Моделирование и оптимизация технологического процесса отбелки целлюлозы для проектирования и совершенствования отбельных установок 05. 21. 03 технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины 05

На правах рукописи

Копейкин Дмитрий Викторович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОТБЕЛКИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОТБЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

05.21.03 – технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

05.13.06 – автоматизация и управление технологическими процессами и производствами

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ- ПЕТЕРБУРГ

2008

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном технологическом университете растительных полимеров

Научные руководители: кандидат технических наук, доцент Серебряков Н.П.

кандидат технических наук, профессор Суриков В.Н.
Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Пазухина Галина Александровна,

доктор технических наук,

профессор Русинов Леон Абрамович

Ведущая организация: ОАО Всероссийский научно-исследовательский институт целлюлозно-бумажной промышленности (ВНИИБ)
Защита состоится “08” апреля 2008 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д212.231.01 при ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров по адресу: 198095, Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д. 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГТУРП.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 198095, Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д. 4.
Автореферат разослан “06” марта 2008 г.
Ученый секретарь

диссертационного совета Швецов Ю.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Отбелка целлюлозы является одним из основных процессов в производстве беленой целлюлозы. Затраты на отбелку целлюлозы составляют до 30 % общих затрат. В последние годы появились новые отбеливающие реагенты, схемы с исключением элементарного хлора – ECF (Elemental Chlorine Free) и общего хлора TCF (Total Chlorine Free) и возросла тенденция к переходу к наилучшим достигнутым технологиям. Кроме того, повысились требования к охране окружающей среды.

В условиях рыночной экономики еще более актуальными стали вопросы сокращения расходов на производство беленой целлюлозы.

Решение этих задач возможно только путем оптимизации процесса многоступенчатой отбелки целлюлозы. До последнего времени такая задача не ставилась в полном объеме; решались лишь частные задачи оптимизации для отдельных ступеней отбелки с использованием частных технологических критериев оптимальности.

Особенно актуальной задача оптимизации отбелки целлюлозы становится при изменении качества небеленой целлюлозы и требований к беленой, а также ценовой политики к сырью, химикатам, энергии и ущербу от загрязнения окружающей среды.

Указанные задачи решались применительно к целлюлозе, которая используется в композиции бумаг.

В диссертационной работе рассматриваются вопросы моделирования и оптимизации технологического процесса отбелки целлюлозы, а также вопросы реализации оптимального режима с помощью автоматизированных систем управления технологическими процессами.

Целью работы является совершенствование процессов отбелки на основе развития их математического описания и оптимизации при эксплуатации и проектировании на основе обобщенных экономических критериев.

Для достижения этой цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:

изучить особенности физико–химических процессов в современных и перспективных системах отбелки;
исследовать и развить математическое описание процессов отбелки для их оптимизации по интегральным экономическим критериям, учитывающим затраты на химические реагенты, потери волокна, тепловую энергию и ущерб от загрязнения окружающей среды;
проанализировать теоретические и практические задачи при оптимизации процессов многоступенчатой отбелки целлюлозы с целью их совершенствования;
разработать программно-алгоритмическое обеспечение процессов оптимизации многоступенчатых систем отбелки по интегральным экономическим критериям;
выполнить экспериментальные исследования оптимизационных задач для различных многоступенчатых систем отбелки на конкретных предприятиях отрасли;
создать инженерную методику для внедрения оптимизационных процедур при совершенствовании процессов отбелки;
разработать программно-алгоритмическое обеспечение системы автоматизированного проектирования для практической реализации оптимизационных задач многоступенчатых процессов отбелки целлюлозы при создании новых предприятий отрасли.

Методы исследования. Результаты исследования базируются на изучении физико-химических аспектов технологических процессов производства целлюлозы и бумаги, в частности систем отбелки, теории моделирования и оптимизации, теории алгоритмов, теории вероятностей и математической статистики, а также на накопленном опыте разработок при создании современных наукоемких многоступенчатых процессов отбелки в организациях и предприятиях отрасли (Гипробум, ВНИИБ, СПбГТУРП, ЦНИИБ).

Научная новизна. Развито математическое описание многоступенчатых систем отбелки по ступеням и в целом с целью их моделирования для оптимизации параметров процесса отбелки по интегральному экономическому критерию, учитывающему затраты на химические реагенты, потери волокна, тепловую энергию и ущерб от загрязнения окружающей среды.

