XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

ВВЕДЕНИЕ

Сырье для производства смазочных масел подвергается экстрагированию растворителем с целью избирательного удаления компонентов, обладающих плохими смазочными свойствами и низкой устойчивостью к окислению, что позволяет повысить коэффициент вязкости и качество базовых компонентов смазочных масел. Как правило, удалению подлежат те химические соединения, в структуре которых присутствуют ароматические кольца. У соединений с двумя и более конденсированными ароматическими кольцами ухудшается устойчивость к окислению, уменьшается прочность пленки, а также появляются прочие нежелательные свойства.

Процесс селективной очистки масляных фракций основан на различной плотности нефтяного сырья и растворителя, а также и на различной растворимости углеводородных соединений сырья в растворителе, благодаря чему их можно отделить друг от друга.

При выборе растворителя, используемого для очистки смазочных масел, прежде всего, необходимо обращать внимание на его растворяющую способность.

Из используемых растворителей в процессах селективной очистки N-метилпирролидон ближе всех стоит к идеальному растворителю.

Очистка масляных фракций N-метилпирролидоном осуществляется способом противоточного экстрагирования, то есть растворитель вводится в верхнюю часть экстракционной колонны, а сырье в ее нижнюю часть.

При таком методе очищаемый продукт по мере непрерывного движения навстречу растворителю все в большей степени освобождается от нежелательных компонентов, извлекаемых растворителем. В результате чего в верхней части экстракционной колонны образуется рафинатный раствор, а в нижней части – экстрактный раствор. Нежелательные компоненты масляных фракций концентрируются в экстракционном растворе.

Основным условием качественной очистки масляных фракций является наличие в экстракционной колонне четкой границы раздела фаз, которая обеспечивается определенной температурой процесса экстрагирования. Это условие выполнимо при температуре экстракции, проводимой ниже критической температуры растворения (КТР) конкретного сырья в растворителе. Критической температурой растворения считается температура, при которой и выше которой сырье с растворителем образуют одну фазу. Чем больше в сырье ароматических углеводородов, тем ниже КТР. Чем выше пределы выкипания фракции (из одной и той же нефти), тем выше КТР.

Эффективность процесса очистки масляных фракций зависит от перепада температур в экстракционной колонне, который называется температурным градиентом и создается за счет разности температур сырья и растворителя, поступающих в колонну экстракции.

На качество и выход рафинатов влияет также количество подаваемого в колонну N-метилпирролидона.

Чем больше соотношение растворителя к сырью, тем лучше качество рафината и меньше его выход. Чрезмерная глубина очистки рафината нежелательна, т.к. масло из такого рафината становится неустойчивым к окислению вследствие удаления из него естественных стабилизаторов окисления.

Увеличению выхода рафината и снижению потерь ценных компонентов, уходящих с экстрактным раствором, способствует выделение псевдорафината (рециркулята) с последующим его возвращением в экстракционную колонну. Наиболее рациональными способами считаются понижение температур экстрактного раствора и подача воды в экстрактный раствор.

Полученные в экстракционной колонне рафинатный и экстрактный растворы затем подвергаются дальнейшей обработке с целью отгонки из них растворителя.

Отогнанный растворитель подается на осушку в колонну V-112 для удаления из него воды и затем вновь возвращается в процесс на экстракцию.

По сравнению с другими растворителями N-метилпирролидон имеет следующие преимущества:

- высокая растворяющая способность по сравнению с фурфуролом и фенолом;

- низкая токсичность по сравнению с фенолом;

- высокая селективность по сравнению с фенолом;

- более высокая стойкость к окислению и термостойкость по сравнению с фурфуролом.

Главный недостаток N-метилпирролидона – способность окисляться под воздействием кислорода воздуха с образованием продуктов окисления, вызывающих не только разложение растворителя, но и коррозию оборудования.

