автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Оценка работоспособности химико-технологических систем на примере анализа линии производства серной кислоты

На правах рукописи

Шовкопляс Николай Юрьевич

Оценка работоспособности химико-технологических систем на примере анализа линии производства серной кислоты

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-2005 г.

Работа выполнена на кафедре процессов и аппаратов химической технологии Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

- кандидат технических наук, доцент Прохоренко Николай Николае вич

- доктор технических наук, профессор ^ Тимонин Александр Семенович^Н^«/ ¿¿а

- доктор технических наук, профессор Костанян Артак Ераносович

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт по удобрениям и инсектофунгицидам им. профессора Я. В. Самойлова

Защита диссертации состоится « 20 » 2005 г. в часов на

заседании диссертационного совета Д 212.120.02 при Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова: 119571 г. Москва, проспект Вернадского, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова

Автореферат разослан «о2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,

А

Е.А. Анохина

*а°* -v

<?V*77 3

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы. В литературе приводятся данные о том, что химические производства часто работают, примерно, на 70% от своих проектных возможностей. Основная причина такого положения дел - внезапные, внеплановые остановки производства, приводящие к длительным простоям.

Проведенные в 1970-х годах в Московском институте химического машиностроения исследования позволили различить по происхождению причины внеплановых остановок и простоя химико-технологических систем (ХТС): 50-75 % причин остановки и простоя производств обусловлены социально-организационными явлениями и только 25-50 % причин связаны с научно-техническими обстоятельствами разработки и создания ХТС. Именно последние и стали предметом изучения в представленной диссертации.

Проблема качества в химической отрасли неразрывно связана с проблемой надежности. Необходимо понимать, что надежность механических свойств не может полностью характеризовать качественную сторону функционирования оборудования химических производств, т.к. работоспособность оборудования в данном случае определяется и характером параметров, необходимых для совершения тех или иных процессов, т.е. параметрической надежностью.

6 литературе весьма мало публикаций по проблеме технологической надежности и работоспособности химико-технологических систем, на сегодняшний день, в основном известны такие исследования, начатые И.Б. Жилинским и его коллегами в МИХМе.

Для проведения оценки работоспособности ХТС, после систематического изучения современного состояния проблемы, был выбран метод, предложенный H.H. Прохоренко, позволяющий провести исследование работоспособности ХТС еще на предпроектной стадии разработки и включающий элементы теории системного анализа химико-технологических систем.

Для демонстрации возможностей метода и его дальнейшего развития заведомо была выбрана хорошо изученная линия производства серной кислоты методам двойного контактирования и двойной абсорбции (ДКДА) из серного колчедана, мощностью 360000 т мнг (моногидрата)/год. В литера! ни информации по рабо-

СИБЛИОТЕКА I

"* 1 ■» J!

те аналогичных производств, что позволит нам исключить необходимость изучения процесса на стадиях протекания химических реакций, явлений переноса субстанции в отдельных аппаратах и тд., т.е. исключить стадии системного анализа технологии производства, предшествующие анализу последнего в целом, и сопоставить полученные в результате исследования данные с накопленным опытом по эксплуатации существующих производств.

В представленной работе проведена оценка работоспособности ХТС, в предположении что исследование проходит на предпроектной стадии, т.е. считаем, что первоначально мы не обладаем статистической информацией.

Цель работы и задачи исследования. Цель: разработать новые элементы мето-

р

да оценки работоспособности ХТС. Задачи:

1 Провести систематизацию существующих методов определения надежности ХТС и выбрать метод, позволяющий определить надежность ХТС на предпроектной стадии разработки.

2 Доказать объективность выбранной методики и ее информативность.

3. Предложить, развить и апробировать предложенные элементы выбранного метода.

Основные методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В диссертационной работе использовались методы системного анализа ХТС, математического моделирования, методы программирования с применением систем управления базами данных (СУБД), численный эксперимент по методу Монте-Карло. Полученные в ходе численного эксперимента результаты совпадают с данными, накопленными в ходе эксплуатации аналогичных технологических линий.

На защиту выносятся результаты расчета вероятности технологической работоспособности существующей ХТС, позволяющие доказать объективность и применимость метода. Предложенные и апробированные элементы методики исследования работоспособности ХТС. Научная новизна.

1. Исследовано влияние на работоспособность ХТС технологических особенностей организации и ведения процесса, что позволило количественно определить максимальное значение вероятности работоспособности ХТС, являющейся важнейшей информационно-аналитической характеристикой последней.

2. Предложены, развиты и апробированы элементы методики исследования работоспособности ХТС:

-определено влияние на работоспособность ХТС групп внешних воздействий; -предложен способ выявления и классификации возможных отказов разрабатываемой ХТС по их последствиям, а также методика расчета вероятности возникновения таких отказов.

Практическая значимость работы. Предложен информационно-аналитический метод, позволяющий еще на предпроектной стадии разработки выявить и устранить возможные недостатки создаваемой системы, что в целом поможет повысить качество будущей химико-технологической системы. Указанный метод позволяет:

1. На стадии предпроектной разработки ХТС отвергать химико-технологические решения, если они приводят к малой вероятности работоспособности системы.

2. Распознать и классифицировать внешние воздействия и их группы по степени влияния на работоспособность.

3. Распознать, классифицировать отказы по их последствиям и определить вероятность их возникновения.

4. Предложить комплект рекомендаций по повышению качества системы.

5. Разработать комплект рекомендаций по проведению пуско-наладочных работ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научном семинаре, посвященном памяти Заслуженного деятеля науки Гухмана А.А. (Москва, МГУИЭ, 2001 и 2002 гт); научной конференции в ГТЩ «Научно-исследовательский физико-химический институт» им. Л.Я. Карпова (Москва, 2002 г); УТП Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии» (Уфа, 2002 г); Всероссийском совещании «Комплексное использование попутных и пластовых вод нефтяных и газовых месторождений Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции в качестве гидроминерального сырья» (Ухта: VI ТУ, 2003 г).

Публикации. По полученным результатам опубликована 1 статья и 2 тезисы докладов на международных конференциях.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, библиографического списка, включающего 92 наименования, и при-

ложения. Работа изложена на 141 листе машинописного текста, содержит 12 рисунков, 5 таблиц.

2. Краткое содержание работы Введение

Здесь обосновывается актуальность работ, ставятся цель и задачи, выделяется новизна, практическая значимость.

Глава 1. Обзор литературы и выбор метода оценки работоспособности ХТС

Рассматривается современное состояние различных направлений исследования устойчивости, надежности, работоспособности объектов химической технологии, машиностроения, энерготехнологии и радиоэлектроники. Также рассматриваются вопросы системного анализа ХТС, оптимизации химико-технологических процессов и реакторов и методы имитационного моделирования.

В этой же главе приводится существующая на сегодняшний день классификация показателей качества и подчеркивается взаимосвязь таких понятий как «качество» и «надежность».

На основе изученной литературы можно сделать ряд выводов:

1. Существующая теория надежности, в своих приложениях к химической, радиоэлектронной, ядерной и т.п. промышленности, использует элементный подход: т.е. изучаются вероятности отказов элементов, а затем вероятность отказа системы, построенной из этих элементов.

2. Традиционный элементный подход требует взаимной независимости случайных отказов элементов системы. Это обстоятельство мы считаем некорректным при анализе химико-технологических процессов.

3. Каждый элемент рассматривается как «черный ящик»: выходом его является отказ, а входы ищутся тем или иным способом. Фактическая суть процессов, происходящих в элементе, авторов не интересует, а это заставляет применять статистический подход.

4. В литературе по надежности систем, строго говоря, нет системного видения: считается, что элементы не взаимодействуют.

5. В работах по оптимизации процессов, работы отдельных аппаратов, агрегатов и узлов рассматриваются некоторые экономические критерии. Найденные решения задач оптимизации, как правило, не анализируются с точки зрения практической реализации, т.е. работоспособности предлагаемых решений.

