На стадии синтеза карбамида данного ТП важнейшим качественным показателем хода процесса синтеза является степень конверсии (Х) углекислоты в карбамид. Отсутствие автоматических измерителей данного параметра создает значительные трудности в реализации эффективных систем управления.
Длительное время в практике проектирования для определения равновесного значения степени конверсии (X*) углекислоты в карбамид пользовались номограммой Фрежака. Эта номограмма была составлена на основе упрощенных представлений о равновесии синтеза без учета межфазового распределения компонентов. Сравнение величины X*, снятой по номограмме с экспериментальными данными [1], дает погрешность до 7 % абс.
В результате изучения в ГИАП объективной зависимости X* от режимных параметров получена аппроксимация:
(1)
где L - мольное соотношение NH3:CO2 в исходной смеси;
W - мольное соотношение H2O:CO2;
T - температура синтеза, °С;
P - давление синтеза, ат.
По утверждению авторов [1,2], уравнение (1) достаточно надежно для практических расчетов. Среднеквадратическое отклонение рассчитанных и найденных на опыте величин X* составляет 2.14 % абс. Уравнение применимо в достаточно широком диапазоне изменения режимных параметров при 160¸220 °С, 100¸1000 ат, L = 2¸6 и W = 0¸1.5.
Уравнение (1) имеет несомненную ценность в исследовательских работах при проектировании реакторов различных типов. Определение параметров модели производилось на основе опытов с использованием автоклава, поэтому полученные результаты не могут без коррекции использоваться для расчета X в проточном реакторе.
Позднее был предложен новый подход к оценке важнейшего качественного параметра ТП синтеза карбамида [3]. Этот подход базируется на исследовании гидродинамики, кинетики химических реакций синтеза карбамида, на исследовании массо- и теплообменных процессов и разработке на их основе математической модели Х. Основные реакции (2), (3)
СО2+2×NH3DNH2-COO-NH4+Q (158 кДж/моль) (2)
NH2-COO-NH4 D NH2-CO-NH2 + Н2О - Q (32.3 кДж/моль) (3)
конверсии исходных реагентов в карбамат аммония и гидролиза последнего в карбамид не отражают всей сложности комплекса процессов химических превращений [1, 2]. За основу математического описания принята модель вытеснения, осложненная обратным перемешиванием. Изменение концентрации СО2 во времени и по высоте колонны синтеза (КС) можно описать уравнением:
(4)
(5)
где Z - координата, направленная по высоте КС;
D - коэффициент продольного перемешивания;
С - концентрация СО2 в реакторе по высоте Z;
u - линейная скорость потока;
w - скорость превращения СО2 в карбамид;
t - время;
t - время пребывания реагентов в КС.
Величина w, входящая в уравнение (4), определяет скорость изменения концентрации углекислоты в зависимости от времени пребывания реагентов в зоне реакции. Она определяется кинетикой реакций (2) и (3).
В результате ряда преобразований исходного выражения (4) с переходом от концентрации СО2 к степени конверсии, расчетное выражение последней 
приобретает следующий вид:
(6)
где - степень конверсии углекислоты в карбамид на выходе КС;
- равновесная степень химического превращения углекислоты в карбамид, определяемая из условия:
, где 
,
- абсолютные значения равновесных давления и температуры в КС;
- начальное значение величины при 
;
- зависимость 
в неявном виде для равновесного значения ;
А, В - коэффициенты разложения зависимости 
в ряд Тейлора в точке равновесия 
;
;
;
L - высота КС;
Z - переменная из интервала [0;L].
Основным достоинством расчетного выражения (6) является учет всех факторов, оказывающих влияние на ТП синтеза. Учет обратного перемешивания позволяет производить расчет неконтролируемого параметра, как в лабораторных, так и в промышленных условиях.
Недостатком расчетного выражения является наличие в нем значительного количества настраиваемых коэффициентов, большинство из которых нестационарные.
Как показал опыт использования математической модели в составе рабочего программного обеспечения автоматизированной системы управления ТП на «Одесском припортовом заводе», наличие значительного количества нестационарных коэффициентов предопределяет высокую параметрическую чувствительность расчетного выражения. Для получения надежных расчетных значений Х на основе (6) необходима адаптация ряда нестационарных коэффициентов к текущим условиям эксплуатации, что является серьезной проблемой.
Разработчиками была предпринята попытка по созданию программы адаптации нестационарных коэффициентов математической модели. Оказалось, что добиться приемлемой точности расчета Х путем подстройки коэффициентов удается лишь в условиях ведения процесса близких к стационарным и на непродолжительное время.
Отсюда можно сделать вывод, что расчетное выражение (6) в явном виде неприменимо в составе системы автоматического управления. Анализ ТП синтеза как объекта управления [4] показал, что причиной тому является высокий уровень неконтролируемых возмущений, как по тепловым, так и по материальным потокам, поступающих в реактор. Именно наличие возмущений является основной причиной некорректной работы программы адаптации математической модели в режиме реального времени. Чтобы корректно производить подстройку коэффициентов модели в реальном времени, необходимо «очистить» объект от поступающих в него возмущений.
Таким образом, на первый план выходит задача по разработке управляющей структуры для эффективного парирования возмущений на входе в реактор. Это позволит в значительной мере снизить нестационарность аппроксимирующей модели, упростить ее адаптацию и повысить точность оценок степени конверсии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Кучерявый В.И., Лебедев В.В. Синтез и применение карбамида. Л.: Химия, 1970.
- Горловский Д.М., Альтшулер Л.Н., Кучерявый В.И. Технология карбамида. Л.: Химия, 1981.
- Богатов А.Г., Богданова Т.М., Никитюк В.Ф., Кучерявый В.И, Олевский В.М. //Хим. пром. 1989. №6. С. 42.
- Сажин С.Г., Брусов В.Г., Демкин Н.А. Анализ состояния проблемы автоматического управления в стадии синтеза производства карбамида. //Тез.докл. X Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве », Н.Новгород, 2003. - с.15.