Сосуды и аппараты емкостные

• Емкостные аппараты
• Конструкции резервуаров
• Расчеты при конструировании емкостных аппаратов

Емкостные аппараты, представляющие собой цилиндрические горизонтальные и вертикальные (при соотношении высоты к диаметру H/D ≤ 5) сосуды с внутренними устройствами и без них, предназначены для осуществления в них разных химико-технологических процессов, а также для хранения различных химических веществ, чаще всего в жидком или газообразном состоянии.

Основным общим критерием для всех емкостных аппаратов является их вместимость, номинальное значение независимо от положения, размеров и рабочих параметров аппарата выбирается из унифицированного ряда по ГОСТ 9931-85.

Емкостные аппараты на различные рабочие параметры могут быть цельносварными или с отъемными крышками, с рубашками для нагрева или охлаждения, с различными специальными внутренними устройствами, соответствующими их назначению (сепарирующими, фильтрующими, перемешивающими и т.д.).

Емкостные аппараты по положению геометрической оси классифицируют на вертикальные цилиндрические и горизонтальные цилиндрические. По назначению эти аппараты подразделяют следующим образом.

1. Приемники газа и воздуха – ресиверы (рис. 1) предназначены для накопления сжатых газов и служат в качестве буферных емкостей, уменьшающих колебания давления в сети компрессора.

2. Приемники жидкостей – аккумуляторы (рис. 2) служат для накопления жидкости под давлением.

3. Монжусы предназначены для подъема и перемещения под давлением воздуха предварительно накопленной в них жидкости. На рис. 3 показан монжус, представляющий собой горизонтальный цилиндрический аппарат. Монжус заполняется через штуцер 1 до заданной отметки, после чего штуцер 1 перекрывается, а в штуцер 3 направляется газ под давлением. Под давлением газа жидкость переда вливается из монжуса в штуцер 2. Таким образом, перемещают высокоагрессивные жидкости без использования насосов. Штуцер 4 служит для выхода жидкости из аппарата.

4. Отстойники (грязеотделители) предназначены для проведения процессов осаждения или отстаивания.

5. Маслоотделители (рис. 4) используют для очистки газов от масла. Из нагнетательного трубопровода поршневых компрессоров газ поступает через штуцер 7 в аппарат, где скорость его уменьшается. При омывании перегородки 9 направление движения газа изменяется, что способствует отделению масла, которое стекает вниз. Масло выводится через штуцер 10, а очищенный газ – через коленообразный штуцер 1.

6. Мерники – емкости, предназначенные для отмеривания заданного объема жидкости. Они представляют собой вертикальные цилиндрические аппараты с коническими днищами, имеющие верхний входной и нижний выходной штуцера (последние снабжены запорными устройствами – кранами) и указатель уровня, шкала которого проградуирована в литрах или кубических метрах. При заполнении аппарата до заданного объема верхний штуцер перекрывают, а нижний открывают для вывода жидкости.

Мерники применяют в технологических установках для точной дозировки заданных объемов жидких реагентов.

7. Напорные баки заполняют рабочей жидкостью и используют для создания определенного гидростатического давления за счет расположения их на определенной высотной отметке.

8. Разделительные сосуды используют для разделения смеси жидких нерастворимых один в другом компонентов с различной плотностью. Обычно это горизонтальные или вертикальные емкости, имеющие вводные или выводные штуцера.

Перечисленные емкостные аппараты конструктивно состоят из стандартизованных или нормализованных элементов (корпуса, днищ, крышек, штуцеров люков, лазов, опор и т.д.), соединенных сваркой.

Емкостные аппараты снабжают следующим оборудованием и средствами автоматизации: лестницами, наружными и внутренними трапами; площадками для обслуживания; манометрами для измерения давления; предохранительными клапанами; указателями уровня; трубопроводной арматурой.

Емкостные аппараты проектируют и изготовляют в соответствии с ГОСТами или нормалями.

