2. Методы расчета и основные требования к химической и нефтехимической аппаратуре
Развитие химии связано с созданием новых, эффективных и высокопроизводительных конструкций аппаратов и оборудования. Создание новой аппаратуры обуславливается рядом общих требований.
Изготовлению каждого аппарата или машины предшествует его проектирование (конструирование). В зависимости от значимости оборудования, его изученности, наличия типовых проектов или апробированных решении проектная организация проектирует его в одну или две стадии.
В подавляющем большинстве случаев оборудование проектируют в одну стадию, при этом заказчику выдается техно-рабочий проект, содержащий всю необходимую документацию (схемы, чертежи, сметы) для изготовления данного оборудования.
Оборудование, которое не имеет прототипа, мало изучено и играет определяющую роль в технологическом процессе, проектируют в две стадии.
Первая стадия называется техническим проектом .На этой стадии решаются принципиальные вопросы и проводятся укрепленные расчеты. Технический проект содержит подробные разработки и конкретные решения конструкции оборудования, что позволяет тщательно разработать и проанализировать проект и избежать возможных ошибок.
Основными данными для проектирования обычно являются: производительность, режим работы, расходные нормы, условия нормальной работы, коррозионные и токсические свойства сырья и получаемых продуктов, а также требования техники безопасности, характерные для данного процесса.
Производительность может быть задана по сырью, целевому продукту, полуфабрикатам, реагентам, тепло- и хладоносителям и т.д. Режимом работы предусматривается продолжительность работы непрерывно действующего оборудования или продолжительность отдельных операций и циклов для периодически действующего оборудования. Некоторые данные, если они не заданы, находят расчетным путем, например, выход целевого продукта или полуфабрикатов, если задано их качество.
Проектирование аппаратов и машин включает их.
Технологический расчет необходим для определения основных размеров оборудования, обеспечивающих оптимальный режим работы его. Для этого определяют массовые потоки перерабатываемых материалов, энергетические затраты, необходимые для осуществления процесса. Путем анализа кинетических закономерностей находят такие оптимальные условия процесса, при которых размеры оборудования минимальны. При проектировании производится расчет нескольких вариантов, чтобы был возможен выбор наиболее эффективных условий работы при наименьших затратах.
Технологический расчет оборудования проводят в определенной последовательности. Сначала на основе законов сохранения массы и энергии составляют материальный и энергетический балансы.
Из закона сохранения массы выводится уравнения материального баланса:
(1)
где Gh – масса исходных данных (начальных) материалов,
Gk – масса конечных продуктов,
GH,П -масса необратимых потерь вещества.
Материальный баланс для непрерывных процессов составляется на единицу времени, а для периодических процессов - на одну операцию.
Соответственно из закона сохранении энергии следует уравнение энергетического (теплового) баланса:
(2)
где ∑QH – вводимое (начальное) тепло,
∑ QK – тепло, уходящее из аппарата с продуктами (конечное),
∑ QП – потери тепла в окружающую среду.
Вводимое тепло включает тепло, вносимое с исходными веществами, тепло, подводимое извне, и тепловой эффект физических и химических пре-вращении. Тепловой эффект является положительной величиной, если процесс сопровождается выделением тепла, и отрицательной — если в ходе процесса тепло поглощается.
Материальный и тепловой балансы для удобства составляют в виде схем или таблиц, где указывают все статьи поступления и расхода. В случае сложных аппаратов материальный и энергетический балансы составляют для отдельных частей (участков) аппарата.
После составления материального и энергетического (теплового) балансов определяют движущую силу и скорость процесса, протекающего в аппарате, чтобы определить основные, определяющие размеры последнего.
Известно, что всякий процесс протекает до тех пор, пока система не придет в состояние равновесия. Например, при контакте двух тел с разными температурами процесс завершится тогда, когда температура обоих тел станет одинаковой, т.е. наступит состояние равновесия. Разность температур тепло-обменивающихся тел является движущей силой процесса теплообмена.
