间歇反应（共4篇）
间歇反应 篇1
硝化过程是指在有机化合物中引入硝基,取代其氢原子而生成硝基化合物的反应过程,在有机化学工业生产中,特别是在染料、炸药、农药及某些药物生产中应用十分普遍[1]。由于硝化过程中,所用的浓硝酸、浓硫酸是强氧化剂,被硝化的物料和产物大多数是易燃易爆的物质,硝化反应本身又是放热反应,如果操作不当、管理不到位,就有可能发生重大的安全事故,因此研究硝化过程的安全管理工作十分重要。
1 硝化过程的定义
硝化过程在液相中进行,通常采用釜式反应器。根据硝化剂和介质的不同,可采用搪瓷釜、钢釜、铸铁釜或不锈钢釜。用混酸硝化时为了尽快地移去反应热以保持适宜的反应温度,除利用夹套冷却外,还在釜内安装冷却蛇管[2]。产量小的硝化过程大多采用间歇操作。产量大的硝化过程可连续操作,采用釜式连续硝化或环型连续硝化反应器,实行多台串联完成硝化反应。环型连续硝化反应器的优点是传热面积大,搅拌良好,生产能力大,副产的多硝基物和硝基酚少。
2 硝化反应的危险特性
硝化方法主要有:稀硝酸硝化、浓硝酸硝化、在浓硫酸中用硝酸硝化、在有机溶剂中用硝酸硝化和非均相混酸硝化等,它主要具有以下危险特性[3]:
(1)硝化反应是放热反应,受温度影响较大,温度越高,反应速度越快,放热越多,越容易造成温度失控而爆炸。
(2)被硝化的物质大多为易燃易爆物质,有的兼具毒性,如苯、甲苯、脱脂棉等,使用或储存不当时,易造成火灾。
(3)混酸具有强烈的氧化性和腐蚀性,与有机物特别是不饱和有机物接触即能引起燃烧。硝化反应的腐蚀性很强,会导致设备的强烈腐蚀。混酸在制备时,若温度过高或混入少量水,会促使硝酸的大量分解,引起冲料或爆炸。
(4)硝化产品大都具有火灾、爆炸危险性,尤其是多硝基化合物和硝酸酯,受热、摩擦、撞击或接触点火源,极易爆炸或着火。
3 硝化反应安全管理的几个重要方面
3.1 工程设计时要注意的问题
合理的设计是本质安全的基础,硝化釜设计中常使用推进桨或者斜叶桨,推进桨有很好的轴向循环能力,但是其剪切能力不及斜叶桨[4]。在体系黏度不是特别高,对混合传质要求较高的情况下,选用剪切能力更好的四斜叶搅拌桨能同时达到传热和反应两方面的要求。若硝化反应体系情况复杂,比如有固体产生等复杂情况,则可根据实际情况设计新式搅拌桨。推进式搅拌可以提高传质传热效果,充分搅拌并及时移走反应过程中生成的热量;为防止搅拌意外停止,我们需要安装电机电流监控装置,设置电流低限报警,可以及时发现搅拌意外停止或者搅拌桨叶腐蚀脱落的情况,还可以设置电流低低限报警连锁采取停止滴加等安全措施。
在冷媒设计时,首先要通过热力学实验测得反应放出的热量,然后准确计算冷媒在一定时间内可以移走的热量,为确保在滴加失控时可以控制好温度,要保证冷量充足;为了保证温度检测的准确性,采用双温度计检测两个不同点的温度,以防温度计故障引起误操作,造成反应失控;与此同时,为防止停电时,循环泵失去动力,可以选择蒸汽往复泵输送冷媒,保证冷媒的正常供应;
安装滴加调节阀和限流板以便控制滴加速度,防止由于误操作导致滴加过快而超温超压;安装压力表及时监控反应釜的压力,滴加高位槽与反应釜最好一一对应,防止员工误开阀门,导致事故;因为混酸遇水会大量放热,为防止硝化釜进水,加水洗酸釜与硝化釜必须独立开来;
为防止反应釜或高位槽有泄漏或超温等紧急情况,我们还需要设置应急转料罐,在突发情况下可转料控制;硝化反应装置需要按照规范要求安装安全阀或爆破片,并配备相应的接收罐,接收罐也必须是承压容器,当设备压力过高时,可自动泄压并收集物料;
