АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА НАГРЕВА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ФТАЛОЦИАНИНА МЕДИ

AUTOMATION OF THE HEATING PROCESS FOR HIGH-TEMPERATURE ORGANIC COOLANT IN COPPER PHTHALOCYANINE PRODUCTION

Golikov Vladislav Andreevich

Master's Student, Department of Information Processes and Management, Tambov State Technical University,

Russia, Tambov

Tretyakov Alexander Aleksandrovich

Scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Information Processes and Management, Tambov State Technical University,

Russia, Tambov

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены вопросы автоматизации процесса нагрева высокотемпературного органического теплоносителя, используемого при синтезе фталоцианина меди. Выполнен анализ технологических особенностей производства, влияния температурного режима на качество конечного продукта и требований к системам автоматического регулирования. Предложена структура автоматизированной системы управления температурой теплоносителя, обеспечивающая повышение точности поддержания технологических параметров и снижение энергетических затрат. Рассмотрены математические модели объекта управления и особенности применения современных средств автоматизации в химико-технологических производствах.

ABSTRACT

This article examines the automation of the heating process for high-temperature organic coolant used in the synthesis of copper phthalocyanine. An analysis of the process characteristics, the impact of temperature control on the quality of the final product, and the requirements for automatic control systems is provided. A structure for an automated coolant temperature control system is proposed, ensuring improved accuracy in maintaining process parameters and reduced energy costs. Mathematical models of the controlled object and the application of modern automation tools in chemical engineering production are discussed.

Ключевые слова: фталоцианин меди, органический теплоноситель, автоматизация, система автоматического регулирования, температурный режим, химическое производство, ПИД-регулятор.

Keywords: copper phthalocyanine, organic coolant, automation, automatic control system, temperature control, chemical production, PID controller.

Введение

Фталоцианин меди является одним из наиболее востребованных органических пигментов, широко используемых в лакокрасочной промышленности, производстве полимерных материалов, сенсорных устройств и функциональных покрытий. Качество получаемого продукта во многом определяется соблюдением технологических параметров синтеза, среди которых особое значение имеет температурный режим реакционной среды.

Для обеспечения необходимой температуры в реакторах синтеза применяются высокотемпературные органические теплоносители, способные длительное время работать при температурах 250–350 °C без существенного разложения. Поддержание стабильной температуры теплоносителя является важной задачей автоматизированного управления технологическим процессом.

Особенности технологического процесса

Синтез фталоцианина меди осуществляется в реакторах периодического действия при повышенных температурах. Нагрев реакционной массы производится через теплообменную поверхность с использованием циркулирующего органического теплоносителя.

К основным требованиям к системе нагрева относятся:

• обеспечение равномерного распределения температуры;
• минимизация температурных колебаний;
• предотвращение локального перегрева;
• снижение энергозатрат;
• обеспечение безопасной эксплуатации оборудования.

Даже незначительные отклонения температуры могут приводить к снижению выхода целевого продукта и ухудшению его дисперсных характеристик.

Объект автоматического управления

В качестве объекта управления рассматривается контур нагрева теплоносителя, включающий:

• электрический или газовый нагреватель;
• циркуляционный насос;
• теплообменник реактора;
• датчики температуры;
• исполнительные механизмы регулирования мощности.

Температура теплоносителя является регулируемой величиной, а мощность нагревателя — управляющим воздействием.

Объект характеризуется значительной тепловой инерционностью и наличием транспортного запаздывания, что необходимо учитывать при проектировании системы автоматического регулирования.

Математическая модель процесса

Для описания динамики нагрева может использоваться апериодическое звено первого порядка с запаздыванием:

где:

• (K) — коэффициент усиления объекта;
• (T) — постоянная времени;
• (\tau) — время запаздывания.

Данная модель позволяет проводить настройку регулятора и анализировать устойчивость системы управления.

Для регулирования температуры целесообразно использовать ПИД-закон управления:

где:

• (e(t)) — ошибка регулирования;
• (K_p) — коэффициент пропорциональной составляющей;
• (K_i) — коэффициент интегральной составляющей;
• (K_d) — коэффициент дифференциальной составляющей.

Использование ПИД-регулятора обеспечивает высокую точность поддержания температуры и компенсацию внешних возмущений.

Структура автоматизированной системы управления

Автоматизированная система включает следующие функциональные элементы:

1. Первичные преобразователи температуры.
2. Программируемый логический контроллер.
3. Частотно-регулируемый привод насоса.
4. Блок управления нагревателем.
5. SCADA-систему верхнего уровня.
6. Архивирование и визуализацию параметров процесса.

Сигналы с температурных датчиков поступают в контроллер, где осуществляется вычисление управляющего воздействия и формирование команд исполнительным механизмам.

Энергоэффективность процесса

Одной из важных задач автоматизации является снижение расхода энергии на нагрев теплоносителя. Для этого используются:

• каскадное регулирование температуры;
• адаптивная настройка регуляторов;
• прогнозирующие алгоритмы управления;
• контроль тепловых потерь оборудования.

Внедрение автоматизированных систем позволяет сократить потребление энергии на 8–15 % по сравнению с ручным управлением процессом.

Промышленная безопасность

Высокие температуры теплоносителя требуют реализации дополнительных функций защиты:

• контроля предельно допустимой температуры;
• диагностики отказов датчиков;
• автоматического отключения нагревателей;
• аварийной сигнализации;
• резервирования критически важных элементов системы.

Комплекс указанных мероприятий обеспечивает безопасную эксплуатацию технологического оборудования и снижает вероятность возникновения аварийных ситуаций.

Заключение

Автоматизация процесса нагрева высокотемпературного органического теплоносителя является важным условием повышения эффективности производства фталоцианина меди. Применение современных систем автоматического регулирования позволяет обеспечить стабильность температурного режима, повысить качество готового продукта, уменьшить энергозатраты и повысить безопасность технологического процесса. Перспективным направлением дальнейших исследований является внедрение интеллектуальных алгоритмов управления и цифровых двойников теплотехнического оборудования.

Список литературы:

1. Плетнев Г.П. Автоматизированное управление объектами химической промышленности. — М.: Химия, 2021.
2. Денисенко В.В. Компьютерное управление технологическим процессом. — М.: Горячая линия – Телеком, 2022.
3. Егоров А.Ф., Назаров П.Г. Автоматизация химико-технологических процессов. — М.: КолосС, 2020.
4. Себорг Д., Эдгар Т., Мелличамп Д. Проектирование систем автоматического управления технологическими процессами. — М.: Бином, 2019.
5. Федоров С.В. Промышленные системы автоматического регулирования температуры. — СПб.: Профессия, 2021.
6. Leznoff C.C., Lever A.B.P. Phthalocyanines: Properties and Applications. — New York: Wiley, 2019.