Моделирование и оптимизация технологического процесса отбелки целлюлозы для проектирования и совершенствования отбельных установок

Отбелка целлюлозы является одним из основных процессов в производстве беленой целлюлозы. Доля беленой целлюлозы от производства всей целлюлозы в Швеции составляет 70%, в Канаде — почти 90%, в Россииоколо 50%. Причем доля сульфатной целлюлозы составляет в Канаде 97%, в Швеции — 92%, в России — 87%.

Затраты на отбелку целлюлозы достигают 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 лучшим из имеющихся технологий (квалификация ВАТ). Сегодня в мире без использования молекулярного хлора отбеливается около 74% всей беленой целлюлозы, причем на долю TCF приходится лишь около 5−7%.

Несмотря на то, что существует тенденция к сокращению числа ступеней отбелки, современные отбельные установки насчитывают от 6 до 9 ступеней, а общее число параметров, которые влияют на отбелку, составляет несколько десятков.

В этих условиях выбор наилучшей схемы отбелки и технологического режима на ступенях является сложной задачей, особенно с учетом требований к охране окружающей среды.

В настоящее время эти задачи решаются преимущественно эмпирическим путем с помощью метода физического моделирования на пилотных установках с последующим переносом результатов на промышленные установки с использованием теории подобия. В России большинство отбельных установок поставлены инофирмами в комплекте с технологическими режимами и системами автоматизации. Рекомендуемые режимы и схемы нельзя считать наилучшими, так как они не учитывают соотношение реальных цен химикатов, оборудования, энергии, а также требования к защите окружающей среды.

В полной мере эти задачи могут быть поставлены и решены только на базе развитого математического обеспечения путем моделирования и оптимизации.

До настоящего времени отсутствовали обобщенные модели и методы оптимизации процесса отбелки целлюлозы.

Несмотря на то, что вопросы построения математического описания отбелки целлюлозы ставились начиная с 1980;х годов, полученные модели носили частный характер, охватывали лишь отдельные ступени отбелки, носили чисто формальный характер и не могли быть использованы для оптимизации процесса.

В диссертационной работе используются модели всех типовых ступеней отбелки, включая кислородно-щелочную отбелку (КЩО), отбелку пероксидом водорода, а также хлорирование с добавкой диоксида хлора, щелочную обработку с добавкой кислорода и др.

Такое развитое математическое обеспечение, полученное на основе механизма процесса отбелки целлюлозы, позволяет сформулировать и решать задачи оптимизации для любых схем отбелки.

Разработанное программно — алгоритмическое обеспечение позволяет оптимизировать различные схемы отбелки по экономическому критерию, учитывающему ущерб от загрязнения окружающей среды, и рассчитывать оптимальный технологический режим для каждой ступени отбелки, обеспечивающий получение целлюлозы заданного качества при минимальных затратах.

Указанные задачи могут решаться как при проектировании и модернизации отбельных установок, так и при управлении ими с помощью АСУТП.

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.

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 оптимальности;

— оптимизация многоступенчатых систем отбелки целлюлозы по ступеням и в целом при проектировании и с целью их совершенствования при использовании интегральных экономических критериев оптимальности, учитывающих затраты на химические реагенты, потери волокна, тепловую энергию и ущерб от загрязнения окружающей среды;

— программно-алгоритмическое обеспечение процесса оптимизации многоступенчатой отбелки целлюлозы по экономическому критерию оптимальности;

— 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.

6. Результаты работы переданы в ЗАО Гипробум для использования при проектировании и модернизации отбельных установок.

7. Разработано техническое задание на подсистему САПР оптимальной отбелки целлюлозы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе было проведено исследование технологического процесса отбелки целлюлозы. Целью работы являлось моделирование и оптимизация процесса отбелки целлюлозы для проектирования и совершенствования отбельных установок.

В ходе исследования были рассмотрены различные способы получения целлюлозы (сульфитный и сульфатный). В настоящее время наиболее перспективным является сульфатный способ получения целлюлозы.

В работе были разобраны разные способы отбелки целлюлозы: с использованием хлора и его соединений (традиционная отбелка), отбелка без молекулярного хлора (ECF-отбелка) и полностью бесхлорная (TCF-отбелка).

