книги / Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза

Глава 2. Системные закономерности в технологии...

81

Рис. 2.7. Зависимость затрат

от надежности:

S3 —эксплуатационные затраты;

5 - затраты на разработку

Так как надежность значительно сказывается на эффективности работы установок или. всего производства, то уже на стадии проек­ тирования необходимо рассчитывать и учитывать в проекте надеж­ ность работы с учетом оптимальных режимов эксплуатации в раз­ личных условиях.

Расчет надежности и эффективности производства при про­ ектировании дает возможность заранее выявить наиболее надежное оборудование, разработать мероприятия по обеспечению требуемой надежности, выбрать оптимальный (с точки зрения надежности) вариант технологической схемы и оборудования.

Таким образом, мероприятия по обеспечению надежности лю­ бых установок должны закладываться прежде всего на стадии про­ ектирования, затем обеспечиваться при изготовлении оборудова­ ния и его монтаже, а также при эксплуатации.

Для определения надежности существуют как теоретические методы расчета, так и рабочие методики. Именно на основе таких расчетов вырабатываются практические мероприятия по повыше­ нию надежности работы как отдельных элементов технологических установок, так и их работы в целом.

На раннем этапе проектирования необходимо применять та­ кую методику оценки и расчета ожидаемой надежности, которая позволит работать с минимумом исходных данных, даст достовер­ ные результаты, позволит рассмотреть и сравнить нужное, но огра­ ниченное число вариантов технологических схем производства.

Среди математических методов встречаются методы расчета на­ дежности отдельных аппаратов и машин, целых установок и, нако­ нец, технологических процессов или производства.

На начальной стадии проектирования чаще всего используются рабочие методики, основанные на простых моделях, или элемен­ тарные методики расчета надежности, исходящие из предположе­ ния о самостоятельности отдельных элементов. Отказом элемента при такой методике считается всякое показание его параметров, вы­

82 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

ходящее за пределы заданных технологических или других условий. Однако предварительно необходимо выяснить допустимость при­ меняемых ограничений и оценить достоверность получаемых ре­ зультатов.

Как уже отмечалось, в теоретических методах расчета надеж­ ности наиболее широкое распространение получили методики рас­ чета по элементам. При этом функциональные зависимости и па­ раметры, характеризующие надежность работы отдельного элемента, например одного аппарата, могут быть выражены следу­ ющими формулами:

для частоты отказов:

fit) = dq(t)/dt = -dPit)/dt;	2.57
для интенсивности отказов:
Щ = [1/ т \ [dq(t)/dt\ = -\\/P{t)] [dP{t)/dt];	2.58
для среднего времени безотказной работы:
tcp=]t-f{t)dt,	2.59

о

где Р —вероятность безотказной работы элемента (подсистемы), системы: q - вероятность отказа элемента (подсистемы), системы.

Эти формулы применимы к системам с любым числом эле­ ментов и произвольным их отношением.

Если известно аналитическое выражение для вероятности безот­ казной работы (вероятности отказа) Q некоторой системы, опреде­ ленное через вероятности безотказной работы составляющих ее эле­ ментов qPто справедливы следующие уравнения:

для частоты отказов:

F (l)= '£ aQ ldq,fl( t y ± d P / d P ,f ,{ t ) ’				2.60
(=1		/=1
где Р1.—вероятность безотказной работы элемента;
для интенсивности отказов:
A i t ^ l / P 'Z d P / d P J i t ) ;				2.61
	Р
для среднего времени безотказной работы:
T ,,= j< F (0 rfr = i J t f ( ' ) §			£ ‘*	2.62
о	/=1 0	°	r i

Эти выражения справедливы, если все элементы системы тож­ дественны по надежности, т. е. Р. = 0.

Глава 2. Системные закономерности в технологии ...

