Doktori (PhD) értekezés tézisei. Pannon Egyetem Vegyészmérnöki Tudományok és Anyagtudományok Doktori Iskolája

Átírás

1 Doktori (PhD) értekezés tézisei FOLYAMATMODELLEK ÉS ADATBÁNYÁSZATI ESZKÖZÖK ALKALMAZÁSA TECHNOLÓGIAI RENDSZEREK BIZTONSÁGOS ÜZEMELTETÉSI TARTOMÁNYAINAK FELTÁRÁSÁRA ÉS JELLEMZÉSÉRE VARGA TAMÁS Pannon Egyetem Vegyészmérnöki Tudományok és Anyagtudományok Doktori Iskolája Témavezetı: dr. Abonyi János egyetemi docens Pannon Egyetem Folyamatmérnöki Intézeti Tanszék Veszprém 2009

2 1. ELİZMÉNYEK ÉS CÉLKITŐZÉS Az ipari gyakorlatban használt folyamatirányító rendszerek alkalmazásával törekednek arra, hogy a lehetı legjobban kihasználhatók legyenek a technológiai folyamat nyújtotta lehetıségek. Ennek okán az üzemeltetési körülmények egyre inkább közelebb kerülnek a fizikai és kémiai törvények által meghatározott korlátok közelében lévı optimális üzemeltetési tartományokhoz. Ennek eredményeképpen egyre szigorúbb biztonsági elıírásokat kell figyelembe venni az optimális üzemeltetési tartományok behatárolása során. A feladat megoldásához olyan eszközök kifejlesztése nyújthat segítséget, amely a folyamat szimulátor mellett, a biztonsági elemek szimulátorát is magába foglalja. Emellett olyan algoritmusok kidolgozására van szükség, amelyek ezen szimulátorok felhasználásával alkalmassá válnak komplex technológiák biztonságos üzemeltetési tartományainak feltárására, illetve a biztonsági elemekhez tartozó biztonsági idık meghatározására. A munkám során a reaktorelfutás jelenségét elemeztem, amelyet kiváltó körülmény az egyik legkritikusabb biztonsági határ, exoterm hıszinezető reakció lejátszatásának helyet adó reaktor esetén. A jelenség a technológia állapotváltozóinak, például a reaktor hımérsékletének hirtelen bekövetkezı nagymértékő változását jelenti. A reaktorelfutás megfelelı idıben történı felismerése biztonsági és technológiai szempontokból egyaránt fontos lehet. Biztonsági szempont a reaktor felrobbanásának megelızése, míg a technológiai szempontok közé az úgynevezett forrópontok kialakulásának elkerülése tartozhat, ami elsısorban a katalizátor megóvásának szempontjából fontos. A reaktorelfutás jelensége már régóta ismert, de csak a Bhopal-i és a Seveso-i katasztrófákat követıen került a figyelem középpontjába. A katasztrófákat követıen számos szabályozás lépett 1

3 érvénybe, a jövıbeni incidensek megelızése érdekében elég, ha csak a Seveso irányelvekre gondolunk. Ezen irányelvek követését ma már törvény írja elı. Mivel mind az optimális mőködtetés, mind a biztonság rendkívül fontos, szükség van olyan intelligens szakértıi rendszerek kidolgozására, amelyek segítik a folyamatoperátorok döntéseinek meghozatalát. A szakértıi rendszer amellett, hogy elırejelzi az operátornak egy nem kívánt esemény bekövetkezését, ezekhez olyan lehetséges stratégiákat rendel, melyeket követve, azok elkerülhetık. A legfontosabb feladat ezen eszköz elıállításához, az ehhez szükséges információk kinyerése a vizsgált technológiából. Az információk kinyerése történhet adatbányászati módszerek alkalmazásával, a priori modellek kidolgozásával, illetve ezek együttes alkalmazásával. Ezt követıen elengedhetetlen a technológiából megfelelı módon kinyert információk kezelése a problémák megválaszolásához, illetve az információk analízisével kapott eredmények megfelelı formába hozása és azok operátorokhoz való eljuttatása. A dolgozat célja egy olyan eszköz fejlesztése, amely alkalmas a reaktorelfutás elırejelzésére és lehetséges stratégiák kidolgozására, annak érdekében, hogy megakadályozzák annak kialakulását. A dolgozatban alkalmazott módszerek a következı kapcsolódó témakörök területeit ölelik fel: modellezés, szimuláció, adatbányászat, kvalitatív elemzés, veszélyforrás elemzés, veszélyforrás kezelés, stabilitás vizsgálat. 2

