CC BY
7
УДК 504.06:62-784.43:537.523.9 Ефимов А.Е., Бубнов А.Г.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТИ БЕЗОТКАЗНОЙ РАБОТЫ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА ПРИ ОЧИСТКЕ ВОЗДУХА ОТ ПАРОВ МУРАВЬИНОЙ КИСЛОТЫ
Ефимов Артём Евгеньевич - аспирант 1 -го года обучения кафедры промышленной экологии; [email protected].
Бубнов Андрей Германович - доктор химических наук, доцент, профессор кафедры промышленной экологии; ФГБОУ ВО «Ивановский государственный химико-технологический университет», Россия, Иваново, 153000, проспект Шереметевский, дом 7.
В статье установлено отсутствие данных и универсального способа получения данных по надёжности плазмохимических реакторов. Предложен подход для оценки вероятности снижения очистки от паров муравьиной кислоты при использовании системы, включающей реактор с диэлектрическим барьером. Рассмотрены преимущества и недостатки предложенного подхода.
Ключевые слова: летучие органические соединения, муравьиная кислота, показатели надёжности, диэлектрический барьерный разряд, степень превращения, наработка на отказ, вероятность отказа.
NO-FAILURE OPERATION PROBABILITY DETERMINATION OF PLASMACHEMICAL REACTOR AT AIR PURIFICATION FROM FORMIC ACID VAPORS
Efimov А.Е., Bubnov A.G.
Ivanovo State University of Chemistry and Technology, Ivanovo, Russian Federation
In the article is established the lack of data and universal method of data obtaining on reliability ofplasma-chemical reactors. It is suggested an approach for treatment reduction probability assessment from formic acid vapors at using of system including reactor with dielectric barrier. It is considered some advantages and disadvantages of the proposed approach.
Key words: volatile organic compounds, formic acid, reliability indicators, dielectric barrier discharge, conversion degree, mean time between failures, failure probability.
Среди существующих и перспективных способов очистки отходящих газов, содержащих низкие концентрации летучих органических соединений (ЛОС), подходы, основанные на применении неравновесной плазмы (в частности, реакторы с диэлектрическим барьерным разрядом (ДБР)), являются наиболее целесообразными, с точки зрения экологической эффективности (в т.ч. и степени очистки, и углеродного следа). В последнем десятилетии предпринимались попытки применения систем с реакторами ДБР для очистки воздуха от различных загрязнителей [1] - [3]. Однако, без данных по надёжностным харктеристикам реакторов-ячеек с ДБР сложно, особенно на стадии проектирования, произвести оценку уровня безотказности (например, частоты отказов), а также вывить финансовые затраты на простой и устранение нарушенной работоспособности («на восстановление работоспособного состояния»). Кроме того, в настоящее время, отсутствует универсальный способ (нормативный) получения данных по надёжности для реакторов с ДБР при очистке воздуха. Благодаря существованию перечисленных проблем тема исследования является актуальной.
В связи с этим, целью работы являлось обоснование выявление подхода к определению вероятности снижения степени очистки (т.е. «отказа») реактора/системы с ДБР при удалении из воздуха паров муравьиной кислоты (МК, типичного представителя ЛОС).
Ранее в работе [4], на основе проведённого анализа литературы и нормативных документов
нами выделена методика с применением критерия относительной общей пользы (W), учитывающая, такие показатели как, вероятность отказа очистного оборудования (или снижения степени очистки) возникновения аварии, риск и возможный ущерб. Применяемый нами параметр для выявления приоритетного очистного оборудования, именуемый относительной общей пользой, может быть оценён по формуле (1):
№ = — (1) с+в
где: V - величина предотвращённого ущерба (V = Увпр, руб. - оценка величины предотвращённого экологического ущерба от загрязнения атмосферы при установке очистного оборудования);
G - затраты на предотвращение и снижение уровня техногенного риска (эксплуатационные затраты на работу систем очистки), руб.;
B - уровень техногенного риска, руб., который можно интерпретировать как математическое ожидание ущерба от риска снижения уровня очистки ниже допустимого.
