Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Комсомольский-на-Амуре государственный университет» Факультет машиностроительных и химических технологий Кафедра «Машиностроение» КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА по дисциплине «Теория и практика научных исследований» Студент группы 3ОНм-1 А. Е. Бузунова Преподаватель П. А. Саблин 2023 Содержание Введение ................................................................................................................... 3 1 Аналитический обзор .......................................................................................... 4 1.1 Поршневые компрессора ........................................................................... 4 1.1.1 Определение, сфера применения ........................................................... 4 1.1.2 Устройство и принцип работы компрессора ......................................... 6 1.2 Виды и конструкции поршневых компрессоров......................................... 9 1.2.1 Коаксиальные поршневые компрессора ................................................ 9 1.2.2 Ременные поршневые компрессора ..................................................... 11 1.3 Образование конденсата в компрессоре .................................................... 12 1.3.1 Причины.................................................................................................. 13 1.3.2 Способы предотвращения ..................................................................... 14 1.4 Каплеотбойник ............................................................................................. 15 1.4.1 Сетчатые каплеотбойники..................................................................... 15 1.4.2 Пластинчатые каплеотбойники ............................................................ 16 Список использованных источников ................................................................... 18 2 Введение В современной нефтепереработке одним из основных процессов производства значительных объемов высокооктанового компонента бензина и сырья нефтехимии является каталитический риформинг. В технологическом процессе при взаимодействии газа с жидкостью в массообменных аппаратах образуются капли, которые уносятся газовым потоком из зоны контакта фаз, а затем из аппарата. Унос капель существенно снижает эффективность массообмена, загрязняет окружающую среду, а при взаимодействии ценных продуктов увеличивает их потери. Для очистки газа от жидкости, конкретно для извлечения и сбора капель широких фракций легких углеводородов из газовых потоков в последней ступени очистки в процессах нефтепереработки может быть использован каплеотбойник. В современных нефтеперерабатывающих технологиях для исключения уноса жидкости из сепарационного аппарата, устанавливают инерционные, центробежные или комбинированные сепарационные устройства. Чаще для выделения капельной взвеси из газового потока используют инерционные отбойники, а также слои металлической сетки. Металлические сетки быстро забиваются механическими примесями, поэтому их применение ограничено. Для повышения надежности применяются жалюзийные отбойники, выполненные из гофрированных листов с карманами для жидкости, снабженные сливной трубой, погруженной в жидкость гидрозатвора для исключения проскока газа. Однако они эффективно работают лишь в горизонтальных сепараторах. В вертикальных сепараторах, жидкость до входа в карманы, ввиду противоположного потока жидкости и газа, уносится потоком газа, что сильно снижает эффективность очистки. 3 1 Аналитический обзор 1.1 Поршневые компрессора 1.1.1 Определение, сфера применения Машины, предназначенные для сжатия и перемещения газов, называются компрессорами. Они являются основным технологическим оборудованием и непосредственно участвуют в изготовлении продукта в химической, нефтехимической, газовой промышленности и т. д. Компрессоры используются в производстве минеральных удобрений, пластмасс при добыче, транспортировке и переработке природного газа, нефти, искусственных жидких топлив и в других производствах (включаются в цепь агрегатов и машин, выполняющих технологический процесс, а также устанавливаются в отдельных помещениях, называемых цехами компрессии). В машиностроении, горнодобывающей, угольной, пищевой и других отраслях промышленности используются компрессоры для сжатия воздуха, который служит энергоносителем