Расчет насадочного абсорбера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Расчет на прочность основных конструктивных элементов аппарата

 

4.1 Определение расчетного давления, расчетной температуры, допускаемого напряжения, коэффициентов прочности сварных швов, конструктивных прибавок на коррозию и эрозию.

 

Различают рабочее, расчетное, пробное и условное давление.

Рабочее давление (р) - это  максимальное избыточное давление среды  в аппарате при нормальном протекании технологического процесса, без учета  гидростатического давления среды  и без учета кратковременного его повышения, например, за счет срабатывания предохранительного клапана.

Согласно исходным данным

 

р = 0,1 МПа

 

Расчетное давление (p_р) - максимальное допускаемое рабочее давление, на которое производится расчет на прочность и устойчивость элементов аппарата при максимальной их температуре. Расчетное давление принимают, как правило, равным рабочему давлению или выше.

Расчетное давление определяется по формуле

 

p_р = р + р_г

где р_г – гидростатическое давление среды

р_г = g∙ρ_c∙H = 9,81∙700∙1=0,0069МПа

 

Так как

(р_г/р)∙100%=(0,0069/0,1)∙100=6,9 больше 5%

 

тогда

p_р = р + р_г = 0,1+0,0069=0,1069 МПа

 

Пробное давление (р_И) - это избыточное давление, при котором аппарат испытывается на прочность и плотность после его изготовления и периодически в процессе эксплуатации.

При р= 0,1 МПа<0,5 пробное давление определяют по формуле([6]см. табл1.1)

 

 

Допускаемое напряжение при статических однократных  нагрузках:

- для рабочего состояния

где σ^* - нормативное допускаемое напряжение; выбираем углеродистую сталь 20,   σ^* = 147 МПА

η – поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки, для  листового проката, η =1 ([6]см. табл1.2)

- при гидравлических  испытаниях

где σ_Т20 – минимальное значение предела текучести при температуре +20⁰, для стали 20 σ_Т20 =220 МПа

 

 

Условное давление (р_у) - это избыточное рабочее давление при температуре 20°С без учета гидростатического давления среды. Применяется при стандартизации элементов аппаратуры, например фланцев. Ряд условных давлений в МПа имеет вид: 0,1; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4; 6,4; 10; 16; 20.

р_у =0,4МПа

 

Различают рабочую и  расчетную температуру.

Рабочая температура (t) - это температура содержащейся или перерабатываемой среды в аппарате при нормальном протекании в нем технологического процесса.

Расчетная температура (t_R) - это температура для определения физико-химических характеристик конструкционного материала и допускаемых напряжений. Определяется на основании теплового расчета или результатов испытаний. При положительных температурах за расчетную температуру стенки аппарата принимают наибольшее значение температуры стенки. При отрицательной температуре стенки элемента сосуда или аппарата за расчетную температуру при определении допускаемых напряжений следует принимать температуру 20°С. В случае невозможности проведения расчетов или испытаний расчетная температура принимается равной температуре среды, но не менее 20° С.

Расчетное значение модуля продольной упругости определяем в зависимости от температуры ([6]см. приложение VII)

 

Е = 1,99∙10^-5 МПа

 

Коэффициент прочности  сварных соединений φ характеризует  прочность соединения в сравнении  с прочностью основного металла([6]см. табл. 1.7).

Сварка с двухсторонним  сплошным проваром выполняется вручную

φ = 0,95

 

Прибавка к расчетным  толщинам конструктивных элементов  определяется по формуле

с = с₁ + с₂ + с₃

где с₁ –прибавка для компенсации коррозии и эрозии;

с₁ = Пτ_в+с_э =0,01∙10=0,1 мм

где П – проницаемость среды в материал (скорость коррозии),

П = 0,01мм/год (из задания)

τ_в – срок службы аппарата, τ_в =10 лет (из задания)

с_э – прибавка для компенсации эрозии, с_э =0

с₂ – прибавка для компенсации минусового допуска; с₂ =0;

с₃ – технологическая прибавка, с₃ = 0

Кроме того, при П≤0,05/год  прибавку на коррозию примем 1 мм, а  если П не известно и материал достаточно стоек к среде Пτ_в= 2 мм

с = 1 + 0 + 0 = 1 мм

Значит прибавка к  расчетным толщинам конструктивных элементов составит 1 мм

 

4.2 Расчет корпуса, днища и крышки

 

Абсорбер состоит из цилиндрического корпуса и сферических  днища и крышки

Определим исполнительную толщину стенки цилиндрического  корпуса по формулам

 

где s_p – расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки;

D- внутренний диаметр обечайки,

D = 0,5 м;

φ - коэффициент прочности  сварных соединений,

φ = 0,95;

р_р - расчетное давление,

р_р = 0,1069;

р_И – пробное давление,

р_И = 0,24 МПа.

 - допускаемое напряжение при статических однократных нагрузках для рабочего состояния,

- допускаемое напряжение при статических однократных нагрузках при гидравлических испытаниях,

с - прибавка к расчетным  толщинам конструктивных элементов определяется по формуле,

с = 1 мм;

с₀ – прибавка на округление размера до стандартного значения;

 

_=0,316

В соответствии со стандартом толщина листов стали должна быть 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 25, 28, 30 мм

с₀ = 2,5 мм до ближайшей большей стандартной толщины

Допускаемое давление:

в рабочем состоянии

при испытании

 

Проверим

- для сталей

Условие соблюдается

Определим исполнительную толщину стенки эллиптического днища (крышки) по формулам

 

где s_p – расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки;

D- внутренний диаметр обечайки,

D = 0,5 м;

φ - коэффициент прочности  сварных соединений,

φ = 0,95;

р_р - расчетное давление,

р_р = 0,1069;

р_И – пробное давление,

р_И = 0,24 МПа.