Уровень техногенного риска (В) в стоимостном выражении рассчитывался следующим образом:
В = ф х 7 + П (2) где: Q - вероятность выхода из строя оборудования и/или снижения степени очистки; 1 -вред, причинённый атмосферному воздуху, как компоненту природной среды, руб. при отказе системы очистки; Прег - платежи при регламентной работе оборудования, руб.
Оценки Ж проведённые ранее по формуле (1) показали [4], что при выборе очистного оборудования от паров МК (2,52 т/год, которые образуются в результате переработки 960 т/год пластических масс в России) наилучшим является адсорбционный метод (см. Таблица 1), при этом оценка величины В показала её незначительность (3 руб./год), тогда как как вероятность снижения требуемого уровня очистки может достигать 1,3 10-3 год-1.
Таблица 1. Итоговые данные расчётов по очистке
воздуха от паров МК
Метод очистки Ж
Адсорбция 0,017
Реактор с ДБР 0,007
Катализ 0,012
Таким образом, в [4] была продемонстрирована важность определения показателя вероятности отказа с точки зрения обоснования выбора систем очистки воздуха. Однако, приведённый показатель является самостоятельным, поскольку в ГОСТ Р 27.013-2019 [5] рекомендуется его применения для оценки безотказности и ремонтопригодности.
Предлагаемый нами подход для оценки снижения степени очистки, как и в случае Ж, основан на определении коэффициента готовности (Кг), который также является комплексным показателем безотказности и ремонтопригодности. Последний учитывает влияние всех элементов системы очистки, которые взаимосвязаны с основным реактором. Кроме того, для оценки вероятности в качестве основы нами предложено использование фактических надёжностных характеристик реактора с ДБР.
В действительности, для оценки вероятности отказа ((, т.е. снижения степени очистки) реактора с ДБР, которая входит с расчётную формулу для предварительной оценки В, нами использовались наработка на отказ (То = 3000 ч) и время восстановления (Тв = 24 ч) для реакторов-озонаторов [6] (поскольку аналогичные данные для реакторов-ячеек ДБР по перечисленным параметрам отсутствуют в нормативной документации и технической литературе). Так как реакторы с диэлектрическим барьером функционально отличаются от озонаторов (присутствием поллютанта в газовой фазе), то существует и различие в надёжностных характеристиках (в частности, То и Тв). Поэтому, на основе экспериментальных данных, полученных при очистке парогазовой смести от паров МК, загрязняющих воздух (газ-носитель), был проведена оценка вероятности снижения очистки. Исходные концентрации паров МК без использования ДБР составляли 840 и 601 мг/м3. Подобранные концентрации МК соответствовали диапазону концентраций карбоновых кислот, содержащихся в выбросах при изготовлении и переработке изделий из полимерных материалов [7].
В оценках учитывали то факт, что То наступает, когда степень превращения анализируемых вещества (паров МК) на выходе из реактора должна быть не ниже 90 %, а среднее время восстановления - время, затрачиваемое на разборку, очистку внутреннего неизолированного (внутреннего) электрода (в реакторе-ячейке ДБР, выполненного из А1), сушку и сборку реактора.
Оценим вероятность снижения степени очистки (выхода из строя) системы с ДБР при очистке воздуха от МК (в течение 1 года). Для этого построим структурную схему надёжности функционирования аппарата для очистки воздуха с последовательным соединением:
Рг - система подачи воздуха (расходомер), Р2 -система питания, Р3 - внешняя оболочка реактора с ДБР (изолятор - стекло), Р4 - система генерации активных частиц в ДБР.
1. Расчёт отказа системы при контроле количества воздуха (отказ расходомера): X = 2,18 • 10-2 год-1. Зная интенсивность отказа [8] для основного распределения вероятность отказа составит Рг = е-Х = е-00218 1 = 0,97843.
2. Расчёт отказа системы питания: X = 1 • 10-6 год-1. По интенсивности отказов [9] вероятность безотказной работы Р2 = е-х = е-0000001 1= 0,99 9 99.
3. Расчёт отказа корпуса ячейки ДБР: X = 0,96 • 10-2 год-1. При интенсивности отказа [10] вероятность безотказной работы Рз = е-Х* = е-0 0096 1 = 0,99044.
