Совершенствование методик технологического и прочностного расчетов и проектирования аппаратов переработки нефти и газа

Актуальность темы исследования

Разработка документации на статическое оборудование нефтепереработки и газопереработки, нефтехимии заключается в их проектировании и затем конструировании, то есть по результатам проектирования определится размеры аппаратов и конфигурация внутренних устройств, а по результатам конструирования определяется прочность и устойчивость конструкции аппарата.

Проектирование состоит в выполнении технологического расчета аппаратов путем расчета происходящих в аппарате процессов (разработка обвязки аппаратов и технологической схемы, в которой работает аппарат относится к проектированию технологических решений, в которых для аппарата рассчитывают материальные и тепловые балансы, а непосредственно сам аппарат рассчитывают отдельно с целью подбора конфигурации). Результатом проектирования аппарата является определение внутренних размеров аппарата, расположения штуцеров, конфигурации всех внутренних устройств. В ходе технологического расчета выполняется отработка эффективности процессов, например, равномерности движения потоков по слою насадки и отсутствия застойных зон. Технологические процессы, протекающие в аппаратах, состоят из составляющих их процессов: гидромеханического, теплового, массообменного и химизма. Наибольшую сложность имеет расчет, включающий все четыре вида составляющих.

Для выполнения технологических расчетов аппаратов отсутствует общая методика или общий подход к таким расчетам. Производители сложного оборудования такого как реакционные печи, тарелки используют свои собственные методики. Для расчета кожухотрубчатых теплообменных аппретов, аппаратов воздушного охлаждения, нагревательных печи нефтепереработки использую специальные программы такие как HTRI и Aspen EDR, в основе которых лежат критериальные уравнения гидравлики. Наибольшую сложность представляет собой расчет процессов, содержащих химизм: для реакторов вытеснения (трубы реакционных печей) необходимо определить конфигурацию труб под параметры химического взаимодействия; для реакторов смешения необходимо определить отклонение от идеального перемешивания. Расчет процессов перемешивания по критериальным методикам не позволяет получить точность как по методу конечных элементов после построения и расчета трехмерной сетки. И существует проблема добавления к расчету методом конечных элементов расчета химизма процесса по кинетически уравнениям. Расчет по кинетическим уравнениям состоит в определении пути механизм реакции из возможных при условиях процесса и применения моделей реакторов идеального смешения и вытеснения. Такой совместный подход к расчетам уже реализован для процессов горения в программе Ansys Fluent с модулем Chemkin.

В качестве наиболее обоснованной теоретически общей методики выполнения технологических расчетов – необходимо ввести сопряженные расчет, в котором гидромеханический, тепловой, массообменный процессы рассчитываются методом конечных элементов, а химизм рассчитывается по кинетическим уравнениям с использованием моделей реакторов идеального смешения и вытеснения. В настоящее время описания о формулировки такой методики не выполнено.

Конструирование аппаратов состоит в определении толщин стенок корпуса и элементов внутренних устройств. По конструкции аппараты делятся на тонкостенные толстостенные по отношению толщины стенки к диаметру, равному 0,1. По нормам толстостенные аппараты относят к сосудам высокого давления, рассчитываемым по теории упругости, используя решение задачи Ламе. Тонкостенные аппараты относя к аппаратам, рассчитываемым по безмоментной теории тонких оболочек с эмпирическими данными для расчета узлов врезок штуцеров (так как безмоментная теория не имеет решений задачи) и численным методом (методом конечных элементов). Для конструкций с указанным отношением, равным 0,1, результаты расчеты по методике для тонкостенных и толстостенных аппаратов отличаются, в этом случае закладывают большее значение.

Как видно, общая методика и общий подход к расчету тонкостенных и толстостенных аппаратов отсутствует, используются набор методик. Сравнение методик и выбор наиболее рекомендуемого общего подхода к расчету оболочек и элементов аппаратов ранее не выполнялось. Расчет выполняется на усмотрение конструктора. Поэтому появляется необходимость обобщения с сравнительного прочтения методик, выработка наилучшего обоснованного подхода.

Таким образом, работ по сравнению методик как в проектировании, так в конструировании аппаратов не выполнялось и не выполнялось формулирование общих наиболее обоснованных методик технологического расчета и расчета на прочность.

Степень разработанности темы исследования

В литературе по теме диссертации для работ по проектированию и конструированию аппаратов дело обстоит примерно одинаково – нет работ, касающихся комплексного подхода как к проектированию, так и к конструированию. Считалось, что инженер-технолог и инженер-конструктор на практике знакомятся с проблемами набирая при этом необходимые компетенции.