Библиотека элементы сосудов и аппаратов

Типовые элементы корпусов сосудов и аппаратов. Элементы и детали внутренних устройств аппаратов.

Обечайки, крышки и днища

Обечайка. Обечайка является главным составным элементом корпуса, это наиболее материалоемкий и ответственный узел (деталь) любого химического аппарата.

Наибольшее распространение в химическом аппаратостроении получили цилиндрические обечайки. Главным их достоинством является простота изготовления и рациональный расход материала. Поэтому при конструировании аппаратов, если это не идет в разрез с какими-либо особыми требованиями, предъявляемыми к аппарату, рекомендуется применять цилиндрические обечайки.

Плоские стенки (коробчатая обечайка) применяются только в аппаратуре, работающей при небольших перепадах давлений. 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.

Днища. Днища также являются составными элементами корпусов химических аппаратов. Они, как правило, органически связаны с обечайкой аппарата и изготовляются из того же материала.

В сварной и паяной аппаратуре днища обычно привариваются или припаиваются к обечайке; в кованой и литой аппаратуре из пластичных материалов они либо представляют собой одно целое с обечайкой, либо также свариваются с ней; в литой аппаратуре из хрупких материалов днище всегда выполняется заодно с обечайкой.

Наиболее широко используются эллиптические днища, которые имеют следующие преимущества: простота изготовления, рациональное расходование конструкционного материала, хорошая сопротивляемость давлению среды.

Плоские днища применяются в основном в аппаратах, работающих при атмосферном давлении. Они представляют собой круглые пластины (отбортованные или неотбортованные), привариваемые по контуру к обечайке корпуса или присоединяемые другими способами.

Конические днищаприменяются в 3-х случаях: 1) при необходимости удалять из аппаратов сыпучие материалы или жидкости с большим содержанием твердых веществ; 2) для лучшего распределения газа или жидкости по всему сечению аппарата и 3) в качестве конфузоров и диффузоров для постепенного изменения скорости жидкости или газа, что необходимо для уменьшения гидравлического сопротивления аппаратов.

Крышки. В отличие от днищ, неразъемно соединенных с обечайкой корпуса, крышки могут изготавливаться либо совместно с аппаратом, либо в виде съемных частей. Применение отъемных крышек для аппаратов больших диаметров считается нецелесообразным, прежде всего из-за повышенного расхода металла, трудоемкости изготовления фланцев большого диаметра и их уплотнения. Возможность внутреннего осмотра и чистки аппарата, а также сборки и разборки мешалок и внутренних устройств обеспечивается в этих случаях путем установки люков достаточно большого размера. Конструктивно крышки выполняются плоскими, сферическими или эллиптическими.

Устройства для присоединения трубопроводов и гарнитура реакционных аппаратов

Штуцеры изготавливаются из того же материала, что и обечайки и крышки самих аппаратов. Штуцеры стальных и алюминиевых аппаратов привариваются, медных – привариваются или припаиваются к ним. Штуцеры литой аппаратуры отливаются с ней заодно.

Штуцеры могут располагаться: на крышке аппарата, на обечайке и на днище.

Бобышки. Вместо штуцеров с фланцами в некоторых случаях применяются бобышки, которые представляют собой фланцы, приваренные непосредственно к корпусу аппарата (рис. 5).

Достоинство бобышек состоит в том, что они служат укрепляющими кольцами. К их недостаткам относятся необходимость обработки их на цилиндр или сферу и, вследствие этого, большая толщина, чем фланца, и необходимость применения вместо болтов шпилек, ввернутых в тело бобышки.

Бобышки применяют для устройства смотровых стекол, при установке сальников, контрольно-измерительных приборов и для присоединения трубопроводов небольших диаметров, вместо штуцеров малых диаметров, которые легко поломать при перевозке и монтаже. Более широко бобышки применяются в литой чугунной аппаратуре, где они отливаются вместе с царгами аппарата.

Люки и лазы

Люки служат для осмотра аппарата, монтажа и демонтажа внутренних устройств, загрузки сырья и очистки.

