4.4 Расчет на прочность элементов теплообменного аппарата

Исходные данные:

- тип теплообменного аппарата: с плавающей головкой ХП;

- назначение теплообменного аппарата: охлаждение продукта;

- диаметр кожуха внутренний, мм: 800;

- диаметр распределительной камеры внутренний, мм: 800;

- общая длина аппарата, мм: 7550;

- расстояние между опорами, мм: 3000;

- длина трубного пучка, мм: 6000;

- число ходов по трубам: 4;

- расположение труб в трубных решетках: по вершинам квадратов;

- количество трубок общее, шт: 356;

- крепление труб в трубных решетках: развальцовка с канавками;

- поверхность труб: гладкая;

- наружный диаметр труб, мм: 25;

- толщина стенки трубок, мм: 2;

- температура в трубном пространстве, °С:

а) на входе ‒ 40 °С;

б) на выходе ‒ 90 °С;

- температура в межтрубном пространстве, °С:

а) на входе ‒ 145 °С;

б) на выходе ‒ 100 °С;

- среда в трубном пространстве: вода;

- среда в межтрубном пространстве: легкие углеводороды.

4.4.1 Выбор конструктивных параметров некоторых элементов теплообменных аппаратов.

Необходимые пояснения и результаты выбора конструктивных и расчетных параметров представлены в таблице 4.38.

Таблица 4.38 – Пояснения и результаты выбора конструктивных и расчетных параметров

Наименование параметра	Выбранный параметр
Давление условное, МПа - в трубном пространстве - в межтрубном пространстве	Ру тр = 1 Ру мтр = 2,5
Шаг расположения труб в трубных решетках, номинальный, мм	t = 32
Исполнение по материалу	Материал: - кожуха 16ГС; - распределительной камеры и крышки 16ГС; - теплообменных труб Сталь 10
Форма, диаметр поперечных перегородок, (зазор между перегородками и кожухом). Число перегородок. Расстояние между перегородками.	- Форма перегородок – сегментные; - зазор между перегородками и кожухом – 2,5 мм; - диаметр поперечных перегородок ‒ 795 мм; - число перегородок – 11; - расстояние между перегородками ‒ 390 мм
Толщина перегородок	D = 800 мм, S п = 10 мм
Диаметр и количество стяжек для перегородок	d = 16 мм Zс = 6
Отбойник	D1 = 202мм, D = 222 мм, b = 50 мм
Размеры плавающей головки, мм	Дв = 800, Д1 = 790, Д3 = 760
Маркировка ТОА	800 ХПГ-1-2,5-М1/25Г-6-К-4-У-И

4.4.2 Расчет толщины стенки корпуса и трубной решетки.

Исходные данные и результаты расчета приведены в таблицах 4.39 – 4.42. Расчет производится только для рабочих условий.

Таблица 4.39 – Определение толщины стенки кожуха ТОА типа ХП

Параметр	Значение
Внутренний диаметр кожуха, Dвн , мм	800
Материал стенки кожуха	16ГС
Расчетная температура стенки кожуха, tрас кор , °С	tрас кор= max{tраб;20 °С}= max{145 ;20 °С}= 145
Коэффициент прочности сварного шва	=1
Допускаемое напряжение кожуха в рабочих условиях при расчетной температуре tрас кор, МПа	[σ]tкор=η·σ*t, = 1·171=171 (η =1 для сварных аппаратов ‒ поправочный коэффициент к допускаемым напряжениям; σ*t ‒ нормативное значение допускаемого напряжения при расчетной температуре tрас кор )
Расчетное внутреннее избыточное давление для рабочих условий, МПа	Ррасt = Рраб = 1,61
Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки без учета суммы прибавок С, Sц рас , мм	=

Таблица 4.40 – Значения прибавок к расчетной толщине

Наименование параметра	Значение
Прибавка для компенсации коррозии и эрозии, мм	С1 = 2
Прибавка для компенсации минусового допуска, мм	С2 = 0,4
Прибавка технологическая, мм	С3 = 0 (для цилиндрической обечайки принимаем С3 =0)
Сумма прибавок С2 и С3, мм	С2 + С3 = 0,4
Сумма прибавок к расчетной толщине стенки, мм	Сц=С1+С2 +С3= 2 + 0,4 = 2,4

Таблица 4.41 – Результаты определения исполнительной толщины стенки цилиндрической обечайки для рабочих условий

Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки Sц гост= SГОСТ, мм

Sц ≥ S црас + Сц = 3,8 + 2,4 = 6,2 По ГОСТ 10885-85 [19] принимаем SГОСТ = 8

Таблица 4.42 – Определение толщины стенки трубной решетки

Параметр	Значение
Средний диаметр прокладки фланцевого соединения, Dп.ср, мм	Dп.ср =815 мм – прокладка плоская металлическая (из стали 08кп) для фланцевого соединения шип-паз
Материал трубной решетки	16ГС
Расчетная температура трубной решетки, tр , °С	tр = 145
Допускаемое напряжение трубной решетки в рабочих условиях при расчетной температуре tрас кор, МПа	[σ]t=η·σ*t, = 171 (σ*t - нормативное значение допускаемого напряжения при расчетной температуре tрас кор )
Расчетное давление, Ррас , МПа	Ррас = 1,61
Коэффициент прочности сварного шва,	φ=1
Расчетная толщина стенки трубной решетки, S тр. реш , мм

4.4.3 Подбор штуцера (вход продукта в кожух теплообменного аппарата).

