47.Критерии прочности, коэффициенты запаса прочности и условия их использования.

иК колонным аппаратам относятся вертикальные цилиндрические сосуды постоянного или переменного сечения с внутренними устройствами либо без них, предназначенные для осуществления тепломассообменных процессов.

Наиболее ответственными частями колонных аппаратов являются корпус и опорный узел, на которые помимо действующей нагрузки от давления реакционной среды, силы тяжести аппарата и реагентов в нем оказывают дополнительное воздействие внешние силы, а именно – ветровая и сейсмическая нагрузки. Поэтому действие данных сил необходимо учитывать при расчете аппаратов колонного типа. Нормы и методы расчета колонных аппаратов регламентируются следующими нормативными документами:

– ГОСТ 24756–81 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность». Этот документ регламентирует методику определения расчетных усилий, возникающих в элементах аппаратов колонного типа от ветровой и сейсмической нагрузок, в частности: определение периода собственных колебаний, определение изгибающего момента от ветровой нагрузки и усилий от сейсмических воздействий;

– ГОСТ 24757–81 «Сосуды и аппараты колонного типа». Он устанавливает методы расчета на прочность и устойчивость колонных аппаратов под действием внутреннего или наружного давления, собственного веса и изгибающих моментов от ветровых нагрузок и сейсмических воздействий.

Толщину стенок цилиндрического корпуса, конических переходов и днищ определяют по ранее рассмотренным методикам расчета тонкостенных цилиндрических обечаек, исходя из величин избыточного внутреннего или наружного давления. После чего стенки аппарата рассчитываются на прочность и устойчивость с учетом действия ветровой нагрузки и сейсмического воздействия (расчет приведен в разделе 4 ГОСТ 24756–81).

Расчет толщины и высоты стенки опорной обечайки узла, а также проверка напряжения изгиба приводятся в 5 и 6 разделах ГОСТа. Кроме того, ГОСТ регламентирует методику расчета анкерных болтов.

Представленные в ГОСТ расчеты достаточно трудоемки, поэтому лишь кратко ознакомимся с алгоритмом расчетов на примере расчета корпуса колонного аппарата.

Прежде всего, необходимо отметить, что согласно ГОСТ расчету на ветровую нагрузку подлежат не все вертикально расположенные аппараты, а только удовлетворяющие следующим условиям:

высота аппарата Н >10 м при Н ≥ 1,5Dmin.;

Либо Н ≤10 м при Н ≥ 5Dmin

Расчету на сейсмическое воздействие подлежат аппараты колонного типа, расположенные в районах с сейсмичностью 7 и более баллов. Республика Беларусь не является сейсмически опасным регионом, поэтому для промышленных предприятий, расположенных на территории страны, расчеты на сейсмическое воздействие не выполняются (в рамках настоящего курса не рассматриваются).

Колонну рассчитывают как консольный упруго защемленный стержень. При этом аппарат разбивается на z участков (hz ≤ 10 м), вес участка принимается сосредоточенным в середине участка, а ветровая нагрузка, распределенная непрерывно по высоте аппарата заменяется сосредоточенными горизонтальными силами, приложенными в середине каждого из z участков.

Изгибающий момент от ветровой нагрузки в расчетном сечении на высоте х0 определяется по формуле

где Рi – ветровая нагрузка на i-м участке; Mvj – изгибающим момент от действия ветра на обслуживающую площадку j на высоте х0, Н ∙ м.

Рi = Рi st + Рi dyn,

где Рi st – статическая составляющая ветровой нагрузки; Рi dyn – динамическая составляющая ветровой нагрузки;

методика расчета Рi st и Рi dyn дана в ГОСТе.

При расчете колонного аппарата устанавливаются следующие основные расчетные сечения (рисунок):

– поперечные сечения корпуса, переменные по толщине стенки или диаметру;

– сечение в месте присоединения опорной обечайки;

– сечение в местах расположения отверстий в опорной обечайке;

– в месте присоединения опорного кольца;

– дополнительные сечения для расчета местных нагрузок.

Колонный аппарат рассчитывается для следующих условий работы:

– рабочие условия;

– условия испытаний;

– условия монтажа.

Для рабочих условий, т. е. условий эксплуатации осевое сжимающее усилие F1 = G1, где G1 – вес колонны в рабочих условиях, включая вес обслуживаемых площадок, рабочей среды, изоляции, Н (кгс).

Расчетный изгибающий момент

М1 =

где – изгибающий момент от действия эксцентричных ветровых нагрузок в сечении.

Р1 – расчетное давление в рабочих условиях, измеряемое на высоте х0 (внутреннее избыточное давление Р > 0 или наружное давление P < 0), МПа.

Расчет стенок колонного аппарата включает проверку на прочность и устойчивость.

Расчет на прочность. Сначала во всех сечениях корпуса выполняют расчет напряжений.

1. Продольные напряжения:

– на наветренной стороне вычисляются по формуле

– на подветренной стороне по формуле

2. Кольцевые напряжения рассчитывают по формуле

3. Эквивалентные напряжения:

– на наветренной стороне вычисляются по формуле

где φт – коэффициент прочности кольцевого сварного шва; φр – коэффициент прочности продольного сварного шва;

– на подветренной стороне по формуле

Проверка условий прочности:

– на наветренной стороне:

max {| |; } если то

– на подветренной стороне:

max {| |; }

где – допускаемое напряжение для материала корпуса колонны, МПа.

Проверка устойчивости проводится для колонн, работающих под внутренним избыточным давлением и без давления. Если толщина стенки опорной обечайки меньше либо равна толщине самой нижней обечайки колонны, то расчет на устойчивость для колонны не проводят. В противном случае для каждого расчетного сечения проводят проверку устойчивости по формуле

где [F] и [М] – допустимые усилия по ГОСТ 14249–80.