Конструкции люков и лазов зависят от условий работы и давлении в аппарате. Если лазом пользуются редко, то крышку делают в виде заглушки, поставленную на бобышке или коротком штуцере с фланцем (рис. 6, а).

При необходимости частого открывания крышку делают на откидных болтах (рис. 6, б), которые отвертываются значительно быстрее, чем обыкновенные,

а люки и лазы, которые необходимо открывать несколько раз в день, делают с поворотной скобой, на конец которой накидывают петлю (рис. 6, в).

Опоры аппаратов

Опоры аппаратов служат для установки аппаратов на фундаменты и несущие конструкции.

При установке вертикальных аппаратов на полу или на фундаментах применяют опорные лапы (стойки), при подвеске их между перекрытиями – боковые.

Для опирания горизонтальных аппаратов используют седловидные опоры, размещаемые снизу аппарата и охватывающие его не менее чем на 120° по окружности. Количество опор может быть 2, 3 и более, в зависимости от длины аппарата.

Рубашки в технологических аппаратах предназначаются для нагревания или охлаждения обрабатываемых или хранящихся в аппарате главным образом жидких продуктов. Они могут устанавливаться на цилиндрических вертикальных и горизонтальных аппаратах. Наибольшее применение имеют рубашки на вертикальных аппаратах.

По конструкции рубашки бывают неразъемные (приварные к корпусу аппарата) и отъемные..

Классическая колонна представляет собой вертикальный цилиндр, внутри которого располагаются контактные устройства — тарелки или насадки. Соответственно различают ректификационные колонны тарельчатые и насадочные. Вспомогательные узлы предназначены для ввода, распределения и аккумулирования (сбора) жидкости и пара.

Тарелка ректификационной колонны представляет собой горизонтальную перегородку в колонне, на тарелке находится слой стекающей по колонне жидкости ( орошение), сквозь которую барботируют поднимающиеся снизу пары. Тарелки бывают разнообразных конструкций и различаются по типу барботаж-ных устройств. Наиболее распространены колпачковые тарелки ( рис. 13), в которых имеются паровые патрубки 2, перекрытые колпачками 3 с зазубренными нижними краями. Чем больше в колонне тарелок и чем интенсивнее ее орошение, тем более четко удается разделить компоненты исходной смеси.

В малых ректификационных колоннах вместо тарелок применяется насадка. Она может быть регулярной (вставной) или хаотической (насыпной). Эти контактные элементы заполняют собой весь внутренний объём ректификационной части колонны.

Тепломассообмен в насадке происходит не на поверхности пузырьков, как в тарельчатых колоннах, а между тонким слоем флегмы, покрывающим материал насадки и паром, движущимся в свободном пространстве (в объёме насадки).

Основные требования, предъявляемые к конструкциям машин и аппаратов, и факторы определяющие конструкцию основных деталей и сборочных единиц.

Конструкция сосуда должна быть технологичной, надежной в течение предусмотренного технической документацией срока службы, предусматривать возможность полного опорожнения от рабочей среды, очистки, промывки, продувки, осмотра внутренних и наружных поверхностей, ремонта и проведения гидравлических испытаний со сливом воды как в проектном, так и в горизонтальном положении

Все глухие полости сосуда и его частей должны иметь отверстия для удаления воздуха. Для теплообменных аппаратов и аппаратов с полостями, имеющими различные характеристики и параметры, необходимо указывать их для каждой полости.

При проектировании сосудов должны учитываться требования «Правил перевозки грузов железнодорожным, водным и автомобильным транспортом».

Сосуды, которые не могут транспортироваться в собранном виде, должны проектироваться из минимального количества частей.

Для крепления на монтажной площадке к корпусу сосуда металлоконструкций (лестниц, кронштейнов, монтажных цапф и т.п.), а также теплоизоляции, должны быть предусмотрены специальные накладки или другие устройства, привариваемые на предприятии-изготовителе к корпусу сосуда до окончательной термообработки. Приварка указанных элементов на месте монтажа непосредственно к корпусу не допускается.

