Рассчитаем коэффициенты теплопроводности футеровок тол щиной 0,2 м, изготовленных из жаростойкого торкрет-бетона на пуццолановом портланд-цементе с добавкой диабазовой муки и заполнителем из дробленого шамотного кирпича класса Б в соот ношении по весу 1:1: 3,5.
Во время эксплуатации реакторов гидроформинга с футеров-
ками средняя |
температура корпуса |
ta = 160° |
|
(реакция идет |
|||||||||
в присутствии водорода, |
температура внутри аппарата |
к = 520°, |
|||||||||||
давление |
20 ат). |
Коэффициент |
теплоотдачи |
ае |
при |
160° — |
|||||||
15 ккал/м2, час °C. |
Тогда |
эквивалентный коэффициент |
теплопро |
||||||||||
водности |
футеровки будет |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Л |
, |
= |
15-0,2(160 — 20) |
, |
, |
час |
о„ |
|
||||
|
/-Ф |
|
|
„ |
=—— = 1,1b |
ккал/м |
|
С. |
|
||||
Во время процесса регенерации катализатора при температуре внутри аппарата 500° температура корпуса снижается до 130°. Если коэффициент теплоотдачи при 130° равен 13,5 ккал/м2 час °C, то эквивалентный коэффициент теплопроводности футеровки со ставит
» |
„ |
13,5 • 0,2 (130 — 20) |
по |
, |
С. |
ос |
|
|
Лф =----- н= 0,8 |
ккал м час |
|
||
|
|
5UU — lot) |
|
|
|
|
На основе |
этих данных можно ориентировочно рассчитывать |
|||||
толщины футеровок для различных условий эксплуатации аппа ратов.
7.Расчет напряжений, возникающих в футеровках
Вбетонной футеровке, подвергающейся в процессе работы воздействию температуры и давления, возникают напряжения.
За счет теплового воздействия в кольцевых слоях футеровки, обращенных к циркулирующим газам, возникают сжимающие напряжения, а в кольцевых слоях, близлежащих к корпусу, — растягивающие напряжения. В результате избыточного давле ния появляются растягивающие напряжения. Термическое на пряжение на внутренней поверхности футеровки может быть опре
делено |
по формуле для толстостенных |
сосудов |
|
|
|
Кф аф (Тн— Тт>) |
2./-и2 |
1 |
|
|
2(1 — р) |
-Ни2:— -^вн2 |
1п -^н |
In -^вн |
то же на наружной поверхности |
|
|
||
|
Еф аф (7'н—Тв) |
_ 2Двн2_____________ 1______ |
||
|
2 (1 — ц) |
Лн2 — Лвн2 |
In |
In .Rbh |
где |
Еф — модуль упругости бетона в кГ'1см\ |
бетона в 1/°С; |
||
|
Оф — коэффициент линейного расширения |
|||
7* |
99 |
Тв |
и |
Тц — температура соответственно на внутренней |
и |
на |
|
|
ружной поверхностях футеровки в °C; |
|
|
Rn |
|
ц— коэффициент Пуассона; |
|
см. |
и |
/?в„ — наружный и внутренний радиусы футеровок |
в |
Растягивающие напряжения за счет избыточного давления р на внутренней стороне футеровки вычисляются по формуле
На внешней поверхности футеровки растягивающие напря жения имеют наименьшее значение:
Во время эксплуатации футеровка подвергается деформации от внутреннего давления в аппарате р, от повышения температуры по сравнению с температурой, которая была во время монтажа, и от изменения температуры по толщине стенки. Корпус аппарата подвергается деформации от давления в аппарате и от повышения температуры по сравнению с температурой во время монтажа.
