Диссертация (Особенности прочностного расчета и конструирования сосудов и аппаратов сернокислотного производства), страница 7

Согласнодействующим нормативным документам в таких днищах возникаютнапряжения, превышающие допускаемые значения [56], исходя из расчета напрочность [34, 17].38Плоские гладкие и оребренные днища просты в изготовлении, ноимеютсущественныйнедостаток–большуюматериалоемкостьпосравнению с коническими и эллиптическими днищами при выполненииусловий прочности (исходя из отношения материалоемкости оребренногоднища к материалоемкости гладкого днища).

Кроме того, не всегдаукрепление плоских днищ радиальными ребрами целесообразно и приводит кснижению их материалоемкости, по сравнению с гладкими плоскимиднищами [53]. Расчет на прочность таких днищ по «ГОСТ Р 52857.2-2007»[34]носитповерочныйхарактер,отсутствуютрекомендациипопредварительному выбору рациональных параметров плоских круглых днищс радиальными ребрами жесткости, обеспечивающими минимальнуюматериалоемкость при выполнении условий прочности.1.3.2. Промышленное получение серной кислоты"О промышленном развитии страны можно судить по количеству сернойкислоты, которую она потребляет."Юстус Либих (1803-1873)Сернаякислотасуществуеткаксамостоятельноеотдельноехимическое соединение H2SO4, а также и в виде его водных растворов(H2SO4·2H2O, H2SO4·H2O, H2SO4·4H2O) или олеума – серной кислоты,насыщенной серным ангидридом.

Серную кислоту применяют в текстильной,кожевенной,другихнефтяной,отрасляхметаллообрабатывающей,промышленности,вчастностиметаллургическойприипроизводствеминеральных удобрений (суперфосфатных удобрений, а также для получениясульфата аммония); для получения различных кислот и солей (натриевыхсолей сульфонатов неразветвленных алкилбензолов), применяемых вкачестве основных активных компонентов бытовых синтетических моющихсредств. Существенное количество серной кислоты применяется припроизводстве органических красителей и промежуточных продуктов,взрывчатых и дымообразующих веществ, искусственного волокна.

Также39серная кислота нередко используется в качестве водоотнимающего иосушивающего средства [104, 45, 1].В технологию производства серной кислоты контактным способомвходит четыре стадии:производство сернистого газа SO2;очистка сернистого газа от примесей;контактное окисление SO2 в SO3 (главная стадия);абсорбция серного ангидрида SO3 серной кислотой.Технологическая схема производства серной кислоты контактнымспособом приведена на рисунке 1.3.2.1 [45, 50].Рисунок 1.3.2.1 – Принципиальная схема технологии производствасерной кислоты контактным способом:1, 6 – сухой и мокрый электрофильтры; 2, 5 – промывные башни;3 – холодильники; 4 – емкости серной кислоты; 7 – насосы; 8 – сушильнаябашня с насадкой; 9 – компрессор; 10 – трубчатый теплообменник;11 – контактный аппарат; 12 – трубчатый холодильник; 13 – олеумныйабсорбер; 14 – моногидратный абсорбер; I– сернистый газ;II– серная кислота; III– вода; IV– олеум; V–70%-ная серная кислота;VI – купоросное масло; VII – контактный газ SO3;VIII – моногидрат (98,3%-ная серная кислота).401.3.3.

Аппаратура контактного отделения. Контактные аппаратыС начала разработки технологии по производству серной кислотыконтактным способом сконструировано множество различных контактныхаппаратов. Их отличительными особенностями являются конструкция,расположение полки с контактной массой, устройство теплообменников и ихразмещение, приспособление для распространения газа по всему сечениюконтактного аппарата, устройство для смешивания холодного газа иливоздуха, добавляемые для снижения температуры газовой смеси послевыхода из слоев контактной массы и т.д.

