Величина осьової сили у трубчатці, що виникає під дією тиску середовища і спрямована розірвати труби та розсунути трубні решітки складає:

Q^/ = Q₁^/ + Q₂^/ + Q₃^/,

де Q₁^/ - сила від тиску у просторі між трубами, яка спрямована відірвати решітку від труб і корпуса:

Q₁^/ = (D_B² – nd₃²) P_мт/4;

Q₂^/ - зусилля від тиску під кришкою, що передається на трубну решітку через болти:

Q₂^/ = D_B² P_т/4;

Q₃^/ - зусилля від тиску над решіткою, що спрямоване притиснути решітку до труб і корпусу:

Q₃^/ = (D_B² – nd_в²) P_т/4;

D_B – внутрішній діаметр камери нагрівання;

d₃ та d_в – зовнішній та внутрішній діаметр труб;

n – кількість труб;

P_мт та P_т – тиск середовища між трубами та у трубах.

З урахуванням наведених формул для q1/ , q2/ , q3/ отримуємо:

Q^/ = (D_B² – nd₃²) P_мт/4 + nd_в² P_т/4.

Цю силу сприймає корпус і труби, тобто:

Q^/ = Q_к^/ + Q_т^/,

де Q_к^/ - осьова сила, що виникає у корпусі від тиску середовища в апараті і яка спрямована відсунути його від трубної решітки:

Q_к^/ = Q^/ ;

Q_т^/ - осьова сила, що виникає у трубах від тиску середовища в апараті і яка спрямована відірвати їх від трубної решітки:

Q_т^/ = Q^/ ;

F_K , F_T – площа перерізу корпусу і труб:

F_K = (D₃² – D_B² ); F_T = n(d₃² – d_B²) /4;

D₃ – зовнішній діаметр корпусу;

Е_к , Е_т – модулі пружності матеріалу корпусу і труб.

Осьові напруження, що виникають при цьому у корпусі і трубах, становлять:

_к^/ = Q_K^//F_K; _т^/ = Q_т^//F_т .

Температурні напруження утворюють рівні за величиною та протилежні за знаком сили в корпусі Q_K^// і в трубах Q_т^//, які відсувають їх від трубних решіток:

Q_к^// = - Q_т^// = ,

де t_K – різниця між робочою температурою корпусу та температурою оточуючого середовища;

де t_Т – різниця між робочою температурою труб та температурою оточуючого середовища;

_К та _Т – коефіцієнти лінійного розширення матеріалу корпусу і труб.

Напруження в корпусі і трубах унаслідок різниці температур їх стінок становлять:

_к^// = Q_K^///F_K; _т^// = Q_т^///F_т .

Тобто, напруження і сили, що виникають в трубах і корпусі, не залежать від їх довжини, а визначаються площею перерізу їх стінок (F_K; F_т), властивостями матеріалів (_К, _Т, Е_к , Е_т) і їх температурами (t_K, t_Т).

Повні сили від сумісної дії тиску та різниці температур складають:

-для корпусу: Q_К = Q_к^/ + Q_К^//;

-для труб Q_Т = Q_Т^/ + Q_т^//.

Повні осьові напруження складають:

-для корпусу: _К = _к^/ + _К^//;

-для труб _Т = _Т^/ + _т^//.

Якщо сумарні осьові напруження в корпусі і трубах не перевищують припустимих, то конструкція камери нагрівання теплообмінника може бути жорсткою. У протилежному випадку треба встановити пристрій для компенсації або вибрати теплообмінник іншої, більш складної конструкції.

Одним з основних етапів конструювання кожухотрубчастого теплообмінника є визначення товщини його трубної решітки. Для теплообмінників з U – подібними трубами товщина її визначається за формулою:

,

де  - коефіцієнт міцності трубної решітки; для решітки з розбивкою отворів по трикутнику  = 0,935 – 0,65d/t; при розбивці отворів по квадрату  = 0,975 – 0,68d/t;

d – діаметр отворів під труби;

t – крок розбивки отворів;

[]_ЗГ – припустиме напруження матеріалу решітки на згинання.

