авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Структурное моделирование и автоматическое управление диффузионными процессами химических технологий

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

МАНДРА Андрей Геннадьевич

СТРУКТУРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДИФФУЗИОННЫМИ ПРОЦЕССАМИ ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара 2011

Работа выполнена на кафедре "Автоматика и управление в технических системах" Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Самарский государственный технический университет".

Научный руководитель Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Рапопорт Эдгар Яковлевич
Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Данилушкин Александр Иванович
кандидат технических наук Лежнев Максим Владимирович
Ведущая организация ГОУ ВПО "Саратовский государственный технический университет", г. Саратов

Защита диссертации состоится «21» марта 2011 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета Д212.217.03 ГОУ ВПО Самарский государственный технический университет (СамГТУ) по адресу: г. Самара, ул. Галактионовская, 141, корпус 6, аудитория 33.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, 18.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, СамГТУ, главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д212.217.03; факс (846) 278-44-00.

Автореферат разослан «18» февраля 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.217.03 Губанов Н.Г

Общая характеристика работы

Диссертация посвящена разработке методов моделирования, управления и оптимизации базовых процессов химических технологий.

Актуальность работы. Снижение загрязняющего воздействия человека на окружающую среду является необходимым требованием при организации технологических процессов и производств. В частности, процессы технологической очистки воды (умягчение, обессоливание) приводят к накоплению агрессивных стоков, которые перед сбросом их в окружающую среду должны быть подвергнуты нейтрализации.

Технические устройства для очистки агрессивных сред сильно отличаются компоновкой, числом емкостей, насосным парком и дополнительным оборудованием. Емкости, в которых содержатся агрессивные среды, достигают объемов в несколько сотен кубических метров.

В виду сложности протекающих гидродинамических и физико-химических процессов в емкостях больших объемов используют механические и воздушные перемешивающие устройства (барботеры). Данный парк оборудования существенно увеличивает стоимость проектирования и эксплуатации узла очистки агрессивных сред.

Другой возможный подход – исключение барботеров из технологической цепочки – требует использования автоматической системы непрерывного контроля качества агрессивных сред в процессе их нейтрализации. Разработка и внедрение подобных систем невозможны без наличия адекватных математических моделей контролируемых технологических процессов.

Автоматизация процесса нейтрализации кислых стоков химического цеха теплоэлектроцентрали позволяет обеспечить большую точность поддержания водородного показателя (pH) сбрасываемых вод, поскольку отклонение pH как в одну, так и в другую сторону от номинала, наносит вред окружающей среде. Реализация системы автоматического управления величиной pH в процессе нейтрализации наталкивается на сложный, нелинейный характер поведения объекта управления. Для успешного построения системы управления должны быть разработаны математические модели, учитывающие пространственную распределённость управляемых величин объекта, а также протекающие в системе химические реакции.

В этой связи актуальными задачами являются математическое моделирование полей концентрации взаимодействующих сред в химико-технологических агрегатах различного назначения, рассматриваемых в качестве объекта автоматического управления с распределенными параметрами, разработка методов синтеза автоматических регуляторов, теоретическое и экспериментальное исследование алгоритмов и систем управления процессами химической технологии.

Диссертация выполнена при финансовой поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований №09-08-00297-а, №1008-00754-а; Федеральной целевой программы Минобрнауки РФ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009–2013 годы» (государственный контракт №П832 от 17.08.2009; проекты НК 66П/11, 2010-1.3.1-230-009/8); Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (проект №2.1.2/4236).

Целью работы является разработка и исследование моделей, алгоритмов и систем управления объектами с распределенными параметрами в технологических процессах химической нейтрализации агрессивных сред.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

  1. Разработка математических моделей управляемых диффузионных процессов химической технологии.
  2. Структурное моделирование технологических процессов химической очистки кислых стоков как объекта управления с распределенными параметрами.
  3. Анализ и синтез алгоритмов и систем автоматического управления пространственно-распределенными диффузионными процессами химической нейтрализации взаимодействующих сред в промышленных химико-технологических агрегатах.
  4. Разработка алгоритма оптимального управления процессом химической нейтрализации на ТЭЦ.
  5. Численное моделирование объектов и систем автоматического управления базовыми химико-технологическими процессами диффузии в условиях химической реакции между взаимодействующими компонентами.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, аппарат преобразования Лапласа и конечных интегральных преобразований, теория диффузии, теория автоматического управления, теория оптимального управления системами с распределенными параметрами, методы структурной теории распределенных систем, методы компьютерного моделирования и экспериментального исследования динамических объектов и систем управления.