Ужесточение конкурентной борьбы и требований к охране окружающей среды в ЦБП заставляют производителей использовать новые схемы отбелки для получения ECF и TCF целлюлоз. Эти схемы усложняют задачи, стоящие перед системами управления по сохранению качества продукции и производительности при одновременной минимизации затрат. При проектировании и автоматизации процесса отбелки целлюлозы необходимо учитывать наилучшие существующие технологии и оборудование процесса отбелки целлюлозы. В настоящее время в России практически все предприятия отрасли (как сульфитные, так и сульфатные) нуждаются в коренном изменении технологии производства. Основной движущей силой эволюции схем отбелки явилось осознание необходимости отказа от применения молекулярного хлора. Использование молекулярного хлора в производстве целлюлозы, вследствие его вредного воздействия на окружающую среду, в некоторых странах (например, Швеция, Финляндия) запрещено, в других странах (например, США, Канада) это произойдет в ближайшее время. Сегодня в мире, даже с учетом очень отсталых в области ЦБП стран, без использования молекулярного хлора отбеливается уже около 74% всей беленой целлюлозы.

Отказ от применения молекулярного хлора в 80-е годы привел к увеличению расхода диоксида хлора. Значительно более высокая цена диоксида хлора в сравнении с молекулярным хлором вызвала необходимость поиска новых технологических решений, обеспечивающих приемлемую стоимость отбелки с учетом цен на химикаты. К таким решениям относится: продленная делигнификация в процессе варки, однои двухступенчатая кислородно-щелочная обработка, применение кислорода и пероксида водорода на щелочных ступенях обработки. Даже при отбелке без применения молекулярного хлора, но с использованием диоксида хлора, образуются хлорорганические соединения. При исключении из процесса отбелки молекулярного хлора альтернативой может быть применение в качестве заменителей диоксида хлора сочетания кислорода, пероксида водорода, озона или перуксуснои кислоты и энзимов.

В этой связи крайне актуальной является задача оптимизации процесса отбелки целлюлозы. Решение этой задачи позволит снизить расходы дорогостоящих отбеливающих реагентов и энергоносителей.

Для решения этой задачи был проведен анализ существующих математических моделей процесса отбелки целлюлозы. В результате исследования были выбраны математические модели, основанные на анализе механизма описываемого процесса, разработанные Серебряковым Н. П. Данные модели были получены с помощью экспериментальноаналитического метода. Однако, в существующем математическом описании процесса отбелки целлюлозы для бумаги отсутствовали модели вторых (дублирующихся) ступеней. Например, на Сясьском ЦБК отбелку производят по следующей схеме: Хлорирование — Щелочение — ХлорированиеЩелочение — Гипохлорит — Гипохлорит. Для математического обеспечения и для оптимизации процесса отбелки целлюлозы для условий Сясьского ЦБК необходимо было разработать модели, в частности, второй ступени хлорирования и второй ступени отбелки гипохлоритом.

В работе, по экспериментальным данным, был проведен анализ, который показал, что существующие математические модели для первых ступеней отбелки дают существенную погрешность. При помощи экспериментальных данных нами была проведена адаптация моделей. Сущность адаптации заключалась в корректировке свободного члена и коэффициентов модели. В результате было получено развитое математическое описание, которое позволило решить задачу оптимизации для конкретных отбельных установок.

В качестве критерия оптимальности был выбран экономический критерий, условно-переменные приведенные затраты на тонну абсолютно сухой целлюлозы, учитывающий затраты на химические реагенты, потери волокна, тепловую энергию и ущерб от загрязнения окружающей среды.

Далее для определения экстремального значения критерия оптимальности мы перешли к выбору конкретного метода оптимизации. Для выбора метода оптимизации был проведен подробный анализ каждого метода, подходящего для решения существующей задачи оптимизации. В результате анализа, из нескольких методов был выбран поисковый метод, так как он применим для функций многих переменных и наиболее подходил для нашего случая. В свою очередь поисковые методы отличаются друг от друга способом определения направления движения к оптимуму, размером шага и продолжительностью поиска вдоль найденного направления. От величины шага зависят многие параметры поиска, такие как, потери на поиск, точность определения экстремума, надежность поиска. Способ выбора величины шага обычно не относят к процедурам, определяющим метод поиска. Сущность метода, в первую очередь, выражается в способе выбора направления очередного шага. Если при выборе направления используется информация о первых производных целевой функции по управляемым параметрам, то метод относится к группе методов первого порядка, если используется информация о вторых производных — к группе методов второго порядка. Методы, использующие только информацию о значениях минимизируемой функции, называются методами нулевого порядка.

