67710

Анализ технологического процесса как объекта управления и автоматизации

Курсовая

Производство и промышленные технологии

В качестве технологического показателя эффективности на стадии эксплуатации является близость концентрации целевого компонента реакции к оптимальному значению, которые определяются на стадии проектирования. Отличие этих величин друг от друга обусловлено наличием возмущающих воздействий различного рода.

Русский

2014-09-14

11.18 MB

14 чел.

Министерство образования и науки Российской Федерации
Ивановский государственный химико-технологический университет

Факультет химической техники и кибернетики

Кафедра технической кибернетики и автоматики

Курсовая работа

по дисциплине «Технологические процессы и производства»

Тема работы: «Анализ технологического процесса  как объекта управления и автоматизации»

Вариант 31201

Выполнил:

студент группы 4/36                                                                                    Шелеменцев И.С.

Проверил:                                                                                                 проф. Лабутин А.Н.

Иваново 2012

Содержание

Введение 4

1. Концептуальная модель объекта 5

2. Математическая модель объекта 7

2.1 Модель динамики объекта 7

2.2 Модель статики объекта 9

3. Оптимизация объекта 10

4. Построение статических характеристик объекта по различным каналам 18

5. Построение динамических характеристик по различным каналам 22

Заключение 40

Список использованных источников 42

Введение

Химический реактор является основным аппаратом в производственном процессе получения целевых продуктов из исходного сырья. Эффективность функционирования производства в целом определяется эффективностью работы аппарата. В качестве технологического показателя эффективности на стадии эксплуатации является близость концентрации целевого компонента реакции к оптимальному значению, которые определяются на стадии проектирования. Отличие этих величин друг от друга обусловлено наличием возмущающих воздействий различного рода. Отсюда вытекает задача системы управления - стабилизация концентрации целевого вещества и ряда других технологических параметров в окрестности оптимальных значений в условиях действия возмущения. Для синтеза системы управления необходимо наличие математической модели объекта управления и модели управляющего устройства (регулятора). Для разработки математической модели объекта необходимо провести анализ химического реактора как объекта управления. Конечной целью анализа является получение его математической модели и  анализ статических и динамических свойств объекта. Результаты этого анализа являются исходными данными для синтеза системы автоматического управления.

Курсовая работа посвящена анализу химического реактора, работающего в адиабатическом режиме, в котором осуществляется многостадийная экзотермическая реакция.


1. Концептуальная модель объекта

V

υ2,t2

υ1,t1

CAвx

Н

υ,t

СABC,CD

Рис. 1 Принципиальная схема процесса

В химический реактор емкостного типа с механической мешалкой подается исходный реагент А потоком с расходом . Второй входной поток с расходом  служит для разбавления смеси до необходимой концентрации. В аппарате проводится сложная  экзотермическая реакция   

с образованием продуктов B, C, D. Аппарат работает в адиабатическом режиме.

Назначение аппарата: осуществление сложной многостадийной реакции.

Цель функционирования:  получение реакционной смеси с заданным значением концентрации целевого вещества.

Классификация переменных

Переменные состояния объекта:

  1.  объём реактора - V;
  2.  концентрация компонента А на выходе - CA;
  3.  концентрация компонента В на выходе - СB;
  4.  концентрация компонента С на выходе - CC;
  5.  концентрация компонента D на выходе - CD;
  6.  температура в реакторе - t.

Входные переменные объекта:

  1.  расходы на входе и выходе из аппарата потока - υ1, υ2, υ;
  2.  концентрация вещества А во входном потоке – CAвx;
  3.  температуры входных потоков t1, t2.

Показателем эффективности управления является:

,

где  - заданное значение концентрации на выходе,  - текущее значение концентрации.

Таблица 1.

Ориентировочные исходные данные для моделирования объекта

Наименование

Единицы измерения

Численное значение

Обозначение

1.

Объем аппарата

л

500

V

2.

Теплоемкость вещества в аппарате и входных потоках

кДж/кг*К

4,19

Cp

3.

Плотность вещества в аппарате и входных потоках

кг/л

1,2

ρ

4.

Тепловой эффект реакции

кДж/моль

100

ΔH

5.

Предэкспоненциальный множитель константы скорости

л/(мин*моль)

15000

1

2

8

K10

K20

K30

K40

6.

Энергия активации

Дж/моль

45000

20000

25000

40000

E1

E2

E3

E4

7.

Концентрация компонента А на входе

моль/л

1

8.

Расход первого потока на входе в реактор

л/мин

0.75

υ1

9.

Расход второго потока на входе в реактор

л/мин

0.25

υ2

10.

Температура первого потока на входе в реактор

оС

26

t1

11.

Температура второго потока на входе в реактор

оС

36

t2

12.