83

Расчеты надежности сложных технологических систем с ис­ пользованием хорошей математической модели на стадии про­ ектирования позволяют сопоставить количественные показатели надежности системы, полученные расчетным путем, с заданны­ ми и своевременно внести соответствующие коррективы, позво­ ляющие увеличить надежность. При этом необходимо иметь в виду, что только системный подход при рассмотрении всех ха­ рактеристик, в том числе и надежности, позволит найти целесо­ образные решения, так как многие из них зачастую являются про­ тиворечивыми. Например, имеется противоречие между обеспе­ чением высокой надежности и снижением затрат на изготовле­ ние и функционирование системы. Системный подход и здесь позволяет найти правильную взаимосвязь различных характери­ стик как отдельных элементов, так и всего технологического ком­ плекса. Одним из самых важных вопросов, ответ на который мо­ жет быть получен только при системном рассмотрении техноло­ гического комплекса с применением математических методов уже на этапе проектирования, является определение требований по надежности как отдельных аппаратов, так и всей технологической установки. Тем более что оценка эффективности системы в це­ лом обязательно включает учет надежности как отдельных состав­ ных частей, так и всей системы.

Вероятность безотказной работы или отказа системы является функцией вероятностей безотказной работы или отказа входящих в систему элементов, например:

P= fl[Pl(t),P2(t),...,Pn(t)],

Q = f 2[ql(t), q2( t ) , - , ^(01-

Взаимосвязь функций для отдельных элементов может быть раз­ ной. В частности, вероятность безотказной работы или функция надежности системы, состоящей из п произвольно соединенных элементов, может быть выражена в виде полинома:

P = Y a,P{n-

2.63

/=1

В случае независимого влияния отдельных элементов (ап­ паратов, машин и т.д.) на работоспособность установки схема структурных надежных отношений представляется в виде по­ следовательного соединения элементов. Если же элементы влияют

84 Часть /. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

друг на друга, то схема структурных надежных отношений будет параллельной или смешанной.

Графическая схема структурных надежных отношений имеет вид последовательного соединения, если отказ каждого из элемен­ тов приводит к отказу всей системы. В этом случае вероятность без­ отказной работы системы определяется произведением вероятнос­ тей безотказной работы элементов:

^ 0 = П ^ ( ' ) = | Д ( ' ) Т -	2.64
<=|

Если отказ элемента не приводит к отказу системы, то в схеме структурных надежных отношен™ этот элемент включается парал­ лельно, а при вычислении надежности системы перемножаются ве­ роятности отказов параллельных элементов и полученное произ­ ведение вычитается из единицы:

2.65

При некоторых допущениях в расчетах требуемые надежности отдельных видов оборудования системы для последовательного и параллельного соединений могут быть выражены, соответствен­ но, следующим образом:

	рщ C h J T J F T
5 *	I II	I

2.66

2.67

Для расчета норм надежности исходными данными являются: технологическая схема установки, требуемый показатель надежно­ сти установки, схема структурных надежностных отношений, ко­ личество элементов установки (аппаратов, машин и т.д.), требуе­ мое время ее непрерывной работы.

Надежность работы элементов не всегда удобно характери­ зовать вероятностью безотказной работы, так как для малых пе­ риодов времени работы элементов значения Р (t) будут близ­ кими к единице. В этом случае лучше использовать интен­ сивность отказов, которая характеризует плотность вероятности появления отказа отдельно взятого элемента. Она определяется количеством отказов njomic в единицу времени At , отнесенных к количеству исправно работающих в данный момент однотип­

ных элементов N ,7т. е.

ЭЛ

Глава 2. Системные закономерности в технологии...	85
*■= » ,„ /( * „ ДО.	2.68

Вероятность безотказной работы связана с интенсивностью от­ казов следующим соотношением:

2.69

Статистическое определение функции X(t) для отдельных эле­ ментов и системы в целом характеризуется кривой, представленной на рис. 2.8.

X

Рис. 2.8. Изменение интен­
сивности отказов системы	О
в течение срока службы

Первый участок повышенной интенсивности отказов харак­ теризует период, отказы в котором возникают главным образом в результате скрытых неисправностей, допущенных при проекти­ ровании, нарушении технологии изготовления системы или свя­ занных с трудностями освоения производства. Наиболее длитель­ ное время система эксплуатируется в нормальных условиях (учас­ ток II). Именно этот период работы системы принимается во вни­ мание при расчете надежности в процессе проектирования. Участок III характеризует период увеличения интенсивности от­ казов вследствие износа оборудования и его старения.

