Автоматизированное управление технологическим процессом нейтрализации аммиачной селитры на основе теории реологических переходов

Використовуючи теорію реологічних переходів, розроблено фізичні та математичні моделі, які описують процеси масо- і теплопереносу в апараті нейтралізації. Удосконалено систему стабілізації співвідношення потоків азотної кислоти і аміаку шляхом введення коригуючого сигналу за коефіцієнтом співвідноше...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2017
Автор:	Проказа, Е.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2017
Назва видання:	Проблемы управления и информатики
Теми:	Математическое моделирование и исследование сложных управляемых систем
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/208512
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Автоматизированное управление технологическим процессом нейтрализации аммиачной селитры на основе теории реологических переходов / Е.И. Проказа // Проблемы управления и информатики. — 2017. — № 3. — С. 13-24. — Бібліогр.: 25 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-208512
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-2085122025-11-01T01:07:41Z Автоматизированное управление технологическим процессом нейтрализации аммиачной селитры на основе теории реологических переходов Автоматизоване керування технологічним процесом нейтралізації аміачної селітри на основі теорії реологічних переходів Automated control of neutralization technological process of ammonium nitrate by the principles of rheological transitions Проказа, Е.И. Математическое моделирование и исследование сложных управляемых систем Використовуючи теорію реологічних переходів, розроблено фізичні та математичні моделі, які описують процеси масо- і теплопереносу в апараті нейтралізації. Удосконалено систему стабілізації співвідношення потоків азотної кислоти і аміаку шляхом введення коригуючого сигналу за коефіцієнтом співвідношення постійних часу масопереносу в регулюючий алгоритм співвідношення цих потоків. Запропоновано систему керування температурним режимом апарата нейтралізації за різницею температур в зоні реакції і на виході з апарата нейтралізації шляхом введення сокового пару в реакційну зону. Using the theory of rheological transitions there are developed physical and mathematical models that describe the processes of mass and heat transfer in the apparatus of neutralization. Improved system of stabilization of the correlation flow of nitric acid and ammonia through the introduction of a correction signal by coefficient of correlation of the time constants of mass transfer to the regulation algorithm of correlation of these flows. Proposed thermal control system of neutralization apparatus by the thermal difference in the reaction zone and the out neutralization apparatus by introducing the steam into the reaction zone. 2017 Article Автоматизированное управление технологическим процессом нейтрализации аммиачной селитры на основе теории реологических переходов / Е.И. Проказа // Проблемы управления и информатики. — 2017. — № 3. — С. 13-24. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. 0572-2691 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/208512 66.012-52:661.525.3:532.135 10.1615/JAutomatInfScien.v49.i6.40 ru Проблемы управления и информатики application/pdf Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Математическое моделирование и исследование сложных управляемых систем Математическое моделирование и исследование сложных управляемых систем
spellingShingle	Математическое моделирование и исследование сложных управляемых систем Математическое моделирование и исследование сложных управляемых систем Проказа, Е.И. Автоматизированное управление технологическим процессом нейтрализации аммиачной селитры на основе теории реологических переходов Проблемы управления и информатики
description	Використовуючи теорію реологічних переходів, розроблено фізичні та математичні моделі, які описують процеси масо- і теплопереносу в апараті нейтралізації. Удосконалено систему стабілізації співвідношення потоків азотної кислоти і аміаку шляхом введення коригуючого сигналу за коефіцієнтом співвідношення постійних часу масопереносу в регулюючий алгоритм співвідношення цих потоків. Запропоновано систему керування температурним режимом апарата нейтралізації за різницею температур в зоні реакції і на виході з апарата нейтралізації шляхом введення сокового пару в реакційну зону.
format	Article
author	Проказа, Е.И.
author_facet	Проказа, Е.И.
author_sort	Проказа, Е.И.
title	Автоматизированное управление технологическим процессом нейтрализации аммиачной селитры на основе теории реологических переходов
title_short	Автоматизированное управление технологическим процессом нейтрализации аммиачной селитры на основе теории реологических переходов
title_full	Автоматизированное управление технологическим процессом нейтрализации аммиачной селитры на основе теории реологических переходов
title_fullStr	Автоматизированное управление технологическим процессом нейтрализации аммиачной селитры на основе теории реологических переходов
title_full_unstemmed	Автоматизированное управление технологическим процессом нейтрализации аммиачной селитры на основе теории реологических переходов
title_sort	автоматизированное управление технологическим процессом нейтрализации аммиачной селитры на основе теории реологических переходов
publisher	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Математическое моделирование и исследование сложных управляемых систем
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/208512
citation_txt	Автоматизированное управление технологическим процессом нейтрализации аммиачной селитры на основе теории реологических переходов / Е.И. Проказа // Проблемы управления и информатики. — 2017. — № 3. — С. 13-24. — Бібліогр.: 25 назв. — рос.
