Программный комплекс "Тепловой взрыв" (стр. 104 )

В то же время, тепловой режим процесса, полученного в результате оптимизации профиля подачи реагента, остается внутренне безопасным даже при допустимых возмущениях амплитуд импульсов ± 10% (рис. 15.10).

Полномасштабный анализ с использованием оптимизации дает несколько отличные профили возмущений управляющих переменных, но подтверждает результаты упрощенного анализа устойчивости.

15.3.5. Расширенное сканирование

Для предварительного анализа устойчивости теплового режима по отношению к возмущениям скорости подачи во входных потоках быстрого сканирования может оказаться недостаточно. Поэтому для этой группы управляющих переменных часто имеет смысл пройти все возможные комбинации с предельными значениями возмущений. При этом число возможных комбинаций резко возрастает. Так, для n импульсов полное число комбинаций верхних и нижних предельных значений будет 2n. Следовательно, для перебора комбинаций необходимо использовать алгоритм, который позволял бы в первую очередь перебирать только самые важные варианты и получать релевантную информацию даже в тех случаях, когда из-за длительности процедуры сканирование прерывается до его завершения. Для перебора комбинаций были выбраны бинарные коды Грея [20], при которых объекты перечисляются в таком порядке, чтобы каждый следующий минимально отличался от предыдущего. Перечислим для примера все коды Грея при n = 3.

0-100-110-010-011-111-101-001

Порядок следования разрядов (слева направо, от младших к более старшим) в каждом таком двоичном числе соответствует порядку следования импульсов (или ступеней). Нулем кодируется нижнее предельное значение возмущения, а единицей – верхнее. Видно, что, при прохождении первой половины кодов перебираются все возможные сочетания возмущений для первых двух импульсов, не трогая третий. Учитывая, что наибольшую опасность представляют возмущения при подаче реагентов в начальной стадии процесса, когда в реакторе находится достаточное количество непрореагировавшего исходного реагента, результат может быть получен задолго до окончания сканирования, когда возмущения были наложены только на начальную группу импульсов из полной серии. Таким образом, можно существенно сократить время расчета.

Следует отметить, что, как правило, весьма надежные данные по устойчивости режима процесса могут быть получены после быстрого сканирования области возмущений. Более того, в тех случаях, когда внутренняя безопасность достигается оптимизацией какой-либо одной управляющей переменной, комбинированное применение быстрого и расширенного сканирования дает результаты, не уступающие результатам оптимизационного анализа устойчивости.

Очевидно, что предложенные методы анализа устойчивости могут применяться на практике только при условии, что в распоряжении разработчиков процесса или специалистов по безопасности имеется соответствующее программное обеспечение. Программа InSafe включает в себя специализированный модуль для выполнения анализа устойчивости, поддерживающий все рассмотренные методы.

15.4. Заключение

Концепция "внутренне безопасного" процесса позволяет эффективно решать сложную задачу обеспечения безопасности химического производства с минимальным привлечением дорогостоящих внешних инженерных и организационных мер.

Рассмотренный подход к проектированию внутренне безопасных процессов, основанный на нелинейной оптимизации режима протекания процесса – мощный универсальный метод, который дает возможность численно исследовать широкий спектр практических случаев без существенных упрощений. Кроме того, этот метод может с успехом применяться для анализа различных сценариев аварийных ситуаций.

Следует особо отметить, что надежность всех результатов существенно зависит от корректности используемой кинетики реакции. Поэтому принципиальную важность представляет собой получение адекватной кинетики как этап сложного комплекса исследования химического процесса.

Анализ устойчивости режима химического процесса к допустимым отклонениям управляющих переменных и параметров от их номинальных значений является обязательным этапом создания процесса после его оптимизации. Представленный в этой главе оригинальный подход, основанный на использовании метода нелинейной оптимизации, позволяет эффективно выполнять эту задачу в общем случае нестационарного процесса.

Оригинальные упрощенные методы предварительного анализа устойчивости, описанные выше, как правило, дают весьма надежные данные по устойчивости режима процесса. Более того, в тех случаях, когда внутренняя безопасность достигается оптимизацией какой-либо одной управляющей переменной, комбинированное применение быстрого и расширенного сканирования дает результаты, не уступающие результатам оптимизационного анализа устойчивости.

Применение принципов внутренней безопасности должно быть общим правилом обеспечения термической безопасности объектов и процессов. Необходимо максимально широко применять:

замену опасных веществ и материалов на неопасные; замену периодических процессов на полупериодические и непрерывные; использование высококипящих растворителей.

Однако только меры внутренней безопасности не могут полностью исключить возможность аварий, что требует применения способов защиты от них.