Чем больше эта разность, т.е. чем больше отличается состояние системы от условий, соответствующих равновесным, тем интенсивнее протекает процесс. Таким образом, степень отличия системы от равновесной представляет собой движущую силу процесса.
При расчете каждого аппарата необходимо определить движущую силу процесса исходя из величин, характеризующих рабочие и равновесные параметры. Связь между размерами аппарата, движущей силой процесса и его скоростью можно выразить уравнением:
M/Fτ=K, (3)
где М – количество передаваемого вещества или тепла,
F – поверхность, через которую они передаются,
τ – время, за которое осуществляется эта передача,
Δ – движущая сила процесса
К – коэффициент пропорциональности, характеризующей скорость процесса (выбирается на основании экспериментальных данных либо определяется расчетным путем).
Из уравнения находят рабочую поверхность аппарата, обеспечивающую процесс при всех остальных заданных величинах, входящих в уравнение. Из этого уравнения можно также определить рабочий объем аппарата V, зная, что F=aV (где а – поверхность, приходящаяся на единицу объема аппарата).
При известном объеме среды, находящейся в аппарате в единицу времени VCEK, и линейной скорости движения среды в аппарате w можно найти площадь поперечного сечения аппарата:
S=VCEK/w (4)
Зная S, определяют линейные размеры поперечного сечения аппарата исходя из формы сечения. Для цилиндрических аппаратов находят их диаметр:
D=2 S/π (5)
Высоту или длину аппарата определяют из соотношения
H=V/S, (6)
где V – рабочий объем аппарата; S – площадь поперечного сечения;
Н – высота (длина) аппарата.
Расчетную высоту (длину) аппарата уточняют в зависимости от размеров устройств, которые должны быть в нем размещены, а также с учетом необходимости проведения ремонтных работ и удобства обслуживания при эксплуатации.
При технологическом расчете аппаратов периодического действия необходимо учитывать время на подготовку процесса перед каждым циклом время, которое затрачивается на загрузку-выгрузку, промывку и другие вспомогательные операции, не имеющие прямого отношения к тому процессу, для которого предназначен аппарат.
Рабочий объем V периодически действующего аппарата определяют по формуле
V=VCУTτk/24φ (7)
где VCУT – суточная производительность аппарата или группы аппаратов, предназначенных для данного процесса;
τ – время технологического цикла, состоящего из собственно процесса и всех вспомогательных операций;
k – коэффициент запаса производительности;
φ – коэффициент заполнения аппарата.
Коэффициент запаса производительности k, учитывающий непроизводительные простой аппарата на ремонт, наладку и т.д., принимается равным 1,1 – 1,15. Коэффициент заполнения φ, обычно принимают равным 0,4 – 0,9. Нижний предел принимается для аппаратов с перемешивающими устройствами, а также для аппаратов, в которых возможно образование пены, верхний предел - для аппаратов, в которых поверхность среды относительно спокойная.
Если при расчете получился очень большой рабочий объем V то, задавшись объемом одного аппарата VA, определяют число необходимых для процесса однотипных аппаратов n:
n=V/VA (8)
При установлении объема аппарата следует учесть, что соответствующий ГОСТ предусматривает нормальный ряд цилиндрических аппаратов и сосудов объемом до 200 м3. Ниже приводятся данные из этого ГОСТ (начиная с 1 м3):
1,00 2,5 6,3 16,0 40,0 100
1,25 3,2 8,0 20,0 50,0 125
1,60 4,0 10,0 25,0 63,0 160
2,00 5,0 12,5 32,0 80,0 200
Число, выражающее объем проектируемого аппарата – не должно отличаться от диаметра аппарата нормального ряда более чем на +10 и -5%.
Внутренний объем крышек, люков, штуцеров, а также объем защитной футеровки и других покрытий при определении номинального объема аппарата не учитывается.
Для газгольдеров, емкостей под нефтепродукты, аппаратов колонного типа, теплообменников и некоторых других аппаратов приведенный выше нормальный ряд объемов не обязателен.
