CC BY
40
УДК 338.45:66
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ МОДЕЛИ НАДЕЖНОСТИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Т.А. Афанасьева
Ивановский государственный химико-технологический университет
Анализ и расчет процессов химической технологии являются исходным звеном в управлении ими, обеспечении их надежности и эффективности. Базой для систематизации новейших методов, используемых в химии и химической технологии, служит кибернетика, «основным методом которой является математическое моделирование изучаемых систем»[1].
1. Виды химико-технологических процессов, основы моделирования надежности ХТП
Кафаров ВВ., Перов В.Л., Мешалкин В.П. [2] впервые сделали попытку систематизировать методы моделирования, анализа и оптимизации химических производств на основе использования топологических моделей и цифровых вычислительных машин. Создание новых высокоинтенсивных технологических процессов требует решения новых научно-технических задач, например, обеспечение работы химических производств в оптимальном режиме; обеспечение надежности функционирования ХТС (ХТО, ХТП) и др. Для этого надо, впервые указывают авторы [2], создать научно-обоснованную теорию анализа и синтеза химикотехнологической системы (ХТС).
Работа любой ХТС должна обеспечиваться функциональной связью химико-технологических процессов
(ХТП) и химико-технологического оборудования (ХТО), являющихся ее составными частями (элементами). Для успешного решения таких задач следует разработать, например, математическую модель надежности технологического процесса, которая должна отражать не только технологические связи между элементами и сущность ХТП, но и критерии (показатели, параметры) ненадежности (надежности) ведения
процесса, как бы его «узкие места».
В книге Афанасьевой Т.Н., Блиничева В.Н. «Надежность химических производств», Иваново 2008 сделана попытка (гл.III) рассмотреть принципы расчета и обеспечение надежности с помощью математических моделей следующих ХТП:
1. Механические процессы (измельчение, классификация).
2. Гидромеханические процессы (фильтрация).
3. Тепловые процессы (кристаллизация, грануляция, агломерация, обжиг).
4. Массообменные процессы (сушка).
Сущность математического моделирования излагается [1] В.В. Кафаровым и предполагает три этапа:
1. Формализация изучаемого процесса (составление математического описания его модели).
2. Создание алгоритма, моделирующего процесс.
3. Установление адекватности модели процесса.
Математические модели позволяют исследовать различные варианты состояния (ведения) процессов, изучить особенности ХТП и определить возможности обеспечения его надежного осуществления (выполнения).
2.Интенсивные ХТП, показатели надежности интенсивных ХТП
Ускорение НТП выдвинуло еще одно жизненно-необходимое требование
производства - интенсификацию технологических процессов и обеспечение надежности их работы.
Наиболее перспективными в технологическом и экономическом отношениях, с возможным аппаратурным оформлением, являются следующие известные способы интенсификации технологических процессов.
1. Кинетическая интенсификация, то есть увеличение скоростей процесса до максимально возможного предела.
2. Балансовая интенсификация, то есть максимальный тепломассообмен, нагрев, давление и т.д.
3. Химическая интенсификация, то есть использование различных химических добавок, применение катализаторов и т.д.
Примером кинетической интенсификации могут служить процессы, которые осуществляются в подвижной среде /псевдоожиженное состояние, сквозной поток, вибровзвешенный слой и т.д./ или с помощью специального оборудования /применение гидроциклонов, мельниц ударно-отражательного действия и т.д./.
Все высокоскоростные, интенсивные процессы работают на грани предельной устойчивости, т.е. в их работе гораздо чаще могут быть срывы, отказы, чем при обычном ведении процесса. Примером этого может служить второй способ интенсификации, когда при обеспечении максимального потребления тепла обеспечивают возрастание скоростей химических реакций, еще также известно, что локальные перегревы интенсифицируют процесс. Но при этом возникают трудности в обеспечении однородности температурных полей. Если стремиться к однородности последних, то можно снизить интенсивность химико-технологического процесса. И здесь возникает своего рода технологический тупик. Поэтому, изучение технологических
причин формирования температурных полей, в приведенном примере, приобретает важное значение для осуществления надежного интенсивного ХТП.
Из сказанного ясно, что первоочередной задачей обеспечения надежности интенсивного технологического процесса с экономически оправданными затратами по ликвидации отказов является прогнозирование ведения такого процесса. Инженерное прогнозирование базируется на получении научно-обоснованной информации, отражающей в вероятностной и детерминированной постановке потенциально возможное осуществление технологического процесса без срывов и отказов.
Задача прогнозирования надежности технологического процесса или какого-либо оборудования сводится, в основном, к предсказанию вероятности безотказной работы объекта в зависимости от возможных режимов и условий эксплуатации, которая предусматривается при прогнозировании оборудования или разработке технологического процесса, при изготовлении оборудования или освоении технологического процесса.
Изучавшиеся интенсивные процессы были выбраны по следующим принципам:
• производственная значимость
процесса;
• технологические особенности
(прерывный или непрерывный, машинный или аппаратный и т.д.);
• в зависимости от способов интенсификации;
• в зависимости от закономерностей процессов (механические, гидромеханические, тепловые, массообменные).
Вклад каждого процесса, протекающего в аппарате или машине, в надежную их работу может быть оценен с помощью разработанной нами табл. 1
показателей надежности интенсивных процессов.
Расчеты надежности процесса и оборудования, основанные на предварительном изучении причин и их закономерностей, вызывающих отказы, являются таким источником информации
о будущем поведении процесса или оборудования, который по своим
возможностям позволяет обеспечить надежность объекта на всех стадиях его существования (разработка, изго-
товление, освоение, эксплуатация).
Таблица 1
Показатели, характеризующие надежность интенсивных химико-технологических процессов и оборудования
Шифр, № п/п Характ еристика показателя Наименование показателя Математическое выражение показателя Графическое выражение показателя Шкала максимальной значимости
1-І Вероятностный Функция ад = \ ит 1- (і)
показатель надежности —. нормальное 0,9
(опасности), { \ распределение
вероятность
отказа J 1
ис і ’ эксгтоне нциапыю е
распределение
0,- 0,5
і
1-2 Вероятностный показатель Функция надежности (вероятность безотказности) вд = ]адл і 0 'ад нормальное распределение 0,9
і 0 'ад і экспоненциальное распределение
'т 1
1-3 Вероятностный показатель Коэфф. риска дю 0,5
'т 1
0,5
1
Вероятност- ный Средний срок службы н =м )
1-4 показатель долговечности 0,5
t
Вероятност- Среднее время » Щ) = в ‘ ад ' ,
ный между отказами
1-5 показатель долговечности J CD 1 CD
Вероятност- ный Среднее время
в о сстановления (t ) t
1-6 показатель
ремонто- Форма кривой зависит от
пригодности (для оборудо- конструкционны: н организационных факторов 0 - 0,1
вания),
технологическ
ой восстано-
ЛИТЕРАТУРА 2. Кафаров В.С., Петров В.Л., Мешалкина В.Л.
Принципы математического моделирования
1 тг л. т-> т-> ля г- химико-технологических систем. - М.: Хи-
1. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и
- Л v шло мия, 1974.
химическои технологии. - М.: Химия, 1968.
THE BASIC PRINCIPLES OF DEVELOPING RELIABILITY MODELS OF CHEMICAL
ENGINEERING PROCESSES
T.Afanasyeva
To control and provide the reliability and effectiveness of chemical engineering processes it is necessary to make their analysis and calculations. The cybernetics, “whose principal method is mathematical modeling of studied systems”, seems to be the basis to systematize the new methods used in chemistry and chemical engineering.
