Интерактивное моделирование и проектирование химико-технологических процессов и систем в условиях неопределенности (на примере реакторных установок синтеза азокрасителей)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Интерактивное моделирование и проектирование химико-технологических процессов и систем в условиях неопределенности (на примере реакторных установок синтеза азокрасителей)

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

05.25.05 - Информационные системы и процессы, правовые аспекты информатики

Игнатьева Наталья Владимировна

Тамбов 2006

Основные условные обозначения

_ векторы конструктивных, режимных и неопределенных параметров;

_ расходы солянокислой суспензии амина и нитрита натрия (м³/с);

с - концентрация (моль/м³);

Т _температура потока (К);

_ функции технологических ограничений;

_ критерий гибкости (работоспособности);

_ заданная вероятность выполнения технологических ограничений;

К _ выход по стадии (%);

_ средний размер частиц амина;

_ содержание диазосмол и нитрозных газов (%);

рН - кислотность;

Ф - интегральная функция качества азопигмента;

- зоны реакторной системы;

R - обобщенное обозначение знаний;

- функция математического ожидания;

I - целевая функция;

- обозначение вероятности выполнения выражения.

Верхние индексы:* - оптимальное значение; (0), (i), (вых) - вход, номер секции и выход реакторной системы.

Нижние индексы: s, d - статические и динамические по отношению к знаниям; S - твердая фаза; D, Az, P, A - диазосоединение, азосоставляющая, азопигмент, и амин.

1. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Эффективность функционирования химико-технологических объектов характеризуется множеством критериев и, в первую очередь, показателями качества выпускаемой продукции, энерго- и ресурсосбережения и экологической безопасности производства. Дальнейшее совершенствование действующих и оптимальное проектирование вновь строящихся химических производств требует для своего решения проведения большого объема предпроектных научных исследований в лабораторных и опытно-промышленных условиях, автоматизации процесса обработки больших объемов информации, максимального использования инженерных знаний, накопленных в результате предшествующего опыта проектно-технологической деятельности. При этом в качестве исходных данных для проектирования часто принимаются усредненные значения физико-химических характеристик, кинетических констант, технологических и экономических переменных, что может приводить к погрешностям в расчетах, и в некоторых случаях значительным.

В связи с этим представляется актуальным создание компьютерной среды для формализации профессиональных знаний с целью интерактивного моделирования и проектирования химико-технологических объектов в условиях неопределенности.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с грантом Минобразования РФ по фундаментальным исследованиям в области машиностроения "Теория и методы создания энерго- и ресурсосберегающего оборудования многоассортиментных автоматизированных производств органических полупродуктов и красителей" (шифр 97-24-12.2-13) на 1998-2000 гг. и в рамках НТП Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" в 2003, 2004 гг. по теме "Теоретические основы создания энерго- и ресурсосберегающих процессов и оборудования гибких автоматизированных производств органических полупродуктов и красителей при наличии неопределенности исходной информации".

Цель исследования. Целью настоящей работы является обобщение научных достижений в области моделирования и проектирования химико-технологических процессов и аппаратов в условиях неопределенности и разработка системы интерактивного моделирования и проектирования реакторных установок синтеза азокрасителей в условиях неопределенности.

Научная новизна. Предложена методика интерактивного моделирования и автоматизированного проектирования реакторных установок синтеза азокрасителей в условиях неопределенности, позволяющая учитывать различный уровень информации о ХТП на этапе его эксплуатации и обеспечивающая автоматизированное выполнение процедур составления и решения уравнений математического описания пользовательской задачи.

В новой постановке сформулирована стохастическая задача оптимального (по критерию приведенных затрат) проектирования аппаратурно-технологического оформления непрерывных процессов диазотирования и азосочетания, формирующая предпосылки для управления и автоматизации, и разработан алгоритм ее решения.

Построена фреймовая модель описания аппаратурно-технологического оформления блочно-модульных малогабаритных реакторных установок тонкого органического синтеза, используемая для хранения, переработки и накопления знаний о ХТП и поддержки принятия решений в информационной системе при интерактивном моделировании и проектировании реакторных установок синтеза азокрасителей в условиях неопределенности.

Уточнены и модифицированы математические модели процессов диазотирования и азосочетания в унифицированных модулях реакторных систем, используемые при автоматизированном составлении моделирующих программ.

Разработано информационное обеспечение системы интерактивного моделирования и проектирования гибких реакторных установок синтеза азокрасителей в условиях неопределенности, в том числе: база знаний, обеспечивающая поддержку функционирования интеллектуального интерфейса, и банк данных конструкций блочно-модульных малогабаритных реакторов тонкого органического синтеза, имеющие оригинальные структуры и схемы организации связей между ними.

Практическая значимость. Создан банк математических моделей и графическая база конструкций блочно-модульных малогабаритных химических реакторов (периодического и непрерывного действия), использующиеся для интерактивного моделирования и проектирования гибких реакторных установок синтеза азокрасителей в условиях неопределенности.

