velikol.ru
1


1. АППАРАТЫ, РАБОТАЮЩИЕ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ


В химической и нефтехимической промышленности высокими давлениями принято считать давления выше 10 Мн / м2, а сверхвысокими - выше 150 Мн / м2.

При высоких давлениях многие химические процессы протекают значительно быстрее и эффективнее, что является одной из главных причин использования высоких давлений в промышленности. Целесообразно использовать высокие давления и в том случае, когда процесс протекает при температурах, значительно более высоких, чем температура кипения исходных продуктов. Это условие возникает, например, при разделении газов в сжиженном состоянии.

К наиболее ярким примерам использования высоких давлений в промышленности можно отнести многотонажные производства синтеза аммиака из азота и водорода, проводимого при давлении около 35 Мн/ м2, метанола из окиси углерода и водорода (30 Мн / м2), мочевины (20 Мн /м2), полиэтилена высокого давления (150 Мн / м2).

Колонны высокого давления предназначены для ведения непрерывных технологических процессов в промышленности синтетического аммиака, мочевины, органического синтеза.

Колонны высокого давления стремятся делать минимального диаметра, предпочитая для сохранения необходимого реакционного объема увеличивать их длину. С увеличением диаметра колонны пропорционально растет толщина его стенки и периметр уплотнения, а, следовательно, увеличивается стоимость и металлоемкость всей колонны. Колонны высокого давления изготовляют с отношением диаметра к высоте 1:10, 1:15. Колонны высокого давления условно делят на “холодные” и “горячие”. К “холодным” колоннам относят аппараты, в которых температура стенки не превышает 150 оС, а к “горячим” - с температурой стенки более 150 и до 500 оС.

Колонна высокого давления состоит из следующих основных частей (рис. 1.): корпуса 1, крышки 2, днища 3, затвора 4.

Кованные корпуса изготовляют из цельной стальной отливки (массой 100 - 350 т). Материал из центральной части отливки удаляется прошивкой трубчатым дорном. Дальнейшая ковка производится на оправке на мощных прессах и кузнечных молотах. Кованные корпуса могут быть изготовлены без разъемов или со съемной крышкой. Присоединительные фланцы толстостенных колонн отливаются вместе с корпусом. Окончательная обработка корпусов производится обтачиванием на крупных токарных станках. Для изготовления “холодных” колонн высокого давления применяют сталь марок 35, 20 и 20К. Корпуса “горячих” колонн делают из легированных сталей марок 30ХМА, 20ХМА, 25Х3НМ, 12 Х18Н10Т.





2


4



1



3




Затворы и уплотнения колонн. Корпуса колонн высокого давления закрывают с торцов массивными кованными или литыми крышками. Уплотнения крышек и штуцеров колонн высокого давления являются весьма ответственными узлами. Они должны обеспечивать безусловную надежность в работе и герметичность в условиях больших давлений и значительных колебаний температуры, быть просты в изготовлении и удобны для сборки и разборки.

Широкое распространение получила конструкция самоуплотяющегося затвора с двухконусным уплотнением (рис. 2, а). Основным элементом этого затвора служит кольцо с коническими срезами на его наружной поверхности. Кольцо прикрепляется к крышке с помощью планки. Уплотняющим материалом этого затвора служат прокладки из алюминия или меди толщиной 1 - 1,5 мм, закрепляемые на боковых срезах кольца. Кольцо вместе с прокладками зажимается между крышкой и корпусом. Вначале прокладка сжимается основными крепежными шпильками. В дальнейшем по мере повышения давления среды в колонне кольцо начинает еще больше заклиниваться между крышкой и корпусом, производя окончательное сжатие прокладок. Кольцо заклинивается вследствие давления среды на его внутреннюю поверхность. Затворы подобного типа используют в колоннах, нагруженных давлением до 34 Мн/м2. Они мало чувствительны к колебаниям температуры, сравнительно просты в эксплуатации и позволяют повторное использование прокладок.


Рис 2. Самоуплотняющиеся затворы:

а- с двухконусным уплотнением; б - со стальным кольцом


Для больших давлений рекомендуется самоуплотняющийся затвор со стальным упругим кольцом (рис. 2, б). В этом затворе основным элементом является шлифованное стальное кольцо клинообразной формы, которое защемляется между крышкой и корпусом. Наружная поверхность крышки, примыкающая к кольцу, имеет шаровую форму и тоже шлифуется.