series	Проблемы управления и информатики
work_keys_str_mv	AT prokazaei avtomatizirovannoeupravlenietehnologičeskimprocessomnejtralizaciiammiačnojselitrynaosnoveteoriireologičeskihperehodov AT prokazaei avtomatizovanekeruvannâtehnologíčnimprocesomnejtralízacííamíačnoíselítrinaosnovíteorííreologíčnihperehodív AT prokazaei automatedcontrolofneutralizationtechnologicalprocessofammoniumnitratebytheprinciplesofrheologicaltransitions
first_indexed	2025-11-01T02:07:53Z
last_indexed	2025-11-02T02:04:13Z
_version_	1847642348686671872
fulltext	© Е.И. ПРОКАЗА, 2017 Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 3 13 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СЛОЖНЫХ УПРАВЛЯЕМЫХ СИСТЕМ УДК 66.012-52:661.525.3:532.135 Е.И. Проказа АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ АММИАЧНОЙ СЕЛИТРЫ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ Введение В условиях современного рынка для гарантирования конкурентоспособности химических предприятий необходимо обеспечить получение качественного продукта с минимально возможными расходами. Производство аммиачной селитры (ammoni- um nitrate) в Украине на данное время составляет более 2 млн тонн в год, характери- зуется большим энерго- и ресурсопотреблением и требует значительных затрат на пе- реработку и утилизацию отходов. Производство аммиачной селитры — непрерывный и многостадийный процесс, требует высокоэффективного контроля и управления для безопасного ведения технологического процесса. Главная стадия производства амми- ачной селитры — нейтрализация. Эффективность управления этой стадией в значи- тельной степени определяет эффективность всего производства аммиачной селитры в целом [1]. В ходе нейтрализации выделяется большое количество тепла, используе- мого для выделения воды, которая вносится с неконцентрированной азотной кисло- той. Превышение температуры в аппарате нейтрализации приводит к росту потерь в производстве аммиачной селитры, выбросов вредных веществ в атмосферу и создает взрывоопасную ситуацию. Аммиачная селитра — не только минеральное удобрение, но и стратегическое сырье для многих отраслей химического производства, поэтому актуально совершен- ствование управления технологическим оборудованием по ее изготовлению за счет уменьшения энергетических и технологических расходов. Учитывая, что азотная кис- лота и аммиак производятся другими подразделениями азотного комплекса, основная задача относительно улучшения производства аммиачной селитры может быть реше- на за счет совершенствования существующих и разработки новых систем автомати- зированного контроля и управления. Современные агрегаты производства аммиачной селитры имеют ряд специфиче- ских особенностей, которые нужно учитывать при разработке систем автоматиза- ции [2]. Большая мощность и последовательная структура схемы производства амми- ачной селитры задают повышенные требования относительно надежности контроля, регулирования и защиты, поскольку выход из строя отдельного элемента часто при- водит к полной остановке аппарата использования тепла нейтрализации (ИТН) и, как следствие, к большим экономическим потерям. Организация управления объектами такого типа требует пересмотра традиционных схем управления и нового подхода к разработке систем контроля, автоматического регулирования и автоматизированных систем управления. 14 ISSN 0572-2691 Для автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП) характерно наличие вычислительной подсистемы, которая обеспечивает математическую и логическую обработку информации по заданным алгоритмам, раз- работку и применение управляющих воздействий на регуляторы или непосредствен- но на исполнительные механизмы. На нее полностью или частично переносятся функции информационной подсистемы, а также функция контроля работы системы противоаварийной защиты [3]. Рассмотрены возможные направления малорасходной модернизации агрегата аммиачной селитры в [4]. Отличие технико-экономических показателей производства аммиачной селитры в зависимости от особенностей кон- кретных технологических схем находится, главным образом, в области расходов энергоресурсов, которые зависят от концентрации используемой неконцентрирован- ной азотной кислоты и утилизации тепла нейтрализации. Анализ многотоннажных агрегатов получения азотной кислоты АК-72М и аммиачной селитры АС-72М, с точ- ки зрения их управления, проведенный в [5], позволил выделить особенности этих объектов: во-первых, они являются последовательной структурой производства ко- нечного продукта; во-вторых, технологические линии и узлы агрегатов технологиче- ски и информационно взаимосвязаны, а сами агрегаты характеризуются относитель- ной автономностью. Предлагается распределенная система управления, которая поз- воляет повысить оперативность, надежность, безопасность и эффективность управления. В работе [6] предложены новые химико-технологические