工程设计后需要进行完整的工艺安全分析,分析出来的风险,需要进行风险评估,并提出有效的控制措施,由相关人员跟踪,确保这些措施有效执行,提高装置的本质安全水平。
3.2 自动控制系统
硝化反应属于高危工艺,需要配备UPS应急电源、仪表气、氮气缓冲罐等设施,在停电后可以继续操作至少十五分钟,以确保安全停车;DCS系统里需要设置温度、压力、液位、流量等重要工艺参数的报警和相应的连锁;生产过程顺控操作,可减少误操作;安装安全仪表设施,提高系统的安全性[5];DCS系统设计安装时必须要有专业技术人员,保证仪表阀门选型正确,确保在异常情况时,处于安全的状态;系统在正常使用时,需要做好日常的检查与维护,以确保准确反映现场情况。
3.3 试生产前的检查工作
有了科学的设计,还需要合理正确的安装,在正式投料之前,需要做好吹扫试压试漏,确保管道设备密封性良好,相关管道全部上好法兰护罩,设备的单机试运转正常,搅拌电机、转料泵转向正常,高位槽经过准确标定,仪表、阀门经过对点调试等等,对照开车前检查表逐项检查确认到位,方能保证开车顺利进行,减少开车过程中出现异常的可能;搪瓷设备在安装时需要做好管口密闭,防止设备管口损坏异物掉入反应釜打坏设备;温度计安装后投入使用前在套管内加入适量的导热油,以确保能够准确测量温度。
3.4 员工安全培训
人是最不安全的因素,因此要重视人员培训,首先确保人员全部是持证上岗,培训内容包括物料性质、操作规程、注意事项、应急处置方案、消防设施检查项、以往事故案例等等,我们培训的目的不仅仅是提高知识,提高技能,我们要在此基础上提高他们的安全意识,让他们能够自主做好风险分析与风险控制,他们会主动发现现场的安全隐患并提出相关的整改建议,达到人人参与安全管理的目的;组织人员培训还要出具相关的试卷,保证他们掌握安全知识要点、操作关键点及安全注意事项;只有书面的考核才能保证考试的效果。
3.4.1 设备使用与维护
要确保设备完整性[6],设备不能带病运行,我们必须做好设备的预防性维护;首先编制好设备维护保养制度和计划、编制好设备清单和检查清单,明确具体人员做好设备的维护保养和检查;发现问题,先做好风险评估,对于严重影响生产或安全的设备隐患,需要立即停车检修;对于风险不是很高,暂时影响不大,但是难以维修的设备,可以做好记录,以便在装置停车检修时统一检修。
3.4.2 物料跑冒滴漏的管理
物料跑冒滴漏是事故的源头,是设备事故、人员伤害及火灾爆炸事故的先兆,所以我们要控制好现场的跑冒滴漏。
(1)做好设备、管道、焊条入场验收,确保质量达标;设备安装时,确保施工人员技术过关;只有保证材料质量和人员技术过关的情况下,加强现场监督,确保规范施工,工程质量才会有保证,才能减少生产过程中的跑满滴漏;
(2)现场巡回检查,发现滴漏时及时汇报车间管理人员,确定具体处理方案;地面潮湿、烟雾、气味就是泄漏最直观的体现,可以通过巡查发现;同时现场安装的一些泄漏检测设施,即使对于无色无味的有毒有害气体也有很好的检测效果;发现缺少螺母螺栓的及时补充,防止发生滴漏;
(3)现场管道、阀门、设备末端做好封堵措施,例如液位计末端、管道阀门末端,需要上好盲板,防止误操作导致物料泄漏。
3.4.3 事故案例培训
安全培训自身不是目的,而是预防和减少事故的一种手段。安全培训的目的是提高安全监察人员、生产人员的安全生产素质,增强他们的安全意识,提高他们的业务素质和能力,以便于他们及时发现生产过程中的安全隐患;安全培训为预防和减少各类伤亡事故、促进安全生产提供了人才支持和智力保障[7]。那么对于硝化反应这样一个高危工艺,我们通过以往的事故案例进行原因分析、经验总结和培训,可以充分认识硝化反应的危险点和控制措施,提高了业务水平,只要有效地运用到实际生产活动中,就能减少事故的发生。因此我们要定期组织安全事故培训,尤其是与现有生产工艺类似的情况,进行有针对性的培训,效果将更加明显。
