Обеспечение точности и разработка методик управления качеством функционирования агрегатов (на примере колонных аппаратов)

Согласно «Основным направлениям экономического и социального развития СССР на 1981;1985 годы и на период до 1990 года» в микробиологической промышленности необходимо осуществить мероприятия по ускоренному развитию производства на основе микробиологического синтеза, обеспечить рост выпуска и качества продукции.

Решение поставленной задачи неразрывно связано с вопросами создания прогрессивных технологических процессов, использования при переработки сырья установок большой единичной мощности, совершенствования конструкций и разработки систем управления качеством.

Рост технического уровня продукции микробиологической промышленности (ПМП) зависит от качества функционирования агрегатов.:

В настоящее время ПМП производится в аппаратах с механическими перемешивающими устройствами, дальнейшее увеличение единичной мощности которых связано с резким повышением энерго-, металлои трудозатрат. Данные агрегаты не способствуют достижению высшей категории качества ПМП, Причинами этого являются: нестабильность температурного режима, наличие застойных зон в оборудовании, «проскок» неиспользованных веществ среды и др.

Решение проблемы возможно,' если применить аппараты со стационарными внутренними устройствами, которые эффективно используются в химической, нефтехимической, нефтяной и других отраслях для реализации подобных технологических процессов.

Однако широкое использование в микробиологической промышленности колонных аппаратов ограничено в связи с низкой эффективностью биосинтеза на стандартных массообменных устройствах. Кроме того, современное управление качеством функционирования аппаратов не базируется на едином обобщенном принципе построения, не имеет конкретных путей достижения высокого качества.

Введение

экономически неоправданных жестких допусков и подгонка элементов аппарата приводит к увеличению всех видов затрат и простою дорогостоящего оборудования.

Устранение указанных недостатков возможно при исследовании и разработке основ управления качеством функционирования аппаратов, исходя из функциональных и технологических требований, по результатам математического моделирования на базе крупномасштабных опытно-промышленных стендов с привлечением быстрорешающих технических средств (ЭВМ).

Целью данной работы является повышение и обеспечение качества колонных аппаратов со стационарными внутренними устройствами (тарелками). Поставленная цель достигается за счет создания системы управления качеством колонных аппаратов, воздействующей на точность параметров внутренних устройств.

Работа выполнена по заданию Минхимнефтемаша СССР и Глав-биопрома СССР.

Экспериментальные исследования проводились на передовых машиностроительных заводах, в лабораториях ведущих научно—иееледовательских институтов (ВНИИсинтезбелок, ВНЙИбиотех-ника, ВНИИС, ВНИИМАШ, ВНИИНЕФТЕМАМ), на монтажных площадках и в цехе опытных установок Щекинского производственного объединения «Азот» Тульской обл. и в МВТУ им. Н. Э. Баумана.

Автор защищает теоретические положения и практические выводы комплексной оптимизации функциональных параметров и точности тарельчатых колонных аппаратов, синтез и анализ которых основан на методологическом подходе с экономических позиций, учитывающем функциональные и технологические требования при сохранении высоких значений показателей качества.

Сформулированные положения и выводы явились результатом разработки:

— методик расчета допуска на отклонение от горизонтальности тарелок по функциональным свойствам работы контактного устройства и аппарата в целом-" .

— методики расчета экономически оптимального производственного допуска на отклонение от горизонтальности тарелок теоретико-вероятностным методом;

— методики расчета оптимального производственного допуска на отклонение от горизонтальности тарелок работой по формуляру;

— методики стандартизации тарельчатых колонных аппаратов.

Исследования, приведенные в работе, использовались при разработке ГОСТ 18.101−82 «Количественные методы оптимизации параметров объектов стандартизации. Основные положения по составлению математических моделей» .

На основании теоретических положений и практических выводов разработаны инструктивные указания на изготовление, монтаж и эксплуатацию тарельчатых колонных аппаратов. Они были использованы при монтаже тарелок в колоннах производства БВК и производства карбамида на Щекинском п/о «Азот». Экономический эффект составил 20 тыс. руб.

Колонный аппарат с ситчатыми тарелками секторного типа внедрен на Щекинском п/о «Азот» и Рассказовском биохимзаводе (в цехах производства БВК, аммиака и метанола, разделения воздуха) с экономическим эффектом 80 тыс. руб.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

AtL.Bn.Ca, Ао1, Воь. Соь,.

Ас, ВI, С ь. Аа^.

И.

ЕуЗ.

Енс Е км с&о .

Нк, НФ.

1Ш.

ДНш ,.

АН, ,.

Уне.