6. Большая часть работ по надежности в химической, машиностроительной и других отраслях промышленности посвящена процессам деструкции, деградации материи. К сожалению, существует очень мало работ, рассматривающих технологическую надежность, т.е. потоки в аппаратах и их параметры. В результате новую ХТС, в которой еще совсем нет проявлений процессов деструкции и деградации материи, подчас не удается запустить и вывести на проектный режим или, при работе такой ХТС, наблюдаются частые внезапные остановки, приводящие к длительным простоям.

Таким образом, для исследования выбранной ХТС необходимо использовать метод, лишенный этих недостатков. Таким методом является указанный ниже метод, который, позволяет провести оценку работоспособности ХТС еще на предпроектной стадии разработки, создав информационно-аналитическую схему поведения ХТС при изменении входных параметров Описание метода приводится во 2-й главе.

Глава 2. Методика оценки работоспособности ХТС

В данной главе анализируются особенности использования известного метода исследования работоспособности ХТС к рассматриваемому процессу, вводятся в рассмотрение определения понятий: система, качество, надежность, работоспособность, заданные функции, заданные параметры, отказ. Приводится алгоритм проведения исследования работоспособности ХТС.

Приводятся гипотезы и предпосылки метода:

1. Все социально-организационные причины внезапных остановок ХТС не рассматриваются.

2. Все рассматриваемое оборудование не имеет ни явных, ни скрытых дефектов.

3 Обслуживающий персонал грамотен, квалифицирован, неукоснительно выполняет условия технологического регламента и правила техники безопасности.

4. Метод оценки работоспособности ХТС базируется на стационарном приближении.

5. Деградационные, деструктивные процессы не рассматриваются.

Следствие - все полученные количественные результаты (вероятность работоспособности ХТС и ее частей) являются максимальными, т. к при учете всех выше перечисленных факторов эти значения будут явно ниже рассчитываемых по предлагаемой методике.

С помощью данного метода нам необходимо решить следующие задачи информационно-аналитического характера:

1. Найти значение вероятности работоспособности выбранной ХТС и ее частей.

2. Сопоставить полученные результаты с данными, накопленными из практики эксплуатации выбранной ХТС.

3. Объяснить причины низкой (высокой) работоспособности (качества) системы.

4. Определить влияние на работоспособность ХТС групп внешних воздействий (колебания энергетических и сырьевых потоков на входе в ХТС, использование типового и стандартного оборудования, недостоверность научно-технической информации).

5. Разработать способ классификации отказов по последствиям (брак, авария и т.п.).

Глава 3. Организация численного эксперимента

Предметом исследования является линия производства серной кислоты из колчедана методом двойного контактирования и двойной абсорбции, мощностью -360 тыс. т мнг./год. Одна из таких линий построена на Череповецком химическом заводе. Данные о рассматриваемом производстве, необходимые для проведения системного анализа исследуемой ХТС, были получены в Государственном институте по проектированию заводов основной химической промышленности (ГИПРОХИМ, г. Москва).

Исходные данные

В данном разделе приводится общая характеристика производства; описание технологической схемы; нормы технологического режима; характеристика исходного сырья, вспомогательных материалов, готовой продукции; показатели выпускаемой продукции, энергетических средств, отходов производства; характеристика реакторного, колонного, теплообменного оборудования; характеристика тягодутьевых средств. Принципиальная технологическая схема линии производства серной кислоты методом двойного контактирования и двойной абсорбции представлена на рисунке 1.

Воздух

Т I

Рве. 1. Линия производства серной кислоты.

1 (51>печь КС-450; 2 (54) котел-утилизатор; 3 (64>цтиюны, 4 (б5)-трехпольвые электрофильтры; 5 (201)-первая промывках башня, 6(202)-втарая промытая башня; 7(203) и 8(205)-мокрые электрофильтры, 9(255>сушнлЫ1ая башня; 10(252>фйьтр-брызгоулО1»гп:ль; 11(53)-иагветагель воздуха; 12 и 13(304 №1-2), 14(305), 16(316), 17 и 18 (319X81-2), 19(318), 20(317)-теплообменюю1; 15 (ЗОб)-мшшпяый аппарат; 21 (260)-олеумный абсорбер, 22 (264)-моногвдратаый абсорбер первой ступени; 23 (278)-моногидрагаыЙ абсорбер второй ступени, 24,25, 26,29,32,33 - сборники кислоты; 27,28,34, 35, 36-холоднлытхи; 37 н 38-

фильтры-брьегоу ловители; 39(308)-топка; 30 и 31(309) -пусковой подогреватель. Номер в скобках - потацяя оборудования по схеме ГИПРОХИМа.

Установление множества заданных параметров

На основании исходных данных, изучения технической документации установлено множество заданных параметров (таблица 1), значимость которых для технологии кратко приводится ниже.

Таблица 1. Множество заданных параметров

№ Наименование Размерность Номинал Отклонение

1 Температура в кипящем слое печи КС-450 °С 790 ±10

2 Содержание диоксида серы на входе в контактное отделение %об. 8,75 ±0,25

3 Температура газа на входе на I слой контактного аппарата °С 442,5 ±2,5

4 Температура газа на входе на П слой контактного аппарата °С 467,5 ±2,5

5 Температура газа на входе на Ш слой контактного аппарата °С 452 ±2

6 Температура газа та входе на IV слой контактного аппарата °С 432,5 ±2,5

7 Температура газа на входе на V слой контактного аппарата °с 421 ±1

8 Массовая доля триоксида серы в газе после второй ступени абсорбции доли 0,0000235 +0,00000235

9 Массовая доля диоксида серы в газе после второй ступени абсорбции доли 0,000539 +0,0000539

1. Температура в объеме псевдоожиженного (кипящего) слоя печи обжига серного колчедана КС-450: 790 ± 10 °С, если эта температура превышает 800 °С, то происходи спекание огарка, что является аварийной ситуацией и приводит к длительному простою ХТС. Если температура ниже 780 "С, то уменьшается скорость выделения диоксида серы, снижается его концентрация в обжиговом газе, что влияет на работу контактного отделения и, в конце концов, снижает производительность всей ХТС. Также снижение температуры может привести к потере части серы в связи с образованием сульфатов железа (сульфатизирующий обжиг).

2. Содержание диоксида серы при входе в контактное отделение, по существу, характеризует качество работы и обжигового отделения и отделения подготовки обжигового газа. Также эта величина влияет на работоспособность контактного отделения.

3. Температура газа на входе в 1-У слои катализатора контактного аппарата определяется, с одной стороны, разрушением катализатора из-за деструкции активных комплексов, с другой - температурой зажигания катализатора.

4. Массовые доли триоксида и диоксида серы в выхлопном газе после второй ступени абсорбции характеризуют качество (работоспособность) и контактного, и абсорбционного отделений, определяют степень превращения исходного сырья в целевой продукт, а, значит и производительность всей ХТС. Одновременно, этот заданный параметр характеризует меру экологического влияния ХТС на окружающую среду. Обращаем внимание на следующий момент в процедуре установления множества

заданных параметров: все они технологического плана, т.е. все они относятся к процессам химических превращений. Иными словами, акцент сделан на первой части ХТС, явления переноса и свойства оборудования ХТС остались вне нашего рассмотрения.

Формализация математической модели

При построении физико-химико-процессно-математической модели исследуемой ХТС мы придерживались двух основных принципов. Первый - при разработке любой части разумно сразу написать уравнения, формализующие законы сохранения (массы, энергии, количества движения). Этим утверждается достаточность захонов сохранения для системного рассмотрения качества (т.е. работоспособности любых химико-технологических систем). Второй - мы проводили количественное исследование работоспособности ХТС, а потому нас волновала корректность разрабатываемой модели. Одним из необходимых признаков корректности модели является ее замкнутость (т.е. общее число уравнений должно быть равно общему числу искомых величин). По большому счету именно требование замкнутости модели ХТС и предопределило, огромные трудозатраты при использовании метода исследования работоспособности ХТС.

