Системный анализ и моделирование в задачах управления качеством в процессах растворной полимеризации

• Автор: Тихомиров, Сергей Германович
• Шифр специальности: 05.13.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 312 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ УПРАВЛЕНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРО БЕССАМИ РАСТВОРНОЙ

ПОЛИМЕРИЗАЦИИ

1.1. Сравнительная характеристика процессов растворной полимеризации

1.2. Методы моделирования процессов растворной полимеризации

1.2.1. Требования к моделированию процессов растворной полимеризации

1.2.2. Системный подход к структурному моделированию

1.2.3. Реализация системного подхода к структурному моделированию процессов растворной полимеризации

1.2.3.1. Стехиометрия химических реакций

1.2.3.2. Кинетика химических реакций
1.2.3.3.Термодинамика процесса в неравновесных системах
1.2.3.4. Динамика промышленного реактора синтеза полимеров
1.2.4 Молекулярномассовые распределения ММР и качественные параметры синтезируемых полимеров
1.2.5. Математические модели растворной полимеризации для расчета ММР полимеров в режиме реального времени
1.2.6. Использование реологических параметров растворов полимеров
для определения структурномолекулярных характеристик полимеров
1.3. Методы экспрессконтроля структурномолекулярных и качественных характеристик полимеров
1.4. Методы управления технологическими процессами растворной полимеризации
1.4.1. Процесс растворной полимеризации как объект управления
1.4.2. Динамические системы управления технологическими процессами
1.4.2.1. Динамические модели в задачах оптимального управления
1.4.2.2. Линеаризация динамических моделей
1.4.2.3. Наблюдаемость и управляемость динамических моделей
1.4.2.4. Управление в пространстве переменных состояния линейной динамической системы
1.4.2.5. Применение динамических моделей в управлении процессами растворной полимеризации
1.4.3. Управление технологическими процессами при использовании
экспертных систем и аппарата нечеткой логики
1.5. Выводы, постановка задач диссертационной работы
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ РАСТВОРНОЙ
ПОЛИМЕРИЗАЦИИ С УЧЕТОМ СТРУКТУРНОМОЛЕКУЛЯРНЫХ И КАЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРОВ
2.1 Математические модели периодических технологических процессов
растворной полимеризации
2.1.1. Моделирование синтеза термоэластопластов
2.1.1.1. Исследования коэффициента теплопередачи для периодических процессов получения термоэластопластов
2.1.1.2. Параметрическая идентификация математической модели синтеза термоэластопластов
2.1.2. Математические модели периодических процессов растворной полимеризации, учитывающие динамику изменения структурномолекулярных характеристик полимеров
2.2. Моделирование непрерывных процессов растворной полимеризации каучуков с учетом динамики изменения ММР и качественных
характеристик полимеров
2.2.1. Математическая модель непрерывного процесса синтеза полибутадиена
2.2.1.1. Структурная идентификация модели
2.2.1.2. Параметрическая идентификация математической модели
2.2.2. Моделирование молекулярномассового распределения полимера
по времени его пребывания в реакторах
2.2.2.1. Моделирование функции распределения времени пребывания частиц потока раствора в реакторах
. Моделирование функции распределения времени пребывания полимера в реакторах
2.3. Выводы
ГЛАВА 3. ЗАВИСИМОСТИ РЕОЛОГИЧЕСКИХ И ПЛАСТОЭЛАСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ ОТ ИХ СТРУКТУРНОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И МЕТОДЫ ЭКСПРЕСС 8 КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛИМЕРОВ
3.1. Связь реологических свойств растворов полимеров со структурно 9 молекулярными характеристиками полимеров
3.1.1. Параметрическая идентификация зависимости максимальной ньютоновской вязкости растворов полимеров от температуры, 9 концентрации и СМХ полимеров
3.1.2. Параметрическая идентификация зависимости эффективной вязкости растворов полимеров от максимальной ньютоновской вязкости 3 и скорости сдвига
3.2. Исследование влияния структурномолекулярных характеристик 8 полимеров на их пластоэластические свойства.
3.2.1 Связь вязкости по Муни со структурномолекулярными
характеристиками полимера
3.3. Разработка методов экспрессконтроля концентрации полимера и эффективной вязкости растворов полимеров в процессах растворной 2 полимеризации
3.3.1. Экспрессконтроль концентрации полимера и конверсии мономера
в процессе растворной полимеризации гидростатическим методом
3.3.2 Метод экспрессконтроля концентрации полимера и конверсии мономера по тепловому эффекту
3.3.3. Методы экспрессконтроля эффективной вязкости растворов полимеров при различных скоростях сдвига
3.3.3.1. Зависимость потребляемой мощности в цепях электроприводов перемешивающих устройств от эффективной вязкости растворов полимеров
3.3.3.2. Зависимость разности давлений на линейных участках трубопроводов, соединяющие соседние реакторы, от эффективной вязкости растворов полимеров
3.4. Разработка систем экспрессконтроля структурномолекулярных и качественных характеристик полимера
3.4.1. Разработка систем экспрессконтроля структурномолекулярных и качественных характеристик линейных полимеров
3.5. Разработка системы экспрессконтроля структурномолекулярных и качественных харакгеристик разветвленных полимеров
3.6. Выводы
ГЛАВА 4. ДИНАМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ РОЦЕССАМИ
РАСТВОРНОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ
4.1. Оптимальное управление для периодических процессов растворной
полимеризации
4.2. Оптимальное управление непрерывными процессами растворной полимеризации
ГЛАВА 5. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ РАСТВОРНОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ
5. 1. Управление периодическими технологическими процессами растворной полимеризации на примере синтеза термоэластопластов
5.1.1. Влияние примесей на качество полимера
5.1.2. Прогнозирование и коррекция качества полимера
5.1.3. Минимизация отклонения реального профиля конверсии от эталонного
5.1.4. Управление температурой реакционной среды в реакторе периодического действия
5.1.4.1. Постановка задачи управления температурой реакционной среды
в процессах синтеза термоэластопластов
5.1.4.2. Разработка закона регулирования, основанного на модели теплового баланса процесса и функционирующего в режиме слежения
5.1.4.3. Сравнительный анализ систем управления температурой
5.1.5. Структура управляющей подсистемы стадии полимеризации
5.2. Реализация интеллектуального алгоритма управления процессом непрерывной полимеризации на примере синтеза СКД
5.2.1. Экспертный опрос
5. 2.2. Область определения лингвистических переменных
5. 2.3. Построение функций принадлежности по результатам экспертного 9 опроса
5.2.4. Синтез таблицы лингвистических правил по управлению
показателями качества полимера
5. 2.5. Разработка алгоритма управления
5. 2.5.1. Синтез базы знаний системы управления
5.2.5.2. Дополнение базы знаний с учтом математической модели 0 кинетики процесса полимеризации
5.2.5.3. Разработка алгоритмического обеспечения
5.2.6. Численный эксперимент
5.2.7. Анализ результатов моделирования замкнутой АСР
5.2.8. Система управления непрерывным процессом синтеза СКД
5.2.8.1. Структура управляющей подсистемы АСУТП синтеза СКД
5.2.8.2. Функциональноструктурная схема АСУТП синтеза СКД
5.3. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