При конструировании сосудов, а также отдельно транспортируемых частей должны быть предусмотрены строповые устройства(цапфы, упоры, хомуты, опоры, захватные приспособления) для проведения погрузочно-разгрузочных работ, подъема и установки в проектное положение с учетом их конструктивных особенностей и монтажа.

Кроме того, для выведения сосудов массой более 100 т в вертикальное положение должны быть предусмотрены, по указанию монтажной организации, шарнирные устройства.

Факторы, определяющие конструкцию:

1) рабочее давление, МПа (кгс/см2 ;);

2) расчетное давление, МПа (кгс/см2 );

3) пробное давление, МПа (кгс/см2 );

4) расчетная температура стенки, °С;

5) минимально-допустимая отрицательная температура стенки, находящейся под давлением, °С;

6) характеристику рабочей среды (класс опасности по ГОСТ12.1.007, воспламеняемость, категория и группа взрывоопасности по ГОСТ 12.1.010,максимальная и минимальная температура, состав);

7) прибавка для компенсации коррозии и эрозии,мм;

8) срок службы, лет;

9) число циклов нагружений сосуда за весь срок службы;

10)объем внутренний (вместимость), м3 ;

11)массу, кг;

12) расположение центра масс;

13) сейсмичность, балл;

14) скоростной напор ветра (в зависимости отклиматического района установки сосуда).

Расчет толщин днищ и крышек, их виды. Типы опор аппаратов, особенности расчета опор аппаратов.

Расчет днищ и крышек, нагруженных внутренним давлением:

         Полушаровые (сферические) днища и крышки.         

         Толщина стенки сферического днища (крышки), нагруженного внутренним давлением определяется по формуле

         где р – расчетное давление, МПа;

                D – внутренний диаметр, мм;

                с – общая прибавка на коррозию, мм;

                [σ] – допускаемое напряжение, МПа.

                φ – коэффициент прочности сварного шва.

         Эллиптические днища (крышки).

         Толщина стенки эллиптического днища (крышки), нагруженного внутренним давлением определяется по формуле

         где R – радиус кривизны в вершине днища (для стандартных днищ R = D)

         Стальные днища диаметром до 1600 мм изготавливают штампованными из цельного листа, для них φ = 1.

         Конические днища (крышки).

         При α < 70° :

         Толщина стенки конической части отбортованного конического днища определяется по формуле

         где Dp = D + 2 × [r × (1 – cos α) + 10 × sin α] – диаметр линии перехода между конической и отбортованной частями (для днищ без отбортовки Dp = D).

         Толщина отбортованной части днища определяется по формуле

         где D – диаметр днища у основания;

                yк – коэффициент формы днища [4, с.46, рис.22].

         Из двух полученных величин выбирается большее. Это и есть толщина днища.

         При  α > 70°:

         Общая толщина днища определяется по формуле

         Плоские днища (крышки).

         Толщина плоского днища определяется по формуле

         где К – коэффициент конструкции днища, его значение определяется по графикам в зависимости от закрепления крышки 

                D – диаметр аппарата.

         Согласно  рисунку имеем: I и II – K = 0,57; III – K = 0,52; IV – K = 0,47; V и VI – K = 0,44;  VII – K = 0,40; VIII – K = 0,45.

       Расчет днищ и крышек, нагруженных наружным давлением:

         Полушаровые (сферические) и эллиптические днища (крышки) рассчитывают на устойчивость под действием наружного давления по формулам

         где kэ – коэффициент, определенный по графику [4, с.47, рис.25], в зависимости от отношений H/D и R/(s – c1);

                R – радиус кривизны в вершине днища; 

                Е – модуль упругости;

                β1 – коэффициент.

         Конические днища рассчитываются на наружное давление так же, как и короткие цилиндрические обечайки, принимая за расчетную длину L высоту конуса, за расчетный диаметр 

.

         где D1 и D0 – диаметры большего и меньшего оснований конуса.

Типы опор аппаратов, особенности расчета опор аппаратов.

Опоры аппаратов служат для установки аппаратов на фундаменты и несущие конструкции.

При установке вертикальных аппаратов на полу или на фундаментах применяют опорные лапы (стойки), при подвеске их между перекрытиями – боковые.