4 硝化反应操作与管理的注意事项
投料前检查好冷凝器、反应釜夹套是否有内漏的现象;物料投料全部使用转料泵、高位槽投料,尽量不要使用真空抽料,以防放空阀门误操作处于关闭状态,形成密闭系统;物料投料准确计量,防止物料配比发生变化,发生其他副反应,生成高风险的杂质;滴加管道上需要安装承压视镜,以便观察,防止由于阀门内漏导致滴加串料;突然停电后,再次启动设备时,需要先进行点动,点动三次,确定温度稳定后,方可开启搅拌;现场生产记录要及时记录反应釜的温度和压力,并时刻与DCS控制室保持沟通;硝化液负压蒸馏或者精馏时,必须保证体系的密封性,用氮气填平真空系统,严禁负压状态下直接放空;在分层处张贴标识明确分层时我们所需要的物料,防止发生误操作,将需要的物料混入废水系统;加强薄弱环节的管理,例如:交接班时间、夜班时间、吃饭时间等等,因为这些时段往往由于人员不足或注意力不集中而产生疏忽;循环水需要使用除菌灭藻剂以防这些杂质影响传热效果,并定期检查。
5 应急设施与演练
必须配备相应的应急设施,浓硝酸、浓硫酸泄漏处理时,需要佩戴安全帽、防化服、防毒面罩、安全靴、正压式呼吸器,以防氮氧化合物中毒或腐蚀性物料对皮肤或眼睛造成灼伤;在现场岗位配备应急事故箱,将相应的应急设施放在应急箱中,并且应急箱上张贴应急物资的清单,任何人员在非应急情况下不得擅自挪用应急消防设施;现场还需要配备应急堵漏工具,防止发生意外泄漏时,我们可以使用专业的工具进行有效的堵漏,为我们解除危机争取时间;现场需要配备消防干砂,做好定置放置和标签标识,以备强酸在发生泄漏时使用,物料泄漏时禁止使用大量清水冲洗;另外,还需要做好消防设施检查、人员应急演练,确保在突发情况时,能够迅速处理,将损失降低到最低;
6 结论
硝化反应是众多高危岗位之一,安全风险大,我们需要时刻警惕,勤于思考,不断总结,确保工艺过程、设备设施合理设计,提高本质安全;严格管理,确保各项措施有效执行。只有做好安全,企业才能有可持续发展的机会。
摘要：硝化反应属于高危工艺之一,混酸硝化过程使用了强氧化性的浓硝酸、浓硫酸作为氧化剂,物料具有很强的腐蚀性,被硝化的物质一般具有易燃易爆的特性,以往硝化反应产生的较多安全事故,我们需要进一步认识硝化反应的反应原理和危险特性,从工程设计、自动化控制、现场管理、岗位操作、人员培训、应急处置等方面归纳总结硝化反应的安全管理经验,以确保硝化工段的安全生产。
关键词：硝化反应,安全管理,自动控制,人员培训,应急处置
参考文献
[1]吴建平.硝化工艺的安全控制技术探析[J].中国化工贸易,2013(5):274.
[2]张本贺,何宇晨,毕纪葛,等.基于本质安全的硝化反应釜的概念设计[J].高校化学工程学报,2015,29(2):312-319.
[3]刘世友,吕先富.硝化过程中的安全生产技术[J].河北化工,2010,33(3):69-70.
[4]王跃,刘红梅.硝化工艺过程危险性及安全检查要点[J].精细化工原料及中间体,2010(11):30-32.
[5]牟善军,姜春明.过程安全与设备完整性管理技术[J].安全、健康和环境,2006,6(8):2-5.
[6]王海燕.从一起简单事故看安全培训的重要性[J].中国职业安全卫生管理体系认证,2003(6):62-63.
[7]姜新亮.苯硝化生产硝基苯过程的安全性探讨[J].化工文摘,2008(5):51-54.
