46 вопрос
Назначение и особенности конструирования горизонтальных сосудов и аппаратов
В химической промышленности наряду с основной аппаратурой, отличающейся сложным внутренним устройством, широко применяют емкостные аппараты.
Емкостными называют сосуды или аппараты без внутренних устройств или с простыми внутренними устройствами (перегородками, отбойниками и др.), предназначенные для хранения и проведения несложных технологических процессов (отстаивания, разделения жидкостей и др.).
Емкостные аппараты классифицируют:
по расположению на:
вертикальные;
горизонтальные;
наземные;
подземные,
по форме на:
цилиндрические;
сферические;
прямоугольные;
по назначению на:
ресиверы − приемники газа и воздуха − предназначены для накопления сжатых газов и служат в качестве буферных емкостей, уменьшающих колебания давления в сети компрессора;
аккумуляторы − приемники жидкостей − служат для накопления жидкости под давлением;
монжусы предназначены для подъема и перемещения под давлением воздуха предварительно накопленной в них жидкости;
отстойники (грязеотделители) предназначены для проведения процессов осаждения или отстаивания;
маслоотделители используют для очистки газов от масла;
мерники − емкости, предназначенные для точного дозирования заданных объемов жидких реагентов в технологических установках;
напорные баки для рабочей жидкости предназначены для создания определенного гидростатического давления за счет расположения их на определенной высотной отметке;
разделительные сосуды используют для разделения смеси жидких нерастворимых один в другом компонентов с различной плотностью.
Перечисленные выше емкостные аппараты состоят из ранее рассмотренных стандартизированных или нормализованных конструктивных элементов обечайки (корпусов, днищ, штуцеров, люков, лазов, опор и др.), соединяемых сваркой.
Горизонтальными называются, как правило, цилиндрические (реже другой формы) емкостные аппараты, состоящие из корпуса со строго горизонтальной осью вращения (симметрии).
Все емкостные аппараты стандартизованы. Так, по ГОСТ 9931−85 изготовляют корпуса цилиндрические стальных сварных сосудов и аппаратов (объемом 0,01 ... 200 м3), предназначенных для работы под давлением не более 16,0 МПа, при атмосферном давлении и вакууме с остаточным давлением не менее 667 Па. Кроме этого по ГОСТ 9931−85 установлены типы, исполнения и основные размеры емкостных аппаратов.
Емкостные сосуды для сжиженных газов предназначены для работы при температуре от −40 до +50°С при избыточном давлении и вакууме (при низких температурах). Рабочее избыточное давление для пропановых сосудов 1,8 МПа, бутановых − 0,7 МПа.
Емкостные сосуды для сжиженных газов и легких фракций бензина должны быть заполнены не более, чем на 0,8 объема при температуре 20°С; необходимо учитывать, что при нагреве жидкости увеличивают свой объем. Стандартные емкостные сосуды для жидкостей обычно заполняют не более, чем на 0,7 объема.
На основании ГОСТ 9931−85 разработаны каталоги-справочники на емкостные аппараты и сосуды. Они регламентируют изготовление емкостных аппаратов в зависимости от рабочей среды и параметров из углеродистых и легированных сталей: СтЗсп, СтЗпс, 09Г2С, 16ГС, 12XI8H10T, 10XI7HI3M2Т, 10Х17Н13МЗТ, СтЗсп + + 12Х18Н10Т, 20К + I0X17H13M2T и др.
Наряду со стальными применяют емкостные сосуды и аппараты из алюминия, титана, хастеллоя, меди, чугуна, пластмасс, стеклопластиков, керамики, металлов с эмалевым покрытием, гуммированные и др. Так, например, аппаратура из плакированных стеклопластиков успешно заменяет аппаратуру из коррозионно-стойких и высоколегированных сталей, сплавов и цветных металлов, легче ее в 2−5 раз и более долговечна.
Изготовливают также емкостные сосуды и аппараты диаметром 170 ... 1000 мм и объемом 0,005 ... 1,0 м3 из кислотоупорной керамики.
Кроме выше рассмотренных емкостных аппаратов в промышленности в горизонтальном исполнении применяются также теплообменники, реактора, резервуары и автоклавы. Особенности их конструирования и расчета будут рассмотрены нами на отдельных лекциях.
