Скачиваний:
26
Добавлен:
24.03.2015
Размер:
490.18 Кб
Скачать

Министерство образования Российской Федерации

Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова

Кафедра «Процессы и аппараты химической технологии».

Н.Н. Прохоренко

НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

(Методическое пособие по курсовому проектированию по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии)

Москва 2004 г.

УДК 66.011 + 66.096.5 ББК 31.3

Н.Н. Прохоренко.

www.mitht.ru/e-library

Методическое пособие по курсовому проектированию к дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии» для самостоятельной работы студентов.

М., МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2004 – с.

Утверждено Библиотечно-издательской комиссией МИТХТ им. М.В. Ломоносова в качестве учебного пособия по курсовому проектированию по дисциплине ПАХТ.

Изложена цель курсового проекта, его содержание, последовательность выполнения. Во введении предлагаются определения понятий и основы теории параметрической надежности химико-технологических систем. В основной части пособия рассматривается алгоритм разработки курсового проекта, содержание графического материала проекта.

Предназначено для самостоятельной работы студентов 3 – 4 курса всех специальностей.

Рецензенты:

К.т.н., проф. Лапшеков Г.И. (МИТХТ, кафедра «Системы управления и автоматизации химико-технологических процессов»)

©МИТХТ им. М.В. Ломоносова

Издание учебное

Прохоренко Николай Николаевич.

Методическое пособие по курсовому проектированию по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии» для самостоятельной работы студентов.

2

www.mitht.ru/e-library

Вступление.

Вусловиях рыночной экономики разработчики химико-технологических систем (далее

-ХТС) должны доказывать инвестору (заказчику) качество своей разработки-товара. Сегодня инвесторы Японии не дают кредита на создание ХТС, если вероятность работоспособности ее (определение см. ниже) меньше 0,7. И при этом сами разработчики оказываются без работы и, следовательно, без зарплаты.

Вподавляющем большинстве случаев инвесторы устраивают конкурс на необходимую ХТС, критериями отбора ХТС среди конкурентов-разработчиков являются экономические показатели (например, стоимость ХТС) и, главное, действительная годовая себестоимость продукта ХТС, рассчитанная с учетом надежности ХТС.

Владельцы промышленного капитала (т.е. ХТС) также кровно заинтересованы в высоком качестве создаваемой химической технологии, они хотят, чтобы после уплаты кредита с %-ми инвестору (кредитору) ХТС устойчиво работала в проектном режиме и, следовательно, давала стабильный доход владельцу.

Настоящее пособие предназначено для ознакомления студентов, получающих специальность химика-технолога, с основами параметрической надежности ХТС, для приобретения навыка расчета показателей качества разработки установок и технологий химической промышленности.

1.Термины и определения понятий.

1.1. Понятие «СИСТЕМА» имеет несколько определений, каждое из них отражает то или другое свойство. В химической технологии разумно следующее определение:

Системой называется совокупность взаимодействующих частей.

Здесь ударение делается на ключевом слове - взаимодействие частей. Как разбивать систему (т.е. целое) на части, в определении не указывается. Способ разбиения отдается на волю исследователя надежности ХТС. Для химических технологий (установок) естественным способом разбиения является следующий. ХТС состоит из 3-х частей: собственно химическая технология, процессы переноса массы, теплоты и количества движения в аппаратах и реакторах и собственно оборудование ХТС «в железе».

Такое разбиение соответствует исторически сложившемуся методу разработки ХТС. Первыми начинают разработку химики-технологи, далее продолжают специалисты по процессам и аппаратам химической технологии и заканчивается процесс разработки подбором оборудования, в геометрическом объеме которого будут протекать химические и фазовые превращения. Результаты всей работы собираются в документе под названием «Химико-технологический регламент на проектирование ХТС».

1.2.Качество ХТС.

ВРоссии действует ГОСТ 27. 002 - 83 под названием «Надежность в технике. Термины и определения». В этом ГОСТе определение «Качество» носит скорее литературный характер (авторам так хотелось все учесть), но главным свойством качества объявляется надежность.