ГОСТ 9931-85 устанавливает 13 типов стальных сварных аппаратов и сосудов емкостью от 0,01 м3 (при минимальном наружном диаметре 219 мм) до 200 м3 (при максимальном внутреннем диаметре 4000 мм).

На основании ГОСТов и нормалей разработаны каталоги – справочники на стальные емкостные аппараты и сосуды. Эти документы регламентируют изготовление стальных емкостных аппаратов в зависимости от назначения. Они изготавливаются из сталей: ВСт3сп4, ВСт3пс3, 09Г2С, 16ГС, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т, ВМСт3сп+12Х18Н10Т и 20К+10Х17Н13М2Т.

Наряду со стальными применяют емкостные аппараты и сосуды из алюминия, пластмасс, стеклопластиков, керамики, металлов с эмалевыми покрытиями.

Резервуарами (емкостями) называют сосуды, предназначенные для хранения больших объемов жидких или газообразных сред.

В химической промышленности и других отраслях применяют резервуары различных конструкций и, как правило, больших объемов. Они классифицируются на вертикальные и горизонтальные, цилиндрические, шаровые и каплевидные; могут быть постоянного и переменного объемов (так называемые газгольдеры); по способу установки – наземные и подземные.

Широко применяемыми являются горизонтальные резервуары. Их изготовляют объемом до 200 м3 из нормализованных или стандартизованных элементов. На рис. 5 показана типовая конструкция цилиндрического сосуда с эллиптическими отбортованными днищами, предназначенного для хранения жидких и газообразных продуктов под давлением 0,3…0,6 и 1,6 МПа и выдачи жидких продуктов передавливанием газообразной средой. На основные размеры (диаметр, длину, а, следовательно, и объем) имеются стандарты. Для отдельных отраслей, например, нефтяной промышленности, разработаны нормали на горизонтальные резервуары.

Горизонтальные сосуды обычно устанавливают на двух опорах (рис. 6), причем для компенсации температурных перемещений опору, противоположную месту присоединения трубопроводов к сосуду, выполняют подвижной. На рис. 7 (вариант I) показана опора, к которой сосуд крепится болтами 1, двумя лапами 2, приваренными к сосуду через подкладной лист 3. У подвижной опоры отверстия а в лапах выполняют овальными и болты затягивают, оставляя зазор 0,5…1,0 мм для обеспечения свободного перемещения сосуда в месте соприкосновения подкладного листа с опорой. Опоры крепят к фундаменту болтами.

По варианту II опоры жестко приваривают к корпусу. В этом случае в подвижной опоре отверстия б под фундаментные болты также выполняют овальными и болты затягивают, оставляя небольшой зазор. Подвижная опора перемещается по плоскому подкладному листу 4. Поверхности, по которым происходит перемещение, перед установкой сосуда смазывают графитовой смазкой.

Горизонтальная реакция на опорах при температурном перемещении корпуса [TEX]N_г=fcdot N_0[/TEX],где [TEX]N_0[/TEX]– вертикальная реакция на подвижной опоре; f =0,15…0,20 – коэффициент трения; для уменьшения горизонтальных усилий при хранении нагретых жидкостей применяют катковые опоры, для которых f=0,05.

Толщину стенки корпуса горизонтального сосуда определяют на основании расчета на прочность и устойчивость формы под действием весовых нагрузок, а также расчета на внутреннее и внешнее давление.

При незначительном рабочем давлении толщина стенки корпуса сосуда без прибавки на коррозию

[TEX]s’>0,0015D+0,0001l+C_{1} ,[/TEX]

где [TEX]D[/TEX]– диаметр сосуда, мм; [TEX]l[/TEX] – длина или высота цилиндрической части сосуда, мм; [TEX]C_{1} [/TEX]– постоянная, равная для горизонтальных сосудов 3 мм, для вертикальных 2 мм. При небольшой толщине стенок сосудов можно укреплять корпус кольцами жесткости.