Для опирания горизонтальных аппаратов используют седловидные опоры, размещаемые снизу аппарата и охватывающие его не менее чем на 120° по окружности. Количество опор может быть 2, 3 и более, в зависимости от длины аппарата.

Выбор типа опоры зависит от ряда условий:

места установки аппарата (в помещении или на открытой площадке)

соотношение высоты к диаметру аппарата

его массы и т.д.

Рисунок 10.2.1 – Основные типовые конструкции опор для вертикальных аппаратов

Расчет

Первоначально выбираем количество и тип опор согласно массе аппарата.

Затем рассчитываем нагрузку на одну опору.

Рассчитаем обечайку на местную прочность и устойчивость в местах, где крепятся лапы:

Ребра привариваем к корпусу сплошным швом с катетом hш. Общая длинна сварного шва, Lш, м:

,

где Н – параметр выбранной опоры (см. таблицу 10.2.1)

s – толщина аппарата, м.

Проверим прочность сварных швов:

где G – нагрузка, воспринимаемая одной опорой, МН

МН/м2

Если условие выполняется, то прочность сварного шва обеспечена.

Определим максимальные напряжения в корпусе аппарата в месте присоединения к нему лап.

Найдем параметры для нахождения коэффициентов Кк и Км

, ,

.

где В,Н – размеры опоры

D – диаметр аппарата, м

s – толщина стенки аппарата, м

Cк – прибавка на коррозию, м

Момент от реакции опоры Ми, МН·м, действующий на лапу при расчетном плече:

,

где – определяем из чертежа опоры, м.

По графику на рисунке 10.3.1 определяем значение коэффициентов Кк и Км.

Далее определяем параметр β для нахождения моментов действующих на корпус:

для определения меридиональных моментов:

,

для определения кольцевых моментов:

.

Рисунок 10.3.1 – Графики для определения коэффициента К

Км ,——— Кк

По графику на рисунке 10.3.2 определяем параметр , используя β1 и .

Рисунок 10.3.2 – Графики для определения, отнесенного к единице длины меридионального момента Мм, действующего на стенку цилиндрического корпуса аппарата в месте присоединения к нему лапы (опоры)

Отсюда определяем меридиональный момент Мм, МН×м/м.

По графику на рисунке 10.3.3 определяем параметр , используя β2 и

Рисунок 10.3.3 – Графики для определения, отнесенного к единице длины меридионального момента Мк, действующего на стенку цилиндрического корпуса аппарата в месте присоединения к нему лапы (опоры)

Отсюда определяем кольцевой момент Мк, МН×м/м.

Далее по графикам на рисунке 10.3.4 определяем коэффициенты К’к и К’м, для определения сил действующих на корпус.

Рисунок 10.3.4 – Графики для определения коэффициентов К’ при определении расчетных сил Рм и Рк, действующих на стенку цилиндрического корпуса

Км ,——— Кк

Определяем параметр β для определения сил действующих на корпус аппарата:

.

По графику на рисунке 10.3.5 определяем параметр , используя β3 и .

Рисунок 10.3.5 – Графики для определения, отнесенного к единице длины меридиональной силы Рм, действующего на стенку цилиндрического корпуса аппарата в месте присоединения к нему лапы (опоры)

Отсюда определяем меридиональную силу Рм, МН/м.

По графику на рисунке 10.3.6 определяем параметр , используя β3 и .

Отсюда определяем кольцевую силу Рк, МН/м.

Суммарное напряжение сжатия σc, МН/м2, в корпусе аппарата при толщине стенки , мм в месте присоединения лапы:

в меридиональном направлении:

,

в кольцевом направлении:

,

Если оба напряжения меньше допускаемого, следовательно, лапа может быть приварена к обечайке без подкладного листа. В противном случае используется подкладной лист. Толщина стенки в этом случае рассчитывается по формуле sп = s + s1 – cк и весь расчет производить заново.

Рисунок 10.3.6 – Графики для определения, отнесенного к единице длины кольцевой силы Рк, действующего на стенку цилиндрического корпуса аппарата в месте присоединения к нему лапы (опоры)