1.3 .Надежность ХТС.

В соответствии с упомянутым ГОСТом

Надежностью называется работоспособность объекта во времени.

1.4.Работоспособность ХТС.

3

www.mitht.ru/e-library

В соответствии с тем же ГОСТом -

Работоспособность - состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность его выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно технической и / или конструкторской документации.

Итак, получилась цепочка определений понятий :

ХТС система качество надежность работоспособность.

Рассмотрим подробнее последнее определение. В химической промышленности заданной функцией технологических установок является годовая (квартальная или полугодовая) производительность и качество продукта (концентрация какого-то компонента, влажность, дисперсность и т.д.). Работников экономической службы химического комбината не интересует часовая или секундная производительность ХТС в т/час или м3/сек и т.д. Их интересует общее количество произведенного продукта, товара за квартал, полугодие или за год. Именно здесь проявляются внезапные, внеплановые остановки ХТС и последующие за ними простои ее. Именно здесь в себестоимость целевого продукта ХТС приходится вводить финансовые затраты на ремонт и восстановление, штрафы за испорченную экологию региона, штрафы потребителей продукции ХТС за недополученную прибыль. Простои ХТС при рыночной экономике - очень дорогое удовольствие для владельцев ХТС!

Ключевым словом в определении понятия работоспособность является слово «параметр», т.е. физико - химическая величина. Обычно, это или концентрация какого-то компонента в некотором технологическом потоке, или температура, например, катализатора, или гидродинамический параметр (например, критерий Re), или давление гдето в технологии и т.д.

Определение:

Заданным параметром ХТС называется такой параметр, на который разработчики ХТС наложили ограничение на отклонение (амплитуду) от номинального (проектного) значения.

Как правило, множество заданных параметров ХТС указано в технологическом регламенте ХТС на проектирование.

Каков источник заданных параметров? Первый источник - химики - технологи, определившие экспериментально или теоретически термодинамические и кинетические условия проведения химических и фазовых превращений сырья в целевой продукт. Второй - «процесщики», определившие гидродинамические, тепло-массообменные условия, при соблюдении которых реализуются эти превращения. Третий - специалисты по оборудованию химических производств, знающие условия длительной эксплуатации изделий химического машиностроения.

Следствие из определения понятия работоспособности:

Необходимым условием работоспособности ХТС является нахождение ВСЕХ заданных параметров в разрешенной окрестности около номинального его значения.

Иначе:

Если хоть один заданный параметр ХТС в процессе пуска или эксплуатации вышел из разрешенного диапазона около номинала, то такое состояние называется ОТКАЗОМ.

4

www.mitht.ru/e-library

Следовательно, работоспособность ХТС и отказ ее - антонимы.

Отказ ХТС совсем не означает аварию, взрыв с человеческими жертвами. Установка может вполне мирно работать, но выдавать брак или увеличить количество пыли в выхлопных газах в атмосферу, или увеличить количество вредоносных компонент в своих сточных водах и т.д.

1.5. Количественная мера работоспособности.

Практика показывает, что на всех жизненных стадиях ХТС (от пробирочных исследований до ее демонтажа) она находится в море случайных воздействий. То поставщик стал давать сырье другого качества, то энергетики поставляют энергию (водяной пар, горячую воду, электроэнергию, природный газ, мазут и т.д.) не проектного качества, то изменились погодные условия для аппаратуры, установленной на открытом воздухе - это далеко не полный перечень случайных внешних воздействий на ХТС и в режиме пуска и при эксплуатации.

Следовательно, работоспособность, как СОСТОЯНИЕ ХТС, является тоже случайным событием, и тогда количественной мерой КАЧЕСТВА ХТС естественно принять вероятность работоспособности Р. Ясно, что 0 Р 1.

Физический смысл вероятности работоспособности ХТС следует из математического понимания вероятности - это доля работоспособных ХТС среди всех тиражированных.

Экономический смысл вероятности работоспособности ХТС - мера риска инвестора в том, что в договорный срок владелец ХТС вернет всю сумму кредита с % .