Диаметр аппарата

м

0,86

D

13.

Уровень жидкости

м

0,86

H

2. Математическая модель объекта

Формулировка упрощающих допущений:

  1.  Структуры потоков емкости описываются моделью идеального перемешивания.
  2.  Теплофизические параметры реакционной смеси постоянны.
  3.  Потерями вещества и тепла в окружающую среду пренебрегаем.
  4.  Транспортным запаздыванием при изменении входных переменных пренебрегаем.
  5.  Объем аппарата постоянный.

2.1 Модель динамики объекта

Разобьем реакцию на четыре стадии:

Для каждой стадии запишем свою скорость реакции:

,   ,   ,  .

Где , , , .

Выпишем матрицу стехиометрических коэффициентов:

Скорости реакции по компонентам:

Скорость реакции по компонентам:

Уравнение материального баланса по компоненту А:

Уравнение материального баланса по компоненту B:

Уравнение материального баланса по компоненту C:

Уравнение материального баланса по компоненту D:

Уравнение теплового баланса для ёмкости:

.

Начальные условия:

.

Модель динамики представляет собой систему нелинейных ОДУ.

2.2 Модель статики объекта

 Модель статики записывается тривиально – путём приравнивания производных к нулю, а все входные и выходные переменные, присутствующие в правых частях уравнений математической модели, помечаются индексом «0».

Полученная математическая модель статики объекта представляет собой систему нелинейных дифференциальных уравнений.

Моделирование статики и динамики объекта на ЭВМ осуществим при помощи математического пакета MathCAD.

Уравнения динамики решаем при помощи функции Rkadapt. Данная функция реализует решение системы алгебраических уравнений методом Рунге-Кутта 4 порядка с адаптивным шагом решения. Уравнения статики решаем при помощи блока Given...Find.

3. Оптимизация объекта

 Для оптимизации необходимо сформулировать критерий оптимальности. В качестве последнего используем выход продукта B.

В соответствии с уравнениями математической модели можно сказать, что текущее значение  зависит от температуры и объёма аппарата при заданных значениях входных переменных.

Задача оптимизации

Определить оптимальные значения температуры в реакторе (из заданного интервала 7090) и объема аппарата при заданной нагрузке на аппарат, которые обеспечивают максимальный выход целевого продукта B.

Для решения задачи оптимизации используются только уравнения материального баланса по компонентам в статике:

Листинг программы в среде MathCAD:

Аппарат работает в адиабатическом режиме, реакция - экзотермическая.

Исходные данные:

 Зададимся ориентировочными значениями объема и температуры. Пусть V=200 л, t=70˚C.

 

 Выбрав температуру изменяем объем в реакторе от 200 до 2000, с шагом 50, затем по полученным данным строим график зависимости выхода целевого продукта от объема. Аналогично проводятся расчеты и для других температур 80˚ и 90˚С.

В результате получаем следующие значения:

При 70˚С

При 80˚С

При 90˚С

Рис. 3.1. Зависимость выхода целевого продукта от объема при температурах 70˚, 80˚ и 90 °С

  При температуре t=90˚C и объеме V=400 л выход целевого продукта максимальный.

Найдём значения концентраций в оптимальном режиме:

 

Найдём оптимальные значения t1 с помощью блока Given...Find.

 Выполним проверку полученных оптимальных значений. Для этого решим нелинейную модель с начальными условиями, соответствующими найденным значениям выходных переменных в оптимальном режиме (т.е. оптимальные значения V, Ca, Cb, Cc, Cd, t, t1) и постоянном объеме. Если не задавать входным переменным приращений, то графики изменения выходных переменных во времени должны представлять собой прямые.

 

Рис. 3.2.  Графики зависимости выходных переменных от времени

Т.к. полученные графики – это прямые линии, то можно сделать вывод, что найденные значения параметров являются верными и программное средство написано правильно.

Таблица 2.

Оптимальные значения основных технологических параметров для моделирования объекта

Наименование

Единицы измерения

Численное значение

Обозначение

1.

Объем аппарата

л

400

V

2.

Теплоемкость вещества в аппарате и входных потоках

кДж/кг*К

4,19

Cp

3.

Плотность вещества в аппарате и входных потоках

кг/л

1,2

ρ

4.

Тепловой эффект реакции

кДж/моль

100

ΔH

5.

Предэкспоненциальный множитель константы скорости

л/(мин*моль)

15000

1

2

8

K10

K20

K30

K40

6.

Энергия активации

Дж/моль

45000

20000

25000

40000

E1

E2

E3

E4

7.

Концентрация компонента А на входе

моль/л

1

8.

Расход первого потока на входе в реактор

л/мин

0.75

υ1

9.