С использованием методики интерактивного моделирования предложены и обоснованы конструкции блочно-модульных малогабаритных реакторных установок тонкого органического синтеза. Разработана технологическая схема гибкого производства азокрасителей мощностью 1000 т/год, обеспечивающая высокий выход азопигмента (99,1 %) и соответствие физико-колористических показателей пигмента типовому образцу.

Разработана информационная система с элементами интеллектуального интерфейса, позволяющая решать задачи интерактивного моделирования и оптимизации процессов тонкого органического синтеза, оптимального проектирования аппаратурно-технологического оформления этих процессов в условиях неопределенности исходных данных и разработки принципиальных технологических схем гибких производств органических полупродуктов и красителей.

Результаты работы (методика интерактивного моделирования и проектирования, алгоритм оптимального проектирования в условиях неопределенности, структура и состав обеспечивающих подсистем автоматизированной информационной системы, библиотека численных методов, математических моделей процессов тонкого органического синтеза, предикатно-фреймовый подход к представлению предметной области) приняты к реализации Тамбовским ОАО "Пигмент" и ОАО "Корпорация "Росхимзащита" для выполнения работ по автоматизации научных исследований и автоматизированному проектированию новых химико-технологических процессов и систем.

Разработанная информационная система интерактивного моделирования и автоматизированного проектирования реакторных установок синтеза азокрасителей легла в основу созданного при участии автора компьютерного практикума "Компьютерное моделирование и оптимизация технологических процессов и оборудования химических производств", использующегося в учебном процессе ТГТУ при подготовке инженеров и магистров по направлениям: 655400 - "Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии" и 551800 - "Технологические машины и оборудование".

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской конференции "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве" (Н.Новгород, 1999), научных конференциях ТГТУ (Тамбов, 2000, 2006), Международной конференции "Математические методы в технике и технологиях" ММТТ-13 (С.-Петербург, 2000), Региональной конференции "Проблемы химии и химической технологии" (Воронеж, 2000), Международных конференциях "Математические методы в технике и технологиях" ММТТ-14 (Смоленск, 2001), ММТТ-15 (Тамбов, 2002), ММТТ-16 (С.-Петербург, 2003), ММТТ-17 (Кострома, 2004), ММТТ-18 (Казань, 2005), Всероссийской научно-технической конференции "Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий" (Улан-Уде, 2006).

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание работы, изложены в 15 публикациях в научных журналах и сборниках трудов международных и российских конференций.

2. Содержание работы

Введение. Сформулирована цель работы, обоснована ее актуальность, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приводится краткое содержание работы по главам.

1 Современное состояние вопросов интерактивного моделирования и проектирования химико-технологических объектов в условиях неопределенности.

Выполнен краткий обзор современных постановок задач, методов и алгоритмов моделирования и проектирования химико-технологических объектов в условиях неопределенности, существующих подходов к применению методов искусственного интеллекта для решения задач моделирования, оптимизации и проектирования технических объектов и систем, использования графических баз данных и интерактивных средств в современных информационных системах.

Показано, что синтез современных химических производств, в том числе производств органических полупродуктов и красителей, характеризующихся интенсификацией существующих химико-технологических процессов за счет применения прогрессивных технологий, малогабаритного и высокопроизводительного технологического оборудования, новых принципов управления, осуществляется с использованием методов и средств системного анализа, компьютерного моделирования и искусственного интеллекта при поддержке принятия решений.

В главе описаны основные подходы к моделированию и проектированию химико-технологических процессов и систем в условиях неопределенности исходной информации, развиваемые в работах Grossmann I.I., Floudas C.A., Pistikopoulos E.N., Островского Г.М., Бодрова В.И., Егорова А.Ф., Малыгина Е.Н., Дворецкого С.И. и др. Отмечается, что: 1) традиционные постановки задач оптимизации необходимо дополнять условием (ограничением) работоспособности проектируемой установки; 2) до настоящего времени не разработана методология интерактивного моделирования и автоматизированного проектирования с применением методов искусственного интеллекта; 3) большинство методик носит лишь теоретический характер и не находит практического применения для исследования и проектирования химико-технологических процессов и систем. Среди множества аспектов интеллектуализации информационных систем особая роль отводится интерактивным средствам взаимодействия с ЭВМ и графическим базам данных. При этом интерактивные средства используются лишь для организации ввода исходных данных, а графические базы данных реализуются, как правило, в виде набора готовых чертежей без указания свойств графических объектов.