При составлении математической модели рассматривались нижеперечисленные отделения ХТС:

1. Отделение обжига сырья и очистки обжигового газа.

2. Контактное отделение.

3. Абсорбционное отделение.

Всего в модель вошло 247 уравнений и столько же искомых функций (среди них -9 заданных параметров).

Установление множества внешних воздействий Все внешние воздействия, которые учитывались при составлении математической модели, делятся на три группы:

1. Внешние воздействия, связанные с колебаниями расходов сырья и концентраций веществ на входе в ХТС. Пример: фактическое содержание серы в сухом колчедане. Весь расчет данной ХТС разработчики проводили, считая концентрацию серы в колчедане равной 45 %, однако очевидно, что концентрация серы в сырье зависит от множества факторов (подготовка сырья; месторождение и т.д.).

2. Внешние воздействия, связанные с особенностью изготовления оборудования. Действительно, размеры установленного оборудования, как правило, отклоняются от указанных на чертежах. Кроме этого разработчики линии часто стремятся устанавливать в системе стандартное и/или типовое оборудование, размеры которого могут отклоняться от расчетных. Наиболее яркий пример: в теплообменнике № 305 расчетная поверхность теплообмена равна 2300 м2, а установочная - 3860 м2. Аналогичная картина наблюдается и во всех остальных теплообменных аппаратах.

3. Внешние воздействия, связанные с неточностью научно-технической информации. Пример: коэффициент теплопередачи в кипящем слое печи КС-450 по одним данным равен 278 Вт/м2*К по другим -417 Вт/м2*К. Аналогичная картина наблюдается: с погрешностями определения констант равновесия различных химических превращений; тепловыми эффектами реакций; экспериментальными данными о степени контактирования в слоях катализатора; степени абсорбции; теплофизиче-скими и физико-химическими свойствами исходных, промежуточных и конечных продуктов ХТС и т.д.

Организация и проведение численного эксперимента Организация и проведение численного эксперимента проводилась согласно алгоритму, представленному на рисунке 2.

Заметим, что общее число испытаний N(т.е. число случайных комплектов внешних воздействий) в используемом методе Монте-Карло получилось равным 10000. В этом случае относительная частота свершения благоприятного события (ХТС находится в работоспособном состоянии) становится близкой к вероятности работоспособности ХТС Дальнейшее увеличение N приводило к малым колебаниям (в пределах 3-й яга-чащей цифры) относительной частоты около среднего значения, которое и принималось в качестве оценки вероятности работоспособности всей ХТС и ее частей.

Рис. 2. Алгоритм численного эксперимента по оценке работоспособности ХТС

Подробнее остановимся на блоке №4. Здесь по существу надо численно решать систему нелинейных алгебраических уравнений и искать величину всех неизвестных параметров, в том числе и заданных параметров.

Необходимо сказать несколько слов о точности проводимых расчетов. В алгоритме расчета приходится производить несколько итерационных процедур. Необходимая точность расчета заданных параметров может выявлена из следующего соображения: далее нам необходимо местоположение каждого заданного параметра относительно его номинального значения - попал или не попал рассчитанный заданный параметр в разрешенный диапазон отклонения от номинала.

Для решения этого вопроса вполне достаточно, чтобы абсолютная погрешность (е) составляла 0,1 от амплитуды отклонения заданного параметра от номинала:

е, =1<Г'-ЛГ/,, г=1,2,3...9

где и, - заданный параметр ХТС (смотри Таблицу 1);

амплитуда отклонения его от номинала (смотри Таблицу 1).

Таким образом, для каждого заданного параметра назначаем свою абсолютную погрешность. На наш взгляд в большей точности потребности нет.

На рисунке 3 представлен алгоритм расчета заданных параметров. Из этого рисунка видно, что изучаемая ХТС представляет собой систему, все элементы которой взаимодействуют друг с другом через прямые, обратные и перекрестные связи. Разбивать эту систему на взаимно-независимые элементы (части) некорректно.

Проверка адекватности модели, алгоритма и программы расчета проводилась путем сравнения расчетных значений заданных параметров при номинальных значениях внешних воздействий с этими же данными в регламенте. Максимальная абсолютная погрешность получилась не более 10%.

(^Кккч) ~~ VЦра01 < в1

Это обстоятельство говорит в пользу адекватности разработанной модели, алгоритма и программы расчета заданных параметров.

Рис. 3. Алгоритм расчета заданных параметров

Глава 4. Анализ результатов численного эксперимента

Результатом проведения численного эксперимента явился набор значений вероятностей работоспособности для всей ХТС и ее частей. Здесь в качестве частей выбраны те виды оборудования или те виды процессов химического превращения, для ко- * торых указаны заданные параметры (смотри Таблицу 1).

Представленные в Таблице 2 (столбец №2) результаты совпали с информацией о »>

работе подобных линий, предоставленной специалистами по производству серной кислоты. Следовательно, предложенный метод анализа работоспособности ХТС имеет перспективу применения в проектной работе.

Для повышения вероятности работоспособности системы необходимо выяснить, какие внешние воздействия и их группы оказывают наиболее сильное влияние на работу рассматриваемой технологии. Подобные данные могут быть полезны при создании технологий, ведь у разработчиков появляется возможность устранения или снижения влияния колебаний внешних воздействий.

Для определения вероятности работоспособности в зависимости от групп внешних воздействий и от каждого внешнего воздействия было принято решение внести в программу возможность исключения из расчета колебаний любого внешнего воздействия.

В данной работе отключались целые группы внешних воздействий. Например, чтобы выяснить влияние Ш-ей группы внешних воздействий на работоспособность ХТС, все остальные группы отключались.

Результаты численного эксперимента представлены в Таблице 2.

Введены следующие обозначения:

Р - вероятность работоспособности всей ХТС или ее элементов, имеющих указанные заданные параметры;

Рь - вероятность выхода расчетного значения заданного параметра за нижний предел разрешенного диапазона;

Рн - вероятность выхода расчетного значения заданного параметра за верхний предел разрешенного диапазона.

В столбце «Анализируемый параметр» представлены те параметры, для которых проводилась оценка работоспособности К ним относятся вся линия производства серной кислоты и оборудование, имеющее установленные заданные параметры.

Таблица 2. Результаты определения вероятности работоспособности в зависимости от групп внешних воздействий

Анализируемый параметр Группы экспериментов

Все внешние воздействия Группа III (научно-исследовательская информация) Группа П (изготовление оборудования) Группа I (параметры сырьевых потоков) Группа III (без учета Кке)

Р Pl Ри Р Р Р Р

1 2 3 4 5 6 1 8

Линия производства серной 0.008 0.078 0.17 0.18 0.59

1 Гмше^атура в кипящем слое печи 0.13 0.49 0.38 0.15 0.70 0.80 1.0

2 Содержание диоксида серы на входе в контактное отделение 0.69 0.11 0.20 10 1 0 0.69 1.0

3 Температура газа на входе на I слой контактного аппарата 0.76 0.17 0.07 096 0.80 0.87 0.96

4 Температура газа на входе на П слой контактного аппарата 0.83 0.03 0.14 0.96 0.90 0.86 0.97

5 Температура газа на входе на 1П слой контактного аппарата 0.75 0.25 0.0 096 0.80 0 86 0.96

6 Температура газа на входе та IV слой контактного аппарата 0.77 00 0.23 0.95 0.85 0.81 0.96

7 Температура газа на входе на V слой контактного аппарата 0.43 0.47 0.10 0.62 0.50 0.49 0.63

S Массовая доля 80з в газе после второй ступени абсорбции 0.52 - - 0.52 1.0 1.0 0.52

9 Массовая доля БОг газе после второй ступени абсорбции 1.0 - - 1.0 1 0 1.0 10

В столбце «Группы экспериментов» представлены результаты оценки работоспособности в зависимости от числа внешних воздействий:

«Все внешние воздействия» - в зависимости от всех внешних воздействий; «Группа III» - учитывались только те внешние воздействия, которые связаны с неопределенностью научно-технической информации;

«Группа П» - учитывались только те внешние воздействия, которые связанны с неточностью изготовления оборудования;

«Группа 1» - учитывались только те внешние воздействия, которые связаны с колебаниями расходов сырья и концентраций веществ на входе в ХТС;

«Группа Ш (без учета ЛГисс)» - учитывались только те внешние воздействия, которые связаны с неопределенностью научно-технической информации, однако, здесь из рассмотрения был исключен коэффициент теплопередачи в кипящем слое печи КС-450 (Ккс). Это было сделано для того, чтобы избежать занижения Р из-за недостоверной информации об этом коэффициенте, полученной из различных источников литературы, а также это позволило оценить влияние данного внешнего воздействия на вероятность работоспособности системы.

