WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |
Министерство образования и науки Российской Федерации Пензенский государственный университет С. Н. Виноградов, К. В. Таранцев КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ТОНКОСТЕННЫХ СОСУДОВ Учебное пособие Наградной логотип вуза Издательство Пензенского государственного университета Пенза 2004 УДК 66.021.1:532.5 В49 Р е ц е н з е н т ы:

Технический совет НИКТИНиСМ Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Водоснабжение и водоотведение» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства Б. М. Гришин Виноградов С. Н.

В49 Конструирование и расчет элементов тонкостенных сосудов: Учеб. пособие / С. Н. Виноградов, К. В. Таранцев. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. унта, 2004. – 136 с..: 44 ил., 3 табл., библиогр. 22 назв.

Предложены варианты конструктивных решений для основных элементов тонкостенных аппаратов, а также даны методики их расчетов и справочный материал, необходимые при выполнении дипломных проектов по темам, ставящим своей целью модернизацию существующих конструкций аппаратов с перемешивающими устройствами.

Учебное пособие подготовлено на кафедре «Химическое машиностроение и электрохимические производства» и предназначено для студентов направления 655400 “Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», специальности 170500 «Машины и аппараты химических производств».

УДК 66.021.1:532.5 © Издательство Пензенского государственного университета, 2004 © Виноградов С. Н., Таранцев К. В., 2004 2 Введение Курс «Конструирование и расчет элементов оборудования отрасли» является одним из завершающих при подготовке инженеров по специальности 170500 «Машины и аппараты химических производств». Этот курс посвящен вопросам оптимального проектирования, динамики, прочности и устойчивости основных элементов типового оборудования химических производств. При подготовке учебного пособия по данному курсу были отобраны наиболее компактные инженерные методы, требующие минимального времени для изучения, но применимые для решения достаточно сложных задач.

При расчете тонкостенных емкостных аппаратов основной для инженера является теория пластин и оболочек. Аппараты рассмотрены как сочетания этих элементов.

Для оболочек емкостных аппаратов характерными являются расчеты на устойчивость, особенно актуальные при действии внешнего давления. Основой для этих расчетов послужила теория устойчивости.

Расчет аппаратов основан на изучаемых ранее курсах «Сопротивление материалов», «Детали машин», «Теория машин и механизмов».

При изучении вибрации элементов аппаратов с перемешивающими устройствами рассмотрены задачи динамики этих элементов и их расчет, основанный на теории колебаний.

1. Тонкостенные сосуды, их форма, типы и назначение Емкости разного рода применяются в химической технике для хранения твердых, жидких и газообразных продуктов, а также для технологических целей [9]. Помещение внутрь емкости устройств, необходимых для проведения процесса, например, катализаторных коробок, теплообменников, тарелок, мешалок, существенно не сказывается на конструкции и толщине стенок аппарата. Поэтому конструирование и прочностной расчет стенок емкостных и реакционных аппаратов рассматриваются вместе в одном разделе.

Для упрощения и удешевления изготовления составляющим частям емкостных аппаратов придают простейшие геометрические формы - цилиндрическую, сферическую и коническую. Корпуса большинства аппаратов представляют собой комбинацию этих простейших форм.

С точки зрения экономии материала и равномерного распределения напряжений, возникающих в материале стенок от нагрузок, наиболее благоприятной формой является сферическая. Сфера обладает наименьшей поверхностью на единицу объема, и при заданном давлении толщина ее стенки оказывается минимальной. Однако изготовление сферических оболочек более сложно и дорого, чем изготовление цилиндрических обечаек. Сфера - весьма неподходящая форма для размещения внутренних рабочих устройств аппарата и для организации тока взаимодействующих агентов. Поэтому сферическую форму придают или большим хранилищам для жидкостей и газов, в которых благодаря этому удается уменьшить вес конструкции (рис. 1), или аппаратам, в которых наименьшее отношение их наружной поверхности к объему существенно важно для хорошей работы, как, например, в танках для жидкого кислорода.