Для разработчиков ХТС вероятность работоспособности их детища - мера уверенности, что найдется покупатель на их разработку, а они будут иметь хорошую зарплату в течении ближайших 3 - 4 лет.

2. Цель курсового проекта.

Определить вероятность работоспособности Р технологической системы.

Курсовой проект по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» по существу является первой студенческой попыткой собрать воедино разрозненные знания, полученные при изучении этого курса, пробой разработки технологической системы. Тем более важно сразу, с нуля приучить к контролю за качеством его деяний.

3. Блок - схема алгоритма выполнения курсового проекта.

Исходные данные (1)

Технологическая схема ХТС (2)

Установление множества заданных параметров (3)

Разработка математической модели ХТС (4)

 

 

 

 

Расчет номинальных значений параметров

 

1-ый лист проекта: технологическая

технологических потоков, габариты нестандартного

 

схема + таблица параметров потоков

5

 

 

www.mitht.ru/e-library

оборудования и выбор стандартного (5)

Установление множества внешних воздействий (6)

Разработка алгоритма расчета каждого заданного параметра при известном комплекте внешних воздействий. (7)

Разработка алгоритма расчета комплекта случайных внешних воздействий (8)

Расчет вероятности работоспособности ХТС (9)

2-ой лист графического материала

курсового проекта.

Подробное рассмотрение блоков этого алгоритма.

3.1. Исходные данные.

Руководитель представляет студенту исходные данные в виде задания целевой функции будущей ХТС (производительность по целевому продукту, качество его). Одновременно указывается тип процесса (сушка, ректификация, экстракция, выпарка и т.д.). В задании студенту подчас конкретизируются некоторые детали (если ректификация, то указывается тип распределительных тарелок, если выпарка, то указывается способ подвода теплоты, если сушка, то предлагается вести процесс в сушильном барабане или в аппарате с псевдоожиженным слоем).

3.2. Разработка технологической схемы ХТС

Технологическая схема по существу показывает последовательность переделов над сырьевым потоком, указывает расположение аппаратов, реакторов в необходимой последовательности по ходу технологического потока.

Затем студент должен озаботиться типичными проблемами технолога. Прежде всего - степенью превращения сырья в целевой продукт. Студент предлагает те или другие мероприятия по увеличению этой степени (рециклы, дополнительная переработка отходов в другой продукт - товар и т.д.) и все эти мероприятия изображает на технологической схеме.

Вторая проблема - минимизация энергопотребления. Здесь студент разрабатывает мероприятия по уменьшению энергозатрат, топлива, необходимые в технологии. Здесь ему надо стремиться к уменьшению потенциалов процессов химического и фазового превращения согласно второму закону термодинамики (температур, давления, разности концентраций реагирующих веществ).

Энергопотребление производства можно существенно уменьшить, если организовать потоки масс из мест энерговыделения через теплообменники в аппараты, где необходимо энергопотребление. Эти потоки необходимо указать на технологической схеме. В дальнейшем не забывать о теплоизоляции газоходов, трубопроводов и оборудования.

Наконец, студент - технолог должен сразу на стадии разработки технологической схемы принять меры по уменьшению или ликвидации экологического давления будущей ХТС на окружающую среду, надо заняться пыле - газовыбросами в атмосферу, сточными водами ХТС, зашумлением и вибрациями. При этом помнить, что штрафы за чрезмерное давление на природу в конце концов войдут в годовую себестоимость целевого продукта ХТС и могут сделать ее не рентабельной. Здесь студент должен предложить мероприятия

6

www.mitht.ru/e-library

для уменьшения экологической опасности разрабатываемой технологии и отразить их в технологической схеме.