Проводя исследование влияния отдельных внешних воздействий и их групп на вероятность работоспособности ХТС, разработчики технологии получают возможность видеть, каким внешним воздействиям следует уделить наибольшее внимание для сужения диапазонов их возможных колебаний и, следовательно, для повышения работоспособности системы в целом. Без проведения подобного исследования практически невозможно предугадать, какие внешние воздействия окажутся более или менее опасными для технологии.

На базе данной информации появляется возможность не только предложить комплект рекомендаций по повышению качества системы, но и разработать комплект рекомендаций по проведению пуско-иааадочиых работ.

Вероятности Р£ и Рц дают нам возможность более детально понять последствия отказа, классифицировать отказы по последствиям (остановка, авария, брак и т.п.) и рассчитать вероятности возникновения таких отказов:

1. Соотношение Рц > Рц для заданного параметра «Температура в кипящем слое печи КС-450» показывает, что более вероятен вариант, когда температура в слое будет ниже 780 "С, что приводит к уменьшению скорости выделения диоксида серы, и

снижению концентрации SO2 в обжиговом газе, а также может привести к потери части серы в связи с образованием сульфатов железа.

2. Соотношение PL <Рц для параметра «Содержание диоксида серы при входе в контактное отделение» показывает, что более вероятен вариант повышения концентрации $С>2 в обжиговом газе, что может привести к нарушениям в работе контактного отделения.

3. Для температур газа при входе на слои катализатора соотношение Pi>Ph, показывает, что более вероятен случай ухудшения работы катализатора из-за недостаточной температуры газа на входе в слой. Соотношение PL < Pjj будет характеризовать повышение вероятности разрушения катализатора из-за деструкции активных комплексов.

4. Значения PL и Рн для массовой доли триокевда и диоксида серы в выхлопном газе после второй ступени абсорбции, специально устанавливать не имеет смысла, так как из самой природы этих заданных параметров ясно, что чем ниже концентрация этих веществ в сбросных газах, тем лучше.

Обсуждение полученных результатов

1. Вероятность работоспособности исследуемой ХТС, у которой рассматривались только химико-технологические заданные параметры (см. столбец таблицы 2 -«Анализируемый параметр»), оказалась равной 0.008. Из значения вероятности работоспособности следует, что из 1000 во всем одинаковых ХТС только у 8 установок заданные параметры будут находиться в разрешенном технологами диапазоне отклонения от номинала.

2. Если же включить в рассмотрение еще две части ХТС, кроме собственно химической технологии (процессы переноса субстанции и само оборудование), то неизбежно увеличится число заданных параметров, возрастет число внешних воздействий и, следовательно, вероятность работоспособности только уменьшится.

3. Среди всех процессов, происходящих в исследуемой ХТС, наименьшую вероятность работоспособности имеет процесс обжига колчедана в печи КС-450 (0,13). Такая величина Р означает, что из 100 тиражированных во всем одинаковых ХТС, только в 13 процесс обжига будет происходить в соответствии с требованиями технологов. Процессы во второй ступени абсорбции происходят с вероятностью 1, т.е.

все созданные ХТС будут выбрасывать диоксид серы в атмосферу в рамках гигиенических нормативов.

4. Расчет оценок вероятности случайного события выхода заданного параметра за верхнюю (Рн) или нижнюю (/¿) границу разрешенного диапазона отклонения заданного параметра от номинала дает очень важную информацию для пусковой бригады. Эта оценки позволяют знать, что ожидать от установки при пуско-наладочных работах, попробовать понять причины этих выходов и принять решения для удержания технологических параметров в заданных диапазонах. Сравнение величин Р при влиянии всех внешних воздействий, относящихся к группе III и тех же внешних воздействий, но уже без учета влияния коэффициента теплопередачи в КС-450 (0.078 и 0.59) свидетельствуют об огромном влиянии этого внешнего воздействия, о его большой вредоносности для качества (работоспособности изучаемой ХТС). Степень изученности процессов переноса в КС-450, а это многофазная и многокомпонентная система с внутренними источниками теплоты и теплообменной поверхностью в объеме псевдоожиженного слоя, - во времена разработки и создания исследуемой ХТС (в 50-е годы) была крайне низкой. Отсюда возникает правило: включение слабоизученного объекта в состав новой ХТС резко снижает качество разработки.

6. Строка № 8, 9 таблицы 2 не только характеризует работоспособность абсорбционного отделения исследуемой ХТС. Величина 0,52 в строке №8 показывает, что среди всех тиражируемых ХТС половина будет опасна для экологического состояния регаона, где будет размещена эта ХТС. Причем, с вероятностью 48 % будет превышение выбросов Юз в атмосферу по отношению к санитарным нормам.

Выводы

1. Проведена систематизация существующих методов определения надежности ХТС. В результате выбран метод, позволяющий определить технологическую вероятность работоспособности на предпроектной стадии создания ХТС, и развита методика количественных и качественных оценок работоспособности таких систем на основе элементов теории системного анализа ХТС.

2. Доказана объективность избранной методики и получено количественное значение вероятности работоспособности линии производства серной кислоты методом

двойной абсорбции и двойного контактирования из серного колчедана, равное 0.008 (0.8%).

3. Предложены, развиты и апробированы новые элементы методики исследования работоспособности ХТС, как информационно-аналитической системы, а именно:

- определено влияние на работоспособность ХТС групп внешних воздействий (колебания энергетических и сырьевых потоков на входе ХТС, неточность изготовления оборудования и влияние на работоспособность ХТС использования типового и стандартного оборудования, недостоверность научно-технической информации);

- разработан способ классификации отказов по последствиям (остановка, авария, брак и т.п.) и предложена методика расчета вероятности возникновения таких отказов.

4. Установлено, что при производстве серной кислоты на стадии обжига колчедана в печи КС-450 более вероятна ситуация при которой температура в кипящем слое упадет ниже минимально допустимой (780 °С), что приводит к снижению концентрации диоксида серы в обжиговом газе и потере серы в результате сульфатизи-рующего обжига (вероятность данного события составляет 49 %). Установлено, что при входе газа на П и IV слой катализатора контактного аппарата более вероятна ситуация при которой температура превысит максимально допустимую (470 и 435 "С соответственно), что может привести к деструкции активных комплексов катализатора. Вероятность данного события для П слоя составляет 14%, для IV -23%.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Прохоренко H.H., Кондуков Н.Б., Шовкопляс Н.Ю. Оценка работоспособности химико-технологических систем.// Химическая промышленность. 2002, №8. с. 1-10.

2. Прохоренко H.H., Кондуков Н.Б., Шовкопляс Н.Ю. Работоспособность и надежность химико-технологических систем (ХТС).//Тезисы докладов восьмой международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии». Уфа, 8-10 октября 2002.

3. Прохоренко H.H., Кондуков Н.Б, Шовкопляс Н.Ю., Литвиненко В И Работоспособность и надежность химико-технологических систем (ХТС).//Тезисы докладов Ш Всероссийского совещания «Комплексное использование попутных и пласто-

вых вод нефтяных и газовых месторождений Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции в качестве гидроминерального сырья». Ухта: УГТУ, 2003. С. 38.

Принято к исполнению 11/11/2005 Исполнено 14/11/2005

Заказ № 1219 Тираж: 100 экз.

