CC BY
1
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
УДК 669.14:620.178.167 DOI 10.25960^.2019.2.39
Влияние фракционного состава катализатора на абразивный износ системы гравитационного тракта установок каталитического крекинга
Д. М. Караваев, Е. В. Матыгуллина, М. А. Лосева, Д. В. Бирин, И. С. Михеенко
Описан метод испытания стальных материалов на изнашивание о нежестко закрепленные абразивные частицы в планетарном грануляторе. Изучено влияние фракционного состава катализаторов установки каталитического крекинга на абразивный износ системы гравитационного тракта установок каталитического крекинга. Исследования проведены в соответствии с методикой планирования экспериментов. Установлено, что определяющую роль в износе стальных образцов играют фракции более 3,15 мм. Методика эксперимента может быть использована для испытания других материалов.
Ключевые слова: абразивные частицы, износ, изнашивание, трение, сталь, катализатор, фракционный состав, планетарный гранулятор.
Введение
Разрушение деталей, подвергающихся ударам движущихся абразивных частиц, широко известное в технике явление. Так, износ в потоке абразивных частиц считается одним из основных факторов, снижающих надежность и экономичность работы установок каталитического крекинга. Ударяющиеся о металлическую поверхность твердые частицы катализатора разрушают системы гравитационного тракта установок каталитического крекинга, снижая тем самым их долговечность. Важнейшим аспектом решения этой проблемы является экспериментальное определение влияния фракционного состава катализатора на абразивный износ стали. Для этого требуется в зависимости от условий эксплуатации разработать или подобрать методику износных испытаний, позволяющих получать достоверные результаты. Принимая во внимание тот факт, что остановка нефтеперерабатывающего производства из-за преждевременного износа оборудования может привести к экологическим и экономическим потерям, представленная работа является актуальной.
Методика эксперимента
Для испытания материалов на изнашивание о нежестко закрепленные абразивные частицы была выбрана схема испытаний «вращающийся барабан» [1], модернизированная в целях повышения интенсивности взаимодействия катализатора и стальных образцов добавлением планетарного вращения барабана. Схема используемого в работе планетарного гранулятора представлена на рис. 1 [2, 3].
Планетарный гранулятор состоит из двух барабанов, водила (ротора), в котором барабаны вращаются с относительной юг и планетарной Юр скоростями, привода водила от электродвигателя с переменной частотой враще-
Рис. 1. Схема планетарного гранулятора: 1 — ротор (водило); 2 — барабан
МЕШПООБМБОТК|»
ния, тормозного механизма с регулируемым тормозным моментом. Технические характеристики используемого в роторе гранулятора: диаметр барабана D = 140 мм, ширина барабана B = 150 мм, радиус планетарного вращения барабана R = 100 мм.
В работе исследовали износ плоских стальных тестовых образцов размерами 70 X 100 мм. Образцы 1 (рис. 2) закрепляли на внутренней поверхности барабана 2, в который помещали 100 г абразивного материала 3, содержащего частицы катализатора различных фракций: более 4 мм, более 3,15 мм, но менее 4 мм и менее 3,15 мм. Катализатор — это сыпучий гранулированный алюмосиликатный цеолитсо-держащий продукт, обладающий высокой пористостью и гигроскопичностью. Испытания проводились в течение 20 мин при планетарной скорости вращения барабана 200 об/мин. Изнашивающая способность абразивных частиц определялась по среднему значению трех параллельных определений износа тестовых образцов взвешиванием до и после испытаний на аналитических весах AND HR-300i с пределом допускаемой погрешности взвешивания ±0,6 мг.
Поверхности тестовых образцов очищали от загрязнений перед испытаниями и от шаржированных частиц после испытаний. Для этого использовали ультразвуковую очистку с подогревом до температуры 60 ± 5 °С в среде растворителя НЕФРАС-С2-80/120 ТУ 38.401-67-108-92 с последующей протиркой этиловым спиртом.
Чтобы исключить влияние случайных ошибок, вызванных внешними условиями (переменой температуры, качеством сырья, квалификацией лаборанта и т. д.), опыты рандоми-зировались во времени, т. е. очередность их проведения в рамках одного параллельного определения выбиралась случайным образом.
Разработанный метод испытания материалов на изнашивание с нежестко закреплен-
Рис. 2. Барабан планетарного гранулятора с исследуемым образцом и катализатором:
1 — стальной тестовый образец; 2 — барабан; 3 — катализатор (абразивный материал)
ными абразивными частицами был использован для проведения испытаний катализаторов установки каталитического крекинга в целях определения влияния фракционного состава катализатора на абразивный износ стали. Для испытаний использовали план эксперимента для смеси из трех фракций:
А — частицы катализатора, задержавшиеся на сите № 4;
В — частицы катализатора, задержавшиеся на сите № 3.15;
С — крошка, т. е. частицы катализатора, прошедшие через сито № 3.15.
Сумма компонентов смеси (фракций А, В и С) равна 100 %. Такая задача оптимизации часто встречается в пищевой промышленности, очистке или производстве химикатов или лекарств [4].
Симплекс-вершинный план эксперимента смеси из трех компонентов д = 3 со степенью полинома т = 3 включал составы, приведенные в табл. 1.
