Автореферат (1095084), страница 2
Текст из файла (страница 2)
На основаниивыводов по анализу основ конструирования сосудов и аппаратов химической,нефтехимической, нефтегазоперерабатывающей отраслей промышленностипоставлены задачи диссертационной работы.Во второй главе приводятся особенности конструирования и проведенияпрочностных расчетов контактных аппаратов сернокислотного производства.Производство серной кислоты контактным способом относится к числураспространенных, и суть его заключается в окислении газообразного сернистогоангидрида до серного ангидрида путем его прохождения вместе с воздухом черезконтактную массу (катализатор): SO2 + 1/2 О2 = SO3.6Схемаконтактногоаппаратапредставлена на рис.
1. Газ поступаетсверху аппарата через штуцер 10,проходит через 1-й слой катализатора,расположенныйнаколосниковых5решетках,которыеопираютсянарадиальныеопорныебалки4,6расположенные между обечайкой 1 ицентральной колонной 2. Через штуцер 547газ выходит из контактного аппарата втеплообменник, затем через штуцер 683возвращается и в результате, пройдяпоследовательно пять слоев катализатора,2покидает контактный аппарат через19штуцер 9.
Разделительные перегородки 3толщиной порядка 6 мм располагаютсямежду слоями катализатора.После первого слоя катализаторатемпература газа достигает 620 °С,Рис. 1 – Схема устройствадиаметр обечайки 1 может быть болееконтактного аппарата:12 м, диаметр центральной колонны 21 – обечайка; 2 – центральная колонна;3 – перегородка;составляет порядка 2 м, высота аппарата4 – радиальные опорные балки;превышает 23 - 25 м.5, 7, 9 – штуцера выхода газа;В результате высокой температуры6, 8, 10 – штуцера входа газа.газа и значительных габаритных размеровконтактногоаппаратарадиальноеудлинение обечайки может составлять порядка 60-65 мм, а удлинение в осевомнаправлении более 100 мм.
При проектировании необходимо учитыватьтемпературные напряжения и конструктивными приемами стремиться свести их кминимуму. Повышенная температура и коррозионная активность среды требуютприменения высоколегированных сталей и сплавов, количество которых можетбыть уменьшено путем использования футеровки.Определенную сложность представляет расчет радиальных опорных балок 4(рис. 1), на которые действует нагрузка, увеличивающаяся от оси к обечайке. Врезультате максимальный изгибающий момент будет смещен к обечайке отсередины балки, кроме того реакции опор балок на центральной колонне иобечайке, которые необходимо учитывать при их расчете на устойчивость отдействия осевой сжимающей силы, будут различными.Нагрузка на опорные балки распределяется неравномерно как от контактноймассы, так и от гидравлического сопротивления слоя этой контактной массы,также необходимо учесть вес опорной балки, нагрузка которой будетраспределяться равномерно.Расчетная схема для определения момента сопротивления поперечногосечения опорных балок представлена на рис.
2.107Моментсопротивленияпоперечногосечения опорной балки Wσ определяется поформуле (1):На балку (рис. 3) будет действоватьдавление слоя и колосника, вычисленноесогласно выражению (2):Рис. 2 – Расчетная схемадля определения моментасопротивленияпоперечного сеченияопорных балокРаспределенную нагрузку от давления слояможно записать как:где x – расстояние от конца балки, расположенного на колонне, дорассматриваемого сечения балки.Поперечную (срезывающую) силу, действующую на балку, можнопредставить следующим образом:где Rk – реакция опоры на центральной колонне под опорной балкой.После интегрирования получим:Действующий на опорную балку изгибающий момент запишется как:откуда получим уравнение (7):Исходя из того, что на краю балки, расположенном на обечайке,изгибающий момент равен нулю, а поперечная сила равна реакции опоры, сучетом уравнений (5) и (7) запишем систему уравнений (8), из которой найдемреакции опор:где l - длина опорных балок; Ro – реакция опоры на обечайке под опорнойбалкой.Полученную систему уравнений можно легко решить в системе MathCad.
Врезультате получим значения реакций опор на центральной колонне и обечайке.Как и следовало ожидать, реакция опоры на обечайке существенно превышаетреакцию опоры на центральной колонне.8Рис. 3 – Расчетная схемадля определения нагрузокна опорные балки,центральную колонну иобечайку:1 – центральная колонна,2 – разделительнаяперегородка между слоямикатализатора,3 – радиальные опорныебалки,8 – обечайка,9 – шарнирная опора.Эпюра изгибающего момента в опорнойбалке в соответствии с уравнением (7)представлена на рис. 4. Максимум изгибающегомомента смещен в сторону обечайки; значениекоординаты x, при которой изгибающий моментимеет максимум, легко найти продифференцировавуравнение (7) в системе MathCad и приравняв кнулю, в данном случае значение x составит 2.749 м.С учетом полученного значения x по уравнению (7)определим максимальную величину изгибающегомомента – 3.01104 Н·м.Предложенный подход позволяет с высокойточностью определять, как действующий наопорные балки контактного аппарата изгибающиймомент, так и возникающие от его действиямаксимальные напряжения, что необходимо дляопределения выполнения условий прочности.Кроме того, полученные значения опорныхнагрузок, действующих на опорные балки, даютвозможность определить осевые сжимающие силы,действующие на обечайку и центральную колонну,что необходимо для проверки условий ихпрочностииустойчивостисогласно«ГОСТ Р 52857.2-2007».Третья глава посвящена особенностямрасчета и конструирования горизонтальныхрезервуаров, установленных на седловые опоры.В обечайке горизонтальных резервуароввозникают напряжения, вызванные действиемвнутреннего избыточного давления (гидростатическое давление), изгибающих моментов иопорных нагрузок.