4 2. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK 1. A hierarchikus modellezési koncepció hatékonyan alkalmazható heterokatalitikus reaktorok biztonságos üzemeltetés részleteit elemzı modellezése során. (Kapcsolódó publikációk: 1, 5, 8, 10, 11, 14, 17, 18, 19, 24, 26, 27) A folyamatirányító rendszerek fejlıdésének köszönhetıen az a priori modellek szerepe egyre inkább teret hódít magának a vegyipari gyakorlatban. Egy ipari heterokatalitikus reaktor példáján keresztül, egy olyan hierarchikus modellezési koncepciót mutattam be, ahol a modellek kidolgozása során a legfontosabb szempont, a reaktor optimális és biztonságos mőködésének biztosítása volt. Különbözı komplexitású modelljeit alkottam meg a vizsgált rendszernek, melyekhez lehetséges mérnöki alkalmazásokat rendeltem. A kétfázisú rendszert kvázi-fázisként kezelve, a Langmuir-Hinshelwood kinetikai összefüggés módosított formáját alkalmaztam a lejátszódó folyamatok bruttó sebességének számításához a kvázi-fázist feltételezı modellekben. A megalkotott stacioner szimulátorral való munka megkönnyítésére, illetve, hogy a modellel az ipari partner is számításokat végezhessen grafikus kezelıfelületet alkottam. A reaktorelfutás idıbeli kialakulásának, illetve a reaktor instabil tartományainak idıbeli változásának vizsgálatához, a stacioner modell alapján egy kvázi-homogén fázisú dinamikus modellt dolgoztam ki. A következı lépés a fázisok között lejátszódó transzportfolyamatok sebességének vizsgálata, illetve a reaktor üzemindítás stratégiájának modell alapon való tervezése volt. Ennek érdekében a kvázi-homogén fázist szilárd és gázfázisra bontottam és dolgoztam ki a reaktor két-fázisú dinamikus modelljét. A teljes katalizátorágyból egyetlen katalizátorszemcsét és annak közvetlen környezetét kijelölve, majd annak modelljét kidolgozva, a 3

5 reaktor specifikus pontjain vizsgálatokat végeztem. A kidolgozott modellrendszer alkalmas az egész technológia stabilitás vizsgálatára, a dinamikus szimulátor az üzemeltetési, valamint üzemindítási vizsgálatok tesztelésére, illetve a két fázisra felírt modellek a rendszer stabilitásával kapcsolatos jelenségek fázisok és fáziselemek szintjén való vizsgálatára. 2. A folyamat modellek stabilitás vizsgálat eredményeinek döntési fákkal való kiértékelésével, olyan eszköz fejleszthetı ki, amely alkalmas a reaktor üzemeltetési paraméterei által definiált térben a biztonságos üzemeltetés tartományok meghatározására. (Kapcsolódó publikációk: 1, 2, 3, 4, 6, 8, 11, 12, 14, 16, 17, 18, 19, 20, 22, 23) (a) Az elfutás kialakulásának kiváltó oka a reaktor állapotának instabil tartományba jutása, ahol az elvonandó hımennyiség jelentısen meghaladja a fizikailag elvonható hımennyiséget. Ennél fogva a reaktor stabilitás vizsgálata alapján az elfutás bekövetkezése jelezhetı. Az elfutás kialakulását egy ipari heterokatalitikus reaktor esetén vizsgáltam. Meghatároztam a vizsgált reaktor fázistérképét, amit a reaktorban jellemzı konverzió és reaktor hımérséklettel definiáltam. A reakció kinetikai összefüggés meghatározását követıen az egyensúlyi hımérsékletet és az optimális hımérsékletprofilt analitikusan meghatároztam. Az egyes állapotokhoz tartozó egyensúlyi hımérsékletek jelentik az elméletileg maximálisan kialakulható hımérsékletet, mivel ezen hımérsékleten a képzıdés és bomlás sebessége megegyezik. Az optimális hımérsékletprofilt a reakciósebességi összefüggés hımérsékletszerinti elsı deriváltjának gyökeinek kiszámításával határoztam meg. Az optimális hımérsékleten vezetve a reakciót a maximális reakciósebesség érhetı el. A reaktor fizikai tulajdonságait, ezen számítások még nem veszik figyelembe, ezért elvégeztem a reaktor modelljének stabilitás vizsgálatát, Ljapunov 4