решения по производству аммиачной селитры, которые позволяют получить удобрения высшего качества и улучшить экологические условия производства. Но все эти мероприятия не учитывают сложность объектов управления и взаимосвязь всех параметров техноло- гического процесса производства аммиачной селитры. АСУТП производства аммиачной селитры на современных предприятиях пред- ставляет собой распределенную систему контроля и управления. Системы автомати- ческого регулирования, которые входят в АСУТП производств аммиачной селитры, как правило, направлены на стабилизацию отдельных технологических параметров, к которым относят регулирование соотношения потоков азотной кислоты и аммиака для обеспечения материального и стехиометрического баланса реакции за счет изме- нения расхода азотной кислоты и стабилизацию ее концентрации в растворе аммиач- ной селитры на выходе из аппарата ИТН за счет изменения расхода аммиака [7, 8]. При этом концентрацию азотной кислоты в растворе аммиачной селитры измеряют косвенным потенциометрическим методом по концентрации водорода в реакционной зоне и в растворе аммиачной селитры на выходе из ИТН. По их разнице изменяется расход азотной кислоты, которая подается в барботерную систему аппарата ИТН. При этом не учитывают, что водородный показатель, который определяется платино- выми электродами, недостоверен, так как раствор в реакционной зоне еще находится в зоне реологического перехода, в котором имеет место совокупность непрореагиро- вавшей азотной кислоты, аммиака, аммиачной селитры и других составляющих, что достаточно сильно влияет на показание рН-метров. Такой способ управления техно- логическим процессом несовершенен, так как, во-первых, температура реакционной массы на протяжении некоторого времени может повышаться за счет запаздывания изменения расхода неконцентрированной азотной кислоты, во-вторых, не позволяет контролировать непосредственно температуру как основной влияющий фактор и, в-третьих, надежность и точность управления достаточно низкая. Постановка проблемы Аппарат нейтрализации относится к сложным многопараметрическим объектам управления, который формально имеет четыре входные регулируемые координаты: концентрацию раствора аммиачной селитры, концентрацию азотной кислоты в этом растворе, температуру реакции и давление сокового пара и три регулирующих коор- Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 3 15 динаты: расходы неконцентрированной азотной кислоты, аммиака и сокового пара. Кроме того, на этот процесс достаточно сильно влияют многие факторы, такие как количество воды в азотной кислоте, температура материальных потоков и др. В науч- ной литературе недостаточно исследован аппарат нейтрализации азотной кислоты га- зообразным аммиаком как сложный многопараметрический объект управления. По- этому один из важных факторов улучшения эффективности управления процессом нейтрализации — разработка способов управления, которые позволяют учитывать многопараметричность аппарата нейтрализации как объекта управления. Технологические процессы в химической технологии сопровождаются рео- логическими переходами [9, 10], основой которых является перенос массы, энер- гии и импульса. Наличие того или другого реологического перехода приводит к изменению технологических параметров, а соответственно и эффективности тех- нологического процесса. Именно поэтому для описания технологического про- цесса в аппарате нейтрализации предлагается использовать теорию реологических переходов. В научно-технической литературе практически не приводятся результаты ис- следований термодинамического режима работы аппарата нейтрализации. Указы- вается, что температура в зоне реакции не должна превышать 165 ºС, температура раствора аммиачной селитры на выходе из аппарата ИТН должна находиться в диапазоне 150–160 ºС. Превышение температуры в реакционной зоне аппарата ИТН больше 165 ºС приводит к термическому разложению аммиачной селитры, увеличению выбросов продуктов реакции с соковым паром и уменьшению произ- водительности аппарата нейтрализации. Снижение температуры раствора амми- ачной селитры ниже 150ºС может вызвать ее кристаллизацию. Конденсат соково- го пара, как побочный продукт производства, используется в небольших количе- ствах для охлаждения аппарата нейтрализации только в тех случаях, когда температура реакционной массы достигает предельно допустимого значения [11]. Также не учитывается изменение температуры в зависимости от высоты поднятия раствора аммиачной селитры в реакционном стакане и другие параметры, непо- средственно влияющие на процесс нейтрализации. Таким образом, из анализа современных способов автоматического управле- ния процессом производства аммиачной селитры можно сделать вывод, что из- вестные принципы управления не обеспечивают необходимого энерго- и ресурсо- сбережения, поэтому цель настоящей публикации — улучшить