С целью предотвращения процесса окисления растворителя предусмотрено:

- хранение N-метилпирролидона под азотной подушкой;

- деаэрирование (удаление воздуха) сырья перед экстракцией;

- нейтрализация рециркулирующего раствора с целью удаления продуктов окисления и органических кислот, поступающих вместе с сырьем;

- применение в оборудовании легированных металлов, менее подверженных воздействию коррозии.

Для обеспечения надёжной работы систем автоматического регулирования необходимо провести проектный расчёт надёжности системы. Это позволит определить показатели надёжности, такие как вероятность безотказной работы, интенсивность отказов и среднее время до отказа, а также выявить наиболее уязвимые элементы системы [1, 2].

1ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Из сырьевого парка сырье поступает на насосы Р-101АR/ВR и прокачивается через фильтры G-101А/В для удаления частиц размером более 50 микрон (0,05мм).

При падении расхода срабатывает сигнализация и отключается насос Р-101АR/ВR. Количество поступившего сырья регистрируется расходомером поз.FT-002, установленным на выходе из фильтров G-101А/В.

Для насоса Р-101АR/ВR предусматривается контроль залива насоса датчиком поз. LТ-543 и блокировка при отсутствии перекачиваемой жидкости в корпусе насоса.

Качество работы фильтра G-101А/В контролируется датчиком давления поз.РDТ-004, замеряющего перепад давления сырья, проходящего через фильтр. Система сигнализации настроена на значение максимального перепада давления 0,35 кгс/см2. После чего необходимо переключение на резервный фильтр. При нормальной работе перепад на фильтре не должен превышать 0,15 кгс/см2.

Отфильтрованное сырье направляется в корпуса кожухотрубчатых теплообменников Е-102R/1,2, где нагревается до температуры 99÷104 0С сырьем, выходящим из деаэратора V-101.

Далее сырье направляется в корпус подогревателя Е-103, где нагревается до температуры 116 0С в результате теплообмена с экстрактом, откачиваемым из отпарной колонны V-107.

Нагретое сырье поступает на верхнюю тарелку деаэратора V-101.

Деаэратор предназначен для удаления из сырья воздуха, так как при контакте растворителя с воздухом происходит окисление N-метилпирролидона, ухудшение его свойств и образование коррозионно-агрессивных побочных продуктов

Деаэратор V-101 оборудован десятью ситчатыми тарелками. Процесс в V-101 протекает при температуре 116 0С и давлении 0,11 кгс/см2.

Регулирование температуры сырья на входе в V-101 осуществляется клапаном поз.TV-001, установленным на байпасной линии подогревателя Е-103 и корректирующим количество экстракта, направляемого по линии в обход Е-103. При достижении значений максимальной и минимальной температуры сырья срабатывает световая и звуковая сигнализация.

Уровень в деаэраторе V-101 контролируется уровнемерами поз.LT-001 и LT-515 c сигнализацией максимального и минимального значений. Регулирование уровня осуществляется клапаном поз.LV-001, установленным на трубопроводе ввода сырья в V-101. При достижении предельно-максимального уровня предусмотрено закрытие отсечного клапана на входе сырья в колонну поз.LV-515, при достижении предельно-минимального значения уровня происходит автоматический останов насоса Р-102АR/ВR.

В нижнюю часть деаэратора (под тарелки) с верха колонны регенерации растворителя V-112 через маточник подаются пары метилпирролидоновой воды (МП-воды), содержащие небольшое количество растворителя. При прохождении сырья сверху вниз через ситчатые тарелки деаэратора, происходит отдув растворенного в сырье воздуха, а также абсорбция (поглощение) сырьем паров растворителя. Количество растворителя абсорбции сырьем, ограничено – не более 1%.

Пары с верха деаэратора V-101, в основном состоящие из водяного пара и воздуха, с температурой 116 0С поступают в конденсатор Е-101. Далее конденсат с допустимым содержанием растворителя (не более 0,0005 % масс.) направляется в промканализацию, а воздух сбрасывается в атмосферу.

