Основы проектирования производств основного органического синтеза3

ность этих деталей определяется жесткостью, которая обеспечивается применением ребер, приливов, перегородок, буртиков и других средств. Размеры этих деталей (станины, корпусы, крышки, рамы, кронштейны, стойки) определяются на основе эмпирических данных с учетом компоновочных, конструкторско-технологических и архи- тектурно-эстетических соображений.

3. Детали, нагрузки на которые столь малы, что прочностной расчет их не проводится. Размеры этих деталей (ограждения, распорные втулки, установочные штифты, рукоятки, маховики, педали, масленки) выбирают по конструктивно-технологическим и эстетическим соображениям.

Эмпирические приемы, используемые при проектировании деталей второй и третьей группы, затрудняют формальное описание этих деталей, необходимое для автоматизации расчетов и проектирования этих деталей.

Рассмотренные особенности проектирования оборудования показывают, что проектирование является одним из видов интеллектуальной творческой деятельности. При этом автоматизация проектирования не лишает проектирование его творческого начала, а, наоборот, оставляет больше времени проектировщику для выполнения творческих функций.

Впроцессе проектирования инженер выполняет как творческие функции, связанные с затратой умственного труда, так и нетворческие функции, связанные с выполнением и оформлением расчетов и чертежей стандартных деталей и сборочных единиц.

Вавтоматизированном проектировании в системе «человек– машина» человек играет главную роль, управляя ходом проектирования путем принятия проектных решений, сообщаемых машине. Конструктор при этом освобождается от выполнения умственноформальных рутинных функций.

Автоматизация проектирования позволяет не только автоматизировать труд проектировщика, но и повысить техникоэкономические показатели проектируемых объектов за счет выбора оптимальных проектных решений.

41

Особенности проектирования аппаратов можно рассмотреть на примере. Установка штуцера на корпусе емкостного аппарата приводит к ослаблению прочности корпуса и необходимости укрепления корпуса накладкой, а также к нарушению монолитности защитной футеровки и увеличению затрат на футеровку. Защита штуцеров малого диаметра более трудоемка и менее качественна, чем защита штуцеров большого диаметра. Поэтому число штуцеров на аппарате должно быть минимальным. Этого удается достигнуть подключением через один штуцер нескольких коммуникаций. Установку штуцеров целесообразно осуществлять в верхней части аппарата, т.е. в газовой фазе. Это позволяет легче обнаруживать утечки среды и устранять утечку. Конструкция штуцера должна быть доступной для проведения химзащитных работ. В первую очередь выполнение этого условия определяется диаметром штуцера. Патрубки штуцеров должны проектироваться по возможности короткими с учетом обеспечения заводки болтов. Применение штуцеров прямоугольной формы не рекомендуется.

Штуцер работает в более тяжелых условиях, чем корпус аппарата. Он подвержен действию сосредоточенных нагрузок от веса подключенных трубопроводов, нагрузок от затяжки болтовых соединений, нагрузок от температурных деформаций трубопроводов, нагрузок от скорости, температуры и коррозионных свойств подводимой по штуцеру среды.

Отмеченные особенности показывают сложность формализованного описания конструкции аппарата и соответственно приемов проектирования аппаратуры. Поэтому автоматизация проектирования оказывается успешной только при выполнении проектирования в диалоговом режиме.

Типичные ошибки, возникающие на этапе проектирования реакторов и их внтрикорпусных устройств

(Представительство Daily Thermetrics)

Здесь рассмотрены некоторые типичные ошибки, которые часто делают при проектировании внутрикорпусных устройств реактора, и в том числе многозонных термопар. Но перед этим необходимо отметить два обстоятельства:

42

–во-первых, при реализации проекта прилагаются огромные усилия для того, чтобы обеспечить равномерное распределение потока в реакторе;

–во-вторых, изготовление реактора и его деталей имеет очень высокую стоимость.

Проектирование и производство реактора занимают достаточно продолжительное время. Но, несмотря на это, консультации со специалистами по контролю над радиальным распределением температуры нередко откладываются на достаточно поздние этапы реализации проекта, когда реактор фактически разработан или уже размещен в производство.

Таким образом, заказчик самостоятельно лишает себя реальной возможности снижения стоимости проекта, которого можно было бы достичь за счет оптимизации количества вводных штуцеров. Также не стоит забывать об опорных конструкциях многозонных термопар, которые при неправильном проектировании могут оказать негативное влияние на равномерное распределение потока.