ООО «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Варшавское ш., 36 (095)975-78-56 (095) 747-64-70 www.autoreferat.ru

Р22 8 1 4

РНБ Русский фонд

2006-4 24677

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ВЫБОР МЕТОДА ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ХТС.

1.1 Надежность аппаратов и ХТС.

1.1.1 Развитие надежности, как научно-технического направления.

1.1.2 Термины и определения. Значение надежности.

1.1.3 Основы математического аппарата теории надежности.

1.1.4 Системные методы обеспечения надежности систем.

1.1.5 Методы расчета надежности систем.

1.1.6 Методы обеспечения надежности систем.

1.1.7 Прогнозирование надежности на стадии проектирования.

1.2 Оптимизация реакторов и ХТС.

1.2.1 Алгоритм проведения оптимизации.

1.2.2 Оптимизация ХТС в целом на устойчивость работы.

1.3 Выводы.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ХТС.

2.1 Термины и определения.

2.2 Введение понятия случайности.

2.3 Место метода оценки работоспособности ХТС.

2.4 Гипотезы и предпосылки метода.

2.5 Алгоритм проведения оценки работоспособности ХТС.

2.5.1 Исходные данные.

2.5.2 Установление множества заданных параметров.

2.5.3 Упрощение технологической схемы ХТС.

2.5.4 Разработка математической модели ХТС.

2.5.5 Установление множества внешних воздействий.

2.5.6 Разработка алгоритма расчета каждого заданного параметра в зависимости от всех внешних воздействий.

2.5.7 Обоснование методики и организации численного эксперимента.

2.5.8 Проверка адекватности модели и анализ полученных результатов.

2.6 Выводы.

ГЛАВА 3. ОРГАНИЗАЦИЯ ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА.

3.1 Исходные данные.

3.1.1 Общая характеристика производства.

3.1.2 Описание технологической схемы и нормы технологического режима.

3.2 Установление множества заданных параметров.

3.3 Формализация математической модели.

3.3.1 Отделение обжига сырья и очистки обжигового газа.

3.3.2 Контактное отделение.

3.3.3 Абсорбционное отделение.

3.3.4 Теплообменная аппаратура.

3.4 Установление множества внешних воздействий.

3.5 Организация и проведение численного эксперимента.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА.

4.1 Вероятность работоспособности в зависимости от всех внешних воздействий.

4.2 Определение влияния отдельных внешних воздействий и их групп на вероятность работоспособности ХТС.

Цель представленной работы - разработать новые элементы инструментария метода оценки работоспособности химико-технологических систем (ХТС). При этом решались следующие задачи:

1. Провести систематизацию существующих методов определения надежности ХТС и выбрать метод, позволяющий определить надежность ХТС на пред-проектной стадии разработки, т.е. последней стадии системного анализа ХТС.

2. Доказать объективность выбранной методики и ее информативность.

3. Предложить, развить и апробировать предложенные элементы инструментария выбранного метода.

Для осознания необходимости проведения исследования работоспособности ХТС достаточно даже укрупнено рассмотреть положение дел в химической промышленности в эпоху ее расцвета.

В [57] приводятся данные, что химическая отрасль ни разу за всю историю существования СССР не выполнила ни годовых, ни пятилетних планов и работала примерно на 70% от своих проектных возможностей. Основная причина такого положения дел - внезапные, внеплановые остановки производства, приводящие к длительным простоям.

Там же дается анализ обстоятельств, приводящих к остановке и простою ХТС, позволяет различить их по происхождению. Оказывается, 50-75 % причин остановки и простоя производств обусловлены социально-организационными явлениями и только 25-50 % причин связаны с научно-техническими обстоятельствами разработки и создания ХТС. Именно последние и стали предметом изучения в представленной диссертации.

В интервью министра химической промышленности СССР J1.A. Костандова журналу «Химия и жизнь» на вопрос журналиста о первоочередных проблемах отрасли министр ответил: «Я назвал бы две проблемы: аппаратурное оформление химических производств и проблему качества. Очень часто мы не можем поставить на службу народному хозяйству ценные научные работы только потому, что сталкиваемся с огромными трудностями в практическом их оформлении - в виде надежно разработанной технологии и современной аппаратуры [64]. Для химии - больше, чем для какой-нибудь другой отрасли хозяйства -жизненно необходима тесная связь или, если хотите, постоянная преемственность между учеными, с одной стороны, и технологами, машиностроителями -с другой».

В работах профессора МИХМа И.Б. Жилинского [70, 75] эта же мысль была конкретизирована: «Надежность механических свойств не может полностью характеризовать качественную сторону функционирования оборудования химических производств, ибо работоспособность оборудования в данном случае определяется и характером параметров, необходимых для совершения тех или иных процессов, т.е. параметрической надежностью».

Сразу стоит отметить, что под словом «надежность» сегодня, как правило, понимается некоторое свойство объекта с позиции машиностроителя, который изучает деградационные, деструктивные процессы в деталях, узлах, элементах аппаратов (коррозия, износ, усталостные явления, вибрация, усталостные напряжения и т.д.). Здесь создан, ставший на сегодняшний день традиционным, мощный научный аппарат расчета показателей надежности элементов. Развитие этого аппарата началось в 50-е годы с работ Б.В. Гнеденко [9, 21], далее он развивался работниками школы В.В. Кафарова [24, 25, 83] и школы И.Б. Жилинского [70, 75], сейчас над ним плодотворно работает B.C. Шубин [71, 72, 75, 76].

Необходимо отметить, что существующие методы расчета надежности систем проводятся исходя из того, что показатели надежности элементов, составляющих схему заранее известны. Но такие данные не всегда доступны, а для некоторых аппаратов попросту не существуют. Также возникает вопрос, а будут ли показатели надежности для одного и того же элемента независимыми от того, в какой участок схемы он включен?

В тоже время в литературе весьма мало публикаций по проблеме технологической надежности и работоспособности химико-технологических систем, на сегодняшний день, в основном известны исследования, начатые И.Б. Жилин-ским и его коллегами в МИХМе.

Для проведения оценки работоспособности ХТС, после систематического изучения современного состояния проблемы, был выбран вариант метода, предложенный Н.Н. Прохоренко [37], позволяющий провести оценку работоспособности ХТС еще на предпроектной стадии разработки.

Для демонстрации возможностей метода и его дальнейшего развития заведомо была выбрана хорошо изученная линия производства серной кислоты методом двойного контактирования и двойной абсорбции (ДКДА) из серного колчедана, мощностью 360000 т/год мнг (моногидрата). В литературе достаточно информации по работе аналогичных производств, что позволит нам сопоставить полученные в результате исследования данные с накопленным опытом по эксплуатации существующих производств.

Например, в работе Орлова М.А. и др. [31] проведен сравнительный анализ уровня надежности однотипных производств серной кислоты из колчедана (Череповецкого химического завода, Мелеузовского химического завода, Дорогобужского завода азотных удобрений), основываясь на статистическом материале. Выявлена группа аппаратов, технический уровень которых существенно снижает надежность производства в целом. Приведены количественные показатели надежности технологических отделений и отдельных аппаратов систем. Указаны основные пути повышения надежности сернокислотного производства в целом.

В нашем же исследовании, мы намерены провести оценку работоспособности ХТС, считая, что проводим его на предпроектной стадии, следовательно, мы заранее не обладаем никакой статистической информацией.