6 közvetett stabilitás vizsgálatát alkalmazva. A stabilitás vizsgálatot alapul véve analitikusan meghatároztam a reaktor instabil tartományainak határait. Az így kapott fázistérkép alkalmazható üzemeltetési stratégiák kidolgozására, illetve reaktor tervezés során is támpontot nyújthat. (b) A lehetséges üzemeltetési paraméterek közül nagyszámú, véletlenszerően kiválasztott betáplálási körülményt generáltam. A stacioner modell megoldásával meghatároztam az egyes betáplálási körülmények mellett a reaktorban kialakuló stacioner profilokat. Ljapunov közvetlen stabilitás vizsgálatát alapul véve kiválasztottam, azon eseteket, melyek során a reaktorelfutás bekövetkezik. Az így kapott eredményeket döntési fák alkalmazásával rendszereztem és így egy olyan eszközt fejlesztettem ki, mely alkalmas az elfutás kialakulásának elırejelzésére a reaktor üzemeltetési paramétereinek alapján. A kifejlesztett eszköz az elırejelzésen túl, alkalmas a reaktor biztonságos mőködési tartományainak behatárolására, amiket könnyen értelmezhetı nyelvi szabályok formájában definiál. Az eredményül kapott döntési fa értelmezésével, meghatároztam azon üzemeltetési paramétereket, melyek a leginkább kritikusak az elfutás kialakulása szempontjából. 3. A folyamat szimulátorok alkalmazásával a folyamatbiztonsági idık elemzésén keresztül a biztonsági elemek, azaz a technológia biztonságos üzemeltetési tartományait definiáló változók hatékonyan rangsorolhatók. (Kapcsolódó publikációk: 7, 8, 9, 13, 15, 21, 25) A technológiák üzemeltetése során, az üzemeltetési paramétereken végzett változtatások hatásai idıvel eltolva jelentkeznek. Ennélfogva, ha nem a kellı idıben végezzük a beavatkozást a megfelelı paraméteren, a reaktorelfutás, vagy az üzemzavaros állapot bekövetkezése már nem kerülhetı el. Egy olyan 5

7 keretrendszert javasoltam, mely a vizsgált rendszer modelljén túl, a lehetséges biztonsági elemek idıbeni hatását és viselkedését is elemzi és értékeli, meghatározva ezáltal azt a biztonsági elemektıl függı tartományt, illetve idıtartalékot, melyben a technológia kézben tartható a javasolt biztonsági elemek megfelelı alkalmazásával. E keretrendszer alapja, egy olyan algoritmus, amely az elfutás detektálásán túl, a lehetséges biztonsági elemekhez tarozó biztonsági idıket számítja ki. A biztonsági idık ismeretében a lehetséges biztonsági elemek, azaz beavatkozási, szabályozási lehetıségek rangsorolhatók. A kidolgozott keretrendszer alkalmazhatóságát egy rátáplálásos üst és egy állóágyas, csıköteges reaktor esetén igazoltam. 3. EREDMÉNYEK HASZNOSÍTÁSA A dolgozatban bemutatott eredmények gyakorlati hasznosítása már részben megtörtént ugyanis a kidolgozott stacioner reaktor szimulátort, illetve reaktorrendszer szimulátort az ipari partner is alkalmazta gyakorlati problémamegoldás során. Lehetıségeket kerestek arra, hogy a katalizátorágyban kialakuló hımérséklet maximuma miként csökkenthetı, annak érdekében, hogy a katalizátor élettartama növekedjen. A kidolgozott reaktorelfutás elırejelzésre alkalmas eszköz egyéb vegyipari berendezés instabillá válásának jelzésére, illetve biztonságos üzemeltetési tartományainak feltárására is alkalmazható lehet, például olyan abszorberek esetén, ahol exoterm hıszínezető folyamatok játszódnak le. A biztonsági idık meghatározáshoz kidolgozott keretrendszer egyébiránt alkalmas lehet döntés támogató rendszer részeként segítve a folyamat operátorok munkáját. 6