для привода всевозможных машин и инструментов, облегчающих труд человека, т. е. для механизации трудоемких процессов. В этом случае компрессоры также устанавливают в отдельных помещениях, называемых компрессорными станциями, и централизованно подают сжатый воздух в цехи предприятия. В современном машиностроительном предприятии до 30 % всей расходуемой мощности идет на выработку сжатого воздуха. В металлургической, коксогазовой и других производствах для интенсификации процессов горения подают сжатый воздух в металлургические печи, коксогазовые батареи и другие агрегаты. Здесь компрессоры также устанавливаются в отдельных помещениях, называемых воздуходувными станциями. При выполнении строительных работ, геологоразведке, бурении нефтяных и газовых скважин, в угольных шахтах и рудниках используются передвижные компрессорные установки, смонтированные на автомобилях или отдельных 4 тележках. Такие установки принято называть передвижными компрессорными станциями. Области применения компрессоров в нефтяной и газовой промышленности: - подъем пластовой жидкости на поверхность при компрессорном способе добычи нефти; - закачка газа в нефтяные пласты с целью поддержания и восстановления пластового давления; - закачка газа в подземные хранилища; - освоение скважин после бурения и ремонта; - подача воздуха в пневматические системы буровых установок; - подача окислителя (воздуха) в нефтяные пласты при эксплуатации месторождений с применением внутрипластового движущегося очага горения; - сбор газа при эксплуатации нефтяных и газовых месторождений и подача его на головную компрессорную станцию; - сжатие нефтяного газа в сепарационных установках; - транспортирование газа по магистральным трубопроводам; - подача воздуха в пневматические системы различных грузоподъемных, транспортных и других машин, приборов, инструментов и приспособлений, применяемых в нефте - и газодобыче; - опрессовка трубопроводов, емкостей и т. п. в процессе испытания их на прочность и плотность; - перемещение газа в установках заводов по переработке нефти и газа; - удаление газа с целью создания в какой-либо полости вакуума; - вентиляция с целью охлаждения оборудования и циркуляции воздуха в помещениях; - теплопередача (в охлаждающих рубашках машин, подогревателях, холодильных установках). 5 1.1.2 Устройство и принцип работы компрессора Устройство поршневых компрессоров является наиболее простым в одноцилиндровых установках. В состав данного оборудования входят такие элементы, как поршень, цилиндр, два клапана - для нагнетания и всасывания воздуха, которые находятся в крышке цилиндра. При работе установки, шатун, соединенный с вращающимся коленчатым валом, передает на поршень ограниченные движения по камере сжатия. В данном процессе происходит увеличение объема, находящегося между клапанами и нижней части поршня, что приводит к разрежению. Превышая сопротивление пружины, которая закрывает клапан, выполняющий всасывающие функции, атмосферный воздух открывает его и поступает в цилиндр по всасывающему патрубку. Рисунок 1 – Поршневой компрессор одноцилиндровый Возвратное действие поршня приводит к сжиманию воздуха и возрастанию его давления. Нагнетательный клапан, который также удерживается пружиной, открывается потоком воздуха, находящегося под высоким давлением, после чего сжатый воздух попадает в нагнетательный патрубок. При этом питание оборудование может осуществляться от электродвигателя или же автономного двигателя, который может быть дизельным или бензиновым. При этом принцип работы поршневых компрессоров позволяет получить максимально эффективную работу оборудования. Однако есть и один незначительный минус – сжатый воздух, подаваемый данной установкой, поступает в 6 виде импульсов, а не ровным потоком. Для выравнивания давления сжатого воздуха и его пульсации, поршневые компрессоры используются преимущественно с ресиверами, позволяющими исключить возможность перебоев, как в давлении подаваемого воздуха, так и в работе всего оборудования. Также необходимо рассмотреть особенности конструкции и действия двухцилиндровых установок поршневого типа. В данном случае установка является одноступенчатой и оснащенной двумя одинаковыми по размеру цилиндрами. Работа цилиндров происходит в противофазе, в результате чего они всасывают воздух поочередно. Далее воздух сжимается до максимального уровня давления и вытесняется в нагнетающую часть оборудования. Рисунок 2 – Поршневой компрессор двухцилиндровый В случае с двухступенчатыми двухцилиндровыми установками, оборудование оснащено цилиндрами различных размеров. Сжатие воздуха до определенного значения происходит в цилиндре первой ступени. Далее он переходит в межступенчатый охладитель, где охлаждается до необходимого уровня. Затем, попадая в цилиндр второй ступени, воздух дожимается, что позволяет получить максимально высокий уровень давления воздуха. 