Список литературы к главе 15

, Опасные химические объекты и техногенный риск: Учебное пособие. — М.: Химия, фак. Моск. ун—та, 2003. — 254 с. Francis Stoessel. Thermal Safety of Chemical Processes. Risk Assessment and Process Design. Strauss GmbH, Mцrlenbach, 2008, 370 p. T. A. Kletz, P. Amyotte. Process Plants: A Handbook for Inherently Safer Design, Second Edition, 2010, CRC Press, p.384 Kletz, T. A. Plant Design for Safety: A User—Friendly Approach; Taylor & Francis: London, 1991, 210 p. Overton, T.; King, G. M. Inherently safer technology: An evolutionary approach. Process Saf. Prog. 2006, 25, 116. Mannan, M. S. Challenges in implementing inherent safety principles in new and existing chemical processes. Mary Kay O'Connor Process Safety Center, Texas A&M University, College Station, Texas, 2002, 6 p. Special Issue Celebrating Trevor Kletz's 90th Birthday: ed. D. Edwards, J. Gupta / proc. Saf. Env. Prot. – 2012. – v. 90 issue 5. – P. 341 – 450. CCPS book Inherently Safer Chemical Processes: A Life Cycle Approach (2nd Edition}, 2009 John Wiley & Sons 432 p. , , Методы оптимизации в химической технологии, 2 изд., М., Химия, 1975, 576 с. , , Оптимизация химико—технологических процессов. Теория и практика, М., Химия,1984;240 с. Практическая оптимизация, пер. с англ., М., Мир, 1985, 509 с. Kossoy A., Akhmetshin Yu. Simulation—based approach to design of inherently safer processes // Process Safety and Environmental Protection, 2012, Volume 90, Issue 5, Pages 349–356 Hare, J. A. Problem Specification for Round Robin on Chemical Reactor Relief System Models (Vapor Pressure System). / Health and Safety Executive, 1999. IMSL MATH/LIBRARY User's Manual, Vol 1—3. (QA76.73 in NIST Gaithersburg Research Information Center, Admin E—120) / IMSL Inc., Houston, TX, 1987 Varma, A., Morbidelli, M. and Wu, H. Parametric sensitivity in chemical systems. Cambridge: Cambridge University Press, 1999. Zaldэvar, J. M., Cano, J. at all, A general criterion to define runaway limits in chemical reactors // Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2003, 16: pp. 187–200. Bosch, J., Strozzi, F., Lister, D. G., Maschio, G. and Zaldivar, J. M. Sensitivity analysis in polymerization reactions using the divergence criterion // Process Safety and Environmental Protection, Trans IChemE, Part B, 2004, 82 (B1)., pp. 18–25. Ciric, A. R. and Huchette, S. G. Multiobjective Optimization Approach to Sensitivity Analysis: Waste Treatment Costs in Discrete Process Synthesis and Optimization Problems // Ind. Eng. Chem. 1993, Res. 32: pp. 2636—2646. Lerena P., Wehner W, Weber H. and Stossel F. Assessment of Hazards Linked to Accumulation in Semi—Batch Reactor. // Thermochimica Acta, 1996, 289, pp. 127—142. рограммирование: теоремы и задачи. – 2—е изд., испр. и доп. – М.: МЦНМО, 2004: С. 48–51

Глава 16. Применение комплекса TSS в исследованиях термической безопасности и стабильности пероксида водорода

16.1. Введение

Цель этой и следующей главы монографии – дать пример практического использования методологии математического моделирования и ее инструмента – программного комплекса TSS для решения ряда практических задач, возникающих при исследовании термической безопасности и стабильности пероксида водорода. В данном случае речь идет об использовании новой технологии, средств и методов исследований в практической проблеме, имеющей многолетнюю историю.

Пероксид водорода (далее обозначается ПВ, старое, но широко используемое до сих пор название этого продукта – перекись водорода) – химический продукт большого практического значения, применяемый в виде водных растворов различной концентрации. ПВ имеет широкую сферу применения: химическая промышленность, текстильное производство, производство бумаги, медицина, пищевая промышленность, ракетно – космическая и оборонная техника и др. Масштабы мирового промышленного производства ПВ – миллионы тонн в год.

ПВ – опасный химический продукт. Его опасности общеизвестны, хорошо идентифицированы и детально описаны [1-7]. Имеется огромный практический опыт применения ПВ. Однако это и сегодня не снимает проблему безопасности этого продукта. Ведь кроме огромного положительного опыта хорошо известны и тяжелые аварии, происходящие до сих пор, при использовании ПВ [6].

Способность ПВ к разложению с выделением больших количеств кислорода и тепла определяет наличие у объектов применения этого продукта и процессов, в которых он используется, в первую очередь, при его хранении и транспортировке больших объемов высококонцентрированного ПВ, опасности теплового взрыва и возможности создания опасных давлений, а также создает проблему его стабильности. Проведение исследований для решения проблем безопасности на натурных объектах в реальных условиях их функционирования практически всегда трудно выполнимая (а в ряде случаев, вообще не выполнимая) задача, требующая огромных материальных и временных затрат. Решение этих проблем обычно выполняется исследованием малоразмерных моделей в условиях самым существенным образом отличных от тех, в которых происходит функционирование натурного объекта. Основной вопрос, возникающий здесь – это перенос результатов таких исследований на натурный объект и натурные условия его функционирования, т. е. вопрос прогнозирования (как размерного, так и временного). До сих пор практически всегда его решение выполняются экспертным образом, на основе мнения, знаний и, в значительной мере, интуиции экспертов. Недостатки экспертного подхода общеизвестны, в первую очередь, низкая надежность и волюнтаризм таких заключений. Не вызывает сомнений, что использование в этой сфере методологии математического моделирования весьма перспективно и практически необходимо.