При этом получены следующие конкретные результаты:

получены уточненные математические модели существующих и недостающих ступеней технологического процесса отбелки целлюлозы, необходимые для оптимизации процесса;
выбран метод оптимизации технологического процесса отбелки целлюлозы, удовлетворяющий требованиям поставленной задачи;
разработано программно-алгоритмическое обеспечение оптимизации многоступенчатого процесса отбелки целлюлозы;
выполнено экспериментальное исследование по оптимизации процессов отбелки для различных многоступенчатых систем отбелки на конкретных предприятиях и при их проектировании, позволившее подтвердить эффективность предложенных решений;
разработано программно-алгоритмическое обеспечение системы автоматизированного проектирования многоступенчатых систем отбелки как подсистемы проектирования технологических процессов отраслевых предприятий с целью их совершенствования и обеспечения конкурентоспособности.

Практическая ценность. Выполненные теоретические и экспериментальные расчеты оптимальных параметров ряда отбельных установок для различных предприятий целлюлозно-бумажной промышленности (ОАО "Светогорск" и ОАО "Сясьский ЦБК") по предложенным в работе экономическим критериям убедительно показали возможность совершенствования этих систем отбелки. При этом использовалось разработанное программно-алгоритмическое обеспечение оптимизационных процедур и элементы системы автоматизированного проектирования процессов отбелки.

Показано, что оптимизация позволяет снизить затраты на отбелку на 5-7 % за счет сокращения капитальных затрат, экономии расходов химикатов и тепловой энергии, увеличения выхода целлюлозы, сокращения ущерба от загрязнения окружающей среды.

Инженерная методика использования оптимизации отбелки целлюлозы и техническое задание на систему автоматизированного проектирования многоступенчатых систем отбелки целлюлозы с учетом обобщенных экономических критериев их совершенствования переданы Государственному институту по проектированию предприятий целлюлозно-бумажной промышленности (Гипробум).

Разработанная методика и программно-алгоритмическое обеспечение оптимизации процесса отбелки целлюлозы переданы на ОАО "Сясьский ЦБК" и использованы при разработке технико-экономического обоснования АСУТП отбелки целлюлозы на ОАО "Сясьский ЦБК".

Результаты работы используются в учебном процессе при изучении следующих дисциплин: автоматизация технологических процессов отрасли (АТПО), проектирование автоматизированных систем (ПАС), автоматизированное проектирование систем автоматизации (АП), моделирование объектов автоматизации, интегрированные системы управления (ИСПиУ) и др.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научно-практической конференции “Достижения и проблемы варки и отбелки целлюлозы” (Санкт-Петербург, 2003 год); на Международной научно-технической конференции “Проблемы автоматизации и управления в технических системах” (Пенза, 2004 год); на Международной научно-практической конференции “Организация и управление производительностью производственных систем” (Новочеркасск, 2004 год); на Международной научно-практической конференции “Ресурсо- и энергосбережение в целлюлозно-бумажной промышленности и городском хозяйстве” (Санкт-Петербург, 2005 год); результаты диссертационной работы были представлены на 8-ой Международной выставке лесной, целлюлозно-бумажной и перерабатывающей промышленности PAP-FOR 2004.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов, библиографии и четырех приложений, изложенных на 187 страницах. Содержит: 13 таблиц, 54 рисунка, библиографию из 83 наименований.

На защиту выносятся следующие положения:

развитое математическое описание многоступенчатых систем отбелки, позволяющее решать оптимизационные задачи отдельных ступеней процессов отбелки целлюлозы и системы отбелки в целом по обобщенным экономическим критериям оптимизации;
оптимизация многоступенчатых систем отбелки целлюлозы по ступеням и в целом при проектировании и с целью их совершенствования при использовании интегральных экономических критериев оптимизации, учитывающих затраты на химические реагенты, потери волокна, тепловую энергию и ущерб от загрязнения окружающей среды;
программно-алгоритмическое обеспечение процесса оптимизации многоступенчатой системы отбелки целлюлозы по экономическому критерию оптимизации;
положительные результаты экспериментального исследования оптимизационных процедур для ряда отбельных установок отрасли, подтвердивших возможность снижения затрат на отбелку целлюлозы до 5– 7%;
инженерная методика для практической реализации процедур оптимизации систем отбелки целлюлозы по обобщенным экономическим критериям;
разработанное программно-алгоритмическое обеспечение системы автоматизированного проектирования систем отбелки целлюлозы для оптимизации по экономическим критериям с целью их совершенствования при эксплуатации, проектировании и автоматизации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена актуальность темы, а также сформулированы положения работы, выносимые на защиту.

