СЕПАРАЦИОННАЯ КАМЕРА ВЫПАРНОГО АППАРАТА

Изобретение относится к сепарационным камерам выпарных аппаратов, которые применяются для отделения пара от упариваемого раствора.

Известна конструкция сепарационной камеры выпарного аппарата, включающая гладкую цилиндрическую обечайку, эллиптическое и коническое днища, каплеулавливатель, которая является основной составной частью выпарного аппарата с естественной циркуляцией, вынесенной греющей камерой и кипением раствора в трубках (Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования. Том 2, 2-е издание, Калуга, 2002, стр.756).

Недостатком такой сепарационной камеры является отсутствие колец жесткости, установленных на цилиндрической обечайке. Установка колец жесткости может существенно снизить металлоемкость обечайки и, как следствие, нагрузку на фундамент, при нагружении обечайки наружным давлением (разрежением), когда возможны потеря прочности и потеря устойчивости.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является сепарационная камера выпарного аппарата, подкрепленная кольцами жесткости, которая является основной составной частью выпарного аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной зоной кипения для выпаривания некристаллизирующихся растворов (РД 26-01-166-88 Аппараты выпарные с естественной циркуляцией для растворов, содержащих твердую фазу. Метод теплового, гидродинамического и конструктивного расчетов. Черт.1), включающая цилиндрическую обечайку, эллиптическое и коническое днища, каплеулавливатель и кольца жесткости, установленные на цилиндрической обечайке и имеющие в поперечном сечении прямоугольный профиль.

Недостатками такой конструкции являются недостаточная эффективность использования колец жесткости и, как следствие, повышенная металлоемкость аппарата и неоправданно высокие капитальные затраты. В первую очередь, это связано с отсутствием данных по выбору рациональных соотношений высоты и ширины поперечного сечения колец жесткости, установленных на сепарационной камере, их количества и выбору рациональных соотношений толщины стенки цилиндрической обечайки сепарационной камеры к ширине кольца жесткости, при которых обеспечиваются условия прочности и устойчивости обечайки при минимальных капитальных затратах.

Цель изобретения: уменьшить металлоемкость и капитальные затраты на производство сепарационной камеры выпарного аппарата, работающего под разрежением.

Указанная цель достигается за счет того, что предложенная конструкция сепарационной камеры выпарного аппарата, в отличие от известной, включающей цилиндрическую обечайку, эллиптическое и коническое днища, каплеулавливатель и кольца жесткости, установленные на цилиндрической обечайке и имеющие в поперечном сечении прямоугольный профиль, имеют расстояние между кольцами жесткости от 1400 мм до 2100 мм, отношение высоты к ширине поперечного сечения кольца жесткости находится в пределе от 8 до 9, отношение толщины стенки обечайки к ширине кольца жесткости находится в пределе от 0,9 до 1,1.

На фиг.1 изображена сепарационная камера выпарного аппарата, подкрепленная кольцами жесткости.

Сепарационная камера выпарного аппарата содержит цилиндрическую обечайку 1, эллиптическое днище 2, коническое днище 3, каплеулавливатель 4, патрубки 5 для входа и выхода технологических потоков и кольца жесткости 6, установленные на цилиндрической обечайке и имеющие в поперечном сечении прямоугольный профиль. Расстояние между кольцами жесткости (b) составляет от 1400 мм до 2100 мм, отношение высоты к ширине поперечного сечения кольца жесткости (h/t) находится в пределе от 8 до 9, отношение толщины стенки обечайки к ширине кольца жесткости (s/t) находится в пределе от 0,9 до 1,1.

Расчет «гладких» обечаек и обечаек, подкрепленных кольцами жесткости, работающих под действием наружного давления (разрежения), регламентирует ГОСТ Р 52857.2-2007 (Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек: Введ. 01.04.2008. - М.: Стандартинформ, 2008). Используя этот стандарт, сталкиваются с нехваткой ряда геометрических параметров, а именно: рекомендованных значений соотношений высоты и ширины поперечного сечения колец жесткости, толщины стенки обечайки к ширине поперечного сечения кольца жесткости, расстояния между кольцами жесткости, при которых при минимальных капитальных затратах и металлоемкости удовлетворялись условия прочности и устойчивости обечайки сепарационной камеры выпарного аппарата.

По сути, расчет по этому стандарту - поверочный. Он позволяет определить выполнение условий прочности и устойчивости конкретной обечайки с кольцами жесткости.