11 проекции нормального вектора I «ой тарелки в различных системах координат ХнКа!^ -)(оУо7о ;

Ш — коэффициент влияния погрешности ^ «го первичного фактора на вызываемое этой погрешностью отклонения выходной характеристики изделиядиаметр колонного аппарата, ммвектор внутренних точек ломаной линииудельные энергозатраты, кВт*ч/кгколичество электроэнергии, потребляемое насосом, кВт*ч/кгколичество электроэнергии, потребляемое компрессором, кВт*ч/кгверхнее предельное отклонение, ммнижнее предельное отклонение, ммфакторо р свободное сечение тарелки, м /м — расход газа, м /чвысота колонны и фундамента соответственно, ммвысота статического столба жидкости в точке I по радиусу тарелки, мм вод.ст.- гидравлический градиент уровня жидкости, мм вод.ст.- гидравлический градиент, обусловленный проходящим через слой жидкости газом, мм вод.ст.- напор, развиваемый насосом, мм вод.ст.- межтарельчатое расстояние, мм ;

СА • •.

1.1о К.

Ку I I.

1ш м тог 1 N л.

Пт.

Ро5щ.

АР К.

Арт.

— высота сливной перегородки, мм;

— допустимый и критический крен колонны соответственно, рад;

— коэффициент пропорциональности (коэффициент Генри), мм рт.ст.;

— объемный коэффициент массопередачио.

— расход жидкости, м /ч;

— нормированная абсцисса длины тарелки, элемент отрезка [0−1] ;

— ломаная линия с числом П ступеней, равным числу тарелок колонны, элемент множества скорость сорбции кислорода (сульфитное число),.

— количество кислорода, перешедшего в жидкую фазу, кг 02/ч;

— нормальный вектор тарелки;

— предельное число тарелок колонны;

— относительный коэффициент влияния погрешности jго первичного фактора на вызываемое этой погрешностью отклонение выходной характеристики изделия;

— число тарелок колонны;

— число теоретических тарелок колонны;

— общее давление газовой смеси, мм рт.ст.;

— давление на входе в колонну, мм вод.ст.;

— давление на выходе из колонны, мм вод.ст.;

— полное гидравлическое сопротивление колонны, мм вод.ст.;

— полное гидравлическое сопротивление тарелки, мм вод.ст.;

Арс ~ сопротивление сухой тарелки, мм: вод.ст.;

Ар^ ~ сопротивление разрыва пленки, мм вод.ст.;

1 «*¦ продуктивность колонны, кг АСВ/м^ч;

Ц «производительность колонны, т/сутки;

К • радиус тарелки, ммйти «*¦ радиус монтажно"*эксплуатационной области, мм;

Гф «радиус фундамента, ммфункциональный допуск, мм;

Tf.

Тр вектор функциональных допусков тарелок колонного аппарата-. Тр/ Тго / Те «» технологический/ монтажный и эксплуатационный.

ЦП') Т (А') допуск соответственно, мм- & допуск на отклонение от плоскостности тарелки, ммдопуск на отклонение от горизонтальности тарелки, мм;

V ~ объем заполнения колонны жидкостью, м^;

Vr ~ объем жидкости на тарелке, м3| скорость газа всвободном сечении колонны, м/с;

XhJk ~ концентрация сырья и продукта соответственно;

Дхт величина изменения концентрации на тарелке, г/л;

Ах движущая сила маосообменного процесса;

XC|VC|ZC «-координаты центра тяжести жидкости в объеме тарелки, мм;

Yh, Yi< мольные концентрации газа на входе и выходе с колонныnuuZl, mlnZi «экстремальные отклонения точек Ьой тарелки от горизонтальности, ммоС — угол мзжду образующими сектора, рад;

У — угол отклонения колонны от вертикали, радо1 «» Угол поворота 1> -ой тарелки при отклонении колонны от вертикали на^, рад;

Дц — суммарная погрешность Iой тарелки, мм;

Дном — номинальное положение? тарелки, ммА Я.

— отклонение от горизонтальности тарелки, мм- - отклонение от плоскостности тарелки, мм;

Дг, Дт"Дс — технологическая, монтажная и эксплуатацион.

А Д. ная погрешность соответственно, мм;

— монтажно-эксплуатационная погрешность, мм;

— отклонение тарелки, соответствующее малому значению гидравлического градиента, ммэлемент множества Адн);

ДКу — отклонение тарелки, соответствующее высокому уровню эффективности работы тарелки, мм- ^ элемент множества (А.

