Дипломная (вкр): Обеспечение прочности змеевиков трубчатых печей как цельной конструкции

Обеспечение прочности змеевиков трубчатых печей как цельной конструкции

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Конструкция и принцип действия трубчатых печей

.2 Износ печного оборудования

.3 Изменение механических и металлографических свойств металла печных труб в процессе эксплуатации

2. Теоретические основы проектирования и моделирования систем

.1 Оптимизация конструкции трубчатого змеевик

.2 Методы исследования трубчатого змеевика

.3 Этапы проектирования

2.4 Проектирование технических систем

2.5 Теоретические основы проектирования технических систем

.6 Требования к изготовлению конструкций

. Моделирование напряжено-деформированного состояния с учетом термосилового нагружения. Разработка модели и ее анализ

.1 Проектирование змеевика в программном обеспечении SolidWorks

3.2 Моделирование змеевика в программном обеспечении Ansys

4. Обобщение исследований

4.1 Анализ результатов

Заключение

Список использованных источников

Введение

К наиболее важному технологическому оборудованию на объектах нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности относится трубчатая печь. Трубчатая печь - это высокотемпературное технологическое оборудование с камерой, не имеющее контакта с окружающей средой. Ее назначением является нагрев углеводородного сырья, осуществления высокотемпературных термических и химических процессов.

Трубчатые печи позволяют проводить нагрев среды до более высоких температур, чем при нагреве паром. Для хорошей работы печи необходимо правильно ее спроектировать, а это требует значительных капитальных вложений. Но расходы быстро окупаются, так как стоимость тепла производимой печью дешевле, чем при других видах проведения высокотемпературных процессов. Это достигается за счет использования в качестве топлива продуктов отходов различных процессов.

Змеевики трубчатых змеевиков являются наиболее ответственными элементами, от которых зависит надежность и безопасность эксплуатации печей. Методы расчета основаны на обеспечении прочности только отдельных труб и таких элементов, как отводы и переходы, при этом не рассматривается геометрия трубного экрана, неравномерность температурного поля, неравномерность утонения стенки и изменение свойств металла и т.д., а также возможное термодеформирование труб, частичное разрушение кронштейнов и подвесок.

Прочностной анализ трубчатого змеевика как системы, имеющую сложную геометрическую конфигурацию с различными конструктивными элементами выполнялся при помощи метода конечных элементов. Это позволяет получить точную оценку напряженно-деформированного состояния змеевика с учетом рабочих термосиловых нагрузок и реализован в программном комплексе ANSYS.

Цель работы:

Разработать расчетную модель змеевика трубчатой печи, позволяющую оценить прочность любой конструкции змеевиков с учетом термосилового нагружения. Разработать критерии оптимизации конструкции змеевика с учетом пространственного его положения.

Задачи и исследования:

1. Провести литературный обзор.

. Разработать трехмерные модели змеевиков, применяемых в современных трубчатых печах.

. Разработать начальные и граничные условия.

. Провести численное моделирование термосилового нагружения змеевиков, определить критерии оптимальности конструкций.

Научная новизна:

1 Эксперементальными исследованиями были определены необходимые параметры для расчета змеевика.

На основе конструктивных и численных моделирований представлена модель в напряженно-деформированном состоянии, и выделены опасные участки конструкции.

Практическая ценность

С помощью численного моделирования можно определить и обеспечить прочность конструкции

Апробация работы.

Основные материалы диссертации представлены:

на 68 научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 1 статья в ведущем российском журнале, а также 1 тезис.

1. Литературный обзор

Основная часть нефтегазохимического оборудования представляет собой конструкции оболочкого типа. К ним относятся и трубчатые печи. Условия эксплуатации такого оборудования характеризуется повышенной температурой, давлением и коррозионной активностью рабочей среды. В процессе эксплуатации в металле конструктивных элементов оборудования происходит постепенное накопление необратимых повреждений и по истечении определенного времени возможны преждевременные их разрушения.

В условиях интенсивного развития нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности одной из актуальных задач является повышение эффективности эксплуатации применяемого в отрасли топливо использующего оборудования, в особенности трубчатых печей, так как затраты связанные с ними составляют около четверти от стоимости всей технологической установки. Трубчатые печи являются основными аппаратами технологических установок нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) и основными потребителями топлива. На их долю приходится примерно 10 % газообразного и жидкого топлива от общего количества перерабатываемой нефти. Процесс сжигания топлива сопровождается высокой температурой. В связи с этим особую важность приобретает определение влияния температуры на элементы печи, что в свою очередь подразумевает повышение эффективности работы печи в целом.