работу аппарата нейтрализации за счет усовершенствования существующей и разработки новой системы автоматического управления процессом нейтрализации с использовани- ем теории реологических переходов. Для достижения этой цели необходимо решить такие основные задачи: 1) исследовать физико-химические процессы объекта управления (аппарата нейтрализации) и разработать физические и математические модели процесса нейтрализации на основе теории реологических переходов; 2) усовершенствовать систему автоматического управления соотношением потоков азотной кислоты и аммиака в аппарате нейтрализации; 3) разработать систему управления температурным режимом процесса в ап- парате нейтрализации. Материалы исследований Для решения первой задачи исследовались физико-химические процессы в аппарате нейтрализации и было установлено, что процесс нейтрализации в произ- водстве аммиачной селитры сопровождается массо- и теплопереносом [12]. Со- гласно теории реологических переходов [9, 10] процесс нейтрализации сопровож- дается тремя фазовыми реологическими переходами: 16 ISSN 0572-2691 1) реологический переход азотной кислоты и газообразного аммиака в рас- твор аммиачной селитры; 2) реологический переход теплоты реакции в теплоту нагревания раствора аммиачной селитры и сокового пара; 3) реологический переход воды, которая вносится с азотной кислотой, в со- ковый пар. Физическая модель процесса нейтрализации показана в форме реологических переходов (рис. 1). HNO3 NH3 М ас со п ер ен о с Р еа к ц и я С то к С то к т еп л о в о й эн ер ги и С то к с о к о в о го п ар а С то к а м м и ач н о й се л и тр ы Рис. 1. Для описания физико-химических процессов в аппарате нейтрализации были разработаны физические модели реологических переходов [13, 14]. На рис. 2 показаны схема физической модели (а) и графики (б–г) необрати- мых реологических преобразований для реологического перехода азотной кисло- ты и газообразного аммиака в раствор аммиачной селитры. Между реагирующи- ми компонентами массой im и раствором аммиачной селитры массой anM в ре- акционной зоне аппарата нейтрализации есть условная граница раздела, на которой протекает химическое преобразование реагирующих веществ. Раствор аммиачной селитры из этой зоны постоянно выводится (стекает) из аппарата нейтрализации и подается для дальнейшего преобразования. На рис. 2, б показано изменение во времени массы реагирующих компонентов, а на рис. 2, в — измене- ние во времени массы аммиачной селитры. Реологическое преобразование в реак- ционной зоне может быть представлено интегральной импульсной дельта-функ- цией Дирака (график г). Р еа к ц и о н н ая з о н а Г р ан и ц а р аз д ел а С то к а м м и ач н о й се л и тр ы mi Man mi t mi0 0 t11 t12 а б Man t MCO 0 t11 t12 mi Man t mi 0 t11 t12 t10 Man в г Рис. 2 Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 3 17 Процесс переноса массы в реакционной зоне аппарата нейтрализации описы- вается уравнением (1). Левая часть уравнения (1) характеризует массоперенос в жидкой фазе, а правая — процесс создания нового вещества (аммиачной селитры): .2 aniiii i mvmD m    (1) Здесь iv — скорость движения і-го вещества в направлении массопереноса; an — интенсивность стока аммиачной селитры за единицу времени ;t iD — эффектив- ный коэффициент диффузии при массопереносе і-го вещества;  — оператор Гамильтона. В аналогичной форме разработаны физические модели и графики необрати- мых реологических преобразований для других реологических переходов: про- цесс реологического преобразования теплоты реакции в теплоту нагревания рас- твора аммиачной селитры и сокового пара описывается уравнением (2): .2 TPTPan P anan TvTa T cM          (2) Здесь anM — масса теплоносителя (аммиачной селитры); anc — теплоемкость аммиачной селитры; PT — температура реакции; Tv — скорость изменения теп- ловой энергии; T — интенсивность стока тепловой энергии; ana — коэффици- ент температуропроводности аммиачной селитры. Процесс реологического преобразования воды, которая вносится со слабой азотной кислотой, в соковый пар, описывается уравнением (3) .2 SPwwww w mvmD m    (3) Здесь wm — масса воды; wv — скорость превращения воды; SP — интенсив- ность стока сокового пара; wD — эффективный коэффициент процесса превра- щения воды. На основе уравнений (1)–(3) были разработаны математические модели про- цесса нейтрализации [15]. Получено нелинейное дифференциальное уравнение, которое описывает процесс переноса тепловой энергии: .)