Крышка после установки упорного кольца подтягивается с помощью шпилек, пропущенных через отверстия опорной шайбы, для создания предварительного сжатия упругого кольца. Окончательное сжатие кольца производится давлением среды на крышку, которая сжимает упругое кольцо с тем большей силой, чем больше становится давление внутри колонны. Этот затвор надежно работает при внутренних давлениях до 250 Мн/м2, позволяет быстро собирать и разбирать соединение, не требует перешлифовки или замены упругого кольца, компактен. Однако он требует высокой точности изготовления всех его элементов и аккуратного обращения со шлифованными поверхностями.

Кованные цилиндрические обечайки являются толстостенными ( = Dн/Dв  1,1) и применяются для давлений среды в аппарате выше 10 Мн/ м2.


ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Расчетная толщина цилиндрической стенки S, подверженной внутреннему давлению р определяется:

при соблюдении условия

(1)

по формуле

(2)


Принятая толщина цилиндрической стенки определяется по формуле


, (3)

где - коэффициент прочности цилиндрической стенки в продольном направлении; С - дополнительная прибавка на коррозию, эрозию с учетом срока службы аппарата и минусовой допуск по толщине листа, м.

Дополнительная прибавка С определяется по формуле


С = С1 + С2 + С3 + Сд (4)


где С1 - прибавка на коррозию, исходя из условий разъедания материала стенки средой и срока службы аппарата (обычно принимается как произведение проницаемости материала в данной среде на срок службы аппарата), м; С2 - прибавка на эрозию, если таковая имеет место при работе аппарата, м; С3 - прибавка на минусовой допуск по толщине листа, из которого изготавливается обечайка, м; Сд - дополнительная прибавка на допускаемую погрешность по толщине стенки при изготовлении листа для обечайки, определяемая по формуле


Сд = 0,5  ( в + н + р ) , м

Величины в и н принимаются по 7-му классу точности; величина р принимается для обечаек S  0,1 м - р = 3 мм.


Температурные напряжения в стенке вt и нt

Для толстостенных цилиндрических обечаек, если имеется температурный перепад по толщине стенки более 10 оС, необходимо определить дополнительные температурные напряжения в стенке вt и нt:

на внутренней поверхности


(5)


на наружной поверхности


(6)

Положительные значения вt и нt являются растягивающими напряжениями, а отрицательные - сжимающими. Первые всегда будут со стороны поверхности, имеющей более низкую температуру, а вторые - со стороны поверхности, имеющей более высокую температуру.

Температурные напряжения не учитываются, если расчетная температура стенки составляет:

для углеродистых сталей tст  + 420оС,

для легированных сталей tст  + 470оС.

В тех случаях, когда необходимо учитывать температурные напряжения, принятая толщина стенки обечайки S должна быть проверена на суммарное напряжение в ней от внутреннего давления и температурного перепада.

При этом необходимо иметь ввиду, что максимальное суммарное напряжение растяжения будет на поверхности стенки, имеющей более низкую температуру.

Суммарные напряжения на внутренней поверхности стенки определится по формуле

(7)

Суммарные напряжения на наружной поверхности стенки определится по формуле

(8)

Значение tт в формулах (7) и (8) следует брать при температуре, равной tст и при этом должно быть соблюдено условие

0,5  ( в + н )  д (9)


Принятая толщина стенки обечайки S подлежит контрольной проверке на напряжения в ней при наружном гидравлическом испытании аппарата по формуле

(10)

При проверочных расчетах допускаемое давление Рд в Мн / м2 в обечайке определяется по формуле

(11)


^ 2. Специальная обтюрация


Специальная обтюрация применяется главным образом в соединениях высокого давления.

В табл. 1 приведены рекомендуемые конструктивные элементы наиболее характерного специального самоуплотняющегося обтюратора, применяемого в соединениях крышки с корпусом аппарата высокого давления.

Данный тип обтюратора применяется при Dв  500 мм до 1500 мм и рс 30 до 100 Мн / м2.

Таблица 1
^

Рекомендуемые конструктивные элементы обтюратора





Dу, мм

от 500

до 800

от 800

до 1000

более

1000

Ру, Мпа

70

70

70

70

70

70

S, мм

30

35

40

50

50

60

b, мм

по формуле ( 2 ) , но не менее 40 мм.

D1, мм

Dв + b , но не менее Dв + 40

Dп, мм

D1 + Dв / 2

Н, мм

b tg 60о + 30*




Примечание: Выбор DвDу производится из конструктивных соображений.


Материалы уплотняемых поверхностей ( корпуса и крышки ) и обтюратора могут быть одинаковыми с т  6 р.

Расчетная сила осевого сжатия данной обтюрации определяется по формуле

(12)

где Dп - средний диаметр уплотнения, м; bэ - 0,75 b,(см. табл. 1); q = p, н / м2; = угол наклона конической поверхности под линзу, град; т = 8 - 10о - угол трения линзы по конической поверхности, град.