Еще один существенный момент – в большинстве случаев запрещено проводить сварочные работы внутри реактора после проведения тепловой обработки.

Итак, почему важно работать с компанией, которая хорошо знакома с требованиями лицензиаров и применением систем термометрии с радиальным профилем?

Предоставляя лицензию, разработчик технологий во многих случаях формирует шорт-лист производителей, предполагая, что заказчик будет сотрудничать с одним из них.

Естественно, что лицензиар, приводя данные рекомендации, имеет многолетний положительный опыт применения оборудования данных поставщиков в своих технологических процессах.

Однако известны ситуации, когда заказчик игнорировал реко-

мендации лицензиара и использовал, по разным причинам, оборудование непроверенных производителей и поставщиков, что в некоторых случаях приводило к различным негативным последствиям, начиная от низкого качества оборудования и срыва сроков поставки и

43

заканчивая негативным влиянием на равномерное распределение потока и недостоверными измерениями.

Системы термометрии с радиальным температурным профилем – это достаточно специализированное направление рынка термоизмерений, но, несмотря на это, многие компании пытаются заниматься производством таких систем без реального понимания конечных целей, а также собственных возможностей. В итоге эти компании, подрядные организации и специалисты НПЗ оказываются в довольно затруднительном положении при монтаже и эксплуатации подобных систем.

Пример 1. Крупный производитель реакторов разработал проект нескольких реакторов гидроочистки. Спецификация лицензиара требовала до четырех уровней датчиков на слой, каждый со своим фланцем диаметром 4 дюйма. Благодаря тесному взаимодействию с лицензиаром и пониманию особенностей применения систем мы смогли успешно исключить несколько фланцев (в тех случаях, когда это было целесообразно), а также уменьшить размер всех фланцев до 3 дюймов. На первый взгляд эти изменения кажутся незначительными, однако они обеспечили заказчику экономию от 6 до 9 млн руб. Дополнительную экономию можно получить за счет уменьшения размеров платформ и мостков, длины кабелей и т.д.

Пример 2. Осуществляется крупный проект по обеспечению соответствия стандарту Euro. Разработчик процесса разработал реакторы с контрольными точками в верхней и нижней части слоя. Этого вполне достаточно для текущего применения. Однако не был принят во внимание тот факт, что в будущем реактор должен будет соответствовать более жесткому стандарту Euro. Весьма вероятно, что при использовании в будущем более реакционноспособного или экзотермичного катализатора потребуются контрольные точки в середине слоя. Приваривать крепления к стенкам реактора запрещено, поэтому непонятно, как в дальнейшем можно будет добавить необходимые для них опоры. Потратив сейчас несколько миллионов рублей, можно было бы легко обеспечить возможность будущего расширения.

44

Пример 3. Нефтехимическое предприятие приобрело систему у уважаемой компании, которая неправильно поняла спецификацию. Предприятие не воспользовалось услугами рекомендованного поставщика, который разработал систему для этого конкретного реактора. В данном случае контрольные точки в реакторе должны были находиться на одной линии под углом 90° вниз от штуцера. Выбранный предприятием поставщик продал некоторое измерительное оборудование. Лишь приступив к установке этого оборудования, сотрудники предприятия поняли, что купленные многозонные термопары не являются гибкими и, следовательно, размещение данных термопар на определенном уровне невозможно.

При оптимизации конструкции аппарата предусматривается: 1) наилучшее обеспечение технологического процесса; 2) максимальное удобство обслуживания при эксплуатации; 3) наибольшая технико-экономическая эффективность. Первое условие зависит от конструкции узлов нагрева-охлаждения продукта, кинематической схемы машины, схемы привода. Второе условие определяется удобством осмотра и смазки, конструкцией пар трения, механизацией загрузки-разгрузки. Третье условие определяется производительностью, стоимостью, надежностью, т.е. при детальной расшифровке – такими параметрами, как сложность конструкции, число узлов, масса аппарата, точность изготовления, необходимые материалы.

2.2. Обогрев реакционной аппаратуры

Большинство химических процессов проводится при температурах, отличных от нормальной, поэтому для создания в объеме реактора температуры, необходимой для проведения процесса, требуется обогрев или охлаждение с помощью соответствующих теплоносителей или хладагентов. Химическая реакция сопровождается выделением или поглощением теплоты, и, таким образом, при обогреве реакторов должен учитываться тепловой эффект химической реакции.

