CC BY
31
ЭЛЕКТРОНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И РАДИОТЕХНИКА
УДК 681.518
DOI 10.21685/2072-3059-2016-4-7
И. И. Артемов, В. П. Буц, Н. В. Горячев, И. И. Кочегаров, В. А. Миронов, А. А. Прошин, А. Ю. Тычков, С. Е. Галан, И. Ю. Бабкин
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО РЕАКТОРА ПРОТОЧНОГО СИНТЕЗА НА ОСНОВЕ МЕТОДОЛОГИИ ПОСТРОЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ
Аннотация.
Актуальность и цели. Современные лабораторные установки химической, фармацевтической и косметической промышленности представляют собой сложные технические системы, функционирующие на основе множества принципов, относящихся к различным наукам. Такой синтез наук, как правило, объединяет прикладные достижения технических наук с теоретическими знаниями, на которых базируются указанные выше отрасли промышленности. Одновременно перед отечественными учеными и конструкторами стоит задача импортозамещения как элементной базы, так и готовых, высокотехнологичных устройств. Таким образом, проектирование лабораторного реактора проточного синтеза на основе опыта зарубежных коллег является актуальной, трудно формализуемой задачей.
Материалы и методы. Методологической основой работы являются методы создания информационно-измерительных и управляющих систем.
Результаты. Изложен примененный авторами подход к проектированию структуры и информационной модели лабораторного реактора проточного синтеза, основанный на принципах построения информационно-измерительных и управляющих систем.
Выводы. Доказано, что построение сложного оборудования, объединяющего в своей работе достижения различных областей наук, возможно только с использованием четко структурированного научно обоснованного подхода. Поэтому для реализации реактора проточного синтеза авторы применили методологию построения информационно-измерительных и управляющих систем.
Ключевые слова: реактор, водород, газы, гидрогенизация, синтез, фракция, электролиз, давление.
1.1. Artemov, V. P. Buts, N. V. Goryachev, 1.1. Kochegarov, V. A. Mironov, A. A. Proshin, A. Yu. Tychkov, S. E. Galan, I. Yu. Babkin
DESIGN OF A FLOW-TYPE LABORATORY REACTOR BASED ON THE METHOLOGY FOR CREATING INFORMATION-MEASURING AND CONTROL SYSTEMS
Abstract.
Background. Modern laboratory facilities for chemical, pharmaceutical and cosmetic industries are complex technical systems that operate on the basis of a set of principles relating to various sciences. Such scientific synthesis usually combines applied achievements of technical sciences with theoretical knowledge; the above mentioned industries are based thereon. At the same time, Russian scientists and designers are facing the task of import substitution of both the element base and ready-made high-tech devices. Thus, the design of a flow-type laboratory reactor based on the experience of foreign colleagues is a relevant, but difficult task to formalize.
Materials and methods. The methods for creating information-measuring and control systems are the methodological basis of the work.
Results. The paper discusses an approach to designing the structure and information model of the flow-type laboratory reactor, based on the principles of construction of informational-measuring and control systems, applied by the authors.
Conclusions. The study has proved that the construction of sophisticated equipment, combining achievements of various scientific fields, is possible while using a well-structured evidence-based approach. On this basis, the authors applied the methodology for creating informational-measuring and controlsystemscto implement the flow-type reactor.
Key words: reactor, hydrogen, gases, hydrogenation, synthesis, fraction, electrolysis, pressure.
Общее описание узлов и подсистем
С целью определения функциональных узлов устройства, а также определения качественных показателей и формулирования предложений по усовершенствованию существующего оборудования подобного класса [1-4] разработана структурная схема гидрогенизационного реактора проточного синтеза.