一类间歇式反应釜温度控制方法 篇2
反应釜是制药、食品、轻工、树脂及化工类生产过程中的重要设备,广泛应用于水解、中和、结晶、蒸馏、蒸发等生产过程。由于反应釜内化学反应机理较为复杂,如外界条件、原料纯度、原料添加数量的变化、加热及冷却水的温度、流量的变化等,对系统的影响较大,使系统本身具有较大的时变性、非线性、时滞性,又由于化学反应过程中转化率等过程参数的测量方法非常复杂,控制反应温度成为一种行之有效的控制产品质量的方法。通常反应釜分为间歇式与连续式两大类,间歇式反应釜通常用于小批量生产、长反应时间或在反应的全过程对反应温度有严格程序要求的场合。
由于反应釜复杂的反应过程,单纯利用传统的PID控制会很容易产生振荡或控制作用缓慢的现象,难以解决系统的相对稳定性和快速响应的矛盾。目前国内反应釜的温控研究多针对单一化学反应进行,如针对该聚合反应的具体反应变化机理,根据反应物的浓度、比热容、反应发热量等一系列具体因素来进行温控系统模型的设计[1,2],但此类情况并不适合于生产计划及生产产品种类变化大的小型化工类企业。还有其他一些方法:如利用神经网络算法对生产状况不断更新,逐步优化跟踪状况[3];利用模糊控制算法与PID控制算法相结合,在线自调整PID参数[4]。
总结当前情况,反应釜温控系统存在着这样一个缺点:在操作中需要工人的即时监管和丰富经验,不能完全摆脱人工干预而完全实现自适应控制。此外,对于当前小批量生产的反应釜反应过程,每次生产工况都会有所不同,其具体反应机理都会产生变化。
针对以上情况,本研究将一种新型综合控制技术引入反应釜温控系统中。
1 系统分析
本研究设计出一套以神经网络为运算基础的改进型温度控制算法,它以专家控制系统为基础来设计网络权值的初值选择器[5,6],以模糊控制技术为基础来设计网络权值更新算法,如图1所示。本研究的核心重在研究专家控制系统和模糊控制技术在本架构中的应用。
在专家控制系统的网络权值初值选择中,系统不需要操作工提供太多详尽和专业的技术数据(例如时间常数、滞后时间、静态增益等),只需提供反应釜的反应速度的表象描述。如反应速度V的3个级别:VF(快)、VM(中)、VS(慢);反应釜的负载情况L的4个级别:LL(1/4釜)、LM(半釜)、LB(3/4釜)、LF(满釜);反应类型:QR(放热反应)、QA(吸热反应)。通过将专家控制经验汇集总结,搭配出212种初值选择方式,如表1所示(表1中任一“*”代表一套初始权值策略矩阵)。
在以BP算法为主导的神经网络算法中,网络权值增量由下式决定:
Δω(t)=ηδx+αδω(t-1) (1)
式中 η—网络权值增量学习率;δ—与输出相关的多项式;x—输入量矩阵;α—惯性系数,可防止系统进入局部最小状态。在传统的基于神经网络的无模型自适应控制系统中,学习率都被一次性定义为一常值,但在需要较快或较慢地更新实际权值的情况下,不能随情况而变化的学习率便影响了网络的性能发挥,或者减缓收敛速度,或者加剧超调量,此二者均为实际生产系统中所不乐见的情况,因此本算法针对学习率进行了特别设计,如下式:
η(t)=Δη(t)+η(t-1) (2)
模糊控制技术如图2所示,核心为模糊控制器[7]。微机通过将被控制量的精确值与理想控制目标的值作比较,将差值e(t)及其变化率ec(t)分别作模糊量化处理,定义e(t)的模糊集为{NB、NM、NS、NZ、ZE、PZ、PS、PM、PB},定义ec(t)的模糊集为{NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB}。记神经网络权值更新算法中学习率η的增量Δη(t)为模糊控制系统的输出,定义其模糊集为{NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB},三量所对应的论域如图3～图5所示。
温控系统的模糊控制技术采用SISO系统(即单输入单输出系统),它的基本控制规则为:“if e(t) is Ai and ec(t) is Bj, then Δη(t) is Cij”。其中,Ai为e(t)的模糊数集合,Bj为ec(t)的模糊数集合,Cij为Δη(t)的模糊数集合。根据系统被控制量y(t)与Δη(t)的关系,可分为正比与反比两种,若前者随后者增大而增大、减小而减小,则可设计该模糊控制器决策表如表2所示。若情况与上相反,同样可设计类似的控制器决策表,在此不再赘述。