Рис. 1. Сферическое хранилище для жидкости В большинстве аппаратов основной рабочий объем ограничен цилиндрической обечайкой, сделанной из листового материала, или цилиндрическими обечайками с фланцами, т. е. царгами, а крышки делаются сферическими, эллиптическими или коническими.

Значительно реже применяются емкостные аппараты, ограниченные не поверхностями вращения, а плоскими стенками. Плоские стенки применяются только в аппаратуре, работающей при небольших перепадах давления. Плоские стенки невыгодны потому, что они плохо сопротивляются действующему на них давлению и расход металла на единицу полезного объема в таких конструкциях бывает более высок. Плоские стенки неудобны и из технологических соображений: их «ведет» и коробит при сварке; отливка аппаратов, ограниченных плоскими стенками, трудна и сопряжена с опасностью брака. Однако во многих случаях невозможно обойтись без применения плоских стенок, и они часто служат основными составными частями аппаратов. Такими частями являются трубные доски теплообменников, тарелки колонных аппаратов, перегородки и т. д. При существовании перепада давлений, действующего на плоские элементы, они усиливаются ребрами, анкерными тягами, трубами и т. д.



Сосуд - это изделие (устройство), имеющее внутреннюю полость, предназначенную для проведения химических, тепловых и других технологических процессов, а также для хранения и транспортирования газообразных, жидких и других веществ.

Ряд условных (номинальных) давлений в пределах 0,10-100 МПа для сосудов установлен ГОСТ 9493-80. Под условным (номинальным) давлением понимают наибольшее избыточное рабочее давление при расчетной температуре 20°С, при котором обеспечивается длительная работа сосудов и аппаратов, их сборочных единиц и деталей, имеющих определенные размеры, обоснованные расчетом на прочность при выбранных материалах и характеристиках прочности при температуре 20 °С.

Аппарат - сосуд, оборудованный внутренними устройствами, предназначенный для проведения химико-технологических процессов. Аппараты в зависимости от технологического процесса и конструкции носят различное название: колонны, камеры, автоклавы и др.

Резервуар - емкость для хранения жидкостей и газов. Широко распространены металлические и железобетонные резервуары. В зависимости от назначения и вида хранимого вещества резервуары покрывают слоем тепло- и/или гидроизоляции, а их внутренние стенки облицовывают (например, кислотоупорными материалами).

Газгольдер - резервуар для приема, хранения и выдачи газа в установки по его переработке.

Ресивер - сосуд для скапливания газа или пара, предназначенный главным образом для сглаживания колебаний давления, обусловленных пульсирующей подачей или прерывистым расходом.

Сборник - сосуд для накапливания вещества, образующегося в технологическом процессе.

1.1. Технические требования Технические требования на сосуды и аппараты из углеродистых, легированных и двухслойных сталей, предназначенные для работы в химической и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности, установлены ГОСТ 24306–80. Он распространяется на сосуды и аппараты, работающие при температурах не ниже –70 °С без давления или под наливом, под избыточным давлением до 10 МПа и под вакуумом при остаточном давлении не ниже 665 Па. ГОСТ не распространяется на эмалированную аппаратуру, хранилища, изготовляемые на месте монтажа, сосуды для транспортирования жидкостей и газов [12, 23].

Требования к устройству, изготовлению, монтажу, ремонту и эксплуатации сосудов, работающих под давлением свыше 0,07 МПа (без учета гидростатического давления), установлены “Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением», утвержденными Госгортехнадзором РФ.

Сосуды, работающие под давлением до 0,07 МПа, для которых в диапазоне давлений от 0,01 до 0,07 МПа произведение давления (в МПа) на объем (в л) не превышает 100, относятся к сосудам, работающим без давления.

Конструкция сосуда должна предусматривать возможность его осмотра, очистки, промывки, продувки и ремонта, а также контроля состояния сварных швов. Внутренние устройства, препятствующие проведению этих операций, должны быть разборными. Отверстия для люков, лазов и штуцеров должны быть расположены вне швов.

Объемы, диаметры и условные давления для сосудов и аппаратов установлены стандартами.