7 Рисунок 3 – Поршневой компрессор двухступенчатый В качестве межступенчатого охладителя используется медная трубка, обеспечивающая охлаждение находящегося под давлением воздуха на промежутке между цилиндрами двух ступеней. Охлаждение воздуха позволяет оптимизировать процесс его сжатия и значительно повысить КПД всей установки. При этом специальным образом подбираются размеры обоих цилиндров – так, чтобы одинаковая работа проводилась на всех ступенях сжатия воздуха. Двухступенчатые поршневые компрессоры, устройство которых позволяет получить более эффективный уровень работы оборудования, в сравнении с одноступенчатыми установками, имеют большое количество важных преимуществ. В первую очередь – это затрачивание минимального количества энергии при одинаковой мощности двигателя. Так при одноступенчатом сжатии воздуха требуется большее количество энергии, чем для сжатия этого же объема воздуха двухступенчатым оборудованием. Кроме того, температура в цилиндрах двухступенчатых установок имеет значительно более низкий показатель, чем в компрессорах одноступенчатого класса. Низкая температура обеспечивает надежность и эффективность работы всего оборудования, а также повышает ресурс поршневой группы. При этом двухступенчатые установки имеют производительность на 20% выше, нежели компрессоры других типов. Особенности конструкции и принцип действия компрессоров поршневого типа отличаются своей сравнительной простотой в сочетании с высокой 8 эффективностью работы оборудования, его практичностью и длительным сроком эксплуатации при интенсивном использовании. Эти преимущества сделали установки данного типа одними из наиболее популярных, как в быту, так в полупромышленном и промышленном использовании. 1.2 Виды и конструкции поршневых компрессоров Любой тип компрессора или установки компрессорной предназначен для сжатия, подачи воздуха (любого газа) под давлением. Характеристики, конструктивные и функциональные особенности агрегата определяют его дальнейшую работу. По принципу действия поршневые компрессора разделяют на коаксиальные поршневые компрессора и ременные поршневые компрессора. 1.2.1 Коаксиальные поршневые компрессора Для коаксиальных компрессоров характерно то, что муфта соединяет коленвал с электрическим приводом, что обеспечивает исключение потерь мощности вследствие трения. Рисунок 4 – Коаксиальный поршневой компрессор Конструктивное исполнение данных компрессоров довольно компактно. Данные компрессорные агрегаты отличаются методами смазки. Цилиндропоршневую группу безмасляных компрессоров данного типа смазывать не надо. Сжатый воздух на выходе подобных устройств не имеет масляных примесей. 9 В масляных же коаксиальных компрессорах применяют минеральное компрессорное масло в качестве смазки. За счет этого у данного компрессора довольно высокий ресурс. Коаксиальные компрессоры работают в периодическом режиме, т.е. 20 минут в работе, 40 минут составляет перерыв. Рабочее давление равно при этом восьми барам. Мощность двигателя равна приблизительно 2,25 кВт, производительность же может достигать 200 л/мин. К основным достоинствам данных насосных устройств можно отнести малогабаритность, лёгкость, относительно низкую стоимость. Коаксиальные компрессоры подразделяются на безмасляные и масляные поршневые компрессоры. 1.2.1.1 Безмасляные компрессора Этот тип компрессоров приемлем для систем, в которых обязательным условием является подача чистого воздуха. В воздухе не должно быть примесей масляной эмульсии. Двигатель для безмасляных компрессорных устройств выпускается с мощностью 1,1 кВт, они оснащаются также ресиверами различного объема. Данный тип компрессора обладает своими положительными особенностями: - небольшого размера; - не частое обслуживание; - транспортировка и перемещение осуществляется в любом положении. Безмасляные компрессоры подразделяются, в свою очередь, на следующие виды: - автомобильный безмасляный компрессор представляет собой компактный агрегат для подкачки шин. Обычно он не оснащается ресивером и работает от аккумулятора. - бытовой компрессор, который применяется для работы с пневматическим инструментом, например, с краскопультами. - полупрофессиональный и профессиональный безмасляный компрессор, используемый в мастерских, лабораториях, производственных цехах, в 10 которых обязательным условием является подача большого объёма чистого воздуха. 