Зная объем аппарата, нетрудно определить его размеры. Для этого задаются площадью сечения и определяют высоту (длину) аппарата или наоборот, задавшись высотой (длиной), определяют площадь поперечного сечения и, следовательно, диаметр аппарата.
Наряду с основными размерами аппарата в результате технологического расчета определяют или задают тепловой режим, расход теплоносителей, потери напора, потребные мощности и другие параметры, без которых невозможно проектирование оборудования.
Итак, основными задачами при технологическом расчете оборудования являются:
а) определение заданной производительности основных размеров аппарата, которые зависят от размеров его основных элементов: объема, поверхности теплообмена, количества катализатора и др.
б) определение расхода воды, пара, электроэнергии и других теплоэнергетических средств.
Механический расчет. Процессы, для которых проектируется оборудование нефтеперерабатывающих заводов, отличаются чрезвычайным разнообразием параметров. Основным эксплуатационными параметрами является темпера-тура, давление и физико - химические свойства среды. Для технологического оборудования характерен непосредственный контакт со средами, поэтому при широком интервале параметров работы оборудование часто проявляется сильное агрессивное воздействие среды, зависящее от ее физического состояние и химических свойств.
Оборудование должно быть надежным и безопасным в эксплуатации.
Такие условие, как высокая производительность, повышенные взрывов и пожароопасность среды, продолжительная непрерывная работа обусловили дополнительные требования к конструкции оборудования нефтеперерабатывающих заводов. Оборудование считается надежным, если оно полностью соответствует технологическому назначению в пределах заданных параметров работы, если исключена возможность нарушения целостности и рабочей пригодности всей конструкции, ее узлов и деталей и, следовательно, возможность аварий.
Автоматическое регулирование и поддержание заданного режима технологического процесса, которое осуществляется в настоящее время повсеместно, в сочетании с разнообразными частными решениями, например, установка предохранительных клапанов, систем сигнализации и др., обеспечивает работу оборудования в строго определенных пределах параметров. Поэтому надежность оборудования обусловлена, прежде всего, его конструкцией и уходом за ним в процессе эксплуатации.
Надежность конструкции обеспечивается механическим расчетом, т.е. расчетом на прочность оборудования в целом, его узлов и деталей. Для изготовления оборудования выбирают такие конструкционные материалы, свойства которых на протяжении установленного срока непрерывной эксплуатации не ухудшаются по сравнению с допускаемыми для каждого конкретного случая нормами. Конструкция должна обеспечить наибольшую долговечность оборудования продолжительность сохранения минимально допустимой надежности в условиях эксплуатации и принятой системы обслуживания (уход и ремонтов). Однако при увеличении долговечности конструктивным путем (за счет увеличения толщины стенки аппарата, диаметра вала машины и т. д.) или путем применения высококачественных конструкционных материалов повышается стоимость оборудования, а это не всегда целесообразно. Следует помнить, что быстрое совершенствование технологических процессов в нефтепереработке требует частого переоснащения технологических установок и целых комплексов. И тогда оборудования списывается не из-за потери надежности, а вследствие технологической, а иногда и конструктивной отсталости (вследствие освоения промышленностью новой технологии процесса, новых конструкционных материалов и др.). Поэтому при установлении проектной долговечности следует исходить из перспективности технологического и конструктивного решения каждого вида оборудования.
Конструкция оборудования должна быть технологичной в изготовлении, удобной для транспортировки, монтажа и ремонта. Она должна быть максимально экономичной, что определяется, прежде всего, минимальным расходом конструкционных материалов, особенно дефицитных, дорогостоящих.
Только правильно проведенный расчет на прочность или жесткость может удовлетворить все требования, предъявляемые к конструкции оборудования.
После определения всех конструктивных размеров аппарата или машины составляет рабочие чертежи, по которым на машиностроительном заводе изготовляют данное оборудование.
Несмотря на многообразие процессов и видов оборудования нефтеперерабатывающей промышленности, за последние годы проведена большая работа по унификации ряда аппаратов и машин, а также узлов и деталей к ним. Это значительно облегчило их проектирование и изготовление и повысило эффективность использования.