Прочностной расчет колонн, емкостей и реакторов промышленной установки по производству эпихлоргидрина

18
views

Нами выполнены прочностные расчеты основных технологических элементов промышленной установки по производству эпихлоргидрина. Расчеты выполнены на специализированном ПО “Пассат 3.0” ООО НТП “Трубопровод”. В общей сложности рассчитано 17 емкостей, 8 колонн и 1 реактор. Эпихлоргидрин представляет собой жидкий эпоксид, чаще всего производимый путем хлоргидрирования аллилхлорида. Основное применение эпихлоргидрина заключается в производстве эпоксидных смол (его основное применение), синтетического глицерина, эпихлоргидриновых эластомеров, специальных химикатов для обработки воды, смол влагостойкой смолы для производства бумаги и поверхностно-активных веществ. Вырабатывается мало синтетического глицерина, поскольку в качестве побочных продуктов производства биодизеля имеются обильные запасы. За прошедшее десятилетие отрасли, связанные с эпихлоргидрином и эпоксидными смолами, страдали от низкой рентабельности, главным образом из-за чрезмерного наращивания мощностей в Китае.

Колонна – вид сверху

В настоящее время на долю Китая приходится около 50% мировых мощностей, указанных на паспортной табличке, хотя считается, что ряд заводов работают с пониженной производительностью. В последнее десятилетие также наблюдалось некоторое наращивание биовозобновляемых мощностей эпихлоргидрина на основе глицерина, но эти заводы работают низкими темпами из-за падения цен на эпихлоргидрин на основе нефтехимии в последние пять-шесть лет.

Емкость – 3D вид

В своей отвержденной форме эпоксидные смолы обладают выдающимися свойствами, включая ударную вязкость, устойчивость к влаге и химическим веществам, высокую прочность на разрыв и хорошие диэлектрические свойства. Они используются в различных приложениях. Защитные покрытия являются крупнейшим рынком в Соединенных Штатах, на которые приходится более половины потребления в США; другие крупные рынки немодифицированных эпоксидных смол включают в себя связующие и адгезивы; сосуды, трубы и конструкционные материалы, армированные стекловолокном; и электрические ламинаты и капсулы.

Реактор – вид сбоку

Эпихлоргидрин получают из аллилхлорида, который, в свою очередь, получают из пропилена и хлористого / едкого натра. В последнее десятилетие было построено несколько заводов по производству эпихлоргидрина из возобновляемых источников, в частности из глицерина, получаемого в качестве побочного продукта при производстве биодизеля. Тем не менее, считается, что эти установки либо не работают, либо работают с низкими показателями из-за плохой экономики. С 2011 года цены на нефтехимический эпихлоргидрин упали из-за глобального избытка мощностей, вялой промышленности эпоксидных смол и падения цен на сырую нефть. Ожидается, что глобальное потребление эпихлоргидрина будет расти в среднем на 4% в год.

Емкость – реактор – вид сбоку

Расчеты емкостного оборудования выполнены согласно:

  1. ГОСТ 34233.1-2017. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования.
  2. ГОСТ 34233.2-2017. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек.
  3. ГОСТ 34233.3-2017. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Укрепление отверстий в обечайках и днищах при внутреннем и внешнем давлениях. Расчет на прочность обечаек и днищ при внешних статических нагрузках на штуцер.
  4. ГОСТ 34233.4-2017. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность и герметичность фланцевых соединений.
  5. ГОСТ 34233.5-2017. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет обечаек и днищ от воздействия опорных нагрузок.
  6. ГОСТ 34233.8-2017. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Сосуды и аппараты с рубашками.
  7. ГОСТ 34283-2017. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность при ветровых, сейсмических и других внешних нагрузках.
  8. РД 26-02-76-88. Методика расчета прочности стенки аппарата колонного типа в местах установки монтажных штуцеров и бестросовых захватов

Расчеты колонного оборудования выполнены согласно:

  1. ГОСТ 34233.1-2017. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования.
  2. ГОСТ 34233.2-2017. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек.
  3. ГОСТ 34233.3-2017. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Укрепление отверстий в обечайках и днищах при внутреннем и внешнем давлениях. Расчет на прочность обечаек и днищ при внешних статических нагрузках на штуцер.
  4. ГОСТ 34233.4-2017. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность и герметичность фланцевых соединений.
  5. ГОСТ 34233.6-2017. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность при малоцикловых нагрузках.
  6. ГОСТ 34233.9-2017. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Аппараты колонного типа.