При разработке технологической схемы ХТС студент обязан подумать о способах перемещения, о движении технологических потоков из передела в передел, о перемещении масс по трубопроводам, газоходам и внутри реакторов и аппаратов. Здесь придется решать вопрос о том, где и какие движители (насосы, вентиляторы, газодувки, дымососы) следует установить. Придется сразу решать вопрос о запорной и регулирующей арматуре, о расположении ее на схеме. Вспомнить, что установленные движители, как и всякие механические устройства, требуют специальных условий для своей длительной эксплуатации. Например, вентиляторы и газодувки работают при температуре потоков не более 2500С, а технологический поток должен быть без пыли во избежание эрозии крыльчаток. Насосы также не терпят высокую концентрацию твердых мелкодисперсных частиц и химическую агрессивность жидких технологических потоков. Эти обстоятельства всегда требуют существенной перестройки технологической схемы.

При разработке технологической схемы нельзя забывать о технике безопасности, т.е. о том, что ХТС не должна калечить и убивать обслуживающий персонал. В частности, все ограждающие поверхности трубопроводов, газоходов, реакторов и аппаратов не должны иметь температуру более 400С во избежание даже случайных ожогов. Аппараты с газодисперсными потоками должны быть под небольшим разряжением (10 - 15 мм. вод. ст.), чтобы не было выбросов горячих запыленных газов в рабочее помещение цеха через неизбежные неплотности, свищи и т.д. Отсюда становится понятным, где располагать вентиляторы и дымососы.

При разработке технологической схемы студент первый раз сталкивается с непримиримыми противоречиями в процессе созидания и начинает понимать, что разработать хорошую ХТС означает найти разумные компромиссы между желаниями и возможностями.

Рассмотрение, анализ типичных проблем технолога покажет студенту эволюцию технологической схемы, ее неизбежное усложнение, организацию обратных потоков масс, применение дополнительных переделов и оборудования, которые «не нужны» в технологии производства целевого продукта.

Разработку технологической схемы студент проводит под руководством консультанта кафедры, который будет задавать непривычные (и наивные с точки зрения студента) вопросы, и на которые надо реагировать изменениями и уточнениями технологической схемы.

3.3. Установление множества заданных параметров.

Студент самостоятельно, как разработчик - технолог ХТС, должен решать, какие параметры технологии определяют работоспособность его создания, сам установить разрешенные диапазоны (амплитуду) отклонения их от номинального значения.

При этом разумно пользоваться следующими правилами.

1.Чем уже разрешенный диапазон отклонения, тем меньше будет вероятность работоспособности его ХТС, тем, следовательно, хуже качество его разработки.

2.Чем больше число заданных параметров, тем меньше вероятность работоспособности, и опять-таки хуже качество создаваемой ХТС.

Например, в технологии производства керамзитового песка (наполнителя легких бетонов) технологи потребовали температуру в печи обжига 10000С с разрешенным

диапазоном 200С, т.е. 2% от номинала. И это не каприз технолога, а проявление природных свойств сырья. При всех огромных усилиях научного плана сделать эту технологию высоко качественной не удалось: максимальная вероятность работоспособности получалась не более 0,65.

7

www.mitht.ru/e-library

Другой пример. Студент делал магистрский диплом, исследуя работоспособность ХТС производства серной кислоты из серного колчедана. Анализируя технологический регламент на проектирование, он насчитал 29 заданных параметров, часть из них (температура катализатора в реакторах доокисления) имела узкие диапазоны отклонения. Вероятность работоспособности получилась равной 0,3%. Это значит, что из 1000 созданных в «железе» ХТС этого типа работоспособными будут КАКИЕ-ТО три установки. Качество разработки этой ХТС архинизкое, и жизнь подтвердила этот вывод: установка более не создается в металле, нет заказчиков - дураков.

3. Чем больше число заданных параметров, тем сложнее физико - химико - математическая модель разрабатываемой ХТС, тем труднее разработка алгоритма и программы расчета заданных параметров, а это тоже показатель низкой надежности ХТС.

3.4. Разработка математической модели.

Разработку математической модели разумно начинать с любого вида оборудования в составе ХТС, который имеет хотя бы один заданный параметр на процесс физико - химического превращения, или на процесс тепло - массообмена или гидродинамики, или из технических условий завода - изготовителя на этот вид оборудования (см. выше об источнике заданных параметров).