Товщина нерухомої трубної решітки теплообмінника з плаваючою головкою визначається за формулами:

• при тиску середовища з боку простору між трубами

;

• при тиску з боку трубного простору

,

де Р₀ та Р_С – припустимі розподілені по площі решітки протитиски від розтягнутих (Р₀) та стиснутих (Р_С) труб:

; ;

Р^*₀ та Р^*_С - граничні зусилля для труб, які визначають як найменші зі формул:

_Tf_T

Р^*₀ = Р^*_С = min Ad₃

_T – межа текучості матеріалу труб;

f_T – площа поперечного перерізу труби;

А – емпіричний коефіцієнт; для розвальцьованих труб А = 125 Н/мм; для приварених труб А = 230 Н/мм.

Товщину рухомої трубної решітки, що з’єднана з днищем плаваючої головки болтами, визначають за формулами:

• при тиску з боку простору між трубами

;

• при тиску з боку трубного простору

,

де D_П – діаметр прокладки рухомої решітки;

Р_б – сумарне припустиме зусилля у болтах:

Р_б = []_бF_бZ;

[]_б – припустиме напруження у болтах плаваючої головки;

F_б – площа перерізу болта по нарізці;

Z – кількість болтів.

Товщину решітки теплообмінника жорсткої конструкції визначають за формулою:

,

де ; ; ; ; ;

Q_К – повне осьове зусилля від дії тиску та температурних напружень;

D_б – діаметр кола болтів;

D – середній діаметр прокладки;

D₀ – діаметр кола крайнього ряду труб;

Р_б – зусилля затягування болта.

Значення h, що отримане за цією формулою, треба перевірити розрахунком на згинання ромбічної ділянки (рис. 26) за виразом:

,

де Р_max – максимальний тиск на трубну решітку;

l – приведена довжина ділянки, що згинається:

.

Для надійного закріплення труб у трубній решітці розвальцовкою величина h повинна бути не менш, ніж (d_з/8 + 5) мм для стальної решітки і (d_з/8 + 10) мм для мідної решітки.

Засобом зменшення температурних напружень в теплообміннику жорсткої конструкції є встановлення лінзового компенсатору. Осьова деформація однієї хвилі компенсатора складає:

,

де  - співвідношення внутрішнього d та зовнішнього D діаметрів лінзи;

Р_К – зусилля від осьового розтягу компенсатора на l;

S – товщина стінки компенсатора;

₁ – коефіцієнт, який вибирають у залежності від  (табл. 5).

Таблиця 5.

Залежність ₁ від 

	0,5	0,55	0,6	0,65	0,7	0,75	0,8
1	6,03	3,96	2,5	1,6	0,99	0,58	0,31

Якщо труби нагріті більше, ніж корпус на t, ⁰С, то вони будуть стиснуті на величину:

,

де Р_Т – зусилля стиску труб;

L, E_T, F_T – довжина, модуль пружності матеріалу та площа перерізу труб.

Корпус при цьому буде розтягнутий на величину:

.

Оскільки Р_Т = Р_К; _К =  - _Т;  = tL, то отримуємо:

.

Для кожухотрубчастих теплообмінників при D  0,5 м; S  0,01 м;   0,7 маємо:

.

Напруження у компенсаторі при його розтягу:

.

Товщину компенсатора за умови міцності при внутрішньому тиску Р вибирають найбільшим з отриманих значень за наступними формулами:

;

.

Припустиме напруження на згинання та розтяг зв’язані співвідношенням;

[]_ЗГ  1,05[]_P

Тема 8. Конструювання колонної апаратури.

Класифікація та конструкції колонних апаратів. Вітрове навантаження на колону і згинаючий момент. Напруження стиску в корпусі колони і умови міцності. Визначення товщини стінки корпусу за умови стійкості колової форми. Тиск на фундамент. Конструювання опорного кільця і його кріплення до фундаменту.

Конструктивні елементи барботажних та абсорбційних насадкових колон.

Колонна апаратура є одним з основних типів тепломасообмінного обладнання у системах захисту оточуючого середовища від шкідливих промислових викидів. В колонних апаратах здійснюються як технологічні процеси абсорбції та десорбції, екстракції та адсорбції, ректифікації, так і процеси уловлювання та виділення шкідливих домішок.