Во многих странах непрерывнопроводятсямногочисленныеисследованиясцельюмодернизацииконструкций контактных аппаратов, поскольку процесс окисления SO2 доSO3–наиболееважнаястадияконтактногопроцесса.Технико-экономические показатели сернокислотных систем напрямую зависят отаппаратурногооформленияитехнологическогорежимаконтактногоотделения: коэффициент использования сырья (в зависимости от степенипревращения), расход электроэнергии (в зависимости от гидравлическогосопротивления контактного аппарата) и другие [1].На рисунке 1.3.3.1 представлен чертеж контактного аппарата,используемого в процессе производства серной кислоты контактнымметодом.41Рисунок 1.3.3.1 – Чертеж контактного аппаратаГаз поступает сверху аппарата через штуцер, проходит через 1-й слойкатализатора,расположенныйнаколосниковыхрешетках,которые42опираются на радиальные опорные балки, расположенные между обечайкойи центральной колонной.

Из контактного аппарата газ поступает втеплообменник, затем возвращается в аппарат и в результате, пройдяпоследовательно пять слоев катализатора, покидает контактный аппарат.Разделительные перегородки расположены между слоями катализатора.После первого слоя катализатора температура газа достигает 620 ⁰С, диаметробечайки составляет 11 м, диаметр центральной колонны 2 м.Важно отметить, что отсутствует методика, позволяющая произвестирасчет изгибающего момента, действующего на опорные балки контактногоаппарата, и определения опорных нагрузок на обечайку и центральнуюколонну, необходимых для их расчета по «ГОСТ Р 52857.2-2007» [34] надействие осевой сжимающей силы [52].1.3.4. Абсорбционные колонныАбсорберыподразделяютнапотриспособугруппы:контактавзаимодействующихбарботажные,поверхностныефазираспыливающие.В барботажных абсорберах развитие поверхности контакта фазпроисходит благодаря потокам газа, которые распределяются в виде струй ипузырей в жидкости.

К данной группе относят аппараты тарельчатого типа,со сплошным барботажным слоем с непрерывным контактом фаз, смеханическим перемешиванием жидкости и подвижной (плавающей)насадкой.В поверхностных абсорберах (пленочные абсорберы) поверхностьконтакта фаз - это поверхность стекающей пленки или зеркало жидкости. Ктаким абсорберам относят аппараты со свободной поверхностью; насадочныес регулярной и насыпной насадкой; пленочные (при гравитационномстекании жидкости по поверхности листов или внутри вертикальных трубобразуется пленка жидкости); механические пленочные (пленка образуетсяпод действием центробежной силы).431.3.5. Конструкции резервуаров для серной кислотыОсновными элементами вертикального цилиндрического резервуараявляются днище, корпус и покрытие.

Оборудование резервуара состоит изарматуры (устройства для налива, замера и выпуска жидкости, а такжепредохранительныеклапаны,отрегулированные на положительноеиотрицательное давление в газовом пространстве, на которое рассчитанаконструкция резервуара) и приспособлений для очистки и осмотра(лестницы, световой люк, замерный люк, лаз).Стенка корпуса включает в себя ряды поясов, при этом высотакаждого из них равна ширине листа. Наименьшую толщину листов корпуса иднища принимают равной 4 мм [63].На складах серной кислоты обычно используют вертикальныерезервуары с плоским днищем (рисунок 1.3.5.1) [1, 62, 112].

Резервуарыустанавливают на каркас из поперечных и продольных балок. В свою очередьих размещают на ленточном фундаменте в специальных облицованныхкислотоупорной плиткой и на поддонах, снабженными насосами дляликвидации возможных последствий протечек кислоты [58].44Рисунок 1.3.5.1 – Конструкция резервуара для хранения серной кислотыТолщина стенки днища резервуаров для хранения нефтепродуктов,так как они устанавливаются на сплошной фундамент или песчануюподушку, не рассчитывается, а регламентируется только минимальнаяисполнительная толщина 4 мм. Резервуары серной кислоты устанавливаютна каркас из продольных и поперечных балок, причем зачастую днище лишьприхватывается к каркасу, а в других проектах закладывается приваркаднища к опорным балкам сплошным швом. В первом случае днище можетрассматриваться как плоская прямоугольная пластина свободно опертая повсему контуру на продольные и поперечные балки.