1.2.1.2 Масляные компрессора, оснащенные прямым приводом В ресивер данного компрессора, если он есть, можно вместить максимально 100 л воздуха, а мощность двигателя равна приблизительно 1,1-1,8 кВт. В сравнении с безмасляными компрессорными аппаратами, ресурс их намного выше. Кроме того, безмасляным компрессорам необходимо специфичное техобслуживание. Отрицательный фактор у компрессоров этого типа несет в себе воздух, который на выходе содержит масляную эмульсию, а это требует дооснащения компрессора фильтром. Масляные компрессоры, оснащенные прямыми приводами, находят широкое применение при изготовлении мебели, в автомобильном сервисе, а также при ремонтных работах, связанных с реконструкцией фасадов. 1.2.1.3 Масляные компрессора на ременном приводе В ресивер данного компрессора, если он есть, можно вместить от 25 до максимально 100 л воздуха, а мощность двигателя равна приблизительно 1,515 кВт. Благодаря ременному приводу частоту вращения двигателя можно уменьшить, оставаясь на той же производительности. У этих компрессоров два поршня, имеющих различную величину. Первым поршнем воздух сжимается предварительно, второй поршень доводит воздух до нужного давления. Данные компрессоры используются в случаях потребления большого количества воздуха. Надёжная система охлаждения предотвращает двигатель от чрезмерного перегрева и износа. Это позволяет использовать двигатель компрессора в постоянном режиме работы. 1.2.2 Ременные поршневые компрессора Для ременных компрессоров характерно то, что ременная передача соединяет коленвал с электроприводом, что обеспечивает высокую производительность и продолжительность эксплуатации. 11 Рисунок 5 – Ременный поршневой компрессор Компрессоры данного типа могут работать по несколько часов, причём непрерывно. Они применяются чаще всего в строительстве, в шиномонтажных мастерских, на станциях технического обслуживания. Мощность двигателя равна приблизительно 2,25 - 5,5 кВт. Производительность компрессора может достигать 500 л/мин., рабочее давление достигает 16 бар, в некоторых случаях доходит до 30 бар. Положительный момент заключается в сжатии воздуха до требуемых значительных параметров. 1.3 Образование конденсата в компрессоре Образование конденсата в компрессорной установке – это естественное явление, так всегда происходит при сжатии воздуха и его дальнейшем охлаждении. Количество влаги зависит от первоначальных параметров поступающего воздуха, размеров агрегата, давления в системе и других факторов. В процессе сжатия воздуха конденсат скапливается не только в компрессорной установке, но и в ресивере. Такое явление возникает если неправильно спроектировать и просчитать характеристики оборудовании для системы подготовки сжатого воздуха. Ситуацию исправит монтаж осушителя между компрессором и ресивером, и установка автоматического конденсатоотводчика. Если не удалять скапливающийся конденсат из системы, это приведет к серьезным проблемам: • образованию коррозии внутри компрессора с отложением солей в трубопроводах; 12 • появлению налета из твердых частиц и масел; • смыванию смазки в маслосодержащих компрессорах, и к дальней- шим сбоям в постоянной подаче сжатого воздуха; • возникновению простоев в работе, незапланированных ремонтов, трудозатрат, что приводит к дополнительным производственным расходам; • наличие капель влаги и масла препятствует полноценной очистке сжатого воздуха; • образующийся конденсат может прорваться вверх по трубопро- воду и остановить работу компрессора; • увеличению энергопотерь; • нарушению функционирования пневматических систем и порче конечного продукта. 