Проект випарного апарату з виносною гріючою камерою для випарювання електролітичних лугів

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Калуський хіміко-технологічний технікум

5.090245Комісія спецдисциплін

ОРОінженерної механіки

ОПГ

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

на тему:

Проект випарного апарату з виносною гріючою камерою для випарювання електролітичних лугів

Калуш 2008

Зміст

Вступ

1. Класифікація випарних апаратів

1.1 Будова і робота проектованого апарату

1.2 Техніко-економічне обґрунтування конструкції проектованого апарату

1.3 Обслуговування і ремонт апарату

1.4 Техніка безпеки і охорона навколишнього середовища

2. Конструктивний розрахунок

2.1 Розрахунок і вибір апарату

2.1.1 Вибір допоміжних елементів конструкцій

2.1.1.1 Вибір штуцерів та фланців

2.1.1.2 Вибір опори

2.1.1.3 Вибір люка

2.1.1.4 Вибір прокладок

2.1.1.5 Вибір кришки і днища

2.2 Механічний розрахунок

2.2.1 Розрахунок товщини стінки корпусу

2.2.2 Розрахунок кришки

2.2.3 Розрахунок товщини трубної решітки

2.2.4 Розрахунок фланцевого з’єднання

2.2.5 Розрахунок опори

Література

Вступ

Однією з основних галузей промисловості є хімічна промисловість. В структурі важкої промисловості вона посідає четверте місце за обсягами виробленої продукції і числом працівників, зайнятих в цій промисловості виробляє продукцію, використовуючи хімічні методи переробки сировини й матеріалів. У галузевій структурі хімічної промисловості виділяють дві великі галузі: основна (неорганічна) хімія і промисловість органічного синтезу.

Хімічна промисловість характеризується високою матеріалоємністю, високою енергоємністю і низькою трудоємністю. Матеріалоємність і енергоємність українських підприємств цієї галузі промисловості в кілька разів перевищує матеріалоємність і енергоємність їх закордонних аналогів. В умовах цінової не конкурентоздатності вітчизняних підприємств потрібно зменшувати матеріалоємність і енергоємність, а значить і собівартість продукції. В структурі персоналу зайнятого в хімічній промисловості на допоміжне господарство припадає до 60% його загальної кількості. До допоміжного господарства відноситься ремонтне господарство, транспортне господарство, енергетична служба, служба КВПіА, складське господарство.

Хімічна індустрія виділяється надзвичайно широкою сировинною базою. В сучасних умовах потрібно ширше використовувати сировину, в тому числі і відходи хімічної та інших галузей промисловості, створювати безвідходні технології. Недостатній розвиток маловідходних і безвідходних виробництв, сучасних систем очистки відходів привели до виникнення складної економічної ситуації в багатьох регіонах України. В цих регіонах недоцільно будувати нові хімічні підприємства, а розвиток тут цієї галузі повинен здійснюватися за рахунок технічного переоснащення і реконструкції вже діючих на сьогодні підприємств. Зараз, у хімічній промисловості виникло цілий ряд нових галузей, зокрема у промисловості органічного синтезу, які є перспективними в майбутньому.

Для підвищення ефективності роботи хімічної промисловості потрібно забезпечити введення нових високопродуктивних безвідходних чи маловідходних, менш енергоємних технологій. В цілому, технічний і технологічний рівень українських підприємств відстає від рівня сучасних передових технологій, потрібно максимально автоматизувати і механізувати хімічне виробництво, зокрема і ремонтне господарство.

Потрібно також вводити наукову організацію праці в цій галузі промисловості. Зокрема, наукова організація праці в ремонтному господарстві передбачає зменшення часу простою в ремонті, високоякісне виконання ремонтних робіт, неперервне здешевлення вартості ремонту. В хімічному машинобудуванні основними напрямками його розвитку і підвищення ефективності роботи є максимальна інтенсифікація технологічних процесів, укрупнення обладнання, підвищення надійності машин і апаратів.

Всі заходи мають на меті збільшити продуктивність праці робітників, а отже знизити собівартість і підвищувати конкурентоздатність продукції підприємств хімічної промисловості.

1. Класифікація випарних апаратів

Випарювання широко застосовується для підвищення концентрації розбавлених розчинів або виділення з них розчиненої речовини шляхом кристалізації.

Різні конструкції випарних апаратів, які застосовуються в промисловості, можна класифікувати за типом поверхні нагрівання (парові сорочки, змійовики) та за її розташуванням в просторі (апарати з вертикальною, горизонтальною, іноді з похилою граючою камерою), за родом теплоносія (водяна пара, високотемпературні теплоносії, електричний струм та ін.), а також в залежності від того, чи рухається теплоносій ззовні чи всередині труб граючої камери. Однак більш суттєвою ознакою класифікації випарних апаратів, які характеризують інтенсивність їх дії, слід рахувати вигляд і кратність циркуляції розчину.

Розрізняють випарні апарати з неорганізованою, або вільною, направленою природною циркуляцією і примусовою циркуляцією розчину.

Випарні апарати ділять також на апарати прямоточні, в яких випарювання розчину проходить за один прохід через апарат без циркуляції розчину і апарати, які працюють з багатократною циркуляцією розчину.

В залежності від організації процесу розрізняють періодичні і неперервно діючі випарні апарати.