Из поисковых методов как наиболее подходящими методами решения нашей задачи оптимизации были выбраны градиентный метод (метод первого порядка) и метод сканирования (метод нулевого порядка).

Проанализировав зависимость критерия оптимальности от двух оптимизационных расходов при фиксированных остальных переменных, был сделан вывод, что максимальное и минимальное значение нашей функции быстро достигается в нуле или на бесконечности. Поэтому градиентные методы в решении нашей задачи не смогут сойтись к локальному минимуму. Тем самым оптимальные значения переменных при использовании градиентных методов будут находиться на границах интервала изменения, кроме одной переменной. В данном случае при использовании градиентного метода были необходимы вычисления не только значения критерия оптимальности, но и значений производных этого критерия на каждом итерационном шаге. В этом случае точность определения экстремума будет сопоставима с точностью определения методом сканирования. Поэтому основным методом оптимизации в данной работе был выбран метод сканирования. В методе сканирования вся допустимая область пространства оптимизируемых параметров разбивается на элементарные подобластиячейки 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.

В результате решения задачи оптимизации был получен оптимальный режим работы отбельной установки, обеспечивающий минимальные затраты.

Для написания программы расчета оптимального режима работы отбельной установки был выбран язык программирования С++ и среда разработки Visual Studio 2005 Standard Edition. Язык С++ относится к языкам программирования высокого уровня пятого поколения: языки объектно-ориентированные и визуальные.

Методика оптимизации процесса отбелки целлюлозы, разработанная в диссертационной работе, заключается в расчете номинального и оптимального режимов отбелки целлюлозы, их сравнении и выдаче оператору рекомендаций по более эффективному и экономичному управлению отбельной установкой. На первом этапе расчета вводятся исходные данные, необходимые для расчета номинального и оптимального режимов. Далее происходит расчет жесткости, белизны и вязкости по ступеням отбелки. Ограничение по вязкости раствора беленой целлюлозы составляет 20 мПа*с. Требуемая конечная белизна и начальная жесткость целлюлозы была задана в самом начале при вводе исходных данных. С учетом данных ограничений, происходит расчет условно-переменных приведенных затрат. Выбор оптимального режима процесса отбелки целлюлозы проводился исходя из минимума условно-переменной части приведенных затрат, обеспечивающих получение целлюлозы заданной белизны и достаточной механической прочности из целлюлозы заданной жесткости. После расчета номинального и оптимального режимов отбелки целлюлозы было произведено их сравнение и вывод результатов расчета.

Разработанная нами методика была использована при расчете оптимального режима для двух отбельных установок: на ОАО «Сясьский ЦБК» и ОАО «Светогорск» (САЦ-1).

Для отбельной установки на ОАО «Сясьский ЦБК» 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 прибыль составит 85,8 рублей на тонну целлюлозы или 6,263 млн. рублей в год (производительность отбельной установки 73 000 тонн беленой целлюлозы в год) за счет уменьшения затрат на расходы химических реагентов и тепла, а также сокращения ущерба от загрязнения окружающей среды.

Анализ данных расчетов для ОАО «Светогорск» показал, что основными статьями экономии будут являться прибыль за счет уменьшения затрат на химические реагенты и потерь волокна. Доля прибыли от уменьшения затрат на охрану окружающей среды и тепловую энергию очень незначительна. В целом экономия составит 106,7 руб/т целлюлозы, что при производительности установки 103 000 т/год составит 10,990,100 руб/год.

Разработанная инженерная методика оптимизации и программно-алгоритмическое обеспечение были использованы как для проектирования, так и для автоматизации процесса отбелки целлюлозы.

В ходе проведенных исследований в диссертационной работе получены следующие научные и практические результаты:

1. Показана возможность использования математических моделей отбелки целлюлозы, полученных с учетом механизма процесса, для целей оптимизации.

2. Сформулирована задача оптимизации с использованием обобщенного экономического критерия, учитывающего капитальные вложения, затраты на отбелку, выход целлюлозы и ущерб от загрязнения окружающей среды.

3. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение оптимизации многоступенчатой отбелки целлюлозы для бумаги.

4. С помощью разработанного программно-алгоритмического обеспечения проведен сравнительный анализ и расчет оптимальных режимов некоторых реальных отбельных установок.

5. Полученные результаты использованы при разработке технико-экономического обоснования АСУТП отбелки целлюлозы на ОАО Сясьский ЦБК.