Предлагаемая авторами структура проектируемого генератора приведена на рис. 1. Согласно методологии построения информационно-измерительных и управляющих систем блок-схема устройства разбита на три основные подсистемы. Непосредственно за получение выходных фракций отвечает подсистема гидрогенизации, включающая в себя следующие элементы:
- генератор водорода - осуществляет производство водорода в требуемом объеме и с заданным качеством;
- узел сброса избыточного давления - предназначен для сброса давления во всей подсистеме гидрогенизации после получения выходной фракции (после окончания работы), а также сброса избыточного давления для аварийного снижения давления в случае отказа одного из элементов подсистемы;
- ВЭЖХ-насос (ВЭЖХ - высокоэффективная жидкостная хроматография) - осуществляет подачу реагента либо растворителя в смеситель для дальнейшего их реагирования с водородом или другими газами;
- два трехходовых крана - первый кран используется для выбора в качестве входного материала либо реагента, либо солвента (растворителя); второй - для сепарации выходного продукта (фракции);
З1
<о 3'
ГО
го
3' <о
(л о го'
о
ГО (/>
ГТ1 ГО
О 3
ГО
о
С з
<о го -О С
■3' 3
ГО <-+■
о о.
-ч
о а. о' го
<0 3' го го
3' <о
Подсистема электропитания
Вычислительное устройс/пВо и устрпйстбо Визуализации и сенсорного ббода
Конщт
ЙЙТШ7 кз пЕхтшндит щщхрЕ
^яй-вж Аоишишътидл
Рис. 1. Структурная схема гидрогенизационного реактора проточного синтеза
ю
.О N0
! с ■с
ГО
с
ГО I
0 ^
с
ГО
1 43
0
1 §
„еэ
I
■8 С
§
О"
I §
С
тз о о, с
0
3
1
с *
о
- смеситель - при установленном уровне давления и скорости подачи реагента осуществляет смешивание последнего с водородом, чем и обеспечивается процесс гидрогенизации;
- пузырьковый детектор предназначен для определения качества смешивания, которое определяется по количественному составу пены в полученной после смешивания жидкости;
- каталитический картридж при повышенной температуре осуществляет выделение из полученной смеси нужной фракции.
Для управления химическим процессом гидрогенизации, осуществляемым в подсистеме гидрогенизации, используются информационно-измерительная и управляющая подсистемы, в состав которых входят следующие элементы:
- набор датчиков давления, установленных на элементах технологической линии гидрогенизации в подсистеме гидрогенизации (узлы А, рис. 1). Датчики осуществляют контроль давления в наиболее ответственных узлах подсистемы гидрогенизации;
- датчик водорода устанавливается в объеме корпуса устройства и предназначен для контроля утечки водорода в технологической линии гидрогенизации; при срабатывании датчика происходит аварийное отключение подсистемы гидрогенизации и сброс давления из подсистемы;
- датчик температуры катализатора устанавливается в узле каталитического картриджа и измеряет фактическую температуру процесса катализации;
- измерительный преобразователь приводит данные всех датчиков к требуемому для вычислительного устройства виду;
- термоэлектрический нагреватель осуществляет разогрев до требуемой температуры узла каталитического картриджа;
- управляющий преобразователь осуществляет выполнение команд вычислительного устройства для управления всеми электромеханическими, электронными, а также термоэлектрическими элементами устройства;
- вычислительное устройство реализует алгоритм функционирования гидрогенизационного генератора, а также обеспечивает визуализацию всего процесса функционирования устройства и сенсорный ввод.
Таким образом, предлагаемая блок-схема (см. рис. 1) позволяет реализовать технологический маршрут проточной гидрогенизации, приведенный на рис. 2.
На основе блок-схемы проектируемого устройства разработана информационная модель, предназначенная для определения маршрута информационных потоков в разрабатываемом устройстве. Определение маршрута информационных потоков в системе важно для дальнейшего разукрупнения блок-схемы в целом, в том числе отдельных ее подсистем. Впоследствии информационная модель устройства с описанием информационных потоков позволит создать функциональную схему гидрогенизационного генератора проточного синтеза. Также эта модель позволяет перейти к концептуальному проектированию алгоритма функционирования устройства.
Информационная модель устройства
Информационная модель приведена на рис. 3. Группа параметров X (т) = 1X1(1), X2(1),..., Xn (т)} описывает управляющие сигналы, поступаю-
щие в подсистему гидрогенизации из информационно-измерительной и управляющей подсистемы (ИИиУП). Параметр Q(т) описывает управляющий сигнал, поступающий в подсистему гидрогенизации для управления работой термоэлектрического преобразователя.