Апарати з вільною циркуляцією розчину. Найпростішим апаратом цього типу є періодично діючі відкриті випарні чаші з паровими сорочками (для роботи при атмосферному тиску) і закриті котли з сорочками, які працюють під вакуумом.

В випарних апаратах з сорочками проходить мало інтенсивна хаотична циркуляція випареного розчину внаслідок різниці густин більш нагрітих та менш нагрітих частинок. Тому в апаратах з сорочками коефіцієнти теплопередачі низькі. Поверхні нагріву сорочок і відповідно навантаження цих апаратів досить невеликі.

Значно більшою поверхнею нагрівання в одиниці об’єму володіють змійовикі випарні апарати (рис. 1.1). В корпусі 1 такого апарату розташовані парові змійовики 2, а в паровому просторі встановлений бризковловлювач 3. При проходженні через бризковловлювач потік вторинної пари змінює напрям свого руху і з нього виділяються винесені парою краплі рідини. Змійовикові апарати більш компактні, ніж апарати з сорочками, і відрізняються дещо більшою інтенсивністю теплопередачі. Однак чищення та ремонт змійовиків утруднені.

Рис. 1.1 Змійовиковий випарний апарат: 1 - корпус; 2 - парові змійовики; 3 - бризко вловлювач

Вертикальні апарати з керованою природною циркуляцією. В апаратах цього типу випарювання здійснюється при багатократній природній циркуляції розчину. Вони володіють рядом переваг порівняно з апаратами інших конструкцій, завдяки чому отримали широке застосування в промисловості.

Основною перевагою таких апаратів є покращення тепловіддачі до розчину при його багатократній організованій циркуляції в замкнутому контурі, зменшеною швидкістю відкладень накипу на поверхні труб. Крім того, більшість цих апаратів компактні, займають невелику виробничу площу, зручні для огляду та ремонту.

Апарати з внутрішньою гріючою камерою і центральною циркуляційною трубою. В нижній частині вертикального корпусу 1 (рис. 1.2) знаходиться гріюча камера 2, яка складається з двох трубних решіток, в яких закріплені розвальцьовані кип’ятильні труби 3 (довжиною 2-4 м) і циркуляційна труба 4 великого діаметру, встановлена по осі камери. В між трубний простір граючої камери подається гріюча пара.

Рис. 1.2 Випарний апарат з внутрішньою гріючою камерою та центральною циркуляційною трубою: 1 - корпус; 2 - гріюча камера; 3 - кип’ятильні труби; 4 - циркуляційна труба; 5 - сепараційний простір; 6 - бризко вловлювач

випарювання електролітичний апарат випарний

Розчин поступає в апарат над верхньою трубною решіткою і опускається по циркуляційній трубі вниз. Потім піднімається по кип’ятильним трубам і на деякій віддалі від їх нижнього краю закипає. Вторинна пара поступає в сепараторний простір 5, де за допомогою бризковловлювача 6, який змінює напрямок руху парового потоку від пари під дією інерційних сил відокремлюється винесена ним волога. Після цього вторинна пара видаляється через штуцер зверху апарату.

Апарати з підвісною гріючою камерою. В апараті такого типу (рис. 1.3) гріюча камера 1 має власний корпус і вільно встановлена в нижній частині корпусу 2 апарату. Гріюча пара подається через трубу 3 і поступає в міжтрубний простір гріючої камери, знизу якої відводиться конденсат. Розчин, який поступає на випарювання, опускається вниз по каналу кільцевого поперечного перерізу, утвореного стінками корпусу підвісної камери і стінками корпусу апарату. Розчин піднімається по кип’ятильних трубах, і, таким чином, випарювання проходить за природної циркуляції розчину.

Рис. 1.3 Випарний апарат з підвісною гріючою камерою: 1 - гріюча камера; 2 - корпус; 3 - парова труба; 4 - бризковловлювач; 5 - зливні труби; 6 - перфорована труба для промивання

Вторинна пара проходить бризковловлювач 4 і видаляється зверху апарату. Відокремлена від вторинної пари рідина зливається по трубах 5. Для періодичного промивання апарату в нього підводиться вода, яка розподіляється за допомогою перфорованої труби 6.

Інтенсивність циркуляції в апаратах з підвісною граючою камерою недостатня для ефективного випарювання високов’язких і особливо кристалізованих розчинів, оброблення яких призводить до частіших і триваліших зупинок цих апаратів для очищення робочих поверхонь.

Апарати з виносними циркуляційними трубами. Природна циркуляція розчину може бути підсилена, якщо розчин на нижній ділянці циркуляційного контуру буде краще охолоджуватись. Цим збільшується швидкість природної циркуляції у випарних апаратах з виносними циркуляційними трубами (рис. 1.4). При розміщенні циркуляційних труб поза корпусом апарату діаметр гріючої камери 1 може бути зменшений порівняно з камерою апарату, а циркуляційні труби 2 компактно розташовані навколо гріючої камери.

Рис. 1.4 Випарний апарат з виносною циркуляційною трубою: 1 - гріюча камера; 2 - циркуляційна труба; 3 - центр обіжний бризко вловлювач; 4 - сепараційний простір

Апарати з виносною гріючою камерою. При розташуванні гріючої камери поза корпусом апарату є можливість підвищити інтенсивність випарювання не тільки за рахунок збільшення різниці густини рідини і паро-рідинної суміші в циркуляційному контурі, але і за рахунок збільшення довжини кип’ятильних труб.