В первом разделе приведен аналитический обзор литературы по теме диссертации. В нем рассмотрено современное оборудование, классические и новые схемы отбелки, приведен анализ ECF и TCF схем отбелки целлюлозы, подробно описаны физико-химические процессы, происходящие при отбелке целлюлозы на разных ступенях.

Также в первом разделе содержатся материалы по моделированию и оптимизации отбелки целлюлозы. В подразделе по моделированию приводится обзор математических моделей процесса отбелки целлюлозы. Рассмотрены типы математических моделей и способы их получения. В подразделе по оптимизации приведен обзор различных методов оптимизации.

Во втором разделе проведен анализ и выбор моделей из рассмотренных в первом разделе. Выбор был сделан в пользу математических моделей, основанных на анализе механизма описываемого процесса.

Наиболее совершенным методом получения математического описания является метод, основанный на анализе механизма описываемого процесса. Отбелка целлюлозы является многоступенчатым процессом, при котором происходит последовательное образование и превращение продуктов реакции.

Для математического описания процесса отбелки целлюлозы был использован экспериментально – аналитический метод: общий вид модели был получен из механизма процесса, а коэффициенты модели определены из экспериментальных данных. Обрабатывая кинетические кривые процессов взаимодействия целлюлозы с отбеливающими реагентами, можно определить временные границы отдельных стадий и коэффициенты пропорциональности. После получения уравнений в общем виде на основе экспериментальных данных были определены зависимости коэффициентов аппроксимации от параметров процесса, в результате чего были получены математические модели одного вида для разных условий отбелки.

Данная методика была использована для получения статических моделей отдельных ступеней отбелки.

В общем виде статические характеристики ступени отбелки целлюлозы описываются уравнением в векторной форме:

, (1)

где – вектор показателей качества целлюлозы; – матрица коэффициентов аппроксимации; – вектор параметров процесса отбелки; – вектор зависимых членов уравнения; – вектор свободных членов уравнения.

Для отдельных ступеней отбелки уравнение имеет вид:

(2)

где К, В, V, R – соответственно жесткость, белизна, вязкость и химические потери целлюлозы после ступени отбелки; К₀, В₀, V₀ – соответственно жесткость, белизна, вязкость раствора целлюлозы перед ступенью отбелки; L₀ – содержание лигнина в целлюлозе перед отбелкой; – относительный расход основного отбеливающего реагента; – относительный расход дополнительного реагента; Т – продолжительность отбелки; Θ – температура отбелки.

Уравнение описывает изменение показателей качества целлюлозы в зависимости от параметров процесса многоступенчатой отбелки целлюлозы. Погрешность аппроксимации является достаточной для технических применений. На параметры процесса отбелки целлюлозы были наложены ограничения, обусловленные технологическим регламентом. Математические модели конкретных ступеней отбелки позволяют оптимизировать отбелку целлюлозы.

Сущность оптимизации сводится к отысканию при наложенных ограничениях таких значений переменных х₁, х₂, х₃, , х_n, которые определяют экстремум целевой функции:

F = F (х₁, х₂, х₃, , х_n). (3)

Здесь х₁, х₂, х₃, , х_n– проектные параметры (независимые переменные), полностью и однозначно определяющие решаемую задачу проектирования.

Проектные параметры представляют собой неизвестные величины, значения которых определяются в процессе оптимизации. В качестве проектных параметров могут служить любые основные или производственные величины, служащие для количественного описания объекта оптимизации. Число проектных параметров характеризует степень сложности задачи проектирования.

Целевая функция называется также критерием качества. Значение целевой функции определяется проектными параметрами.

Выбор параметров оборудования и технологических режимов отбелки целлюлозы зависит от требований, предъявляемых к показателям качества целлюлозы и экономическим показателям процесса.

Важнейшими качественными показателями беленой целлюлозы для бумаги являются белизна и механическая прочность. В зависимости от схемы отбелки требования к их значениям могут быть различными. Задачей оптимального управления процессом отбелки целлюлозы является получение целлюлозы заданного качества при минимальных затратах.