Рис. 2. Технологический маршрут получения выходного продукта с помощью гидрогенизационного реактора проточного синтеза
Рис. 3. Информационная модель устройства с указанием маршрута информационных потоков
Измерительные сигналы (т) и Yт (т) описывают состояние датчика
утечки водорода и датчика температуры катализационной ячейки соответственно.
Группа параметров Yp(т) = т)57р2(т)5...57р (т)}
описывает состоя-
ние датчиков давления, расположенных на технологической линии производства конечного продукта.
Группа параметров Е(т) = {£1(1),£2(1),...,£5(1)} описывает управляющие сигналы, поступающие в подсистему электропитания и предназначенные для включения и выключения соответствующего канала подсистемы электропитания.
Параметры и\-и5 представляют собой соответствующие выходные каналы электропитания, формируемые в подсистеме электропитания.
Основываясь на разработанных блок-схеме, информационной модели и маршруте информационных потоков, а также на данных об известных прототипах, можно предложить в концептуальном виде алгоритм запуска проектируемого устройства (рис. 4).
Рис. 4. Алгоритм запуска гидрогенизационного реактора проточного синтеза
После подачи напряжения питания на устройство осуществляется запуск подсистемы электропитания, которая в свою очередь подает напряжение питания на информационно-измерительную подсистему. Далее осуществляется запуск вычислительного устройства. В ходе выполнения этого этапа происходит инициализация программного обеспечения, необходимого для функционирования вычислительного устройства. В состав этого обеспечения входит операционная система и вспомогательные проблемно ориентированные утилиты. Последние предназначены для обработки данных с датчиков, установленных в подсистеме гидрогенизации, а также в корпусе проектируемого устройства. Отдельные утилиты решают задачу управления техпроцессом производства конечного продукта по заданному алгоритму. В эту задачу входят контроль и управление температурой реакции. После запуска вычислительной системы в параллельном режиме осуществляется диагностика подсистемы гидрогенизации, а также электрических узлов и датчиков. При диагностике подсистемы гидрогенизации проверяется целостность технологической линии получения выходного продукта (за счет установленных датчиков давления). Также за счет наличия датчиков водорода в корпусе устройства проверяется его содержание в объеме установки.
Диагностика электрических узлов и датчиков осуществляется за счет проверки их рабочего состояния на предмет наличия коротких замыканий и\или обрывов в электрической цепи, завышенных напряжений, а также повышения потребляемого тока.
В случае выявления неисправности на любом этапе диагностики происходит аварийное отключение подсистем устройства. Аварийное отключение подразумевает для подсистемы гидрогенизации включение аварийного сброса давления, а затем отключение электропитания по шинам Ub U4 и U5; при нахождении неисправности в электрических узлах и датчиках происходит отключение электропитания по цепям U3 и U4. В случае аварийного отключения осуществляется подача электропитания только на вычислительное устройство, которое осуществляет вывод на экран кода ошибки. Последний характеризует вид и локализует место выявленной неисправности.
В случае, если при диагностике неисправность подсистем и узлов не выявлена, устройство переходит в ждущий режим, в котором ожидает команды оператора.
Заключение
Исследование наглядно показало, что, применяя для построения лабораторного оборудования известные методы проектирования информационно-измерительных и управляющих систем, удается поднять технический уровень этого оборудования и также одновременно обеспечить научное обоснование, необходимое при постройке такого технически сложного и дорогого оборудования.
Список литературы
1. ThalesNanoNanotechologylnc. - URL: http://www.thalesnano.com (дата обращения: 24.12.2015).
2. «Вилитек» - Лабораторное оборудование. - URL: http://vilitek.ru (дата обращения: 24.12.2015).
3. «ЦветХром» - производство и продажа лабораторного оборудования. - URL: http://www.tsvet.com (дата обращения: 24.12.2015).
4. «CambridgeReactorDesign» - Каталитические проточные реакторы и системы синтеза CambridgeReactorDesign. - URL: http://crduk.ru (дата обращения: 24.12.2015).