45

Возможны следующие методы организации теплообмена в реакционных аппаратах.

I. Внутренний теплообмен (отсутствие теплообменной поверхности).

1.Перегрев исходной смеси реагентов, обеспечивающий компенсацию затрат теплоты на осуществление химической реакции. Этот метод применяется для адиабатических процессов, проводимых в емкостных аппаратах, если перегрев реагентов не приводит к возникновению процессов термического превращения.

2.Носителем теплоты является один из компонентов реакционной системы. Таким носителем может быть пар, который при смешивании с реагентами отдает им теплоту, а также реагент, добавляемый в различных точках аппарата для отвода теплоты, например байпасный газ в полочных аппаратах; один из реагентов, например в газожидкостных процессах – газ, участвующий в реакции, иногда не нагревается, а непосредственно в самом реакторе этот газ, имеющий малую теплоемкость, разогревается за счет большой энтальпии жидкости. Носителем теплоты может быть катализатор или инертный материал для аппаратов с неподвижным, псевдоожиженным и движущимся слоем катализатора или инертного теплоносителя.

II. Внешний теплообмен – передача теплоты через теплопередающую поверхность. Этот метод осуществляется с помощью теплоносителей или хладагентов. При выборе теплоносителя определяющим фактором служит необходимая температура процесса. Для осуществления процессов при температуре 60–100 °С могут быть выбраны теплоносители, применение которых для процессов, идущих при температуре 300–400 °С, окажется невозможным. Поэтому основной характеристикой теплоносителя является рабочий интервал температур применения.

Требования к теплоносителям: низкое давление насыщенных паров в широком интервале температур; большая теплоемкость и большая теплота парообразования или конденсации; термостойкость, т.е. способность не окисляться и не разлагаться при высоких температурах; минимальная пожаро- и взрывоопасность; минималь-

46

ная токсичность; большая продолжительность работы без регенерации (1–2 года); низкая стоимость; малое агрессивное воздействие на конструкционные материалы.

Ни один из существующих теплоносителей не удовлетворяет одновременно всем перечисленным требованиям. Например, вода из всех жидкостей имеет наибольшую теплоту парообразования, нетоксична, термостойка, дешева, но уже при небольших температурах имеет большое давление насыщенных паров, поэтому применение ее в качестве теплоносителя при температурах более 200–300 оС, а соответственно, и насыщенного водяного пара, требует поддержания высоких давлений в системе циркуляции теплоносителя.

Применение находят следующие группы теплоносителей: насыщенный водяной пар; дымовые газы; легкоплавкие соли; легкоплавкие металлы; высокотемпературные органические теплоносители; в отдельную группу можно отнести обогрев с помощью электрического тока.

Электрообогрев может осуществляться следующими способами. 1. Нагрев сопротивлением. При нагреве сопротивлением через стенку аппарата она обматывается спиралью в керамических кольцах и изолируется. Удобнее открытая прокладка спирали без керамических колец, но при этом обязательно между металлической стенкой аппарата и спиралью укладывается слой электроизоляционного теплостойкого материала (асбест, стеклоткань и др.), а снаружи спираль покрывается слоем теплоизоляции. В случае нагрева газов при непосредственном соприкосновении с электроспиралью намотанная на электроизоляционный стержень спираль помещается в трубопровод или аппарат. При интенсивном нагреве требуется установка нескольких стержней со спиралями. Для увеличения теплоотдачи стержни устанавливаются перпендикулярно потоку газа в не-

сколько слоев в шахматном порядке.

Серийными являются трубчатые электрические нагреватели – ТЭНы. Эти нагреватели представляют собой U-образные трубки длиной 1,0–1,5 м и диаметром 12–30 мм. Внутри трубок находится нихромовая спираль. Для хорошей передачи теплоты трубку делают

47

из тонкостенной бесшовной трубы из углеродистой или нержавеющей стали. Пространство между спиралью и стенками трубки заполняется порошком плавленой окиси магния. Этот порошок является хорошим электроизолятором, так как обладает высоким электрическим сопротивлением и в то же время является жаростойким и хорошо проводит теплоту. Для комплектации теплообменного нагревательного элемента несколько ТЭНов монтируются в общей трубной доске. Чаще всего ТЭНы применяются для нагрева жидкостей.

Электроподогреватели применяются не только в качестве технологических, т.е. работающих во время ведения технологического процесса, но и в качестве пусковых, т.е. для разогрева реактора в период пускаприпроведении реакций, идущихс выделением теплоты.