Механическая прочность целлюлозы в значительной степени определяется вязкостью ее раствора и может быть учтена при введении ограничений. В качестве критерия оптимальности целесообразно использовать условно – переменные приведенные затраты () на 1 т абсолютно сухой целлюлозы:

, (4)

где – условно – переменная часть себестоимости 1 т целлюлозы; – условно – переменная часть капитальных вложений на 1 т целлюлозы; – условно – переменная часть затрат, связанная с очисткой сточных вод.

Условно – переменная часть себестоимости целлюлозы отражает затраты, связанные с изменением параметров процесса отбелки:

, (5)

где – цена единицы параметра, руб/т; – значение параметра; n – количество ступеней отбелки.

Условно-переменная часть капитальных вложений:

K_пер = , (6)

где е – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; Q – годовая производительность отбельной установки, т/год; – капитальные затраты на ступень, руб; n – количество ступеней отбелки.

Условно-переменная часть затрат, связанная с очисткой сточных вод:

S_ос = k*m*0,01*, (7)

где k – константа; m – константа, зависящая от вида водохозяйственных участков; а_i – степень утилизации сточных вод на ступени; g_i – расход основного реагента на ступени, %; р_i – предельно допустимая концентрация сточных вод на ступени, г/м³; n – количество ступеней отбелки.

Наиболее подходящими методами решения задачи оптимизации в данном случае являются градиентный метод и метод сканирования. Градиентный метод основан на построении минимизирующей последовательности х₁,х₂,х₃, ,х_n… по формуле:

X_n+1 = x_n – a grad (x_n). (8)

Задача оптимизации градиентным методом может быть сформулирована следующим образом: пусть оптимизируемая система характеризуется некоторой зависимостью между выходной величиной и входными переменными:

F = F (х₁, х₂, х₃, , х_n). (9)

При этом вид функции F может быть заранее неизвестен. Требуется найти совокупность переменных x_i, для которой величина функции F минимальная, а допустимые значения переменных x_i удовлетворяют системе ограничений – неравенств:

L_i (х₁, х₂, х₃, , х_n) ≤ 0. (10)

Градиентные методы являются итеративными, т.е. строится последовательность приближений x₀, x₁ …, сходящаяся к точке минимального значения функции F. Этим методом вычисляют частные производные целевой функции по всем переменным, направление градиентов и шаги по этому направлению.

В методе сканирования вся допустимая область пространства оптимизируемых параметров разбивается на элементарные подобласти – ячейки и в центре каждой из ячеек осуществляется подсчет целевой функции. Если ячейки достаточно малы (т.е. выбирается очень маленький шаг по направлению поиска), то получается общая картина поведения целевой функции в допустимой области с выявлением всех ее экстремумов.

Единым принципом, позволяющим рассчитать режимы большинства наиболее часто используемых в промышленности схем отбелки целлюлозы, является анализ массива, который создается при вводе основных данных и несет в себе информацию о наименовании, количестве и порядке расстановки ступеней в схеме отбелки.

Для иллюстрации функционирования и взаимосвязи программных модулей на рис. 1 приведена блок-схема алгоритма оптимизации процесса отбелки целлюлозы.

Рис. 1. Блок-схема алгоритма оптимизации процесса отбелки целлюлозы

Методика оптимизации процесса отбелки целлюлозы основывается на расчете номинального и оптимального режимов отбелки целлюлозы, их сравнении и выдаче оператору рекомендаций по более эффективному и экономичному управлению отбельной установкой. Представленная на рисунке 1 блок-схема показывает алгоритм оптимизации процесса отбелки целлюлозы. На первом этапе вводятся исходные данные, необходимые для расчета номинального и оптимального режимов. Далее происходит расчет белизны и вязкости по ступеням отбелки. Ограничение по вязкости раствора беленой целлюлозы составляет 20 мПа*с. Требуемая конечная белизна задается в самом начале при вводе исходных данных. Учитывая данные ограничения, происходит расчет условно-переменных приведенных затрат. Выбор оптимального режима процесса отбелки целлюлозы должен производится исходя из минимума условно-переменной части приведенных затрат, обеспечивающих получение целлюлозы заданной белизны и достаточной механической прочности из целлюлозы заданной жесткости и вязкости раствора. После расчета номинального и оптимального режимов отбелки целлюлозы происходит их сравнение и вывод результатов расчета.