При обнаружении отклонений она изменяет значения дозировок исходных компонентов в зависимости от концентрации активных центров и осуществляет управление отсечными клапанами в целях дозирования заданного количества реагентов. Она выполняет функции управления температурой в динамическом режиме. При этом для принятия управленческих решений используются результаты, получаемые на основе применения динамических моделей непрерывных технологических процессов. Предложенная лингвистическая модель управления позволяет повысить точность стабилизации качественных параметров производимой продукции и резко сократить длительность переходных процессов в системе регулирования при воздействии неконтролируемых возмущений. Создано алгоритмическое и программное обеспечение для управляющих ЭВМ, реализующее функции моделирования периодических и непрерывных технологических процессов растворной полимеризации, расчета на основе данных экспрессконтроля показателей управляющих воздействий и замкнутой системы регулирования показателей качества производимой продукции. Алгоритмическое и программное обеспечение апробировано при модернизации действующих автоматизированных систем управления технологическими процессами на ОАО Ефремовский завод синтетического каучука и ОАО Воронежсинтезкаучук. ГЛАВА 1. Основной задачей управления большинством технологических процессов является достижение заданного качества продукции. Товарные свойства производимых полимеров, определяемые стандартами ГОС, связаны с такими важнейшими качественными характеристиками полимеров, как вязкость по Муни Мк и пластичность по Карреру Р1. В свою очередь, значения Мк и Р1 определяются структурномолекулярными распределениями полимеров , , 3. К наиболее важным характеристикам таких распределений относятся среднечисловая молекулярная масса Мп, коэффициент полидисперсности Кп и параметр разветвленности полимеров. Для достижения поставленной в диссертации цели необходимо построить соответствующие математические модели, создать такие системы контроля и методы оперативного прогнозирования и коррекции для рассматриваемых технологических процессов, которые обеспечили бы на всех стадиях процессов полимеризации в режиме реального времени получение и использование необходимой для формирования управления информации о структурномолекулярных характеристиках производимых полимеров. Для решения поставленных выше задач необходимо начать с системного анализа характеристик технологических процессов полимеризации, основных применяемых методов математического моделирования, контроля и управления этими процессами . Подробный анализ можно провести на основе блоксхемы, представленной на рис. Бремя вс большее применение во многих отраслях химической промышленности, в частности для синтеза среднетоннажных и малотоннажных производств полимеров , , 6, 5. Рис. Периодические процессы во многом сходны по характеру протекания с полунепрерывными процессами, и можно сказать, что ПНП являются частным случаем ПП. Отличие состоит только в способах загрузки мономера и или выгрузки произведенного полимера и, как следствие, в способах управления такими процессами. На рис. Главной чертой, которая играет решающую роль и объясняет широкое использование периодических процессов для синтеза различных типов каучука, является высокое качество получаемого полимера. Рис 1. В то же время для периодических процессов основной показатель качества каучуков их молекулярномассовое распределение ММР оказывается более узким, чем для аналогичных непрерывных и полунепрерывных процессов, что объясняется практически полной конверсией мономеров в полимеры за время протекания реакции полимеризации для периодических процессов и отсутствием нестационарных неконтролируемых возмущений 5. Все это позволяет более конкретно моделировать периодические химикотехнологические процессы, несмотря на их динамический режим, и достигать более эффективного уровня управления такими процессами по сравнению с непрерывными и полунепрерывными процессами растворной полимеризации 3, 9. Отличительными преимуществами непрерывной технологии являются миоготоннажиость продукции, высокая производительность и гибкое управление.