Использование CAE-систем при проектировании установки уничтожения жидких отходов методом сверхкритического водного окисления

УДК 66.023.2

использование cae-систем при проектировании

установки уничтожения жидких отходов методом сверхкритического водного окисления

А. Е. Зверовщиков, Д. В. Барынкин

the use of cae systems in the design of plants for disposal of liquid wastes in supercritical water oxidation

А. E. Zverovschikov, D. V. Barynkin

Аннотация. Актуальность и цели. По разным оценкам, на территории России накоплено более 84 млн т токсичных отходов. Ежегодно в атмосферный воздух поступает около 20 млн т химических веществ. При этом отсутствуют эффективные технические решения по их утилизации и обезвреживанию. Материалы и методы. Метод сверхкритического водного окисления (СКВО) обеспечивает полное одностадийное окисление любых органических веществ. Проведен анализ конструкции реактора, расчет в среде SolidWorks с использованием модуля SimulationXpress. Моделирование прохождения жидкости выполнено в среде Ansys Multiphysics с использование модуля Flotran для входного жиклера реактора. Для оптимизации конструкции реактора выполнено моделирование движения потоков газов и жидкостей в объеме реактора на программном обеспечении SolidWorks FloXpress. Результаты. Расчет позволил определить предельные нагрузки и показал зоны, где возможны недопустимые деформации покрытия, дал возможность определить технические требования к аппаратуре, подключаемой к фланцевым соединениям; выполнен анализ движения потоков в реакторе. Проанализировано распределение скоростей в сечении жиклера и прилегающих зон; оптимизированы углы, определяющие расположение каналов входных и выходных штуцеров. Уменьшены зоны турбулентности, создававшие ударную нагрузку на конструкции. По результатам моделирования внесены коррекции в конструкцию реактора СКВО. Выводы. Разработанная конструкция реактора обеспечила высокую эффективность эксплуатации и позволила реализовать мобильное уничтожение отходов непосредственно на местах их образования и сократить время технологической подготовки процесса нейтрализации жидких отходов.

Ключевые слова: сверхкритическое водное окисление, реактор, установка, эффективность, практичность, конструкция, скорость, турбулентность.

Abstract. Background. According to various estimates, Russia has accumulated more than 84 million tons of toxic waste. Every year in atmospheric air is about 20 million tons of chemicals. Thus, there are no effective technical solutions for their recycling and disposal. Materials and methods. Method of supercritical water oxidation (SCWO) provides a complete one-step oxidation of any organic substances. The analysis of the design of the reactor, calculated in the SolidWorks environment, using SimulationXpress module. The simulation of the passage of fluid is performed in the Ansys Multiphysics with using the module Flotran for the input nozzle of the reactor. To optimize the reactor design simulation of the movement of flows of gases and liquids in the reactor volume on SolidWorks FloXpress. Results. The calculation allowed us to determine the maximum load and showed the areas where unacceptable deformation of the coating, to determine technical requirements for equipment connected to flange connections, the analysis of traffic flows in the re-

actor. Analyzed the velocity distribution in the cross section of the nozzle and adjacent zones, the optimized angles which determine the location of the input and output fittings. Reduced turbulence, creating a shock load on the structure. The results of the simulations made the correction in the design of the SCWO reactor. Conclusions. The construction of a reactor provided high efficiency operation and allows mobile disposal of waste directly at the source and reduce the time of technological preparation of process of neutralization of liquid waste.

Key words: supercritical water oxidation, reactor, unit efficiency, practicality, design, velocity, turbulence.

Введение

Усиливающееся негативное влияние химических и биологических факторов на население, производственную и социальную инфраструктуру и экологическую систему, увеличение риска возникновения чрезвычайных ситуаций представляют возрастающую угрозу жизнедеятельности человека, национальной безопасности, социально-экономическому развитию Российской Федерации. По разным оценкам, на территории России накоплено более 84 млн т токсичных отходов. Ежегодно в атмосферный воздух поступает около 20 млн т химических веществ. При этом отсутствуют эффективные технические решения по их утилизации и обезвреживанию [1].

В 2001 г. в список Стокгольмской конвенции о СОЗ были включены следующие 12 соединений, относящихся к инсектицидам, пестицидам, фунгицидам: дихлор-дифенил-трихлорэтан, алдрин, диэлдрин, эндрин, хлордан, мирекс, токсафен, гептахлор полихлорированные дифенилы, гексахлорбен-зол, полихлордибензодиоксины, полихлордибензофураны [2].

Среди многочисленных разработанных к настоящему времени методов уничтожения метод сверхкритического водного окисления (СКВО) занимает особое место. Метод обеспечивает полное одностадийное окисление любых органических веществ до безвредных продуктов и выделение из раствора неорганических соединений в виде газов или твердых фаз без опасности загрязнения окружающей среды. Объектами применения СКВО могут быть коммунальные, сельскохозяйственные и другие жидкие стоки, содержащие отходы нефтеперерабатывающей, химической, целлюлозно-бумажной, пищевой и биологической промышленности. Метод обладает рядом преимуществ: высокая скорость процесса, полнота разрушения до 100 % и т.п. [3].