.1 Конструкция и принцип действия трубчатых печей

Классификация печей

Классификация печей - это упорядоченное разделение их на классы, виды, типы и определение закономерных связей между ними. Она необходима для кодирования, хранения и поиска информации, которую она несет, дает возможность обобщения и распространения опыта, полученного теорией и практикой эксплуатации печей в промышленности, в виде комплексных типовых решений и рекомендаций для разработки оптимальных конструкций печей и условий осуществления в них технологических и химических процессов [1].

Основными по степени существенности основаниями для классификации печей в логической последовательности являются следующие признаки:

технологические;

теплотехнические;

конструктивные.

Классификация печей представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Классификация печей

Технологические признаки.

По технологическому признаку печи делятся на нагревательные и реакционно-нагревательные. В нагревательных печах основной целью является нагрев сырья до заданной температуры. Характерными особенностями являются высокая производительность и умеренные температуры нагрева (300…500°С) углеводородных сред. Наиболее распространены на установках АТ, АВТ, ГФУ. Для реакционно-нагревательных печей кроме нагрева в определенных участках трубного змеевика обеспечиваются условия для протекания направленной реакции. Данные печи используется многими нефтехимическими производствами в качестве реакторов для одновременно нагрева и перегрева сырья. Областью применения являются установки пиролиза, конверсии углеводородных газов и другие. Это связано с тем, что рабочие условия на этих установках отличаются параметрами высокотемпературного процесса деструкции углеводородного сырья и невысокой массовой скоростью[2].

Теплотехнические признаки.

По теплотехническим признакам печи бывают:

на конвективные;

радиационные;

радиационно-конвективные.

Конвективные печи.

Конвективные печи относятся к одним из старейших типов печей. Они являются своеобразным переходным звеном от нефтеперегонных установок к печам радиационно-конвективного типа. В настоящее время эти печи практически не применяются, так как требуют значительных финансовых затрат. Их применяют только в тех случаях, когда требуется нагреть чувствительные к температуре вещества сравнительно холодными дымовыми газами. Она состоит из двух основных частей - камеры сгорания и трубчатого пространства, которые разделены друг от друга перегородкой, так чтобы трубы не подвергались прямому воздействию огня.

Для предотвращения прожога начальных рядов труб, на которые воздействуют нагретые до высоких температур дымовые газы из камеры сгорания, и поддержания коэффициента теплоотдачи в значениях, приемлемых по технико-экономическим соображениям, при сжигании используется значительный избыток воздуха или 1,5…4-кратная рециркуляция охлажденных дымовых газов, отводимых из трубчатого пространства и нагнетаемых воздуходувкой снова в камеру сгорания. Дымовые газы проходят через трубчатое пространство сверху вниз. По мере уменьшения температуры газов равномерно уменьшается поперечное сечение трубчатого пространства, при этом обязательным условием является сохранение постоянной объемной скорости продуктов сгорания [3].

Радиационные печи.

Все трубы, через которые проходит нагреваемый продукт, помещены на стенах камеры сгорания. Из-за этого у радиационных печей камера сгорания значительно больше, чем у конвективных. Все трубы подвергаются прямому воздействию сильно нагретой газообразной среды. Этим достигается:

а) уменьшение общей площади теплоотдачи печи, так как количество тепла, отданного единице площади труб, путем радиации при одинаковой температуре среды (особенно при высоких температурах этой среды), значительно больше, чем количество тепла, которое можно передать путем конвекции;

б) хорошая сохранность футеровки за трубчатыми змеевиками, благодаря тому что снижается ее температура, во-первых, за счет прямого закрытия части ее трубами, во-вторых, за счет отдачи тепла излучением футеровкой более холодным трубам. В основном закрывать все стены и свод трубами не нужно, так как этим ограничивается теплоизлучение открытых поверхностей, а в результате уменьшается общее количество тепла, отдаваемого единицей площади труб. Данные печи из-за простоты конструкции и большой тепловой нагрузки труб имеют самые низкие капитальные затраты на единицу переданного тепла. Однако они не дают возможности использовать тепло продуктов сгорания. Поэтому радиационные печи работают с меньшей тепловой эффективностью. Радиационные печи применяются только в тех случаях, когда требуется нагреть вещества до сравнительно малых температур (приблизительно до 300 °С), при их малом количестве, и когда необходимо затратить малое количество капитала [4].