( )()(),(),( 12 2 2 22 2               tT dt tT dt tTd dt dT D T Р Р T Р T Р T Р (4) Здесь ),( РТ — температура в реакционной зоне аппарата нейтрализации в направлении  за время  ; TD — коэффициент эффективной термодиффузии; )(tТР — температура стока раствора аммиачной селитры из реакционной зоны; 21, ТТ  — постоянные времени стока тепловой энергии. Для решения уравнения (4) использовался метод нулевого градиента, соглас- но которому на границе раздела фаз интегральные импульсные дельта-функции Дирака тождественно равны нулю [10], в результате получена система линейных дифференциальных уравнений: ; ),(),( 2 2      Р T Р T D T (5) .0)( )()( 12 2 2 2  tT dt tT dt tTd Р Р T Р T 18 ISSN 0572-2691 В ходе их совместного решения и дальнейших математических преобразова- ний получена математическая модель для температурного поля в аппарате нейтрализации [16]:     6 6 2 3 )1( 5,0 )( naanT М SP М nameРT QVD FkFLTk xT                 ))/(1)(/)(( exp1 1 naА na Аpna М SP M na Н QQkkFkF xS (6)                 ))/(1)(/)(( cos 1 0 naА na Аpna М SP M na Н QQkkFkF xS                       ))/(1)(/)(( sin 1 0 0 naА na Аpna М SP M na Н QQkkFkF xS . Здесь М nameF — массовый расход азотной кислоты (mass consumption of nitric acid); М SPF — массовый расход сокового пара; ,naQ AQ — концентрация азотной кисло- ты и аммиака соответственно; ,an na — плотность раствора аммиачной селитры и азотной кислоты; ,Tk ,Pk 1k , 2k — коэффициенты;  — степень уменьшения температуры по высоте; 0 — параметр, характеризующий степень изменения температуры в аппарате нейтрализации по высоте; x — текущая высота реакцион- ного стакана; na Ak — коэффициент соотношения расходов аммиака и азотной кислоты; V — объем аппарата нейтрализации; L — высота реакционного стака- на; HS — поперечное сечение реакционного стакана. Аналогично получена математическая модель массопереноса реакционной массы в аппарате нейтрализации: )(tMan                                             )1(2exp)1(2exp12exp1 222 0 M i i M i i M i i an k D v tk D v tk D v tM , (7) где )1( 1 1 2 2 12 22 na anna XP na A H na i М k kkL S F D k                     — коэффициент соотноше- ния постоянных времени процесса массопереноса химического преобразования 2 22 2/ ii vD и стока ;/12 anFV anF — объемный расход раствора аммиачной селитры; naA na А FFk / — коэффициент соотношения расходов аммиака AF и азотной кислоты ;naF naan na an FFk / — коэффициент соотношения расходов ам- миачной селитры anF и азотной кислоты ;naF naXP na XP FFk / — коэффициент со- отношения расходов продуктов химического преобразования XPF и азотной кис- лоты .naF На базе предложенных уравнений разработаны математические модели рео- логических переходов процесса нейтрализации. Полученные уравнения описыва- ют процессы тепло- и массопереноса в аппарате нейтрализации, используя посто- Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 3 19 янные времени этих процессов. Уравнение (6) показывает, что один из главных параметров, влияющих на процесс теплопереноса в аппарате нейтрализации, — массовый расход сокового пара ,М SPF что позволяет использовать это при разра- ботке способа управления температурным режимом. Из анализа математической модели массопереноса реакционной массы в аппарате нейтрализации (7) можно сделать вывод, что управление процессом нейтрализации можно осуществлять не только путем стабилизации соотношения потоков азотной кислоты и аммиака, а также используя соотношение постоянных времени 1222 / Mk массопере- носа, которые непосредственно характеризуют процесс химического превращения и сток аммиачной селитры. Для решения второй задачи исследовались математические модели, которые показали, что использование для управления процессом нейтрализации только си- стемы автоматического управления соотношением потоков азотной кислоты и ам- миака и стабилизации содержимого азотной кислоты в растворе аммиачной селит- ры недостаточно [19]. На основе исследований была усовершенствована система управления соотношением потоков азотной кислоты и аммиака путем введения корректирующего сигнала, используя коэффициент соотношения постоянных вре- мени массопереноса в регулирующем алгоритме соотношения этих потоков [2]. Структурная схема управления процессом нейтрализации с корректировкой по ко- эффициенту соотношения постоянных времени показана на рис. 3, где МК1 — мик- роконтроллер который рассчитывает соотношение расходов азотной кислоты и ам- миака, МК2 — микроконтроллер, который рассчитывает коэффициент соотношения постоянных времени массопереноса. Аппарат нейтрализации Qna Tan TA Tna FA Fna FSP FA Fna FSP Tp Qan T Tp Qan T Tan Tna QA MK2 MK1 Рис. 3 20 ISSN 0572-2691 В результате экспериментальных ис- следований предложенной системы управ- ления установлено, что для всех исход- ных координат аппарата нейтрализации уменьшилась дисперсия и среднеквадра- тичное отклонение (СКО) больше чем в два раза, что свидетельствует о повыше- нии точности, а соответственно и об улучшении эффективности технологиче- ского процесса. Для решения третьей задачи иссле- довался процесс теплопереноса в аппарате нейтрализации на основе разработанных моделей. Установлено, что стабилизировать температурное поле в нем можно за счет повторного использования сокового пара [20]. На рис. 4 изображено распределе- ние