记值a对模糊数A的隶属度为A(a),如e(t)对PB的隶属度为PB(e(t)),则根据基本控制规则,在系统得到两模糊输入量后可得到模糊输出。此时须按下式所述的去模糊算法确定:
undefined
2 仿 真
依据前述控制系统之结构,控制框图如图6所示。取性能指标undefined,式中rin为系统目标控制输入量,yout为控制结果输出。如按照梯度下降法修正网络权系数,则需按负梯度方向搜索调整权系数,另外需附加一防止寻求最优解时陷入局部极小无法全局收敛的惯性项:
undefined
undefined
式中 η1,η2—隐层、输出层权值调整学习率;α—惯性系数。由此根据前述权值学习率之更新算法进行更新模拟运算。
根据间歇式反应釜的特征及控制目标来分析,可将釜内温度作为输出,而系统的发热或吸热量则作为控制模型的外围扰动,由此可进行进一步的分析建模运算。根据机理建模法和测试建模法,可将大多数反应釜传递函数视作为一阶系统,并附带纯滞后环节,因此传递函数可表示为:
undefined
仿真中,τ及K等参数则因不同反应对象而不同,当设定不同参数时,该函数即可代表不同受控对象。本控制算法的最大特点就是不针对个别反应,可面向多种类型的反应釜,即无论参数如何变化(即受控对象不断变化),均可通过网络内各参数的优化调整而及时准确地进行温度控制操作并实现控制目标。通过设定仿真环境K=1,T=1 500,τ=2 100,给定输入量0.7。设定描述仿真对象的环境参数(如半釜,中速,放热反应),参照专家系统的相应初始权值策略表,得到本次仿真需要的初始输入/输出矩阵为:
undefined
此时得到如图7所示仿真结果。同样,给定另一组环境参数K=1,T=1 000,τ=2 300。同样设定描述仿真对象的环境参数(如3/4釜,慢速,放热反应),同前例,参照专家系统的相应初始权值策略表,得到本次仿真需要的初始输入/输出矩阵为:
undefined
可得到如图8所示仿真结果。通过对仿真实例的分析,无论反应釜内反应物是何种产品,模型参数如何变化,最终可达到较为理想的控制状态。但是同时也出现一些问题,例如跟踪时间还相对较长,超调量仍有一定的降低空间。此时的制约因素便体现为模糊控制系统的控制效果,如针对此系统再进行一些调整后,可以判断跟踪时间将有较大改观。
3 结束语
本研究提出了一种新型的多种技术结合的反应釜温度控制算法,按照如前所述设计的控制器,笔者提出利用模糊控制器使算法学习率不断更新的设计思路,使得控制器适应性较强,可适用于较多的反应釜温控系统,也适用于在不同生产计划中的反应釜温度控制。在以上讨论中,虽未进行关于控制器稳定性的讨论,但结合神经网络的收敛性考虑,只要被控对象可控,在由专家系统提供富有经验的初始权值情况下,模糊控制器必可以提供最适合网络尽快收敛的权值学习率,使得系统最终快速、准确地跟踪到控制目标。
摘要：针对反应釜内温度在反应釜反应过程控制中的重要性,运用神经网络、专家控制系统、模糊控制系统进行了系统温度控制,与反应物料无关,实现了对反应釜温度的准确控制。经过对两例反应物对象的模拟仿真,运用主体神经网络的运算,同时利用专家系统经初始状况对系统初始化,并利用模糊控制系统对系统优化给予加速。系统仿真结果表明,该系统控制范围广、控制稳定性好,是一种提高反应釜控制效果的有效方法。
关键词：自适应控制,专家控制,模糊控制,决策
参考文献
[1]周笋,吉国力.ACR聚合反应釜的建模与控制方法研究[J].厦门大学学报:自然科学版,2006,45(4):475-479.
[2]邢立立,杨马英.一类反应换热网络的控制方法研究[J].机电工程,2008,25(4):21-24.
[3]王永骥,徐桂英.连续搅拌反应釜CSTR的神经网络动态建模[J].控制与决策,2000,15(3):375-377,384.
[4]张文丽,逄海萍.聚合反应釜自调整模糊PID控制器的设计及仿真[J].青岛科技大学学报,2005,26(2):132-135.
[5]韩力群.人工神经网络教程[M].北京:北京邮电大学出版社,2006.
[6]曾光奇,胡均安,王东,等.模糊控制理论与工程应用[M].武昌:华中科技大学出版社,2006.