Визначальною характеристикою цих апаратів є стан поверхні між фазами, за яким вони поділяються на наступні групи:

- апарати з фіксованою поверхнею контакту між фазами. До них відносять плівчасті колони зі зрошуваними стінками; колони з плоско паралельними насадками; розпилювальні колони;

- апарати з поверхнею контакту, що утворюється у процесі руху потоків. Це тарілчасті та сітчасті ковпачкові колони; тарілчасті, решітчасті та сітчасті колони без патрубків для стікання рідини ( так звані колони з провальними тарілками); насадкові колони; струменеві апарати;

- апарати із зовнішнім підведенням енергії. Це колони з механічними змішувачами; пульсаційні та вібраційні колони; відцентрові апарати.

До конструкції колонних апаратів ставляться наступні вимоги:

- дешевизна;

- простота в обслуговуванні;

- висока продуктивність;

- максимально розвинена поверхня контакту між фазами;

- ефективність передавання маси речовини з однієї фази до іншої;

- стабільність режиму у широкому діапазоні навантажень;

- максимальна пропускна здатність по газовій (або паровій) та рідкій фазі;

- мінімальний гідравлічний опір;

- міцність конструкції;

- великий строк служби колони.

Розглянемо основні процеси та конструкції колонних апаратів.

Абсорбцією називають процес вибіркового поглинання окремих газів або пари (собратива) з газоподібної суміші рідкими вбирачами (абсорбентами). Процес провадять у апаратах, що мають назву абсорберів. У цьому процесі відбувається перехід речовини з газової або парової фази у рідку за рахунок дифузії крізь поверхню контакту фаз. У випадку, коли процес абсорбції проходить лише за рахунок фізичного поглинання того чи іншого компонента газу або пари, його називають фізичною абсорбцією. Прикладом може служити поглинання сирого бензолу з коксового газу кам’яновугільним маслом у абсорбційній колоні бензольного відділення на коксохімічному заводі. Фізичну абсорбцію широко застосовують для поглинання добре розчинних газів, наприклад, аміаку, хлористого та фтористого водню і т.д.

При наявності хімічних реакцій між компонентом, що поглинається, та абсорбентом із утворенням нової хімічної сполуки процес називають хемосорбцією. За допомогою цього процесу з газової суміші видаляють окремі тяжко розчинні у воді (або у іншому абсорбенті) компоненти. Наприклад, очищення продуктів згоряння, що відходять з енергетичних або технологічних агрегатів, від діоксиду сірки водною промивкою потребує дуже великих витрат води у зв^/язку з низькою розчинністю SO₂ у воді і значних витрат енергії на десорбцію, яку треба проводити при температурі майже 100⁰С. Тому тут найбільш часто використовують хемосорбційні методи – вапняковий, аміачний, содовий, магнезитовий і т.д.

Фізична абсорбція є зворотнім процесом. Це означає, що за певних умов газ або пару, що були поглинені рідиною, можна видалити з абсорбента і, відповідно, відновити останній у його початковому стані. Такий процес, який називають десорбцією, використовують для багатократного використання абсорбента. Десорбцію здійснюють відганянням у потоці інертного газу, підведенням тепла до абсорбента, зниженням тиску газу над ним.

Найбільш розповсюдженими з поверхневих абсорберів є насадкові. В насадкову колону рідина надходить через розподільчі пристрої до верхньої частини апарату (рис. 27). Такими пристроями можуть бути перфоровані труби, тарілчасті розбризкувачі і т.д.

Для збільшення поверхні контакту між фазами на колосникові решітки насипають насадку з кілець Рашига, сталевих кульок, шматків коксу, кварцу або виконують її з дерев^/яних рейок, керамічних блоків. Насадку виконують у декілька ярусів висотою 1  3м кожен. Між ярусами залишають вільний простір висотою 300  500мм, у якому встановлюють розподільчі тарілки. Вони потрібні для забезпечення більш рівномірного зрошення насадки у поперечному перерізі, оскільки зрошуючи рідина при протіканні крізь насадку має тенденцію зміщуватися до стінок апарату.