Программа ПАССАТ предназначена для расчета на прочность и устойчивость сосудов, аппаратов и их элементов для оценки несущей способности в рабочих условиях, а также в условиях испытаний и монтажа.

Ядро программы, базовый модуль «ПАССАТ», осуществляет расчет прочности и устойчивости горизонтальных и вертикальных сосудов и аппаратов по отечественным нормативным документам.

Расчет на прочность и устойчивость аппаратов колонного типа с учетом ветровых нагрузок и сейсмических воздействий осуществляется с помощью модуля ПАССАТ-Колонны.

Расчет на прочность и устойчивость кожухотрубчатых теплообменных аппаратов выполняется с помощью модуля ПАССАТ-Теплообменники.

Расчет на прочность и устойчивость горизонтальных и вертикальных сосудов с учетом нагрузок от сейсмических воздействий выполняется с помощью модуля ПАССАТ-Сейсмика.

Модуль ПАССАТ-Штуцер позволяет выполнять расчеты штуцеров, а также соединений арматурных фланцев от воздействия давления и внешних нагрузок (по зарубежным документам).

ПАССАТ рассчитан на применение специалистами при проектировании, реконструкции и диагностике сосудов и аппаратов, а также рекомендуется для использования при проектировании и проведении поверочных расчетов объектов в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, газовой, нефтяной и других отраслях промышленности. Программа рекомендована к применению Ростехнадзором.

Расчеты производятся поэлементно и включают в себя:

  • цилиндрические обечайки (гладкие и подкрепленные кольцами жесткости);
  • конические переходы;
  • приварные и отъемные днища (сферические, эллиптические, торосферические, конические, плоские (в том числе с ребрами жесткости), сферические неотбортованные);
  • цилиндрические обечайки в местах опирания на седловые опоры — в случае горизонтальных сосудов и аппаратов;
  • цилиндрические обечайки и днища в местах опирания на опорные стойки и лапы — в случае вертикальных сосудов и аппаратов;
  • укрепление отверстий;
  • отводы;
  • врезки (штуцера) в обечайки и выпуклые днища;
  • фланцевые соединения сосудов и аппаратов;
  • элементы аппаратов колонного типа от ветровых и сейсмических воздействий;
  • опорные обечайки аппаратов колонного типа;
  • трубные решетки, кожух, трубы, компенсатор, расширитель, плавающая головка теплообменных аппаратов;
  • элементы сосудов и аппаратов с рубашками (цилиндрической, U-образной, частично охваченные рубашками, со змеевиковыми и регистровыми каналами).

Исходными данными для расчета являются тип, геометрические характеристики и материал элементов сосуда или аппарата, тип и расположение опор, вид испытаний, величины нагрузок. Выбор используемых материалов производится из базы данных, при этом величины допускаемых напряжений, модулей упругости и т.д. подставляются и изменяются программой автоматически при изменении материала, температуры или толщины стенки. База данных может корректироваться и дополняться пользователем.

Результаты представляются в виде полного отчета по элементам модели с промежуточными результатами вычислений и могут быть выведены в формате MS Word.