1.3.1 Причины Вода. Влага всегда присутствует в атмосферном воздухе, который поступает в компрессор. Во время сжатия образуется конденсат, требующий отведения. Температура. Чем ниже температура получаемого сжатого воздуха, тем меньшее количество влаги в нем присутствует. Если на выходе из пневмосистемы температура рабочей среды составляет +30°С, а в помещении температура воздуха +18°С, то при разнице температурных значений на стенках трубопровода появиться конденсат. А если система установлена на открытом воздухе, то при температуре ниже 0С магистраль с конденсатом замерзнет. Давление. При работе любого пневматического инструмента происходит выброс сжатого воздуха в атмосферу. Данный процесс неизменно сопровождается падением давления, а при падении давления падает и температура. Если в рабочей среде после компрессора есть пары влаги, то при выбросе сжатого воздуха из пневмоинструмента неизменно выделится конденсат. 13 1.3.2 Способы предотвращения Установка дренажного клапана. Для эффективного отвода конденсата необходимо установить дренажный клапан, который будет регулировать выход влаги из компрессора. Клапан должен быть правильно настроен и периодически проверяться на работоспособность. Очистка и замена фильтров. Фильтры в системе компрессора могут быть засорены пылью и загрязнениями, что может приводить к ухудшению эффективности работы и увеличению количества образующегося конденсата. Регулярная очистка и замена фильтров позволит предотвратить эту проблему. Однако полностью удалить влагу из системы с помощью фильтрующего элемента невозможно. Дело в том, что любой фильтр используется для удаления капельной влаги. При прохождении сжатого воздуха через фильтры крупные частицы влаги задерживаются между ворсинками, а водяные пары остаются в сжатом воздухе. Поэтому, если сразу после компрессора установить один фильтр без дополнительных устройств (осушитель, ресивер), то на выходе сжатый воздух будет иметь влажность 80-90%. А дальше при падении давления и понижения температуры, в пневмосистеме образуется конденсат. Установка ресивера. Ресивер — это емкость для сбора и хранения конденсата. Установка ресивера позволяет собирать конденсат и затем удалять его в удобное время, предотвращая его накопление в компрессоре. Регулярное обслуживание. Регулярное техническое обслуживание компрессора позволяет избежать неполадок и проблем с отводом конденсата. Это включает в себя проверку и устранение утечек, замену изношенных деталей и смазку подвижных элементов. Корректная эксплуатация. Корректная эксплуатация компрессора также важна для предотвращения образования большого количества конденсата. Это включает в себя правильное использование и настройку компрессора, соблюдение рекомендаций производителя и контроль за условиями эксплуатации. 14 1.4 Каплеотбойник Каплеотбойники используются в различных отраслях промышленности, таких как химическая, нефтяная, энергетическая, легкая, с целью задержать и предотвратить выброс в атмосферу вредных веществ, содержащихся в газе или влаге. В процессе движения газа при работе установок для осаждения мелких капель силы тяжести обычно оказывается недостаточно, и они остаются взвешенными в газовой фазе, что подтверждается на практике. Улучшение разделения достигается с помощью каплеотбойника, который задерживает жидкие капли и снижает унос жидкости с потоком газа на выходе до допустимого уровня, как правило, 0,01 мл на 1 м3. В нефтяной, химической, газоперерабатывающей промышленности каплеотбойник изготавливается из сталей, часто легированных, и задерживает примеси газовых потоков. 1.4.1 Сетчатые каплеотбойники Сетчатые каплеотбойники — экономичные, универсальные и эффективные устройства для извлечения взвешенных капель жидкости из потока газа. Матричная конструкция или подушки вязаной проволочной сетки из различных материалов. Толщина нитей может варьироваться в соответствии с конкретными эксплуатационными требованиями. Извлечение жидких капель из газа в сетчатых каплеотбойниках осуществляется в несколько стадий: • Взаимодействие капель с нитями сетчатого материала; • Коалесценция захваченных капель на поверхности нити; • Укрупнение капель и их осаждение. Сетчатые каплеотбойники используются как в вертикальных, так и в горизонтальных сепараторах. Они изготавливаются в различных формах и профилях, чтобы соответствовать различным конфигурациям сосудов и могут быть секционными для удобства монтажа через люк сосуда. Наиболее распространенным используемым в производстве является каплеотбойник из вязаной проволочной сетки. Эти ячейковые каплеотбойники 15 состоят из слоя вязаной проволочной сетки, уложенной между двумя жесткими решетками, служащими опорой. Капли жидкости собираются