ДгшД^тсп, 1Ет1п" «систематические погрешности на стади-(ях изготовления, монтажа и эксплуатации, мм;

Др — погрешность базирования, ммДр — погрешность от разметки положения, ммДп — погрешность от приварки опорного кольца, ммД£ - погрешность от сварочных деформаций корпуса, мм;

Д взктор погрешностей тарелок колонного аппа I ратанс — коэффициент полезного действия насоса;

— коэффициент полезного действия компрессора-^т — коэффициент полезного действия тарелки;

Ц — направление наклона оси колонны, рад;

— угол между осями поворота тарелки на стадиях изготовления и эксплуатации, рад;

V — количество конструктивных модификаций ситчатой тарелки;

— направление наклона I «ой тарелки, радо р — плотность газа, кг/и ;

Д, Аи, А^ ~ множители Лагранжа;

У — угол между образующими корпуса аппарата в направлении люков (лазов) и текущим значением погрешности от приварки опорного кольца, рад;

Ур — угол поворота тарелки на стадии изготовления аппарата, рад-^гпе ~ Угол поворота тарелки на стадиях монтажа и эксплуатации, радрезультирующее угловое перемещение тарелки, рад.

— 195 -ВЫВОДЫ.

1. Повышение качества функционирования колонных аппаратов с ситчатыми тарелками кольцевого и секторного типов является комплексной проблемой, зависящей от совместного исследования конструктивно-эксплуатационных параметров и точности.

Для ее решения предложен параллельный комплекс и базовая математическая модель совместной оптимизации указанных параметров и допусков.

2. Предложенный метод экспериментальной оптимизации комплексного рассмотрения конструктивно-эксплуатационных параметров и точности позволяет разработать математические модели оптимизации переменных параметров и допусков на отклонение от горизонтальности и отклонение от плоскостности.

Результаты исследований и расчеты позволили установить диапазон изменения конструктивного параметра — высоты сливной перегородки, и эксплуатационных параметров — расход жидкости и газа. Уточнен рельеф поверхности полотна тарелки, выявлены числовые значения принудительного наклона контактного устройства и функциональных допусков на отклонение от горизонтальности и отклонение от плоскостности.

3. Для серии геометрически подобных аппаратов по методике, учитывающей факторы масштабного перехода, находится допуск на отклонение от горизонтальности сектора кольцевой и секторной тарелки.

Методика разработана с учетом эффективности работы контактных устройств, использования математических методов вычисления и применением созданного автором стенда экспериментальных исследований.

4. Разработан расчет отклонения от горизонтальности тарелки секторного и кольцевого типов, включающий: определение номинального положения полотна тарелки, предельных отклонений и оптимального допуска.

Расчет основан на обосновании математической модели функционирования по энергетическим свойствам и эффективности работы контактного устройства.

Для тарелок кольцевого типа диаметром свыше 1 м установлена аналитическая зависимость для расчета принудительного наклона полотна,.

5. Математическое моделирование точности всей совокупности тарелок колонного аппарата показало, что функциональный допуск на отклонение от горизонтальности каждой тарелки зависит от уровня ее расположения в аппарате, кондиции сырья и допустимых отклонений показателей качества товарного продукта.

На основании экспериментальных и теоретических исследований разработана базовая математическая модель оптимизации функционального допуска на отклонение от горизонтальности ситчатой тарелки. Предложены рабочие модели оптимизации, которые доведены до уровня инженерного расчета.

6. Для определения экономически оптимального функционального допуска на отклонение от горизонтальности контактного устройства разработана методика расчета производственного допуска теоретико-вероятностным методом. На основе экспериментальных данных и теоретических исследований погрешностей установлен случайный характер их возникновения, найдены функции распределения и статистические параметры.

Анализ погрешностей позволил наметить пути управления точностью.

7. В целях дальнейшего повышения экономичности тарельчатых колонных аппаратов разработана методика расчета оптимального производственного допуска на отклонение от горизонтальности ситчатых тарелок работой по формуляру.

Дано математическое описание технологических и монтажных погрешностей и составлен алгоритм расчета.

8. Повышению экономичности колонных аппаратов с ситчаты-ми тарелками способствует унификация элементов этих тарелок с применением метода агрегатирования.

На основании разработанной математической модели определен оптимальный диапазон применения наядой конструктивной модификации ситчатой тарелки, составлен алгоритм и разработана программа автоматизированного расчета параметров и точности тарельчатых колонных аппаратов по заданным исходным данным качества сырья и товарного продукта,.

9. Экономический эффект от внедрения нормативно-технической документации, практических рекомендаций, полученных на основе разработанных методик управления качеством функционирования колонных аппаратов с ситчатыми тарелками кольцевого и секторного типов, и новых технологических конструкций, составил 100 тыс. руб.