Корпус горизонтального аппарата рассчитывают на изгиб под действием весовых нагрузок как балку, нагруженную равномерно распределенной нагрузкой. Расчетная длина сосуда (рис. 8) является суммой длины [TEX]l[/TEX] цилиндрической части и удвоенной приведенной длины [TEX]l_{пр} [/TEX] выпуклой части днищ:

[TEX]a=l+2l_{пр};[/TEX]

для эллиптического днища приведенная длина равна половине высоты выпуклой части [TEX]l_{пр}=0,5H[/TEX].

Нагрузка на единицу длины аппарата [TEX]q=G/a[/TEX], где [TEX]G[/TEX]— вес аппарата, заполненного водой.

Рассмотрим случай, когда аппарат установлен на двух опорах. Реакция опоры:

[TEX]N_0=G/2=qa/2.[/TEX]

Изгибающие моменты в середине сосуда и над опорой (абсолютные величины) соответственно равны:

[TEX]begin{matrix}M_{1} frac{qb^{2} }{2},  & M_2=frac{qa(a-4b)}{8}.   end{matrix} [/TEX]

Из равенства [TEX]M_1=M_2[/TEX]находят расстояние [TEX]b=0,207a[/TEX]. При [TEX]b < 0,207a[/TEX] опасное сечение находится в середине аппарата, при [TEX]b > 0,207a[/TEX] — над опорой. При [TEX]b=0,207a[/TEX], моменты равны: [TEX]M_1=M_2 ≈ qa^2/47[/TEX].

Сжимающие напряжения от изгибающего момента, которые возникают в верхней части сосуда в середине и в нижней части над опорой, могут вызвать нарушение устойчивости формы стенки аппарата. Если аппарат предназначен для работы под вакуумом, то к напряжению изгиба добавляется сжимающее напряжение от внешнего давления на днища. В этом случае для обеспечения устойчивости формы и прочности стенки корпуса в поперечных сечениях должно соблюдаться условие

• (1.1)[TEX]frac{Q}{[Q]} +frac{M}{[M]} +frac{p}{[p]} leq 1,[/TEX]
• где [TEX][Q], [M], [p][/TEX] – допускаемые значения осевой сжимающей силы, изгибающего момента и внешнего давления.

Если сосуд не подвергается действию внешнего давления, то значения [TEX]Q[/TEX] и [TEX]p[/TEX] в формуле (1.1) принимают равными нулю. Кроме того, при работе сосуда под внешним давлением напряжения в стенке над опорой должны удовлетворять условию

[TEX][sigma ]>frac{pD}{4(s-c)} +frac{M_{2} }{W}leq 0,1frac{E(s-c)}{D}  .[/TEX]

При наличии внутреннего давления напряжения в середине сосуда проверяют по условию

[TEX]0,9[sigma ]>frac{pD}{4(s-c)} +frac{M_{1} }{W}leq 0,1frac{E(s-c)}{D},[/TEX]

где [TEX]W=0,8D^2(s–c)[/TEX].

В стенке сосуда также возникают напряжения среза от действия перерезывающей силы, значение которой максимально (равно [TEX]N_1[/TEX]) в сечении над опорой. Напряжения среза в опорном сечении сосуда при [TEX]b_1/D > 0,25[/TEX] (см. рис. 6):

при установке кольца жесткости

[TEX]tau =0,64frac{N_{1} }{D(s-c)} ,[/TEX]

без колец жесткости

[TEX]tau =2omega _{1} frac{N_{0} }{D(s-c)} .[/TEX]

При [TEX]b_1 /D ≤ 0,25[/TEX] проверяют напряжение:

в обечайке

[TEX]tau =2omega _{2} frac{N_{0} }{D(s-c)} leq 0,8[sigma ];[/TEX]