ГОСТ 13372–78 устанавливает ряд номинальных объемов корпусов цилиндрических сосудов и аппаратов, для которых проектный объем определяется технологическим расчетом. Номинальным объемом считается внутренний объем сосуда или аппарата без учета объемов штуцеров, люков, внутренних устройств, включая футеровку. Ниже приведен стандартный ряд номинальных объемов (в м3):

0,010; 0,016; 0,025; 0,04; 0,063; 0,100; 0,125; 0,160; 0,200;0,250; 0,32;

0,40; 0,50; 0,63; 0,80; 1,00; 1,25; 1,60; 2,00; 2,50; 32;4,0; 5,0; 6,3; 8,0;

10,0; 12,5; 16,0; 20,0; 25,0; 32; 40; 50; 63; 80;100; 125; 160; 200; 250;

320; 400; 500.

ГОСТ 9617–76 устанавливает ряды внутренних диаметров (в мм) сосудов и аппаратов, изготовленных из стальных листов или поковок: 400, (450), 500, (550), 600, (650), 700, 800, 900, 1000, (1100), 1200, (1300), 1400, (1500), 1600, (1700), 1800, (1900), 2000, 2200, 2400, 2500, 2600, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800, 4000, 4500, 5000, (5500), 5600, (6000), 6300, (6400), 7000, 7500, 8000, 8500, 9000, 9500, 10000, 11000, 12000, 14000, 16000, 18000, 20000.

Значения, указанные в скобках, применяют только для рубашек сосудов и аппаратов.

ГОСТ 9493–80 устанавливает ряд условных (номинальных) давлений, применяемых в расчетах на прочность сосудов и аппаратов, кроме резервуаров и газгольдеров.

Условные давления должны быть выбраны из следующего ряда (в МПа): 0,10; 0,16; 0,25; 0,30; 0,4; 0,6; 0,8; 1,00; 1,25; 1,60; 2,00; 2,50;

3,20; 4,00; 5,00; 6,30; 8,00; 10,0; 12,5; 16,0; 20,0; 25,0; 32,0; 40,0; 50,0;

63,0; 80,0; 100.

В зависимости от назначения и эксплуатационных параметров соответствующими правилами и инструкциями устанавливаются способы контроля состояния сосудов и их элементов; способы устранения обнаруженных дефектов; нормы гидравлического испытания;

необходимость в арматуре, контрольно-измерительных приборах и предохранительных устройствах; порядок технического освидетельствования, содержания и обслуживания.

1.2. Резервуары Резервуары предназначены для хранения жидкостей и газов [18].

В эксплуатации находятся наземные, полуподземные и подземные резервуары различных конструкций (горизонтальные, вертикальные и шаровые). Определяющими факторами при выборе конструкции резервуара являются: внутреннее избыточное давление, свойства и температура находящегося в резервуаре продукта, объем, климатические условия. Кроме того, выбор должен быть обоснован технико-экономическим расчетом, учитывающим стоимость резервуара, эксплуатационные расходы и необходимость максимального снижения потерь.





Резервуары должны быть оборудованы сливоналивными, контрольно-измерительными и предохранительными устройствами.

Все резервуары должны быть обеспечены системой молниезащиты, которая одновременно является также защитой от статического электричества. На каждый резервуар должен быть составлен паспорт.

1.2.1. Резервуары горизонтальные Горизонтальные сварные резервуары имеют объем от 3 до 200 мв зависимости от конструкции корпуса, который согласно ГОСТ 9931–79 может быть с эллиптическими, плоскими и коническими днищами. ГОСТ устанавливает основные размеры корпусов (диаметр, длину цилиндрической части, внутреннюю поверхность) в зависимости от объема и конструкции днища. Действительный внутренний объем корпуса не должен отличаться от номинального объема (ГОСТ 13372–78) более чем на +10 % и –5 %.

ГОСТ 17032–71 устанавливает типы и основные размеры стальных сварных горизонтальных резервуаров объемом от 5 до 100 м3 и рабочим давлением до 0,07 МПа, предназначенных для наземного и подземного хранения нефтепродуктов. Максимально допустимое заглубление (расстояние от поверхности земли до верха обечайки) при подземном хранении – 1,2 м.

