Повышение эффективности процессов химической технологии нефтепереработки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 621.921.8(043)

© О. Ю. Еренков, 2010

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ НЕФТЕПЕРЕРАБОТКИ

Еренков О. Ю. - д-р техн. наук завкафедрой «Химическая технология и биотехнология», тел.: (4212) 37-52-31, e-mail: [email protected] (ТОГУ)

В данной работе представлены сведения о перспективном оборудовании, применяющимся в процессах химической технологии нефтепереработки. Основными направлениями повышения качества химико-технологических процессов нефтепереработки является внедрение новой техники и совершенствование работы имеющегося технологического оборудования. Одной из тенденций развития современного нефтехимического машиностроения является применение деталей из полимерных материалов. Представлены результаты экспериментальных исследований формирования шероховатости обработанной точением поверхности деталей из полимерных материалов, широко применяющихся в химическом и нефтегазовом машиностроении.

The paper presents information concerning modern equipment being used in the oil treatment chemical technology. The main directions for enhancing the quality of the processes of oil treatment chemical technology are the introduction of modern chemical technology equipment and the improvement of existing machines and apparatus of oil treatment technology. One trend in the modern petrochemical engineering is a wide application of polymeric materials. The experimental results on the formation of surface roughness of details from polymeric materials are given.

Ключевые слова: технологическое оборудование, химическая технология, совершенствование оборудования, полимерные материалы, качество обработки.

Введение

В основе разнообразных способов нефтепереработки лежат физические и химические процессы, различающиеся между собой характером качественных изменений и превращений вещества. Использование физических процессов для переработки сырья характеризуется изменением внешней формы и физических свойств. При этом внутреннее строение и состав вещества, как правило, остаются неизменными. Химические процессы в отличие от физи-

ческих характеризуются изменением не только физических свойств, но и агрегатного состояния, химического состава и внутреннего строения вещества.

Но несмотря на условность подобной классификации, деление процессов на физические и химические способствует типизации процессов нефтеперерабатывающего производства и облегчает выбор наиболее эффективного способа нефтепереработки. Эффективность конкретных процессов химической технологии зависит от многих факторов: доступности сырья, вида используемой энергии, степени сложности аппаратурного оформления, затратами на производственные здания, сооружения, оборудование, их монтаж и эксплуатацию, а также от степени введения и освоения научно-технических разработок и инноваций.

1. Направления совершенствования процессов химической технологии нефтепереработки

В нефтехимической промышленности большое разнообразие аппаратов различного конструктивного исполнения и функционального назначения: машины для дробления и помола материалов, теплообменные, массообменные и реакционные аппараты, устройства для разделения неоднородных сред и др.

В настоящее время довольно четко прослеживается производство и внедрение новых аппаратов в химическую технологию нефтепереработки. Например, вместо кожухотрубчатых теплообменных аппаратов применяют аппараты воздушного охлаждения в качестве холодильников-конденсаторов, а также используют энергию излучения электромагнитного поля в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) в качестве источника тепловой энергии. Вместо тарельчатых контактных устройств внедряются новые насадки (регулярные и нерегулярные): изогнутой формы с симметричными выступами, рулонно-регулярная в виде гофрированной металлической ленты, с наклонным движением потоков. В последние годы создан динамический фильтр - аппарат непрерывного действия, работающий под давлением и используемый для разделения или сгущения труд-нофильтруемых суспензий. Создан центробежный жидкостный сепаратор тонкоканального разделения, применение которого позволяет осуществлять процесс сепарирования плохо фильтрующихся суспензий, в частности дисперсию неустойчивых систем и высоковязких жидкостей, например осветление и очистку дизельных топлив, минеральных масел, рабочих жидкостей для двигателей внутреннего сгорания и авиационных топлив.

Одной из тенденций развития современного нефтехимического машиностроения является применение деталей из полимерных материалов. Это обусловлено тем, что пластические материалы обладают высокой удельной прочностью, превосходящей традиционные конструкционные материалы, такие как стали, чугуны, латуни, бронзы и др. Кроме того, пластмассы имеют высокую химическую стойкость, диэлектричность, антифрикционную способность и хорошие технологические свойства.

Наблюдается тенденция замены металлических сплавов полимерными

материалами для производства вкладышей подшипников скольжения, втулок, уплотнительных колец, антифрикционных дисков, зубчатых и червячных колес, уплотнительных устройств насосов, шкивов и других, что является весьма перспективным для развития многих отраслей промышленности, в том числе и для химической, в связи с возрастающим дефицитом минерального сырья и ухудшающейся экологической обстановкой при производстве черных и цветных сплавов.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что на данный момент времени весьма целесообразными направлениями совершенствования химико-технологических процессов нефтепереработки является внедрение новой техники и совершенствование работы имеющегося технологического оборудования на основе применения деталей из полимерных материалов.