В заключительном разделе главы определены задачи настоящей работы. Основными из них являются: разработка методики интерактивного моделирования и проектирования химико-технологических процессов и систем; модификация математических моделей процессов диазотирования и азосочетания для интерактивного моделирования и проектирования реакторных установок синтеза азокрасителей в информационной системе; разработка алгоритма решения двухэтапной стохастической задачи оптимизации конструктивных и режимных параметров гибких реакторных установок синтеза азокрасителей при наличии неопределенности в части технологических переменных и кинетических коэффициентов математических моделей; разработка структуры и состава обеспечивающих подсистем системы интерактивного моделирования и проектирования реакторных установок синтеза азокрасителей в условиях неопределенности; разработка предикатно-фреймовой модели представления аппаратурно-технологического оформления производства азокрасителей; формирование и наполнение банка данных информационной системы, объединяющего базы данных физико-химических свойств, кинетических коэффициентов, конструкций малогабаритных реакторных установок и базу знаний для обеспечения поддержки функционирования интеллектуального интерфейса; проведение экспериментальных исследований процессов и аппаратов диазотирования и азосочетания на пилотной установке с целью уточнения математических моделей процессов диазотирования и азосочетания в производстве азокрасителей и осуществления вычислительных экспериментов в информационой системе; постановка и решение задач стохастической оптимизации при оптимальном проектировании промышленных реакторных установок синтеза азокрасителей в условиях неопределенности исходных данных для проектирования.

2 Методы и алгоритмы интерактивного моделирования и проектирования химико-технологических процессов и систем в условиях неопределенности

2.1 Методика интерактивного моделирования и проектирования ХТП и систем в условиях неопределенности

Разработанная методика обеспечивает выполнение следующих требований: при эксплуатации ХТП должна обеспечиваться заданная производительность; ХТП должен быть экономически эффективным, т.е. некоторая мера, характеризующая его экономическую эффективность, должна принимать наибольшее или наименьшее значение (например, прибыль, приведенные затраты и др.); ХТП должен работать без аварийных ситуаций; ХТП должен быть экологически безопасным; совокупность "ХТП-система автоматического управления" должна работать в устойчивом режиме. ХТП, соответствующий этим требованиям, будем называть работоспособным (гибким). Важно отметить, что задачу построения работоспособного (гибкого) ХТП приходится решать в условиях неполной физико-химической и технологической информации. Источниками неопределенности являются: начальная неточность коэффициентов в математических моделях (константы скоростей реакций, коэффициентов межфазового обмена, тепло- и массопереноса и т.д.), связанная с неточностью эксперимента; неточность химических и физических закономерностей, положенных в основу математических моделей; изменение некоторых коэффициентов в математических моделях во время эксплуатации ХТП; изменение внешних условий функционирования ХТП во время его эксплуатации, так могут меняться температура, состав, расход внешних потоков. В связи с этим разработанная методика включает решение следующих задач: оценка работоспособности (гибкости) ХТП, определение оптимальных коэффициентов запаса технического ресурса при проектировании ХТП, учет различных уровней информации о ХТП, доступной на этапе его эксплуатации, формирующих предпосылки эффективного управления и автоматизации ХТП.

Методика интерактивного моделирования процессов тонкого органического синтеза (диазотирования и азосочетания), осуществляемых в реакторных установках периодического и непрерывного действия предполагает поэтапное выполнение процедур составления математического описания пользовательской задачи, ее коррекции, решения и анализа полученных результатов. Для этого предусматривается "интерактивное взаимодействие" с проектировщиком с использованием ограниченного естественного языка практически на всех этапах моделирования пользовательской задачи, а требование быстрого и правильного составления модели обусловливает необходимость замены программирования алгоритмов решения уравнений математической модели ее конструированием из готовых элементов; разработки проблемно-ориентированных библиотек готовых элементов; автономной отладки элементов; автоматической компоновки подобранных элементов в моделирующий алгоритм. В итоге происходит совмещение этапов подготовки, технического и рабочего проектирования пользовательской задачи и сокращение времени на ее решение.

Для отработки методики интерактивного моделирования и проектирования с учетом уравнений кинетики, покомпонентного и теплового балансов процессов диазотирования и азосочетания построены соответствующие математические модели динамики и статики, осуществляемых в малогабаритных и высокопроизводительных реакторах периодического и непрерывного действия и унифицированных модульных системах типа "царга-тарелка" и трубного типа. Блочная структура математических моделей предусматривает возможность их дальнейшего использования для автоматизированного составления математических описаний перспективных конструкций реакторных систем диазотирования и азосочетания.

2.2 Постановка задачи оптимального (по критерию приведенных затрат) проектирования аппаратурно-технологического оформления ХТП, формирующая предпосылки эффективного управления и автоматизации

Для формулировки задачи синтеза работоспособных (гибких) ХТП и систем необходимо задать форму целевой функции и определить ограничения. В основе этого определения лежит концепция двух этапов ХТП: этапа проектирования (на этом этапе неопределенность присутствует практически всегда) и этапа эксплуатации. На втором этапе возможны различные случаи, в том числе следующий.

На этапе эксплуатации неопределенные параметры могут быть определены в каждый момент времени и управляющие переменные могут быть использованы для обеспечения выполнения ограничений. Условие гибкости ХТП в этом случае запишется так:

или

а задача стохастической оптимизации с жесткими ограничениями имеет вид:

.

Это так называемая двухэтапная задача стохастической оптимизации с жесткими ограничениями.

