Biztonságtechnikai vizsgálatok

A félüzemi receptúra kidolgozását az üzemi gyártás előkészítése szempontjából rendkívül fontos folyamat-biztonságtechnikai vizsgálatokkal egészítettem ki. A kutatás szimulációs eszköze ez esetben is a KinSim és az AuSim összekapcsolásával kialakított szimulátor volt. Mivel a rendelkezésre álló kísérleti adatokból az egyes reakciók hőmérséklet függése nem volt meghatározható (csak a gyártás hőmérsékletén jutottunk mérési adatokhoz), a biztonsági problémák vizsgálata céljából ki kellett egészíteni a kinetikai modellt. Érzékenység vizsgálat jelleggel, becsléseket alkalmazva rögzítettem az egyes folyamatok aktiválási energiáit, s a gyártás hőmérsékletén ismert kinetikai konstansokból visszaszámoltam az Arrhenius összefüggés másik paraméterét.

Természetesen, mivel ezen paramétereket nem mérési adatok alapján határoztam meg, a szimulátorban való felhasználásuk csak a biztonsági problémák demonstrálását szolgálják, a tervezési célokra nem használhatók.

Ezen hőmérsékletfüggő paramétereket tartalmazó modellel is elvégeztem a félüzemi receptúra vizsgálatát, amelynek eredménye jól egyezik a korábbiakkal.

Ennek magyarázata, hogy a receptúrához képest a hőmérséklet eltérések viszonylag kicsik és hatásuk sem jelentős. Ez azt valószínűsíti, hogy normál üzembemenet esetén a kidolgozott receptúra realizálható, bár a hűtővíz szelepállás jeléből megállapítható, hogy a hűtéssel szembeni követelmény a reakció beindulásánál jelentősen növekedett.

A további vizsgálatok során a normál üzemmenettől eltérő esetek tanulmányozását tűztem ki célul. A módszerrel megvizsgálhatók pl. a következő esetek:

• A belépő hűtővíz hőmérsékletének változása. Ezzel a vizsgálattal az exoterm reakciók kézben tartására rendelkezésre álló hűtési kapacitás tartalékot ellenőrizhetjük.

• A hűtővíz kimaradás hatása, ami exoterm reakciók esetében egyes komponensek kiforralásához ill. végső soron a reakció elfutásához vezethet.

• Különböző komponensek adagolásának kimaradása illetve hirtelen megváltozása, ami akár a reakció befagyását vagy elfutását, akár termékösszetétel (minőség) jelentős változását okozhatja.

A konkrét vizsgálatokat, a hűtővíz kimaradásból származó üzemzavarok esetére mutatom be, amelyek során egy komponens kiforralásának hatását ill. a reakció elfutásának lehetőségét tanulmányoztam.

A komponens kiforralás esete:

A szimulációs kísérletben, az r10 és r11 kinetikájának (17) és (18) formában adott leírását alkalmaztam, becsült aktiválási energiákkal. A vizsgálat során hűtővíz kimaradást szimuláltam. A szimuláció eredményeit az 5.9. ábrán mutatom be. A hőmérséklet az alapjel elérése után is növekszik, egészen az RB komponens forráspontjáig. Az FP az RB komponens párlat áramát jelöli. Az RB komponens

„kipárlása” után megszűnik az r10 és r11 reakciókban az RB komponens inhibiáló hatása, s a már jelentős mennyiségben keletkezett RT hidrolízise indul el (2. csúcs a hőáramgörbén). Ez a reaktorhőmérséklet további növekedésével jár. Az ilyen típusú üzemzavarok elhárítására külön biztonsági rendszer kiépítése szükséges a normál folyamatirányító rendszer mellett. A gyakorlati megvalósítás előtt a modell hőmérséklet függvényének mérésekkel alátámasztott identifikálása kívánatos!