5. Нейланд, О. Я. Глава II. Алкены / О. Я. Нейланд // Органическая химия : учеб. для хим. вузов. - М. : Высш. шк., 1990. - С. 102-130.
6. Робертс, Дж. Глава 6. Алкены. Структура, спектры и стереоизомерия. Глава 7. Алкены. Реакции двойных углерод-углеродных связей / Дж. Робертс, М. Касерио // Основы органической химии / под ред. акад. А. Н. Несмеянова. - 2-е доп. - М. : Мир, 1978. - Т. 1. - С. 171-235.
7. Реутов, О. А. Органическая химия : в 4 ч. / О. А. Реутов, А. Л. Курц, К. П. Бутин. - 3-е изд. - М. : Бином. Лаборатория знаний, 2007. - Т. 1. - 568 с.
8. Травень, В. Ф. Глава 5. Алкены / В. Ф. Травень // Органическая химия : учеб. для вузов : в 2 т. / В. Ф. Травень. - М. : Академкнига, 2004. - Т. 1. - С. 237-305.
9. Марч, Дж. Глава 15. Реакции присоединения к кратным связям углерод-углерод. Глава 16. Реакции присоединения к кратным связям углерод-гетероатом : пер. с англ. / Дж. Марч // Органическая химия. Реакции, механизмы и структура. Углубленный курс для университетов и химических вузов : в 4 т. / под ред. И. П. Белецкой. - М. : Мир, 1988. - Т. 3. - С. 132-430.
10. Сайкс, П. Механизмы реакций в органической химии : пер. с англ. / П. Сайкс ; под ред. В. Ф. Травеня. - 4-е изд. - М. : Химия, 1991. - 448 с.
11. Санфилиппо, Д. Гидрирование и дегидрогенизация / Д. Санфилиппо, П. Н. Райлэндер // Энциклопедия Ульмана промышленной химии. - Уилли, 2012.
12. Фриза, Д. Г. де. Справочник по гомогенному гидрированию / Д. Г. де Фриза, К. Г. Эльзевир. - Улли, 2007.
13. Глебов, М. В. Влияние нестационарных режимов электролиза на свойства покрытия сплавом медь-олово / М. В. Глебов С. Ю. Киреев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2016. - № 2 (38). -С. 148-158.
References
1. ThalesNanoNanotechologylnc. Available at: http://www.thalesnano.com (accessed December 24, 2015).
2. «Vilitek» - Laboratornoe oborudovanie ["Vilitek" - laboratory equipment]. Available at: http://vilitek.ru (accessed December 24, 2015).
3. «TsvetKhrom» - proizvodstvo i prodazha laboratornogo oborudovaniya ["Tsvet-Khrom" - production and sales of laboratory equipment]. Available at: http://www.tsvet.com (accessed December 24, 2015).
4. «CambridgeReactorDesign» - Kataliticheskie protochnye reaktory i sistemy sinteza CambridgeReactorDesign [CambridgeReactorDesign catalytic flow reactors and synthesis systems]. Available at: http://crduk.ru (accessed December 24, 2015).
5. Neyland O. Ya. Organicheskaya khimiya: ucheb. dlya khim. vuzov [Organic chemistry: textbook for chemical universities]. Moscow: Vyssh. shk., 1990, pp. 102-130.
6. Roberts Dzh., Kaserio M. Osnovy organicheskoy khimii [Basic organic chemistry]. Moscow: Mir, 1978, vol. 1, pp. 171-235.
7. Reutov O. A., Kurts A. L., Butin K. P. Organicheskaya khimiya: v 4 ch. [Organic chemistry: in 4 parts]. 3rd ed. Moscow: Binom. Laboratoriya znaniy, 2007, vol. 1, 568 p.
8. Traven' V. F. Organicheskaya khimiya: ucheb. dlya vuzov: v 2 t. [Organic chemistry: textbook for universities: in 2 volumes]. Moscow: Akademkniga, 2004, vol. 1, pp. 237305.
9. March Dzh. Organicheskaya khimiya. Reaktsii, mekhanizmy i struktura. Uglublennyy kurs dlya universitetov i khimicheskikh vuzov: v 4 t. [Organic chemistry. Reactions, mechanisms and structure. An advanced course for universities and chemical universities]. Moscow: Mir, 1988, vol. 3, pp. 132-430.