При выполнении работы (в частности при создании программы расчета) пришлось обращаться к сторонним специалистам. В связи с этим хочется выразить благодарность Эвенчику С.Д. (ГИПРОХИМ) за предоставление проекта линии производства серной кислоты; Мишину Н.И. за неоценимую помощь в создании программы расчета вероятности работоспособности.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Р - вероятность работоспособности химико-технологической системы (ХТС);

PL - вероятность выхода расчетного значения заданного параметра за нижний предел разрешенного диапазона;

Рн - вероятность выхода расчетного значения заданного параметра за верхний предел разрешенного диапазона;

Qf*s~ теплота выделяющаяся при обжиге 1 кг колчедана, (кДж/кг); с8(выг)- степень выгорания серы; д НFeSi - теплота горения химически чистого FeS2 (кДж/кг);

- температура в кипящем слое печи без учета охлаждения (К);

1У газ - объем обжигового газа, образующегося при сгорании 1 кг колчедана, (нм3/кг); р(газ)

С,. - удельная средняя теплоемкость обжигового, (кДж/(м3*К)); lGoe - количество огарка, образовавшегося при сгорании 1 кг колчедана, (кг/кг);

Ст{ог) - удельная средняя теплоемкость огарка, ( кДж/(кг*К));

GK0JI4- количество сухого колчедана, (кг/с);

Ст{К0ЛЧ) - удельная теплоемкость колчедана, (кДж/(кг*К)); tKOJI4- температура колчедана на входе в печь, (К);

Ve - объем сухого воздуха, поступающего на обжиг колчедана (нм3/с);

Ср(В) — удельная средняя теплоемкость воздуха, входящего в печь, кДж/(м3*К)); tB— температура воздуха на входе в печь, (К); н2о~ Расход воды в охлаждающих элементах печи КС-450, (кг/с); t'H 0- температура воды на входе в охлаждающие элементы, (К);

Ст{1[ 0) — удельная средняя теплоемкость воды на входе в охлаждающие элементы, (кДж/(кг*К));

Qkc ~ тепловая нагрузка печи КС-450, (кДж/с);

V% — общий объем обжигового газа, (нм3/с); f^-температура в кипящем слое с учетом охлаждения, (К);

Gor - количество образующегося огарка (кг/с); hi ара ~ удельная энтальпия пара, (кДж/кг);

Jkc~ среднелогарифмическая разность температур в кипящем слое печи,

К);

Ккс- коэффициент теплопередачи в кипящем слое (Вт/м2*К);

Fx- поверхность охлаждающих элементов, (м2); t"H 0-температура пара на выходе из охлаждающих элементов, (К);

А - фактический выход огарка [доли от количества сухого колчедана]; сз(факт) - фактическое содержание серы в сухом колчедане, (% масс); с$(ог)~ содержание серы в огарке, (% масс); сз(выг) ~ степень выгорания серы;

С щ - содержание диоксида серы в обжиговом газе, при выходе из печи (% об;); с110- содержание кислорода в обжиговом газе, при выходе из печи (% об;); т - коэффициент избытка воздуха по отношению к стехиометрическому;

Gs - общий расход серы, содержащейся в колчедане (кг/с);

Пъ- производительность обеих печей КС-450 (т/ч, 100% H2SO4); у - степень использования серы (доли);

GH 0 - расход влаги находящейся в колчедане (кг/с); сно - содержание влаги в колчедане (%);

GS(or) - количество серы в огарке (кг/с); а - потери серы с огарком (%);

GS{BbIf) - количество выгоревшей серы (кг/с); л

VSOi<SOi - общий объем диоксида серы и триоксида серы (нм/с); VSOi - объем диоксида серы (нм /с); Vcr - объем сухого обжигового газа (нм3/с); - объем кислорода в обжиговом газе (нм3/с); 7

VNi - объем азота в обжиговом газе (нм /с); Л

VH O - объем паров воды в воздухе (нм /с); Рнго~ Давление паров воды в воздухе;

Уг з н2° - общий объем паров воды в обжиговом газе (нм /с); кнр- коэффициент, учитывающий наличие влаги после сушильного отделения; z - содержание пыли в обжиговом газе после очистки г/м3); уп- коэффициент, учитывающий разбавление газа в печном отделении; rjs- суммарный коэффициент очистки газа от пыли;

Сда2 - содержание диоксида серы в газе при входе в контактное отделение (% об;); у - коэффициент разбавления газа;

Gj - массовый расход газа, поступающего в контактно-компрессионное отделение (кг/с);

Р°газ~ плотность обжигового газа при нормальных условиях (кг/м3, плотность газа определяется его составом); кюз- коэффициент добавления воздуха к обжиговому газу; G} - массовый расход газа, с учетом разбавления воздухом, (кг/с); cso2~ массовая доля диоксида серы в газе, при поступлении на первый слой катализатора;

•с^ - массовая доля диоксида серы после первого слоя катализатора; xi -степень контактирования на первом слое катализатора; массовая доля диоксида серы в газе, при поступлении на первый слой катализатора; с'щ- начальная концентрация диоксида серы при входе на /-й слой катализатора;

С - удельная средняя теплоемкость газовой смеси, (Дж/м3*К);

Poso~ плотность диоксида серы при нормальных условиях;

Ро.-т~ плотность газовой смеси при нормальных условиях (кг/нм3): уo0N - плотность азота при нормальных условиях; р00г - плотность кислорода при нормальных условиях; c0j - концентрация кислорода в газе (% об.);

- массовая доля триоксида серы в поступающем на 7-ю ступень абсорбции газе; lxz- достигаемая степень контактирования после первой ступени контактирования; xXS0~ степень абсорбции SO3 на первой ступени абсорбции; lcso}~ массовая доля триоксида серы в газе после первой ступени абсорбции;

1ХЯ)- степень абсорбции SO2 на первой ступени абсорбции; массовая доля диоксида серы в газе после первой ступени абсорбции;

G2- количество газа, поступающего на вторую стадию контактирования (кг/с); кш.~ коэффициент, учитывающий удаление газа на стадии абсорбции; гс'ю- массовая доля триоксида серы в поступающем на П-ю ступень абсорбции газе;

- достигаемая степень контактирования после второй ступени контактирования;

2XS0 - степень абсорбции SO3 на второй ступени абсорбции; V ции; 2 массовая доля триоксида серы в газе после второй ступени абсорб

Xso! - степень абсорбции SO2 на второй ступени абсорбции; 2dso- массовая доля диоксида серы в газе после второй ступени абсорбции массовая доля диоксида серы в отходящем газе);

Q-г04(i) - тепловая нагрузка теплообменника №304(1), (Дж/с);

М Г^зо4(1) ~~ температура газа на входе в межтрубное пространство теплообменника №304(1), (К);

Tt"04{2) ~ температура газа, выходящего из трубного пространства теплообменника №304(2), (К);

MJ/"o4(i) - температура газа, выходящего из межтрубного пространство теплообменника №304(1), (К);

304(1) "" температура газа, выходящего из трубного пространства теплообменника №304(1), (К);

Д/1п304(1)— среднелогарифмическая разность температур в теплообменнике №304(1), (К);

Кт{1) — коэффициент теплопередачи для теплообменника №304(1), (Вт/(м2-К)); 2

F304(1) - поверхность теплопередачи для теплообменника №304(1), (м );

Cw{1) - удельная средняя теплоемкость, газа входящего в межтрубное пространство теплообменника №304(1) (Дж/(кг-К));

Ст{2)- удельная средняя теплоемкость, газа выходящего из межтрубного пространства теплообменника №304(1) (Дж/(кг-К));

Ст{3)- удельная средняя теплоемкость, газа входящего в трубное пространство теплообменника №304(1) (Дж/(кг-К));

Ст(4)- удельная средняя теплоемкость, газа выходящего из трубного пространства теплообменника №304(1) (Дж/(кг-К));

ТссШ{1) — коэффициент теплоотдачи для газа, проходящего в трубном прол странстве теплообменника №304(1), (Вт/(м -К);

М Т(Х2ощ) ~ коэффициент теплоотдачи для газа, проходящего в межтрубном пространстве теплообменника №304(1), (Вт/(м2-К); тМщЩ1) — критерий Нуссельта для трубного пространства теплообменника №304(1);

ГЛзо4(1) - коэффициент теплопроводности газа, находящегося в трубном пространстве теплообменника №304(1), (Вт/(м-К)); rRe304(1)- критерий Рейнольдса для трубного пространства теплообменника №304(1);