Расход второго потока на входе в реактор

л/мин

0.25

υ2

10.

Температура первого потока на входе в реактор

оС

94.718

t1

11.

Температура второго потока на входе в реактор

оС

36

t2

12.

Диаметр аппарата

м

0,86

D

13.

Уровень жидкости

м

0,86

H

14.

Температура в реакторе

оС

90

t

15.

Концентрация компонента

А на выходе

В на выходе

С на выходе

D на выходе

моль/л

0.249

0.348

0.153

0.0008571

Ca

Сb

Cc

Cd

4. Построение статических характеристик объекта по различным каналам

Статические характеристики получали методом стационирования. Используются нелинейная модель объекта, и предполагается, что уровень постоянен, т.е. V=const. Программа расчета пускового режима аппарата написана в среде пакета Mathcad с использованием встроенной функции для решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений Rkadapt.

Листинг программы рассмотрен на примере канал

Таким образом, статические характеристики имеют нелинейный характер по каналам  По остальным каналам характеристики линейны или близки к линейности.

5. Построение динамических характеристик по различным каналам

Динамические свойства объекта исследовались путем расчета реакции объекта на ступенчатое изменение входных переменных. Ступенчатое изменение входной переменной задавалось путем соответствующего изменения значения в уравнении. Начальные условия интегрирования принимались равными значениям в статике.

Листинг программы рассмотрен на примере каналов υ2–>СВ, υ2–>t, при отрицательных и положительных относительно входных переменных изменениях входных переменных.

Динамические характеристики по каналам    t,  Cb

T

Δt

Рис. 5.1 Динамическая характеристика по каналу


Рис. 5.2 Динамическая характеристика по каналу

 

Расчет показателей динамических характеристик:

                                               

                          

Динамические характеристики по каналам    t,  Cb

Рис. 5.3 Динамическая характеристика по каналу

Рис. 5.4 Динамическая характеристика по каналу

Расчет показателей динамических характеристик:

                                               

         

Динамические характеристики по каналам    t,  Cb

Рис. 5.5 Динамическая характеристика по каналу

Рис. 5.6 Динамическая характеристика по каналу

  

Расчет показателей динамических характеристик:

                                                          

                  

Динамические характеристики по каналам    t,  Cb

Рис. 5.7 Динамическая характеристика по каналу

Рис. 5.8 Динамическая характеристика по каналу

Расчет показателей динамических характеристик:

                                                            

                

Динамические характеристики по каналам    t,  Cb

Рис. 5.9 Динамическая характеристика по каналу

Рис. 5.10 Динамическая характеристика по каналу

Расчет показателей динамических характеристик:

                                               

  

Кривые не симметричны по каналам  По остальным каналам кривые симметричны при одинаковом изменении входного сигнала, и объект линеен в динамике в окрестностях стационарной точки.

Таблица 3.

Коэффициенты передачи объекта по различным каналам:

Канал

Статика

Динамика

Средние значения

(мин)

Коб.р.

Коб.безразм.

Коб.р.

Коб.безразм.

T (мин)

Коб.р.

Коб.безразм.

υ1→Cb

0.149

0.322

0.1449

0.3127

649

0.147

0.3171

99

υ1→t

17.82

0.149

17.2002

0.1433

825

17.5101

0.1458

-

υ2→Cb

-0.566

-0.408

-0.5813

-0.4182

521

-0.5739

-0.4129

-

υ2→t

-60.998

-0.169

-66.8477

-0.1857

563

-63.9226

-0.1776

-

t1→Cb

0.002825

0.77

0.0028

0.7616

618

0.0028

0.7658

-

t1→t

0.867

0.912

0.8677

0.9132

558

0.8673

0.9127

-

t2→Cb

0.0009275

0.096

0.00092685

0.0944

622

0.00092718

0.0952

-

t2→t

0.289

0.116

0.2893

0.1156

552

0.2893

0.1157

-

Савх→Cb

0.384

1.106

0.3844

1.061

718

0.3843

1.059

-

Савх→t

11.528

0.128

11.5284

0.1281

882

11.5281

0.1281

-

Заключение

Выполняя данную курсовую работу при помощи методов математического моделирования был исследован химический реактор, работающий в адиабатическом режиме. В ходе выполнения работы была разработана концептуальная модель, сформулирован показатель эффективности объекта, проведена классификация технологических параметров. Так же в ходе работы синтезирована математическая модель динамики объекта, представляющая собой систему нелинейных дифференциальных уравнений. В качестве программной среды для реализации расчетов выбрана система Mathcad. Поставлена и решена задача оптимизации, результатом которой являются оптимальные значения конструктивных и технологических параметров объекта. В работе проводилось исследование статических и динамических свойств объекта. Статические характеристики нелинейны по каналам  По остальным каналам они линейны или близки к линейности по всем каналам. Были определены коэффициенты передачи по исследуемым каналам в окрестностях рабочей точки. Исследованы динамические свойства объекта путем построения кривых разгона. Из полученных графиков были определены размерный и безразмерный коэффициенты передачи для каждого исследуемого канала, а также время запаздывания (если оно есть) и постоянные времени Т. Значения коэффициента передачи полученные в статике и в динамике близки по значениям.