4. Расчёт отказа системы генерации активных частиц в ДБР. Чтобы определить вероятность отказа разрядного устройства, воспользуемся Таблицей 2.
Таблица 2. Надёжностные характеристики реактора ДБР при очистке воздуха от паров
муравьиной кислоты
Показатели Со, мг/м3
Со = 830 ± 4 Со = 600 ± 3
Время наработки на отказ (То), мин 165 360
Время восстановления (Тв), мин 13 13
Коэффициент готовности (Кг) 0,927 0,96
Вероятность безотказной работы системы (Р) 0,898 0,935
Вероятность отказа системы () 0,101 0,064
Робщ. (для Со = 830) = Рг • Р2 • Рз • Р4(К) = = 0,97843 • 0,99999 • 0,99044 • 0,92696 = 0,89828 Ообщ = 1 - Робщ = 1 - 0,89828 = 0,10171.
Преймуществом предлагаемого подхода для оценки Qo6ui является возможность определять вероятность снижения очистки системы (или отказа) для единичного устройства (P4), в то время как вероятность безотказной работы на основе показательного распределения наработки на отказ применима только к количеству устройств, больше 1. К недостаткам можно отнести заниженные значения величины вероятности отказа в сравнении с экспоненциальным распределением величины наработки на отказ.
Таким образом, предложен подход для оценки значений вероятности отказа систем с реакторами-ячейками ДБР, которые позволяют прогнозировать параметры безопасного и эффективного функционирования промышленных реакторов с диэлектрическим барьером.
Список литературы
1. Takanori Mizushima. Tubular membrane-like catalysts for the oxidative decomposition of low-concentrated toluene in air by periodic short-term plasma discharge / Takanori Mizushima, Tran Thi Cam Thach, Woo Jie Wen, Hironobu Ohkita // Plasma Chemistry and Plasma Processing. 2021. № 41, P. 607 - 917.
2. Hongbo Zhang. Enhancement of styrene removal using a novel double-tube dielectric barrier discharge (DDBD) reactor / Hongbo Zhang, Kan Li, Chenhua Shu, Ziyang Lou, Tonghua Sun, Jinping Jia] // Chemical Engineering Journal. 2014. № 256. P. 107-118.
3. Karatum O.A. Comparative study of dilute VOCs treatment in a non-thermal plasma reactor / O.A. Karatum, M.A. Deshusses // Chemical Engineering Journal. 2016. № 294. P. 308-315.
4. Тюленева, О. С. Показатель для выбора систем очистки отходящих газов от критериальных
поллютантов / О. С. Тюленева, А. Е. Ефимов, А. Г. Бубнов // Пожарная и аварийная безопасность: сборник материалов XVI Международной научно-практической конференции, посвященной проведению в Российской Федерации Года науки и технологий в 2021 году и 55-летию учебного заведения Иваново, 10-11 ноября 2021 года. -Иваново: ФГБОУ ВО «Ивановская пожарно-спасательная академия Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий», 2021. С. 486-492.
5. ГОСТ Р 27.013-2019 (МЭК 62308:2006) Надёжность в технике. Методы оценки показателей безотказности. М.: Стандартинформ, 2019. 46 с.
6. Озонатор воздуха РИОС-10(20,40,60,80,100,120)-0,5М-1 (2) паспорт БГНК.346896.002 ПС [Электронный ресурс]. URL.: http://www.ptso.ru/i/useruploads/files/rios_10_02.pdf (дата обращения: 21.05.22).
7. Артёмов А.В. Расчётные методы определения загрязняющих веществ в атмосфере от предприятий по производству и переработке полимерных материалов: Метод. указ. для самост. работ / А.В. Артёмов. Екатеринбург: УГЛТУ, 2013. 35 с.
8. Абросимов А.А. Экология переработки углеводородных систем. М.: Химия, 2002. 608 с.
9. Белов П.Г. Управление рисками, системный анализ и моделирование. Том 2. М.: Издательство Юрайт, 2015. 460 с.
10. Производственная Компания «Ростехнология» [Электронный ресурс]. URL.: http://www.obsnab.ru/ozonatory-vozduxa/. ПК Ростехнология. Промышленные озонаторы. (дата обращения: 27.12.16).