на проволоке, при прохождении потоков пара через данный слой. Под действием силы тяжести скопившаяся жидкость стекает с ячейковых каплеуловителей. Каплеотбойники могут быть круглыми, прямоугольными, V-образными. Данные каплеотбойники способны отводить 100% капель жидкости диаметром более 3-10 мкм. Толщина устройства обычно составляет 100 - 150 мм, а при необходимости более высокой эффективности или для систем, где используются вещества с большей загрязняющей способностью, доходит до 300 мм. 1.4.2 Пластинчатые каплеотбойники Пластинчатые каплеотбойники различных конструкций обеспечивают следующие преимущества: высокая производительность, устойчивость к засорению, низкий перепад давления, пеногашение. Конструкция включает серию параллельных пластин, установленных так, чтобы вынудить поток газа с каплями жидкости изменить направление несколько раз внутри пакета пластин. При изменении направления течения газа капли жидкости, обладающие большей плотностью и импульсом, продолжают движение по прямолинейной траектории и ударяются о поверхность пластин. Задержанные капли коалесцируют, укрупняются и под действием силы тяжести стекают по поверхности пластин в накопительную камеру. С целью предотвращения повторного уноса капельной жидкости конструкция оснащена карманами или складками, в которых создаются неподвижные зоны для скоалесцировавших капель. Вторая особенность пластинчатых каплеотбойников — это способность удерживать слой пены и, благодаря развитой площади, обеспечивать ускоренное разрушение пены. Пластинчатый каплеуловитель обеспечивает более высокую производительность обработки газовой нагрузки. Кроме того, если пластины установлены в горизонтальном потоке газа, а не в вертикальном, они могут работать с еще более высокими скоростями потоков газа. Они менее эффективны при 16 отводе очень мелких капель, чем сетчатые каплеуловители. Стандартная конструкция предназначена для отвода капель с диаметром более 30 мкм. Пластинчатые каплеотбойники могут использоваться как в вертикальных, так и в горизонтальных сепараторах. Обычно поставляются в виде батареи пластин в кожухе с размерами, рассчитанными для конкретного сепаратора с учетом эксплуатационных требований. Выбор материала пластин осуществляется исходя из условий технологического процесса. Каплеотбойники изготавливаются с болтовым креплением, удобным для установки и демонтажа через люк. 17 Список использованных источников 1 Поникаров И.И. Машины и аппараты химических производств: Учебник для вузов / И.И. Поникаров, О.А. Перелыгин, В.Н. Доронин, М.Г. Гайнуллин. - М.: Машиностроение, 1989. - 368 с. 2 Каплеуловители (каплеотделители) [Электронный ресурс] // AMCOR.RU: ежедн. интернет-изд. 2015. 12 янв. – Режим доступа: https://amcor.ru/kapleuloviteli-kapleotdeliteli (дата обращения: 11.10.2023) 3 Дмитриев А.В. Очистка газовых выбросов в вихревых камерах с разбрызгивающим устройством / А.В. Дмитриев, О.С. Макушева, А.Н. Николаев. – М.: Экология и промышленность России, 2010. – 155 с. 4 Афанасенко В.Г. Использование сил центробежной сепарации в процессе улавливания мелкодисперсной капельной жидкости в градирнях / В.Г. Афанасенко, С.П. Иванов, Е.В. Боев, Е.А. Николаев. – М.: Химическая промышленность сегодня, 2008. – 205 с. 5 Боев Е.В. Сетчатый водоуловитель градирни из полимерных материалов и композиций на их основе / Е.В. Боев, Т.А. Хасанов, В.Г. Афанасенко. – М.: Актуальные проблемы современной науки, 2009. – 74 с. 6 Иванец К.Я. Оборудование нефтеперерабатывающих заводов и его эксплуатация / К.Я. Иванец, А.Н. Лейбо. – М.: Издательство Химия, 1966. – 452 с. 7 Бабицкий И.Ф. Расчет и конструирование аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов / И.Ф. Бабицкий, Г.Л. Вихман, С.И. Вольфсон. – М.: Недра, 1965. – 904 с. 8 Фарамазов С.А. Эксплуатация оборудования нефтеперерабатывающих заводов / С.А. Фарамазов. – М.: Химия, 1969. – 304 с. 9 Ластовкин Г.А. Справочник нефтепереработчика: справочное изда- ние / Г.А. Ластовкин, Е.Д. Радченко, М.Г. Рудин. – Л.: Химия, 1986. – 648 с. 10 Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов / А.Г. Касаткин. – 14-е изд., стер. – М.: Альянс, 2008. – 753 с. 18 11 Рабинович Г.Г. Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепе- реработки: справочник / Г.Г. Рабинович, П.М. Рябых, П.А. Хохряков; ред. Е.Н. Судаков. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1979. – 566 с. 19