2. Экспериментальные исследования шероховатости обработанной точением поверхности деталей из полимерных материалов

Работоспособность деталей машин и механизмов в значительной степени определяется свойствами обработанной поверхности. Такие свойства, как правило, формируются на конечной стадии технологического процесса изготовления деталей. В технологическом процессе изготовления деталей из конструкционных материалов в большинстве случаев на конечной стадии проводят механическую обработку резанием. Такая обработка необходима для придания детали надлежащего внешнего вида, изменения конфигурации, полученной в процессе формования, обеспечения размерной точности и требуемого качества обработанной поверхности.

Качество обработанной поверхности характеризуется шероховатостью и физико-механическими свойствами материала, образующего поверхностный слой детали. От качества поверхностного слоя зависят прочность детали, прочность соединений с натягом и стабильность подвижных соединений, износостойкость, коррозионная стойкость, оптические, химические и антифрикционные свойства. Сочетание данных свойств определяет уровень работоспособности детали.

Несмотря на очевидные преимущества полимерных материалов, при изготовлении деталей из пластмасс современными методами (литье под давлением, прессование, экструзия) происходит изменение их размерно-геометрических параметров, связанное с усадкой материала во время затвердения и охлаждения, и зачастую не обеспечиваются требуемые параметры качества функциональных поверхностей детали, что приводит к необходимости дополнительной механической обработки, преимущественно токарной, от качества которой в значительной степени зависит надежность и долговечность функционирования деталей и механизмов.

Наличие у полимерных материалов специфичных свойств обусловливает резкое отличие процессов их механической обработки от процессов резания металлов [1], при этом эффективность методов обработки резанием в основ-

ВЕСТНИКТОГУ. 2010. № 1 (16)

ном зависит от режимов обработки и параметров режущего инструмента. Механическая обработка полимерных материалов, в частности токарная, проводимая на основе обычных технологических решений, не обеспечивает решение обозначенной проблемы, так как процесс резания металлов существенно отличается от резания пластмасс. Как известно [1], при обработке резанием полимерных материалов возникают специфические явления, которые являются следствием физико-химических свойств обрабатываемого материала и приводят к образованию дефектов на наружной поверхности материала. К таким дефектам относятся оплавление, вырывы, сколы и прижоги обрабатываемой поверхности. Наличие их в значительной степени препятствует получению высококачественной обработанной поверхности.

Таким образом, для решения задачи снижения параметров шероховатости обрабатываемой резанием поверхности деталей из полимерных материалов необходимо разрабатывать и применять новые, комбинированные методы обработки.

В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований формирования шероховатости обработанной точением поверхности деталей из конструкционных полимерных материалов, широко применяющихся в химическом и нефтегазовом машиностроении.

Рассматривая обработку режущим инструментом как разновидность процесса управляемого разрушения твердого полимерного материала и учитывая кинетическую концепцию прочности, разработали новый комбинированный способ обработки полимерных материалов [2, 3], сущность которого заключается в том, что предлагаемый к токарной обработке полимерный материал предварительно подвергают механическому деформированию путем сжатия или растяжения.

За счет механического деформирования образуется такая структура материала, в которой часть связей разрушена, а часть напряжена. В сочетании с последующим нагревом это приводит к уменьшению энергии активации связей полимера и разрыву части возбужденных связей в полимерных цепях тепловыми флуктуациями. При дальнейшем взаимодействии поверхностного слоя материала с режущим клином инструмента облегчается процесс деформирования срезаемого слоя за счет образования зоны предразрушения. Магистральная трещина приобретает более устойчивое направление развития вдоль линии среза, что является предпосылкой повышения качественных показателей обработанной поверхности, так как снижается вероятность образования вырывов, сколов и подобных дефектов обрабатываемого резанием материала.

При проведении экспериментальных исследований величина усилия на сжатие/растяжение выбиралась с помощью зависимости «деформация - напряжение» из области, соответствующей упругой деформации, до развития явления вынужденной эластичности. При этом прикладываемые к заготовке усилия должны создавать в объеме материала такое напряженное состояние, чтобы выполнялось следующее условие [4]: ан = (0,6-0,8)стк (здесь, ан - на-

пряжения, создаваемые в заготовке усилием растяжения/сжатия; ок - предельная прочностная характеристика материала).

Шероховатость поверхности контролировали при помощи профилометра TR 200 производства США. В качестве выходных параметров из номенклатуры параметров шероховатости согласно ГОСТ 2789-73 выбраны: среднее арифметическое отклонение профиля Ra, высота неровностей профиля по десяти точкам Rz, наибольшая высота неровностей профиля Rmax, средний шаг неровностей профиля Sm. Дополнительно определялись параметры шероховатости в соответствии с международным стандартом ISO 4288: расстояние от вершины наибольшего выступа профиля до средней линии Pp, расстояние от дна наибольшей впадины профиля до средней линии Pm, асимметрия профиля Sk. Данные параметры имеют важное практическое значение для оценки качества поверхностного слоя. Согласно положениям ISO 4288 профиль с положительными значениями параметра Sk имеет четкие высокие пики, которые выделяются от среднего. Поверхности с отрицательными значениями Sk имеют четкие глубокие впадины в гладких плато профиля. В менее очевидных случаях значения Sk приближаются к нулю. Значения Sk > 1,5 показывают, что поверхность имеет непростую форму и простые параметры (Ra, Rz, Rmax), вероятно не могут адекватно характеризовать качество поверхностного слоя.

