Расчет насадочного абсорбера. 9

Задание

 

Рассчитать элементы конструкции  абсорбера с насадкой по главным критериям работоспособности (надежности, прочности, герметичности, устойчивости, жесткости, виброустойчивости)   при воздействии на них соответствующих  напряжений.

В процессе заполнения задания изложить конструкцию и работу аппарата, особенности выбора и использования отдельных конструктивных элементов, теоретические основы расчета аппарата, способы изготовления, правила Госгортехнадзора

Исходные данные:

 

Среда

0,5

0,1

1,0

1,8

1,0

атм

15

700

0,4

10

0,01

неагр.


 

Марка стали для выбора: 16ГС, ВСт.3пс, 12ХМ, 12Х18Н10Т, Ст.20, 20К

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание 

 

Аннотация ……………………………………………………………

Введение ………………………………………………………………

    1. Литературный обзор ………………………………………………
    2. Назначение, конструкция и устройство аппарата ………………..
    3. Выбор конструкционных материалов аппарата …………………..
    4. Расчет на прочность основных конструктивных 

элементов аппарата

4.1 Определение расчетного  давления, расчетной 

температуры, допускаемого напряжения, коэффициентов

прочности сварных швов, конструктивных прибавок на

коррозию и эрозию ……………………………………………….

4.2 Расчет корпуса,  днища и крышки………………………………...

4.3 Выбор оптимального варианта конструкции фланцев,

формы привалочной поверхности, материала прокладок ………

    1. Расчет узла сопряжения оболочек
    1. Требования к испытаниям аппарата и правила

Госгортехнадзора………………………………………………………

    1. Проверочные расчеты на прочность деталей с

использованием ЭВМ…………………………………………………..

Заключение ……………………………………………………………….

Список использованной литературы …………………………………….

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аннотация

 

В данной курсовой работе произведены расчеты элементов  конструкции абсорбера с насадкой по главным критериям работоспособности (надежности, прочности, герметичности, устойчивости, жесткости, виброустойчивости)   при воздействии на них соответствующих напряжений.

В процессе заполнения задания  были изложены: конструкция и работа аппарата, особенности выбора и использования отдельных конструктивных элементов, теоретические основы расчета аппарата, способы изготовления, правила Госгортехнадзора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение 

 

Целью механического  расчета химического и нефтехимического оборудования является определение размеров отдельных элементов, обеспечивающих безопасную эксплуатацию машин и аппаратов за счет достаточной механической прочности, плотности разъемных соединений, устойчивости к сохранению формы и необходимой долговечности.

Конструкция аппарата должна предусматривать возможность внутреннего осмотра, очистки, промывки и продувки. Внутренние устройства, препятствующие осмотру, должны быть съемными. Рубашки допускается выполнять приварными. Аппараты должны иметь люки-лазы для внутреннего осмотра, расположенные в удобных для обслуживания местах. При наличии у аппарата съемных крышек или днищ и фланцевых штуцеров, обеспечивающих возможность внутреннего осмотра, лазы и люки в аппаратах не обязательны. Кожухотрубчатые теплообменники (за исключением испарителей с паровым пространством), а также аппараты с рубашкой для криогенных жидкостей допускается выполнять без лазов.

Для возможности проведения гидроиспытаний аппарат должен иметь  штуцера для наполнения и слива  воды, а также для поступления  и удаления воздуха (можно использовать технологические). На вертикальных аппаратах эти штуцера должны быть расположены с учетом возможности гидроиспытаний в горизонтальном положении.

Для подъема и установки  аппарата на нем требуется предусмотреть  строповые устройства. Допускается  для этих целей использовать имеющиеся  на аппарате элементы (горловины, штуцера, уступы и др.), если прочность их при этом не вызывает сомнений, что должно быть проверено расчетом.

Специфические условия  эксплуатации химического оборудования, характеризуемые широким диапазоном давлений и температур при агрессивном воздействии среды, определяют следующие основные требования к конструкционным материалам:

- высокая химическая  и коррозионная стойкость материалов  в агрессивных средах при рабочих параметрах;

- высокая механическая  прочность при заданных рабочих  давлениях, температуре и дополнительных нагрузках, возникающих при гидравлических испытаниях и в период эксплуатации аппаратов;

- хорошая свариваемость  материалов с обеспечением высоких  механических свойств сварных соединений;

- низкая стоимость  и недефицитность материалов.

Работоспособность материала  оценивается критериями: прочностью, жесткостью, устойчивостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью.

Критерий прочности  предполагает три ее вида: статическую, циклическую и контактную.

