化工设计41-系统可靠性与可靠度分析补

化工过程分析相关内容系统可靠性与可靠度分析安全性及损失的预防化工过程的能耗分析与评价-有效能（火用）分析及其应用风险性分折与评估产品生命周期分析与评价5.1

系统可靠性与可靠度分析13套进口装置年运率情况表厂

数34222合计平均年运转率%＞9080－9070－8060－70＜6076.5原因项目设备操作仪表电气原料不足其它合计停车次数611730554122所占比例50%13.93%24.59%4.10%4.10%3.28%100%减产损失，吨22417729038208267642334064967320056所占比例70.04%9.07%6.51%2.39%10.44%1.55%100%系统的可靠度化工系统可靠度：在规定的条件和规定的时间内，系统完成规定功能的概率或程度。一般以

R来表示，它的取值范围是0＜R＜1。一个大系统都是由若干子系统组成，一个子系统又是由基本元（单元）所构成，也就是说单元、子系统、系统之间可有如下关系：∈

Si

∈

SSijk

Sij单元

子系统

中系统

总系统R=成功的操作次数/试验的次数串联结构对串联系统来说，整个系统的可靠度将小于或等于其中最不可靠的组元的可靠度。思考题假定系统由三个串联操作组成，即一个靠不信的间歇反应器，其产物排到一个好坏无常的离心机，接着是一个不协调的反应—结晶工序。从过去的运转记录可知，反应器运转正常占试验次数的

3/4，离心机操作成功占试验次数7/8，而最后一道工序运转成功仅占试验次数的40%。试求系统同时成功的机会，即所有这些设备都成功地让一批产品通过的概率。并联结构思考题假定系统由三个并联操作组成，即一个靠不住的歇反应器，一个好坏无常的离心机和一个不协调的反应—结晶工序。从过去的运转记录可知，反应器运转正常占试验次数的3/4，离心机操作成功占试验次数7/8，而最后一道工序运转成功仅占试验次数的40%。试求系统同时成功的机会，即所有这些设备都成功地让一批产品

通过的概率。同时具有串并联结构（等效框图原理）现有化工系统A，由四个子系统A1、A2、A3、

A4串联而成，用等效原理，系统的总可靠度为:生产框图及等效框图确保系统有较高的可靠性化工系统一般是有序的串联结构形式。为了确保系统有较高的可靠性，由上述分析式可见，在工艺流程的设计上应力求设备少，流程简单，单个设备的可靠度高；并应考虑在可靠性低的卡脖环节考虑配置并联设备，如果由经济合理性上进行分析，经济合理时应予以并联备用设备。这是化工系统过程设计可靠性设计的一般原则。5.2

安全性及损失的预防任何过程都包含着一定的风险，当其风险过大时会妨碍该过程工业化的实现。设计防护系统的基本原则，以减少工业事故的危险性，增加工业过程的安全性，以保证工人安全的工作。工业过程大事故作了统计分析设备损坏、腐蚀或侵蚀故障31％对物料的性能考虑不足，由于某些物料引起事故

20％操作失误

17％化工过程问题

11％防护失效占8%物质移动发生事故等占4%工厂位置问题占4%设计结构不适用问题占3%工厂方案不合适占2%危险率分析与描述方法FAFR死亡事故频率的定义是：在某种情况下暴露或工作108小时死亡发生的数目。也可定义为1000个人在某种环境或情况下工作50年，每年工作50个星期，每周工作40小时，死亡的人数。当FAFR=1时，相当于一个人工作在某种危险性的环境或情况下，一年有约10-4的死亡几率。不同行业及环境下的FAFR值职业或环境(行业)FAFR职业或环境(行业)FAFR职业或环境(行业)FAFR一般的工业（工厂环境）4金属制造、造船8机器装配65服装制鞋业0.15农业10家务1制本1.3采煤40坐火车旅行5木器家具3铁路45坐汽车旅行57不同化学环境长时间停留下的特殊危险率职

业死亡原因FAFR制鞋业鼻病（如癌）6.5印刷工作者肺或气管病（如癌）10油脂业3~20木工鼻病（如癌）35采铀业肺病（如癌）70烧炭气管病（如癌）140化学纤维制造纺织冠心病150石棉工人肺病（或癌）男性115，女205橡胶工人膀胱病，肾病325制造或机器装配气管病520炼镉工人前列腺病700制镍工人肺病（或癌）330一个职业或环境的危险率对于一个特定情况下的FAFR值=该环境一般FAFR值—危险源的数目在一个厂的不同岗位也会有差别。一般认为平均的与特殊的FAFR对同一环境各占一半燃烧和爆炸指数（FEI）减少危险率的第一步就是分辨各种物质潜在的燃烧和爆炸趋势。美国道化学公司有效地应用了燃烧和爆炸指数FEI值来描述这个问题。这一指数较精确地反映了物质潜在的燃烧和爆炸的性能。FEI值可