В случае использования мягких (вероятностных) ограничений условие гибкости запишется как где , а значение целевой функции может быть найдено из решения задачи:

Где штрафной коэффициент; множество индексов ограничений, за нарушение которых берется штраф.

Отметим, если существует такое , что то при задача оптимизации с мягкими ограничениями переходит в задачу с жесткими ограничениями.

Таким образом, оптимизационная задача при проектировании ХТП может быть сформулирована с учетом различных уровней информации о ХТП, доступной на этапе его эксплуатации. Каждое решение дает оптимальный вариант ХТП для данного уровня информации. Разработка более точных моделей, установка новых измерительных приборов и систем автоматического управления для стабилизации неопределенных параметров повышают уровень доступной информации о ХТП, но требуют дополнительных затрат. При этом возникает важная проблема выбора оптимального (или разумного) уровня экспериментальной информации в качестве исходных данных для проектирования ХТП.

2.3 Разработка алгоритма решения двухэтапной задачи стохастической оптимизации ХТП

В терминах теории А-задач оптимизации двухэтапную задачу с вероятностными ограничениями можно переформулировать следующим образом: требуется найти m-мерный вектор постоянных величин и вектор конструктивных переменных такие, что

где весовые коэффициенты, которые присвоены каждой точке

Алгоритм

Шаг 1. Положить , выбрать начальное приближение вектора , совокупность аппроксимационных точек К и начальное множество критических точек .

Шаг 2. Методом последовательного квадратичного программирования решить задачу нелинейного программирования

при ограничениях

Пусть решение этой задачи.

Шаг 3. В точке вычисляются вероятности выполнения ограничений с использованием имитационной модели ХТП и проверяется выполнение условий:

Шаг 4. Если вероятностные ограничения не выполняются для каких-то номеров , т.е. , то включается алгоритм входа в допустимую область А, образуется новое множество критических точек , принимается и осуществляется переход к шагу 2, в противном случае - переход к следующему шагу 5.

Шаг 5. Определить вектор из решения внешней А-задачи оптимизации

3 Разработка системы интерактивного моделирования, оптимизации и проектирования химико-технологических процессов и систем в условиях неопределенности

3.1 Организационная структура и функции информационной системы интерактивного моделирования и проектирования реакторных установок синтеза азокрасителей

Информационная система выполняет рабочие и сервисные функции, для реализации которых ее структура может быть представлена в виде диалогового процессора, планировщика, интеллектуального банка данных, библиотеки методов и алгоритмов и блока специальных средств (рис. 1). Диалоговый процессор выполняет функции "общения" пользователя с интерактивной системой.

Синтез математических моделей химико-технологических процессов и систем, настройка информационной системы на решение той или иной задачи осуществляется планировщиком исходя из требований формализованного задания, поступающего на вход диалогового процессора. Планировщик намечает схему прохождения информации через систему и выбор программных модулей, необходимых для решения поставленной задачи. Непосредственное формирование математической модели происходит путем объединения указанных во фреймах-прототипах присоединенных процедур.

Рисунок 1 - Структура интерактивной системы

Вся необходимая для расчетов и текущая информация хранится в интеллектуальном банке данных. При этом база знаний включает модель представления предметной области в виде правил продукции и фреймов-прототипов технологических процессов, а базы данных содержат необходимую для расчетов информацию: физико-химические свойства перерабатываемых веществ, кинетические параметры и коэффициенты математических моделей, конструкционные материалы и их характеристики.

3.2 Разработка интеллектуального интерфейса информационной системы интерактивного моделирования и проектирования

В рамках разработки интеллектуального интерфейса информационной системы были решены следующие задачи: адаптация к пользователю, поставленной исследовательской задаче, предметной области за счет фреймового представления предметной области (процессы диазотирования и азосочетания); моделирование диалога с пользователем с различными способами взаимодействия; моделирование пользовательских задач, решаемых в рамках предметной области.

Все знания R о химическом производстве, представленные в интерактивной системе можно разделить на статические R_s, служащие для представления состояния предметной области в некоторый момент времени, и динамические R_d, описывающие множество возможных правил перехода по графу состояний.

В предлагаемой модели статические знания R_s образованы множеством значений слотов всех фреймов и используются для представления, переработки и накопления знаний о процессах диазотирования и азосочетания (технологические режимы, оборудование в котором протекает процесс и его параметры, физико-химические свойства участников процесса и др.), а присоединенные процедуры (R_d) в случае их программной реализации дают возможность автоматического составления рабочих программ.

Структура фрейма-прототипа ХТП, реализованная в интерактивной системе, представлена на рисунке 2. По сути, фрагментом фрейма-прототипа является экземпляр графической базы данных, в которой содержится графический примитив, обозначающий аппарат для протекания какого-либо процесса тонкого органического синтеза и его спецификация.