Разработанная на основе вышеприведенного алгоритма программа учитывает все требования, предъявляемые к методике оптимизации процесса отбелки и позволяет рассчитать оптимальный и номинальный режимы работы отбельной установки. Программа оптимизации написана на языке С++ в среде Visual Studio.

Лицевая панель основного модуля программы представлена на рис. 2.

Рис. 2. Лицевая панель основного модуля программы
Лицевая панель основного модуля программы состоит из трех частей: строка меню в верхней части модуля; область отображения количества и порядок ступеней отбелки с левой стороны и основная область, состоящая из кнопок и переключателя режимов отбелки целлюлозы. Элемент меню Свойства запрашивает основные технологические данные для процесса отбелки целлюлозы (например, годовая производительность отбельной установки, цена целлюлозы, цена пара и др.) и для каждой ступени отдельно (например, для ступени хлорирования – цена хлора, ПДК загрязнителя и др.). Элемент меню Ступени запрашивает дополнительную информацию для каждой ступени отбелки – это Продолжительность ступени отбелки и Температура на ступени (для номинального режима отбелки целлюлозы добавляется Расход основного и дополнительного отбеливающего реагента). Элемент меню Результаты выдает в виде таблицы результаты расчета номинального и оптимального режима, а также таблицу сравнения этих режимов.

Кнопка Провести расчет, находящаяся в основной области программы, выполняет расчет режима, выбранного с помощью переключателя в верхней части модуля программы. Для этого необходимо ввести необходимые показатели процесса отбелки целлюлозы: Начальная жесткость целлюлозы и Конечная белизна. В результате расчета выдаются данные для каждой ступени по статьям затрат. Основные статьи затрат при отбелке целлюлозы – это затраты на химикаты; затраты на тепло; затраты на потери волокна; капитальные затраты и затраты на охрану окружающей среды. Кнопки Белизна и Вязкость позволяют просмотреть изменение этих показателей в номинальном и оптимальном режимах по ступеням отбелки в виде таблиц.

Третий раздел – это экспериментальная часть диссертационной работы. Эксперимент проводился для отбельных установок ОАО Светогорск (САЦ 1) и Сясьский ЦБК. На Сясьском ЦБК вырабатывается сульфитная беленая целлюлоза из хвойных пород древесины. Отбелка проводится по схеме Х1 – Щ1 – Х2 – Щ2 – Г1 – Г2 (где Х1 – первая ступень хлорирования; Щ1 – первая ступень щелочения; Х2 – вторая ступень хлорирования; Щ2 – вторая ступень щелочения; Г1 – первая ступень отбелки гипохлоритом; Г2 – вторая ступень отбелки гипохлоритом).

Программа оптимизации была адаптирована для этой схемы. В результате расчета был получен оптимальный режим, отличающийся от существующего.

В табл. 1 приведены номинальный и оптимальный режимы отбелки целлюлозы, рассчитанные по разработанной методике для условий Сясьского ЦБК

Таблица 1

Номинальный и оптимальный режимы работы отбельной установки на ОАО “Сясьский ЦБК”

Ступень отбелки	Температура на ступени,ºС		Продолжительность ступени, мин		Расход осн. реагента, % к волокну		Расход доп. реагента, % к волокну
Ступень отбелки	Ном.	Опт.	Ном.	Опт.	Ном.	Опт.	Ном.	Опт.
Х1	20	25	45	60	3,43	3,0	-	-
Щ1	60	50	65	90	2,5	2,1	-	-
Х2	20	25	45	60	1,47	1,0	-	-
Щ2	60	50	65	90	1,5	1,0	-	-
Г1	47	45	115	210	1,26	1,0	0,8*	0,5
Г2	46	45	115	210	0,84	0,8	0,5	0,5
* – дополнительный реагент для ступеней Г1 и Г2 – щелочь Ном. – номинальный режим; Опт. – оптимальный режим

Из табл. 1 видно, что температура на каждой ступени отбелки, продолжительность ступени и расход отбеливающих реагентов в оптимальном режиме отличается от номинального режима. На ступенях хлорирования произошло небольшое увеличение температуры, продолжительность отбелки также увеличилась, а расход хлора стал меньше. На двух ступенях щелочения наблюдается такая же тенденция, как и на ступенях хлорирования, кроме температуры, она немного понизилась. Температура на каждой ступени отбелки гипохлоритом осталась на том же уровне, продолжительность отбелки повысилась почти в два раза. Расходы на ступенях сократились. Исключением стал расход дополнительного отбеливающего реагента (щелочи) на второй ступени отбелки гипохлоритом, он остался прежним.