Радиальные деформации футеровки и корпуса соответственно будут равны:
|
е* = |
~ |
|
ес = —I- ас (^с — ^м)> |
(б) |
где |
р— давление в аппарате в кГ/см2; |
|
бф, бс — толщины футеровки и стенки корпуса в см;
Е$, |
Ес — модули продольной упругости материалов футеров |
|
ки и стали в кГ/см2; |
|
«с — коэффициенты линейного расширения футеровки и |
|
стали в 1/°С; |
|
Цф — коэффициент Пуассона футеровки; |
<м, |
At — соответственно температура корпуса во время мон |
|
тажа и температура стенки корпуса и футеровки |
|
во время эксплуатации; |
8$, |
ес — относительные радиальные деформации футеровки и |
|
стенки корпуса. |
Для хорошей совместно!! работы футеровки и корпуса аппа рата необходимо, чтобы расширение в радиальном направлении внешней поверхности футеровки было равно (или больше) расши рению внутренней поверхности корпуса аппарата. Если расшире ние футеровки будет меньше расширения корпуса аппарата, то футеровка может отделиться от корпуса аппарата.
100
При Еф = ес уравнение будет иметь вид:
4- «ф (ф* |
— U + |
|
*( ф — tc) = |
+ ас (t0 — tM). |
(7) |
|||
Если р = 0, |
уравнение примет вид: |
|
|
|
||||
аФ (^Ф |
М + г_ф |
(Xf> — tc) = ас(/с — tM). |
|
(8) |
||||
|
|
|
1 НФ |
|
|
|
|
|
Из уравнения (8) после соответствующих преобразований полу |
||||||||
чаем уравнение |
|
зависимости |
температуры стенки |
корпуса tc |
||||
от температуры |
внутри |
аппарата |
ti и |
температуры футеровки |
||||
при ее монтаже |
/м: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
(9) |
где |
|
|
_ 2(1-Щф)(ас-аф) |
|
|
|||
|
|
т° |
|
<10) |
||||
|
|
- " |
(2 —цф)аф----- • |
|
||||
Как известно, зависимость температуры стенки корпуса фу |
||||||||
терованного аппарата (tc) от |
температуры газов внутри |
аппа |
||||||
рата (t,) и температуры |
воздуха |
(tB) |
выражается |
уравнением |
||||
|
|
tG = -4-т ti + |
|
tB, |
|
(И) |
||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
anni |
М, |
|
|
(12) |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
i= 1 |
|
|
|
|
Если температуры корпуса (tc) из уравнений (11) |
п (9) |
будут |
||||||
равны между собой, это значит, что при любой температуре газов внутри аппарата и наружного воздуха будет иметь место равен ство температурных расширений футеровки и корпуса. Это усло вие возможно при
т = т0. |
(13) |
Подставив в равенство (13) значения т и т0 из уравнений (12)
и (10) и решив его |
относительно бф, |
найдем |
|
бф = |
М2(1-НФ) (ас-«ф) |
_ ( М . |
(14) |
|
ае (2 Цф) (Хф |
\ Хс ) |
|
Из уравнения (14) видно, что толщина футеровки прямо про порциональна значению коэффициента теплопроводности мате риала футеровки Хф, обратно, пропорциональна коэффициенту теплоотдачи от стенки к воздуху щ, а также зависит от толщины корпуса и не зависит от диаметра аппарата.
101
Если относительные радиальные деформации футеровки больше деформаций корпуса на величину AI, то по поверхности сопри косновения корпуса п футеровки возникает давление Ар (натяг), под действием которого в корпусе и футеровке создаются соответ ственно деформации и напряжения растяжения и сжатия.
Величина давления Ар определяется из уравнения
, |
крЪ |
а? |
' ~ |
1Ц |
{Ь^ — а2 |
где а = RH — бф;
б= т?н;
с= 7?н + бс;
£ф — модуль упругости футеровки; Цф — коэффициент Пуассона футеровки;
Ео — модуль упругости стенки корпуса аппарата; цк — коэффициент Пуассона корпуса аппарата.