Присоединение трубной арматуры к аппарату, а также технологических трубопроводов для подвода и отвода различных жидких и газообразных продуктов производится с помощью штуцеров или вводных труб, которые могут быть разъемными и неразъемными. По условию ремонтопригодности применяются разъемные соединения (фланцевые штуцера). Неразъемные соединения (на сварке) применяются при блочной компоновке аппаратов в кожухе, заполненном тепловой изоляцией, где длительное время не требуется осмотра соединения.

Стальные фланцевые штуцера стандартизированы и представляют собой трубки из труб с приваренными к ним фланцами или кованные заодно с фланцами. В зависимости от толщины стенок патрубки бывают тонкостенные и толстостенные, что вызывается необходимостью укрепления отверстия в стенке аппарата патрубком с разной толщиной его стенки.

Конструкция штуцера зависит от Р_y и Д_у , где Р_у – условное давление, Д_у – условный диаметр. Условное давление выбирается в зависимости от температуры среды и наибольшего рабочего давления, затем по условному давлению Р_у и условному диаметру Д_у выбирается тип штуцера.

Условный диаметр штуцеров в теплообменном аппарате можно определить по объемному расходу жидкой фазы по формуле

, (4.58)

где V- объемный расход паровой или жидкой фазы, м³/с;

скорость движения паровой или жидкой фазы, м/с.

Скорость движения = 1 м/с.

Общий расход газосырьевой смеси теплообменного аппарата =18,5 кг/с. Плотность газосырьевой смеси= 666,02 кг/ м³. Отсюда объемный расход равен

м³/с.

Определим диаметр штуцера

м.

Величину условного прохода штуцера по ГОСТ 28338-89 принимаем =200 мм.

Условное давление Р_y = 2,5 МПа.

Таким образом, выбираем штуцер с фланцем стальным приварным в стык D_у=200 мм на Р_у=2,5 МПа, типа 2 исполнения 1,с длиной патрубка 180 мм, фланец из стали 16ГС, патрубок из 16ГС: Штуцер 200-2,5-2-1-180-16ГС АТК 24.218.06-90

4.4.4 Подбор и обоснование выбора типа фланцевого соединения.

В химических аппаратах для разъемного соединения составных корпусов и отдельных частей применяются фланцевые соединения преимущественного круглой формы. На фланцах присоединяются к аппаратам трубы, арматура и т.д. Фланцевые соединения должны быть прочными, жесткими, герметичными и доступными для сборки, разборки и осмотра. Фланцевые соединения стандартизированы для труб и трубной арматуры и отдельно для аппаратов.

Конструкция стандартных стальных приварных фланцевых штуце­ров изображена на рисунке 4.19.

а – с приварным плоским фланцем и тонкостенным патрубком; б – с при­варным фланцем встык и тонкостенным патрубком; в – кованый толстостен­ный; г – с приварным фланцем встык и толстостенным патрубком; д – вариант конструкции сварного толстостенного

Рисунок 4.19 – Конструкции стандартных стальных фланцевых штуце­ров

Конструкция фланцевого соединения принимается в зависимости от рабочих параметров аппарата: плоские приварные фланцы – при МПа,и числе циклов нагружения за время эксплуатации до 2000; приварные встык фланцы – приМПа,и. В связи с указанными условиями выбираем приварные встык фланцы. Размеры приведены в таблице 4.43

Таблица 4.43 – Параметры фланцевого соединения типа «гладкие»

Py, МПа	Размеры, мм										Число отверстий
	Dy	D	D1	D2	d1	b	h4	h	d	z
2,5	200	360	310	278	202	27	75	3	26	12

Условное обозначение стального плоского приварного встык фланца с D_у = 200 мм на P_у = 2,5 МПа: Фланец 1-200-2,5 16ГС ГОСТ 12821-80

Выбираем конструкцию и материал прокладки по рекомендациям по выбору прокладок, ОСТ 26-373-78.

Выбираем прокладку плоскую, которая рассчитана на Р_у > 2,5 МПа, и температуры от – 200 до 300.

Материал прокладок ‒ ПОН ГОСТ 481-80.

Прокладка устанавливается между уплотненными поверхностями и позволяет обеспечивать герметичность при относительно небольшом усилии затяжки болтов.

Прокладка должна отвечать следующим основным требованиям: при сжатии с возможно малым давлением заполнять все микронеровности уплотнительных поверхностей сохранять герметичность соединения при упругих перемещениях элементов фланцевого соединения (для этого материал прокладки должен обладать упругими свойствами); сохранять герметичность соединения при его длительной эксплуатации в условиях воздействия коррозионных сред при высоких и низких температурах; материал прокладки не должен быть дефицитным.

В качестве крепежных элементов применяем болты, так как Р_у< 4МПа и температура t < 300 °С. Для отверстия диаметром d = 26 мм подбираем болты и гайки к ним М24, в количестве 12 штук. Чтобы предотвратить срыв резьбы болтов, для них необходимо материал выбирать прочнее, чам у гаек, поэтому болты из стали 35Х, а для гаек – стали 25.

4.4.5 Сводная таблица по результатам расчетов.

Результаты расчетов приведены в таблице 4.44.

Таблица 4.44 – Результаты расчетов

Параметр	Значение
Толщина стенки кожуха S	8 мм
Толщина стенки трубной решетки Sтр.реш	65 мм
Условный проход штуцера, Dу	200 мм
Штуцер	Штуцер 200-2,5-2-1-180-16ГС АТК 24.218.06-90
Фланец	Приварной встык. Тип 1 «гладкий» ГОСТ 12821-80
Прокладка	ПОН ГОСТ 481-80 с шириной 15мм.
Болты	М24×2,5-6g×90 ГОСТ 7798-70 из стали 35Х 12шт.

26