в днище

• (1.2)[TEX]sigma  =2omega _{3} frac{N_{0} }{D(s_1-c)} leq 1,25([sigma ]-sigma_0 ),[/TEX]
• где [TEX]sigma_0[/TEX] – напряжение в днище от внутреннего давления; [TEX]omega _1, omega _2, omega _3[/TEX] – коэффициенты, изменяющиеся в пределах [TEX]omega _1=1,18…0,7[/TEX]; [TEX]omega _2=0,9…0,4[/TEX]; [TEX]omega _3=0,4…0,28[/TEX] при угле охвата корпуса опорой 120…160º соответственно (промежуточные значения можно находить интерполяцией)

Для сосудов без колец жесткости при опорах с углом охвата не менее 120° кольцевое напряжение в опорном сечении в самой нижней точке:

[TEX]sigma =0,36frac{N_{0} }{(s-c)L_{эф} } ;[/TEX]

в точке, где кончается опора, но не далее [TEX]alpha  +10^circ [/TEX] (если подкладной лист выступает за опору, см. рис. 7):

при [TEX]l/D ≥ 4[/TEX]

• (1.3)[TEX]sigma =frac{N_0}{(s-c)^2}left(frac{s-c}{4L_{эф}} +1,5omega _4 right)  ;[/TEX]
•  

при [TEX]l/D < 4[/TEX]

• (1.4)[TEX]sigma =frac{N_0}{(s-c)^2}left(frac{s-c}{4L_{эф}} +6omega _4 frac{D}{l} right)  .[/TEX]
•  

В этих выражениях: [TEX]L_{эф}=B’ +1,1sqrt{D(s-c)} [/TEX]​([TEX]B'[/TEX] — ширина подкладного листа); [TEX]omega _4[/TEX] – коэффициент, определяемый по графику (рис. 9).

Из формул (1.2), (1.3) и (1.4), а также графика на рис. 9 видно, что в случаях, когда днище выполнено с избыточной толщиной по сравнению с требуемой расчетом на внутреннее давление, опоры можно приблизить к днищам и благодаря этому уменьшить и кольцевые напряжения в оболочке над опорами.

Если корпус аппарата оказывается неустойчивым в местах опор, где возникают повышенные напряжения, то применяют подкладки (подкладные листы), привариваемые к корпусу. Подкладки могут быть толще, чем корпус, но в расчет включают толщину подкладки [TEX]s_n=s–c[/TEX]и расчет по формулам (1.2) и (1.3) ведут, подставляя [TEX]2(s—c)[/TEX]. Ширину подкладки принимают [TEX]B’ geq  B+6s[/TEX], где [TEX]B[/TEX] – ширина опоры.

Если с применением подкладного листа не удается снизить напряжения в местах опор, то устанавливают кольца жесткости, которые обычно усиливают распорной треугольной рамой (рис. 10). Ниже приведен расчет кольца жесткости с такой рамой.

Эпюры изгибающих моментов [TEX]M[/TEX] и продольных сил [TEX]T[/TEX], действующих в кольце при треугольной раме и седловой опоре с углом охвата [TEX]120 ^ circ [/TEX] и возникающих под действием веса содержимого сосуда и его собственного веса, приведены на рис. 11.

При отрицательном моменте:

а) в обечайке возникают напряжения растяжения [TEX]sigma _M=M/W_1[/TEX], которые суммируются с кольцевым напряжением от внутреннего давления [TEX]p[/TEX] и напряжением [TEX]sigma _T=pm T/F[/TEX]от действия продольной силы [TEX]T[/TEX],

[TEX]sigma _0=frac{M}{W_1}+frac{p(D+s)}{2(s-c)}pm frac{T}{F}  leq [sigma ]; [/TEX]

б) на внутреннем контуре кольца жесткости возникают напряжения сжатия [TEX]sigma _M=–M/W_2[/TEX], которые суммируются с напряжением от действия силы [TEX]T[/TEX],

[TEX]sigma _k=-frac{M}{W_2}pm frac{T}{F}  leq [sigma ].[/TEX]