Для колонн, работающих под наружным давлением, проверка проводится по формуле

48.Порядок расчета аппаратуры.

Исходными данными при проектировании новых аппаратов являются производительность, рабочие параметры технологического процесса, Физико-химические свойства исходных реагентов и продуктов и т. д. Каждый аппарат проектируют, как правило, по своей методике. Вместе с тем, можно выделить некоторые общие стадии или последовательность в проектировании.

1. Составление уравнения материального баланса по известной методике. На основании баланса рассчитывают все неизвестные материальные потоки.

2. Составление и решение уравнения теплового баланса (для аппаратов, в которых протекают теплообменные процессы).

3. Выполнение конструктивного расчета аппарата (технологический расчет), т. е. определение основных размеров аппарата и площади поверхности тепло- и массообмена.

Рассчитанные размеры (диаметр, высота, длина) округляют до стандартных значений

4. По ГОСТам, нормалям и каталогам аппаратов выбирается конкретный аппарат, наиболее близкий к расчетным размерам и параметрам.

5. Выбираются конструкционные материалы и определяются их механические характеристики при расчетной температуре.

6. Рассчитываются на прочность основные элементы аппарата с учетом действующих на этот аппарат нагрузок (обечайки, днища, крышки, люки, фланцевые и резьбовые соединения т. д.).

49.Насосы, их разновидности, области применения.

Машины для перемещения жидкостей (насосы) относятся к внутризаводскому транспорту.

На промышленных предприятиях перемещение жидкостей осуществляется следующими способами:

а) под действием силы тяжести благодаря гидравлическому уклону − безнапорное перемещение жидкости;

б) за счет разности давлений на двух участках потока в замкнутом канале (трубопроводе) − напорное перемещение жидкости.

Напорное перемещение жидкости осуществляется насосами (курс ПиАХП).

В химической промышленности на предприятиях технологии неорганических веществ наибольшее применение нашли центробежные и поршневые насосы. Остановимся на описании этих типов насосов.

Центробежные насосы – устройства, в которых перемещение жидкости осуществляется за счет центробежных сил, возникающих при вращении рабочего колеса (ГОСТ 15110–79Е). По особенностям конструкции они делятся на:

– консольные;

– погружные;

– осевые;

– вихревые.

По числу рабочих колес центробежные насосы могут быть:

– одноступенчатые (одноколесные) с напором до 50 л;

– многоступенчатые, в которых рабочие колеса смонтированы на одном валу, соединены последовательно, снабжены направляющими и переливными устройствами для направления жидкости с одного колеса на другое, имеют одну всасывающую и одну нагнетательную линию; общий напор равен сумме напоров, создаваемых каждым из колес.

Преимущества центробежных насосов:

– отсутствие кривошипно-шатунного механизма и. как следствие, простота конструкции;

– низкая стоимость изготовления и малые габариты;

– отсутствие клапанов, что повышает их надежность;

– простота ремонта и регулирования количества подаваемой жидкости;

– равномерность подачи жидкости.

Недостатки центробежных насосов:

– необходимость заполнения насоса жидкостью перед запуском;

– зависимость производительности от создаваемого напора и сопротивления линии.

Общие правила эксплуатации центробежных насосов.

Для создания нормальной, устойчивой работы центробежных насосов необходимо на всасывании обеспечить так называемый кавитационный запас, т. е. минимально допустимое превышение атмосферного давления над давлением насыщенных паров жидкости. В противном случае, если давление перекачиваемой жидкости на всасывающей линии окажется ниже давления ее насыщенных паров, в жидкости образуются пузырьки газа. При последующем движении жидкости в насосе давление повышается, пузырьки сжимаются, пустоты заполняются жидкостью (т. е. появляются __________________?????, вскипание жидкости и разрушение насоса, особенно изготовленного из алюминия.

Лучшее средство предотвратить кавитацию – создать подпор на всосе.

Для лучшей всасывающей способности скорость жидкости на входе в насос должна составлять от 1 до 2 м/с, а сопротивление всасывающего трубопровода быть минимальным. Высота всасывания центробежного насоса – до 5 м.

Прошневые (объемные) насосы

Рабочий орган поршневых насосов – поршень – совершает в цилиндре возвратно-поступательные движения, сообщая перекачиваемой жидкости избыточное давление. Когда рабочий поршень выполнен в виде удлиненного поршня (плунжера), насос называют плунжерным, в этом случае уплотнение между плунжером и цилиндром лучше. Такой насос рекомендован для перекачивания небольших объемов жидкости при высоких давлениях, а также для высоковязких жидкостей (в аммиачном производстве для подачи углеаммонийных солей, для распыления жидкостей и плавов на форсунки).

К достоинствам данных насосов можно отнести возможность создания высоких давлений (35 МПа и более); к недостаткам – неравномерность подачи, громоздкость, сложность. Работа насоса характеризуется таки параметром, как степень неравномерности подачи:

m = Qmax / Qср,

где Qmax – максимальная подача насоса; Qср – средняя подача насоса.

Поршневые насосы могут быть одинарного (m = 3,14), двойного (m = 1,5) и тройного (m = 1,05; триплекс-насос) действия. Триплекс-насос представляет собой три плунжерных насоса одинарного действия, приводимых в движение от одного электрического двигателя, кривошипы их расположены под углом 120°.

Выбор насоса

Для правильного выбора насоса необходимо учесть количество, температуру, состав и коррозионную активность среды, необходимый напор, наличие взвешенных частиц. Рассчитывают Q и Н и далее по каталогам выбирают конкретную марку насоса. Возможен выбор типа насоса с использованием полей насосов в зависимости от Q и Н