A reakció elfutás lehetőségének vizsgálata:

Semenov (1928) úttörő jellegű dolgozata óta a reaktoranalízis témájú munkák nagy része közvetlenül vagy közvetve a reaktorstabilitáshoz és/vagy reaktorelfutáshoz kapcsolódik. A kutatói ambíciók lényeges forrása az alábbi:

• fontos gyakorlati problémák megalapozását várják (reaktortervezés, üzemeltetés, biztonságosság),

0

hőmérséklet (°C), tömegáram (kg/h)

0

5.9. ábra Adagolásos technológia szimulációja hűtővíz kimaradás esetén

• a vizsgált objektumok (különböző reakciók, különböző reaktortípusok) sokfélék és lényegükből adódóan (erősen!) nemlineáris jellegűek (a rendszeranalízis eszköztára csak korlátozottan alkalmazható).

Az elfutás jelensége közismert, egységesen használt pontos definíció azonban nincs. Ipari szempontból az elfutást a „kézbentarthatóság” (rövid szakaszon nagy mennyiségű hőfelszabadulás), a robbanás elkerülése, a katalizátor megóvása stb.

érdekében kell vizsgálni.

Az elfutás témaköre jelenleg is élénken vizsgált kutatási terület. Az irodalomban a kifejezetten szakaszos ill. rátáplálásos technológiákra is alkalmazható elfutási kritériumok is megtalálhatók (Bashir et al., 1992; Alós et al.,1998; Zaldíve et al., 2003). Az elfutás korábbi értelmezéseinek összehasonlító vizsgálatát egy másik akadémiai jellegű dolgozatunkban végeztük el, javasoltuk a más szakterületen használt Ljapunov stabilitási kritérium bevezetését (Szeifert et al., 2006b).

A reaktorelfutás illusztrálására tekintsünk egy szakaszos reaktort. A reaktorba bemérjük az egyik reagenst, a másikat pedig szelepen keresztül adagoljuk. Az 5.10.

ábra egy rátáplálásos üstreaktor paraméterérzékenységét mutatja.

260 280 300 320 340 360

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

idő [h]

T [K]

0 20 40 60 80 100

szelep [%]

5.10. ábra Rátáplálásos reaktor paraméterérzékenysége.

Itt a reaktor hőmérsékletet az egyik reagens konstans értéken való adagolásával kívánjuk állandó értéken tartani. Ez praktikusan egyenletes adagolással sikerül is. A rátáplálás értékét kissé csökkentve, a reaktor hőmérséklet kezdeti csökkenés után

„megszalad”. A rátáplálást kissé tovább csökkentve viszont a reaktor kihűl. Vagyis az üzemeltetési körülmények kis változtatása a hőmérséklet lefutásában lényeges változást eredményez. Ez különösen jellemző az elfutásra hajlamos rendszerekre. A problémát az adagolt komponens „túladagolása” jelenti, ami után a hőmérséklet emelkedését észlelve hiába zárjuk el az adagoló szelepet, a reaktorelfutás nem akadályozható meg.

Az elfutás demonstrálására hűtővíz kimaradást szimuláltam, az r4 reakció hőmérséklet függésének becslésével módosított kinetikai modell szerint. Az utóbbinál 3 különböző paraméterkombinációval számoltam (adott k4(T) mellett EA,4/R= 30000, 50000, 70000 K)

A szimulációs vizsgálat eredményét az 5.11. ábrán mutatom be. Jól látható, hogy az új kinetikai modell esetében bármely paraméterkombinációval bekövetkezik a reaktorelfutás, praktikusan ugyanabban az időpontban. A paraméterértékek csupán a hőmérséklet-emelkedés nagyságát befolyásolják.

0

5.11. ábra Szimuláció hűtővíz kimaradással (módosított kinetikai modell)

Megállapítottam, hogy a kinetikai modell módosításával, azaz a megfelelő hőmérsékletfüggő paraméterek identifikálásával, a szimulátor alkalmassá vált az elfutási jelenségek tájékozódó jellegű vizsgálatra is.