Резервуары емкостью до 8 м3 включительно изготовляют с плоскими днищами, более 8м3 – с коническими или плоскими днищами.

Листы стенок соединяют встык или внахлестку.

Внутренние поверхности резервуаров могут быть оцинкованы или покрыты консервантами; наружные поверхности окрашивают.

Резервуары, предназначенные для хранения химически активных веществ, должны быть защищены антикоррозионной облицовкой; в случае необходимости внутренние поверхности футеруют кислотоупорным кирпичом или плитами. Для защиты от атмосферных осадков или от перегрева солнечными лучами над резервуаром следует установить навес. Температуру продукта поддерживают теплоизоляцией, которой покрывают наружную поверхность резервуара.

Вакуум в резервуарах не должен превышать 1 кПа, поэтому их испытывают на вакуум 1,5 кПа.

1.2.2. Резервуары вертикальные Резервуары вертикальные стальные являются наиболее распространенными хранилищами для жидкостей [18]. Они по внутреннему давлению подразделяются на резервуары: без давления (с понтоном, плавающей крышей и др.), низкого давления (2 кПа или вакуум 250 Па) и повышенного давления (70 кПа или вакуум до 1 кПа).

Схема вертикального цилиндрического резервуара приведена на рис. 2. Резервуар покоится на основании, состоящем из надежно уплотненного грунта и песчаной подушки, поверх которой нанесен слой изоляции для предохранения днища от коррозии. Конусная форма основания предохраняет его от размыва поверхностными водами. Основания резервуаров для хранения токсичных веществ покрывают бетоном.

Резервуары могут иметь коническую, сферическую и сфероидальную форму покрытий.

Рис. 2. Схема вертикального цилиндрического резервуара:

1 – световой люк; 2 – вентиляционный патрубок; 3 – огневой предохранитель;

4 – дыхательный клапан; 5 – замерный люк; 6 – указатель уровня; 7 – люк-лаз;

8 – сифонный кран; 9 – подъемная труба; 10 – шарнир подъемной трубы;

11 – приемно-раздаточные патрубки; 12 – перепускное устройство;

13 – хлопушка; 14 – управление хлопушкой; 15 – лебедка Для того чтобы предотвратить повышение давления или вакуума сверх допустимых значений на крышах резервуаров устанавливают грузовые дыхательные клапаны, предусмотренные ГОСТ 23097–78.

Корпус, крышку, седла и тарелки клапана изготовляют из алюминия, уплотнительные и направляющие поверхности – из фторопласта-4.

ГОСТ 4630–80 для вертикальных резервуаров предусматривает предохранительные клапаны с разрывной мембраной, предотвращающей повышение давления или вакуума выше допустимых значений при отказе дыхательных клапанов.

В комплекте с дыхательными и предохранительными клапанами на резервуарах устанавливают огнепреградители, закрывающие доступ в резервуар извне пламени или искрам.

Схема резервуара с открытым металлическим понтоном приведена на рис. 3. Он имеет открытые герметичные отсеки, что позволяет контролировать его техническое состояние. Цилиндрическая часть корпуса должна быть сварена стыковыми швами так, чтобы внутренняя поверхность ее была гладкой.

Рис. 3. Схема резервуара с понтоном: 1 – наружное кольцо жёсткости;

2 – центральное кольцо; 3 – днище понтона; 4 – опорная стойка;

5 – петлевой затвор Важным узлом конструкции понтона и плавающей крыши является затвор-уплотнение кольцевого пространства между стенкой резервуара и покрытием. Применяют затворы петлевые, мягкого типа и жесткого типа. Затворы мягкого типа состоят из тонкой эластичной внутренней оболочки с наполнителем и наружной защитной оболочки из резинотканевого износоустойчивого материала. Наполнителем может быть пенополиуретан.

Для хранения жидкостей с высокой упругостью насыщенных паров применяют резервуары со сферическими крышами и днищами, прикрепленными к фундаменту анкерными болтами. Они могут работать при давлении до 25 кПа и вакууме до 980 Па. Они снабжены кольцами жесткости, опоясывающими резервуар на расчетных расстояниях друг от друга.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.