8 4. TOVÁBBI KUTATÁSI LEHETİSÉGEK A dolgozatban felvázolt eredmények számos új, érdekes kutatási témát vetnek fel. Az alkalmazott mérnöki programok úgy, mint a MATLAB illetve COMSOL Multiphysics eleget tesznek a CAPE- OPEN szabványnak, amely lehetıvé teszi a programok közötti átjárást. Ez azt jelenti, hogy az egyes programokban készített alkalmazások egy másik programban is integrálhatók. Ezáltal a COMSOL programban implementált szemcse modell, építıelemként felhasználható egy teljes katalizátorágy modelljének kialakításakor. Az említett szabvány fontossága abban rejlik, hogy az építıelemekbıl, azaz a katalizátorszemcsébıl való építkezést MATLAB programmal végeznénk. Ennek megvalósításával lehetıvé válna kifinomult katalizátorágy modellek kidolgozása és megoldása kevesebb fizikai memóriával (Random-access Memory - RAM) rendelkezı számítógépeken is. Az összetettebb modellek megoldásánál ugyanis elıfordulhat, hogy a számítás RAM igénye meghaladhatja a rendelkezésre állót. A kidolgozott eszközzel a katalizátorágyat alkotó szemcsék szemcseméret eloszlását, illetve alakját is tervezhetjük, optimalizálhatjuk. Egy másik érdekes kutatási terület egy olyan korlátos szélsıérték keresı módszer kidolgozása lehet, amely a folyamat modellekbıl döntési fákkal kinyert információkat alapul véve, optimális munkapont meghatározására lenne alkalmas. A végcél ezen korlátos szélsıérték keresı algoritmus online módon történ o alkalmazása lenne. A folyamatok kézbentarthatóságának vizsgálatára bemutatott módszerrel végzett vizsgálatok eredményeinek döntési fákkal való kiértékelésével, olyan eszköz állítható el o, amely a folyamat operátorok számára jelezné, amennyiben a folyamat állapotváltozói a folyamat kézbentarthatósági tartományából kilépnek. Ennek érdekében további szimulációs kísérleteket kell végezni és kiértékelni. 7

9 5. A SZERZİ TÉMÁHOZ KAPCSOLÓDÓ PUBLIKÁCIÓS JEGYZÉKE Nemzetközi folyóiratban megjelent cikkek: [1] T. Varga, F. Szeifert, J. Réti, J. Abonyi, Analysis of the runaway in an industrial heterocatalytic reactor, Computer Aided Chemical Engineering, Vol. 24, pp , 2007 [2] T. Varga, F. Szeifert, J. Abonyi, Evolutionary Strategy for Feeding Trajectory Optimization of Fed-batch Reactors, Acta Polytechnica Hungarica, Vol. 4, pp , 2007 [3] T. Varga, F. Szeifert, J. Réti, J. Abonyi, Decision tree based qualitative analysis of operating regimes in industrial production processes, Computer Aided Chemical Engineering, Vol. 25, pp , 2008 [4] T. Varga, G. Horváth, J. Abonyi, Determination of safety operating regimes based on the analysis of characteristic equation of state-space model, Hungarian Journal of Industrial Chemistry, Vol. 36, pp , 2008 [5] T. Varga, G. Rádi, T. Chován, Improving the mathematical model of heterocatalytic tube reactor, Hungarian Journal of Industrial Chemistry, Vol. 36, pp , 2008 [6] T. Varga, F. Szeifert, J. Abonyi, Decision tree and first-principles model based approach for reactor runaway analysis and forecasting, Engineering Applications of Artificial Intelligence, Vol. 22, pp , 2009 [7] T. Varga, F. Szeifert, J. Abonyi, Detection of Safe Operating Regions a Novel Dynamic Process Simulator Based Predictive Alarm Management Approach, Industrial Engineering Chemistry Research, javításokkal elfogadva, 2009 [8] T. Varga, F. Szeifert, J. Abonyi, Application of mathematical models with different complexity in reactor runaway detection, Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems, javításokkal elfogadva,