Математическая модель любого вида оборудования представляет из себя запись законов сохранения (и в этом и состоит естественно - научная строгость и объективность метода расчета оценки вероятности работоспособности ХТС). С другой стороны математическая модель должна быть корректной, и одно из условий корректности модели является ее замкнутость. Напомним определение замкнутости:

Математическая модель называется замкнутой, если число искомых функций (величин) равно числу уравнений.

Чтобы математическая модель этого вида оборудования была замкнутой, приходится запись законов сохранения дополнять количественной информацией об интенсивностях процессов превращений и переноса (коэффициенты тепло - массоотдачи, коэффициенты гидродинамического сопротивления, коэффициенты диффузии и кинематической вязкости и т.д.).

При разработке математической модели разумно пользоваться следующими правилами.

1.При рассмотрении конкретного вида оборудования ХТС все входные потоки и их параметры считаются известными величинами, хотя и записываются в буквенном виде. Искомыми величинами безусловно являются заданные параметры и выходные потоки с их характеристиками.

2.Все величины, представляющие из себя мировые константы, записываются в модель

численно с размерностью в системе СИ. Например, R0 = 8314 кдж / кмоль*К, g = 9,81 м / сек2 и т.д. Все искомые и те величины, которые определены с некоторой точностью записываются буквенно.

Следует проявить особую осторожность с таким понятием как физико - химическая постоянная. На самом деле эта «постоянная» зависит от всего на свете и является обычной искомой функцией, требующей своего уравнения для поиска ее величины.

3. Запрещается обозначать одну и ту же величину разными буквенными символами. Запрещается для двух разных по природе величин применять одинаковый буквенный символ. Иначе никогда не решить проблему замкнутости модели.

8

www.mitht.ru/e-library

Разумнее всего сделать отдельный лист для списка обозначений и заполнять его по мере появления какой-то новой величины. При записи в этот лист обозначений следует подробно словесно описать смысл обозначения и указать его размерность в системе СИ.

Выполнение этого правила по существу является подготовкой для проведения вычислительных работ на ЭВМ, и, главное, помогает студенту в достижении замкнутости модели.

4.После разработки математической модели любого вида оборудования следует дотошно просчитать все искомые величины и убедиться, что их сумма равна числу уравнений в модели. Это совершенно императивное требование в курсовой работе, так как совокупность всех частных замкнутых математических моделей составляет замкнутую математическую модель ВСЕЙ ХТС.

5.Если давление технологических потоков в каких-то местах технологической схемы ХТС является одной из искомых величин (или тем более - заданным параметром), то математическая модель всей ХТС замыкается гидравлической моделью ВСЕЙ ХТС. Так как монтажно - технологической схемы ХТС еще нет (это в будущем будут делать проектировщики), то длина, диаметр трубопроводов и газоходов, их повороты, сужения и внезапные расширения каналов еще не известны (а запорная и регулирующая арматура уже есть на технологической схеме). В такой ситуации приходится учитывать только гидравлику оборудования и реакторов, предусмотренных студентом в технологической схеме. Здесь же надо аппроксимировать характеристики насосов и вентиляторов, газодувок и дымососов в виде полинома с коэффициентами, которые имеют точность, определяемую в нормативной документации на указанные движители технологических потоков.

При разработке математической модели ХТС студент должен обратить внимание на следующие моменты.

1.Стремясь получить расчетный аппарат для определения величин заданных параметров, воочию видно, как лавиной увеличивается число других неизвестных величин. Это заставляет искать уравнения, позволяющие определить эти новые неизвестные величины. Практика исследования работоспособности промышленных ХТС показывает, что размерность математической модели (т.е. число искомых, неизвестных величин) на 2-а порядка больше числа заданных параметров.

2.Сами правила разработки математической модели ХТС вызваны системностью рассмотрения. Действительно, параметры выходных потоков из одного вида оборудования являются параметрами входных в соседнее оборудование согласно технологической схеме. Следовательно, возмущения в одном с усилением / ослаблением передаются в другой. Обратные связи, примененные разработчиком технологии во имя эффективности и экологической безопасности, передают возмущения ВСЕЙ ХТС снова на ее вход.

