Безопасные производства с электродинамическими реакторами, адаптивным регулированием, размещенные в специальных зданиях: На примерах получения бутадиена и извести

Технологии с использованием высокотемпературного нагрева обрабатываемых веществ (органических или неорганических) являются наиболее энергоемкими и характеризуются образованием большого количества взрывоопасных и токсичных газов. Передача энергии, как правило, происходит в результате непосредственного контактирования теплоносителя, получающего тепловую энергию от сгораемого топлива, с обрабатываемым материалом путем теплопроводности и (или) конвекции. Такой массообменный подвод энергии не обеспечивает эффективного контроля над процессом нагрева, так как значительна инерционность и нельзя обеспечить, в случае необходимости, быстрое прекращение подвода энергии. Снижается экологическая чистота производственного процесса, чистота получаемых продуктов, безопасность производства, возникают значительные энергетические потери.

В рассматриваемых нами производственных процессах получения бутадиена для каучуков, углекислого газа и извести, для которых характерны массообменный подвод большого количества энергии, указанные недостатки весьма ярко выражены. Это выделение значительного количества вредных соединений в дымовых газах и сточных водах, большая единичная мощность установок нагрева бутенов и известняка, обусловливающая крупные размеры реакционных аппаратов и перемещение большого количества взрывоопасных и вредных газов высокой температуры.

Предложено использовать новые технологии нагрева бутенов и известняка путем воздействия на них электромагнитным излучением СВЧ диапазона в электродинамических реакторах. Это позволяет обеспечить бесконтактную передачу энергии, поглощаемой по всему объему нагреваемого веществаинтенсифицировать процесс и улучшить контроль передачи тепловой энергииуменьшить размеры печей.

Новая технология нагрева бутенов и известняка, повышая экологическую безопасность процесса, дает значительный энергетический эффект, высокую 5 скорость протекающих процессов в электродинамических реакторах и, все же, без надежной системы управления может привести к значительным отклонениям регулируемых параметров (давления в реакторе, температур технологических сред и т. д.), что приведет к потерям электроэнергии, отклонениям от нормального режима работы оборудования, его преждевременному износу и аварийным ситуациям. Поэтому возникает необходимость и в новой системе управления, способной с определенной точностью поддерживать значения температур технологических сред, давлений газов в печах и других параметров при быстро изменяющихся условиях в реакторе, и не снижающей надежности управления процессами. Так как схемы управления с обратной связью не могут исключить возрастания величины отклонения параметров процесса, решено в следящих контурах применять программное адаптивное регулирование по рассогласованиям, обеспечивающее стабилизацию выходных параметров в пределах заданных констант, базирующееся на имеющейся элементной базе и не требующее встройки в технологические схемы дополнительных блоков адаптации и датчиков.

В сочетании с адаптивным регулированием электрофизический метод нагрева веществ позволяют обеспечить эффективность и безопасность работы как реакторных узлов, так и всего производства, упростить технологические схемы, исключить некоторые потоки и аппараты.

Однако, такие факторы, как наличие взрывоопасных сред и высоких температур, возможность выделения вредных и взрывоопасных газов в результате неполадок и аварий, сложные маршруты для обслуживания оборудования, отсутствие многосторонней оперативной информации о производственном процессе все еще сохраняют производственные опасности, уменьшить которые мы предлагаем, заключив все технологические процессы в некую оболочку, представляющую собой здание специальной конструкции. Конструктивные особенности такого специального производственного здания обеспечивают безопасное размещение аппаратов, безопасные маршруты и благоприятные условия труда для обслуживающего персонала. Более того, 6 такая «оболочка» позволяет обеспечивать более высокую гармонизацию технологии с окружающей средой. Так как безопасность в эксплуатации и экологические характеристики производственного химического комплекса зависят от суммы аналогичных характеристик составных частей (оборудования, коммуникаций, здания), мы предлагаем специальные, модульные технологии, когда новая химическая технология помещается в специальное сооружение (специальное производственное здание), обеспечивая безопасную и эффективную производственную среду в здании посредством оптимизации всей его структуры, систем, управления и взаимоотношений между ними. Таким образом, размещение новых производств получения бутадиена для каучуков и получения углекислого газа и извести в специальном производственном здании позволят повысить безопасность этих процессов, благодаря трем составляющим: изменению технологии обработки веществ, системе управления и конструктивным особенностям сооружения.