Давление Ар вызывает сжимающие тангенциальные напряже ния в футеровке и растягивающие тангенциальные напряжения
в |
корпусе аппарата. |
|
|
|
|
Напряжения на внутренней стороне футеровки определяются |
|||
по |
формуле |
2Spb2 |
|
|
|
_ |
(16) |
||
|
Ga ~ |
Ь2 — а2' |
||
|
Напряжения на внешней стороне футеровки |
|
||
|
___ |
Л/>М |
а2Д-Ь2 |
(17) |
|
ав ~ ~Ь2 _ а2 |
р— • |
||
|
Общие напряжения в футеровке: |
|
||
|
на внутренней стороне |
|
|
|
|
С^ви = <7вн. Т + °вн. т + °а, |
(18) |
||
|
на внешней стороне |
|
|
|
|
ан = Он. Т + <bi. т + Ов. |
(19) |
||
Растягивающие напряжения на внешней стороне футеровки должны компенсироваться силами сцепления футеровки с корпу сом аппарата, а также восприниматься металлической армировкой.
8. Эксплуатация аппаратов с футеровками из монолитного торкрет-бетона
Футеровки из жаростойкого торкрет-бетона по разработанной Гипронефтемашем технологии были выполнены в аппаратах уста новок каталитического риформинга, гидроочистки, пылевидного
102
коксования и др. Эксплуатация реакторов установок гидро форминга показала, что футеровка из жаростойкого торкрет-бетона
на пуццолановом |
портланд-цементе с тонкомолотой добав |
кой — диабазовой |
мукой и наполнителем из дробленого шамот |
ного кирпича класса Б — обеспечивает нормальную эксплуата цию аппаратов. Осмотр показал, что после пятилетней эксплуата ции состояние футеровок хорошее без признаков химического или механического повреждения. В местах стыков панцирных сеток по их контуру появляются трещины, напоминающие тем пературные швы, шириной до 1,5 мм и глубиной до 25 мм. После эксплуатации на небольших участках наблюдалось коро бление панцирных сеток из-за нарушения места сварки их с шай бами. Поэтому панцирные сетки в дальнейшем стали сваривать между собой с образованием сплошного внутреннего слоя, что повысило также теплоизоляционные свойства футеровок. Наблю дения за температурами наружной поверхности корпуса реакто ров, футерованных жаростойким торкрет-бетоном, показывают, что в процессе длительной эксплуатации средняя температура корпуса аппаратов несколько снижается. Это является, пл-види- мому, результатом отложения в порах бетона частиц углерода и катализаторной пыли, что уплотняет структуру и понижает коэф фициент теплопроводности футеровки в водородной среде. С по вышением плотности футеровки и снижением температуры кор пуса аппарата уменьшается возможность водородной и сернистой коррозии.
В 1955 г. на Новокуйбышевском нефтеперерабатывающем заводе была осуществлена футеровка реакторов гидроочистки жаростойким торкрет-бетоном с повышенными теплоизоляцион ными свойствами. Реактор представляет собой пустотелый ци линдр диаметром 1400 мм и высотой 16 000 мм, в котором при варены кольцевые перегофодки, являющиеся опорами для коло сниковых решеток. Участвующие в процессе реакции газы со держат водород, легкие нефтепродукты и сероводород в коли честве до 13%. Температура газов внутри аппарата достигает 400—450°, а давление 50 ат. При регенерации газы содержат продукты сгорания с примесью НгЗ и SO2, температура при этом может повышаться до 550° при давлении до 40 ат. Корпус аппарата выполнен из стали 12МХ -j- ЭИ496 толщиной 65 мм. Тол щина футеровки 110 мм, из которых 85 мм основного слоя и 25 мм экранирующего слоя. Для футеровки в качестве вяжущего
применялись портланд-цемент марки |
500 Серебряковского |
завода и пуццолановый портланд-цемент |
марки 400 Вольского |
завода. Заполнитель изготовлялся помолом шамотного легковеса марки БЛ-1 с последующим отсевом пыли и крупных частиц. Во время эксплуатации при температуре газов в аппарате 400° средняя температура корпуса повышалась до 140°.
Во время работы аппаратов, футерованных жаростойким торкрет-бетоном, иногда необходимо заменить разрушенный во
103