Оптимизация конструкций змеевиков трубчатых печей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Каданцев, Михаил Николаевич

• Каданцев, Михаил Николаевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Каданцев, Михаил Николаевич

Введение.

1 Анализ конструктивно - технологических характеристик трубчатых змеевиков печей атмосферно — вакуумной перегонки нефти.

1.1 Особенности технологического процесса перегонки нефти.

1.2 Особенности блока вакуумной переработки нефти.

1.3 Змеевики трубчатых печей.

1.4 Классификация дефектов змеевиков.

1.5 Тепловой режим эксплуатации змеевиков.

1.6 Особенности гидравлических режимов движения сырья

1.7 Особенности фазового перехода жидкость - пар.

1.8 Пути оптимизации змеевиков трубчатых печей.

1.9 Экспериментальное исследование змеевиков трубчатых печей.

1.10 Постановка задачи оптимизации конструкций трубчатого змеевика.

1.11 Выводы.

2 Методы анализа гидродинамических параметров сырья в трубчатом змеевике и его напряженно- деформированного состояния.

2.1 Определение потери напора при испарении и нагреве сырья.

2.2 Численные методы исследований течения среды в змеевиках.

2.3 Метод анализа движения среды в ПК FlowVision.

2.4 Равновесная модель кавитации.

2.5 Анализ гидродинамических параметров потока в узле труба -конический переход.

2.6 Определение потери давления в змеевике с однофазным режимом движения сырья.

2.7 Обзор существующих методов расчета НДС.

2.8 Численные методы исследований НДС змеевика.

2.9 Методы оптимизации конструкций змеевиков и их элементов.

2.10 Выводы.

3 Анализ гидродинамических параметров двухфазного потока.

3.1 Анализ теплофизических характеристик углеводородного сырья.

3.2 Анализ потерь давления в змеевике без конического перехода с двухфазным режимом движения сырья.

3.3 Алгоритм оптимизации змеевика по скорости выхода продукта.

3.4 Определение координаты размещения конического перехода в змеевике.

3.5 Исследование параметров фазового перехода жидкость - пар.

3.6 Исследование влияния вида сырья на скорость продукта в змеевике

3.7 Анализ гидродинамических параметров трансферного трубопровода.

3.8 Гидродинамика потока в системе труба - отвод - конический переход.

3.9 Выводы.

4 Анализ НДС конструкции трубчатого змеевика.

4.1 Анализ НДС змеевика трубчатой печи.

4.2 Оценка НДС трубчатого змеевика с трансферным трубопроводом.

4.3 Влияние геометрических параметров на НДС в узле переход отвод.

4.4 Влияние изменения конструкции узла переход - отвод на его

4.5 Исследование НДС трубы змеевика в зоне конического перехода.

4.6 Оптимизация конструкции конического перехода трубы змеевика. 103 ! 4.7 Исследование температурных напряжений в поперечном сечении трубы.

Д 4.8 Выводы.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация конструкций змеевиков трубчатых печей»

Актуальность работы. Производство качественных продуктов в результате переработки углеводородного сырья - основная тенденция, определяющая развитие нефтегазоперерабатывающей промышленности. Наиболее значимым в технологическом процессе оборудованием является трубчатая печь, основным элементом которой является трубчатый змеевик воспринимающий основную тепловую нагрузку со стороны продуктов сгорания топлива и подвергающий воздействию со стороны нагреваемого потока внутри труб.

Образование на участке испарения большого количества паровой фазы обусловленное процессами нагрева, частичного или полного испарения ведет к возрастанию линейных скоростей сырья и перепаду давления в змеевике. В процессах вакуумной переработки нефти состояние потока на выходе из печи имеет особое значение, так как от его параметров зависят рабочие характеристики контактных устройств колонных аппаратов.