Г Ргзо4(1) ~~ критерий Прандтля, для газа проходящего в трубном пространстве теплообменника №304(1); rw304(1) - скорость газа в трубном пространстве теплообменника №304(1), (м/с);

ТPm(\) ~ плотность газа, проходящего в трубном пространстве теплообменника №304(1) при средних рабочих условиях, (кг/м3); Г//зо4(1) -коэффициент динамической вязкости газа, проходящего через трубное пространство теплообменника №304(1), (Па-с);

Г^зо4(1) ~ объемный расход газа через трубное пространство теплообменника №304(1), (м3/с);

7 fm(\) ~ площадь поперечного сечения трубного пространства теплообу менника (м ); гСт[304(1)] — удельная средняя теплоемкость газа, находящегося в трубном пространстве теплообменника №304(1), при средних рабочих условиях, (Дж/(кг-К));

M'TNu304(l) - критерий Нуссельта для межтрубного пространства теплообменника №304(1);

М7"Ло4(1) ~~ коэффициент теплопроводности газа, находящегося в трубном пространстве теплообменника №304(1), (Вт/(м-К)); м'т Re304(1) - критерий Рейнольдса для межтрубного пространства теплообменника №304(1); м'т Рг304(1) - критерий Прандтля, для газа проходящего в межтрубном пространстве теплообменника №304(1);

-Ч04(1) ~~ скорость газа в межтрубном пространстве теплообменника №304(1), (м/с);

MTPi04(i) — плотность газа, проходящего в межтрубном пространстве теплообменника №304(1) при средних рабочих условиях, (кг/м ); МГ//зо4(1) -коэффициент динамической вязкости газа, проходящего через межтрубное пространство теплообменника №304(1), (Па-с); МТ°т(\) ~ объемный расход газа через межтрубное пространство теплообменника №304(1), (м3/с);

D304(1) - наружный диаметр теплообменника №304(1); 5304(1) - шаг между трубками теплообменника №304(1);

M rQj[304(i)] - удельная средняя теплоемкость газа, находящегося в межтрубном пространстве теплообменника №304(1), при средних рабочих условиях, (Дж/(кг-К)).

выводы

1 Проведена систематизация существующих методов определения надежности ХТС. В результате выбран метод, позволяющий определить технологическую вероятность работоспособности на предпроектной стадии создания ХТС, и развита методика количественных и качественных оценок работоспособности таких систем на основе элементов теории системного анализа ХТС.

2 Доказана объективность избранной методики и получено количественное значение вероятности работоспособности линии производства серной кислоты методом двойной абсорбции и двойного контактирования из серного колчедана, равное 0.008 (0.8%).

3 Предложены, развиты и апробированы новые элементы методики исследования работоспособности ХТС, как информационно-аналитической системы, а именно:

- определено влияние на работоспособность ХТС групп внешних воздействий (колебания энергетических и сырьевых потоков на входе ХТС, неточность изготовления оборудования и влияние на работоспособность ХТС использования типового и стандартного оборудования, недостоверность научно-технической информации); разработан способ классификации отказов по последствиям (остановка, авария, брак и т.п.) и предложена методика расчета вероятности возникновения таких отказов.

4 Установлено, что при производстве серной кислоты на стадии обжига колчедана в печи КС-450 более вероятна ситуация при которой температура в кипящем слое упадет ниже минимально допустимой (780 °С), что приводит к снижению концентрации диоксида серы в обжиговом газе и потере серы в результате сульфатизирующего обжига (вероятность данного события составляет 49 %). Установлено, что при входе газа на II и IV слой катализатора контактного аппарата более вероятна ситуация при которой температура превысит максимально допустимую (470 и 435 °С соответственно), что может привести к деструкции активных комплексов катализатора. Вероятность данного события для II слоя составляет 14%, для IV - 23 %.

1. Акопов М. Г. Основы теории надежности. Ч. I. М.: МАИ, 1971. - 125 с.

2. Акопов М. Г. Показатели надежности авиационного оборудования. М.: Изд. МАИ,1995.-68 с.

3. Акопов М. Г. Показатели надежности авиационного оборудования. М.: Изд. МАИ,1996.-88 с.

4. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. М.: МЭИ, 1999. - 164 с.

5. Амелин А. Г. Производство серной кислоты. М.: Химия, 1967. - 472 с.

6. Амелин А. Г. Технология серной кислоты. М.: Химия, 1983.

7. Арис Р. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматгиз, 1959.

8. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии./ Под ред. В.Г. Айнштейна. Т. 1-2. М.: Химия, 2000. - 1760 с.

9. Методы математической теории надежности. / Под ред. Б В. Гнеденко. М.: Радио и связь, 1983.

10. Барлоу Р., Прошан Ф. Статистическая теория надежности и испытания на безотказность.-М.: Наука, 1984.

11. Барлоу Р., Прошан Ф. Математическая теория надежности. М.: Советское радио, 1969.-485с.

12. Бесков B.C., Буждан Я. М., Слинько М. Г. //Химическая промышленность. 1963. № 10.

13. Biloses О. Chemical Reactor Stability and sensibility //Am. Just. Chem. Eng. 1955. -Vol.1.,№4.-P. 513.

14. Боресков Г. К. Катализ в производстве серной кислоты. М.: Госхимиздат, 1954.

15. Борисов А. И., Видякин Н. Н. Контактное отделение сернокислотного цеха. М.: Химия, 1985. - 86 с.

16. Васильев Б.Т., Отвагина М.И. Технология серной кислоты. М.: Химия, 1985. - 385 с.

17. Всесоюзная конференция по химическим реакторам: Тез. Докл. Новосибирск, 1965. -339 с.

18. Вэйлас С. Химическая кинетика и расчеты промышленных реакторов. М.: Химия, 1967.

19. Гельперин Н. И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Т. 1. М.: Химия, 1981.

20. Гельперин Н. И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Т. 2. М.:, Химия, 1981.

21. Гнеденко Б. В., Беляев Ю. К., Соловьев А. Д. Математические методы и теории надежности. М.: Наука, 1965. - 542 с.

22. Гутер Р. С., Овчинский Б. В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов экспериментов. М.: Физматгиз, 1962.

23. Иоффе И. И., Письмен Л. М. Инженерная химия гетерогенного катализа, М.: Химия, 1965.

24. Кафаров В. В. и др. К вопросу о критерии устойчивости химических реакторов. //Процессы химической технологии. М.: Наука, 1965, с. 416-417.

25. Корте Ф. Экологическая химия, /Пер. с нем. /Под ред. Н. Б. Градовой. М.: Мир, 1997. -396 с.

26. Кроу К. и др. Математическое моделирование химических производств. М.: Мир, 1973.

27. Лопатин Е. Б., Попов В. В., Тимофеев В. С., Евстигнеева Н. Б. Оптимизация реакционных процессов./ Сообщение 1. Учет экологических показателей производства// Химическая промышоенность. 1994г.

28. Мешалкин В. П. Экспертные системы в химической технологии. М.: Химия, 1995. -368 с.

29. Нагиев М. Ф. Теория рециркуляции и повышение оптимальности химических процессов. М.: Наука, 1970.

30. Орлов М.А., Раков В.А., Фурман А.И., Мурашов Е.И. Анализ надежности производства серной кислоты из колчедана// Химическая промышленность. 1982. № 6. С. 355-357.

31. Островский Г. М., Волин Ю.М. Методы оптимизации химико-технологических схем. -М.: Химия, 1971.

32. Островский Г. М., Волин Ю.М. Методы оптимизации химических реакторов. М.: Химия, 1967. 248с.

33. Островский Г. М., Садовский А. С., Волкова А. Н. // Всесоюзная конференция по химическим реакторам. Новосибирск, 1965. С. 423.

34. Переверзев Е.С. Надежность и испытания технических систем. Киев: Наук, думка, 1990. 328с.

35. Понтрягин JI. С., Болтянский В. Г., Гамкрелидзе Р. В.,Мищенко Е. Ф. Математическая теория оптимальных процессов, Физматгиз, 1962.