10. Sayks P. Mekhanizmy reaktsiy v organicheskoy khimii: per. s angl. [Reaction mechanisms in organic chemistry: translation from English]. 4th ed. Moscow: Khimiya, 1991, 448 p.
11. Sanfilippo D., Raylender P. N. Entsiklopediya Ul'mana promyshlennoy khimii [Ullman's encyclopedia of industrial chemistry]. Uilli, 2012.
12. Friza D. G. de., El'zevir K. G. Spravochnikpo gomogennomu gidrirovaniyu [Handbook of homogeneous hydrogenation]. Ulli, 2007.
13. Glebov M. V., Kireev S. Yu. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2016, no. 2 (38), pp. 148-158.
Артемов Игорь Иосифович доктор технических наук, профессор, проректор по научной работе и инновационной деятельности, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: artemov@pnzgu.ru
Буц Виктор Петрович
доктор технических наук, профессор, Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов (Россия, г. Пенза, ул. Каракозова, 44)
E-mail: butsvp@mail.ru
Горячев Николай Владимирович
кандидат технических наук, доцент, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: ra4foc@yandex.ru
Кочегаров Игорь Иванович
кандидат технических наук, доцент, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: kipra@mail.ru
Artemov Igor' Iosifovich Doctor of engineering sciences, professor, vice-rector for research and innovation, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Buts Viktor Petrovich Doctor of engineering sciences, professor, Research Institute of Mechatronic Devices (44 Karakozova street, Penza, Russia)
Goryachev Nikolay Vladimirovich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of radio equipment design and production, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Kochegarov Igor' Ivanovich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of radio equipment design and production, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Миронов Валерий Александрович
кандидат технических наук, генеральный директор, Центр научно-технического сотрудничества «ХимБиоБезопасность» (Россия, г. Москва, ул. Авиамоторная, 50, стр. 2)
E-mail: info@himbio.ru
Прошин Алексей Анатольевич инженер, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: digital2sed@gmail.com
Тычков Александр Юрьевич
кандидат технических наук, заместитель директора, Научно-исследовательский институт фундаментальных и прикладных исследований, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: tychkov-a@mail.ru
Галан Сергей Евгеньевич
кандидат химических наук, научный сотрудник, Центр научно-технического сотрудничества «ХимБиоБезопасность» (Россия, г. Москва, ул. Авиамоторная, 50, стр. 2)
E-mail: info@himbio.ru
Бабкин Игорь Юрьевич
кандидат химических наук, научный сотрудник, Центр научно-технического сотрудничества «ХимБиоБезопасность» (Россия, г. Москва, ул. Авиамоторная, 50, стр. 2)
E-mail: info@himbio.ru
Mironov Valeriy Aleksandrovich Candidate of engineering sciences, director general, Engineering Research Cooperation Center "ChimBioBezopasnost" (building 2, 50 Aviamotornaya street, Moscow, Russia)
Proshin Aleksey Anatol'evich Engineer, sub-department of radio equipment design and production, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Tychkov Aleksandr Yur'evich Candidate of engineering sciences, deputy director, Research Institute of Fundamental and Applied Research, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Galan Sergey Evgen'evich Candidate of chemical sciences, researcher, Engineering Research Cooperation Center "ChimBioBezopasnost" (building 2, 50 Aviamotornaya street, Moscow, Russia)
Babkin Igor' Yur'evich
Candidate of chemical sciences, researcher,
Engineering Research Cooperation Center
"ChimBioBezopasnost" (building 2,
50 Aviamotornaya street, Moscow, Russia)
УДК 681.518
Проектирование лабораторного реактора проточного синтеза на основе методологии построения информационно-измерительных и управляющих систем / И. И. Артемов, В. П. Буц, Н. В. Горячев, И. И. Кочегаров, В. А. Миронов, А. А. Прошин, А. Ю. Тычков, С. Е. Галан, И. Ю. Бабкин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2016. - № 4 (40). - С. 73-82. БОТ 10.21685/2072-3059-2016-4-7