Апарат з виносною гріючою камерою (рис. 1.5) має кип’ятильні труби, довжина яких часто досягає 7 м. Він працює за більш інтенсивної циркуляції, обумовлений тим, що циркуляційна труба не обігрівається, а підйомна і опускна ділянки циркуляційного контуру має значну висоту.

Рис. 1.5 Випарний апарат з виносною гріючою камерою: 1 - гріюча камера; 2 - сепаратор; 3 - циркуляційна труба; 4 - бризковлювач

Виносна гріюча камера 1 легко відділяється від корпусу апарату, що полегшує і прискорює його чищення та ремонт.

Вихідний розчин поступає під нижню трубну решітку гріючої камери і, піднімаючись по кип’ятильних трубах, випарюється. Іноді подачу вихідного розчину проводять в циркуляційну трубу. Вторинна пара відокремлюється від рідини в сепараторі 2. Рідина опускається по не обігрітій циркуляційній трубі 3, змішуючись з вихідним розчином, і цикл циркуляції повторюється знову. Вторинна пара, пройшовши бризковловлювач 4, видаляється зверху сепаратора. Упарений розчин відбирається через боковий штуцер в конічному днищі сепаратора.

Апарати з винесеною зоною кипіння. В апараті з винесеною зоною кипіння (рис. 1.6) випарюваний розчин поступає знизу в гріючу камеру 1 і, піднімаючись по трубах (довжиною 4-7 м) вверх, внаслідок гідростатичного тиску не закипає в них.

Рис. 1.6 Випарний апарат з винесеною зоною кипіння: 1 - гріюча камера; 2 - труба закипання; 3 - сепаратор; 4 - циркуляційна труба; 5 - відбійник; 6 - бризко вловлювач

Після виходу з кип’ятильних труб розчин поступає в розширювальну доверху трубу закипання 2, встановлену над гріючою камерою в нижній частині сепаратора 3. внаслідок пониження тиску в цій трубі розчин закипає і пароутворення проходить за межами поверхні обігріву.

Циркуляційний розчин опускається по зовнішній не обігрітій трубі 4. Упарений розчин відводиться з нижньої частини сепаратора 3. Вторинна пара, пройшовши відбійник 5 і бризковловлювач 6, видаляється зверху апарату. Вихідний розчин поступає або в нижню частину апарату (під трубну решітку гріючої камери), або в циркуляційну трубу 4.

Прямоточні (плівкові) апарати. Принципова різниця цих апаратів від апаратів з природною циркуляцією є в тому, що випарювання в них проходить при однократному проходженні випарювального розчину по трубах гріючої камери.

Рис. 1.7 Випарний прямоточний апарат плівковий: 1 - гріюча камера; 2 - сепаратором; 3 - відбійник; 4 - бризковловлювач

Таким чином, випарювання здійснюється без циркуляції розчину. Крім того, розчин випарюється, переміщуючись у вигляді тонкої плівки по поверхні труб. В центральній частині труби вздовж її осі рухається вторинна пара. Це призводить до різкого зниження температурних втрат, обумовлених гідростатичною депресією.

Апарат з плівкою, яка піднімається, складається з гріючої камери 1, яка представляє собою пучок труб невеликого діаметру (15-25 мм) довжиною 7-9 м, і сепаратора 2 (рис.1.7).

Розчин на випарювання поступає знизу в труби гріючої камери, між трубний простір якої обігрівається гріючою парою. Вторинна пара, виходячи з труб, містить краплі рідини, які відокремлюються від пари за допомогою відбійника 3 і центробіжного бризковловлювача 4.

В прямоточних апаратах важко забезпечити рівномірну товщину плівки випарюваної рідини, крім того, ці апарати досить чутливі до нерівномірної подачі розчину, а чищення довгих труб малого діаметру довготривалий та складний процес.

Роторні прямоточні апарати. Для випарювання нестійких до підвищених температур в’язких та пастоподібних розчинів застосовують роторні прямоточні апарати. Всередині циліндричного корпусу апарату, обладнаного паровими сорочками, обертається ротор, який складається з вертикального валу і шарнірно закріплених в ньому скребків.

Апарати з вимушеною циркуляцією. Для видалення накипу та відкладень в трубках, особливо при випарюванні кристалізаційних розчинів, необхідні великі швидкості циркуляції (не менше 2-2,5 м/с).

В апаратах з вимушеною циркуляцією швидкість її визначається продуктивністю циркуляційного насосу і не залежить від висоти рівня рідини в трубах, а також від інтенсивності пароутворення.

Конструкція випарного апарату (рис.1.8) має виносну вертикальну гріючу камеру 1, сепаратор 2 і циркуляційну трубу 3, в яку подається вихідний розчин. Циркуляція розчину проводиться за допомогою насосу 4. за великої швидкості руху випарювальної розчину кипіння його проходить на короткій ділянці перед виходом з кип’ятильних труб. Таким чином, зона кипіння є переміщеною в саму верхню частину гріючої камери.

Рис. 1.8 Випарний апарат з примусовою циркуляцією: 1 - гріюча камера; 2 - сепаратор; 3 - циркуляційна труба; 4 - циркуляційний насос

1.1 Будова і робота проектованого апарату

При швидкостях 0,25-1,5 м/с, з якими рухається розчин в апаратах з природною циркуляцією не вдається попередити відкладення твердих залишків на поверхні теплообміну. Тому потрібна періодична зупинка апаратів для очищення, що пов’язано із зниженням їх продуктивності і збільшенням вартості експлуатації.