температуры по высоте х в реакционной массе. За счет испарения воды из раствора аммиачной селитры проходит некоторое охлаждение реакционной массы, поэтому имеет место разница температур в зоне реакции PT и на выходе из аппарата нейтрализации ,anТ которая характеризует тепловые процессы, протекающие в аппарате нейтрализации. Исследования показали, что влияние такой разницы на эффективность техно- логического процесса нейтрализации достаточно сильное. Кроме того, установле- но, что распределение температуры в аппарате нейтрализации азотной кислоты неравномерно для разных значений соотношения расходов азотной кислоты и ам- миака. Разница температур в зоне реакции и на выходе из аппарата нейтрализации (температурная депрессия) описывается уравнением                                                           Н T T Н T SPSPT a v tK a v tFtKTt 2 0 2 0 2exp12exp1)exp(1)( , (8) где 000 anP TTT  — разница номинальных значений температуры в реакцион- ной зоне и раствора аммиачной селитры на выходе аппарата соответственно; 0, TSP KK — коэффициенты. На основе проведенных исследова- ний была предложена система управления температурным режимом аппарата нейтрализации по разнице температур пу- тем подачи сокового пара в реакционную зону [21, 22], функциональная схема кото- рой представлена на рис. 5. Температуры РT и anT контролируются термопарами, включенными встречно, причем термопа- ра, которая измеряет температуру РT в реакционной зоне, располагается в точке максимальной температуры, а термопара, которая измеряет температуру anT рас- твора аммиачной селитры, располагается на выходе из аппарата нейтрализации. 400 405 410 415 420 425 430 T, K 1 2 3 4 x, м В з о н е р еа к ц и и Н а в ы х о д е и з ап п ар ат а Рис. 4 Азотная кислота Соковый пар Аммиак Аммиачная селитра 11 12 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Рис. 5 Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 3 21 Это позволило уменьшить разницу температур больше, чем в два раза, тем са- мым существенно улучшить эффективность управления процессом нейтрализации. Результаты исследований предложенной системы управления представлены на рис. 6. На рис. 6, а, б наблюдается зона стабильности температуры (заштрихо- ванная), при значениях расхода сокового пара 0,5–1,2 кг/с, а концентрации азот- ной кислоты от 0,3 до 0,6, что позволяет вести процесс в оптимальном режиме. Распределение температуры по высоте х реакционной массы при разных значени- ях расхода сокового пара показано на рис. 6, в, г. Tan, K Fsp, кг 427,5 428,0 428,5 429,0 429,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 T, K Qna 410 420 430 440 450 0,2 0,4 0,6 400 0,8 а б T, K 10 15 20 25 30 1 05 0 3 4 x, м 2 3 2 1 T, K 410 415 420 425 430 1 405 400 2 3 4 x, м 1 2 3 в г Рис. 6 Проведены теоретические и экспериментальные исследования без введения сокового пара и при его введении с массовым расходом кг/с1,1M SPF и кг/с.2,2M SPF При введении в кольцевые барботеры сокового пара наблюдается некоторое смещение максимальной температуры по высоте реакционной массы, которое увеличивает кратность циркуляции раствора аммиачной селитры, повы- шает скорость испарения воды из азотной кислоты и увеличивает количество пара в реакционной зоне, а за счет большой теплоемкости сокового пара происходит поглощение тепла химической реакции, которое способствует стабилизации тем- пературного режима процесса нейтрализации. В результате уменьшения количе- ства аммиачной селитры и азотной кислоты в соковом паре увеличивается произ- водительность работы аппарата нейтрализации приблизительно на 2,5 %. Изучение результатов других исследователей и сопоставление с полученны- ми результатами указывает на верное направление, которое получило развитие в настоящей работе, для улучшения автоматического управления процессом нейтрализации, что подтверждает адекватность полученных результатов. Так, в [23] предложена система управления процессом нейтрализации, в которой выпол- няется непрерывный контроль массовой части воды в растворе аммиачной селит- 22 ISSN 0572-2691 ры, что позволяет увеличить качество конечного продукта, снизить потери амми- ака и аммиачной селитры и энергозатраты на ее дальнейшее выпаривание. В [24] используется метод эксергии для оценки потерь аммиака и аммиачной селитры и их влияния на окружающую среду. Существенный результат этого исследования — возвращение загрязняющих веществ в технологический процесс, благодаря этому увеличивается производительность процесса, снижаются вредные выбросы в окружающую среду, а также уменьшается энергопотребление за счет более эф- фективного использования тепла реакции. Совсем другой подход использован в работе [25]. Моделирование и управление реактором нейтрализации осуществле- но на базе модели Винера, которая имеет каскадную структуру, что позволяет по- высить точность и эффективность технологического