На статическую прочность рассчитывают:

а) аппараты под постоянным внутренним давлением;

б) быстровращающиеся  диски и оболочки;

в) элементы машин и  аппаратов, находящиеся под постоянной нагрузкой.

На циклическую прочность  рассчитывают детали, находящиеся под  переменной нагрузкой (валы, зубчатые колеса, пружины и т.п.).

На контактную прочность  рассчитываются такие элементы машин  и аппаратов, как пара бандаж-ролик, кулачок-толкатель и т.д.

Критерий жесткости  является основным для таких элементов, как рамы, корпусные детали машин, нагружаемые статически, валы передач и т. д.

Критерий устойчивости учитывается при расчете оболочек, нагруженных наружным давлением или сосредоточенными силами, при расчете длинных штоков, стержней, стоек и т.п.

Критерий износостойкости  используют при выборе деталей, подверженных ударным и истирающим воздействиям, например деталей дробилок и мельниц.

Критерий химической и коррозионной стойкости является основным при выборе конструкционного материала. Обычно выбирается материал, абсолютно или достаточно стойкий в среде при ее рабочей температуре и концентрации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Литературный обзор.

 

Абсорбцией называют процесс поглощения газов или  паров из газовых или парогазовых  смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию. При физической абсорбции растворение газа в жидкости не сопровождается химической реакцией или, по крайней мере, влиянием этой реакции на скорость процесса можно пренебречь. Вследствие этого физическая абсорбция не сопровождается тепловым эффектом. Если в этом случае начальные потоки газа и жидкости незначительно различаются по температуре, то такую абсорбцию можно рассматривать как изотермическую. С этого наиболее простого случая начнем рассмотрение расчета процесса абсорбции.

При физической абсорбции  поглощаемый газ (абсорбтив) не взаимодействует  химически с абсорбентом. Если же абсорбтив образует с абсорбентом  химическое соединение, то процесс  называется хемосорбцией.

Физическая абсорбция  в большинстве случаев обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощённого газа из раствора.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно .применять  поглотитель, а выделить поглощенный компонент в чистом виде. Во многих случаях проводить десорбцию не обязательно, так как абсорбент и абсорбтив представляют собой дешевые или отбросные продукты, которые после абсорбции можно вновь не использовать (например, при очистке газов).

В промышленности процессы абсорбции  применяются главным образом для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от вредных примесей.

Абсорбционные процессы широко распространены в химической технологии и являются основной технологической стадией ряда важнейших производств (абсорбция NH3).

Кроме того, абсорбционные процессы являются основными процессами при санитарной очистке выпускаемых в атмосферу отходящих газов от вредных примесей.

 

Аппараты, в которых  осуществляются абсорбционные процессы, называют абсорберами. Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхности абсорберы можно условно разделить на следующие группы:

1) поверхностные и пленочные;

2) насадочные;

3) барботажные (тарельчатые).

Следует отметить, что  аппараты большинства конструкций, приводимых ниже, весьма широко применяются  и для проведения других массообменных  процессов.

Поверхностные и пленочные  абсорберы. В абсорберах этого типа поверхностью соприкосновения фаз является зеркало неподвижной или медленно движущейся жидкости, или же поверхность текущей жидкой пленки.

 

Рисунок   Поверхностный  абсорбер

 

Поверхностные абсорберы. Эти абсорберы используют для  поглощения хорошо растворимых газов (например, для поглощения хлористого водорода водой).

В указанных аппаратах  газ проходит над поверхностью неподвижной  или медленно движущейся жидкости. Так как поверхность соприкосновения  в таких абсорберах мала, то устанавливают  несколько последовательно соединенных аппаратов, в которых газ и жидкость движутся противотоком друг к другу.

Для того чтобы жидкость перемещалась по абсорберам самотеком, каждый последующий по ходу жидкости аппарат располагают несколько  ниже предыдущего. Для отвода тепла, выделяющегося при абсорбции, в аппаратах устанавливают змеевики, охлаждаемые водой или другим охлаждающим агентом, либо помещают абсорберы в сосуды с проточной водой.

 

 

 

 

Рисунок    Оросительный абсорбер

1 – элемент абсорбера, 2 – сливные пороги

 

Более совершенным аппаратом  такого типа является абсорбер, состоящий  из ряда горизонтальных труб, орошаемых  снаружи водой. Необходимый уровень  жидкости в каждом элементе 1 такого аппарата поддерживается с помощью  порога 2.

