Раздел 2. Расчет и конструирование химических аппаратов. Лекция 2. Назначение и конструкции аппаратов. Расчет обечайки, нагруженной внутренним давлением

Химические аппараты предназначены для проведения физических, химических и физико-химических процессов, а также для хранения и транспортировки различных химических веществ. В зависимости от назначения и конструкции их называют: реактор, смеситель, мельница, колонна (ректификационная, адсорбционная и т.д.), хранилище.

Корпуса химических аппаратов в соответствии с условиями эксплуатации должны быть достаточно прочными и в подавляющем большинстве случаев герметичными. Главным элементом корпуса является обечайка. Форма корпуса, а следовательно, и обечайки определяется технологическими и конструктивными требованиями, предъявляемыми к аппарату, и может быть цилиндрической, конической, сферической и т.д. Наибольшее распространение получили цилиндрические обечайки, отличающиеся простотой изготовления, рациональным расходом материала и хорошей сопротивляемостью давлению среды.

В зависимости от назначения цилиндрические аппараты находят применение, как в вертикальном, так и в горизонтальном исполнении, причем, предпочтение следует отдавать вертикальному исполнению, особенно для тонкостенных аппаратов, работающих под избыточным давлением. В таком случае исключаются дополнительные изгибающие напряжения в корпусе от силы тяжести аппарата и среды, имеющие место в горизонтальных аппаратах, лежащих на отдельных опорах.

Технологические процессы в аппаратах осуществляются при различных, свойственных каждому процессу, давлениях – от глубокого вакуума до избыточного давления несколько сот тысяч кПа и при самых разнообразных температурах – от – 250⁰С до +950⁰С.

Все химические аппараты в зависимости от предъявляемых к ним технологических требований, разделяются на подведомственные и неподведомственные Госгортехнадзору. Подведомственными Госгортехнадзору являются аппараты с содержащимися в них под избыточным давлением свыше 0,07 МПа огневзрывоопасными и сильно токсичными средами; с горючими и агрессивными средами и аппараты без избыточного давления, но при эксплуатации которых возможно повышение избыточного давления до 0,07МПа. Не подведомственными Госгортехнадзору являются все остальные аппараты, в том числе работающие под вакуумом и наливом.

Наиболее распространенным типом оборудования, используемого для проведения различных физических и химических процессов, являются аппараты с перемешивающими устройствами. Перемешивание обеспечивает интенсификацию процесса и часто является необходимым условием его эффективного протекания.

На рис.2.1. показан стальной аппарат с мешалкой. Он состоит из корпуса и перемешивающего устройства с приводом. Корпус 1 включает в себя цилиндрическую обечайку с приварным днищем и отъемной крышкой 2. Аппарат снабжен штуцерами 3,4 для подачи исходных компонентов, выгрузки готовой продукции, установки контрольно-измерительных приборов и т.д. Для поддержания заданного температурного режима ведения процесса аппарат имеет рубашку 5. Устанавливают аппарат на опоры-стойки или боковые опоры-лапы 6. Привод состоит из моноблочного мотор-редуктора (или электродвигателя) 7, который устанавливается на стойке 8, закрепленной на опоре привода 9, приваренной к крышке аппарата. Выходной вал редуктора соединен с валом 12 мешалки муфтой 11. Для герметизации аппарата в месте входа вала в крышку установлено уплотнение 14. Опорами вала являются подшипники, расположенные в узле 15.

У казанные элементы и узлы являются общими для всех аппаратов.

Конструкционные материалы для изготовления элементов химического аппарата выбирают в зависимости от химического и коррозионного действия среды, температуры и давления. Основным способом изготовления химических аппаратов является сварка, поэтому одним из необходимых условий, определяющих выбор материала, является хорошая свариваемость. К материалам, предназначенным для изготовления химических аппаратов, должны предъявляться следующие требования:

1) химическая и коррозионная стойкость материала к воздействию перерабатываемой среды;

2) механическая прочность и устойчивость;

3) технологичность изготовления и в первую очередь это способность материала свариваться с обеспечением высоких механических свойств сварных соединений и их коррозионной стойкости в агрессивной среде.

Основными расчетными параметрами для выбора конструкционного материала и расчета элементов аппарата на прочность являются температура и давление рабочего процесса.

При расчетах различают рабочую и расчетную температуры. Рабочая температура t – это температура перерабатываемой среды при нормальном протекании технологического процесса. Расчетная температура t_R – это температура для определения физико-механических свойств материала и допускаемых напряжений. Она определяется на основании теплового расчета или результатов испытаний. В случае невозможности выполнения теплового расчета, а также если при эксплуатации температура стенки корпуса может повыситься до температуры среды, расчетная температура принимается равной рабочей, но не ниже +20⁰С. При отрицательной рабочей температуре за расчетную принимается температура, равная 20⁰С.

При расчетах различают рабочее, расчетное, условное и пробное давления.

Рабочее давление р – максимальное избыточное давление среды в аппарате при нормальном протекании технологического процесса.

Расчетное давление – давление, на которое производится расчет на прочность и устойчивость элементов аппарата. Расчетное давление принимают, как правило, равным рабочему .

Условное (номинальное) давление – избыточное рабочее давление при температуре элементов аппарата 20⁰С. Условные давления применяются при стандартизации элементов и узлов аппарата.

Пробное давление – избыточное давление, создаваемое при испытаниях аппарата с целью проверки на прочность и герметичность после его изготовления и в процессе эксплуатации.

Расчет обечайки, нагруженной внутренним давлением.

Цилиндрическая обечайка является одним из основных элементов химических аппаратов, образующих корпус. Для гладкой цилиндрической обечайки, нагруженной избыточным внутренним давлением, радиусы кривизны , ,

где ; D – внутренний диаметр аппарата.

Из уравнения Лапласа имеем: окружные напряжения

где р – давление в аппарате, s – толщина обечайки;

меридиональные напряжения

, или .

Расчет сосудов и аппаратов из пластичных материалов (сталей, цветных металлов) выполняется по третьей теории прочности

,

Материал упругой тонкостенной цилиндрической обечайки находится под действием нормальных напряжений и (третье нормальное напряжение – радиальное ).

Так как

а

то условие (3.6.3) для цилиндрической обечайки будет иметь вид

Значительная часть узлов машин и аппаратов химических производств выполняется с помощью сварки. Ухудшение механических характеристик сварных соединений по сравнению с характеристиками основного металла делает необходимым при расчете на прочность сварных конструкций снижать допускаемые напряжения. С этой целью в расчетные формулы вводится коэффициент прочности сварного шва . Значения коэффициента  зависят от конструкции шва, способа сварки, характеристики электродов и регламентированы ГОСТ 14249-80.

С учетом прочности сварного шва расчетное значение толщины стенки обечайки

Так как D_cp = D + s, то последняя формула примет вид

(1)

Исполнительные или конструктивные размеры рассчитываемых элементов аппаратов, как правило, должны быть больше расчетных на значение прибавки на коррозию

, (2)

, где υ – скорость коррозии (0,1-0,3мм/год);  – срок службы аппарата (10 – 15 лет).

Формулы (1) и (2) применяют при выполнении проектных расчетов. Для обеспечения же надежной эксплуатации аппаратов, особенно при их переключении на выпуск новой продукции возникает необходимость проведения проверочных расчетов по формулам

Cферические аппараты применяются в качестве хранилищ жидкостей и газов. Для таких аппаратов, нагруженных избыточным внутренним давлением, при , имеем

что следует из равенства радиусов.

Или с учетом прочности сварного шва  и условия – получим формулу для расчета толщины стенки сферического сосуда:

; .