Переход из одного состояния фрейма в другое может быть описан следующими правилами:

– если перехода из одного состояния в другое не произошло, то фрейм остается неизменным; если происходит рекурсивное зацикливание, то слоты фрейма не определяются;

– если присутствуют присоединенные процедуры, то значения слотов определяются с их помощью;



Рисунок 2 - Фрейм-прототип ХТП: РУ1-многомодульная реакторная установка комбинированного типа; РУ2-многосекционная реакторная установка трубного типа; РУ3-многосекционная реакторная установка смешения

– если присоединенные процедуры не определены, но присутствуют порожденные фреймы, то значения слотов фрейма-родителя можно определить по фреймам-потомкам;

– во всех остальных случаях значение слота остается неопределенным.

3.3 Разработка интерактивных средств поддержки принятия решений при моделировании и проектировании реакторных установок синтеза азокрасителей в условиях неопределенности

Математическое и алгоритмическое обеспечения интерактивной системы включают в себя математические модели исследуемых или проектируемых ХТП, методы

анализа и синтеза этих объектов, алгоритмы выполнения проектных процедур.

Процедура работы с математическими моделями, входящими в состав интерактивной системы состоит из двух последовательных этапов: синтез математической модели исследуемого объекта и ее решение. При формировании математических моделей исследуемых процессов на основе блочно-модульного подхода в моделировании математическое описание технологического процесса или аппарата составляется из математических описаний отдельных компонент исследуемого объекта (блоки гидродинамики, химической кинетики, тепло- и массопереноса и т.д.). Процесс синтеза математических моделей выполняется в интерактивном режиме после описания пользователем исследуемого объекта.

Для реализации процедуры формирования математических моделей объектов в интерактивной системе разработан блок компоновки математической модели, состоящий из наполнения блока и организующей подпрограммы (рисунок 3). Наполнение блока компоновки в свою очередь содержит в виде модулей прикладные программы и модель предметной области в виде фреймов-прототипов ХТП.

Рисунок 3 - Схема блока компоновки

Организующая программа, состоящая из транслятора описаний, компоновщика и компилятора, необходима для управления работой блока компоновки математических моделей при решении задач. В ее функции входит перевод описания задачи с входного языка на внутренний язык системы, определение последовательности выполнения модулей для каждой задачи, обеспечение взаимодействия используемых модулей.

Для решения получаемых математических моделей в интерактивной системе необходимо использование большого многообразия различных численных и оптимизационных методов и алгоритмов. По этой причине в системе предусмотрена библиотека методов и алгоритмов, включающая в себя программные реализации методов, используемых для решения задач исследования и оптимального проектирования (мето- ды решения линейных, нелинейных и трансцендентных уравнений и их систем, обыкновенных дифференциальных уравнений и их систем и дифференциальных уравнений в частных производных, методы решения оптимизационных задач).

4 Интерактивное моделирование и оптимальное проектирование реакторных установок синтеза азокрасителей в условиях неопределенности

4.1 Формирование обликов реакторных установок тонкого органического синтеза (диазотирования и азосочетания) с использованием графической базы данных

На основе унификации технологических элементов и принципов модульного строения реакторных систем, упрощающих разработку высокоэффективных многоассортиментных производств органических красителей за счет создания новых комбинированных аппаратов, формируется множество альтернативных вариантов аппаратурного оформления. Принципам модульности в наибольшей степени удовлетворяют каскадные и комбинированные секционированные системы с распределенным вводом входных потоков. Такие системы позволяют легко изменять свою структуру за счет подключения (отключения) секций, регулировать пребывание реакционной массы в аппаратах, обеспечивать требуемые профили температуры и концентрации реагирующих веществ. К унифицированным модулям реакторных систем относятся непрерывно действующие модули идеального смешения с перемешивающим устройством и идеального вытеснения трубного (например, диффузор-конфузорного) типа.

С помощью графической базы данных и графического редактора интерактивной системы можно формировать многомодульные и каскадные реакторные системы диазотирования и азосочетания, состоящие из модулей типа «царга-тарелка» и трубного типа. При этом пользователю необходимо заполнить спецификацию на каждый модуль, включающую полный набор конструктивных и технологических параметров необходимых для решения поставленной задачи.

Рассмотренные гибкие реакторные системы и принципы их формирования в графической базе данных интерактивной системы использовались при моделировании и оптимизации непрерывных процессов диазотирования и азосочетания.

4.2 Интерактивное моделирование функционирования реакторных установок тонкого органического синтеза в условиях неопределенности

Для отработки методики интерактивного моделирования и проверки адекватности математических моделей диазотирования и азосочетания использовали результаты экспериментальных исследований процессов диазотирования и азосочетания в реакторных установках различных конструкций автоматизированной пилотной установки синтеза азопигментов, включающей широкий набор модулей-ректоров, вспомогательное технологическое оборудование и управляемый коммутационный центр, предназначенный для оперативной настройки экспериментальной установки на требуемый технологический режим. Результаты экспериментов на пилотных установках показали, что среднеквадратичное отклонение расчетных и экспериментальных данных для моделей статики не превышает 9 %, а максимальное рассогласование - 14 %.