На рисунке представлены, на примере обработки капролона, результаты исследования уровня шероховатости поверхности деталей в виде профило-грамм, а численные значения исследуемых параметров шероховатости сведены в таблицу. Анализ численных значений геометрических параметров шероховатости обработанной поверхности исследуемых материалов также подтверждают тот факт, что применение предварительного механического деформирования приводит к повышению качества обработанной поверхности, при этом предварительное деформирование заготовок путем сжатия обеспечивает максимальный эффект.

Общую тенденцию снижения шероховатости обработанной точением поверхности после предварительного деформирования путем сжатия можно объяснить следующим образом.

После снятия сжимающей нагрузки на заготовку в объеме материала действуют остаточные растягивающие напряжения, обеспечивающие эффект двойного технологического разупрочнения поверхностного слоя заготовки.

Во-первых, за счет их действия появляются поверхностные дефекты в виде микротрещин. Во-вторых, в вершинах имеющихся и появившихся микротрещин образуются зоны перенапряжения или зоны пластической деформации, как установлено [5]. В данных зонах имеет место частичное разрушение как химических, так и межмолекулярных связей полимера, что и является основой смягчения условий дальнейшей токарной обработки и повышения качества обработанной поверхности в соответствии с технической сущностью разработанного исследуемого способа [2, 3].

ВЕСТНИК ТОГУ. 2010. № 1 (16)

БЕСТШ1К ТОГУ. 2010. № 1 (16)

2 4 6 8 10

Длина измеряемой поверхности, мм

б

Длина измеряемой поверхности, мм

2 4 6 § 10

Длина измеряемой поверхности, мм

а

в

Профилограммы поверхностей деталей из капролона: а - точение; б - предварительное растяжение и точение; в - предварительное сжатие и точение

Результаты исследования шероховатости поверхности деталей при различных видах обработки

Вид обработки Параметры шероховатости, мкм

Ra Яг Ятах Яр Ят Sm Sk

н о Предварительное сжа-тие+точение 4,39 5,68 9,01 5,32 3,7 1,38 -0,17

ч о & а « Предварительное рас-тяжение+точение 5,92 13,7 20,7 9,52 11,2 0,27 -0,57

Точение 7,6 22,7 35,9 14,0 21,9 0,33 0,27

т с Предварительное сжа-тие+точение 3,13 14,3 18,0 9,11 8,92 0,50 -0,12

й п о а о т Предварительное рас-тяжение+точение 3,5 15,2 20,7 9,23 11,5 0,18 0,60

© Точение 8,7 20,2 37,9 14,8 23,1 0,20 0,13

Предварительное сжа-тие+точение 3,75 16,1 22,8 10,9 11,8 0,23 -0,23

н и ч о т с Предварительное рас-тяжение+точение 4,51 19,8 31,1 15,5 15,5 0,18 0,08

и е н Точение 10,0 40,5 48,4 26,2 22,1 0,21 0,56

Гетинакс Предварительное сжа-тие+точение 4,37 16,5 23,7 11,0 12,6 0,297 0,05

Предварительное рас-тяжение+точение 5,87 25,5 20,2 10,4 9,81 0,25 0,64

Точение 10,0 37,9 56,4 26,0 30,4 0,25 0,69

Выводы

1.Таким образом, весьма целесообразными направлениями повышения эффективности процессов химической технологии нефтепереработки является внедрение новой техники и совершенствование работы имеющегося технологического оборудования.

2. Одним из действенных методов совершенствования работы технологического оборудования процессов химической технологии нефтепереработки явля-

ВЕСТНИКТОГУ. 2010. № 1 (16)

ется повышение работоспособности машин и аппаратов на основе использования деталей из полимерных материалов, при этом шероховатость обработанной поверхности является важнейшим фактором, влияющим на комплекс эксплуатационных показателей деталей и всего механизма в целом.

3. Экспериментально подтверждены возможность и целесообразность применения предварительного механического воздействия на заготовки, так как такое воздействие перед операцией точения приводит к снижению уровня шероховатости, и, следовательно, к повышению работоспособности деталей машин и аппаратов, применяющихся в химической технологии нефтепереработки.

Библиографические ссылки

1. Подураев В. Н. Резание труднообрабатываемых материалов: учеб. пособие для вузов. М., 1974.

2. Еренков О. Ю. Способ обработки заготовок из пластмасс / Патент № 2317196, опубликовано 20.02.2008. Бюл. № 5.

3. Еренков О. Ю., Гаврилова А. В. Комбинированный способ токарной обработки заготовок из полимерных материалов // Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2007. № 1(4).

4. Еренков О. Ю., Ивахненко А. Г., Ри Хосен Новые комбинированные способы обработки полимерных материалов резанием на основе предварительных физико-химических и механических воздействий. Владивосток, 2007.

5. Карташов Э. М., Цой Б., Шевелев В. В. Структурно-статистическая кинетика разрушения полимеров. М., 2002.