Исследуемые нами химические процессы выбраны так, что с точки зрения основных опасностей, порождаемых химическим составом технологических сред, в одном случае превалирует углеводородная составляющая (получение бутадиена), в другом — токсичный инертный газ (получение С02 и извести). Таким образом, можно полагать, что если предлагаемый подход будет плодотворен для обоих названных процессов, достаточно «удаленных» друг от друга по типу сред, то такой подход можно будет использовать для широкого спектра промышленных процессов химического, нефтехимического, нефтегазового комплекса.

Цель работы. Исследовать возможность повышения безопасности промышленных химико-технологических систем за счет новых решений по энергоподводу, управлению и архитектуре системы на примере производств с различной структурой перерабатываемых сред (производство углекислого газа и извести и производство бутадиена для каучуков). 7.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели требуется решить следующие основные задачи:

1) выявить основные опасности, характерные для существующих типовых производств бутадиена для каучуков и углекислого газа и извести;

2) выявить преимущества малоинерционного немассообменного подвода энергии с трансформацией тепла через поглощение диэлектриком в процессах получения бутадиена для каучуков и получения извести и углекислого газа;

3) разработать методики расчета настроечных параметров адаптивных систем управления по рассогласованиям;

4) разработать решения по размещению технологий получения бутадиена для каучуков, получения углекислого газа и извести в специальном производственном здании;

5) разработать решения по организации интегрированного управления технологическими процессами и системами в специальном производственном здании.

Методы исследования. Исследования проводились численными и численно-аналитическими методами на ЭВМ с использованием универсальных и специализированных пакетов и систем. Использовались методы теории автоматического регулирования, математического моделирования.

Научная новизна.

1 Показано, что для химико-технологических систем (на примере процесса получения углеводородной газообразной продукции и процесса получения токсичного, но химически инертного газа вместе с твердым химически активным продуктом) сочетание использования электродинамических СВЧ-печей с размещением в специальном производственном здании дает высокую функциональность и безопасность, сокращение размеров потенциально опасных зон и уменьшение времени пребывания обслуживающего персонала в потенциально опасных зонах. 8.

2 Впервые использован принцип программного адаптивного управления для малоинерционного немассообменного электродинамического реактора.

3 Показано, что программное адаптивное управление технологическими процессами по рассогласованиям (получение бутадиена, получение извести) улучшает надежность работы оборудования, благодаря быстрой стабилизации технологических параметров в заданных границах и не требуя установки дополнительных датчиков.

Практическая ценность работы.

1 Новый способ подвода энергии в реакционную зону разложения карбоната кальция и разработанные для него термодинамические методы расчета электродинамического реактора, методы расчета настроечных параметров адаптивной системы по рассогласованиям параметров процессов получения бутадиена и извести могут быть использованы на производствах бутадиена для каучуков (например, на ЗАО «Каучук» г. Стерлитамака) и кальцинированной соды (например, на ОАО «Сода» г. Стерлитамака) для перехода от традиционной технологии к малоинерционным легкоуправляемым, с высокой чистотой продуктов, электродинамическим печам (реакторам) без процессов горения, размещаемым в специальном производственном здании с высоким уровнем безопасности персонала.

2 Предлагаемый комплексный подход с использованием специального производственного здания, адаптивной системы управления и немассообменного подвода энергии создает широкие возможности повышения безопасности разнообразных технологий нефтегазового комплекса и может использоваться при проектировании новых производств.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на межрегиональной научной конференции «Севергеоэкотех-2001» (Ухта, 2001), на Всероссийской научно-практической конференции «Лабораторное дело: организация и методы исследований» (Пенза, 2001), на 9 республиканской научно-практической конференции «Проблемы интеграции науки, образования и производства южного региона Республики Башкортостан» (Салават, 2001), на межвузовской научно-практической конференции «Управление в сложных системах» (Уфа, 2001).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе: тезисов докладов-6, статей-4.

Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы и приложения. Общий объем работы 125 страниц.

ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ.

1) Специальное производственное здание позволяет создать среду, в которой возможно реализовать целый комплекс новых решений по технологиям нагрева бутенов и известняка, управлению процессами и системами жизнеобеспечения, созданию технологических зон, ограничивающих масштабы воздействия на окружающую и производственную среды, созданию безопасных и комфортных условий труда.

2) Специальное здание для химических производств позволяет обеспечить безопасность персонала, многофункциональность, возможность быстрой смены технологических схем, высокую степень автономности и малую площадь, малые капитальные затраты при сооружении, благодаря тому, что создается новая, более безопасная производственная среда посредством оптимизации четырех элементов: структуры, систем, служб, управления и взаимоотношений между ними.

3) В основе построения интегрированной системы управления лежат два решения: многофункциональная кабельная система здания и структурированная система мониторинга и управления инженерным оборудованием здания.

Многофункциональная кабельная система экооболочки — единая среда, обеспечивающая передачу и распределение энергии и информации, а также контроль и управление параметрами. Внедрение этой системы обеспечивает:

— повышение надежности и долговечности кабельной системывозможность проведения реконструкции без дополнительных затрат на модификацию системыоткрытая архитектура.

Структурированная система мониторинга и управления инженерным оборудованием экооболочки позволяет: вести дистанционный мониторинг инженерных систем здания;

— эффективно управлять инженерными системами;

Ill сберегать энергоресурсы, потребляемые в здании.

4) В специальном производственном здании создаются возможности по более рациональному размещению различного рода коммуникаций (трубопроводы, кабельные каналы и т. д.), а в совокупности с интегрированной системой управления обеспечивается экономически эффективная эксплуатация здания.

5) В специальном производственном здании создаются устойчивые благоприятные условия для работы и жизнедеятельности персонала, так как достигается максимально возможная локализация технологических процессов в функциональных блоках, сокращается время на перемещения в потенциально опасных блоках.

6) В специальном производственном здании возможны как длительное безопасное пребывание в особо защищенной зоне центрального цилиндра, так и быстрая эвакуация из него по кратчайшему маршруту, минуя технологические зоны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Предложен новый комплексный подход к обеспечению промышленной безопасности химико-технологической системы, включающий три составляющие: немассообменный подвод энергии в реакционную среду, адаптивную систему управления реакторным блоком, размещение всех элементов технологической системы в здании специальной конструкции.

2. На примерах получения бутадиена и извести показано существенное снижение потенциала опасности при использовании подвода энергии в реакционную зону путем СВЧ-нагрева за счет исключения сжигания топлива, ведущего к появлению большого объема токсичных газов, и за счет уменьшения инерционности системы, повышения ее управляемости, возможности мгновенно прекратить или уменьшить (увеличить) подвод энергии.

3. Программно реализованный алгоритм адаптивного управления блоком с электродинамическим реактором, когда управление осуществляется по рассогласованию параметров процессов получения бутадиена и извести, обеспечивает их удержание в заданном оптимальном режиме.

4. Получена и решена в стационарном приближении система уравнений, описывающих распределение температур по высоте электродинамического реактора для твердой и газовой фазы процесса получения извести и углекислого газа.

5. Размещение технологической установки в специальном здании позволило реализовать интегрированную систему управления, которая, в отличие от автономных, использует общую базу данных. Последняя может быть использована не только отдельными подсистемами обеспечения жизнедеятельности, но и любыми другими устройствами автоматизации управления технологическими установками в здании. Схема позволяет иметь необходимую полную информацию о процессе в любой момент времени, обеспечивая эффективное управление и безопасность эксплуатации. из.

6. Размещение технологий в специальных производственных зданиях создает базу для многовариантных решений перспективного развития с высокими адаптивными возможностями, так как СПЗ обладает универсальностью и целым набором необходимых качеств: компактность, максимальная замкнутость технологических циклов, простая технология монтажа и демонтажа оборудования и систем управления зданием, безопасность персонала в любых ситуациях и комфортность рабочих мест, низкие эксплуатационные расходы.