С использованием информационной системы интерактивного моделирования и проектирования процессов и аппаратов тонкого органического синтеза проведены исследования статических режимов процессов диазотирования и азосочетания синтеза азопигментов с целью определения наиболее существенных управляющих входных переменных процессов и опасных возмущающих воздействий, знание которых поможет сформулировать и решить задачи оптимизации исследуемых процессов.

Исследования показали, что для управления процессом диазотирования (рисунок 4) целесообразно использовать распределение подачи нитрита натрия и температуры T⁽ⁱ⁾ по зонам реактора диазотирования . При случайных изменениях концентрации твердой фазы амина и среднего размера частиц амина в питании реактора значительно снижается выход диазосоединения и нарушаются ограничения технологического регламента процесса диазотирования. В качестве управляющих воздействий целесообразно использовать расходы суспензии амина или нитрита натрия , а также распределение подачи нитрита натрия и температуры по секциям реактора .

Рисунок 4 - Зависимость проскока амина (1), выхода диазосоединения К_D (2), количества нитрозных газов у (3) и диазосмол ч (4) от концентрации твердой фазы амина [с_А]_S (а) и температуры реакционной смеси Т⁽⁰⁾ (б) в питании реакторной системы диазотирования.

Результаты исследования процесса азосочетания показали, что скорость азосочетания лимитируется скоростью кристаллизации азопигмента, причем этот процесс протекает в смешанной диффузионно-кинетической области. Наиболее важной технологической переменной процесса азосочетания является величина рН среды сочетания (рис. 5а), не только влияющая на степень выхода целевого продукта и количество побочных продуктов (диазосмол) в нем, но и определяющая главным образом параметры гранулометрического распределения кристаллов пигмента. Наиболее опасным возмущающим фактором процесса азосочетания является соотношение мольных подач азо- и диазосоставляющих в питании реакторной системы (рис. 5б), которое может быть компенсировано изменением подачи азосоставляющей. Все это в целом определяет физико-колористические свойства получаемого пигмента.

Рисунок 5 - Зависимость отклонения параметров интегральной функции качества от типовых значений Ф (1), количества диазосмол (2), выхода азопигмента К_P (3), концентрации азосоставляющей (4) от кислотности среды сочетания рН (а) и соотношения мольных подач азо- и диазосоставляющих S⁽⁰⁾ (б) в реакторной системе азосочетания.

4.3 Интерактивное оптимальное проектирование гибких реакторных установок тонкого органического синтеза в условиях неопределенности

На основе результатов проведенных исследований статических режимов были сформулированы и решены задачи оптимизации технологических режимов диазотирования и азосочетания для опытно-промышленной установки производительностью 1000 т/год.

В качестве критерия оптимизации использовались приведенные затраты на производство 1т пигмента.

При оптимальном проектировании реакторной системы диазотирования типа «царга-тарелка» в качестве проектных параметров рассматривались: вектор конструктивных параметров d, включающий число секций реактора и объем «царги» (примем, что диаметр модуля реакторной системы равен его высоте), а также вектор режимных переменных процесса z, включающий распределение температуры и подачи нитрита натрия в первые три секции реактора.

Оптимальное проектирование реактора азосочетания предполагает использование в качестве независимых переменных вектор конструктивных параметров d, включающий число секций реакторной системы и объем одного модуля (при этом диаметр модуля реакторной системы равен его высоте), а также вектор режимных переменных процесса z, включающий распределение кислотности среды и подачи диазосоединения в первые две секции реактора.

В результате решения задач оптимального проектирования реакторных установок диазотироавния и азосочетания были получены следующие результаты. Для обеспечения заданной производительности в 1000 т/год требуется 5-тимодульная реакторная система диазотирования (объем каждого модуля 0,098 м³) и 2-хмодульная реакторная система азосочетания (объем каждого модуля 0,581 м³) типа «царга-тарелка». При этом для выполнения технологических ограничений необходимо поддерживать в первых трех секциях реактора диазотирования температуру на уровне 291,1 К; 287,3 К; 285,6 К и распределять в них нитрит натрия в соотношении 0,707 %; 0,256 %; 0,037 %. Полученное диазосоединение должно распределяться по модулям реактора азосочетания в соотношении 0,853 % и 0,147 %,в которых кислотность среды поддерживается на уровне 7,28 и 7,41 ед. рН. Приведенные затраты составили: для задачи диазотирования - 2283,8 у.е./т, для задачи азосочетания - 2415,7 у.е./т.

Как показали дополнительные исследования, данные конструкции реакторных систем были получены с некоторым запасом технического ресурса, что объясняется необходимостью обеспечения работоспособности реакторной системы при отклонении неопределенных параметров от номинальных значений.

4.4 Автоматизированная разработка принципиальных технологических схем гибких производств органических полупродуктов и красителей с использованием графической базы данных

Помимо решения задач оптимизации конструктивных и режимных переменных процессов диазотирования и азосочетания была исследована возможность информационной системы интерактивного моделирования и проектирования процессов и аппаратов тонкого органического синтеза для расчета номинальных режимов принципиальных технологических схем гибкой установки непрерывного синтеза азопигментов.