Для расчета параметров обечайки с кольцами жесткости воспользуемся условием из того же стандарта, связывающим все необходимые параметры (толщина стенки, диаметр, давление, расстояние между кольцами жесткости, высота и толщина кольца жесткости):

где [p] - допускаемое наружное давление, действующее на цилиндрическую обечайку, [p]₁, [p]₂ - допускаемое наружное давление, определяемое из условия прочности или устойчивости соответственно всей обечайки с кольцами жесткости и обечайки между двумя соседними кольцами жесткости, МПа.

Подставив в развернутом виде в условие (1) приведенные в ГОСТ Р52857.2-2007 зависимости для расчета [p]₁, [p]₂, получим единое уравнение, которое не приводим ввиду его громоздкости.

Для нахождения рациональных значений геометрических размеров сепарационной камеры, подкрепленной кольцами жесткости, принимают следующие допущения:

1. Из условия свариваемости элементов аппаратов толщина стенки обечайки и ширина поперечного сечения кольца жесткости, в месте его приварки к обечайке, должны различаться не более чем на 20%, поэтому задают пять значений отношения толщины стенки обечайки к толщине кольца жесткости S/t: 0,8; 0,9; 1; 1,1; 1,2.

2. Для каждого значения S/t принимают отношение высоты кольца жесткости к его толщине h/t равным 5 и будут увеличивать это отношение на единицу, пока не достигнут минимального значения массы аппарата для значений расстояния между кольцами жесткости b, мм: 50,100..3000.

3. Значение наружного давления будут рассматривать в пределах до атмосферного, а именно 0,01; 0,02; 0,04; 0,06; 0,08 МПа, для стандартных значений диаметра аппаратов: 1000; 1200; 1400; 1800; 2000; 2600; 2800; 3000; 3400; 3600 мм.

Расчетную длину цилиндрической обечайки сепарационной камеры выпарного аппарата, укрепленной кольцами жесткости, принимают равной 6 м.

Используя принятые допущения, по условию (1) методом последовательных приближений в системе MathCad можно найти толщину стенки аппарата определенного диаметра с ребрами жесткости, при которой выполняются условия прочности и устойчивости для заданного наружного давления (разрежения), при различных значениях отношений S/t, h/t и расстояния между кольцами жесткости.

Проанализировав расчетные значения массы сепарационной камеры, выполненной из различных сталей (стали марки 12Х18Н10Т и ВСт3), получили, что наиболее рациональным, когда масса минимальна, является отношение S/t, равное 0,9..1,1, которое, помимо всего прочего, оптимально из условия свариваемости деталей.

Далее определяют для полученных значений S/t рациональное значение h/t для всех выбранных диаметров сепарационной камеры со своим межкольцевым расстоянием b. При проектировании любого аппарата одной из основных задач является снижение капитальных затрат. Примем условие, чтобы экономия капитальных затрат была не менее 2%, т.е. отношение себестоимости оребренной обечайки к себестоимости гладкой обечайки должно быть не более 0,98.

Капитальные затраты будут складываться из стоимости материала, а также сварочных работ на установку колец жесткости.

Кольцо приваривают к обечайке двойным проваром. В соответствии с ГОСТ Р 52630-2006 (Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия. Введ. 01.12.2007. - М.: Стандартинформ, 2007) при креплении колец жесткости к обечайке общая длина сварного шва с каждой стороны кольца должна быть не менее половины длины окружности.

Сопоставив отношение металлоемкости обечайки с кольцами жесткости и гладкой обечайки сепарационной камеры, а также отношение затрат на производство оребренной и гладкой обечайки при различных значениях наружного давления и диаметра обечаек для заданного расстояния между кольцами b от 50 мм до 3000 мм, определили, что рациональные расстояния между кольцами жесткости составляют 1400..2100 мм, так как при этом обеспечиваются минимальные капитальные затраты. Как было отмечено ранее, каждому значению b соответствует свое значение h/t, при котором достигается минимальная себестоимость аппарата, минимальная себестоимость обеспечивается при h/t, равном 8..9.

Следует отметить, что сепарационные камеры диаметром менее 1200 мм укреплять кольцами жесткости экономически нецелесообразно.

Используя предложенные соотношения параметров кольца жесткости и толщины стенки оребренной сепарационной камеры выпарного аппарата, а также диапазон расстояния между кольцами жесткости, можно, например, в системе MathCad из условия (1) определить конкретные значения толщины стенки обечайки, ширины и высоты поперечного сечения колец жесткости для заданных значений наружного давления (разрежения) и диаметра сепарационной камеры, при которых будут выполняться условия прочности и устойчивости при минимальных капитальных затратах.