由以下四个因子计算出来：物质因子（MF）特殊物质的危害因子（SMH）一般过程的危害因子（GPH）专门的过程危害因子（SPH）于一个特定单元或物质的燃烧和爆炸指数FEI计算公式为FEI=MF（1+SMH）（1+GPH）（1+SPH）物质因子（MF）按照物质分类的不同，这个因子的数值范围为1~20。其分类如下：1．非燃烧的固体、液体和气体对于不氧化不燃烧的物质如水、碳、四氯化碳等，MF=1。2．燃烧固体燃烧液体燃烧和爆炸的气体氧化物质，与还原物质相遇即会起火和爆炸的物质，如氧、氯等，MF=16。MF值是计算FEI值的基本数据，但考虑特殊物质的危害，和特殊过程的危害，还要引入有关因子修正组合算出最终的FEI值。思考题对于烷烃氧化制醇工厂的燃烧和爆炸指数的分析。丙烷氧化生成醇、醛、酮的流程中包括六个单元。反应试剂是O2和C3H8，产品是CH3OH、CH3COCH3和CH3CHO。图中的单元I是反应器，丙烷是空气气相氧化，反应温度是315.6~537.8℃，压力是20.7×105Pa。单元II是醇的吸收器，将醇、醛、酮吸收在水中，残余的丙烷和氮气返回丙烷回收系统。单元III是丙烷

回收器，用一般的吸收、解吸操作回收丙烷。单元IV是醇的分离器，使用一般的反应精馏的分离方法。单元V是丙烷的存贮装置，要有能维持几天生产的库存量，丙烷用桶车或载重车输运。单元VI是醇的存贮装置，能存贮几天生产的醇、醛、酮。试分别计算每一个单元的FEI值。反应单元FEI工厂：醇单元：反应原料：丙烷（2）高温149℃~538℃10%产品：醇、酮、醛（3）在接近爆炸限操作时共100%反应：C3H8+O2→CH3OH+CH3COCH3+CH3CHO反应器46.81．丙烷的MF值18醇吸收器23.42．SMH0丙烷回收器33.33．GPM总共50%FET=MF(1+SMH)(1+GPM)(1+SPH)=18(1+0)(1+50%)(1+140%)=6438连续反应50%4．SPH总共140%（1）高压17.2×105~207×105Pa

30%（表压）相对顺序爆炸及燃烧危险性单

元FEI相对顺序爆炸及燃烧危险性单

元FEI相对顺序爆炸及燃烧危险性反应单元64.81醇的分离单元18.66醇吸收单元23.45丙烷贮存单元45.02丙烷回收单元33.34醇的贮存单元37.53故障树分析(Fault

Tree

Analysis，FTA)故障树分析(FTA)技术是美国贝尔电报公司的电话实验室于1962年开发的，它采用逻辑的方法，形象地进行危险的分析工作，特点是直观、明了，思路清晰，逻辑性强，可以做定性分析，也可以做定量分析。体现了以系

统工程方法研究安全问题的系统性、准确性和预测性，它是安全系统工程

的主要分析方法之一。一般来讲，安全系统工程的发展也是以故障树分析

为主要标志的。1974年美国原子能委员会发表了关于核电站危险性评价报告，即“拉姆森报告”，大量、有效地应用了FTA，从而迅速推动了它的发展。故障树图(FTD)一个故障树图是从上到下逐级建树并且根据事件而联系，它用图形化"模型"路径的方法，使一个系统能导致一个可预知的，不可预知的故障事件（失效），路径的交叉处的事件和状态，用标准的逻辑符号(与，或等等)表示。在故障树图中最基础的构造单元为门和事件，这些事件与在可靠性框图中有相同的意义并且门是条件。故障树和可靠性框图(RBD－ReliabilityBlock