Выбор той или иной технологической схемы во многом определяется набором требований, предъявляемых к ней, и задачами, для решения которых она предназначена. Так на этапе отработки непрерывных технологических процессов диазотирования и азосочетания для получения азопигментов может использоваться установка общей производительностью 1000 т/год.

Диазотирование в этой установке проводится непрерывно в 5-модульной реакторной системе диазотирования типа "царга-тарелка", куда подается предварительно охлажденная солянокислая суспензия амина. Из реакторной системы диазотирования диазосоединение самотеком поступает в каскад реакторов азосочетания. Для более качественного проведения процесса сочетания осуществляется распределенная подача диазосоединения между реакторами азосочетания.

Результаты расчета в интерактивной системе номинального режима такой технологической схемы показали, что в 5-тимодульной реакторной системе диазотирования типа «царга-тарелка» (объем модуля 0,098 м³) и 2-хмодульной реакторной системе азосочетания (объем модуля 0,581 м³) обеспечивается: выход диазосоединения - 98,2%, проскок амина - 0,81 %, содержание диазосмол в диазосоединении - 0,49 %, содержание нитрозных газов - 0,73 %, выход азопигмента - 99,1 %, содержание диазосмол в азопигменте- 0,86 % и соответствие физико-колористических показателей пигмента типовому образцу.

интерактивный синтез химический азокраситель

Основные выводы по работе

1. Предложена методика интерактивного моделирования и оптимального проектирования химико-технологических процессов и систем в условиях неопределенности, обеспечивающая решение исследовательских и проектных задач за счет совмещения этапов подготовки, технического и рабочего проектирования в информационной системе с интеллектуальным интерфейсом.

2. Разработан алгоритм решения задачи стохастической оптимизации аппаратурно-технологического оформления малогабаритных и высокопроизводительных реакторных установок синтеза азокрасителей, предназначенных для функционирования в составе гибкого автоматизированного производства.

3. Уточнены математические описания кинетики процессов диазотирования и азосочетания, осуществляемые в унифицированных модулях малогабаритных конструкций реакторных установок, что позволило их использовать при автоматизированном составлении моделирующей программы.

4. Разработана структура информационной системы интерактивного моделирования и проектирования аппаратурно-технологического оформления реакторных установок синтеза азокрасителей в условиях неопределенности исходных данных, обеспечивающая решение пользовательской задачи исходя из требований формализованного задания.

5. Создано математическое, программное и алгоритмическое обеспечение информационной системы, включающее в себя современные методы и алгоритмы решения различных задач моделирования и оптимизации в условиях неопределенности, библиотеку математических моделей процессов диазотирования и азосочетания в реакторах различных конструкций, подсистему автоматизированного формирования математических моделей конкретных химико-технологических объектов.

6. Построена предикатно-фреймовая модель описания аппаратурно-технологического оформления малогабаритных и высокопроизводительных реакторных установок тонкого органического синтеза (диазотирования и азосочетания), предназначенная для их представления в системе интерактивного моделирования и проектирования.

7. Сформирован интеллектуальный банк данных информационной системы интерактивного моделирования и проектирования (информационное обеспечение), объединяющий базы данных физико-химических свойств, кинетических констант, графическую базу данных перспективных конструкций реакторных систем и базу знаний для обеспечения функционирования интеллектуального интерфейса.

8. Проверена адекватность уточненных математических моделей статики процессов диазотирования и азосочетания по экспериментальным данным, полученным на пилотных установках синтеза азопигментов. Среднеквадратичное отклонение расчетных и экспериментальных данных не превышает 9 %, а максимальное рассогласование - 14 %.

9. Исследованы непрерывные процессы диазотирования и азосочетания при синтезе азопигментов, выявлены наиболее существенные управляющие переменные этих процессов и наиболее опасные возмущающие воздействия, определена чувствительность выходных параметров процессов диазотирования и азосочетания по отношению к входным.

10. Сформулированы и решены задачи стохастической оптимизации аппаратурно-технологического оформления процессов диазотирования и азосочетания в производстве азокрасителей, определены оптимальные значения конструктивных и режимных параметров функционирования многомодульных реакторных систем синтеза азопигментов. Приведенные затраты составили: для задачи диазотирования - 2283,8 у.е./т, для задачи азосочетания - 2415,7 у.е./т.

11. Разработана технологическая схема гибкого производства азокрасителей мощностью 1000 т/год, состоящая из пятимодульного реактора диазотирования и какскада из двух реакторов азосочетания емкостного типов. В разработанной схеме обеспечивается выход азопигмента - 99,1 %, содержание диазосмол в азопигменте- 0,86 % и соответствие физико-колористических показателей пигмента типовому образцу.