Забруднення поверхні теплообміну при випарюванні кристалізаційних розчинів можна значно зменшити шляхом збільшення швидкості циркуляції розчину і винесенням зони кипіння за межі гріючої камери.

В апараті з винесеною зоною кипіння (рис.1.9) випарюваний розчин поступає знизу в гріючу камеру 1 і, піднімаючись по трубах (довжиною 5 м) вверх, внаслідок гідростатичного тиску не закипає в них.

Після виходу з кип’ятильних труб розчин поступає в розширювальну доверху трубу закипання 2, встановлену над гріючою камерою в нижній частині сепаратора 3. внаслідок пониження тиску в цій трубі розчин закипає і пароутворення проходить за межами поверхні обігріву.

Циркуляційний розчин опускається по зовнішній не обігрітій трубі 4. Упарений розчин відводиться з нижньої частини сепаратора 3. Вторинна пара, пройшовши відбійник 5 і бризковловлювач 6, видаляється зверху апарату. Вихідний розчин поступає або в нижню частину апарату (під трубну решітку гріючої камери), або в циркуляційну трубу 4.

Внаслідок збільшеної площі поверхні випаровування, яка створюється в об’ємі киплячого розчину, і часткового самовипаровування крапель, винесених вторинною парою, значно знижується бризко винос. Киплячий розчин не контактує з поверхнею теплообміну, що зменшує відкладення накипу.

Апарати з винесеною зоною кипіння можуть ефективно використовуватись для випарювання кристалізованих розчинів, в тому числі хлор магнієвого розчину.

Рис. 1.6 Випарний апарат з виносною зоною кипіння: 1 - гріюча камера; 2 - сепаратор; 3 - циркуляційна труба; 4 - бризковловлювач

1.2 Техніко-економічне обґрунтування конструкції проектованого апарату

Конструкція проектованого випарного апарату задовольняє ряд загальних вимог, до числа яких відносяться:

висока продуктивність і інтенсивність теплопередачі при можливо меншому об’ємі апарату і витраті матеріалу на його виготовлення;

простота конструкції;

надійність експлуатації;

легкість чищення поверхні теплообміну;

зручність огляду, ремонту та заміни окремих частин.

Разом з тим проектований апарат задовольняє всім фізико-хімічним властивостям випарювального розчину.

Високий коефіцієнт теплопередачі та великі продуктивності досягаються шляхом збільшення швидкості циркуляції розчину.

Корпус випарного апарату - зварний, виготовлений із сталі 10Х17Н13М2Т. Діаметр сепаратора становить 3200 мм, діаметр трубок 38×2 мм, довжина трубок 5000 мм.

Кришки випарного апарату - еліптичні приварні відбортовані, виготовлені методом штампування.

Опора апарату розчину виготовлена із вуглецевої сталі ВСт 3кп ГОСТ 380-71.

Люки і штуцери апарату виготовлені з плоскою ущільнюючою поверхнею.

Робоча температура в трубному просторі становить 120 ⁰С, в міжтрубному становить 187,1 ⁰С, робочий тиск в трубному просторі - 0,6 МПа, в міжтрубному - 1,2 МПа.

Випарний апарат працює в неперервному режимі. Поверхня теплообміну - 450 м².

.3 Обслуговування і ремонт апарату

Процес випарювання може проводитись періодично або неперервно. При неперервному випарюванні рівень розчину і його температура не змінюються в часі. Розчин як правило знаходиться в апараті при своїй кінцевій концентрації; для стійкої роботи в апараті повинна міститись значна кількість рідини, щоб поступлення слабкого розчину не знижувало помітно концентрацію розчину, який знаходиться в апараті.

Для створення таких умов, апарат заповнюють при пуску слабким розчином і доводять його концентрацію до кінцевої шляхом періодичного випарювання при постійному рівні (або зразу заповнюють апарат концентрованим розчином), після чого переходять на неперервну подачу слабкого розчину з відведенням відповідної кількості упареного розчину.

При обслуговуванні випарних апаратів необхідно слідкувати за підтриманням рівня рідини на певній висоті, який в апаратах неперервної дії регулюється відведенням упареного розчину. Кількість слабкого розчину в апаратах неперервної дії підтримується постійним і регулюється в залежності від концентрації упареного розчину: якщо остання знижується, то подачу слабкого розчину потрібно зменшити, або навпаки. Для відбирання проб упареного розчину на випарних апаратах встановлюються спеціальні пробні крани.

Процес випарювання сильно залежить від температури, яка контролюється термометром, що вимірює температуру розчину в апараті; манометри вимірюють тиск гріючої та вторинної пари. Необхідний температурний режим встановлюється регулюванням подачі гріючої пари. Крім того, при обслуговуванні випарного апарату слід слідкувати за правильним відведенням конденсату та несконденсованих газів. Конденсат відводиться за допомогою конденсатовідвідних пристроїв. Для відведення несконденсованих газів, які містяться в гріючій парі, у верхні частині парового простору для гріючої пари передбачена трубка, через яку ці гази неперервно або періодично відводяться.