间歇反应 篇3
关键词：半间歇反应,绝热温升,危险与可操作性分析,保护层分析,风险分析
对于风险的概念,国内外学者众说纷纭,莫衷一是[1]。风险可以是事故发生的可能性或概率与后果严重度的函数。一般可以认为,风险等于事故发生的概率与后果严重度的乘积。所以,为了量化风险大小必须找到事故发生的可能性和后果严重度。
本文的研究对象是半间歇式反应器。半间歇反应过程是指至少一种反应物料是在反应进行的过程中连续加入到反应器中的[2]。相对于间歇反应过程,半间歇反应有以下优点:首先,如果操作过程是放热反应,那么连续进料可以控制放热速率,从而可以通过调节反应速率使其适合反应器的冷却能力;其次,对于复杂反应,反应物料的逐渐加入有利于使其浓度维持在一个较低的水平,因此,相对于目标反应而言,减小了副反应的速率。所以,半间歇反应在工业生产中得到广泛应用。
在半间歇反应器中一般进行的是急剧放热反应,一旦发生故障很容易导致火灾或爆炸事故,而且,有时还会泄漏出有毒有害物质,对人员造成伤害。所以,有必要对半间歇式反应器进行风险分析,采取相应措施使风险降到可接受的范围。
1 事故后果严重度的确定
很多因素影响事故后果的严重度,事故损失包括直接损失和间接损失。直接损失主要有人员伤亡数量、财产损失和环境破坏程度等。间接损失主要是指社会信誉和企业形象等。当企业发生事故时可能会影响如期保质保量地完成产品,那么有可能失去现有的客户,也有可能失去潜在的客户。如果发生重大事故,不仅会失去客户,还会影响企业社会声誉,例如,企业可能很难引进优秀的人才、失去现有员工、影响现有员工的工作心理等。所以,能直接看到的事故后果有时只是其损失的“冰山一角”。衡量事故后果严重度的指标很多,一般用事故发生后造成的经济损失来描述后果严重度。
在实际的工业生产中,急剧的放热反应过程一般采用半间歇反应工艺完成,针对放热这一特点,本文从化工工艺热安全风险评估的角度来分析半间歇反应器的事故后果严重度。在反应过程中温度升高会影响产品的质量及收率,还会造成反应器的材质强度下降和反应器内部的压力升高,后两者都会在一定情况下使反应器发生爆炸,产生高温和冲击波,对周围人员和设备带来伤害。所以可以利用反应失控时绝热温升来衡量事故后果的严重度。根据能量守恒可以推导出反应失控情况下的绝热温升ΔTad,℃[3]。
式中:f为转化率;ΔHr为反应焓,kJ/mol;Cp为比热,J/kg·K。Ct为已经反应了的物质量浓度,mol/L;CT为总反应物质的量的浓度,mol/L。
分析具体工艺过程时,可以根据实际的操作条件和物质性质,用手册或者实验的方法测得公式(1)中的数据,计算得到ΔTad。由ΔTad可以得到对应的事故后果严重度[4]。
2 HAZOP分析
2.1 HAZOP分析基本过程
HAZOP(Hazard and Operability Analysis)以系统工程为基础,以一组关键词为引导,分析工艺参数,得到偏差,再找出偏差发生的原因以及可能导致的后果,并且提出可行和有效的解决措施。其分析过程中的主要分析流程如图1。
2.2 半间歇反应HAZOP分析
在半间歇反应的工艺流程中,危险性最大的是半间歇式反应器。应用HAZOP方法对半间歇式反应器进行分析。分析结果如下:
注:考虑冗余设计,反应器可以同时设有夹套式换热器和蛇管式换热器,其中一个作为应急冷却系统。
HAZOP分析得到的结果作为LOPA的事故场景。
3 LOPA分析
3.1 LOPA简介
LOPA (Layer of Protection Analysis)是一种基于事故场景半定量的简化的风险分析和评估工具。对一个系统实施定性危险分析之后,利用LOPA对评估对象的有效性进行定量分析,考察风险是否在可接受的范围内。该方法一般运用初始事件概率、后果严重程度和独立保护层(IPLS)失效概率的数量级大小来近似反应分析对象的风险大小。
单一事故场景发生频率计算
注:箭头的宽度表示后果频率大小,长度代表后果严重度。
式中:——初始事件i的后果C的发生频率,a;
——初始事件i的发生频率,a;
PFDij——初始事件i中第j个阻止后果C发生的IPL的PFD。
