Программный комплекс "Тепловой взрыв" (стр. 100 )

Так как в реальной практике абсолютной безопасности не существует, то вводится понятие допустимого риска — это риск который в данном контексте считается допустимым при существующих общественных ценностях. Значение допустимого риска нормируется при определении безопасности определенного объекта. Его нормативное значение определяется в результате поиска оптимального баланса между абсолютной безопасностью и требованиями, которым должен удовлетворять объект при его практическом использовании. При этом необходимо учитывать результаты развития технологий, знаний, которые могут привести к экономически оправданным усовершенствованиям, чтобы достичь минимума допустимого риска. Сегодня нет нормативных документов, количественно определяющих значения допустимого риска для термически опасных объектов.

Для практической деятельности для оценки уровня термического риска можно использовать разность температур MTSR – MTT. Очевидно, что система обеспечения безопасности обеспечивает безопасность только в случае MTT MTSR. При этом, чем больше разность MTT – MTSR, тем больше уровень безопасности и меньше риск аварии теплового взрыва. Если MTSR> MTT, то безопасность с позиций теплового взрыва не обеспечена.

Безопасность достигается путем уменьшения риска до допустимого уровня. Методология снижения степени риска предполагает, что присутствующая опасность рано или поздно причинит вред, если заранее не будут предприняты определенные защитные меры.

15.2. Концепция внутренней безопасности

15.2.1. Введение в проблему

Заданный уровень безопасности химического производства может быть достигнут двумя принципиально разными подходами. Во-первых, в результате использования систем защиты, снижающих или, в пределе, полностью исключающих материальные и человеческие потери при авариях при сохранении неизменными технологии производства и технологического оборудования. Это инженерный подход к снижению опасностей и управления ими. Примеры такого подхода – использование систем аварийного сброса давления при возникновении в реакторе опасных давлений (предохранительные клапана, механические средства защиты персонала и населения от воздействия возможного взрыва - стенды, обваловки и т. д.), создание безопасных технологических расстояний между блоками оборудования и т. д. Такой подход обычно ведет к существенному удорожанию (росту капитальных затрат) и усложнению технологического процесса. Второй подход – это повышение внутренней безопасности в результате снижения вплоть до полного исключения опасности в результате изменения технологии процесса. Конечно, для практического обеспечения безопасности может быть использована комбинация этих подходов.

Основные идеи о возможных способах создания внутренне безопасного процесса или производства были сформулированы Т. Клетцем [3, 4]. Сама проблема внутренней безопасности химических процессов обсуждается в многочисленных публикациях, в том числе, в нескольких монографиях [5-8]

Термин "внутренне более безопасный" выражает идею такого производства и процесса, которые менее опасны по своей природе либо потому, что в них используются менее опасные вещества, условия или оборудование, либо в связи с тем, что они менее предрасположены к опасным нестабильностям или выходу реакции из-под контроля (тепловому взрыву).

Концепция внутренней безопасности является сложной и многосторонней, при этом ни один из аспектов промышленной технологии нельзя считать для нее несущественным. Она наиболее эффективна в случае, если принцип внутренней безопасности последовательно применяется, начиная с самых ранних стадий разработки химического процесса и в течение всего его жизненного цикла. Если исследования безопасности процесса начинаются только на стадии его детального проектирования, когда многие возможности для изменения самого процесса уже упущены, то для обеспечения безопасности остаются доступными только инженерно-организационные меры, полагающийся скорее на снижение последствий аварий, чем на устранение или предотвращение опасностей процесса. Чем ближе к завершению стадия проектирования процесса, тем выше оказывается цена "упущенных возможностей", которые дают методы использования внутренней безопасности.

Существует 4 известных способа реализации принципа внутренней безопасности:

заместить – замещение опасного вещества другим менее опасным веществом, т. е. использование в технологии другого химического вещества; минимизировать – использование меньших количеств опасных веществ, например, в результате замены периодического процесса эффективным нерерывным процессом; модифицировать – использовать менее опасные технологические условия, менее опасные формы материалов; упростить – упрощения технологии, делающие менее вероятным ошибки с опасными последствиями.

Одним из важных направлений в разработке безопасных химических процессов, обладающих опасностью теплового взрыва, является оптимизация технологических режимов с возможностью придания химическому процессу свойств внутренней безопасности, снижающих риск, связанный с этой опасностью. Ниже рассматривается постановка и решение этой задачи с применением методов математического моделирования и использованием в качестве инструмента программы InSafer – компонента комплекса TSS.

