Сажу (в науке — технический углерод) используют в изготовлении резины и шин, а также как цветовой пигмент в печатных красках и лакокрасочных изделиях. Ее мировое производство превышает 11 миллионов тонн в год. При этом в процессе ее получения выделяется большое количество вредных соединений окислов углерода и азота, которые образуют «парниковый эффект» и, как следствие, повышение температуры поверхности Земли. Важным вопросом производства сажи является не только ее экологичность, но и автоматизация: этому требованию в полной мере не соответствует ни одно из 10-ти российских химических предприятий, которые изготавливают технический углерод. Ученые Пермского Политеха разработали схему автоматизации эффективного и безопасного для природы производства сажи.
Статья опубликована в журнале «Инженерный вестник Дона», № 7, 2024 год. 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 С°), 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 т.д., 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.