Таким образом, для нормального периода эксплуатации ха­ рактерен экспоненциальный закон интенсивности появления от­ казов и при ориентировочном расчете надежности системы можно принять, что надежность каждого элемента выражается следующим образом:

P (-V )-

2.70

Поскольку производства 0 0 и НХС чрезвычайно сложны, то представляется целесообразным оценивать параметрическую надеж­ ность при проектировании установок методом статистических ис­ пытаний. Этот метод позволяет решать задачи практически любой сложности, так как в этом случае не требуется знать законы распре­

86 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

деления определяющих параметров системы. Необходимо знать толь­ ко статистические характеристики изменений параметров элемен­ тов в процессе эксплуатации и учитывать все характеристики обору­ дования и процессов, влияющих на надежность работы установки.

На старение оборудования и увеличение числа отказов большое влияние оказывают агрессивность среды, рабочие температуры, ка­ чество материала и изготовления аппаратуры и другие факторы. При обработке статистических данных можно определить поправочный коэффициент и ввести его в формулу интенсивности отказов:

К	= К,К К К	К	К к	,	2.71
у,р	t к р	м XI	п	н5

где Кур~ поправочный коэффициент, учитывающий условия работы; Kt- температурный коэффициент; Кк- коэффициент, учитывающий качест­ во материала и изготовления аппарата; Кр- коэффициент, учитывающий точность расчета оборудования; Км- коэффициент, учитывающий ослаб­ ление конструкции вследствие появления местных напряжений; Кхк —ко­ эффициент, учитывающий коррозионное влияние среды; Кп—коэффици­ ент, зависящий от прочности материала; Кн- коэффициент неучтенных факторов.

Как было показано ранее, экономическая эффективность ме­ роприятий по повышению надежности работы установки тесно связана с качеством продукции. Чтобы учесть изменения качест­ ва продукции при определении оптимального уровня надежности, применяют такие экономические показатели, как прибыль, рен­ табельность и др. Кривые зависимости стоимости от надежности изображены на рис. 2.9. Определение оптимального значения на­ дежности осуществляется нахождением максимума критерия эф­

фективности Э .
~	опт

Рис. 2.9. Зависимость составляющих стоимости от надежности:

С— показатель стоимости реализации; Э —критерий эф ф ективности объекта

впроцессе эксплуатации с учетом приведенны х затрат

Глава 2. Системные закономерности в технологии...

87

Таким образом, с точки зрения надежности работу системы

иее элементов можно разбить на три этапа:

♦первый этап - период пуска установки, цеха или производства.

Вэтот период надежность не очень высокая, главным образом, из-за ошибок, допущенных при проектировании и монтаже ус­ тановок, недостаточно высокого качества поставляемого обо­ рудования (прежде всего механического); ошибок в техно­ логических параметрах ведения процесса и просчетов, допускаемых обслуживающим персоналом, недостаточных экс­ плуатационных качеств внешних систем (энергообеспечения, сырьевого обеспечения и т.д.);

♦второй этап - период нормальной работы. В этот период на­ дежность является самой высокой. При этом количество не­ поладок и отказов является практически постоянной или уменьшающейся величиной;

♦третий период - период износа. В этот период надежность рез­ ко уменьшается, так как количество отказов и неполадок рез­ ко увеличивается из-за старения аппаратов, машин и вспомо­ гательных коммуникаций. При этом замена устаревших элементов не повышает значительно надежность, так как по­ являются трудности первого этапа.

Поэтому очень важно знать, по крайней мере с определенной точностью, продолжительность этих периодов (особенно конец пер­ вого и начало второго), чтобы провести профилактический ремонт отдельных элементов. Это необходимо знать и для проведения ка­ питального ремонта всего оборудования.

Наиболее типичные технологические причины отказов обо­ рудования следующие: дефекты конструкционных материалов, кор­ розия, механические поломки, загрязнения и др.

Следовательно, учитывая многотоннажность производств ос­ новного органического и нефтехимического синтеза, использую­ щих установки большой единичной мощности, каждая остановка производства приводит к значительным и невосполнимым поте­ рям целевого продукта, а следовательно, к ухудшению технико­ экономических показателей производства.

Кроме того, частые непредвиденные остановки предприятия или отдельных узлов могут приводить к загрязнению окружающей среды.