10 [9] T. Varga, J. Abonyi Novel method for the determination of process safety time, Chemical and Biochemical Engineering Quarterly, javításokkal elfogadva, 2009 [10] T. Varga, F. Szeifert, J. Abonyi, Detailed description of a packed-bed tube reactor based on hierarchical modeling concept, International Review on Modelling and Simulations, elıkészületben, 2009 Hazai folyóiratban megjelent cikkek: [11] Varga T., Abonyi J., Szeifert F., Heterokatalitikus reaktorok vizsgálata, Acta Agraria Kaposváriensis, Vol. 10, pp. 1-9, 2006 [12] Varga T., Abonyi J., Szeifert F., Applying decision trees to investigate the operating regimes of a production process, Acta Agraria Kaposváriensis, Vol. 11, , 2007 [13] Varga T., Baradits G., Abonyi J., The role of dynamic process models for the detection of safe operating regions of process systems, beküldve, 2008 Referált elıadások: [14] T. Varga, F. Szeifert, J. Réti, J. Abonyi, Analysis of the runaway in an industrial heterocatalytic reactor, 17th European Symposium on Computer Aided Process Engineering, Bukarest, 2007 [15] T. Varga, F. Szeifert, J. Abonyi, Application of process models for determining the region of controllability in fed-batch reactor, Modeling, Identification, and Control, Innsbruck, 2008 [16] T. Varga, F. Szeifert, J. Réti, J. Abonyi, Decision tree based qualitative analysis of operating regimes in industrial production processes, 18th European Symposium on Computer Aided Process Engineering, Lyon, 2008 Nem referált elıadások: [17] Varga T., Abonyi J., Chován T., Nagy L., Szeifert F., Réti J., Heterokatalitikus reaktorok vizsgálata, 34. Mőszaki Kémiai Napok, Veszprém,

11 [18] Varga T., Abonyi J., Szeifert F., Heterokatalitikus reaktorok vizsgálata, V. Alkalmazott Informatika Konferencia, Kaposvár, 2006 [19] Varga T., Chován T., Szeifert F., Réti J., Reaktorelfutás idıbeli viselkedésének vizsgálata heterokatalitikus csıreaktorban, 35. Mőszaki Kémiai Napok, Veszprém, 2007 [20] Varga T., Abonyi J., Szeifert F., Applying decision trees to investigate the operating regimes of a production process, VI. Alkalmazott Informatika Konferencia, Kaposvár, 2007 [21] T. Varga, J. Abonyi, F. Szeifert, Characterizing operating regimes of complex process systems - model based approaches, 27th International Workshop on Chemical Engineering Mathematics, Veszprém, 2007 [22] T. Varga, F. Szeifert, J. Abonyi, Evolutionary Strategy based Feeding Profile Optimization of Fed-batch Reactors, International Conference of Hungarian Researchers on Computational Intelligence, Budapest, 2007 [23] Horváth Gy., Varga T., Abonyi J., Komplex technológiai rendszer biztonságos üzemeltetési tartományainak feltárása állapottér modell karakterisztikus egyenletének analízise alapján, 36. Mőszaki Kémiai Napok, Veszprém, 2008 [24] Rádi Gy., Varga T., Chován T., Heterokatalitikus csıreaktor matematikai modelljének fejlesztése, 36. Mőszaki Kémiai Napok, Veszprém, 2008 [25] T. Varga, G. Baradits, J. Abonyi, The role of dynamic process models for the detection of safe operating regions of process systems, VII. Alkalmazott Informatika Konferencia, Kaposvár, 2008 [26] T. Varga, G. Rádi, T. Chován, Improving the mathematical model of a heterocatalytic tube reactor, COMSOL conference 2008, Budapest, 2008 [27] Rádi Gy., Varga T., Chován T., Hierarchikus modellezés a vegyipari gyakorlatban, 37. Mőszaki Kémiai Napok, Veszprém,