Результаты расчета

Пример оформления результатов расчета по ЕСКД

Пример оформления результатов расчета по ЕСКД

Базовый модуль ПАССАТ

  • Ввод и анализ исходных данных. В случае, если пользователь не ввел всех данных, необходимых для выполнения расчета, или ввел их некорректно, программа выдает предупреждение до тех пор, пока все данные не будут заданы;
  • задание дополнительных весовых нагрузок, сосредоточенных сил и моментов;
  • определение расчетных толщин (в том числе от наружного давления) и допускаемых значений давления, сил и моментов;
  • расчет фланцевых соединений сосудов и аппаратов от давления, внешних сил и моментов, а также температурных напряжений;
  • после задания геометрии элементов и свойств используемых материалов, программа автоматически определит расчетные величины, такие как вес, расчетные длины, характеристики колец жесткости (как в цилиндрических обечайках, так и в седловых опорах), длины хорд окружностей и др.;
  • расчет объёма продукта, высоты налива, процента заполнения, гидростатического давления в каждом элементе горизонтального и вертикального аппаратов;
  • объемное графическое отображение геометрии с возможностью редактирования цвета, как отдельных элементов, так и всей модели;
  • «каркасное» и «полупрозрачное» изображение, позволяющее увидеть внутренние элементы;
  • при изменении геометрических параметров или условий нагружения в элементе после предупреждения происходит автоматическое изменение в смежных элементах всей модели;
  • настройка размерностей;
  • выбор используемых материалов из базы данных с возможностью ее пополнения, при этом величины допускаемых напряжений, модулей упругости и т.д. подставляются и изменяются программой при изменении материала, температуры или толщины стенки автоматически;
  • задание элементов из базы данных по ГОСТ (АТК) (обечайки, днища, фланцы, прокладки, шпильки фланцевых соединений, седловые опоры, опорные лапы, цилиндрические и конические опоры, сечения ребер, колец жесткости, а также балочных элементов постамента);
  • расчет обечаек горизонтальных сосудов и аппаратов с произвольным количеством опор (более 2) и их расположением;
  • построение эпюр перемещений, поперечных усилий, изгибающих моментов, запасов прочности и устойчивости;
  • расчет отъемных крышек (с фланцевыми соединениями) как совместный расчет фланца и днища;
  • расчет малоцикловой прочности элементов сосуда и аппарата;
  • формирование, просмотр и печать полного (с промежуточными результатами вычислений) или краткого отчета по результатам расчета элементов модели;
  • вывод информации об элементах, в которых не выполнены условия применения или условия прочности;
  • импорт/экспорт модели в открытый формат данных (XML).

Вертикальный сосуд на опорных лапах

Горизонтальный аппарат на седловых опорах

Модуль ПАССАТ-Колонны

  • Определение периода низшей частоты колебаний аппаратов колонного типа с произвольным числом элементов;
  • расчет усилий для аппаратов колонного типа от ветровых нагрузок и сейсмических воздействий;
  • расчет на прочность и устойчивость элементов аппаратов колонного типа;
  • расчет опоры типа цилиндр + конус с возможностью задания переходной (забойной) обечайки;
  • автоматическое определение положения и характеристик наиболее опасного поперечного сечения опорной обечайки;
  • расчет нагрузок на фундамент и постамент (при наличии) от аппарата колонного типа.

Аппарат колонного типа

Модуль ПАССАТ-Штуцер

  • Расчет прочности и жесткости места соединения штуцера с сосудом (аппаратом);
  • расчет арматурных и аппаратных фланцевых соединений от давления, внешних сил и моментов, а также температурных напряжений.

Модуль ПАССАТ-Теплообменники

  • Задание параметров теплообменного элемента в едином многооконном диалоге;
  • определение расчетных усилий в трубной решетке, кожухе, трубах;
  • расчет трубных решеток, кожуха труб, компенсатора, расширителя, плавающей головки.

Кожухотрубчатый теплообменник

Модуль ПАССАТ-Сейсмика

  • Расчет нагрузок от сейсмических воздействий на горизонтальные и вертикальные сосуды и аппараты;
  • расчет элементов сосудов и аппаратов с учетом нагрузок от сейсмических воздействий.

Основные преимущества

Среди преимуществ программы перед зарубежными аналогами (Compress, Vessel, PV Elite и др.):

  • ориентация на российскую нормативную базу;
  • меньшая стоимость;
  • интуитивно понятный русскоязычный интерфейс;
  • встроенная база российских материалов;
  • экономия времени на освоение программы.