Радиационно-конвективные печи.

В радиационно - конвективной печи имеются две отделенные друг от друга секции: радиационная и конвективная. Значительная часть используемого тепла передается в радиационной секции (обычно 60…80 % всего использованного тепла), остальное - в конвективной секции. Конвективная секция служит для использования физического тепла продуктов сгорания, выходящих из радиационной секции обычно с температурой 700…900°С, при экономически приемлемой температуре нагрева 350…500°С (соответственно температуре перегонки). Величина конвективной секции рассчитывается с таким расчетом, чтобы температура выходящих продуктов сгорания, была почти на 150°С выше, чем температура нагреваемых веществ при входе в печь. Поэтому нагрузка от тепла труб в конвективной секции меньше, чем в радиационной, что обусловлено низким коэффициентом теплоотдачи со стороны дымовых газов. С внешней стороны иногда эти трубы снабжаются добавочной поверхностью теплообмена - поперечными или продольными ребрами, шипами и т.п. В настоящее время преобладающее большинство эксплуатируемых на нефтеперерабатывающих заводах печей занимают радиационно-конвекционными[5].

Конструктивные признаки.

по форме каркаса:

а) коробчатые ширококамерные, узкокамерные;

б) цилиндрические;

в) кольцевые;

г) секционные.

-по числу камер радиации:

а) однокамерные;

б) двухкамерные;

в) многокамерные.

- по расположению горелок:

а) боковое;

б) подовое.

- по топливной системе:

а) на жидком топливе;

б) на газообразном топливе;

в) на сжиженном и газообразном топливе.

- по способу сжигания топлива:

а) факельное;

б) беспламенное.

- по расположению дымовой трубы:

а) вне трубчатой печи;

б) над камерой конвекции.

- по направлению движения дымовых газов:

а) с восходящим потоком газов;

б) с нисходящим потоком газов;

в) с горизонтальным потоком газов [6].

Принцип работы трубчатой печи и функции змеевика

Несмотря на большое многообразие типов и конструкций трубчатых печей, общими и основными элементами для них являются рабочая камера (радиация, конвекция), трубчатый змеевик (рис. 1.2), огнеупорная футеровка, оборудование для сжигания топлива (горелки), дымоход, дымовая труба.

Рисунок 1.2 - трубчатый змеевик

Однако, в данной работе рассматривается и рассчитывается змеевик как цельная конструкция, т.е. не разделяя змеевик на его элементы (трубы, отводы, переходы).

Печь работает следующим образом. Мазут или газ сжигается с помощью горелок, расположенных на стенах или поду камеры радиации.

Газы сгорания из камеры радиации поступают в камеру конвекции, направляются в дымоход и по дымовой трубе уходят в атмосферу. Продукт одним или несколькими потоками поступает в трубы конвективного змеевика, проходит трубы экранов камеры радиации и нагретый до необходимой температуры, выходит из печи [7].

Тепловое воздействие на исходные материалы в рабочей камере печи, является одним из основных технологических приемов, ведущих к получению заданных целевых продуктов.

Главной частью трубчатой печи является радиационная секция, которая одновременно является и камерой сгорания. Передача тепла в радиационной секции осуществляется преимущественно излучением, вследствие высоких температур газов в этой части печи. Тепло, переданное в этой секции конвекцией, является только небольшой частью от общего количества переданного тепла, т. к. скорость газов, движущихся вокруг труб, большей частью определяется только местной разностью удельных весов газов, и передача тепла естественной конвекцией незначительна.

Продукты сгорания топлива являются первичным и главным источником тепла, поглощаемого в радиационной секции трубчатых печей.

Тепло, выделившееся при горении, поглощается трубами радиационной секции, создающими так называемую поглощающую поверхность. Поверхность футеровки радиационной секции создает так называемую отражающую поверхность, которая (теоретически) не поглощает тепла, переданного ей газовой средой печи, а только излучением передает его на трубчатый змеевик, 60…80 % всего используемого тепла в печи передается в камере радиации, остальное - в конвективной секции [8].

Температура газов, выходящих из радиационной секции, обычно достаточно высока, и тепло этих газов можно использовать далее в конвективной части печи. Камера конвекции служит для использования физического тепла продуктов сгорания, выходящих из радиационной секции обычно с температурой 700…900 °С. В камере конвекции тепло к сырью передается в основном конвекцией и частично излучением трехатомных компонентов дымовых газов.