КОЛОННЫЕ АППАРАТЫ

В химической, нефтехимической и пищевой промышленности на долю колонной аппаратуры, а также других сооружений башенного типа (силосов, бункеров, дымовых и вентиляционных труб) приходится около 20% от общего количества оборудования. При их проектировании, наряду со статистическими нагрузками (внутренним и наружным давлением, осевой сжимающей силой), необходимо учитывать и динамические воздействия (ветровую и сейсмическую силы, колебания давлений в аппарате и температур его стенки).

Колонные аппараты можно классифицировать в зависимости от технологического назначения, способа осуществления контакта между газом (паром) и жидкостью, состояния межфазной поверхности [1].

По технологическому назначению аппараты подразделяются на колонны атмосферно-вакуумных установок, термического и каталитического крекингов, вторичной перегонки нефтепродуктов, для ректификации газов, для моноэтаноламиновой очистки газов и пр.

По способу осуществления контакта между паром (газом) и жидкостью все аппараты можно подразделить на аппараты с непрерывной подачей обеих фаз, пульсационной и цикличной подачей. Цикличная подача состоит в том, что газ и жидкость подаются в аппарат попеременно.

По состоянию межфазной поверхности. В соответствии с этим колонные аппараты классифицируются на группы: 1) аппараты с фиксированной поверхностью фазового контакта; 2) аппараты с поверхностью контакта, образуемой в процессе движения потоков; 3) аппараты с внешним подводом энергии. Наиболее типичные широко применяемые в промышленности аппараты распределяются по группам, указанным в таблице 1.

Тарельчатые контактные устройства можно классифицировать по многим признакам: например, по способу передачи жидкости с тарелки на тарелку различают тарелки с переточными устройствами и тарелки без переточных устройств (провальные).

Тарелки с переточными устройствами имеют специальные каналы, по которым жидкость перетекает с одной тарелки на другую, причем по этим каналам не проходит газ. На провальных тарелках нет переливных устройств, и жидкость, и газ проходят через одни и те же отверстия или прорези в полотне тарелки. Эти прорези работают периодически: в определенный момент времени одни прорези пропускают пар, другие — жидкость; затем их роли меняются.

По характеру взаимодействия газового и жидкостного потоков различают тарелки барботажного и струйного типов. Тарелки, на которых сплошной фазой является жидкость, а дисперсной — газ или пар, называют барботажными. На струйных тарелках дисперсной фазой является жидкость, сплошной — газ, потоки взаимодействуют в прямоточном режиме на поверхности капель и жидкостных струй, взвешенных в газовом потоке.

По числу потоков (сливов) тарелки выполняют одно-, двух- и многопоточными (рис. 1.1). Применяют также многосливные тарелки с равномерно распределенными по площади сливами и тарелки с каскадным расположением полотна.

В зависимости от направления движения газовой и жидкой фаз в зоне контакта выделяют тарелки трех основных групп : тарелки перекрестные, тарелки противоточные (провального типа), тарелки прямоточные.

По конструктивному решению элементов тарелки разделяются в соответствии с ГОСТ 2.790-74. (Обозначения условные графические. Аппараты колонные.): тарелки колпачковые, клапанные, струйные, ситчатые, жалюзийно-клапанные, решетчато-провальные, вихревые)

Расчет сосудов и аппаратов колонного типа

Методики распространяются на аппараты колонного типа по ГОСТ 24305-80, ГОСТ 24306-80. Предлагаемые методы расчета на прочность предназначены для колонных аппаратов, работающих под действием внутреннего избыточного или наружного давления, собственного веса и изгибающих моментов, возникающих от действия ветровых нагрузок.

Сосуды и аппараты

АППАРАТЫ КОЛОННОГО ТИПА

НОРМЫ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ

ГОСТ Р 51274-99

К колонным аппаратам относят вертикальные аппараты длина которых значительно превышает диаметр.

На ветровую нагрузку рассчитывают аппараты, находящиеся вне помещения, при соблюдении следующих условий:

1. Высота аппарата H>10 м, при этом должно быть соблюдено H1,5D_min (D_min – наименьший наружный диаметр аппарата)

2. Высота аппарата H<10 м, при этом должно быть соблюдено H>5D_min (D_min – наименьший наружный диаметр аппарата)

Усилия от сейсмических воздействий рассчитываются, если сейсмичность более 7 баллов по шкале Рихтера.