С увеличением содержания растворителя в парах, поступающих на абсорбцию, увеличиваются и потери растворителя с водяным паром, сбрасываемым через конденсатор

Е-101.

Следует избегать колебаний подачи сырья в V-101, т.к. даже кратковременные изменения расхода приводят к повышенным потерям растворителя с водяным паром.

На линиях приема и нагнетания насосов Р-101АR/ВR и Р-102АR/ВR установлены отсечные клапаны поз.HV-570, 571, 572, 573 с дистанционным управлением для прекращения движения потока в аварийной ситуации.

Деаэрированное сырье с низа деаэратора V-101 забирается насосом Р-102АR/ВR, прокачивается через трубные пространства теплообменников Е-102R/1,2, где отдает тепло сырью, которое направлено в деаэратор, и с температурой 104÷108 0С поступает в струйный смеситель С-1. В С-1 происходит смешение сырья с растворителем, охлажденным до 52÷75 0С в холодильнике Е-104А.

Температура растворителя после холодильника Е-104А регулируется клапаном поз.ТV-559, установленным на трубопроводе подачи оборотной воды в трубное пространство Е-104А. При достижении максимального и минимального значений температуры срабатывает сигнализация.

Расход деаэрированного сырья регулируется клапаном поз.FV-557, установленным на линии входа сырья в С-1.

Расход растворителя регулируется клапаном поз.FV-558. Клапан установлен на линии растворителя, поступающего в С-1.

Давление растворителя на входе в смеситель С-1 должно быть на 0,8÷1,5 кг/см2 выше, чем на линии подачи сырья. Замер давления сырья и растворителя по месту осуществляется манометрами поз.РI-547 и РI-546 соответственно. Предусмотрено измерение перепада давления между входящими потоками в смеситель датчиком поз.РDТ-546 с сигнализацией максимального и минимального значений.

Смесь сырья и растворителя из С-1 направляется в аппарат воздушного охлаждения Е-104С, затем в межтрубное пространство водяного холодильника Е-104, где охлаждается до температуры 41÷75 ⁰С и поступает в экстракционную колонну V-102.

Схемой предусмотрена возможность использования теплообменника Е-118 (Е-104В) для охлаждения смеси сырья с растворителем после Е-104. Теплообменник имеет двойное назначение. В пусковой период используется как подогреватель сырья перед деаэратором V-101 – поз.Е-104В, в период нормальной эксплуатации используется как холодиль­ник сырья перед колонной V-102 – поз.Е-118.

Предусмотрено регулирование температуры сырья на входе в V-102 датчиком поз.ТТ-508 с сигнализацией максимального и минимального значений температуры. Клапан поз.TV-508 расположен на линии подачи оборотной воды в трубное пространство Е-104. Контроль температуры сырья осуществляется термопарой поз.ТI-005.

Внутри колонны V-102 смонтированы 5 слоев насадки из каскадных миниколец.

В экстракционную колонну сырье вводится через маточники. Предусмотрено два ввода сырья (на и под нижнюю тарелку) в зависимости от вида очищаемого сырья. Более тяжелое сырье подается через нижний ввод. Оба ввода одновременно не применяются.

Регенерированный растворитель с содержанием воды до 0,5% масс. из колонны V-112 подается насосом Р-110АR/ВR в верхнюю часть экстракционной колонны V-102, на первую насадочную тарелку через маточник. Когда N-метилпирролидон проходит вниз по колонне, он растворяет те компоненты масла, называемые экстрактом, которые не должны присутствовать в получаемом смазочном масле.

Подача растворителя регулируется клапаном поз. FV-004, установленным на линии поступления растворителя в колонну. Растворитель, перед подачей в экстракционную колонну, охлаждается в теплообменнике Е-107R/1,2, затем в аппарате воздушного охлаждения Е-106. Температура на выходе из Е-106 контролируется датчиком поз.ТТ-011 и регулируется с помощью частотного преобразователя привода вентилятора. При достижении максимальной температуры продукта на выходе из Е-106 срабатывает сигнализация. Температура должна поддерживаться в пределах 52÷75 0С.