Періодично, по мірі забруднення поверхні теплообміну, випарний апарат зупиняють для чищення. Чищення проводять шляхом промивання або вказаним вище способами.

Ремонт випарного апарату проводять наступними операціями:

. Підготовка апарату до ремонту.

Ця операція заключається в закритті засувок на лініях входу продуктів, доведення тиску в апараті до атмосферного, опорожненні апарату. Далі встановлюють заглушки на лініях входу. Апарат продувають азотом або водяною парою та промивають водою і просушують. Після цього проводять лабораторні аналізи. Якщо умови в апараті задовільні для проведення ремонтних робіт, то проводять оформлення належної ремонтної документації: акт здачі в ремонт, наряд-допуск на проведення вогневих робіт. Ці операції проводить обслуговуючий персонал.

. Промивання апарату.

Апарат від'єднують від технологічного процесу. З апарату через штуцери видаляють продукти. Далі апарат промивають водою, пропарюють. Промиванням та пропарюванням апарату досягають двох цілей: підготовка до відкриття апарату шляхом видалення вибухо- і пожежонебезпечних, токсичних речовин, а також очищення від відкладень. Якщо цим неможливо очистити апарат, то використовують механічне або хімічне чищення.

. Розбір апарату.

Після промивання апарат від'єднують заглушками від комунікацій та приступають до розбирання апарату. Маса кришок та днищ значна, тому для їх демонтажу використовують тальки, крани, триноги.

. Виявлення та усунення дефектів.

Фактичну товщину стінки днищ та секційних перегородок вимірюють шляхом висвердлювання отворів, а також за допомогою ультразвукових товщиномірів.

Важливим є виявлення дефектів труб трубного пучка. При виявленні ушкодженої труби проводять заглушку її конусними пробками з двох сторін. Число заглушених труб не повинно перевищувати 10 % від загального числа труб у пучку, інакше значно підвищиться гідравлічний опір, та зміниться поверхня теплообміну. В іншому випадку проводять заміну труби з пучка. Для цього використовують спеціальні ріжучі пристосування, які дозволяють різати трубу зсередини зі сторони трубної решітки. Кінці труб, які залишилися в трубних решітках, вибивають за допомогою оправок. Потім замінюють трубу новою, вставляють її в трубний пучок, розвальцьовують або обварюють.

Особливо ретельно потрібно перевіряти стан кінців труб в трубних решітках. Перевірку проводять візуально, вимірюванням діаметрів і товщини та опресовкою. Для нових з’єднань розвальцьоване з’єднання повинно перевищувати вихідний діаметр на 15 - 30 % товщини труби. В даному апараті шви труби розвальцьовані та проварені для підвищення герметичності. Зварні шви під дією корозії зношуються, часто на них появляються тріщини. Нещільні з’єднання кінців труб з трубною решіткою підвальцьовують, а потім підварюють. Слід уникати надмірної підвальцьовки, оскільки вона не видаляє нещільність, а може привести до втрати міцності з’єднання.

Необхідність ремонту корпусів апарату встановлюють по результатам товщини та перевірки зварних швів. Якщо виявлені опресовкою тріщини зварних швів, то їх вирубують і знову зварюють. Також при виявленні дефектів штуцерів їх вирізають, шви вирубують і замінюють штуцер.

Перед збирання апарату проводять опресовку міжтрубного простору, якщо не виявлено дефектів апарат повністю збирають.

. Збирання включає в себе монтаж кришок, днища, трубопровідної обв’язки.

. Випробування.

Після збирання апарат випробовують на міцність, щільність зварних швів, випробування проводять гідравлічно тиском:

трубний простір - 0,8 МПа; міжтрубний простір - 1,6 МПа.

1.4 Техніка безпеки і охорона навколишнього середовища

При проведенні монтажу, експлуатації і ремонті випарного апарату потрібно строго дотримуватися правил і норм техніки безпеки і охорони праці.

Порушення норм, вимог і правил техніки безпеки і охорони праці може призвести до виникнення аварії або нещасного випадку.

Шкідливість і небезпечність виробництва визначається:

наявністю шкідливих речовин, які можуть викликати отруєння обслуговуючого та ремонтного персоналу;

наявністю обертових частин і механізмів, що може призвести до травмування при порушеннях правил експлуатації;

небезпекою ураження електричним струмом при обслуговуванні та ремонті обладнання;

наявністю рухомого транспорту і можливістю травмування працівників.

Газонебезпечні роботи, які є невід’ємною частиною технологічного процесу, проводяться з оформленням наряду-допуску. Апарати, трубопроводи і арматура виконані герметичними. Відсутні постійні викиди з обладнання в атмосферу. Звільнення апаратів від газоподібних продуктів здійснюється в загальну систему, а від рідких - в дренажні ємності.

Управління технологічним процесом централізоване і здійснюється з операторної, розташованої в ізольованому від виробництва приміщенні. Вибір обладнання і матеріалів систем контролю і автоматизації виконано з врахуванням умов вибухо- і пожежонебезпечності виробництва. Компресори і основні насоси виконані в герметичному виконанні і обладнані блокуючими системами, які зупиняють агрегати при порушенні робочих параметрів.

Для своєчасного передання інформації на виробництві встановлений телефонний і гучномовний зв’язок. У всіх приміщеннях, на площадках і території встановлюють робоче і аварійне освітлення. Всі апарати, що працюють під тиском, обладнані запобіжними клапанами.