1. Расчетные сечения

При расчете аппарата проверяют следующие сечения:

- поперечное сечение корпуса в месте присоединения опорной обечайки (сечение В-В, рисунок 1), а также для аппарата переменного сечения - поперечные сечения корпуса, переменные по диаметру и/или толщине;

- поперечное сечение опорной обечайки в месте присоединения к корпусу (сечение Г-Г, рисунок 2);

- поперечное сечение опорной обечайки в местах расположения отверстий (сечение Д-Д, рисунок 2);

- поперечное сечение опорной обечайки в месте присоединения нижнего опорного кольца (сечение Е-Е, рисунок 2).

Расчетные сечения колонного аппарата

2.Расчетные нагрузки и расчетная температура

2.1 Расчетное давление.

Расчетное давление P_R в рабочих условиях для каждого расчетного сечения и пробное давление p пр, измеряемое в верхней части колонны, устанавливают в соответствии с ГОСТ 14249-80 и ГОСТ 24306-80.

Гидростатическое давление p_г во время гидравлического испытания колонны в вертикальном положении определяют для каждого расчетного сечения по формуле:

p_Г= γ(H− x₀)

Для воды γ = 10⁴ Н/м³

2.2 Нагрузки от собственного веса

При расчете должны быть учтены весовые нагрузки:

G₁ - вес в рабочих условиях, включая вес обслуживающих площадок, изоляции, внутренних устройств, рабочей среды;

G₂ - вес при гидроиспытании, включая вес жидкости, заполняющей аппарат;

G₃ - максимальный вес аппарата в условиях монтажа;

G₄ - минимальный вес аппарата в условиях монтажа после установки в вертикальное положение.

2.3 Расчетные изгибающие моменты

При расчете должны быть учтены изгибающие моменты:

M_G - максимальный изгибающий момент от действия эксцентрических весовых нагрузок, в том числе от присоединяемых трубопроводов и др.;

M_v - изгибающий момент от действия ветровых нагрузок, определяемый по ГОСТ Р 51273 для трех расчетных условий аппарата, а именно:

М_v1 - для рабочих условий при нагрузке G₁,

M_v2 - для условий испытания при нагрузке G₂,

M_v3 - для условий монтажа при нагрузке G₃;

M_R - изгибающий момент от сейсмических воздействий, определяемый по ГОСТ Р 51273 для двух расчетных условий аппарата*, а именно:

М_R1 - для рабочих условий при нагрузке G₁,

М_R3 - для условий монтажа при нагрузке G₃.

* M_R определяют для аппарата, устанавливаемого в районе с сейсмичностью 7 или более баллов.

2.4 Снеговые нагрузки

При расчете аппарата колонного типа снеговые нагрузки не учитывают.

2.5 Температурные нагрузки

При наличии в элементах конструкции аппарата, включая его опорные части, значительных температурных перепадов следует дополнительно определять температурные напряжения.

Температурные напряжения определяют специальными методами расчета.

Размах приведенных напряжений, равный сумме всех действующих напряжений (включая температурные), определенных упругим расчетом, должен удовлетворять условию

где _t - размах приведенных напряжений в рассматриваемом элементе;

R_e - минимальное значение предела текучести для материала рассматриваемого элемента при расчетной температуре по ГОСТ 14249;

R_m - минимальное значение временного сопротивления для материала рассматриваемого элемента при расчетной температуре по ГОСТ 14249.

2.6 Местные нагрузки

Расчет локальных напряжений в элементах аппарата от действия местных нагрузок, вызываемых присоединяемыми трубопроводами, площадками, кронштейнами и т.д. (сечения А-А, Б-Б, рисунок 1), производят по нормативной документации, утвержденной в установленном порядке.

2.7 Расчетная температура

Расчетную температуру устанавливают по ГОСТ 14249.

Расчетную температуру для условий испытания и монтажа принимают равной 20 °С.