После воздушного холодильника Е-106 предусмотрен водяной холодильник Е-504. Температура растворителя после Е-504 регулируется клапаном поз.ТV-551, установленным на трубопроводе подачи оборотной воды в трубное пространство Е-504.

Далее часть растворителя подается в верхнюю часть экстракционной колонны V-102, а другая часть используется в качестве флегмы в колоннах V-103, V-104, V-105, V-106, V-107, V-109, V-110.

В экстракционной колонне V-102 образуются две фазы.

Поток рафината, отводимый с верха колонны V-102, содержит 10÷20% растворителя и направляется в систему извлечения растворителя из рафинатного раствора.

Температура рафинатного раствора на выходе с верха колонны V-102 измеряется термопарой поз.TI-010 и контролируется датчиком поз.ТТ-009 и должна составлять 52÷75 0С. При достижении максимального и минимального значений температуры срабатывает сигнализация.

Насыщенная растворителем экстрагированная фаза, называемая экстрактным раствором, с низа колонны V-102 насосом Р-103АR/ВR прокачивается через межтрубное пространство водяного холодильника Е-105R и направляется в отстойник V-118.

Осуществляется контроль температуры экстракта на трубопроводе выхода из куба V-102 датчиком поз. ТТ-539 с сигнализацией максимального и минимального значений и термопарой по месту TI-540.

Для насоса Р-103АR/ВR предусматривается контроль залива насоса датчиком поз.LТ-545 и блокировка при отсутствии перекачиваемой жидкости в корпусе насоса.

На нагнетании насоса Р-103АR/ВR предусмотрено измерение расхода экстракта датчиком поз.FT-502.

Ввиду своей исключительной растворяющей способности N-метилпирролидон удаляет не только ароматические углеводороды с низким индексом вязкости, но и некоторые ценные компоненты масляных фракций. Для снижения растворяющей способности растворителя в линию экстрактного раствора на выкиде насоса Р-103АR/ВR предусматривается подача инжекционной воды (МП-воды) насосом Р-111АR/ВR.

Расход инжекционной воды в линию выкида насоса Р-103АR/ВR регулируется клапаном поз.FV-501, расположенным на линии подачи инжекционной воды после насоса Р-111АR/ВR. При максимальном и минимальном расходе инжекционной воды предусмотрена сигнализация.

Часть потока экстрактного раствора после холодильника Е-105R возвращается непосредственно в нижнюю часть колонны V-102. Подача потока регулируется клапаном поз.FV-005, установленным на линии возврата части экстрактного раствора в V-102. Этот поток предназначен для снижения температуры низа экстракционной колонны и повышения температурного градиента по колонне.

При снижении расхода экстрактного раствора из V-102, происходит открытие отсечного клапана поз.FV-047, установленного на линии возврата экстрактного раствора в колонну V-102 непосредственно от насоса Р-103АR/ВR.

Предусмотрено регулирование температуры экстрактного раствора после холодильника Е-105R клапаном поз.ТV-013, установленным на байпасной линии Е-105R по экстрактному раствору. Температура должна составлять 43-66 0С. При достижении максимального и минимального значения срабатывает сигнализация.

Экстрактный раствор поступает в отстойник V-118, где имеется возможность отделения более легкого продукта, называемого псевдорафинатом, который может направляться обратно в колонну V-102 под третий насадочный слой. Таким образом, в экстракционной колонне создается внутреннее орошение, которое способствует улучшению работы экстракционной колонны и увеличению выхода рафината на 2-5%.

Уровень раздела фаз в отстойнике V-118 контролируется уровнемером поз.LТ-005. Регулирование уровня осуществляется клапаном поз.LV-005, установленным на линии возврата псевдорафината из V-118 в экстракционную колонну. При достижении максимального и минимального значения уровня срабатывает сигнализация.