При положительном моменте:

а) в обечайке возникают сжимающие напряжения, и суммарное напряжение

[TEX]sigma _0=-frac{M}{W_1}pm frac{T}{F}  leq [sigma ];[/TEX]

б) на внутреннем контуре кольца жесткости возникают напряжения растяжения [TEX]sigma _M=M/W_2[/TEX], которые суммируются с напряжением от внутреннего давления [TEX]p[/TEX] и напряжением от силы [TEX]T[/TEX],

[TEX]sigma _k=frac{M}{W_2}+frac{pDL}{2F} pm frac{T}{F}  leq [sigma ].[/TEX]

В этих выражениях: [TEX]F[/TEX]– суммарная площадь поперечного сечения кольца жесткости (рис. 12), включающая площадь [TEX]F_0=L_1(s—c)[/TEX]участка обечайки длиной [TEX]L_1=20(s—c)+(s_к–2c)[/TEX] и площадь [TEX]F_к[/TEX]собственно кольца без прибавки на коррозию

[TEX]F=F_0+F_к.[/TEX]

Моменты сопротивления поперечного сечения кольца жесткости соответственно равны:

[TEX]begin{matrix}W_1=I/y_1; & W_2=I/y_2,  end{matrix} [/TEX]

где [TEX]I[/TEX] – момент инерции поперечного сечения кольца жесткости относительно оси [TEX]x—x[/TEX], проходящей через центр тяжести суммарного сечения кольца; [TEX]y_1[/TEX]и [TEX]y_2[/TEX] – расстояния (см. рис. 12).

Значения момента [TEX]M[/TEX] находят умножением безразмерного коэффициента по эпюре моментов (рис. 11) на величину [TEX](rho gaR^3+2q_1aR^2)[/TEX], а значения усилия [TEX]T[/TEX] находят умножением безразмерного коэффициента по эпюре сил на величину [TEX](rho gaR^2+2q_1aR)[/TEX], где [TEX]rho [/TEX] — плотность среды (при расчетах в системе единиц МКГСС для воды ρg=0,001 кгс/см3); [TEX]q_1[/TEX]— вес единицы поверхности сосуда. Если [TEX]G_1[/TEX]– собственный вес пустого сосуда с изоляцией и оборудованием, то [TEX]q_1=G_1/(2pi Ra)[/TEX].

Кольцо жесткости, укрепленное треугольной рамой с центральным углом [TEX]alpha =2pi /3[/TEX], проверяют на устойчивость формы по формуле:

[TEX]q_{кр}=frac{EI}{R_1^3}left(frac{4pi ^2}{alpha ^2} -1 right),  [/TEX]

где [TEX]q_{кр}[/TEX] – критическая нагрузка, при которой равномерно сжатое кольцо теряет устойчивость; [TEX]I[/TEX] – момент инерции поперечного сечения кольца (без учета примыкающей стенки корпуса) относительно оси, проходящей через центр тяжести кольца параллельно образующей цилиндра; [TEX]R[/TEX] – расстояние от оси цилиндра до нейтральной линии кольца [TEX](R_1approx R_в)[/TEX]; [TEX]E[/TEX] – модуль продольной упругости при рабочей температуре;

считая, что оно находится под действием равномерно распределенной нагрузки со стороны опоры

[TEX]q=frac{N_0}{2Rsin{frac{alpha }{2} } } [/TEX] и [TEX]frac{q_{кр}}{q} geq 5.[/TEX]

Усилия сжатия в наклонных стержнях рамы (при седловой опоре с углом охвата 120°)

[TEX]P_1=0,12(rho gaR^2+2q_1aR).[/TEX]

Усилие растяжения в горизонтальном стержне рамы

[TEX]P_2=0,5(rho gaR^2+2q_1aR).[/TEX]

Площадь сечения стержней рассчитывают, учитывая возможность коррозии.