процесса. Заключение Таким образом, используя теорию реологических переходов, улучшено рабо- ту аппарата нейтрализации за счет усовершенствования существующей и разра- ботки новой систем управления процессом нейтрализации. Разработаны физические модели для трех фазовых реологических переходов при массо- и теплопереносе и показано, что такие фазовые переходы описывают- ся интегральными импульсными дельта-функциями Дирака. В итоге для каждого реологического перехода получены нелинейные дифференциальные уравнения, которые описывают физико-химические процессы в зоне реологических перехо- дов и сток массы аммиачной селитры, сокового пара и тепловой энергии. Разрабо- таны математические модели процесса нейтрализации в виде аналитических со- отношений, полученных на основе решения дифференциальных уравнений тео- рии реологических переходов, за счет использования метода нулевого градиента. Установлено, что процесс тепло- и массопереноса в аппарате нейтрализации зави- сит от постоянных времени этих процессов, что важно для построения алгоритмов управления таким сложным многопараметрическим объектом. Один из главных па- раметров, который влияет на процесс теплопереноса в аппарате нейтрализации, — массовый расход сокового пара ,М SPF что позволяет использовать это при разра- ботке способа управления температурным режимом. Установлено, что обеспече- ние общего материального баланса процесса нейтрализации можно выполнять не только за счет стабилизации соотношения потоков азотной кислоты и аммиака, а также по соотношению постоянных времени 1222 /Mk массопереноса, ко- торые характеризуют собственно процесс химического превращения и сток амми- ачной селитры. Усовершенствована система стабилизации соотношения потоков азотной кислоты и аммиака путем введения корректирующего сигнала по коэффициенту соотношения постоянных времени массопереноса в регулирующий алгоритм со- отношения этих потоков. В результате анализа полученных результатов экспери- ментальных исследований установлено, что для всех исходных координат аппара- та нейтрализации уменьшилась дисперсия и СКО больше, чем в два раза, что сви- детельствует о повышении точности, а соответственно и о повышении эффективности технологического процесса. Исследован температурный режим аппарата нейтрализации и установлено, что стабилизировать температурное поле в нем можно за счет повторного использова- ния сокового пара. Предложена система управления температурным режимом ап- парата нейтрализации по разнице температур в зоне реакции и на выходе из аппара- та нейтрализации путем введения сокового пара в реакционную зону. Это позволи- ло стабилизировать температурный режим процесса нейтрализации, уменьшить разницу температур больше, чем в два раза, и тем самым существенно улучшить эф- фективность управления процессом, а также повысить производительность этого процесса приблизительно на 2,5 % за счет повторного использования сокового пара. Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 3 23 О.І. Проказа АВТОМАТИЗОВАНЕ КЕРУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИМ ПРОЦЕСОМ НЕЙТРАЛІЗАЦІЇ АМІАЧНОЇ СЕЛІТРИ НА ОСНОВІ ТЕОРІЇ РЕОЛОГІЧНИХ ПЕРЕХОДІВ Використовуючи теорію реологічних переходів, розроблено фізичні та матема- тичні моделі, які описують процеси масо- і теплопереносу в апараті нейтраліза- ції. Удосконалено систему стабілізації співвідношення потоків азотної кислоти і аміаку шляхом введення коригуючого сигналу за коефіцієнтом співвідношен- ня постійних часу масопереносу в регулюючий алгоритм співвідношення цих потоків. Запропоновано систему керування температурним режимом апарата нейтралізації за різницею температур в зоні реакції і на виході з апарата нейт- ралізації шляхом введення сокового пару в реакційну зону. E.I. Prokaza AUTOMATED CONTROL OF NEUTRALIZATION TECHNOLOGICAL PROCESS OF AMMONIUM NITRATE BY THE PRINCIPLES OF RHEOLOGICAL TRANSITIONS Using the theory of rheological transitions there are developed physical and mathe- matical models that describe the processes of mass and heat transfer in the apparatus of neutralization. Improved system of stabilization of the correlation flow of nitric acid and ammonia through the introduction of a correction signal by coefficient of correlation of the time constants of mass transfer to the regulation algorithm of corre- lation of these flows. Proposed thermal control system of neutralization apparatus by the thermal difference in the reaction zone and the out neutralization apparatus by in- troducing the steam into the reaction zone. 1. Erben A. From neutralization to granulation // Nitrogen & Methanol. — 1999. — 241, N 5. — P. 49–52. 2. Производство аммиачной селитры в агрегатах большой единичной мощности / М.Е. Ива- нов, В.М. Олевский, Н.Н. Поляков и др. — М. : Химия, 1990. — 228 с. 3. Азизов А.М. Информационные системы контроля параметров технологических процессов. — Л. : Химия, 1983. — 328 с. 4. Митронов А.