 

 

Рисунок  Пластинчатый абсорбер

1 – каналы для прохождения  газа и абсорбента, 2 – каналы  для протекания охлаждающего  агента

 

Пластинчатый абсорбер  состоит из двух систем каналов: по каналам 1 большого сечения движутся противотоком газ и абсорбент, по каналам 2 меньшего сечения — охлаждающий агент (как правило, вода). Пластинчатые абсорберы обычно изготавливаются из графита, так как он является химически стойким материалом, хорошо проводящим тепло.

Поверхностные абсорберы  имеют ограниченное применение вследствие их малой эффективности и громоздкости.

Пленочные абсорберы. Эти  аппараты более эффективны и компактны, чем поверхностные абсорберы. В  пленочных абсорберах поверхностью контакта фаз является поверхность  текущей пленки жидкости. Различают  следующие разновидности аппаратов  данного типа:

1) трубчатые абсорберы;

2) абсорберы с плоско-параллельной  или листовой насадкой;

3) абсорберы с восходящим  движением пленки жидкости.

 

Рисунок  Трубчатый  абсорбер

1 – трубная решетка, 2 -трубы

 

Трубчатый абсорбер сходен по устройству с вертикальным кожухотрубчатым теплообменником. Абсорбент поступает на верхнюю трубную решетку 1, распределяется по трубам 2 и стекает по их внутренней поверхности в виде тонкой пленки. В аппаратах с большим числом труб для более равномерной подачи и распределения жидкости по трубам используют специальные распределительные устройства. Газ движется по трубам снизу вверх навстречу стекающей жидкой пленке. Для Отвода тепла абсорбции по межтрубному пространству пропускают воду или другой охлаждающий агент.

 

Рисунок  Абсорбент с плоскопараллельной насадкой.

1 – листовая насадка, 2 – распределительное устройство.

 

Абсорбер с плоскопараллельной насадкой. Этот аппарат представляет собой колонну с листовой насадкой 1 в виде вертикальных листов из различного материала (металл, пластические массы и др.) или туго натянутых полотнищ из ткани. В верхней части абсорбера находятся распределительные устройства 2 для равномерного смачивания листовой насадки с обеих сторон.

 

Рисунок  Абсорбент  с восходящим режимом движения жидкой пленки

1 – трубы, 2 – трубчатая  решетка, 3 – камера, 4 – патрубок  для подачи газа, 5 – щель для  подачи абсорбента.

 

Абсорбере восходящим движением  пленки состоит из труб 1, закрепленных в трубных решетках 2. Газ из камеры 3 проходит через патрубки 4, расположенные соосно с трубами 1. Абсорбент поступает в трубы через щели 5. Движущийся с достаточно большой скоростью газ увлекает жидкую пленку в направлении своего движения (снизу вверх), т. е. аппарат работает в режиме восходящего прямотока. По выходе из труб 1 жидкость сливается на верхнюю трубную решетку и выводится из абсорбера. Для отвода тепла абсорбции по межтрубному пространству пропускают охлаждающий агент. Для увеличения степени извлечения применяют абсорберы такого типа, состоящие из двух или более ступеней, каждая из которых работает по принципу прямотока, в то время как в аппарате в целом газ и жидкость движутся противотоком друг к другу. В  аппаратах с восходящим движением пленки вследствие больших скоростей газового потока (до 30—40 м/сек) достигаются высокие значения коэффициентов массопередачи, но, вместе с тем, гидравлическое сопротивление этих аппаратов относительно велико.

Барботажные (тарельчатые) абсорберы. Тарельчатые абсорберы представляют собой, как правило, вертикальные колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга размещены   горизонтальные  перегородки — тарелки. С помощью тарелок осуществляется направленное движение фаз и многократное взаимодействие жидкости и газа.

В настоящее время  в промышленности применяются разнообразные конструкции тарельчатых аппаратов.

 

Рисунок   Тарельчатая  колонна со сливными устройствами

1 – тарелка, 2 – сливные  устройства

 

Тарельчатые колонны  со сливными устройствами. В этих колоннах перелив жидкости с тарелки на тарелку осуществляется при помощи специальных устройств — сливных трубок, карманов и т. п. Нижние концы трубок погружены в стакан на нижерасположенных тарелках и образуют гидравлические затворы, исключающие возможность прохождения газа через сливное устройство.

Принцип работы колонн такого типа виден из рисунка, где в качестве примера показан абсорбер с ситчатыми тарелками. Жидкость поступает на верхнюю тарелку 1, сливается с тарелки на тарелку через переливные устройства 2 и удаляется из нижней части колонны. Газ поступает в нижнюю часть аппарата, проходит последовательно сквозь отверстия или колпачки каждой тарелки. При этом газ распределяется в виде пузырьков и струй в слое жидкости на тарелке, образуя на ней слой пены, являющийся основной областью массообмена и теплообмена на тарелке. Отработанный газ удаляется сверху колонны.