 - допускаемое напряжение при статических однократных нагрузках для рабочего состояния,

- допускаемое напряжение при статических однократных нагрузках при гидравлических испытаниях,

с - прибавка к расчетным  толщинам конструктивных элементов  определяется по формуле,

с = 1 мм;

с₀ – прибавка на округление размера до стандартного значения;

 

_=0,316

В соответствии со стандартом толщина листов стали должна быть 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 25, 28, 30 мм

с₀ = 2,5 мм до ближайшей большей стандартной толщины

Допускаемое давление:

в рабочем состоянии

при испытании

 

 

Проверим

- для сталей

Условие соблюдается

 

Определим размеры корпуса  аппарата

- диаметр аппарата (из задания)

 

D = 500 мм

Толщина стен колонны, крышки и днища

 

s = 4 мм

 

• высота аппарата складывается из двух колонн, кубового пространства, элиптической части крышки и днища.

Высота колонн (из задания)

l = 1800 ∙ 2 =3600 мм

Расстояние между днищем абсорбера и насадкой определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны. Обычно это расстояние принимают равным 1—1,5 d.

l₁ = 1,5 ∙ 500 =750 мм

Внутренняя высота эллиптической  части днища и крышки

l_э = 0,25∙ D =0,25 ∙ 500 = 125 мм

Высота опоры (из задания)

l₂ =1000 мм

Итого высота колонны  составляет

3600 + 750 + 125∙ 2 +1000= 5600 мм

 

4.3 Выбор оптимального варианта конструкции фланцев, формы привалочной поверхности, материала прокладок. Расчет одного фланцевого соединения.

 

4.3.1 Выбор фланцев.

 

Необходимость разъемного соединения частей оболочек диктуется  соображениями технологии изготовления аппаратуры, условиями ее монтажа и эксплуатации. В каждом аппарате имеются многочисленные технологические отверстия для ввода сырья и вывода продукта, для ввода и вывода теплоносителей, люки, лазы и т.д. Технологические отверстия во время работы оборудования должны быть плотно соединены с трубопроводами или надежно заглушены.

Наиболее распространенный вид разъемного соединения - это  фланцевое соединение. Требования к разъемным соединениям, применяемым в химической аппаратуре:

1. Обеспечение герметичности соединения при данных рабочих давлениях и температурах.

2. Достаточная прочность  элементов соединения.

3. Возможность быстрой  и многократной сборки-разборки  соединения.

4. Технологичность, обеспечивающая  их массовое изготовление.

5. Достаточная дешевизна.

Наиболее распространенный вид разъемного соединения - это  фланцевое соединение. Фланцевые соединения удовлетворяют большинству из указанных требований , хотя не обеспечивают быструю разборку-сборку, а некоторые их виды достаточно дороги.

Приспособленность узла к массовому изготовлению требует взаимозаменяемости и, следовательно, сведения к разумному минимуму числа их типоразмеров. Для того, чтобы не делать фланцы на каждое давление и на каждый диаметр трубы или обечайки, весь непрерывный ряд размеров и давлений разбит на ряд условных проходов и давлений. Поэтому разумно для нескольких близких диаметров труб и обечаек обходиться только одним размером фланца.

Условные проходы, применяемые  в настоящее время (мм): 10, 15, 20, 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 500, 600, 800, 1000, и т.д. через 200 мм до 4000 мм.

Условные давления, применяемые  в настоящее время (МПа): <0,25; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,4; 10,0; 16,0; 20,0.

В нашем случае применяем  условный проход – 500 мм, условное давление – 0,6 МПа

Сущность работы фланца заключается в следующем. При  работе прокладки в области пластических деформаций происходит затекание материала  прокладки в неровности привалочной  поверхности фланца, за счет чего получается плотное соединение. При работе прокладки в области упругих деформаций уплотнение происходит по линии соединения прокладки и фланца.

Фланцы различаются :

а) по конструкции и  способу соединения с трубой или  обечайкой;

б) по внешней форме;

в) по форме привалочной (уплотнительной) поверхности.

 

 

Рисунок        Фланцевое соединение:

1 – фланцы, 2 – болт, 3 - прокладка

 

Выбираем плоские приварные  фланцы

Требования к данным фланцам при условном давлении р_у до 1,0МПа условный диаметр D_у должен быть меньше или равен 3000 мм

В нашем выборе условие  соблюдается

 

Рисунок . Форма фланцев: а - круглая; б - квадратная; в - овальная

 

Выбираем форму фланца круглую. Она удобна для их изготовления. Число болтов во фланцах должно быть кратно четырем.

Фланец будет работать в паре с другим фланцем, имеющим те же присоединительные размеры.

 

4.3.2 Выбор прокладок

 

Назначение прокладки - уплотнить зазор между привалочными поверхностями фланца и препятствовать утечке среды через этот зазор.

Выбираем прокладку  из паронита. Паронит применяется для воды и пара при давлениях ниже 5 МПа и температурах не выше 450°С.

Преимущества данной прокладки

а) быть эластична, чтобы  при минимальном сжатии надежно уплотнять соединение;

б) не изменяет своей эластичности во время эксплуатации;