Наиболее распространенный способ снижения скорости потока сырья -это увеличение диаметра трубы трансферного трубопровода. Но вследствие ограниченности его длины снизить скорость потока удается лишь до определенных пределов. Кроме этого, вследствие высокого паросодержания потока данный прием приводит к возрастанию перепада давлений, поэтому изменение диаметров производят начиная с конечного участка змеевика. При этом вопрос о выборе места изменения диаметра на этом участке с точки зрения получения требуемой скорости потока на выходе из змеевика не оценивался. Также важно то, что распределение давления и температуры по длине змеевика в этом случае может оказывать существенное влияние на напряженно - деформированное состояние его конструктивных элементов и узлов.

Одним из возможных путей решения данной проблемы является подход, основанный на оптимизации конструкций змеевика по конструктивно - технологическим параметрам путем их изменения с целью обеспечения заданных рабочих характеристик. Данный подход позволяет найти лучшие конструктивные решения для узлов и элементов змеевика.

В связи с вышеизложенным целью работы является разработка метода оптимизации конструкций змеевика трубчатой печи исходя из оценки гидродинамических параметров двухфазного потока продукта и напряженно - деформированного состояния его конструктивных элементов и узлов.

Задачи исследования:

- анализ конструкций змеевиков трубчатых печей и особенностей гидродинамики в двухфазных потоках;

- исследование гидродинамических параметров потока продукта в процессе нагрева и постепенного испарения нагреваемого продукта;

- исследование напряженно - деформированного состояния (НДС) змеевика и его элементов в условиях нагрева и испарения продукта.

Научная новизна

1 Сформулирована и решена задача оптимизации конструкции змеевика по заданной скорости продукта на выходе из него. Установлено, что скорость продукта на выходе из змеевика определяется координатой размещения конического перехода, при смещении координаты установки конического перехода в направлении входа продукта в змеевик скорость продукта на выходе из змеевика увеличивается.

2 Показано, что положение точки начала испарения продукта зависит от места изменения диаметра змеевика (координата установки конического перехода): при смещении координаты установки конического перехода в направлении входа продукта в змеевик координата точки начала испарения продукта соответственно смещается в этом направлении.

3 Определено, что гидравлическое сопротивление змеевика с изменяющимся диаметром зависит от местоположения конического перехода по отношению к сопряженному отводу. Показано, что при его размещении перед отводом по ходу потока гидравлическое сопротивление меньше в 1,6 раза по сравнению с размещением после отвода.

4 Показано, что при радиусе отвода змеевика более 0,18 м и при длине конического перехода более 0,1 м эквивалентные напряжения в зоне сопряжения труб разных диаметров зависят только от соотношения диаметров.

Теоретическая и практическая ценность

Разработана методика оптимизации конструкций змеевика трубчатой печи исходя из оценки гидродинамических параметров двухфазного потока продукта и напряженно - деформированного состояния его конструктивных элементов и узлов.

Данная методика принята к внедрению в ООО НПЦ "ТЕХПРОЕКТ" и используется в учебном процессе УГНТУ при проведении аудиторных занятий по дисциплине «Машины и аппараты нефтегазопереработки» для студентов специальности 17.17.00 «Оборудование нефтегазопереработки».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись на 53-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2002 г.); Всероссийской студенческой научно - технической конференции "Интенсификация тепломассообменных процессов, промышленная безопасность и экология" (Казань, 2005 г.); Международной научно - практической конференции "Нефтегазопереработка и нефтехимия" (Уфа, 2005 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов, содержит 119 страниц машинописного текста, в том числе 67 рисунков, 14 таблиц, список использованных источников из 90 наименований и 5 приложений.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Каданцев, Михаил Николаевич

9 Результаты исследования НДС в зоне конического перехода показали, что при отношении длины конического перехода к перепаду диаметров более 1,2 максимальные напряжения определяются только перепадом диаметров соединяемых труб.

112

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Каданцев, Михаил Николаевич, 2006 год

1.Гуревич И. А. Общие свойства и первичные методы переработки нефти и газа. -М: Химия, 1972.- 240 с.

2. Жоров Ю.М. Расчёты и исследования химических процессов нефтепереработки. М.: Химия, 1973. - 213 с.

3. Гусейнов Д.А., Вайнер Л.В. Технологические расчёты процессов нефтепереработки. -М.: Химия, 1964. 308 с.