Переливные трубки располагают  на тарелках таким образом, чтобы  жидкость на соседних тарелках протекала  во взаимнопротивоположных направлениях. За последнее время все шире применяют  сливные устройства в виде сегментов, вырезанных в тарелке и ограниченных порогом — переливом.

К тарелкам со сливными устройствами относятся: ситчатые, колпач-ковые, клапанные  и балластные, пластинчатые и др.

Гидродинамические режимы работы тарелок. Эффективность тарелок  любых конструкций в значительной степени зависит от гидродинамических режимов их работы.

В зависимости от скорости газа и плотности орошения различают  три основных гидродинамических  режима работы барботажных тарелок:

    • пузырьковый,
    • пенный,
    • струйный, или инжекционный.

Эти режимы отличаются структурой барботажного слоя, которая в основном определяет его гидравлическое сопротивление  и высоту, а также поверхность  контакта фаз.

Пузырьковый режим. Такой  режим наблюдается при небольших  скоростях газа, когда он движется сквозь слой жидкости в виде отдельных пузырьков. Поверхность контакта фаз на тарелке, работающей в пузырьковом режиме, невелика.

Пенный режим. С увеличением  расхода газа выходящие из отверстия  и прорези отдельные пузырьки сливаются в сплошную струю, которая на определенном расстоянии от места истечения разрушается вследствие сопротивления барботажного слоя с образованием большого количества пузырьков. При этом на тарелке возникает газо-жидкостная дисперсная система — пена, которая является нестабильной и разрушается сразу же после прекращения подачи газа. В указанном режиме контактирование газа и жидкости происходит на поверхности пузырьков и струй газа, а также на поверхности капель жидкости, которые в большом количестве образуются над барботажным слоем при выходе пузырьков газа из барботажного слоя и разрушении их оболочек. При пенном режиме поверхность контакта фаз на барботаж-ных тарелках максимальна.

Струйный (инжекционный) режим. При дальнейшем увеличении скорости газа длина газовых струй увеличивается, и они выходят на поверхность барботажного слоя, не разрушаясь и образуя большое количество крупных брызг. Поверхность контакта фаз в условиях такого гидродинамического режима резко снижается.

Следует отметить, что  переход от одного режима к другому  происходит постепенно. Общие методы расчета границ гидродинамических режимов (критических точек) для барботажных тарелок отсутствуют. Поэтому при проектировании тарельчатых аппаратов обычно расчетным путем определяют скорость газа, соответствующую нижнему и верхнему пределам работы тарелки, и затем выбирают рабочую скорость газа.

 

 

 

 

 

 

Рисунок   Ситчатая тарелка

а – схема устройства колонны, б – схема работы тарелки, 1 – корпус, 2 – тарелка, 3 – переливная труба, 4 – стакан.

 

Ситчатые тарелки. Колонна  с ситчатыми тарелками (рис. XI-18) представляет собой вертикальный цилиндрический корпус 1 с горизонтальными тарелками 2, в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительное число отверстий диаметром 1—5 мм. Для слива жидкости и регулирования ее уровня на тарелке служат переливные трубки 3, нижние концы которых погружены в стаканы 4.

Газ проходит сквозь отверстия  тарелки и распределяется в жидкости в виде мелких струек и пузырьков. При слишком малой скорости газа жидкость может просачиваться (или  «проваливаться») через отверстия тарелки на нижерасположенную, что должно привести к существенному снижению интенсивности массопередачи. Поэтому газ должен двигаться с определенной скоростью и иметь давление, достаточное для того, чтобы преодолеть давление слоя жидкости на тарелке и предотвратить стекание жидкости через отверстия тарелки.

Ситчатые тарелки отличаются простотой устройства, легкостью  монтажа, осмотра и ремонта. Гидравлическое сопротивление этих тарелок невелико. Ситчатые тарелки устойчиво работают в довольно широком интервале скоростей газа, причем в определенном диапазоне нагрузок по газу и жидкости эти тарелки обладают высокой эффективностью. Вместе с тем ситчатые тарелки чувствительны к загрязнениям и осадкам, которые забивают отверстия тарелок. В случае внезапного прекращения поступления газа или значительного снижения его давления с ситчатых тарелок сливается вся жидкость, и для возобновления процесса требуется вновь запускать колонну.