Научная новизна. Диссертационная работа расширяет и углубляет теоретические представления в области пространственно-временного управления процессами диффузии, осложненными химическими реакциями между взаимодействующими компонентами. Полученные в работе результаты позволяют на качественно более высоком уровне решать инженерные задачи синтеза систем автоматического управления химико-технологическими объектами с распределенными параметрами.

В диссертации получены следующие основные результаты, отличающиеся научной новизной:

  1. Разработаны проблемно-ориентированные на задачи управления математические модели базовых диффузионных процессов химических технологий, отличающиеся от известных учетом влияния застойных зон в емкостях технологических агрегатов и двумерного характера пространственного распределения управляемых величин в условиях гомогенных химических реакций между подвижными взаимодействующими компонентами, что приводит к существенному повышению точности моделирования исследуемых явлений.
  2. Получено не имеющее известных аналогов структурное представление базовых моделей химико-технологических процессов нейтрализации вредных выбросов как объекта управления с распределенными параметрами, позволяющее получить обоснованные решения задачи синтеза систем автоматического регулирования с сосредоточенными управляющими воздействиями и управляемыми величинами.
  3. Предложена методика аналитического конструирования регуляторов в системах управления технологическими процессами химической нейтрализации подвижных взаимодействующих сред, базирующаяся, в отличие от известных, на модальном описании объекта управления в бесконечномерном пространстве состояний, что обеспечивает построение регулярной процедуры структурного синтеза на минимальном уровне сложности в условиях заданных требований к качественным показателям процессов автоматического регулирования.
  4. Предложена постановка и методика решения задачи оптимального управления, способствующий решению актуальной проблемы повышения точности процесса химической нейтрализации сточных вод на ТЭЦ.

Практическая полезность диссертационных исследований определяется следующими результатами.

  • разработаны конструктивные инженерные методики синтеза и предложены реализуемые структуры систем автоматического управления диффузионными процессами в химико-технологических агрегатах;
  • разработано специальное математическое, алгоритмическое и программное обеспечение для моделирования, анализа и синтеза алгоритмов управления технологическими процессами химической нейтрализации агрессивных сред, которое может быть непосредственно использовано для решения конкретных задач автоматизации типовых объектов химической технологии;
  • обоснована целесообразность практического использования разработанных моделей и методов построения систем автоматического управления исследуемыми химико-технологическими процессами.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационных исследований использованы в виде алгоритмического, математического и программного обеспечения при разработке и внедрении автоматизированной информационно-управляющей системы процессом химической нейтрализации в химическом цехе ОАО «Волжская ТГК» ТЭЦ ВАЗа (г. Тольятти), а так же в учебном процессе ГОУ ВПО СамГТУ при подготовке инженеров по специальности 22.02.01 «Управление и информатика в технических системах», бакалавров и магистров по направлению 22.02.00 «Автоматизация и управление».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов 2005». Секция «Вычислительная математика и кибернетика» (Москва, 2005), Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2005), Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2006), Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2006), Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2007), итоговой конференции студенческих коллективов (Самара, 2008), Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенными на 97 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, список литературы из 53 наименований и 1 приложения.

На защиту выносятся следующие положения:

  • проблемно-ориентированные на задачи управления математические модели базовых диффузионных процессов химической технологии в условиях гомогенной химической реакции между взаимодействующими подвижными средами;
  • структурное представление моделей химико-технологических процессов с двухкомпонентным диффузионным взаимодействием подвижных сред как объекта управления с распределенными параметрами;
  • методика аналитического конструирования регуляторов в системах автоматического управления технологическими процессами химической нейтрализации подвижных взаимодействующих сред;
  • постановка и методика решения задачи оптимального управления процессом химической нейтрализации сточных вод;
  • результаты численного моделирования объектов и систем автоматического управления полями концентраций взаимодействующих сред в процессе химической нейтрализации.