Возможны потеря прочности иустойчивости обечайки. Условие прочности всоответствии с «ГОСТ Р 52857.5» запишется как:где p – расчетное внутреннее избыточное давление, МПа; D – внутреннийдиаметр обечайки, м; s – исполнительная толщина стенки обечайки, м; с – суммаприбавок к расчетной толщине стенок, м; Mij – изгибающий момент в сечение надопорой или между опорами, МН.м (выбирается максимальное значение);К9 – коэффициент, учитывающий частичное заполнение жидкостью;[] – допускаемое напряжение для обечайки, МПа; – коэффициент прочностисварных швов обечайки, расположенных в области опорного узла.9На рис. 5 представленарасчетная схема определенияусилий по «ГОСТ Р52857.5».Условиеустойчивостиобечайкипроверяетсяпоуравнению:Рис.
4 – Эпюра изгибающего момента вопорной балкеРис. 5 – Расчетная схема определенияусилий по «ГОСТ Р52857.5»где [M] − допускаемыйизгибающий момент в МН.м,определяемый по «ГОСТ Р52857.2».Место установки седловойопоры от края обечайки вомногом определяет величинуизгибающегомоментаисоответственноминимальнуюдопускаемую толщину стенкиобечайки.В «ГОСТ Р 52857.5» длярасчета величины изгибающегомомента над опорой предложенаследующая зависимость:где q – распределенная нагрузка, Н/м; e – длина свободно выступающейчасти эквивалентного сосуда (рис.
5), м; момент М0 вычисляется по формуле:В свою очередь изгибающий момент между опорами может быть найден изуравнения:где а – длина выступающей цилиндрической части сосуда, включаяотбортовку днища, м; H – высота выпуклой части днища по внутреннейповерхности без учета цилиндрической отбортовки, м; L – длина цилиндрическойчасти сосуда, включая длину цилиндрической отбортовки днища (рис. 5), м.Соответственно для резервуара с плоским днищем e=a, а для резервуара сэллиптическим днищем e=a+2/3H.Пример изменения изгибающего момента над седловой опорой М1 и междуседловыми опорами М12 (диаметр обечайки 3.200 м, объем 100 м3 и длина 12.0 м)от расстояния от края цилиндрической обечайки до оси седловой опоры е(рассматриваем резервуар с плоскими днищами) приведен на рис.
6.10Рис. 6 – Изменение изгибающего момента дляобечайки диаметром 3.200 м и длиной 12.700 мот расстояния от края цилиндрическойобечайки до оси седловой опоры:1 – изменение изгибающего момента над седловойопорой М1;2 – изменение изгибающего момента междуседловыми опорами М12.Рис. 7 – Изменение отношения расстоянияот края цилиндрической обечайки до осиседловой опоры к длине корпуса e/L от объемарезервуара VР (5, 10, 25, 50, 75 и 100 м3):1 – кривая аппроксимации по уравнению (14).11На рис. 7 представленаграфическаязависимостьотношениярассчитанныхрациональных значений расстояния от края цилиндрической обечайки до осиседловой опоры e к длинекорпусаLотобъемарезервуара Vр. Рассматривалисьстандартизованныегоризонтальные резервуарыобъемом 5, 10, 25, 50, 75 и100 м3.Кривая, представленнаяна рисунке 7, может бытьаппроксимированауравнением вида:Так, используя приведенные данные на рис. 7 илипо уравнению (14), мы можемопределитьрациональноеместо установки седловыхопорвгоризонтальныхрезервуарахразличногообъема,чтообеспечитминимальные значения изгибающего момента в обечайкеирасчетногозначениятолщины стенки.
Проведенные расчеты показали, чтопри правильном выборе местаустановки опор расчетнаятолщина стенки резервуаровдля сред с плотностью неболее 1300 кг/м3 и вышеменьше минимальной конструктивной толщины стенкикорпусаравной4ммустанавливаемой«ГОСТ17032-2010».Однако, в соответствиис «ГОСТ Р 52857.5» необходимо проверить несущуюспособность обечайки в месте установкиопор. Оказалось, условия прочности иустойчивости обечайки без подкладноголиста от действия опорных нагрузок вбольшинстве случаев с толщиной стенкиобечайки равной 4 мм не выполняются.Таким образом, как правило, горизонтальные резервуары в месте установкиседловых опор должны снабжатьсяподкладными листами.Несмотря на то, что материалоемкость плоских днищ с радиальнымиРис. 8 – Расчетная схема плоского ребрами жесткости на много больше, чемкруглого днища с ребрами жесткостиу выпуклых, они довольно широкопо «ГОСТ Р 52857.2-2007»используются в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
