Материал: основы проектирования хим произв дворецкий

Второй способ – расчет на одну операцию для периодического процесса и часовую производительность – для непрерывного. В этом случае получают реальные загрузки в аппараты и объемы реакционных масс.

Материальный баланс является базой для составления теплового баланса, который выполняется на основании закона сохранения энергии:

∑Qн + Qр = ∑Qк +Qп,

где ∑Qн − количество теплоты, поступающее в аппарат; Qр − тепловой эффект процесса; ∑Qк − количество теплоты, выносимое из аппарата; Qп − те-

пловые потери в окружающую среду.

После составления материального и теплового балансов для всех технологических стадий проводят расчет конструктивных размеров и подбор технологического оборудования, необходимого для обеспечения заданной производительности по готовому продукту. При этом должны быть известны кинетические закономерности гидромеханических, тепловых, массообменных и химических процессов, которые могут быть сформулированы в виде общего закона: скорость процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению.

1. Для движения потоков материалов (жидкости или газа) через аппарат

dV = P =

Sdτ R1 K1 P ,

где V – объем протекающей жидкости; S − площадь сечения аппарата; τ − время; R1 − гидравлическое сопротивление; K1 − коэффициент скорости процесса;

P− перепад давления в аппарате. 2. Для переноса тепла

где M – количество вещества, перенесенного из одной фазы в другую; S − поверхность контакта фаз; R3 − диффузионное сопротивление; K3 =1R3 − коэф-

фициент массопередачи; C − разность между равновесной и рабочей концентрациями вещества в фазах.

4. Для химических превращений

VddMτ = K4 ϕ(c),

где M – количество прореагировавшего в химическом процессе вещества; V − объем реактора (аппарата); K4 − коэффициент скорости химического процесса; ϕ(с) − движущая сила процесса; с − вектор концентраций реагирующих ве-

ществ.

В общем случае расчет процессов и аппаратов химических и биотехнологий проводят в определенной последовательности:

1)на основании закона сохранения материи (энергии) составляют уравнения материального (теплового) баланса процесса и определяют количество субстанции G, перерабатываемой в единицу времени;

2)с использованием законов термодинамики определяют направление течения процесса и условия термодинамического равновесия;

3)по величинам, характеризующим рабочие и равновесные параметры,

определяют движущую силу процесса f;

4)на основании законов кинетики определяют коэффициент скорости процесса K;

5)по полученным данным рассчитывают основной конструктивный размер аппарата

d = KGf .

Нахождение численных значений и является самой сложной частью расчета технологических аппаратов. При этом необходимо обоснованно решать вопросы масштабного перехода – распространения данных, полученных в лабораторных исследованиях, на промышленные объекты.

Мощным средством ускорения разработки новых химико-технологических процессов и аппаратов является математическое моделирование. Оно характеризуется системным подходом к процессу, т.е. разбивкой его на элементарные уровни, составлением его иерархических (многоуровневых) моделей. С помощью построенных моделей на ЭВМ исследуют, оптимизируют и проектируют новые прогрессивные технологические процессы и оборудование. Следует отметить в заключение, что на нынешнем уровне прикладной гидродинамики составить полную математическую модель технологического процесса, учитывающую масштабный фактор, без экспериментов на крупномасштабном аппарате пока невозможно. Следовательно, невозможно решить вопросы масштабного перехода при помощи только математического моделирования. Оно должно сочетаться с гидродинамическим моделированием. При этом математическое моделирование должно дать идеал промышленного аппарата, а гидромоделирование призвано помочь реально приблизиться к этому идеалу. Таким образом, в настоящее время сочетание двухуровневых лабораторных исследований новой технологии

с гидродинамическим моделированием промышленной аппаратуры и математическим моделированием процесса в целом является кратчайшим путем разработки новых процессов и аппаратов химической и биотехнологии.

3.3.2. ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

ИМЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ

Вэтом разделе приводятся сведения по составу перерабатываемой среды, виду коррозии, склонности конструкционных материалов к старению, стойкости их к действию тепловых ударов, стабильности структуры материала при термическом и механическом воздействии, степени чистоты поверхности, стоимости и дефицита материала.

Определяя коррозионную стойкость материала в данной коррозионной среде, необходимо указать глубинный показатель коррозии и произвести оценку стойкости материала по десятибалльной шкале.

Затем, определив принадлежность материала к группе, дать рекомендации по защите его от коррозии.

При выборе методов защиты оборудования от коррозии необходимо учитывать простоту, надежность и экономичность выбранного способа защиты материала.

Расчет всех нагруженных элементов производится по соответствующим ГОСТам, отраслевым нормалям химического и нефтяного машиностроения.

Различают проектные и поверочные расчеты на прочность. При выполнении проектных расчетов (при разработке новых агрегатов) искомыми являются размеры отдельных элементов – толщины стенок, днищ, диаметры болтов и т.п.; проектные расчеты элементов сочетают с их конструированием.