2. Индукционный обогрев основан на использовании вихревых токов, при прохождении которых через проводник тока выделяется теплота. Таким образом, при индукционном обогреве должна быть катушка, являющаяся первичной обмоткой трансформатора, а вторичной обмоткой служит стенка аппарата или иной предмет, в котором индуктируются вихревые токи. При индукционном обогреве используется электрический ток промышленной частоты (50 Гц) напряжением 220 или 380 В. Катушка должна быть отделена от стенки аппарата слоем электроизоляционного материала, в качестве которого чаще всего используется асбест. В самой катушке также происходит выделение теплоты, поэтому она охлаждается током воздуха, а иногда и воды.

Стенки аппарата для получения больших магнитных потоков должны быть выполнены из ферромагнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью. Зазор между катушкой и стенкой аппарата должен быть минимальным. Катушки устанавливаются на цилиндрической части аппарата и на днище. Они могут устанавливаться также внутри аппарата, при этом теплота будет выделяться не в стенке аппарата, а в стальном кожухе, окружающем катушку.

Для индукционного нагрева газов применяются проточные индукционные нагреватели, основными элементами которых являются перфорированный греющий цилиндр, обмотка и внешний магнито-

48

провод. Нагреваемый продукт поступает в полость между цилиндром и обмоткой, создавая тепловую завесу между ними. При обтекании цилиндра и при прохождении через щели или отверстия цилиндра газ нагревается до 250–450 °С.

Катушки индуктора потребляют около 5 % подводимой энергии и имеют температуру 100–150 °С. При удельной мощности индуктора 600–700 кВт/м2 используется водяная система охлаждения катушек, при 100–120 кВт/м2 – система воздушного охлаждения, при 40–50 кВт/м2 охлаждения не требуется.

Достоинство индукционного обогрева состоит в высокой точности поддержания температуры без местных перегревов продукта.

3. Нагрев электрической дугой находит применение при элек-

трокрекинге углеводородов, производстве карбида кальция и фосфора и т.д. При нагреве электрической дугой достигаются высокие температуры (1600 °С), но для создания электрической дуги требуютсявысокоенапряжение (7000 В) и большая силатока(900 А).

Помимо отмеченных способов электрообогрева возможен также нагрев токами высокой частоты и инфракрасными лучами, но для реакционных аппаратов эти способы нагрева не находят применения. Электрообогрев дорог, но позволяет легко регулировать температуру реакционной массы. Его применение целесообразно для малогабаритных аппаратов (объемом до 0,63 м3), так как электронагреватели практически не требуют больших эксплуатационных расходов, которые неизбежны при использовании любого теплоносителя.

Водяной пар может использоваться в насыщенном или перегретом виде. Перегретый водяной пар практически является газом и характеризуется, так же как и дымовые газы, малой величиной коэффициента теплоотдачи. Насыщенный водяной пар является самым доступным и потому наиболее распространенным теплоносителем (рис. 2.1). Достоинством насыщенного водяного пара является высокое значение коэффициента теплоотдачи при конденсации

( α =20 кВт/(м2 К)).

49

Рис. 2.1. Схемы циркуляции теплоносителя при паровом обогреве:

а – естественная циркуляция; б – принудительная циркуляция; 1 – паровой котел; 2 – обогреваемый аппарат; 3 – конденсационный горшок;

4 – сборник конденсата; 5 – фильтр; 6 – насос

Если принять допустимое давление водяного пара 1,6 МПа, то максимально возможная температура его как теплоносителя будет составлять всего лишь 200 °С. Таким образом, водяной пар как теплоноситель может применяться лишь для нагрева до невысоких температур.

Дымовые газы, в отличие от насыщенного водяного пара, позволяют осуществить нагрев до очень высоких температур (1000 °С). Они широко распространены для обогрева разнообразной реакционной аппаратуры. Недостатком дымовых газов является низкое значение коэффициента теплоотдачи (15–50 Вт/(м2 К)), неравномерность обогрева, трудность регулирования нагрева, высокое содержание кислорода, приводящее при высоких температурах к окислению материала аппаратуры, высокая температура отходящих газов (около 500 °С), что не позволяет полностью использовать теплоту сгорания топлива.

Регулирование температуры при обогреве дымовыми газами возможно путем смешения свежих дымовых газов, имеющих высокую температуру (1000–1800 °С), с отработанными дымовыми газа-

50