Согласно ОСТ 26-02-2080-84 сосуды цилиндрические горизонтальные для наземного хранения сжиженных углеводородных газов пропана и бутана изготавливаются длиной до 23,0 м и внутренним диаметром до 3,4 м.
Типовая конструкция горизонтального емкостного сосуда представлена на рис. 10.1. Аппарат состоит из цилиндрической обечайки 1, двух приварных эллиптических днищ 2, седловых опор 3, люка-лаза 4 с лестницей; штуцеров 5 различного технологического назначения.
Если в процессе эксплуатации горизонтальный сосуд оказывается неустойчивым в местах опор, где возникают повышенные напряжения, то применяют подкладные листы 7, привариваемые к корпусу 1 (рис. 10.1, разрез А−А). Подкладки 7 могут быть толще, чем корпус 1. Если же с применением подкладного листа 7 не удается снизить напряжения в местах опор 3, то в цилиндрической обечайки 1 (снаружи или изнутри) сосуда устанавливают кольца жесткости 6 из стандартного прокатного профиля (рис. 10.1, разрез Б−Б)., которые обычно усиливают распорной треугольной рамой из косынок 8 и распорных балок 9. Распорные балки 9 в зависимости от вида нагружения могут изготавливать из различного стандартного прокатного профиля (рис. 10.1, разрезы В−В и Г−Г).
47 Вопрос
При установке горизонтального цилиндрического аппарата на опоры расчетом проверяется прочность и устойчивость корпуса аппарата при действии силы тяжести самого аппарата и его содержимого с учетом возможных дополнительных внешних нагрузок.
Расчет корпуса аппарата на изгиб от всех указанных нагрузок производится как неразрезной балки кольцевого сечения постоянной жесткости, лежащей на соответствующем количестве опор.
Так как нагрузка действующая на горизонтальный аппарат от силы тяжести самого аппарата и его содержимого не осесимметричная (аппарат расположен горизонтально) и распределена неравномерно (аппарат заполняется жидкость не более чем на 0,7 от своего объема), то расчет стенки аппарата на прочность по безмоментной теории не возможен.
.2. Расчет корпуса на прочность и устойчивость
Сжимающие напряжения от изгибающего момента, которые возникают в верхней части сосуда, в середине и в нижней части над опорой, могут вызвать нарушение устойчивости формы стенки аппарата. Если аппарат предназначен для работы под вакуумом, то к напряжению изгиба добавляется сжимающее напряжение от внешнего давления на днища. В этом случае для обеспечения устойчивости формы и прочности стенки корпуса в поперечных сечениях должно соблюдаться условие:
,
(10.11)
где
расчетное наружное давление (см. формулы
(4.14) − (4.17)), МПа
Если
сосуд не подвергается действию внешнего
давления, то в формуле (10.11) принимают
и М = 0.
Кроме того, при работе двухопорного горизонтального сосуда под внешним давлением напряжения в стенке корпуса над опорами должны удовлетворять условию
,
(10.12)
При наличии в двухопорном горизонтальном сосуде внутреннего давления напряжения в середине сосуда проверяют по условию
.
(10.13)
В стенке горизонтального сосуда, кроме выше рассмотренных напряжений, возникают также напряжения среза от действия перерезывающей силы Q, значение которой в двухопорном сосуде максимально в сечении над опорами.
Напряжения
среза в
опорном сечении двухопорного
горизонтального сосуда
при
(рис. 10.2):
при установке кольца жесткости определяются по формуле
,
(10.14)
без колец жесткости определяются по формуле
,
(10.15)
При
(рис. 10.2)
в двухопорном
горизонтальном сосуде
проверяют:
напряжения среза в обечайке без колец жесткости по следующей формуле
,
(10.16)
где
поправочный коэффициент, определяемый
по рис. 20.17 [1];
напряжения растяжения в днище по следующей формуле
,
(10.17)
Кольцевые напряжения в опорном сечении цилиндрической обечайки горизонтального сосуда определяют следующим образом. Эпюры распределения кольцевых изгибающих моментов в опорном сечении гладких обечаек, укрепленных и не укрепленных кольцами жесткости, представлены на рис. 10.4.
Для
обечаек, не укрепленных кольцами
жесткости в опорном сечении, кольцевое
напряжение в нижней точке опорного
сечения
находится по формуле:
,
(Кольцевое
напряжение на гребне седловой опоры
для двух-
и многоопорных
аппаратов
при
(рис. 10.2)
определяется по формуле:
,
(10.19)