Diagrams)故障树图(或者负分析树)是一种逻辑因果关系图，它根据元部件状态(基本事件)来显示系统的状态(顶事件)。就像可靠性框图(RBDs)；FTD和RBD最基本的区别在于RBD工作在"成功的空间"，从而系统看上去是成功的集合，然而，故障树图工作在"故障空间"并且系统看起来是故障的集合。故障树分析中常用符号故障树分析中常用符号故障树分析的基本程序熟悉系统：要详细了解系统状态及各种参数，绘出工艺流程图或布置图。调查事故：收集事故案例，进行事故统计，设想给定系统可能发生的事故。确定顶上事件：要分析的对象即为顶上事件。对所调查的事故进行全面分析，从中找出后果严重且较易发生的事故作为顶上事件。确定目标值：根据经验教训和事故案例，经统计分析后，求解事故发生的概率(频

率)，以此作为要控制的事故目标值。调查原因事件：调查与事故有关的所有原因事件和各种因素。画出故障树：从顶上事件起，逐级找出直接原因的事件，直至所要分析的深度，按其逻辑关系，画出故障树。分析：按故障树结构进行简化，确定各基本事件的结构重要度。事故发生概率：确定所有事故发生概率，标在故障树上，并进而求出顶上事件(事故)的发生概率。比较：比较分可维修系统和不可维修系统进行讨论，前者要进行对比，后者求出顶上事件发生概率即可。分析：原则上是上述10个步骤，在分析时可视具体问题灵活掌握，如果故障树规模很大，可借助计算机进行。目前我国故障树分析一般都考虑到第7步进行定性分析为止，也能取得较好效果。自动聚合的反应过程原因事件进入该过程反应器的单体和溶剂的流速由包括有流量计，控制器和控制阀的控制系统来调节。反应器的温度靠冷却水夹套维持，而冷

却水的流速是由热电偶、控制器和流量控制阀组成的控制系统来调

节。这一系统最大的灾难是反应的失控，引起反应失控的原因如下：流入反应器的单体相对于溶剂的比例过大，反应过失控；反应温度过高，反应不均失控。系统初始的故障树图增加安全措施改进后的催化聚合反应系统流程示意图改进后系统的故障树图故障树分析法的优点事故树的果因关系清晰、形象。对导致事故的各种原因及逻辑关系能做出全面、简洁、形象地描述，从而使有关人员了解和掌握安全控制的要点和措施。根据各基本事件发生故障的频率数据，确定各基本事件对导致事故发生的影响程度——结构重要度。既可进行定性分析，又可进行定量分析和系统评价。通过定性分析，确定各基本事件对事故影响的大小，从而可确定对各基本事件进行安全控制所应采取措施的优先顺序，为制定科学、合理的安全控制措施提供基本的依据。通过定量分析，依据各基本事件发生的概率，计算出顶上事件（事故）发生的概率，为实现系统的最佳安全控制目标提供一个具体量的概念，有助于其它各项指标的量化处理。故障树分析法的缺点FTA分析事故原因是强项，但应用于原因导致事故发生的可能性推测是弱项。FTA分析是针对一个特定事故作分析，而不是针对一个过程或设备系统作分析，因此具有局部性。要求分析人员必须非常熟悉所分析的对象系统，能准确和熟练地应用分析方法。往往会出现不同分析人员编制的事故树和分析结果不同的现象。对于复杂系统，编制事故树的步骤较多，编制的事故树也较为庞大，计算也较为复杂，给进行定性、定量分析带来困难。要对系统进行定量分析，必须事先确定所有各基本事件发生的概率，否则无法进行定量分析。故障树分析法的应用范围在事故树分析中顶上事件可以是已经发生的事故，也可以是预想的事故。通过分析找出事故原因，采取

相应的对策加以控制，从而可以起到事故预防的作用。查明系统内固有的或潜在的各种危险因素，为安全设计、制定安全技术措施和安全管理提供科学、合理的依据。化工过程的能耗分析与评价——有效能（火用）分析及其应用有效能通用物系的有效能应用实例19世纪30-40年代，迈尔·焦耳（德国医生）发现并确定了能量转换与守恒定律。恩格斯将这列为19世纪三大发现之一（细胞学说、达尔文进化论）。能量转换与守恒定律定律指出：一切物质都具有能量。能量既不可能创造，也不能消灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而在转换中，能量的总量恒定不变。至今为止，没有一个人提出一个事实不符合这条