У виробничих приміщеннях, крім припливно-витяжної вентиляції, передбачено аварійну вентиляцію, котра включається автоматично при небезпеці виникнення вибухонебезпечних концентрацій в приміщенні. Побутові приміщення знаходяться в окремих приміщеннях.

В цеху встановлено крани з вантажопідіймальними механізмами. Для механізації проведення ремонтних робіт в компресорному та насосному відділеннях встановлено мостові електричні крани. Крім того, в різних місцях установки, де розташовані насоси, важка арматура передбачені монорельси з електричними і ручними вантажопідіймальними механізмами.

Для забезпечення стійкої роботи технологічної схеми електродвигунів відповідних теплових агрегатів, вони оснащені системою групового ступеневого самозапуску у випадку короткотривалих перерв в електропостачанні.

При проведенні монтажу, експлуатації і ремонту випарного апарату потрібно строго дотримуватися правил і норм техніки безпеки і охорони праці.

Здача і прийманні обладнання з ремонту проводиться згідно "Системи технологічного обслуговування і ремонту обладнання". Перед пуском обладнання в експлуатацію після його зупинки і проведення ремонту необхідно:

звільнити робоче місце від залишків матеріалів, непотрібних деталей, інструменту, сміття, риштування, підмостків, підіймаючих пристроїв;

старанно перевірити правильність встановлення обладнання, комунікацій, арматури, окремих деталей;

обертові частини прокрутити вручну, впевнитись в легкості обертання;

перевірити наявність і справність огороджень на всіх обертових частинах;

перевірити наявність мастила на всіх частинах, які труться;

перевірити справність електрообладнання і заземлення;

впевнитись у справності запірної арматури, регулювальної і запобіжної арматури;

перевірити справність приладів КВПіА, дію звукової і світлової сигналізації, систему блокування і регулювання;

провести гідравлічне і пневматичне випробування відремонтованого обладнання на герметичність робочим тиском.

2. Конструктивний розрахунок

.1 Розрахунок і вибір апарату

Згідно ГОСТу 11987-81 [1] заданим проектом параметрам відповідає випарний апарат з природною циркуляцією, виносною гріючою камерою з наступними характеристиками:

Номінальна поверхня теплообміну, м²450

Діаметр труб, мм 38×2

Висота труб, мм 5000

Діаметр гріючої камери, мм 1600

Діаметр сепаратора, мм 3200

Діаметр циркуляційної труби, мм 800

Загальна висота апарату, мм 15000

Маса апарату, кг 31800

Апарат складається з гріючої камери, сепаратора, циркуляційної труби, труби закипання, відбійника, бризковловлювача. Для огляду і обслуговування апарату використовуємо люк-лаз. Апарат встановлюється на підвісні лапи згідно ОСТ 26-665-79. Випарний апарат виготовлений з корозійностійкої високолегованої сталі 12Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72.

2.1.1 Вибір допоміжних елементів конструкцій

2.1.1.1 Вибір штуцерів та фланців

Штуцер - це патрубок з фланцем, який приварюється до апарату і служить для входу продуктів в апарат і виходу з них. Штуцери з фланцями стандартизовані і вибираються по ОСТ 26-1404-76 в залежності від діаметру умовного проходу (D_у) і тиску (Р_у) [2, c.215]. Вибираємо штуцери з фланцями стальними плоскими приварними [2, c.215].

Рис. 2.1 Фланець з плоским приварним фланцем з гладкою ущільнюючою поверхнею

Таблиця 2.1

Рис. 2.2 Штуцер

Таблиця 2.2

2.1.1.2 Вибір опори

Випарний апарат розміщений у закритому приміщенні і встановлюється на перекритті, тому опорами служать бокові лапи, а сепаратор має кільцеву опору.

Так як гріюча камера і сепаратор між собою з’єднані жорстко маса установки рівномірно розподілитися на відповідні опори:

навантаження складає:

вибираємо опори для гріючої камери:

ОСТ 26-665-79 (3, ст.274, 275)

Для гріючої камери приймаємо 4 опори типу "лапи”.

Навантаження на одну опору:

коефіцієнт точності монтажу, [2, ст.76-77].

Вибираємо стандартну опору 2-4000, ОСТ 26-665-79, тип 2.

Таблиця 2.3

Значний запас у навантажень забезпечить нормальну роботу установки навіть при деякому перевантаженні опор.

Рис. 2.3 Опора (лапи) для вертикальних апаратів

2.1.1.3 Вибір люка

Люки служать для огляду випарного апарату, монтажу, демонтажу внутрішніх пристроїв і для чищення апарату. Для проектованого випарного апарату вибираємо люк діаметром 500 мм. Конструкція люків і люків-лазів залежить від умов роботи і тиску в колоні.

Для проектованої колони вибираємо люк з еліптичною фланцевою кришкою. Шарнірним пристроєм та відкидними болтами по ОН 26-2003-77 [2, c.148].

Рис. 2.4 Люк з еліптичною кришкою: 1 - корпус; 2 - кільце; 3 - фланець; 4 - днище; 5 - ребро; 6 - косинець; 7 - ручки; 8 - кронштейн; 9-10 - осі; 11 - болти відкидні; 12 - гайки; 13 - прокладка

Таблиця 2.4

2.1.1.4 Вибір прокладок

Враховуючи тиск, температуру і фізико-хімічні властивості продуктів, для герметизації фланцевих ущільнень вибираємо прокладки із пароніту ПОН плоского поперечного перерізу. ГОСТ 481-71.