Температура в V-118 контролируется датчиком поз.ТТ-105 и термопарой поз.TI-014. Давление замеряется манометром поз.PI-019.

Время пребывания сырья в экстракционной колонне зависит от величины поступающих потоков (сырья и растворителя), места ввода сырья в колонну и составляет около часа.

Основным контрольным параметром колонны V-102 является положение границы раздела фаз, которая должна находиться на 1200-1500 мм под касательной верхней части колонны (касательная между обечайкой и верхним днищем).

Уровень раздела фаз контролируется в верхней части колонны (над первой насадочной тарелкой) с помощью датчика поз.LT-003. Предусмотрена сигнализация при повышении и понижении уровня раздела фаз.

Для определения места положения уровня раздела фаз предусмотрены пять краников по высоте колонны, расположенные в зоне допустимого изменения уровня раздела фаз.

Давление 4,3 кгс/см2 (изб.) в верхней части экстракционной колонны V-102 поддерживается клапаном поз.РV-017, установленным на линии вывода экстрактного раствора из отстойника V-118 на регенерацию. Предусмотрена сигнализация по максимальному и минимальному давлению верха экстракционной колонны. Кроме того, давление в верхней части V-102 замеряется манометром поз.PI-014, в нижней части V-102 - манометром поз.PI-013. Температура в середине колонны V-102 контролируется датчиком поз.ТТ-006.

Эффективность процесса очистки также зависит от группового химического состава сырья, который может меняться независимо от его фракционного состава.

В процессе эксплуатации необходимо вносить коррективы в режим экстракционной очистки, исходя из фактического качества сырья, поступающего на очистку. Подбор оптимальных параметров и регулирование режима должно выполняться малыми изменениями, позволяющими поддерживать стабильную работу колонны.

2РАСЧЁТ НАДЁЖНОСТИ

Для расчёта надёжности выберем контур регулирования расхода деаэрированного сырья клапаном поз.FV-557, установленным на линии входа сырья в С-1 (См. Рисунок 1) и рассчитаем его надёжность [3-5].

Рисунок 1 – Контур регулирования расхода деаэрированного сырья

Для этого составим логическую схему системы, представленную на Рисунке 2.

Рисунок 2 – Логическая схема системы автоматического регулирования

В схеме: А – первичный преобразователь расхода; В – линия связи 1; С – контроллер системы автоматического регулирования; D – линия связи 2; E – механизм регулятора, F – линия связи 3; G – контроллер АСУ ТП; H – линия связи 4; I – отсечная задвижка.

2.1Расчёт показателей надёжности

В Таблице 1 приведены показатели интенсивности отказов элементов, входящих в состав системы.

Таблица 1 – Интенсивность отказов элементов

Элемент	Значение интенсивности отказов, ч-1
Ультразвуковой расходомер	0,7*10-6
Линия связи 1	3,1*10-6
Контроллер	0,8*10-6
Линия связи 2	3,1*10-6
Механизм регулятора	15,4*10-6
Линия связи 3	3,1*10-6
Контроллер АСУ ТП	0,61*10-6
Линия связи 4	3,1*10-6
Отсечная задвижка	8,7*10-6

Примем следующие допущения при построении математической модели надежности системы:

1. Элементы прошли период приработки;

2. Справедлив экспоненциальный закон распределения;

3. Отказы элементов независимы.

Согласно составленной схеме, вероятность безотказной работы системы будет выражаться формулой:

Интенсивность отказов данной системы находится по формуле:

Для вычислений воспользуемся программой «Matlab». На Рисунке 3 представлен код для вычисления интенсивности отказов и построения её графика.

Рисунок 3 – Код вычислений в программе Matlab

На Рисунке 4 представлен график интенсивности отказов системы во времени.

