Исследование технологического процесса как объекта управления и автоматизации

Концептуальное математическое моделирование поведения химического реактора, работающего в адиабатическом режиме. Оптимизация конструктивных и технологических параметров объекта. Построение статических и динамических характеристик по различным каналам.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

41

Размещено на

Исследование технологического процесса как объекта управления и автоматизации

Содержание

• Введение
• 1. Концептуальная модель объекта
• 2. Математическая модель объекта
• 3. Оптимизация объекта
• 4. Построение статических и динамических характеристик объекта по различным каналам
• 4.1 Построение статических характеристик
• 4.2 Построение динамических характеристик
• Вывод
• Список использованных источников
• математическое моделирование параметр реактор

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 оптимизации - 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 результаты анализа статических и динамических свойств объекта. Результаты этого анализа являются исходными данными для синтеза системы автоматического управления.

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

1. Разработка концептуальной модели

Рис. Принципиальная схема объекта управления

В химический реактор емкостного типа с механической мешалкой подается исходные реагент А с расходами и концентрацией C_Авх. В аппарате проводится сложная эндотермическая реакция с образованием продуктов B, C, D. Исходный реагент подаются в аппарат потоком - . Второй входной поток с расходом - служит для разбавления смеси до необходимой концентрации. Аппарат работает в адиабатическом режиме.

Назначение установки:

Осуществление сложной, многостадийной химической реакции.

Цель функционирования:

Получение реакционной смеси с заданным значением концентрации целевого вещества - компонент В.

Отсюда эффективность функционирования аппарата можно оценить по степени достижения цели, т.е. близости текущего значения к заданному . Критерий эффективности (целевая функция R): R= .

Таблица 1Исходные данные для моделирования объекта:

Схема реакции	Тип реакции	Тепловой режим аппарата	Агрегатное состояние теплоносителя	Организация ввода реагентов в реактор
	Эндо-термическая	Адиабати-ческий		Во входном потоке содержится только исходный компонент А (CАвх)

Классификация переменных

Переменные состояния объекта:

Объём (уровень) реакционной смеси ; концентрация компонентов в выходном потоке - ; температура смеси в аппарате .

Входные переменные объекта:

Расходы потоков на входе и выходе из аппарата ; концентрация вещества A во входном потоке ; температуры входных потоков .

Таблица 2. Ориентировочные значения технологических и конструктивных параметров объект

№	Наименование	Единицы измерения	Числ. Значения	Обозначения
1	Объем аппарата	л	500	V
2	Теплоемкость вещества в аппарате и входных потоках	кДж/кгК	4,19	Cр
3	Плотность вещества в аппарате	кг/л	1,1
4	Поверхность теплообмена	м2	2,3	Fт
5	Тепловой эффект реакции	кДж/моль	100
6	Предэкспоненциальный множитель константы скорости	1/мин	20 1 10 2	k1 k2 k3 k4
7	Энергия активации	кДж/моль	20000 25000 20000 20000	E1 E2 E3 E4.
8	Концентрация компонента А на входе	моль/л	1	CА.вх
9	Расход на входе в реактор V1	л/мин	1,5
10	Расход на входе в реактор V2	л/мин	0,5
11	Расход на выходе	л/мин	2
12	Температура на входе в реактор t1	градС	25	t1
13	Температура на входе в реактор t2	градС	35	t2
14	Диаметр аппарата	м	0,86	Dp
15	Уровень жидкости	м	0,86	Hp

2. Разработка математической модели

Исследование реактора, как объекта управления, оптимизация режима работы на стадии проектирования предполагает наличие математической модели. Математическая модель представляет собой уравнение материальных балансов по массе и различным компонентам и тепловых балансов, которые выражают закон сохранения вещества и энергии.

Формулировка упрощающих допущений:

1) Структуры потоков в основной емкости описываются моделью идеального перемешивания.

2) Потерями тепла в окружающую среду пренебрегаем.

3) Теплоёмкостью стенок пренебрегаем.

4) Расход теплоносителя на выходе и входе одинаков.

5) Теплофизические свойства реагирующей смеси и теплоносители постоянны

Стехиометрический анализ и модель кинетики.

Разобьем реакцию на четыре стадии:

Для каждой стадии запишем свою скорость:

, , , .

Где , , , .

Выпишем матрицу стехиометрических коэффициентов:

Скорости реакции по...