36. Прохоренко Н. Н., Лекае А. В. Метод анализа работоспособности химико-технологических линий//ТОХТ. 1989. XXXIII. № 1.С. 135-139.

37. Райншке К. Модели надежности и чувствительности систем / Под ред. Б. А. Козлова. -М.: Мир, 1979.

38. Райншке К., Ушаков И. А. Оценка надежности систем с использованием графов. М.: Радио и связь, 1988. - 208с.

39. Роберте С. Динамическое программирование в процессах химической технологии и методы управления. М.: Мир, 1965.

40. Рудзин Я. А., Плуталов В. Н. Основы метрологии, точность и надежность в приборостроении. М.: Машиностроение, 1991. 304 с.

41. Слинько М. Г. //Моделирование и оптимизация каталитических реакторов. М.: Наука, 1965. С. 3-7.

42. Слинько М.Г. Моделирование и оптимизация каталитических процессов. М.: Наука, 1965.

43. Слинько М. Г., Буждан Я. М. , Бесков B.C., Емельянов И. Д. // Кинетика и катализ. -1962.№ i.e. 145.

44. Слинько М. Г., Островский Г. М., М.//Химическая промышленность. 1962. №3. С. I-4.

45. Слинько М. Г., Тюряев И. Я., Кузнецов Ю. И., М. .//Химическая промышленность. -1962. №4. С. 5-8.

46. Технико-экономические основы выбора параметров конденсационных электрических станций/ Под. ред. Стермана Л.С. М.: Высшая школа, 1970. - 279 с.

47. Ушаков И. А. Задачи оптимального резервирования и универсальная производящая функция // Техн. Кибернетика/ Изв. АН СССР. М.: 1986. № 6.

48. Ушаков И. А. Задачи расчета надежности. М.: Знание, 1981. - 95 с.

49. Ушаков И. А., Гадасин В. А. Анализ надежности структурно-сложных систем. М.: Знание, 1979.

50. Ушаков И. А., Литвак Е. И. Обобщенные показатели при исследовании сложных систем. М.: Знание, 1985.

51. С. van Heerden, Autothermic Processes // Properties and Reactor Design, Industrial and engineering chemisnry. 1953. — Vol. 45. No. 6.

52. Фелбдбаум А. А. Основы теории оптимальных автоматических систем. М.: Физмат-гиз, 1963.

53. Шор Я. Б. Статистические методы анализа и контроля качества и надежности. М.: Советское радио, 1962. - 562 с.

54. Щукин А. Н. Теория вероятностей и ее применение в инженерно-технических расчетах. М.: Сов. радио, 1974. - 126 с.

55. Эффективность и надежность сложных систем. М.: Машиностроение, 1977. - 216 с.

56. Остроумова Е.Г. Улучшение использования мощностей один из основных факторов повышения эффективности химического производства// Химическая промышленность. - 1975. №10. С.71-74.

57. Цеханский Ю.В. Совершенствование системы взаимодействия предприятий, научно-исследовательских и проектных организаций и треста «Оргхим» при освоении химических производств// Химическая промышленность. 1975. №11. С.6-9.

58. Харламов В.В., Несвижский Ф.А. Повышение надежности оборудования химических производств на этапе проектирования// Химическая промышленность. 1978. №12. С. 50-51.

59. Попов Б.Г. Оценка риска химической опасности// Химическая промышленность. -2001. №7. С.41-42.

60. Аветисов А.К., Ю.М. Волин, А.Г. Зыскин, Г.М. Островский, Ф.С. Шуб, Л.М. Родин, Ф.В. Калинченко Компьютерная методика анализа технологических параметров агрегата синтеза метанола// Химическая промышленность. 2001. №11. С.16-22.

61. Надежность и эффективность в технике /справочник в 10 т. — М.: Машиностроение, 1989. Т.6.-375 с.

62. Садыхов Д.С. Остаточный ресурс технических объектов и методы его оценки. М.: Знание, 1986. С. 51-100.

63. Костандов Л.А.// Химия и жизнь. 1967. № 10. С. 3-6.

64. Надежность в технике. Система сбора и обработки информации. Методы оценки показателей надежности в случае многократного усечения выборок/ Методические рекомендации. М.: Госстандарт, 1980. - 102 с.

65. Лейфер Л.А. Методы прогнозирования остаточного ресурса машин и их программное обеспечение. М.: Знание, 1988. С.64-116.

66. Антикайн П.А., Зыков А.К. Эксплуатационная надежность объектов котлонадзора/ Справочное издание. М.: Металлургия, 1985.

67. Методика прогнозирования остаточного ресурса безопасной эксплуатации сосудов и аппаратов по измерению параметров технического состояния// Разработчики ЦЕНТРХИММАШ, ВНИПИНЕФТЬ, 1993. 80 с.

68. Методика оценки ресурса работоспособности технологического оборудования нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств// ВНИКТИ нефтехи-моборудование. Волгоград, 1991. — 44 с.

69. Жилинский И.Б. Основы надежности и долговечности. М.: МИХМ, 1974. - 160 с.

70. Шубин B.C. Надежность оборудования химических производств: Учебное пособие. -М.: МИХМ, 1989.- 100 с.

71. Шубин B.C. Прикладная надежность химического оборудования: Учебное пособие. -Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. 296 с.

72. Александровская Л. Н., Афанасьев А. П., Лисов А. А. Совресенные методы обеспечения безотказности сложных технических систем: Учебник. М.: Логос, 2001. - 208.

73. Бусленко Н. П., Шрейдер Ю. А. Метод статистических испытаний (Монте-Карло) и его реализация на цифровых вычислительных машинах. -М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1961. 230.

74. Жилинский И.Б., Жихарев А.С., Павлов Ф.В., Терновский И.Г., Шубин B.C. Примеры решения задач по расчету надежности оборудования химических производств. Ч. 1. -М.: МИХМ, 197.-80 с.

75. Данилина JI.C., Шубин B.C. Форсирование испытания на надежность оборудования химических производств: Текст лекций. М.: МИХМ, 1989. - 48 с.

76. Шор Я.Б., Кузьмин Ф.И. Таблица для анализа и контроля надежности. М.: Советское радио, 1968.-284 с.

77. Проников А.С. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978. - 590 с.

78. Дружинин Г.В. Надежность автоматизированных производственных систем. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 480 с.

79. Рахмилевич 3.3. Испытания и эксплуатация энерготехнологического оборудования. -М.: Химия, 1981.-384 с.

80. Пешее А.Я. Основы теории ускоренных испытаний на надежность. Минск: Наука и техника, 1972.

81. Карташов Г.Д. Методы форсирования испытаний. М.: Знание, 1977. - 52 с.

82. Ахназарова C.JI., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии. — М.: Высшая школа, 1985. 326 с.

83. Северцев Н.А., Шопкин В.Г., Ярыгин Г.А. Статистическая теория подобия: надежность технических систем. М.: Наука, 1986. - 205 с.

84. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.

85. ГОСТ 17510. Надежность изделий машиностроения. Система сбора и обработки информации. Планирование наблюдений.

86. Стандарт СТ СЭВ 878. Надежность в технике. Порядок выбора номенклатуры нормируемых показателей.

87. РД РТМ 26-01-153-83. Надежность изделий химического машиностроения. Оценка надежности эффективности при проектировании. М.: НИИХИММАШ, 1983.

88. ГОСТ 14249-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. М.: Изд-во стандартов, 1989. - 62 с.

89. ГОСТ 27.302-86. Надежность в технике. Методы определения допустимого отклонения параметра технического состояния и прогнозирование остаточного ресурса составных частей агрегатов машин. М.: Изд-во стандартов, 1986. - 20 с.

90. Капур К., Ламберсон J1. Надежность и проектирование систем. М.: Мир, 1980.

91. Перри Дж. Справочник инженера-химика. Т.1. /Пер с англ. 4-го изд. Под общей ред. Н.М. Жаворонкова и П.Г. Романкова. JL: Химия, 1969. - 639 с.