12. Результаты работы (методика интерактивного моделирования и проектирования, алгоритм оптимального проектирования в условиях неопределенности, структура и состав обеспечивающих подсистем информационной системы, библиотека численных методов и математических моделей) приняты к реализации Тамбовским ОАО «Пигмент», ОАО «Корпорация «Росхимзащита», а также используются в учебном процессе ТГТУ при подготовке инженеров и магистров по направлениям: 655400 - «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» и 551800 - «Технологические машины и оборудование».

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях

1. Дворецкий С.И. Компьютерные технологии в проектировании технологических процессов и оборудования химических производств / С.И. Дворецкий, И.Н. Мамонтов, Н.В. Игнатьева // Тез. докл. I Всеросс. научно-технической конференции "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве".-Н. Новгород, 1999. -С. 32-33.

2. Дворецкий С.И. Система математического моделирования, оптимизации и проектирования технологических процессов и оборудования химических производств / С.И. Дворецкий, И.Н. Мамонтов, Н.В. Игнатьева, Д.В. Жданов // Информационные технологии.-1999.-№ 11.-С. 36-43.

3. Дворецкий С.И. Концепция создания интеллектуальной системы автоматизированного моделирования и проектирования процессов и аппаратов химической технологии / С.И. Дворецкий, Н.В. Игнатьева // Тез. докл. V научной конференции ТГТУ.-Тамбов, 2000.-С. 45 - 46.

4. Игнатьева Н.В. Концепции интеллектуальных САПР / Н.В. Игнатьева // Труды ТГТУ: Сборник научных статей молодых ученых и студентов. Вып. 5.-Тамбов: ТГТУ, 2000._ С. 80 - 83.

5. Дворецкий С.И. Моделирование и проектирование экологически безопасных химических процессов и установок / С.И.Дворецкий, Д.С. Дворецкий, А.В. Майстренко, Н.В. Игнатьева // Тез. докл. 13 международной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (ММТТ-2000).-С.-Петербург, 2000._ Т.3.- С. 187-190.

6. Дворецкий С.И. Автоматизация математического моделирования в САПР технологических процессов и оборудования химических производств / С.И. Дворецкий, Н.В. Игнатьева // Сб. трудов VIII Регион. конф. "Проблемы химии и химической технологии".-Воронеж, 2000.-С. 38 - 39.

7. Игнатьева Н.В. Интеллектуальный интерфейс системы математического моделирования, оптимизации и проектирования / Н.В. Игнатьева // Труды ТГТУ: Сб. научных статей молодых ученых и студентов. Вып. 8.- Тамбов: ТГТУ, 2001._ С. 161-166.

8. Дворецкий С.И. Интеллектуализация системы моделирования, оптимизации и проектирования химических процессов и установок / С.И. Дворецкий, А.В. Майстренко, Н.В. Игнатьева // Тез. докл. 14 Международной конференции "Математические методы в технике и технологиях".-Смоленск, 2001._ Т.2.- С. 7-10.

9. Майстренко А.В. Интеллектуальная система моделирования, оптимизации и проектирования процессов и аппаратов / А.В. Майстренко, Н.В. Игнатьева // Тез. докл. 15 Международной конференции "Математические методы в технике и технологиях".-Тамбов, 2002._ Т.9.- С. 14-15.

10. Дворецкий С.И. Структура системы компьютерного моделирования и проектирования химических производств / С.И. Дворецкий, А.В. Майстренко, Н.В. Игнатьева // Тез. докл. 16 Международной конференции "Математические методы в технике и технологиях".-С.-Петербург, 2003._ Т.3.- С. 148-150.

11. Майстренко А.В. Математическое обеспечение системы моделирования и проектирования процессов химической технологии / А.В. Майстренко, Н.В. Игнатьева // Тез. докл. 17 Международной конференции "Математические методы в технике и технологиях".-Кострома, 2004.- Т.10.- С. 6-7.

12. Майстренко А.В. Модель представления знаний в системе компьютерного моделирования и проектирования химических производств / А.В. Майстренко, Н.В. Игнатьева // Тез. докл. 18 Международной конференции "Математические методы в технике и технологиях".-Казань, 2005.- Т.6.- С. 81-83.

13. Майстренко А.В. Продукционно-фреймовое представление знаний в интерактивной системе моделирования и проектирования химических производств / А.В. Майстренко, Н.В. Игнатьева // Труды ТГТУ: Сборник научных статей молодых ученых и студентов. Вып. 17.- Тамбов: ТГТУ, 2005.-- С. 72-75.

14. Майстренко А.В. Интерактивное моделирование и проектирование процессов и аппаратов производства азопигментов / А.В. Майстренко, Н.В. Игнатьева // Фундаментальные и прикладные исследования, инновационные технологии, профессиональное образование: Сб. трудов XI науч. конф. ТГТУ.- Тамбов, 2006.- Ч. 1.- С. 160-165.

15. Майстренко А.В. Компьютерное моделирование и проектирование процессов и установок получения синтетических красителей / А.В. Майстренко, Н.В. Игнатьева // Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий: Материалы VII Всеросс. научно-технической конференции. - Улан-Уде, 2006. - С. 76-81.

Размещено на Allbest.ru

...