63.Аппараты для разделения гетерогенных систем (газ – твердое).

Процесс разделения неоднородных систем газ - твердые частицы под действием центробежных сил обусловливается разностью плотностей газового потока и твердых частиц, находящихся во вращательном движении. Центробежные силы, возникающие при этом, обеспечивают большую эффективность процесса по сравнению с процессом разделения, проходящим в поле только сил тяжести. Процессы разделения неоднородных систем осуществляют в оборудовании, отличающемся большим разнообразием. Для разделения суспензий наиболее широко применяют фильтры, для эмульсий - центрифуги и сепараторы, для грубого разделения суспензий - гидроциклоны, для разделения аэрозолей - аппараты сухой и мокрой пылеочистки и электрофильтры. Этот процесс разделения неоднородных систем ( суспензий и газовых взвесей) осуществляется в аппаратах самых разнообразных конструкций, называемых фильтрами. Отличительной особенностью всех фильтров является наличие пористых перегородок, пропускающих сплошную и задерживающих дисперсную фазу. Ускорение процессов разделения неоднородных систем в электромагнитных полях связано с агрегированием части дисперсной фазы, что объясняется усилением взаимодействия между ферромагнитными частицами железа, которые, слипаясь в магнитном поле в агрегаты, захватывают и немагнитные частицы. При этом прочность агрегатов, содержащих ферромагнитные частицы, в переменных магнитных полях уменьшается примерно на порядок по сравнению с прочностью подобных агрегатов в постоянных магнитных полях.

Среди процессов разделения неоднородных систем, используемых в нефтепереработке, нефтехимии, в очистке сточных вод и других отраслях промышленности, отстаивание продолжает занимать видное место, так как основное его достоинство заключается в отсутствии необходимости приложения внешней анергии на осуществление процесса разделения - разделение происходит за счет сил гравитации. В связи с этим понятен интерес исследователей к интенсификации процесса отстаивания. Фильтрованием называют процессы разделения неоднородных систем при помощи пористых перегородок, которые задерживают одни фазы этих систем и пропускают другие. К этим процессам относится разделение суспензий на чистую жидкость и влажный осадок, аэрозолей на чистый газ и сухой осадок, многофазной среды ( газ - жидкость-твердое тело) на газ и мокрый осадок. Закономерности, характеризующие процессы разделения перечисленных неоднородных систем, имеют много общего и существенные отличия. Закономерности процесса разделения суспензий изучены полнее и точнее, чем закономерности разделения аэрозолей.

64.Расчет колонных аппаратов на прочность и устойчивость.

К 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