Исследование способов моделирования и оптимизации систем контроля и управления технологическим процессом производства электролитических щелоков, газообразного хлора и водорода методом диафрагменного электролиза

ВВЕДЕНИЕ

Контроль и управление технологическим процессом производства электролитических щелоков, газообразного хлора и водорода методом диафрагменного электролиза необходимы, прежде всего, из соображений безопасности производства. Кроме того, метод диафрагменного электролиза является не самым совершенным, хотя и самым распространенным на отечественных производствах. Два данных факта делает актуальной научно-исследовательскую работу, целью которой является исследование способов моделирования и оптимизации систем контроля и управления технологическим процессом производства электролитических щелоков, газообразного хлора и водорода методом диафрагменного электролиза.
Задачами исследования являются следующие:
- проанализировать вопросы безопасности производства электролитических щелоков, газообразного хлора и водорода
- исследовать особенности производства электролитических щелоков, газообразного хлора и водорода
- привести специфика математического моделирования контроля и управления технологическим процессом производства электролитических щелоков, газообразного хлора и водорода методом диафрагменного электролиза
- провести обзор программных продуктов для моделирования физических процессов
Теоретическая значимость данного исследования заключается в том, что полученные результаты могут быть применены в теории контроля и управления технологическими процессами на химических производствах.
Практическая значимость данного исследования заключается в том, что полученные результаты могут быть применены в процессе разработки математических моделей контроля и управления технологическим процессом производства электролитических щелоков, газообразного хлора и водорода методом диафрагменного электролиза.
Структура данного исследования состоит из введения, четырех параграфов, заключения и списка используемых источников.


1. Вопросы безопасности производства электролитических щелоков, газообразного хлора и водорода
Известно, что при получении хлора и каустика методом электролиза раствора хлорида натрия производятся гидроксид натрия, хлор и водород [8]. При этом применяются ртутные, мембранные и диафрагменные электролизеры.
Данный технологический процесс требует эффективного контроля и управления, что связано с тем, что при обычных температурах сухой хлор, жидкий или газообразный, не оказывает коррозийного воздействия на сталь. Однако влажный хлор высоко коррозийный, поскольку образует соляную и хлорноватистую кислоты. Поэтому необходимо предпринять все меры предосторожности, чтобы сохранить хлор и оборудование для производства хлора сухими. Трубопроводы, клапаны и контейнеры должны быть закрыты, когда ими не пользуются, чтобы избежать попадания атмосферной влаги. Если смывать водой хлор, вытекший в результате утечки, это значительно ухудшит ситуацию.
Кроме того, с увеличением температуры объем жидкого хлора увеличивается. Необходимо предпринять все возможные меры, чтобы избежать гидростатического разрыва труб, сосудов, контейнеров и другого оборудования с жидким хлором. Водород является побочным продуктом процесса производства хлора методом электролиза соляных растворов. В определенной концентрации хлор образует горючие и взрывчатые смеси с водородом, а его реакции с некоторыми органическими соединениями, например углеводородами, спиртами и простыми эфирами, могут иметь взрывной экзотермический характер, если не контролируются соответствующим образом. Реакция хлора с водородом может начаться под воздействием прямых солнечных лучей и иных источников ультрафиолетового излучения, статического электричества или резкого удара.
Также, небольшие количества трихлорида азота, которые могут образоваться в процессе производства хлора, очень неустойчивы и обладают высокой взрывоопасностью. При испарении хлора, содержащего небольшое количество трихлорида азота, концентрация трихлорида азота может достичь опасной величины в оставшемся жидком хлоре.
В добавок в результате реакции хлора с рядом органических веществ, например маслом или смазкой, источниками которых могут быть воздушные компрессоры, клапаны, насосы и масляно-диафрагменные приборы, а также деревянные предметы и ветошь, используемые при техническом обслуживании оборудования, образуются взрывоопасные соединения.
При первых признаках утечки хлора необходимо немедленно предпринять соответствующие меры. Следует внимательно следить за утечками хлора из линий, аппаратов и контейнеров; необходимо иметь набор инструментов для аварийного ремонта, который должен выполняться опытным персоналом, снабженным соответствующими средствами защиты. Перед началом ремонта неисправные цистерны, трубопроводы и оборудование следует продувать сухим воздухом и изолировать от всех источников хлора. Наиболее опасные выбросы хлора обычно происходят из-за нарушения течения реакции, присущей данному процессу, или вследствие тех или иных нарушений в работе установки. Персонал не должен находиться на территориях с опасным для здоровья содержанием газа (10 частей на миллион (ppm)) без соответствующих средств защиты. Пострадавших следует немедленно эвакуировать из зараженной зоны.
Приборы, отслеживающие содержание хлора в воздухе, и приборы, указывающие направление ветра, обеспечивают своевременную информацию (например, для определения возможного маршрута эвакуации), помогающую определить, следует ли эвакуировать персонал или можно отвести его в укрытия на местах.
При этом именно диафрагменные электролизеры являются наиболее распространенными в технологическом процессе производства хлора, щелочи и водорода.
Для оптимизации управления технологическим процессом необходимо пройти этапы:
-создания математической модели динамических режимов работы объекта;
-решения задачи оптимизации оптимального управления технологическим процессом.
В связи с вышесказанным исследование способов моделирования и оптимизации систем контроля и управления технологическим процессом производства электролитических щелоков, газообразного хлора и водорода методом диафрагменного электролиза является актуальной задачей.
2. Особенности производства электролитических щелоков, газообразного хлора и водорода
В настоящее время хлор широко применяется в производстве хлорной извести, соляной кислоты, хлористого алюминия, для синтеза ряда органических соединений и т. д. Хлор получается при электролизе водных растворов хлоридов щелочных металлов или их расплавов. Так, если в первом случае конечным продуктом электролиза является хлор, водород и щелочи, то во втором— легкие металлы и хлор.