Рис. 2.5 Прокладка

Таблиця 2.5

2.1.1.5 Вибір кришки і днища

Для проектованого випарного апарату вибираємо еліптичні кришку і днище за ГОСТ 6533-78.

Рис. 2.6 Кришка еліптична

Таблиця 2.6

2.2 Механічний розрахунок

2.2.1 Розрахунок товщини стінки корпусу

Товщина стінки корпусу гріючої камери, що працює під внутрішнім тиском, визначається за формулою:

де р=1,2 МПа - розрахунковий тиск у гріючій камері;=1600 мм - внутрішній діаметр гріючої камери;

[σ] =140 МПа - допустиме напруження для сталі 10Х17Н13М2Т при розрахунковій температурі 187,1. [3, табл.2]

с=2 мм - добавка на корозію;

φ=0,9 - коефіцієнт міцності зварного шва [3, с.37]

Приймаємо товщину стінки корпусу сепаратора 10 мм.

Товщина стінки сепаратора, що працює під зовнішнім тиском, визначається за формулою:

де р=0,08 МПа - розрахунковий тиск у сепараторі;=3200 мм - внутрішній діаметр сепаратора;

[σ] =140 МПа - допустиме напруження для сталі 10Х17Н13М2Т при розрахунковій температурі. [3, табл. 2]

с=2 мм - добавка на корозію;

φ=0,9 - коефіцієнт міцності зварного шва [3, с.37]

Приймаємо товщину стінки корпусу сепаратора 14 мм.

2.2.2 Розрахунок кришки

Товщина стінки еліптичної кришки сепаратора, що працюють під внутрішнім тиском визначаємо за формулою:

де р=0,08 МПа - розрахунковий тиск в сепараторі;=D=3200 мм - радіус кривизни у вершині днища, який при Н/D=860/3200=0,27 дорівнює діаметру сепаратора;

с=2 мм - добавка на корозію;

Приймаємо товщину стінки еліптичної кришки сепаратора 8 мм.

Товщина стінки гладкого конічного корпусу від сепаратора до циркуляційної труби приймаємо рівною товщині стінки сепаратора.

2.2.3 Розрахунок товщини трубної решітки

Розрахункова товщина трубної решітки

де s_р =140 кгс/см² - допустиме напруження на згин для матеріалу решітки; φ_р - коефіцієнт міцності трубної решітки;

- крок розміщення отворів в решітці, мм;₀ - діаметр отворів, мм;- діаметр фланцевого з’єднання, мм.

З врахуванням добавки на корозію приймаємо s=50 мм.

2.2.4 Розрахунок фланцевого з’єднання

Навантаження, яке діє на фланцеве з’єднання від внутрішнього надлишкового тиску:

Зовнішній діаметр прокладки

_п=D_Б-е=1490-30=1460 мм

е=30 мм - по табл. 13.27 [2, ст.264]

Середній діаметр прокладки

_{п. сп.} =D_п-b=1460-15=1445 мм

Реакція прокладки в робочих умовах:

де m=2,5 - прокладочний коефіцієнт [2, ст.265];

Ефективна ширина прокладки

₀=0,5×b=0,5×15=7,5

Зусилля, яке виникає від температурних деформацій:

де γ=0,025 - коефіцієнт, що визначається з графіку [ (мал.38) 2, с.63]; f_б=2,35×10^-4 м²=235 мм² - площа поперечного перерізу шпильки по внутрішньому діаметру різьби [2, c.264]; E_б=1,91×10⁵ МПа - модуль пружності матеріалу шпильок; α_ф=12,4×10^-6 с^-1 - коефіцієнт лінійного видовження матеріалу шпильок [2, c.14]; α_б=12,4×10^-6 с^-1 - коефіцієнт лінійного видовження матеріалу шпильок [2, с.14]; t_ф =0,96×t=0,96×187,1=180˚С - розрахункова температура фланця [2, c.259]; t_б=0,95×t=0,95×187,1=178˚С - розрахункова температура шпильок [2, c.259]

Осьове зусилля при збиранні фланцевого з’єднання вибираємо найбільшим з трьох значень:

 або

Р_б1=0,4× [σ_б] ×n×f_б=0,4×105×48×235=0,47×10⁶ Н

де α=А× [y_б+0,25× (В₁+В₂) × (D_б-D_сп)];

коефіцієнт [2, c.270]

В₁=y_ф1× (D_б-D₁-S_э1) =2,73×10^-9 (1530-1448-12,8) =1,89×10^-7 мм² - коефіцієнт; [2, c.270]

В₁=В₂ - при стиковці однакових фланців;

 -

коефіцієнт податливості прокладки;

 -

коефіцієнт податливості шпильок;

ℓ_б =ℓ_б0+0,56×d=160+0,56×23=173 мм - розрахункова довжина шпильок;

ℓ_б0=160 мм - відстань між торцями гайок;_n=2,0 - товщина прокладки;

коефіцієнт податливості фланця;

де h=35 мм - товщина фланця [2, c.233]

Ψ_{2 -} коефіцієнт з графіка мал.13.17 [2, c.268];

α=10,53×10⁶× [8,03×10^-8+0,25× (1,89×10^-7+1,89×10^-7) × (1490-1445)] =0,46 - коефіцієнт жорсткості фланцевого з’єднання;=35 МПа - питомий тиск прокладки табл.13.28 [2, c.265];

[σ_б] =196 МПа - допустиме напруження для матеріалу болтів при 180˚ С

[2, c.12];

Отже, осьове зусилля при зборці фланцевого з’єднання приймаємо Р_б1 = 1,09×10⁶ Н.