自然规律的，相反，在各个领域：天文、地理、生物、化学、电磁光、宏观、微观各领域都遵循这条规律。热力学是研究能量及其特性的科学，它必然要遵循这

条规律。热力学第一定律热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热力学中的应用，它确定了热力过程中各种能量在数量上的相互关系。在工程热力学的范围内，主要考虑热能与机械能之间的相互转换与守恒，因此热力学第一定律可表述为：热可以变为功，功也可以变为热，在相互转变时能的总量是不变的。根据热力学第一定律，为了获得机械能，则必须花费热能或其他形式能量，第一类永动机是不可能实现的。热力学第二定律Clausius说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体Kelvin说法：不可能从单一热源吸热使之完全变为有用的功而不引起其它变化。第二种永动机是不可能造成的，第二种永动机就是能从单一的热源吸收热量使之完全变为有用的功而不产生其他影响的机器。实质：自发过程都是不可逆的热力学第二定律热效率为100％的热机是不可能造成的；热传导、摩擦所产生的热现象是不可逆的；不需要由外加功而可操作的致冷机是不可能造成的等等。不论如何描述，其内容彼此相同，不外乎主张不可逆变化的存在。从分子运动论的观点看，热运动是大量分子的无规则运动，而作功则是大量分子的有规则的运动。无规则运动要变为有规则运动的几率极小，而有规则的运动变成无规则运动的几率大。一个不受外界影响的孤立系统，其内部自发的过程总是由几率小的状态向几率大的状态进行，总是从包含微观状态数目少的宏观状态向包含微观状态数目多的宏观状态进行。由此可见热是不可能自发地变成功，这就是热力学第二定律的统计意义。热力学定律根据热力学第零定律，确定了态函数——温度；根据热力学第一定律，确定了态函数——内能和焓；根据热力学第二定律，也可以确定态函数——熵。熵熵的微观物理意义：系统混乱程度大小的度量——热力学第二定律的数学表达式熵增原理若将系统和环境看作一个大系统，即为孤立系统，总熵变ΔSt等于封闭系统熵变ΔS和环境熵变ΔS0之和。自发进行的不可逆过程只能向着总熵增大的方向进行，最终趋向平衡态，熵增原理为判断过程进行的方向和限度提供了依据有效能有效能是指该物质（或物系）具有能够转化为有用功那部分能量；所谓提高有效能利用效率，就是指要充分利用这部分能量，尽量把它们全部地转化为有用功，尽量减少由于过程的不可逆性所导致的部分有效能未被利用就被遗失的浪费现象。能量转化是有条件的，正如热不能自动由低温物体传导至高温物体一样，物质（或物系）所具有的内能并不能全部转化为有用功，品位高的能量能转化为有用功，品位低的能量，即与周围稳定环境处于同品位的能量却不能。所以，有效能仅是内能的一部分。有效能定义“有效能”也称“火用”（Exergy），这个概念是由Keenan.J.H在1932的首先提出的，在50年代他又作了进一步的阐述；他定义物质（或物系）的有效能为：由于焓与熵都是物质（或物系）的一种性质，是状态参数，因而有效能也必然是一个状态参数，但它的数值不仅与给定的状态有关，而且也与所取的参照状态有关。由常识可知，当一个物质（或物系）与稳定的周围环境处于稳定的平衡状态时，它就丧失了向周围环境作功的能力。死态温度定为298.15K；压力定为一个标准大气压；基础浓度与参照物质：规定在周围环境中（即地球大自然中）大量的以稳定浓度存在的物质（元素或化合物）为参照物质，其稳定存在摩尔浓度被规定为基础浓度。元素参照物质基础浓度元素参照物质基础浓度OO2（气）0.2094MgMgCO3（固）NN2（气）0.781或CaCO3·MgCO3（固）1HH2O（液）1Fe5Fe2(SO4)3·2Fe(OH)3（固）CCO2（气）0.000302或Fe2O3(固)1SCaSO4·2H2O(固)1SiSiO2（固）1ClNaCl（固）1AlAl2O3·H2O(固)CaCa（NO3）2（固）或Al2O3(固)1或CaCO3（固）1纯物质的摩尔有效能混合物的摩尔有效能对于理想混合物，其各组分偏摩尔有效能即等于纯组分的摩尔有效能。一些化学物质的标准化学有效能物质ε8，kcal/gmol物质ε8，kcal/gmol物质ε8，kcal/gmolO2（气）0.9263F2（气）165.2COS（气）198.226N2（气）0.149Cl2（气）123.8HCN（气）154.96H2O（气）0.00Br2（液）112.57NH4Cl（固）125.866H2O（气）2.052I2（固）45.4NaCl（固）56.03H2（气）56.23HF（气）67.2NaOH（固）23.23CO2（气）4.8002HCl（气）71.6Na2CO320.866CO（气）65.815HBr（气）74.9CaO（固）30.74C（固）98.131HI（气）198.457CaCl2（固）4.583NO（气）21.26CH4（气）357.19MgCO3（固）63.443NO2（气）13.429C2H6（气）325.13Fe2O3（固）50.4NH3（气）80.456C2H4（气）817.13FeS2（固）53.01S（固）139.66C6H6（气）172.11SiO2（固）0SO2（气）68.85CH3OH（气）172.3Al2O3·H2O（固）0H2S（气）187.921C6H5OH（液）745.491空气0思考题1求取氧气的摩尔标准化学有效能：吉布斯自由能求取标准化学有效能γ1A1+γ2A2+γ3A3……γnAn=0从各物质的X