На области наложили следующие ограничения для компонентов смеси, связанные
Матрица планирования
Таблица 1
Номер опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
A 1 0 0 0,33 0,33 0 0,67 0,67 0 0,33
B 0 1 0 0,67 0 0,33 0,33 0 0,67 0,33
C 0 0 1 0 0,67 0,67 0 0,33 0,33 0,33
ШШШМБОТКА
Преобразованная матрица планирования
Таблица 2
Номер опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
А, мас. % 65 35 35 45 45 35 55 55 35 45
В, мас. % 35 65 35 55 35 45 45 35 55 45
С, мас. % 0 0 30 0 20 20 0 10 10 10
с особенностями технологического процесса каталитического крекинга: 0,35 < А < 0,65; 0,35 < В < 0,65; 0 < С < 30.
Для нахождения вершин в областях с ограничениями воспользовались алгоритмом, предложенным Пипелем и Сни [5-7]. Преобразованная матрица планирования представлена в табл. 2.
Результаты и обсуждение
В ходе предварительных испытаний для определения оптимальных планетарной скорости вращения барабанов, массы испытуемого катализатора, времени испытаний наблюдалось увеличение массы некоторых тестовых образцов вследствие шаржирования частиц катализатора в их поверхность. Для удаления шаржированных частиц катализатора с поверхности тестовых образцов в методику эксперимента была введена ультразвуковая очистка с подогревом до температуры 60 ± 5 °С
в среде растворителя НЕФРАС-С2-80/120 ТУ 38.401-67-108-92.
В табл. 3. представлены результаты исследований влияния фракционного состава катализатора на абразивный износ стали по разработанной методике.
К значениям износа в табл. 3 подгоняли поверхность отклика возрастающей сложности, начиная с линейной модели, затем продолжая квадратичной моделью, специальной кубической моделью и, наконец, завершая полной кубической моделью. Так как у полной кубической модели среднеквадратичная ошибка меньше, а значения коэффициента детерминации Я2 = 0,9 больше, чем у других моделей, будем использовать полную кубическую модель (рис. 3, см. обложку, с. 3).
Представленные табличные и графические экспериментальные данные показывают, что наименьший массовый износ стальных образцов по результатам трех испытаний составил 1,3 мг, он наблюдается у образцов, изнашиваемых катализатором фракционного
Влияние фракционного состава катализатора на абразивный износ стали
Таблица 3
Номер состава А В С Износ, мг
мас. % 1 2 3 Среднее значение
1 65 35 0 4,1 4,6 4,5 4,4
2 35 65 0 4,6 4,4 4,0 4,3
3 35 35 30 2,7 1,7 2,4 2,3
4 45 55 0 4,0 4,1 4,3 4,1
5 45 35 20 4,4 3,9 3,3 3,9
6 35 45 20 1,4 1,2 1,2 1,3
7 55 45 0 3,9 4,2 4,5 4,2
8 55 35 10 3,8 3,5 3,3 3,5
9 35 55 10 3 4,1 2,5 3,2
10 45 45 10 3,5 3,3 3,4 3,4
состава № 6. Наибольшее среднее значение массового износа 4,1-4,4 мг получено на образцах, изнашиваемых двухфракционным составом катализатора (только А и В).
Заключение
Исследования показали, что зависимость износа стальных образцов от фракционного состава катализатора каталитического крекинга носит нелинейный характер. Проведенные испытания позволили предположить, что определяющую роль в износе стальных образцов играют фракции катализатора более 3,15 мм. В целях уменьшения износа оборудования рекомендуется использовать катализатор следующего фракционного состава: фракция А — 35 ± 1 % мас; фракция В — 45 ± 1 % мас., остальное — фракция С.
Литература
1. Методы испытаний на трение и износ / Л. И. Кук-сенова, В. Г. Лаптева, А. Г. Колмаков, Л. М. Рыбакова. М.: Интермет инжиниринг, 2001. 152 с.
2. Исследование гранулирования порошковых композитов в планетарном грануляторе / Д. В. Лобовиков, А. М. Ханов, Е. В. Матыгуллина, Л. Д. Сиротенко // Вестн. ПГТУ. Машиностроение, материаловедение. 2010. Т. 12, № 1. С. 30-36.
3. Пат. 2191064 Российская Федерация, МПК 7В0Ы 2/12 (2006.01). Планетарный гранулятор / Д. В. Лобовиков, А. М. Ханов, Б. Л. Храмов // Патентообладатель Гос. образоват. учр. высш. проф. образования «Перм. гос. техн. ун-т». № 2001115944/12; заявл. 09.06.2001; опубл. 20.10.02, бюл. № 26. 17 с.
4. Караваев Д. М. Метод испытания материалов на изнашивание о нежестко закрепленные абразивные частицы // Новые технологии, материалы и оборудование российской авиакосмической отрасли: материа-
Рис. 3. Зависимость износа образцов от соотношения компонентов катализатора
лы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием, 8-10 авг. 2018 г. / Каб. Министров Респ. Татарстан, М-во образования и науки Респ. Татарстан, Казан. нац. исслед. техн. ун-т им. А. Н. Туполева-КАИ. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2018. Т. 2. С. 180-181.
5. Механические свойства композиционного материала на основе терморасширенного графита / Д. М. Караваев, А. М. Ханов, А. И. Дегтярев [и др.] // Изв. Самар. науч. центра РАН. 2012. Т. 14, № 1 (2). С. 562-564.
6. Piepel G. F. Programs for generating extreme vertices and centroids of linearly constrained experimental regions //Journ. of Quality Technology. 1988. N 20, P. 125-139.
7. Snee R. D. Experimental designs for mixture systems with multi-component constraints// Communications in Statistics — Theory and Methods. 1979. A8 (4). P. 303326.