Болтове навантаження в робочих умовах:

Матеріал шпильок - сталь 35.

Допустиме напруження на розтяг при 20^оС [σ] ₂₀^о=230 н/мм², при 180^оС - [σ] ₁₂₀^о=225 н/мм².

Приведені згинаючі моменти в діаметральному перерізі фланця:

Отже, приведений згинаючий момент приймаємо рівним 82×10⁶ Н×мм.

Умова міцності шпильок перевіряється по двох рівняннях з умови затягування фланцевого з’єднання та з умов експлуатації:

де [σ_б²⁰] =147 МПа - допустиме напруження для матеріалу шпильок [2, c.11]

[σ_б^t] =139 МПа - допустиме напруження для матеріалу шпильок [2, c.11]

Так як одна з умов не виконується, збільшуємо число болтів кратне 4.

Умова виконується. Крутний момент на ключі при затягуванні болтів визначаємо за графіком М_кр=0,25×10³ МН×м. [2, c.271]

Умова міцності прокладки

де [q] =130 МПа [2, c.265]

Визначаємо напруження в фланці за формулою:

 [2, c.272]

де Т=1,88 - коефіцієнт, який визначається з графіку мал.13.16 [2, c.268] в залежності від відношення D₁/D=1448/1400=1,03; Максимальне напруження в фланці в перерізі S₀ визначаємо за формулою:

σ₀=ψ₃×σ₁=1×68,1=68,1 МПа [2, c.269]

де f=1 коефіцієнт, який визначається з графіку мал.13.18 [2, c.269] в залежності від співвідношень

Колове напруження в кільці фланця визначаємо за формулою:

Напруження у втулці від внутрішнього тиску визначаємо за формулою:

,

Умова міцності в перерізі S₁ має вигляд:

де [σ₁] =σ_{t -} для перерізу S₁ σ_t = 200 МПа [2, c.47]

Умова виконується.

Умова міцності в перерізі S₀ має вигляд:

де φ = 1 - коефіцієнт міцності зварного шву;

[σ₀] =0,003×Е=0,003×2,15×10⁵=645 МПа.

Умова виконується.

Умова герметичності фланцевого з’єднання має вигляд:

де θ - кут повороту фланця, рад.;

[θ] =0,009 рад - допустимий кут повороту фланця;

Умова виконується.

2.2.5 Розрахунок опори

Навантаження на одну опору

Осьове напруження від внутрішнього тиску Р і згинаючого моменту М визначається за формулою:

σ_mох=рD/ (4s_o) +4M/ (πD ²s_o),

де М=0, тоді формула буде мати наступний вигляд:

σ_mох=рD/4s_o =1,2×1,6/ (4×0,008) =60 МПа.

Колова напруга від внутрішнього тиску:

σ_m0y=рD/2s_o =1,2×1,6/ (2×0,008) =120 МПа.

Максимальна мембранна напруга від основних навантажень визначається з співвідношення:

σ_m0 =max{σ_m0х; σ_m0y}={60; 120} МПа.

Максимальна мембранна напруга від основних навантажень і реакції опори визначається за формулою:

σ_m =σ_m0 + (К₁Qe) / (Ds₀),

де коефіцієнт К₁ приймається в залежності від параметрів g=D/ (2s_o) i h/D (h - висота опори),

g=1600/ (2×8) =100 і 620/1600=0,38; К₁=0,2.

де е=0,5× (b+f_max+s₀+s_з) =0,5× (520+280+10) =260

_max, b - визначаємо по табл.14.1 [2];₀=s-с-с₁ - товщина стінки апарату в кінці терміну експлуатації;- товщина стінки апарату;

с - добавка на компенсацію корозії;

с₁ - добавка додаткова.

σ_m =100+ (0,2×250×410) / (1600×8) =100,2 МПа.

Максимальне напруження згину від реакції опори визначається за формулою:

σ_згин. = (К₂×Qe) / (hs_o ²), [2, c.291]

К₂ приймається по графіку в залежності від тих самих параметрів g і h/D, K₂=0,4.

σ_згин. = (0,4×250×410) / (620×8²) =101,53 МПа.

Умова міцності:

(σ_m /σ_т) ² + (0,8/А) × (σ_згин. /σ_т) ≤ 1;

де А=1,0 - для умов експлуатації [2, c.292].

(100,2/350) ²+ (0,8/1,0) × (101,53/350) ≤1; 0,314≤1.

Як бачимо умова міцності виконується.

Література

1.       Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Дытнерского Ю.И. - М.: Химия, 1983. - 272 с.

2.       Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. - Л.: Машиностроение, 1970. - 752 с.

.        Генкин А.Э. Оборудование химических заводов. - М.: Высшая школа, 1970. - 352 с.

.        Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия. - 1976. - 552 с.

.        Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. - Л.: Химия, 1968. - 847 с.