В Пензенском государственном университете разработана мобильная установка сверхкритического водного окисления (СКВО) в блочно-модульном исполнении для уничтожения стойких органических загрязните -лей (рис. 1).

Описание установки

Установка состоит из двух технологических модулей, скомпонованных на единой раме, включающих по два реактора СКВО, многокаскадную систему сброса и конденсации газов, линию подготовки и впрыска нейтрализуемых веществ. Установка обеспечивает степень переработки до 5 т в сутки высокотоксичных отходов в экологически безопасные компоненты на уровне не менее 99,9 %. В установке реализована возможность дистанционного управления и контроля технологического процесса, организация замкнутого

технологического цикла с выводом в атмосферу безвредных веществ. В состав установки входит автоматизированная система контроля и управления (АСКУ), предназначенная для автоматического управления работой установки СКВО. АСУ обеспечивает 18 алгоритмов функционирования установки, включая тест, работу, подготовку к транспортировке и т.п. [1].

Рис. 1. Принципиальная компоновка установки: а - модуль подготовки; б - модуль переработки

Ключевым узлом модуля переработки является реактор (рис. 2), предназначенный для проведения реакции сверхкритического водного окисления. Рабочую среду окисления определяет эксплуатирующая организация в соответствии проведенным химико-технологическим расчетом.

Рис. 2. Эскиз реактора

Рабочее давление реактора - 30 МПа, рабочая температура - 600 °С. Возможность эксплуатации аппарата для каждой среды и химико-технологического процесса было необходимо подтвердить расчетом на прочность и работоспособность с учетом цикличных, коррозионных, вибрационных и тепловых нагрузок.

В конструкции реакторов предусмотрены: нагревательные элементы мощностью 18 кВт, обеспечивающие создание и поддержание (при необходимости) сверхкритической температуры; форсунки для подачи рабочей смеси; термопары для контроля температуры внутри реакторов и температуры корпусов реакторов; штуцера в крышке для подачи газообразных окисляющих агентов и вывода газообразных и конденсированных продуктов реакции. Таким образом, реактор является конструктивно сложным сосудом, работающим при высоких температурах и давлениях. В связи с этим корпус реактора изготовлен из жаропрочной конструкционной стали ХН62МБВЮ и имеет внутреннее многослойное покрытие. Для подобного сочетания давлений и температур отсутствуют стандартные методики прочностного расчета.

Для анализа поведения конструкции реактора проведен расчет в среде SolidWorks с использование модуля 8ти1айопХрге88.

На основе чертежа была создана модель в So1idWorks (рис. 3).

Рис. 3. Модель реактора в So1idWorks

Закрепление модели за нижнюю часть цилиндра имитировало реальное крепление реактора в несущей системе технологического модуля. Нагруже-ние конструкции приложенными силами имитировало давление в 35 МПа, действующее на внутренние стенки реактора.

Разбиение модели на конечные элементы проведено с минимизацией различий форм и размеров элементов рис. 4.

Рис. 4. Разбиение реактора на конечные элементы

Для стали ХН62МБВЮ проведен поиск прочностных характеристик и перерасчет в размерности используемой САЕ-системы. Данные сведены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства стали ХН62МБВЮ

Имя свойства Значение Единица измерения

Модуль упругости 2,1е + 0,11 N/mA2

Коэффициент Пуассона 0,33 NA

Модуль сдвига 7,35е + 010 N/mA2

Массовая плотность 8700 Kg/mA3

Предел прочности при растяжении 6,86е + 008 N/mA2

Предел текучести 5,29е + 008 N/mA2

Коэффициент теплового расширения 4е - 007 Kelvin

Теплопроводность 15 W/

Удельная теплоемкость 0,45 J/

Расчет позволил определить предельные возникающие нагрузки и показал зоны, где возможны недопустимые деформации покрытия.

По результатам анализа моделирования проведена коррекция конструкции реактора.

Для окончательного варианта конструкции установлено, что максимальное возникающее напряжение в стенках сосуда составит 106,42 МПа, а минимальное - 2,7 МПа.

Имя модели" опе2

Имя исследования: SimulationXpress Study Тип эпюры. Статический узловое напряжение Stress Шкала деформации' 2049.56

von Mses (Гчлптл2 tMPa)J 106.424 . 97.556 88 687 . 79.818 . 70.950 . 62.081 53.212 Ч . 44.341 В 35 475 . 26.606

117.737 8.869 0 000

Предел текучест:' 529.000

Рис. 5. Расчетное окно системы при моделировании напряжений в реакторе

В ПО Ansys Workbanch проведен стационарный тепловой анализ (Steady-state thermal) допустимости распределения температурных деформаций по конструкции реактора.