和g

计算非基准物A

的X0,j和gf,j

；其它物质可以是基准物，0,j

f,j

1也可以是非基准物，根据已提出的规定，当A1为反应物时，γ1为正，若为反应产物时，γ1为负。当任一Aj为元素时，其思考题在T0=298.15K和P0=101.3kPa的液态水为基准物，计算H2的标准化学有效能。在T0=298.15K和P0=101.3kPa的大气中CO2（气）为基准物，其基准组成X0=0.000302。试计算C的标准化学有效能。试计算甲醇CH3OH（气）的标准化学有效能。通用物系的有效能分析式对于每一个真实的系统，或一个子系统，或者一个设备元，其有效能平衡式可表达为：ΔAEx——有效能损失。——进入系统有效能；——引出系统有效能；有效能损失是由于过程不可逆性引起的流体流运过程中节流作用，如通过精馏塔的阀门导致的节流。在不同温度介质之间的热传递，或者不同温度流体的混合。在非平衡状态下流股间的质量传递。一切不可逆过程都必然产生有效能损失，不可逆性愈大损失也愈大。通用物系的有效能平衡式有效能平衡式是由系统的能量平衡式和熵平衡式联立推演得到的，先推导通用系的能量平衡式，再推导熵平衡式，最后联立求解。能量平衡通式如果系统A在t1时刻处于状态1，和外界发生了上述的质量传递与能量传递后，在t2时刻转变到状态2时，按照热力学第一定律对系统A可列出能量平衡式。对于稳态过程，ΔE=EA2-EA1=0，且可忽略各流股的动能与势能变化时，简化为一般的能量平衡通式如下：（简化设l=1）熵平衡式按照系统A的前后两个状态，应用热力学第二定律，针对包括环境与系统A在内的整个孤立体系，建立熵平衡式。定义

为某组分相对于死态的偏摩尔熵，并注意死态为热力学平衡态，用此概念整理可得熵平衡通式：对于稳态过程，有SA2=SA1，简化为一般式：有效能衡算能式[(EA2-EA1)-T0(SA2-SA1)]系统A做功的效率系统A处于稳态热力学效率一个系统的热力学效率就是指外界供给此系统的全部能量（或外界供给此系统的全部有效能），在过程中被有效利用的能量（或有效利用的有效能）所占比例的大小。所以热力学效率是能量和有效能被合理利用程度的一个度量。热力学第一定律效率η1η1=由系统A输出的有用的能量总合/外界输入系统A的能量总合热力学第二定律效率η2η2=由系统A输出的所需的有效能总合/外界输入系统A的有效能的总合思考题1<例5.8>图5.7给出一个应用于水泥生产的原料预处理工序的研摩过程，进入研摩设备的物质乃是平均温度为3.5%（质量）的物理混合物。表5.6给出进出此系统各流股的速度及组成。在此设备中物料受到热空气的干燥及研摩粉碎。求取其损失的有效能及热力学第一定很效率及热力学第二定律效率以及设备的第一、第二定律效率η1、η2、(η1)0、(η2)0。研磨过程示意图各流股流速及组成流股NO组分化学式摩尔分率流量(m+j),(kmol/d)1B1石灰石CaCO3(97.6%)MgCO3(2.4%)0.6645269.117B1粘土2Sio2·Al2O30.03195253.605B3鼓风炉渣Fe2O30.003931.243B4黄铁矿FeS20.0030524.222B5沙SiO20.126999.966B6含湿（水分）H2O0.1711358.42空气（热）O2,

N2,

CO2,

H2O1120203空气O2,

N2,

CO2,

H2O1132684C1石灰石CaCO3(97.6%)MgCO3(2.4%)0.7885269.117C2粘土2SiO2·Al2O30.0379253.605C3鼓风炉渣Fe2O30.0046731.243C4黄铁矿FeS20.003624.222C5沙SiO20.1495999.966C含湿（水份）H