同一后果、多场景的事故发生频率计算
式中:fC——反应器发生爆炸的概率。
3.2 半间歇反应器的事故场景
由HAZOP分析得到半间歇反应器发生爆炸事故的初始事件可能是冷却系统发生故障和搅拌装置故障。
当半间歇反应器冷却系统发生故障时的保护层模型如图3所示。
当搅拌装置发生故障时可以建立另一个保护层模型,见图4。
每个独立保护层的失效概率可以由相关行业数据库获取[6],如《化工过程定量风险分析指南》(CCPS,1989a)、《工艺设备可靠性数据指南》(CCPS,1989b)和IEEE(1984)等。还可以根据公司的历史数据和供应商的数据。得到的概率代入公式(2),求出初始事件——冷却系统故障发生爆炸事故的频率。
查出每个保护层的失效概率代入公式(2),求出初始事件——搅拌器故障发生爆炸事故的频率。
再由公式(3)得到反应器发生爆炸的频率fC。
4 风险管理
由上文描述反应失控时绝热温升ΔTad来衡量事故后果的严重度,用LOPA方法得到半间歇式反应器发生爆炸事故的频率,最后根据风险矩阵,可以识别分析对象的风险大小。现在还没有完整的制定风险矩阵的理论依据和方法,目前常用的方式是根据专家的经验进行制定[5]。这具有一定的主观性,不过企业可以根据自己的实际情况制定适合自己的风险矩阵。在此提供一种广泛应用的风险矩阵。
管理人员根据风险矩阵判断危险是否处在可接受的范围内,以及是否需要采取行之有效的安全措施,使企业利益达到最优化。当事故后果的频率较高时,可以增加防护层来提高安全性,防护层要满足有效性、独立性和可审查性。
5 结语
从化工工艺热安全的角度出发,综合运用HAZOP(危险与可操作性分析)和LOPA(保护层分析)方法,得到半间歇式反应器一种风险分析和评价的方法,该方法既可以用于工艺开发阶段,也可以用于设备运行阶段。为工艺设计人员和安全管理者提供理论依据,采取有效的安全措施将风险降到可接受的程度,使得安全投资效益达到最大化。
参考文献
[1]王凯全,沈裴敏,王新泉.风险管理与保险[M].北京:机械工业出版社,2008.
[2]陈网桦,彭金华,等.化工工艺的热安全-风险评估与工艺设计[M].北京:科学出版社,2009:126-128.
[3]王晓峰,陈网桦,薛艳.甲苯一段半间歇硝化工艺的反应失控研究[J].火工品.2007:18-22.
[4]邵辉,杨亮,朱岳清.反应器热爆炸分析分析模型的构件[J].安全与环境学报.2012,12(3):164-167.
[5]白永忠,蒋军成.HAZOP与风险矩阵组合技术应用研究[J].中国安全生产科学技术,2012,8(8):121-126.
间歇反应 篇4
1 间歇式反应釜的故障诊断与检测浅谈
1.1 间歇生产特性分析
工业生产根据工艺流程特点及产品输出方式可分为:连续生产、间歇生产和离散生产。连续生产过程其原料经过各专用设备转化为连续的产品, 每一工艺流程都运行在稳定的工作状态, 如合成氨、炼油等。离散生产过程的产品是分批制造的, 各部件的制造是相对独立的, 如汽车生产、服装加工等。间歇生产过程, 又称批量生产过程, 区别于连续生产过程和离散生产过程, 间歇生产过程是以顺序的操作步骤进行批量产品生产的过程。相对于连续生产过程和离散生产过程, 间歇生产过程具有生产操作按配方规定的顺序进行、批量生产的不连续性、生产状态的非稳态性等特点。
间歇反应按反应的特性可以分为吸热反应和放热反应。一般来说, 聚合反应属于放热反应, 而裂变反应属于吸热反应。间歇反应的操作流程一般包括以下4个阶段。
1.1.1 反应器投料
反应物经计量后一批或分几批投入反应器。
1.1.2 加热升温阶段
为实现化学反应, 间歇生产的初期是对反应物料进行加温处理。原料在充分混合的基础上, 吸收提供的热量达到反应温度后开始反应。这段时间反应器内的温度平缓上升。
1.1.3 反应与恒温/恒压阶段
如果反应温度偏高或者偏低, 都会影响反应深度, 从而降低产品的质量。有的反应过程, 若温度升高过多, 会导致爆炸、起火等事故发生。造成温度偏高的原因是反应过程中放出的大量反应热。为了使釜内温度恒定, 通常在夹套中通以适量的冷剂, 以移走反应放出的多余热量。反应开始后, 不同的反应类型表现不同, 放热反应表现为温度急剧升高, 吸热反应相反。总之, 此时温度会出现剧烈变化, 之后, 再趋向平稳。
