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

19 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

82486. Теории международной торговли (А. Смита, Д. Риккардо, Э. Хекшера, Б. Олина) 34.21 KB
  В своем труде Исследование о природе и причинах богатства народов в полемике с меркантилистами Смит сформулировал идею о том что страны заинтересованы в свободном развитии международной торговли поскольку могут выиграть от нее независимо от того являются они экспортерами или импортерами. Каждая страна должна специализироваться на производстве того товара где она обладает абсолютным преимуществом – выгодой основанной на разной величине затрат на производство в отдельных странах – участницах внешней торговли. При анализе направлений...
82487. Мировое хозяйство, понятие и эволюция. Интеграция в мировой экономике 32.42 KB
  Интеграция в мировой экономике Мировое хозяйство – совокупность национальногосударственных и негосударственных структур а также их взаимодействий на основе международного разделения труда и политических контактов. В данной трактовке мировое хозяйство представляет собой единое экономическое пространство мегаэкономику в котором субъектами хозяйственных отношений выступают: национальные экономики стран мира; субъекты мирового бизнеса – транснациональные корпорации и их альянсы; институты мирового хозяйства – международные экономические...
82488. Международная торговля: свобода торговли и протекционизм 33.52 KB
  Сторонники свободной торговли считают что международная торговля должна развиваться на основе рыночных сил спроса и предложения т. Экономические аргументы в защиту протекционистских мер: с помощью импортных пошлин страна может достичь улучшения условий торговли и увеличения экономического выигрыша; поддержка национальной промышленности на этапе ее зарождения и становления; повышение уровня занятости национальных ресурсов; смягчение кризиса в отраслях испытывающих экономические трудности; ограждение национальной экономики от мировых...
82489. Международная валютная система 30.96 KB
  Основной задачей мировой валютной системы МВС является регулирование сферы международных расчетов для обеспечения устойчивого экономического роста и поддержания равновесия во внешнеторговом обмене. Мировая валютная система представляет собой: определенный набор международных платежных средств; режим обмена валют включая валютные курсы; условия конвертируемости механизм обеспечения валютноплатежными средствами международного оборота; регламентацию форм международных расчетов; режим международных рынков валюты и золота; статус...
82490. Объект и предмет экономической теории. Методология экономической науки 35.64 KB
  Методология экономической науки. Первый раздел имеет методологическое фундаментальное значение так как служит основным средством исследования двух следующих разделов микроэкономики и макроэкономики. Это привело к появлению множества методов исследования экономической теории: Метод научной абстракции Отвлечение в процессе познания от внешних явлений не экономических сторон выделение более глубокой сущности предмета или экономического явления Метод функционального анализа Используется зависимость функцияаргумент для проведения...
82491. Основные направления и школы в экономической теории. Экономические законы и категории 34.86 KB
  Экономические законы и категории. Экономические законы и категории. Различают специфические общие и особенные экономические законы. Специфические экономические законы действуют в пределах исторически определенных форм хозяйствования.
82492. Рынок и условия его возникновения: типы рынков, экономические и неэкономические блага, типы хозяйственных систем, виды и формы собственности 36.72 KB
  Рынок – это такая экономическая система которая базируется на частной собственности на средства производства и на принципах самостоятельно независимого принятия решений отдельных хозяйствующих субъектов фирмами или частными лицами. экономическая обособленность производителей в форме частной собственности. виды и формы собственности Собственность можно классифицировать различным образом например: 1 По форме присвоения различных форм собственности индивидуальная коллективная и государственная собственность.
82493. Теория собственности: понятие, виды, формы. Права собственности. Приватизация, ее особенности в России 34.53 KB
  Права собственности. Теория собственности: понятие виды формы Собственность – это система экономических отношений между людьми выражающаяся во владении пользовании и распоряжении средствами производства и соответствующей им формы присвоения средств и результатов производства. Собственность можно классифицировать различным образом например: 1 По форме присвоения различных форм собственности индивидуальная коллективная и государственная собственность.
82494. Ограниченность ресурсов и кривая производственных возможностей 43.7 KB
  В широком смысле ограничены прежде всего способности человека взять имеющиеся в природе в изобилии свободные материальные ресурсы при том что в перспективном плане строго дефицитными могут быть лишь невоспроизводимые условия время и лучшие естественные ресурсы. Виды экономических ресурсов природные ресурсы земля недра водные лесные и биологические климатические и рекреационные ресурсы сокращенно земля; трудовые ресурсы люди с их способностью производить товары и услуги сокращенно труд; капитал в форме денег и ценных...