4. Рабинович Г.Г., Рябых П.М., Хохряков П.А. и др. Расчёты основных процессов и аппаратов нефтепереработки. М: Химия, 1979 - 568 с.

5. Высокотемпературные процессы и аппараты для переработки углеводородного сырья. И.Р. Кузеев и др. Уфа: Гилем, 1999. -32с.

6. И.А.Александров. Ректификационные и абсорбционные аппараты. М.: Химия, 1978.-280с.

7. Ф.Б.Петлюк, Л.А.Серафимов. Многокомпонентная ректификация. Теория и расчет. М.: Химия, 1983,- 304с.

8. Адельсон С. В. Процессы и аппараты нефтепереработки и нефтехимии. Госготехиздат, 1963.

9. Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В.А. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии М.: Недра, 2000 - С.552

10. Фарамазов. С. А. Оборудование нефтеперерабатывающих заводов и его эксплуатация. М.: Химия, 1978. - С. 202-227.

11. Котишек Я. Трубчатые печи в химической промышленности. Л.: Химия, 1963. - С. 13-27, 42.

12. Исламов М. Ш. Проектирование и эксплуатация промышленных печей. -Л.: Химия, 1986. С. 16-22.

13. Бахшиян Ц. А. Трубчатые печи с излучающими стенками топки. М.: ГОСИНТИ, 1960. - С. 5-25, 60.

14. Бахшиян Ц. А. Трубчатые печи. М.: Химия, 1969. - С. 92-96.

15. Отраслевая нормаль ОН 26-02-159-66 "Трубчатые печи. Типы, параметры, основные размеры." М:, ВНИИнефтемаш. 1970.

16. Сарданашвили А.Г., Львова А.И. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа. М.: Химия, 1973. - 272 с.

17. Ентус Н. Р., Шарихин В.В. Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М.: Химия, 1987. - 304с.

18. Кузеев. И.Р., Анкобия. И.А., Шарафиев Р. Г. и др. Высокотемпературное науглероживание печных труб.- В сб.: Проблемы нефти и газа.- Уфа. 1981.-С.119-120.

19. Ибрагимов. И. Г., Кузеев. И.Р., Филимонов Е.А., Баязитов М.И. Остаточная толщина стенки труб конвекционных и радиантных экранов нагревательных печей. // Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии. Сумы, 1986. - С.217-218.

20. Закиричная М.М., Чиркова А.Г., Кузеев И.Р. Изменение структуры и свойств металла труб змевиков печей пиролиза в процессе эксплуатации. // Нефть и газ. 1998. №2. С.87-92.

21. Баязитов М.И., Кузеев. И.Р. О механизме коксообразования на внутренней поверхности печных труб // Нефть и газ. Уфа, 1996.

22. Баязитов М.И. Оценка поврежденности труб в условиях эксплуатации // Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий. Уфа, 1997.С.203-210.

23. Баязитов М.И. Долговечность печных труб нагревательных печей // Десять лет эксперимента на кафедре МАХП. Некоторые результаты. Уфа/ УГНТУ, 1997, С.203

24. Ибрагимов И. Г., Кузеев И.Р., Филимонов Е.А., Баязитов М.И. Остаточная толщина стенки труб конвекционных и радиантных экрановнагревательных печей // Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии. Сумы, 1986,- С.217-218.

25. Максименко М. 3., Краснов В. И. Основы надежности оборудования нефтехимических производств. Уфа: УГНТУ, 1983.- 85 с.

26. Нормативная методика теплового расчета трубчатых печей. РТМ 26-0240-77.

27. Вилемас Ю. В., Пошкас П. С. Теплообмен и гидродинамика в спиральных каналах и змеевиках. Инженерно-физический журнал. Том 64, №6.

28. Антипов А.И., Голубев Л.Г., Мухтаров Я.С. Тепловой расчет трубчатых печей объектов промысловой подготовки нефти применительно к уменьшению загрузки по сырью. Известия вузов. Нефть и газ, 2004, №6, с 55-57

29. Кошкин В. К., Калинин Э. К. Теплообменные аппараты и теплоносители-М.: Машиностроение, 1971.-200 с.

30. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен М. :Мир, 1990. - 3 84 с.

31. Кутепов A.M., Стерман JI.C., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. М.: Высшая школа, 1983, 1986.

32. ФаберТ.Е. Гидроаэродинамика, М.:Постмаркет, 2001

33. Лашутина Н.Г. и др. Техническая термодинамика с основами теплопередачи и гидравлики JI.Машиностроение, 1988. 250 с.

34. Похвалов Ю.Е., Деев В.И., Корсун А.С. Истинное равновесное паро-, газосодержание при течении в канале. М.: МИФИ, 1991.

35. Похвалов Ю.Е., Деев В.И., Корсун А.С. Расходные и истинные теплогидравлические характеристики парогазожидкостных потоков в каналах. М.: МИФИ, 1990.

36. Мамаев В. А., Одишария Г.Э., Семенов Н.И., Точилин А.А. Гидродинамика газожидкостных смесей в трубах. М.:Недра, 1969. 208 с.

37. Тучинский М. Р., Родных Ю. В. Математическое моделирование и оптимизация пиролизных установок. -М.: Химия, 1979.-168 с.

38. Фейгин М. А. и др. Оптимальный расчет змеевика трубчатой пиролизной печи, //в сб. Моделирование и оптимизация каталитических процессов. Издательство Нация, М.1965 г.

39. Расчет химических аппаратов на ЭВМ. Учебное пособие. Уфа 1989. Е.А. Филимонов, И. Р. Кузеев.

40. Брдлик П. М., Какабаев А. К. Экспериментальное исследование конденсации водяного пара внутри змеевиков. Инженерно-физический журнал. Том 6, №10

41. Степанов А. В. Экспериментальное исследование теплообмена и моделирование реакционных трубчатых печей. Инженерно-физический журнал. Том 69, №6.

42. Вилемас Ю. В., Пошкас П. С. Теплообмен и гидродинамика в спиральных каналах и змеевиках. Инженерно-физический журнал. Том 64, №6.

43. Терехов В. И., Пахомов М. А., Чичиндаев А. В. Тепломассообмен в двухкомпонентном развитом турбулентном газопарокапельном потоке. Инженерно-физический журнал. Том 74, №2

44. Образцова Е.И. Оптимальное конструирование змеевика при промежуточном отборе паровой фазы // Автореферат диссертации. /- Уфа: Изд.- во УГНТУ, 2004. 24 с.

45. Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки: Справочник, под редакцией Е.Н.Судакова.- М.: Химия, 1979 С.344-355

46. Макаров Ю. И., Генкин А. Э. Технологическое оборудование химических и нефтегазоперерабатывающих заводов М.: Машиностроение, 1976.- С.368

47. Адельсон С. В. Технологический расчет и конструктивное оформление нефтезаводских печей. М.: Гостоптехиздат, 1952 344 с.

48. Технологические расчёты установок переработки нефти: Уч. пособие для вузов / М.А. Танатаров, М.Н. Ахметшина, Р.А. Фасхутдинов. и др. М.: Химия, 1987.-352 с.

49. Эмирджанов Р.Г. Основы технологических расчётов в нефтепереработке и нефтехимии. М.: Химия, 1989. 512 с.

50. Руководство пользователя по системе FlowVision, 2005, 200 с.

51. Аксёнов А. А. Программный комплекс Flow Vision для решения задач аэродинамики и тепломассопереноса методами численного моделирования // Матер. III съезда АВОК, 22-25.09. 1993. М.: АВОК, 1993. - С. 114 - 119.

52. Система моделирования движения жидкости и газа FlowVision. Руководство пользователя. М.: ООО Тезис. 2002. 262 с.

53. Турбулентность. Принципы и применения. Под редакцией У.Фроста, Т.Моулдена. М.: Мир. 1975. 535 с.

54. Перевощиков С. И. Потери энергии в диффузорных каналах. Известия вузов. Нефть и газ, 1998, №5, с. 70-78

55. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975, с.233.

56. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств: Примеры и задачи: Учебное пособие для студентов втузов / М.Ф. Михалев и др.,М.1984. -300 с.

57. Волошин А. А., Самсонов Ю. А. Расчет и конструирование пересекающих оболочек сосудов. Машиностроение, 1972.- 122с.

58. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М. A., ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. М.: Едиториал УРСС, 2003. -272 с.

59. ANSYS Basic Analusis Pocedures Guide. ANSYS Release 5.6 ANSYS Inc., 1998.

60. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. 455с.

61. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. 428с.

62. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. 541 с.

63. Уайдл Д., Оптимальное проектирование. 1981, 272 с.

64. Мажид К.И., П/ред. Колтунов М.А. Оптимальное проектирование конструкций М.: Высшая школа, 1979, 237 с

65. Прагер В., Основы теории оптимального проектирования конструкций.1. М.: Мир, 1977,109 с.

66. Поляк Б. Т., Введение в оптимизацию. М.: Наука,, 1983, 384 с. 1983

67. Малков В.П., Угодчиков А.Г. Оптимизация упругих систем. М.: Наука, 1981.288 с.

68. Баничук Н.В. Введение в оптимизацию конструкций. М.: Наука, 1986. 302

69. Шпильрайн Э. Э., Кессельман П. М. Основы теории теплофизических свойств веществ. М., «Энергия», 1977. -248 с.

70. Введенский А. А. Термодинамические расчеты нефтехимических процессов. М.: Гостоптехиздат, 1960.

71. А.Ю. Намиот. Фазовые равновесия в добыче нефти. М.: Недра, 1976, -183с.

72. Г.Р.Гуревич, А.И.Брусиловский. Справочное пособие по расчету фазового состояния и свойств газоконденсатных смесей. М.: Недра, 1984,-264 с.

73. Ю.М.Жоров. Моделирование физико-химических процессов нефтепереработки и нефтехимии. М.: Химия, 1978,-376с.

74. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. -М.: Наука, 1972.

75. Басов К.A. ANSYS в примерах и задачах. М.: КомпьютерПресс, 2002.224 с.

76. Степанов Н.В., Голованов А.А. Практический курс пользователя Pro/Engineer 2000i М.: КомпьютерПресс, 2001. - 271 с.

77. Шимкович Д. Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows. М.: ДМК Пресс, 2001.- 448 с.

78. Алямовский A.A. SolidWorks/COSMOSWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов. М.: ДМК Пресс, 2004.- 432 с.

79. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник / Мяченков В. И., Мальцев В. П. И др. М.: Машиностроение, 1989.

80. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств: Примеры и задачи: Учебное пособие для студентов втузов/М.Ф. Михалев и др.,М.1984.

81. Зверьков Б. В. и др. Расчет и конструирование трубопроводов: Справочное пособие/ JL: Машиностроение. 1979 г.

82. Баязитов М.И., Ибрагимов. И.Г., Газиев. Р.Р.и др. Анализ напряженно -деформированного состояния печных труб // Научно-техническое творчество молодежи в помощь производству. Уфа, 1986. С. 67.

83. Баязитов М. И., Чиркова А. Г. Конструирование и расчет элементов оборудования отрасли. Уфа: УГНТУ, 1999. - С. 5-13.

84. Григоренко Я. М., Мукоед А.П. Решение задач теории оболочек на ЭВМ. Киев: Вища школа, 1979, 279 с.

85. Мяченков В. И., Григорьев И. В. Расчет составных оболочечных конструкций на ЭВМ: Справочник. М.: Машиностроение., 1981,216 с.1981

86. Волошин А. А., Самсонов Ю. А. Расчет и конструирование пересекающих оболочек сосудов. Машиностроение, 1972.- 122с.

87. Егоров М. И., Корягин В. С., Федоров В. И., Коротихин В. П. Расчет осесимметричного напряженного состояния разветвленных составных оболочек вращения. Проблемы прочности, № 5„ 1974, С. 21- 23.