1.2 间歇式反应釜的故障诊断与检测
间歇式反应釜生产操作中, 温度控制是确保反应釜安全生产和保证产品质量的重要参数。因此, 为了辨识温度控制系统的异常, 本文中以反应釜温度过高作为顶事件做出故障树, 如图1所示。其中, T、F分别表示系统的温度、流量。而TS、TC、CV、FC、FT分别为温度变送器、温度控制器、控制阀、流量控制器和流量变送器。
在系统的故障诊断过程中, 检测点的确定直接关系到检测的准确性和稳定性, 如果检测信号不能反应系统的工作情况, 就容易产生漏诊和误诊, 另一方面检测点设定过多造成资源浪费并使诊断过程复杂化。因此在进行故障诊断的时候选择出合适的检测点是很重要的。一般来讲, 就检测点的确定主要遵循两个原则:保证所确定的检测点的信号能正确反应系统工作状态, 而避免漏诊和误诊:在能满足诊断要求的前提下尽可能少设诊断检测点, 即尽可能减少复杂性和成本。对于本文, 我们是在故障树基础上提取的数据, 对于已经确定的最小割集, 要判断其是否发生要依靠确定的检测点的检测信号状态来判断, 所以根据最小割集给出系统故障诊断所必须的7个检测点分别为描述系统的釜内温度信号、冷却水温度信号、流量控制器输出信号、温度控制器输出信号、流量变送器信号、阀后压力 (间接检测执行阀情况) 和冷却水压力 (用于检测流量的扰动) 情况。
2 间歇式反应釜容错控制设计
容错控制的基本思想是利用系统的冗余资源来实现故障容错。即当系统的某些部件出现故障或失效时, 通过系统重构等, 仍能保证设备按原定性能指标继续运行;或以牺牲性能损失为代价, 保证设备在规定时间内完成其预定功能。容错控制经过20多年的发展, 基本形成了两大类控制方法:被动容错控制和主动容错控制。
2.1 故障补偿的方法
根据故障检测结果, 进行决策决定该采取的措施, 如果故障是可以容错的, 则采用故障补偿的方法维持系统的运行, 否则, 只能停止运行。
故障补偿的方法一般可以分为如下几种:
2.1.1 直接补偿
主要是采用解析冗余或鲁棒控制器的方式, 在观测器 (或滤波器) 中直接对故障加以补偿。
2.1.2 重构控制
重构控制可以分为信号重构和控制律重构两种, 对于传感器故障, 如果故障传感器与其它完好传感器之间存在某种函数关系, 则可以通过加入观测器实现信号重构。
2.1.3 重组态控制
重组态控制是指通过改变系统的结构, 如仅保持部分主要功能或功能退化来维持系统的运行。
2.1.4 手工操作
系统由计算机自动控制切换到手工操作状态。
2.2 基于数学模型的系统重构容错控制
从1971年以来基于数学模型的容错控制在自动控制的过程系统中受到越来越多的重视它是一种与硬件冗余相对应的一种方法, 它把故障定义为实际过程相对于正常模型的改变, 然后根据过程模型的变化范围和类型, 采用相应的容错控制方法, 对故障进行消除、补偿和抑制。在串级控制中, 当主传感器故障时将会严重影响系统的性能, 尤其是主传感器失效后, 整个控制系统的传递函数发生了根本变化, 并失去串级控制的功能。为了使系统在此故障状态下仍能够较稳定地运行, 并具有串级系统的控制功能及较好的性能指标, 本章在前面两章的基础上提出一种利用可测量的量, 并结合系统的数学模型构造系统由于传感器故障而丢失的反馈信号实现容错控制的方案。
3 结语
随着现代工业控制系统复杂程度的增加和人们对系统性能指标要求的提高, 系统的可靠性, 可维护性和容错性受到了人们越来越多的重视。由此, 故障检测及容错控制方法取得了显著的成果。本文从间歇式反应釜釜内温度控制出发, 对于采用串级控制方式控制反应釜的釜内温度在主传感器失效的情况下, 对其进行了的故障诊断及容错控制的探讨
摘要：间歇式反应釜是作为化工生产中的重要设备, 随着时代的发展对精细化有了更高的的要求。本文在温度控制的基础上探讨了其故障诊断方法和容错控制设计。
关键词：间歇式反应釜故障容错控制
参考文献