Краткое содержание работы

Во введении показана актуальность темы, сформулирована цель работы, её научная новизна и практическая полезность.

В первой главе проведен обзор базовых процессов химических технологий и способов очистки производственных сточных вод. Рассмотрены способы реализации технологии химической нейтрализации кислых стоков на примере тепловых станций АО Мосэнерго и ТЭЦ ВАЗа, показаны недостатки существующих систем управления производственными агрегатами.

Выполненный анализ показал, что для повышения качества проведения процесса химической нейтрализации требуется разработать уточненные математические модели процесса химической нейтрализации, позволяющие учесть неравномерное распределение полей концентраций по объему бака-нейтрализатора; построить системы управления водородным показателем (pH) сточных вод, с целью снижения расхода реагентов и повышения точности процесса нейтрализации.

Вторая глава посвящена математическому моделированию типовых диффузионных процессов в химико-технологических аппаратах различного назначения. В качестве базовых были рассмотрены модели идеального и диффузионного вытеснения.

В реальных условиях протекания диффузионных процессов в химико-технологических аппаратах необходимо учесть эффект химических реакций между взаимодействующими компонентами. Модель идеального вытеснения с учетом приведенной к двухкомпонентному виду гомогенной необратимой химической реакции

(1)

описывается пространственно-одномерной нелинейной системой дифференциальных уравнений в частных производных первого порядка

(2)

; , (3)

с граничными и начальными условиями:

; ; (4)

; , (5)

где , , , – стехиометрические коэффициенты; ,   значения концентраций компонентов и соответственно в зависимости от пространственной координаты l в направлении движения взаимодействующих сред и времени t;   скорость движения в реакторе;   константа скорости химической реакции; и   значения концентраций компонентов и на входе в реактор; , – начальное распределение концентраций компонент и соответственно.

Модель идеального вытеснения применима для трубчатого химического реактора с более чем стократным отношением длины к диаметру.

Диффузионная модель вытеснения с учетом химической реакции (1) усложняется по сравнению с (2)-(5) за счет явления диффузии и описывается следующей нелинейной системой дифференциальных уравнений второго порядка:

(6)

; , (7)

с граничными и начальными условиями:

; ; ; (8)

; , (9)

где   скалярный коэффициент диффузии.

На основе рассмотренных базовых моделей диффузионных процессов была построена модель процесса химической нейтрализации серной кислоты.

Сброс воды в баки нейтрализации (БН) ведется с разных участков технологической цепи подготовки воды, при этом состав сточных вод остается постоянным  и содержит раствор серной кислоты, сульфаты кальция и магния. Процесс химической нейтрализации осуществляется путем подачи известковой воды на вход рециркуляционного насоса (РН, рис. 1). Смесь раствора из БН и известковой воды (ИВ) возвращается в бак, где и происходит нейтрализация. Контроль значения водородного показателя (pH) осуществляется на выходе рециркуляционного насоса, pH-метр состоит из импульсной трубки и блока измерения.

Процесс химической нейтрализации серной кислоты известковой водой можно описать реакцией обмена в пренебрежении влиянием остальных примесей:

. (10)

  Схема процесса нейтрализации -37

Рисунок 1 – Схема процесса нейтрализации

В схеме процесса нейтрализации можно выделить трубопровод рециркуляции и бак с застойной зоной, наличие которой объясняется отсутствием механической мешалки.

Поведение концентраций кислоты и щелочи в трубопроводе рециркуляции описывается в первом приближении моделью идеального вытеснения (2)-(5) с параметрами , , , .

В целях приближенного моделирования диффузионных процессов внутри бака нейтрализации в пределах его объема выделяются активная и застойная зоны. Активная зона описывается диффузионной моделью вытеснения (6)(9) с параметрами , , , , , , , которую необходимо дополнить функцией источников

, (11)

убывающих по мере добавления щелочи и учитывающих влияние кислотной концентрации застойной зоны:

(12)



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.