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

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 хозяйстважизненно необходима тесная связь или, если хотите, постоянная преемственность между учеными, с одной стороны, и технологами, машиностроителямис 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 360 000 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 кислотыМишину 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 серыд 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);

Ккскоэффициент теплопередачи в кипящем слое (Вт/м2*К);

Fxповерхность 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);

Пъпроизводительность 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.

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) — кнркоэффициент, учитывающий наличие влаги после сушильного отделенияz — содержание пыли в обжиговом газе после очистки г/м3) — упкоэффициент, учитывающий разбавление газа в печном отделенииrjsсуммарный 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) — кюзкоэффициент добавления воздуха к обжиговому газуG} - 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 катализатораxiстепень контактирования на первом слое катализаторамассовая доля диоксида серы в газе, при поступлении на первый слой катализаторас’щначальная 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 условияхр00г — плотность кислорода при нормальных условияхc0j — концентрация кислорода в газе (% об.);

— массовая доля триоксида серы в поступающем на 7-ю ступень абсорбции газеlxzдостигаемая степень контактирования после первой ступени контактированияxXS0~ степень абсорбции SO3 на первой ступени абсорбцииlcso}~ массовая доля триоксида серы в газе после первой ступени абсорбции;

1ХЯ) — степень абсорбции SO2 на первой ступени абсорбциимассовая 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 абсорбциигс’юмассовая 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 абсорбцииV ции- 2 массовая доля триоксида серы в газе после второй ступени абсорб.

Xso! — степень абсорбции SO2 на второй ступени абсорбции- 2dsoмассовая 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/(мК);

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 °C соответственно), что может привести к деструкции активных комплексов катализатора. Вероятность данного события для II слоя составляет 14%, для IV — 23%.