Экономическая эффективность оптимизации отбелки целлюлозы по ступеням на ОАО “Сясьский ЦБК” представлена на рис. 3.

Рис. 3. Экономическая эффективность оптимизации отбелки целлюлозы по ступеням на ОАО Сясьский ЦБК:

1 – номинальный режим; 2 – оптимальный режим

- затраты на химикаты, - затраты, связанные с потерями волокна, - затраты на тепло

Как видно из рис. 3, наибольшая экономическая эффективность будет достигнута на первой и второй ступени щелочения (соответственно 50 и 30 рублей), а также на первой ступени хлорирования. Это произойдет в основном за счет сокращения расходов отбеливающих реагентов, т.е. уменьшатся затрат на химикаты. Оптимальный режим на второй ступени хлорирования мало отличается от номинального режима (прибыль составляет всего 2,2 рубля). Затраты на тепловую энергию в оптимальном режиме останутся приблизительно на том же уровне, что и в номинальном на всех ступенях отбелки. В статью убытков относятся затраты, связанные с потерями волокна на двух ступенях хлорирования и двух ступенях гипохлорита, а также затраты на химикаты на второй ступени отбелки гипохлоритом. Расчет показал, что применение оптимального режима не требуется на двух ступенях отбелки гипохлоритом.

Суммарная экономическая эффективность оптимизации отбелки целлюлозы на ОАО Сясьский ЦБК представлена на рис. 4.

85,8 руб/т

Рис. 4. Суммарная экономическая эффективность оптимизации отбелки целлюлозы на ОАО Сясьский ЦБК:

- затраты на химикаты, - затраты, связанные с потерями волокна, - затраты на тепло
Суммарная прибыль составит 85,8 рублей на тонну целлюлозы или 6,263 млн. руб. в год (производительность отбельной установки 73000 тонн беленой целлюлозы в год) за счет уменьшения затрат на расходы химических реагентов и тепла, уменьшения потерь волокна при отбелке, а также сокращения ущерба от загрязнения окружающей среды.

Оптимизация процесса отбелки целлюлозы в цехе САЦ-1 ОАО “Светогорск” возможна только для последних трех ступеней из пяти. Оптимизацию всей отбелки нельзя произвести вследствие отсутствия математической модели второй ступени отбелки, т.е. ступени щелочения с предварительной обработкой кислородом и пероксидом водорода. Эта ступень была введена в эксплуатацию совсем недавно и является нетиповой. Добелка целлюлозы происходит по схеме Д1 – П – Д2 (где Д1 и Д2 – ступени отбелки диоксидом хлора, П – ступень отбелки пероксидом водорода). Анализ данных расчетов показал, что основными статьями экономии будут являться прибыль за счет уменьшения затрат на химические реагенты и потерь волокна. Экономия составит 106,7 руб/т целлюлозы, что при производительности установки 103000 т/год составит 10,990,100 руб/год.

Четвертый раздел посвящен разработке и практическому использованию инженерной методики оптимизации процесса отбелки целлюлозы для целей проектирования и автоматизации.

Основная функция САПР состоит в осуществлении автоматизированного проектирования на всех или отдельных стадиях проектирования объектов и их составных частей на основе применения математических моделей, автоматизированных проектных процедур и средств вычислительной техники.

Основной целью создания подсистемы САПР оптимальной отбелки целлюлозы является повышение качества и технико-экономического уровня проектируемой и выпускаемой продукции.

Подсистема САПР оптимальной отбелки целлюлозы позволяет решать две задачи:

При проектировании новых отбельных установок выбирать оптимальную схему отбелки и определять оптимальный технологический режим по ступеням отбелки с учетом утилизации тепла и химикатов, а также ущерба от загрязнения окружающей среды.
При модернизации действующих отбельных установок оценивать эффективность работы отбельных установок путем их сравнения с оптимальным вариантом, выбирать оптимальную схему отбелки (при изменении схемы), а также рассчитывать оптимальный технологический режим для каждой ступени отбелки в зависимости от показателей качества небеленой целлюлозы и требований к беленой целлюлозе, а также ценовой политики и требований к охране окружающей среды.