Поверочные расчеты на прочность служат для определения возникающих

вэлементах напряжений и сравнения их с допускаемыми при заданных условиях эксплуатации.

ГОСТ 14249−80 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность» устанавливает нормы и методы расчета на прочность цилиндрических обечаек, конических элементов, днищ и крышек сосудов и аппаратов из углеродистых и легированных сталей, применяемых в химической, нефтеперерабатывающей и смежных отраслях промышленности и работающих в условиях однократных и многократных статических нагрузок под внутренним избыточным давлением, вакуумом или наружным избыточным давлением и под действием осевых, поперечных усилий и изгибающих моментов. Указанный стандарт устанавливает также значения допускаемых напряжений, модулей продольной упругости и коэффициентов прочности сварных швов. Нормы и методы расчета на прочность применимы при соблюдении правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением, утвержденных Госгортехнадзором, и при условии, что отклонения от геометрической формы и неточности изготовления рассчитываемых элементов сосудов и аппаратов не превышают допусков, установленных нормативно-технической документацией.

Физико-химические характеристики конструкционных материалов и допускаемые напряжения определяют по расчетной температуре, которую находят на основании тепловых расчетов или по результатам испытаний. При положительных температурах за расчетную температуру стенки аппарата принимают наибольшее значение температуры стенки, при отрицательной (при определении допускаемых напряжений) – температуру 20 °С.

Под рабочим давлением для сосуда и аппарата понимают максимальное внутреннее избыточное или наружное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса, без учета гидростатического давления среды и без учета допускаемого кратковременного повышения давления во время действия предохранительного устройства. Под расчетным давлением р в рабочих условиях для элементов сосудов и аппаратов понимают давление, при котором их рассчитывают на прочность. Расчетное давление, как правило, равно рабочему или больше его. Если давление в сосуде или аппарате во время действия предохранительных устройств повышается более чем на 10% по сравнению с рабочим, то элементы аппарата следует рассчитывать на давление, равное 90% давления при полном открытии предохранительного устройства. Если на элемент сосуда или аппарата действует давление, составляющее 5% рабочего и более, то расчетное давление для этого элемента следует увеличить на эту величину.

Под пробным давлением понимают давление, при котором производят испытания сосуда или аппарата, а под расчетным давлением в условиях испытаний для элементов сосудов или аппаратов – давление, которому их подвергают во время пробного испытания.

Сосуды и аппараты рассчитывают на прочность по предельным нагрузкам, причем статически однократной нагрузкой условно считают и такие, при которых число циклов нагружения от давления, стесненности температурных деформаций или других воздействий не превышает 103. При определении числа циклов нагружения не учитывают колебание нагрузки в пределах 15% расчетной. При числе циклов нагружения свыше 103 выполняют проверку по пределу выносливости.

Расчетная толщина стенки гладкой цилиндрической обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением, равна

sR = pD(2[σ]ϕp − p),

где p − расчетное избыточное давление; D − внутренний диаметр обечайки; ϕp − коэффициент прочности сварного шва.

Исполнительную толщину рассчитывают по формуле

s ≥ sR + c.

Прибавка

c = c1 +c2 + c3,

где c1 − прибавка для компенсации коррозии и эрозии; c2 − прибавка для компенсации минусового допуска; c3 − технологическая прибавка, учитываемая предпри-

ятием-изготовителем при разработке рабочих чертежей для компенсации утонения стенки сосуда при вытяжке, штамповке и других технологических операциях.

Прибавка для компенсации коррозии c1 = Пτа,

где П − проницаемость материала, мм; τа − принятый срок службы аппарата; при П ≤ 0,05 мм/год принимают с1 =1 мм; для материалов, стойких в заданной среде, при отсутствии данных о проницаемости рекомендуют с1 = 2 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление

Эти расчетные формулы применимы при отношении толщины стенки к диаметру (s − c)D ≤ 0,1 для обечаек и труб при D ≥ 200 мм и (s − c)D ≤ 0,3 при

D < 200 мм; при этом расчетные температуры не должны превышать значений, при которых возникает ползучесть материалов.

Толщину sR стенки обечайки, нагруженной наружным давлением, рассчи-

тывают по методике ГОСТ 14249−80 с помощью номограммы. Допускаемое наружное давление

Из условия прочности допускаемое давление [p]p определяют по выражению (1), а из условия устойчивости в пределах упругости – по формуле

Если проектируемое оборудование подведомственно Госгортехнадзору, то производится дополнительно поверочный расчет основных элементов по методике этой организации. Выполнение расчетов в записке должно начинаться со ссылки на номер чертежа оборудования и сопровождаться вычерчиванием схем приложения нагрузок, эпюр сил и т.п.

3.3.3. ПОДБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ИЛИ ЕГО РАЗРАБОТКА

Подобранное технологическое оборудование должно обеспечить заданную мощность производства при условии его нормальной эксплуатации. С учетом затрат времени на капитальный ремонт продолжительность работы технологиче-