В связи с этим, на всех стадиях создания, пуска и эксплуатации производства должны обеспечиваться:

88 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

Оповышенный контроль за высококачественным изготовлени­ ем и монтажом оборудования вообще и в особенности обору­

дования, устанавливаемого без резерва;

©исключение простоев из-за неправильного ведения процесса и его контроля обслуживающим персоналом. Здесь желатель­ но применение для контроля ЭВМ, что возможно, однако, при нормально протекающем, отлаженном процессе;

©привлечение к пуску производства наиболее высококвалифи­ цированных специалистов с целью быстрого и безболезненно­ го отлаживания процесса.

ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ СИСТЕМЫ

Показатели, характеризующие работу отдельных элементов или комплексов и всего технологического объекта, могут быть оп­ ределены:

<$> путем обработки данных натурного эксперимента; <$> методом моделирования функционирования сложных систем

на компьютере;

сочетанием этих методов.

При разработке технологии производства продуктов основного органического и нефтехимического синтеза и его проектировании,

впринципе, могут использоваться все эти способы.

Внастоящее время проверку работоспособности отдельных уз­ лов производства или его отдельных элементов и комплексов при­ нято проводить экспериментально, по крайней мере, в лаборатор­ ных условиях.

Экспериментальная проверка работоспособности предложен­ ной технологии практически целесообразна при следующих ус­ ловиях:

Осистема допускает такое изменение режимов функционирова­ ния, которое обеспечивает решение поставленных перед экс­

периментатором задач;

©имеется возможность фиксации всей необходимой информа­ ции без чрезмерно больших затрат на датчики и накопители информации;

©фиксация и статистическая обработка информации в реальном времени позволяет в практически приемлемые сроки накопить данные для решения задач исследования;

Глава2. Системные закономерности в технологии...

89

Оизменение режимов функционирования оборудования, свя­ занное с проведением экспериментов, не приводит к значи­ тельным потерям, авариям и другим нежелательным послед­ ствиям.

Учитывая все эти факторы, желательно всю информацию для дальнейшего использования вычислительных систем получить экспериментальным путем, главным образом, на лабораторных установках, требующих минимальных затрат времени и средств.

Таким образом, необходимые параметры для отдельных ап­ паратов или их комплексов можно получить, сочетая эксперимент с математическим моделированием. В связи с этим важно точно оп­ ределить, на какие подсистемы делится рассматриваемая техноло­ гическая схема, представляющая сложную систему.

Глава 3. Т е х н о л о г и ч е с к о е о ф о р м л е н и е

РЕАКТО РН Ы Х ПО Д СИ СТЕМ

ЕКлассификация химических реакций.

ЕКлассификация процессов.

ВКлассификация реакторных устройств.

ВВыбор реакторных устройств.

ЕПути интенсификации работы реакторных устройств.

Втехнологии основного органического и нефтехимического син­ теза, как практически и в любой химической технологии, одной из основных является подсистема, включающая реактор. Химический реактор - это аппарат, в котором осуществляются химические реак­ ции с целью получения необходимых веществ в условиях технологи­ ческого процесса. Основными показателями процессов, протекаю­ щих в реакторе, являются конверсия реагентов, выход продуктов

иселективность химического процесса.

Вподсистему помимо реактора могут входить и другие аппара­ ты: теплообменники для подогрева или охлаждения сырья и продук­ тов реакций, отвода или подвода тепла к реактору, пылеуловители для отделения катализаторной пыли, циркуляционные насосы и др.

Так как в производствах основного органического и нефте­ химического синтеза применяются аппараты большой единичной мощности, использование теплоты химических реакций и, наобо­ рот, минимизация подвода тепла для осуществления реакций пред­ ставляют важную задачу. В связи с этим такие производства часто реализуются как энергохимические комплексы. Во многих случаях теплота реакций используется для получения водяного пара, при этом реактор выполняет одновременно роль котла-утилизатора. Получен­ ный пар может быть использован для различных целей.

Однако основная задача рассматриваемой подсистемы за­ ключается в достижении оптимальных конверсии сырья и се­ лективности химического процесса. Для этого необходимо не только правильно выбрать все значения параметров процесса, про­ текающего в реакторе, но и провести его строго в этих условиях. Следовательно, необходимо знать основные факторы, влияющие как на скорость и пути химического превращения исходных ве­