Опыт расчета реакторов гидроочистки с учетом излучения в горячей камере (хот-бокс)

Агауров С.Ю., Ласкин И.Н.

В данной работе представлен опыт термо – прочностного расчёта реактора гидроочистки с учетом и без учета излучения в хот-боксе с помощью метода конечных элементов (МКЭ).

В зоне стыковки опорной юбки с сосудом значительный уровень  градиента температуры может вызывать непредсказуемые температурные напряжения. Чрезвычайно опасна данная ситуация в случае циклического температурного нагружения, что, как правило, приводит к разрушению конструкции. С целью снижения данных напряжений используется горячая камера – хот-бокс, в котором за счет излучения греющей стенки реактора происходит уменьшение градиента напряжений (рис.1). Аналитическая (формульная) методика расчета отсутствует вследствие нелинейности теплообмена излучением. Данная задача является одной из тех, для решения которых требуется использование МКЭ (требование ASME).

Рисунок 1.   Упрощённая 2D геометрия, ANSYS. 

Расчётная конструкция реактора состоит из обечайки, эллиптических днищ, опорной юбки и теплоизоляции, реактор заполнен катализатором (рис.1). Нагрузки принятые в расчёте: расчётное внутреннее давление, ветровая нагрузка, весовая нагрузка (от собственного веса реактора и веса катализатора), а также  температурная нагрузка.  Расчёт проводился в программном комплексе ANSYS APDL.

Для температурного и структурного анализа использовалась одна КЭ модель,  состоящая из 8-ми узловых гармонических осесимметричных 2D элементов. Для температурного анализа PLANE78, для структурного PLANE83 данные элементы позволяют решать линейные осесимметричные задачи статической прочности с несимметричными граничными условиями (от ветровой нагрузки, нагрузки на верхний штуцер реактора). В качестве граничных условий для определения температурного состояния конструкции задавалась постоянная температура по внутренней поверхности обечайки 350°С, а на наружной поверхности - коэффициент конвекции и температура окружающего воздуха. Величина скорости ветра соответствует III ветровому району.

Результаты расчетов представлены на рис. 2-4. Анализ теплового состояния опорной юбки показал, что для случая с учетом излучения градиент температуры по высоте горячей камеры составляет 65.6°С, а  для случая без учета излучения 125.5°C (рис.2,3).

 

Рисунок 2. Поле температуры с учётом радиации         Рисунок 3. Поле температуры без учёта радиации  

в горячей камере, °С.                                                        в горячей камере, °С.  

Найденное тепловое поле задавалось как нагрузка для прочностного анализа (рис.4). Сравнение расчётов НДС конструкции с учётом радиационного обмена в горячей камере и без его учёта показывает, что влиянием теплообмена излучением нельзя пренебречь, так как максимальная разница в запасах  статической прочности в опорной юбке составляет 146% !

Рисунок 4.  Поле интенсивности напряжений для случая нагружения от веса, давления и температуры, Па.

Поэтому для анализа термо-прочностного состояния опорных юбок и сварных швов реакторов, работающих при высоких температурах, необходимо учитывать теплообмен излучением в горячих камерах.

Компания «Химмаш-Аппарат» имеет необходимые опыт и возможности расчета высокотемпературных процессов в реакторах гидроочистки и гидрокрекинга, оценки теплонапряженного состояния конструкции, изготовления и поставки сложного реакторного оборудования. Разработанные нами аппараты успешно эксплуатируются на промышленных установках многих нефтеперерабатывающих и химических заводов России.

Список используемой литературы.

1.      «Ansys programm documentation», ANSYS, INC 2011г.

2.      ТР 80-98 «Технические рекомендации по технологии бетонирования безобогревным способом монолитных конструкций с применением термоса и ускоренного термоса.», Дата введения 1999-01-01.

3.      СНиП 2.01.07-85* «НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ», МИНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ, МОСКВА 1996

Справка: Помимо расчетов высокотемпературных процессов в реакторах, компания «Химмаш-Аппарат» обладает компетенциями по решению задач моделирования гидродинамики, расчета прочности, разработки технологических решений для конструирования нового оборудования, рекомендаций по оптимизации работы действующего оборудования и установок.

 Специалисты компании  гарантируют клиентам оптимальное решение задачи любой сложности. Проектирование и поставки оборудования осуществляются на основе оптимизации существующих и внедрении новых энергосберегающих технологических процессов.

 Ключевой компетенцией «Химмаш-Аппарат» является проектирование. Уделяя большое значение деталям на стадии проекта, мы получаем высококачественный продукт. Управление проектами EPC – EPCM позволяет концентрировать весь цикл работ в одних руках — это гарантирует минимизацию ошибок, сокращение времени выпуска проекта, согласование с государственными органами контроля, в конце концов — более качественная поставка.

 «Химмаш-Аппарат» - это особая бизнес-модель: тщательно подобранные квалифицированные кадры, постоянное расширение кругозора, использование передовых технологий и инжиниринговый подход к поставкам. Важнейшим конкурентным преимуществом компании является наличие сплоченной и целеустремленной команды профессионалов, стремящихся совершенствоваться и достигать новых горизонтов.