Учитывалось, что при нормальном состоянии внешней среды (воздух при 20 °С и 0,1 МПа) наружная поверхность реактора будет нагрета до 700 °С в начале цикла, а внутренняя может нагреваться до 640 °С при работе.

Распределение температур по конструкции реактора позволило определить зоны недопустимой деформации, составить технические требования к аппаратуре, подключаемой к фланцевым соединениям (рис. 6).

Рис. 6. Моделирование распределения температуры материала реактора

Другой проблемой проектирования аппаратуры, реализующей процессы сверхкритического водного окисления, является интенсивный абразивный и кавитационный износ регулирующей арматуры. Для оценки работоспособности установки были проведены моделирование протекания среды через жиклерные узлы и движения потоков жидкости в реакторе.

Моделирование прохождения жидкости выполнено в среде Ansys Mul-tiphysics с использование модуля Flotran для входного жиклера реактора (рис. 7).

Рис. 7. Конструкция жиклера

Для моделирования построена 2Б модель в программе Ansys и использован тип элемента 2Б Flotran 141. Размер сетки обеспечил максимальное приближение к реальному процессу.

Нагрузки на модель определялись исходя из следующего: давление среды на входе в жиклер - 35 МПа и температура смеси на входе в реактор - 100 °С.

После расчета проанализировано распределение скоростей в сечении жиклера и прилегающих зон (рис. 8).

Рис. 8. Эпюра распределения скоростей

Исходя из анализа большого количества промоделированных конструкций, было принято решение выполнить переходные участки сопряжения диаметров по параболической траектории. Также выдвинута гипотеза, что в узком сечении жиклера возможен кавитационный и абразивный износ из-за больших скоростей течения среды. Также возможно отложение осадка в верхней части выходного канала из-за значительного снижения скоростей. Давление, возникающее в жиклере, не выходит за рамки допустимого. Исходя из полученной информации, в качестве материала жиклера принят твердый сплав, а конструкция была доработана.

Эффективность работы реактора зависит от распределения потоков реагентов и нейтрализуемой смеси. Для оптимизации конструкции реактора выполнено моделирование движения потоков газов и жидкостей в объеме реактора на ПО SolidWorks FloXpress (рис. 9).

Благодаря моделированию оптимизированы углы, определяющие расположение каналов входных и выходных штуцеров. Расчеты проводились для всего диапазона входных и выходных давлений и температур.

Рис. 9. Течение жидкости в реакторе

Анализ движения потоков позволил изменить конструкцию реактора, выбрать наилучший вариант расположения каналов, обеспечивший высокую скорость и однородность перемешивания сред при впрыске в реактор. Уменьшены зоны турбулентности, создававшие ударную нагрузку на конструкции. Обеспечено управляемое движение среды по каналам реактора со скоростями потока до 257,55 м/с.

Заключение

Разработанная установка показала высокую эффективность. Она представляет практическую ценность для предприятий химической и нефтехимической отраслей, авиакосмических организаций, предприятий Минобороны, сельскохозяйственного комплекса, научно-исследовательских центров и организаций. Установка позволяет реализовать мобильное уничтожение отходов непосредственно на местах их образования и сократить время технологической подготовки процесса нейтрализации жидких отходов.

Список литературы

1. Ермакова, А. Н. Окисление фенола в сверхкритической воде в проточном реакторе идеального смешения / А. Н. Ермакова, П. Е. Микенин, В. И. Аникеев // Теоретические основы химической технологии. - 2006. - Т. 40, № 2. - С. 184-190.

2. Сверхкритические флюиды: фундаментальные основы, технологии, инновации : тез. докл. V Междунар. науч.-практ. конф. - Суздаль, 2009.

3. Занавескин, Л. Н. Переработка и обезвреживание полихлорбифенилов / Л. Н. За-навескин, В. А. Аверьянов // Экология и промышленность России. - 1999. - № 9. -С. 10-14.

Зверовщиков Александр Евгеньевич доктор технических наук, профессор, кафедра технологии машиностроения, Пензенский государственный университет E-mail: azwer@mail.ru

Барынкин Дмитрий Васильевич

студент,

Пензенский государственный университет E-mail: dimasik.barynkin@yandex.ru

Zverovschikov Alexander Evgenjevich doctor of technical sciences, professor, sub-department of mechanical engineering, Penza State University

Barynkin Dmitry Vasilyevich student,

Penza State University

УДК 66.023.2 Зверовщиков, А. Е.

Использование САЕ-систем при проектировании установки уничтожения жидких отходов методом сверхкритического водного окисления / А. Е. Зверовщиков, Д. В. Барынкин // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2016. - № 2 (18). - С. 144-154.