В качестве регулируемых переменных принимаем:

- СB, т.к. она определяет критерий эффективности.

- t, т.к. на нее наложены ограничения.

- уровень V.

В качестве регулирующих воздействий принимаем:

- для поддержания концентрации CB, выбираем Савх, т.к. по расчетным данным по этому каналу безразмерный коэффициент больше, чем по другим каналам, но исходя из практических соображений регулирующим воздействием необходимо принять υ2.

- для температуры t, исходя из практических соображений, для регулирования используем расход υ1.

- В качестве регулирующего воздействия на уровень V, выбираем расход на выходе из аппарата υ.

 

Список использованных источников

  1.  Анализ технологических процессов как объектов управления: метод. указания к выполнению курсовой работы по дисциплине "Технологические процессы и производства" / Сост.: А.Н. Лабутин, А.Е. Исаенков, ГВ. Волкова; Иван. гос. хим.-технол. ун-т. - Иваново, 2009. - 40с.
  2.  Лабутин, А.Н., Волкова, Г.В. Технологические процессы и производства как объекты управления: учебное пособие / Иван. гос. хим. - технол. ун-т.; Иваново, 2010 - 96с.
  3.  Бесков В.С. Общая химическая технология: учебник для вузов. - М.: ИКЦ "Академкнига", 2005. - 452 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

82653. Разработка программного обеспечения для дистанционного управления компьютерами, включенными в локальную сеть 1.61 MB
  Целью работы является создание программного комплекса для дистанционного контроля, диагностики и слежения с целью: снижения затрат на обслуживание каждой машины; экономии электроэнергии; сокращения времени реагирования на проблемы пользователей; сокращения обслуживающего персонала...
82654. ПРОБЛЕМЫ ИПОТЕЧНОГО КРЕДИТОВАНИЯ В ДЕЯЕЛЬНОСТИ КОММЕРЧЕСКОГО БАНКА НА ПРИМЕРЕ ЯРОСЛАВСКОГО ФКБ-РЦ «СЕВЕРГАЗБАНК» 2.92 MB
  Цель работы –- рассмотрение системы ипотечного кредитования в Российской Федерации и прогноз перспектив ипотечного кредитования в коммерческом банке. В ходе данной работы подробно рассмотрены в I главе сущность и понятие ипотеки основные нормативно-правовые акты ипотечного кредитования...
82655. Расчет нагрузок и определение параметров элементов в СЭС 643.28 KB
  От силового пункта СП 1 получают питание: n1 вытяжных вентиляторов мощностью Рн1 кВт n2 конвейеров мощностью Рн2 кВт n3 водонагревателей мощностью Рн3 кВт n4 полировальных станков мощностью Рн4 кВт n5 шлифовальных станков мощностью Рн5 кВт n6 шлифовальных станков мощностью Рн6 кВт.
82656. РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ДАЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ ГИДРОЛОКАТОРА 167.88 KB
  Расчет энергетической дальности действия проводится с использованием уравнения гидролокации в логарифмической форме, обеспечивающего наиболее удобные и экономичные расчеты, которые позволяют избежать вычислительных ошибок.
82657. Застосування теорії ігор для вирішення задач щодо прийняття рішень на митниці 504.85 KB
  Митно-прикордонна служба США – це орган правозастосування федерального законодавства Міністерства національної безпеки США, на який покладена відповідальність за питання, що пов’язані з регулюванням та спрощенням міжнародної торгівлі, збором митних платежів та врегулюванням сотень положень США...
82658. Исследование контактных явлений в структуре металл-полупроводник 515.01 KB
  Определение эффективной массы носителей заряда, их концентрации и степень вырождения электронно-дырочного газа в полупроводнике в данном диапазоне температур. Расчёт зависимости времени релаксации, средней длины свободного пробега и электропроводности от температуры...
82660. Аналіз використання трудових ресурсів підприємства ПСП «Агрофірми «Шульц» 560 KB
  Аналіз чисельності та складу працівників. Для характеристики усієї сукупності працівників підприємства застосовуються терміни персонал кадри. Персонал підприємства являє собою сукупність постійних працівників що отримали необхідну професійну підготовку та або мають досвід практичної діяльності.