Разработанная методика и программно-алгоритмическое обеспечение могут быть использованы в АСУТП отбелки целлюлозы.

АСУТП отбелки целлюлозы (Autobleach) предназначена для стабилизации качества беленой целлюлозы, увеличения выхода целлюлозы высшего сорта, оптимизации процесса и для выполнения информационных функций.

Все задачи, решаемые АСУТП, разбиты на два уровня: нижний и верхний.

Задачи нижнего уровня – это традиционные задачи управления отдельными ступенями отбелки, основанные на измерении специальных сигналов в определенных местах технологического процесса. Эти задачи обеспечивают стабилизацию качества беленой целлюлозы при колебаниях жесткости небеленой целлюлозы и производительности установки, но не обеспечивают в полной мере экономичность процесса.

Задача верхнего уровня – это оптимизация процесса. Решение этой задачи позволяет получать целлюлозу заданного качества при минимальных затратах.
Выводы:

Показана возможность использования математических моделей отбелки целлюлозы, полученных с учетом механизма процесса, для целей оптимизации.
Сформулирована задача оптимизации с использованием обобщенного экономического критерия, учитывающего капитальные вложения, затраты на отбелку, выход целлюлозы и ущерб от загрязнения окружающей среды.
Разработано программно-алгоритмическое обеспечение оптимизации многоступенчатой отбелки целлюлозы для бумаги.
С помощью разработанного программно-алгоритмического обеспечения проведен сравнительный анализ и расчет оптимальных режимов некоторых реальных отбельных установок.
Полученные результаты использованы при разработке технико-экономического обоснования АСУТП отбелки целлюлозы на ОАО Сясьский ЦБК.
Результаты работы переданы в ЗАО Гипробум для использования при проектировании и модернизации отбельных установок.
Разработано техническое задание на подсистему САПР оптимальной отбелки целлюлозы.

Публикации по теме диссертации

1. Серебряков Н.П. Моделирование и оптимизация технологического процесса отбелки целлюлозы [Текст] / Н.П. Серебряков, В.Н. Суриков, Д.В. Копейкин // Достижения и проблемы варки и отбелки целлюлозы. Тезисы докладов Научно-практической конференции/ СПбГТУРП. -СПб., 2003. -С. 111.

2. Суриков В.Н. Моделирование и оптимизация процесса отбелки целлюлозы [Текст] / В.Н. Суриков, Н.П. Серебряков, Д.В. Копейкин, Л.Л. Гурьевич // Машины и аппараты целлюлозно-бумажного производства. Межвузовский сборник научных трудов/ СПбГТУРП. -СПб., 2003. -С. 13-16.

3. Суриков В.Н. Моделирование и оптимизация процесса отбелки целлюлозы [Текст] / В.Н. Суриков, Н.П. Серебряков, Д.В. Копейкин // Организация и управление производительностью производственных систем. Тезисы докладов Международной научно-практической конференции/ ЮРГТУ (НПИ). -Новочеркасск, 2004. -С. 28-30.

4. Серебряков Н.П. Моделирование и оптимизация процесса отбелки целлюлозы [Текст] / Н.П. Серебряков, Д.В. Копейкин // Проблемы автоматизации и управления в технических системах. Труды Международной научно-технической конференции/ Информационно-издательский центр ПГУ. -Пенза, 2004. -С. 16-18.

5. Серебряков Н.П. Анализ и пути усовершенствования АСУТП отбелки целлюлозы [Текст] / Н.П. Серебряков, В.Н. Суриков, Д.В. Копейкин, Л.Л. Гурьевич // Сборник трудов научно-практической конференции: Ресурсо- и энергосбережение в целлюлозно-бумажной промышленности и городском коммунальном хозяйстве/ СПб ГТУРП.- СПб., 2005. -С. 93-95.

6. Копейкин Д.В. Анализ и пути усовершенствования АСУТП отбелки целлюлозы [Текст] / Д.В. Копейкин, Н.П. Серебряков, В.Н. Суриков // Молодые учёные университета –ЛПК России/ ГОУВПО СПб ГТУ РП. –СПб., 2006. -С. 92-94.

7. Суриков В.Н. Моделирование и оптимизация технологического процесса отбелки целлюлозы для бумаги [Текст] / В.Н. Суриков, Н.П. Серебряков, Д.В. Копейкин // Целлюлоза. Бумага. Картон. Пилотный научный выпуск, -2006. -С. 7-9.