Суть рассматриваемой проблемы заключается в нахождении путем оптимизации такого рабочего режима химического процесса (в пределах заданной технологии), который, для выбранного оборудования и используемых веществ, делает процесс внутренне более безопасным при сохранении, по возможности, самой технологии неизменной. Большинство предложенных методов решения такой задачи сугубо специфичны для каждого вида процесса и протекающей в нем реакции. Только в некоторых случаях простых химических реакций удается получить удобные аналитические выражения для оценки и индексации реакционной опасности. Общее решение задачи возможно только численно, используя методы численного моделирования и нелинейной оптимизации.

Методы нелинейной оптимизации давно и широко используются для оптимизации химико – технологических процессов [9-11] с целью их оптимизации с позиций обеспечения качества и экономики. Одако они пока относительно редко применяются для создания внутренне безопасных процессов. В значительной степени это связано с отсутствием специализированного для этих задач программного обеспечения. К сожалению, в России подобные работы до последнего времени практически не проводятся. Поэтому одна из задач этого раздела - привлечь внимание отечественных специалистов к этому перспективному направлению в области безопасности химических технологий.

15.2.2. Постановка задачи

Ниже рассматривается постановка и подход к решению задачи разработки оптимального с позиции внутренней безопасности химического процесса, реализованная в программе InSafer.

При постановке задачи оптимизации необходимо, в первую очередь, определить объект и цели оптимизации. В нашем случае объектом оптимизации является определенный химический процесс, обладающий идентифицированной термической опасностью. Цель - оптимизация процесса с позиций внутренней безопасности.

Введем ограничение на объект оптимизации– в рамках программы InSafer рассматривается химический процесс только в условиях полупроточного реактора. Выбор такого типа реактора объясняется следующими обстоятельствами.

Для реакторов периодического действия их энергетический потенциал всегда максимален в начале, когда загруженные реагенты еще не начали взаимодействовать. Наихудший аварийный сценарий реализуется, когда отказ системы охлаждения происходит в самом начале. Для такого реактора практически нет средств для повышения внутренней безопасности процесса.

С этих же позиций проточные реакторы также малоинтересны. Дело в том, что в штатном режиме проточный реактор стационарен, реакционная смесь удаляется из реактора и поэтому отказ системы охлаждения не представляет большой опасности. Наибольшую потенциальную опасность такой процесс представляет в период остановки, но этот режим практически аналогичен полупроточному процессу.

Тем не менее, InSafer позволяет рассматривать реактора всех типов с помощью комбинации входов и выходов реактора полупериодического действия:

реактор полупериодического действия (SEMI-BATCH) – входы открыты, выходы закрыты; реактор периодического действия (BATCH) – входы и выходы закрыты; реактор непрерывного действия (CSTR) – входы и выходы открыты.

Процессы тепломассопереноса в полупроточном реакторе весьма сложны. Как правило, для устранения градиентов температуры и концентраций реагентов в таком реакторе применяется искусственное перемешивание, но полная гомогенизация обычно не достигается - имеются зоны с более и менее интенсивными течениями. Характерной особенностью полупроточного процесса является то, что подаваемые реагенты не смешиваются с находящейся в реакторе жидкостью мгновенно, необходимо некоторое время для выравнивания концентраций свежих реагентов по объему смеси (время смешения). Значимость этого эффекта зависит от соотношения характерных скоростей реакции и выравнивания концентраций. Если характерное время реакции сравнимо или меньше времени смешения, то в реакторе будут возникать градиенты концентраций, локальные перегревы и т. д. В общем случае такой реактор должен представляться сложной гидродинамической моделью, способной описать естественную и искусственную конвекцию в реагирующей смеси. В рамках InSafer рассмотривается модель полупроточного реактора в приближении идеального смешения.

Постановка задачи оптимизации всегда предполагает существование конкурирующих свойств процесса. В нашем случае такими свойствами являются, с одной стороны техно – экономические показатели процесса (выход и качество продукции, экономические затраты и т. д.) и, с другой стороны, показатели безопасности процесса. При этом формулировка задачи оптимизации должна требовать экстремального значения лишь одной величины. В нашем случае ставится задача получить процесс с максимальной безопасностью при заданных параметрах качества процесса.