Рисунок 4 – График интенсивности отказов системы во времени

2.2Повышение надежности системы

К способам повышения надежности систем относят:

1. Увеличение надежности отдельных элементов (замена приборов, линий связи, а также использование устройств с более высокими характеристиками надежности);

2. Упрощение системы при проектировании;

3. Резервирование элементов системы;

4. Систематический контроль и обслуживание системы.

Для рассматриваемой системы введем резервирование каждого элемента системы. Схема системы с резервированием приведена на Рисунке 5.

Рисунок 5 – Логическая схема системы с резервированием

Вероятность безотказной работы на каждом из участков будет равна:

где i – соответствующий участок.

Тогда вероятность безотказной работы зарезервированной системы будет находиться по формуле:

Интенсивность отказов данной системы находится по формуле:

Код вычисления интенсивности отказов и построения её графика для системы с резервированием в программе Matlab представлен на Рисунке 5 [6-8].

Рисунок 5 – Код вычисления интенсивности отказов системы с резервированием

Графики интенсивности отказов системы с резервированием и без резервирования представлены на Рисунке 6.

Рисунок 6 – Графики интенсивностей отказов системы с резервированием и без резервирования

Результат повышения надежности рассматриваемой системы определим как отношение интенсивности отказов системы до резервирования к интенсивности отказов системы после резервирования, результат представим в Таблице 2:

Таблица 2 – Отношение интенсивностей

t, 104	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
10-4	0,009	0,009	0,0088	0,0086	0,0085	0,0085	0,0085	0,0085	0,0085	0,0085
10-4	0,0043	0,0065	0,0071	0,0074	0,0076	0,0077	0,0078	0,0079	0,008	0,0081
	2,09	1,38	1,24	1,16	1,12	1,10	1,09	1,08	1,06	1,05

Таким образом, из данных Таблицы 2 видно, что резервирование системы позволяет снизить интенсивность отказов в начале эксплуатации в 2 раза, сохраняя срок службы системы до конца срока эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения работы был проведён проектный расчёт надёжности системы автоматического регулирования расхода деаэрированного сырья установки СОМ. Были определены показатели надёжности, такие как вероятность безотказной работы, интенсивность отказов для нерезервированной и резервированной системы.

Результаты расчёта позволили выявить наиболее уязвимые элементы системы и разработать рекомендации по повышению её надёжности. Это включает в себя использование более надёжных компонентов, резервирование критически важных элементов и проведение регулярного технического обслуживания.

Таким образом, проектный расчёт надёжности является важным инструментом для обеспечения стабильной и эффективной работы системы автоматического регулирования расхода деаэрированного сырья. Внедрение предложенных мер позволит повысить надёжность системы и снизить риск возникновения аварийных ситуаций.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. ГОСТ 27.301-95. Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения [Текст]. − Введ. 1997−01−01.;

2. А.Г. Щипицын Элементы прикладной теории надежности: учебное пособие / А.Г. Щипицын, А.А. Кощеев, Е.А. Алёшин и др. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. - 114 с.;

3. Иванов, С. И. Основы теории и расчета показателей надежности [Текст] / С. И. Иванов. – Комсомольск-на-Амуре: КнАГТУ, 2000. – 54 с.;

4. Калявин, В. П. Основы теории надежности и диагностики [Текст] / В. П. Калявин. – СПб.: Элмор, 1998. – 178 с.;

5. ГОСТ 27.203-83. Надежность в технике. Технологические системы. Общие требования к методам оценки надежности [Текст]. − Введ. 1984−07−01.

6. Глазунов, Л. Л. Основы теории надежности автоматических систем управления [Текст] / Л. Л. Глазунов, В. П. Грабовецкий, О. В. Щербаков. – Л.: Энергоатомиздат, 1984. – 208 с.;

7. Дружинин, Г. В. Надежность автоматизированных производственных систем [Текст] / Г. В. Дружинин. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 480 с.

8. ГОСТ 27.310-95. Надежность в технике. Анализ видов, последствий и критичности отказов. Основные положения [Текст]. − Введ. 1997−01−01.

Код для цитирования: Скопировать