Разработана схема автоматизации экологичного производства сажи

Статья опубликована в журнале «Инженерный вестник Дона». Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Технический углерод производится с помощью специальной установки – печного реактора. В нем исходное сырье (парафин) распадается на составляющие химические соединения под действием высоких температур (от 1400 до 1700 ^оС), источником которых служит природный газ с высоким содержанием метана.

Печной способ получения сажи теряет в своей эффективности, если технология недостаточно автоматизирована. В настоящее время процесс производства в камере перемешивания контролируется специальным температурным датчиком. Также в камеру горения реактора подается азот, который, смешиваясь с кислородом, образует вредные соединения окиси азота и углерода. Все эти вещества, попадая в атмосферу, снижают ее прозрачность, увеличивают «парниковый эффект» и разрушают озоновый слой Земли.

Ученые Пермского Политеха разработали схему автоматизации печного реактора. Помимо увеличения эффективности и скорости производства, она позволит сократить вероятность ошибок из-за человеческого фактора, которые снижают качество продукции и безопасность технологического процесса. Настройка оборудования по предложенной схеме автоматизирует основные этапы производства сажи – подачу топлива, воздуха для проведения реакции окисления и нейтрализацию вредных соединений.

«В условиях реального производства невозможно заранее точно определить значения всех переменных, задействованных в предстоящих химических реакциях: температуру, скорость перемещения и концентрацию сырья, конкретное содержание метана в природном газе, влаги в воздухе, примесей в сырье и так далее, хотя это позволило бы лучше регулировать и контролировать получение сажи.

Наша схема учитывает эти условия неопределенности. Управление подачей топлива, окислителя и других веществ будут выполнять специальные датчики – ПИ-регуляторы нечеткой логики. Они способны работать с переменными коэффициентами, которые не заданы заранее, и принимают значения на основе входных данных, которые получают здесь и сейчас», – рассказывает Юрий Хижняков, профессор кафедры автоматики и телемеханики ПНИПУ, доктор технических наук.

У нечетких ПИ-регуляторов есть несколько задач. Во-первых, они управляют расходом топлива на основе измерений содержания метана природного газа. Во-вторых, контролируют подачу воздуха. Для этого регулятор сравнивает заданную температуру с той, что в камере горения, чтобы определить, насколько хорошо перемешивается природный газ с кислородом. Если процесс нарушен, то регулятор добавляет воздух. Еще одна функция – автоматическая подача, например, аммиака, который нейтрализует вредные соединения (окислы азота), образующиеся в процессе производства.

«На финальных этапах нужно остановить химическую реакцию восстановления. Она происходит при высокой температуре. Для ее снижения впрыскивают воду в камеру закалки печного реактора. Наша схема предполагает, что в этой зоне можно, как вариант, расположить лазерный измеритель мелких частиц аэрозоли углерода. Когда луч проходит через него, мелкие компоненты рассеивают свет, измеритель фиксирует это и определяет концентрацию частиц. Информация подается на устройство, которое впрыскивает воду под давлением 2 МПа. Температура в камере закалки снижается и активность химической реакции восстановления прекращается. В итоге в процессе гранулирования получается твердый углерод с требуемыми физико-химическими свойствами», – дополняет Павел Ефимов, ассистент кафедры автоматики и телемеханики ПНИПУ.

Ученые Пермского Политеха разработали схему автоматизации экологически чистого производства сажи с применением ПИ-регуляторов нечеткой логики. Она универсальна и не зависит от структуры реактора. Разработка поддерживает экологичность производства и эффективную охрану окружающей среды, что крайне важно для предотвращения глобального потепления.

ПНИПУ

932 статей

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.

Показать больше