3.Наибольшую системность рассмотрения работоспособности ХТС имеет математическая модель гидравлики, здесь поневоле приходится рассматривать гидравлическое сопротивление целой совокупности аппаратов и реакторов, причем каждое из этих сопротивлений в свою очередь зависит от расходов потоков и их параметров состояния в каждом виде оборудования.

Прямым подтверждением этого вывода является тот факт, что пусковые бригады ХТС 90% времени и усилий тратят именно на гидравлику ХТС. Как только гидравлика отлажена, давления и расходы в установке стали близки к номинальным, так тепловые и массообменные процессы, химические превращения в ХТС начинают «работать» автоматически.

3.5. Расчет номинальных значений параметров технологических потоков, габаритов нестандартного оборудования и выбор стандартного.

9

www.mitht.ru/e-library

Подавляющее большинство студентов МИТХТ им. М.В. Ломоносова до сих пор делают эти расчеты по старинке, вручную, используя калькуляторы. В данном курсовом проекте, целью которого является получение величины вероятности работоспособности ХТС, разумно сразу разработать алгоритм и программу расчета указанных величин на ЭВМ. Дело в том, что большие куски и блоки этой программы будут использованы в дальнейшей работе. Исполнение этого пункта предполагает обычную рутинную счетную работу, в которой студент должен продемонстрировать навыки работы с персональным компьютером в режиме пользователя.

Закончить выполнение этого пункта необходимо таблицей параметров потоков в технологической схеме разрабатываемой ХТС. В целом этот этап разработки курсового проекта фиксируется графической работой на листе ватмана формата А, где изображается сама технологическая схема, символические контуры оборудования и пронумерованные технологические потоки из аппарата в аппарат.

В самом низу чертежа с технологической схемой левее штампа расположить таблицу параметров технологической установки в следующем виде.

Таблица параметров технологических потоков.

Наименование, физ смысл

Обозначения

Размерность

1

2

3

4

...

 

 

в мат. модели

 

 

 

 

 

 

1

Массовый расход потока

G1

кг/сек

15

0,5

30

20

...

2

Объемный расход потока

V1

нм3/сек

20

2,0

50

130

...

3

Температура

Т

К

293

393

-

523

...

4

Влажность потока

W

кг Н2О/кг см

-

0,03

-

-

...

5

Запыленность потока

П

кг пыли/кг

-

-

0,02

-

...

 

 

 

газа

 

 

 

 

 

6

Давление

Р

н/м2 105

2

-

-

1,2

...

В эту таблицу заносятся те величины, которые рассчитал сам студент или литературные данные о процессе. Перечень наименований во втором столбце таблицы не строго определен, а зависит от разрабатываемой ХТС.

3.7. Установление множества внешних воздействий.

Все величины, входящие в математическую модель (см. п. 4), можно разделить на две группы, на два множества. К первой относятся искомые величины, в том числе и заданные параметры. Ко второй - все остальные. По существу это те величины, которые известны заранее, по постановке задачи, но известны с какой-то точностью, с каким-то разбросом около среднего, номинального, проектного значения. Вот они то и являются элементами множества внешних возмущений, воздействий на ХТС. Именно эта неточность, отклонение, этот разброс около неизвестного истинного значения величин второй группы и является возмущением ХТС, именно они заставляют заданные параметры ХТС выходить за разрешенный диапазон отклонения и приводить ХТС в состояние отказа.

Для всех ХТС множество внешних воздействий оказалось возможным разбить на три непересекающиеся группы.

1. Сырьевые и энергетические потоки на входе в ХТС.

На практике колеблются массовые потоки сырья, концентрации компонент в них, их влажность, дисперсный состав сырья. Здесь же может измениться давление греющего пара или его температуры, т.к. что-то случилось в котельной или в паровой сети завода, то переключили природный газ с Бухарского на Тюменский, то привезли не тот мазут для печей ХТС, то «прыгает» напряжение или частота тока в силовой электросети завода, то

10

www.mitht.ru/e-library

Соседние файлы в предмете Процессы и аппараты химической технологии