимами процесів ректифікації з використанням рухливих керуючих впливів. Методом передбачені розрахунки оптимальних величин традиційних і рухливих керуючих впливів на процес за нормалізованим критерієм оптимізації, що дозволяє підвищити продуктивність і енергоефективність ректифікаційних апаратів. Розроблено математичну модель і алгоритми, необхідні для реалізації методу автоматичного керування оптимальними статичними режимами процесів ректифікації з використанням рухливих керуючих впливів. Доведено, що використання методу дозволяє підвищити вихід цільового продукту до 5% і, одночасно з цим, знизити теплові витрати в випарнику куба до 8%.

В диссертационной работе решена актуальная научная задача разработки метода автоматического управления оптимальными статическими режимами процессов ректификации с использованием подвижных управляющих воздействий, а также усовершенствования математической модели и алгоритмов, необходимых для его реализации. Анализ существующих решений показал, что управление процессами ректификации требует применения, кроме традиционных, также и подвижных управляющих воздействий. Последние заключаются в изменениях точек ввода сырья в колонну и соотношения расходов потоков питания и позволяют вести процесс в режимах, недостижимых традиционными методами автоматического управления. Усовершенствована математическая модель процесса ректификации, позволяющая исследовать дискретные и непрерывные подвижные управляющие воздействия на процесс и статические режимы, которые при этом достигаются. Для этого в существующую модель введены дополнительные независимые переменные – коэффициенты перераспределения питания и флегмы, а также разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать количество тепла, которое вносится в колонну питанием. Разработан модифицированный θ-метод расчета статических характеристик процесса, особенность которого заключается поднесении коэффициента θ к степени, отличной от единицы. Доказано, что использование модифицированного метода позволяет существенно (до 50%) снизить затраты времени, необходимые на поиск решения. Разработана методика параметрической идентификации математической модели процесса ректификации, которая заключается в определении эффективности по Мерфри контактных устройств ректификационной колонны с использованием измерительной информации о текущих показателей процесса и температурного профиля установки. Доказаны существенные изменения концентрационных профилей ректификационных колонн вследствие нанесения дискретных и непрерывных управляющих воздействий. Наибольшая эффективность достигается путём переключения места ввода сырья в колонну. Отмечена экстремальная зависимость качества кубового продукта от номера тарелки питания и степени перераспределения потока сырья между двумя контактными устройствами. Разработан метод статической оптимизации процесса многокомпонентной ректификации. Доказана на примерах критериев максимизации производительности и минимизации энергозатрат экстремальная зависимость нормализованного критерия оптимизации от номера тарелки питания и коэффициента перераспределения, из чего следует существование и однозначность решения данной задачи. Установлено, что повышение материальной или энергетической нагрузки колонны независимо от выбранного оптимизационного критерия или их совокупности, а также повышение требования к качеству конечного продукта понижает номер оптимальной тарелки питания. При возмущении на процесс, которое заключается в снижении расхода, температуры сырья, концентрации целевого компонента в питании, а также при повышении требования к производительности процесса, номер тарелки питания необходимо повышать. Разработан метод автоматического управления оптимальными статическими режимами процессов ректификации. Методом предусмотрены дискретные и непрерывные подвижные управляющие воздействия одновременно с применением традиционных, которые заключаются в изменениях расходов тепла в испарителе и орошения в колонну. Доказано, что предложенный метод позволяет повысить выход целевого продукта до 5% и, одновременно с этим, снизить тепловые затраты в испарителе куба до 8%. Исследованы переходные режимы работы ректификационной колонны при применении оптимальных традиционных и подвижных управляющих воздействий на процесс согласно разработанному методу. Установлено, что подвижные управляющие воздействия позволяют повысить производительность и энергоэффективность ректификационных аппаратов при допустимых показателях качества управления.

The thesis presents the solution of the actual scientific problem of development of method of automatic control of optimal static modes of rectification processes with the use of mobile control actions, as well as the improvement of mathematical model and algorithms required for its implementation. The mathematical model of the process of multicomponent rectification considering discrete and continuous mobile control actions on the process was developed. Modification of θ-method of calculation of static characteristics of the process was carried out; the technique of parametric identification of model was offered. The technological features were researched and the method of automatic control of optimal static modes of rectification processes with the use of mobile control actions was developed. The method provides for the calculation of optimal values of traditional and mobile control actions on the process according to normalized optimization criterion that enables to enhance the productivity and energy efficiency of rectification column. The mathematical model and algorithms required for implementation of method of automatic control of optimum static modes of rectification processes with the use of mobile control actions were developed. It has been proved that the use of method enables to increase the yield of target product up to 5%, and to reduce heat consumption in the evaporator of the cube up to 8% concurrently.