П., Мудрый А.П., Кочергин А.Н. Направления модернизации производственно- го комплекса: азотная кислота — аммиачная селитра // Химическая промышленность Украины. — 2000. — № 1–2. — С. 30–34. 5. Адылов Ф.Т., Турапина Н.Н., Перекрестов В.В. Система управления технологическим про- цессом производства слабой азотной кислоты и аммиачной селитры в агрегатах АК-72М и АС-72М на ферганском ПО «Азот» // Промышленные контроллеры АСУ. — 2004. — № 4. — С. 1–6. 6. Щегров Л.Н., Манк В.В., Новиков И.Н., Антрапцева Н.М. Азотные удобрения. Пути произ- водства аммиачной селитры улучшенного качества // Химическая промышленность Укра- ины. — 2004. — № 6. — С. 9–10. 7. Миниович М.А. Производство аммиачной селитры. — М. : Химия, 1974. — 239 с. 8. Патент України № 43404, С01N27/48. Спосіб автоматичного управління процесом нейт- ралізації кислоти у виробництві аміачної селітри в апараті використання тепла нейтра- лізації / А.О. Анохін, С.В. Бєлік, Л.Ю. Довгалов, П.М. Циглевський, М.В. Чистоклєтов. Опубл. 17.12.2001. Бюл. №11. 9. Гораздовский Т.Я. Научные основы реологии. — Луганск: Изд-во ун-та им. В. Даля, 2009. — 699 с. 10. Стенцель Й.І. Математичне моделювання хімічних процесів на основі теорії реологічних переходів. Ч. 2 // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. — 2007. — № 5(111). — С. 91–96. 24 ISSN 0572-2691 11. Erben A., Kaupas P. Ammonium nitrate production and operational experience // Nitrogen & Methanol. — 235, N 5. — P. 25–34. 12. Таганов И.Н. Моделирование процессов массо- и энергопереноса. — Л. : Химия, 1979. — 203 с. 13. Поркуян О.В., Стенцель Й.І., Проказа О.І. Реологічні моделі технологічного контролю па- раметрів з внутрішніми зв’язками у виробництві аміачної селітри // Харківський політехні- чний інститут. Електроенергетика та перетворювальна техніка. — 2010. — № 12. — С. 21–28. 14. Стенцель Й.І., Поркуян О.В., Проказа О.І. Дослідження вимірювального контролю техно- логічних параметрів при реологічних перетвореннях хімічних процесів // Там же. — 2011. — № 19. — С. 31–36. 15. Поркуян О.В., Стенцель Й.І., Проказа О.І. Дослідження математичної моделі апарату нейт- ралізації у виробництві аміачної селітри // Східноєвропейський журнал передових техноло- гій. — 2010. — 47, № 5/6. — С. 19–21. 16. Стенцель Й. І., Проказа О.І., Поркуян О.В. Математичні моделі управління апаратом нейт- ралізації кислоти за температурою реакції у виробництві аміачної селітри. Ч. 2 // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. — 2012. — 186, № 15. — С. 114–122. 17. Патент на корисну модель № 62220, МПК F02C9/26. Спосіб керування багатопараметри- чними технологічними об’єктами / Й.І. Стенцель, О.В. Поркуян, О.І. Проказа; заявник та патентовласник Технологічний інститут СНУ ім. В. Даля (м. Сєвєродонецьк). — Опубл. 25.08.2011. Бюл. №16. 18. Стенцель Й.І., Поркуян О.В., Проказа О.І. Основи теорії багатопараметричних об’єктів ке- рування з реологічними переходами // Технологічні комплекси. — 2010. — № 2. — С. 46–51. 19. Stentsel І., Porkuyan О., Prokaza Е. Researches of the system of neutralization process control in the production of ammonium nitrate on the basis of rheological transitions principles // An Inter- national journal on motorization, vechicle, operation, energy efficiency and mechanical engineer- ing «TEKA Commission of motorization and Energetics in Agriculture». — 2012. — 12, N 4. — Р. 274–278. 20. Проказа О.І. Математичні моделі термодинамічних процесів в реакційній склянці апарата нейтралізації аміачної селітри // Комп’ютерно-інтегровані технології: освіта, наука, вироб- ництво. — 2015. — № 18. — С. 142–147. 21. Проказа О.І. Теоретичні основи управління апаратом нейтралізації азотної кислоти за тем- пературною депресією у виробництві аміачної селітри. Ч. 1 // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. — 2013. — 194, № 15. — С. 222–228. 22. Патент України на винахід № 110520, С01В21/48. Спосіб керування процесом нейтралізації азотної кислоти у виробництві аміачної селітри / Й.І. Стенцель, О.І. Проказа, К.А. Літвінов. Опубл. 12.01.2016. Бюл. № 1. 23. Dovgalov L., Ushakova O., Shilin S. Automated control and monitoring system for technological processes in ammonium nitrate production // Chemistry & Chemical Technology. — 2013. — 7, N 3. — P. 176–178. 24. Kirova–Yordanova Z. Application of the exergy method to environmental impact estimation: The ammonium nitrate production as a case study // Energy. — 2010. — 35, N 8. — P. 32221–3229. 25. Maciej Lawrynczuk. Modelling and predictive control of a neutralization reactor using sparse support vector machine Wiener models // Neurocomuting. — 2016. — 205. — P. 311–328. Получено 06.12.2016

Автоматизированное управление технологическим процессом нейтрализации аммиачной селитры на основе теории реологических переходов

Репозитарії

Схожі ресурси