Расчет такой пластиныприведен в технической литературе [6], а также в статье [58].Для расчета на прочность вертикальных резервуаров для хранениянефти и нефтепродуктов существует нормативная база [68, 71, 99], но длявертикальных резервуаров для хранения агрессивных сред, включая серную45кислоту, она отсутствует. Не существует стандартизованной методикирасчетаплоскихднищрезервуаровиаппаратовсернокислотногопроизводства, установленных на каркас из продольных и поперечных балок иленточный фундамент. Подходы к расчету таких конструкций даются тольков технической литературе [6, 45, 113, 114].Проектировщик должен в полной мере осознавать типы нагрузок и ихвлияние на сосуд в целом.

Являются ли воздействия кратко- илидолгосрочными? Они приложены к определенной части сосуда или к немуцеликом? Как эти напряжения определяются и взаимодействуют, какоезначение они имеют для общей безопасности резервуара [110]?Известна конструкция горизонтального резервуара на седловыхопорах, в состав которого входит цилиндрическая обечайка, днища иседловые опоры («ГОСТ 17032-2010» [18]).В идеале седловые опоры длинного горизонтального резервуарадолжны располагаться таким образом, чтобы вызывать минимальноенапряжение корпуса без установки дополнительного укрепления [107].В зависимости от края цилиндрической обечайки 1 между опорамиили над ними и расстояния между осью седловой опоры 3 (рисунок 1.3.5.2)возникают максимальные напряжения изгиба.

В «ГОСТ Р 52857.5-2007» [37]приведены зависимости, по которым определяют значение изгибающихмоментов в цилиндрической обечайке. Однако такой расчет носитповерочный характер, а также отсутствуют рекомендации по выбору местарасположения седловых опор, которые обеспечили бы минимальныезначения напряжений.46Рисунок 1.3.5.2 – Горизонтальный резервуар на седловых опорах:1 – цилиндрическая обечайка; 2 – днища; 3 – седловые опоры;e – расстояния от края цилиндрической обечайки до седловой опоры;L – длина корпуса.Материалы, из которых изготавливаются сосуды, должны не толькообладать способностью выдерживать давление, но также должны иметьхарактеристики, позволяющие выдерживать влияние факторов рабочейсреды [111].1.4. Программные решения для конструирования, расчета и анализасосудов и аппаратовВ ряде зарубежных и отечественных промышленных объектов весьмараспространентакойвидоборудования,теплообменники, конструкции, работающиеподкакпромышленныедавлением и/иливхимически агрессивных условиях, которые применяются, начиная от ТЭЦ иатомных электростанций и заканчивая ректификационными колоннами вгазо- и нефтепереработке.

Процесс проектирования и изготовления такихустройств жестко регламентируется международными и государственнымистандартами, так как их использование связано с многолетней эксплуатациейв условиях коррозии, высокой температуры и давления, с потенциальнойопасностью взрыва и возгорания [98].47В настоящее время под словом САПР (система автоматизированногопроектирования) подразумевается гораздо большее, чем просто программноаппаратный комплекс для выполнения проектных работ с использованиемкомпьютеров. Очень часто данный термин используется, прежде всего, какудобнаяаббревиатурадляобозначениябольшогоклассасистемавтоматизации. Это связано с большим пройденным путем развития системза последние 10-15 лет, начиная от «электронных кульманов» первогопоколения, необходимых в основном для машинной подготовки проектнойдокументации,заканчиваясовременнымисистемами,которыеавтоматизируют почти все процессы.