Барботажні апарати мають форму високих колон. Робочий простір апарату розділений горизонтальними тарілками на низку камер. Їх використовують як для очищення газів від пилу, газових та парових домішок, так і у процесах ректифікації. Ректифікація – це процес розділення рідкої суміші на компоненти, в якому здійснюється тепломасообмін, тобто перехід речовини з рідкої фази в парову та навпаки. При ректифікації тепломасообмін здійснюється у протитоці пари і рідини, що забезпечує різні температури та нерівноважні концентрації контактуючих фаз. Рідке зрошення при ректифікації досягається шляхом конденсації деякої частини пари у спеціальному пристрої – дефлегматорі і повернення утвореної рідини – флегми у верхню частину колони. Парове зрошення здійснюється шляхом випаровування рідини у нижній частині колони. Рідина, яка стікає усередині колони з тарілки на тарілку, контактує з парою, що здіймається знизу колони. При кожному стиканні з рідиною частина пари конденсується, а рідина за рахунок тепла конденсації пари частково випаровується. Таким чином, внаслідок тепломасообмінних процесів пара при руху уверх по колоні збагачується компонентами, що мають низьку температуру кипіння, а рідина, що відводиться у нижній частині колони, містить компоненти з високою температурою кипіння.

У ковпачкових барботажних колонах кожна тарілка обладнана закритими ковпачками на патрубках, що слугують для проходу пари, і переливними трубами (рис. 28).

На тарілці підтримується шар рідини, крізь який з-під ковпачків проходить пара. Рідина стікає з однієї тарілки на іншу по переливних трубах. Нижні кінці труб занурені в рідину на нижче розташованій тарілці. Це утворює гідравлічні затвори, які перешкоджають проходу пари знизу уверх по колоні без стикання з рідиною.

Сітчасті тарілки встановлюють по висоті колони на певній відстані одна від одної (рис.29). Пара проходить уверх крізь отвори в тарілках і при цьому барботує крізь шар рідини. Товщина шару рідини визначається висотою верхніх кінців переливних труб. В умовах нормальної роботи сітчастої колони рідина не перетікає крізь отвори в тарілці, оскільки підтримується знизу тиском пари. Зі зниженням продуктивності колони, коли швидкість пари, яка здіймається, мала, рідина може частково перетікати крізь отвори тарілки і робота колони порушується, значне збільшення продуктивності по відношенню до номінальної може призвести до виносу частини рідини разом з парою у верхні камери колони та порушити технологію.

В решітчастих або провальних тарілках переливні пристрої є відсутніми, а пара, що здіймається, і рідина яка зливається, проходять крізь одні і ті ж отвори у вигляді щілин шириною 3  4мм (рис. 30).

Відсутність переливних пристроїв значно спрощує конструкцію, але при цьому значно зменшується поверхня контакту фаз і робота колони стає дуже чутливою до коливань продуктивності.

Розрахунок товщини стінок, сферичних кришок та днищ колонних апаратів виконують звичайно за методиками розрахунку товщини відповідних елементів тонкостінних апаратів.

Особливо важливим для колонних апаратів є розрахунок їх нижньої частини. Абсорбційні башти, ректифікаційні та екстракційні колонні апарати мають велику висоту і звичайно є винесеними за межі будівлі цеху. На колону діє вітрове та сейсмічне навантаження, яке залежить від висоти, діаметру колони, коливань різних машин та механізмів, що пов^/язані з колоною (помпи, компресори і т.д.). Для стійкості знизу колони приварюють опорне кільце, за допомогою якого вона закріплюється до фундаменту ( рис.31).

Розрахунок колони на вітрове навантаження виконується у наступному порядку.

Апарат по висоті умовно розбивають на ділянки h_i , величина яких не більше 10м. Сила ваги G_i приймається зосередженою в середині кожної і – тої ділянки. Вітрове навантаження, що є розподіленим по висоті апарату, також замінюється зосередженими силами Р_і , які прикладені до тих же точок, що і сила ваги G_i .

Нормативний швидкісний напір вітру q на відстані 10м від поверхні Землі приймають за довідковими даними у залежності від географічного району

(табл. 6). Для колон висотою більш, ніж 10м, нормативний швидкісний напір q_i або визначають інтерполяцією даних табл.. 6, або отримують, як добуток вітрового напору на висоті 10м на поправний коефіцієнт . Його значення при висоті Н = 20м становить  = 1,38; при Н = 30м  = 1,48; при Н = 50м  = 1,82.

Таблиця 6.