Разновидностью абсорберов с ситчатыми тарелками являются так называемые пенные абсорберы, тарелки которых, отличаются от ситчатых конструкцией переливного устройства. При одинаковом числе тарелок эффективность пенных аппаратов выше, чем эффективность абсорберов с ситчатыми тарелками. Однако вследствие большой высоты пены на тарелках гидравлическое сопротивление пенных абсорберов значительно, что ограничивает область их применения.

 

Рисунок     Схема  работы колпачковой тарелки:

1 – тарелка, 2 – газовые  патрубки, 3 – колпачки, 4– сливные  трубки

 

Колпачковые тарелки. Менее чувствительны к загрязнениям, чем колонны с ситчатыми тарелками, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны с колпачковыми тарелками. Газ на тарелку 1 поступает по патрубкам 2, разбиваясь затем прорезями колпачка 3 на большое число отдельных струй. Прорези колпачков наиболее часто выполняются в виде зубцов треугольной или прямоугольной формы. Далее газ проходит через слой жидкости, перетекающей по тарелке от одного сливного устройства 4 к другому. При движении через слой значительная часть мелких струй распадается и газ распределяется в жидкости в виде пузырьков. Интенсивность образования пены и брызг на колпачковых тарелках зависит от скорости движения газа и глубины погружения колпачка в жидкость.

 

 

Рисунок    Схема  работы колпачка при неполном (а) и неполном (б) открытии прорезей:

1 – тарелка, 2 – колпачок, 3 – газовый патрубок

 

На схеме работы колпачка при неполном (а) и полном (б) открытии прорезей, причем в последнем случае колпачок работает наиболее эффективно. Сечение и форма прорезей колпачка имеют второстепенное значение, но желательно устройство узких прорезей, так как при этом газ разбивается на более мелкие струйки, что способствует увеличению поверхности соприкосновения фаз. Для создания большей поверхности контакта фаз на тарелках обычно устанавливают значительное число колпачков, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга.

 

 

Рисунок    Колпачковая  тарелка с различными переливами жидкости:

а — радиальный перелив; 1 — диск; 2 — прокладка; 3 — болты; 4 — опорное кольцо; 5 — колпачки; 6 — периферийные  переливные трубки; 7 — центральная сливная трубка;

б — диаметральный  перелив; 1 —диск; 2 — опорный лист; 3 — приемный порог; 4 — сливной  порог; 5 — сменная гребенка; б  — перегородка; 7 — колпачки.

 

Колпачковые тарелки изготовляют с радиальным или диаметральным переливами жидкости. Тарелка с радиальным переливом жидкости (а) представляет собой стальной диск 1, который крепится на прокладке 2 болтами 3 к опорному кольцу 4. Колпачки 5 расположены на тарелке в шахматном порядке. Жидкость переливается на лежащую ниже тарелку по периферийным сливным трубкам 6, движется к центру и сливается на следующую тарелку по центральной трубке 7, затем снова течет к периферии и т. д.

Тарелка с диаметральным  переливом жидкости (б) представляет собой срезанный с двух сторон диск 1, установленный на опорном листе 2. С одной стороны тарелка ограничена приемным порогом 5, а с другой — сливным порогом 4 со сменной гребенкой 5, при помощи которой регулируется уровень жидкости на тарелке. В тарелке этой конструкции периметр слива увеличен путем замены сливных трубок сегментообразными отверстиями, ограниченными перегородками 6, что снижает вспенивание жидкости при ее переливе.

 

 

Рисунок    Устройство капсульного колпачка:

1 – паровой патрубок, 2 – тарелка, 3 – поперечная планка, 4 – болт, 5 – колпачок.

 

На данном рисунке  показана распространенная конструкция  штампованного капсюльного колпачка. Он состоит из патрубка 1, который  развальцован в отверстии тарелки 2, и планки 3, приваренной к верхней части патрубка. К планке с помощью болта 4 крепится колпачок 5 диаметром 80—150 мм, закрепляемый на требуемой высоте контргайкой.

Колпачковые тарелки  устойчиво работают при значительных изменениях нагрузок по газу и жидкости. К их недостаткам следует отнести сложность устройства и высокую стоимость, низкие предельные нагрузки по газу, относительно высокое гидравлическое сопротивление, трудность очистки. Поэтому колонны с колпачковыми тарелками постепенно вытесняются новыми, более прогрессивными конструкциями тарельчатых аппаратов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Назначение, конструкция и устройство аппарата

 

Аппарат предназначен для поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

Расчет насадочного абсорбера. 9