Разработка технологии и оборудования инженерно-экологической защиты атмосферного воздуха от вредного воздействия промышленных выбросов

13 ПРОЧНОСТНЫЕ РАСЧЁТЫ

РАСЧЁТ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ДЕТАЛЕЙ АППАРАТУРЫ, РАБОТАЮЩИХ ПОД НАРУЖНЫМ ДАВЛЕНИЕМ

Расчет толщины стенки цилиндрической обечайки, нагруженной наружным давлением.

Рис. 1 Гладкая обечайка с гладким или коническим неотбортованным днищем

Цилиндрические обечайки - основной элемент многих химических аппаратов. От размеров обечайки зависит объем аппарата. Цилиндрическая форма обечайки весьма проста в изготовлении, экономична по расходу материала и хорошо противостоит внутреннему давлению благодаря равномерному распределению нагрузки по ее площади.

Расчет толщины обечаек (рис.1) проводят в соответствии с ГОСТ 14249-89. Исполнительную толщину S тонкостенной гладкой цилиндрической обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением, рассчитывают по формуле:

S Sp + C(1)

Где

„Ѓ„Ђ „†„Ђ„‚„}„…„|„u: (2)

где [у] - допускаемое напряжение при расчётной температуре, МПа, из таблицы 7 [30] для стали 12Х18Н10Т [у] =160 МПа;

К2 - коэффициент, определяемый по номограмме [черт.5, 30]

где nу - коэффициент запаса устойчивости, nу = 2,4 - для рабочих условий

Е - модуль продольной упругости, для аустенитных сталей при Т = 200оС,

Е = 1,97 . 10-6 кгс/см2

р - расчётное внутреннее избыточное давление, 101,2 МПа (кгс/см2)

К1 = 42

К2 = 0,8

Номограмма для расчета на устойчивость в пределах упругости цилиндрических

обечаек, работающих под наружным давлением (черт. 5)

D - внутренний диаметр обечайки, D = 1,4 м;

рн.р. - расчетное наружное давление:

рн.р. = ра - рост (4)

где ра - атмосферное давление, равное 101,325 кПа;

рост - остаточное давление в аппарате, равное 101,2 кПа.

рн.р. = 101,325 - 101,2 = 0,125 КПа

Sp' = K2 . D . 10-2 = 0,8 . 1,4 . 10-2 = 0,0072 м

Из полученных значений выбираем м

S'р = 0,0072 м = 7,2мм

Исполнительная толщина стенки

S = Sp + C + Co (5)

С - прибавка к расчетным толщинам конструктивных элементов

В соответствии с ОСТ 26291-94, допускается принимать прибавку к расчетным толщинам конструктивных элементов, С = 2,5 мм.

С0 - прибавка для округления размера до стандартного значения, мм.

Таким образом, исполнительная толщина стенки

S = Sp + C + Co = 7,2 + 2,5 + 0,3 = 10 мм

Допускаемое наружное избыточное давление [Р] (МПа) рассчитывают

по формуле:

[рн]у = 2 . [у] . (s ? c)/(D + s ? c) (6)

[рн]у = 2 .160 . (0,01 - 0,0025)/(1,4 + 0,01 - 0,0025) = 1,7 МПа

Проверка на устойчивость цилиндрической обечайки.

Причинами потери устойчивости тонкостенных оболочек является действие изгибающего момента М, осевой сжимающей силы F или наружного давления среды рн.р. В данном случае изгибающий момент отсутствует, т.е.

М = 0. При совместном действии осевой сжимающей силы и наружного давления среды условие устойчивости согласно [30] рассчитывается по формуле:

рн.р./[рп] + F/ [F] 1 (7)

где, рн.р = 0,000125 Па

Допускаемое наружное давление из условия прочности в пределах упругости определяется исходя из отношения обечайки к группе длинных или коротких.

Длина, разделяющая обечайки на длинные и короткие определяется по формуле:

(8)

Расчетная длина обечайки:

Lp = Накт. + Нк = 6,5 + 1 = 7,5 м(9)

где Накт. - высота активной части аппарата, м;

Нк - высота аппарата с учетом размещения конструктивных частей аппарата.

Обечайка относится к коротким, так как Lр< l

Допускаемое давление из условий устойчивости в пределах упругости для коротких обечаек находим по формуле [30]:

(8)

где ny - коэффициент запаса устойчивости при рабочих условиях (2,4);

Е - модуль упругости материала: цилиндрическая обечайка изготовлена из стали 12Х18Н10Т, Е200°С = 1,97 . 105 МПа;

= 0,056 МПа

Допускаемое наружное давление согласно [30]:

Расчетная сжимающая сила согласно [30]:

где m - масса конической крышки аппарата с входным патрубком и узлом установки коллектора орошения, m=245,4 кг;

рн.р. - наружное расчетное давление, МПа.

Допускаемое осевое сжимающее усилие из условий прочности [30]:

[F]у = р . (D + s - c) . (s - c) . [у](11)

[F]у = 3,14 . (1,4 + 0,01 - 0,0025) . (0,01 - 0,0025) . 160 = 5,28 МН

Допускаемое осевое сжимающее усилие из условия устойчивости в пределах упругости находится, исходя из отношения l/D [30]:

В данном случае l/D = 7,5/1,4 = 5,357<10, поэтому находим допускаемое усилие по формуле согласно [30]:

[F]E = [F]E1 (12)

где [F]E1 - допускаемое осевое сжимающее усилие, МПа, определяемое из условия местной устойчивости в пределах упругости:

=24 МН

Допускаемая осевая сжимающая сила [30]:

Условие устойчивости [30]:

рн.р./[рп] + F/ [F] = 0,000125/0,425 + 0,0024/3,19 = 0,0013 1(15)

Условие устойчивости цилиндрической обечайки соблюдается, поэтому установка колец жесткости не требуется.

14 ОБОСНОВАНИЕ ЭКОЛОГО-ГИГИЕНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ОБЪЕКТОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Важным этапом в предупреждении загрязнения объектов окружающей среды является выбор площадки для строительства объекта уничтожения химического оружия (ОУХО). Выбор площадки осуществляется уже на предпроектной стадии в соответствии с действующими земельными, водными, лесными и другими законодательствами. На стадии выбора площадки под строительство основной акцент делается на обеспечение качества атмосферного воздуха.

Качество атмосферного воздуха - один из основных факторов, определяющих уровень санитарно-эпидемиологического благополучия территории и оказывающих непосредственное влияние на состояние здоровья населения. В настоящее время в приземной атмосфере находятся многие десятки тысяч загрязняющих веществ антропогенного происхождения. Ввиду продолжающегося роста промышленного и сельскохозяйственного производства появляются новые химические соединения, в том числе сильно токсичные. Главными антропогенными загрязнителями атмосферного воздуха кроме крупнотоннажных оксидов серы, азота, углерода, пыли и сажи являются сложные органические, хлорорганические и нитросоединения, техногенные радионуклиды, вирусы и микробы. Наиболее опасны широко распространенные в воздушном бассейне

России диоксин, бенз(а)пирен, фенолы, формальдегид, сероуглерод.

Твердые взвешенные частицы представлены главным образом сажей, кальцитом, кварцем, гидрослюдой, каолинитом, полевым шпатом, реже сульфатами, хлоридами. В снеговой пыли специально разработанными методами обнаружены окислы, сульфаты и сульфиты, сульфиды тяжелых металлов, а также сплавы и металлы в самородном виде.

В Западной Европе приоритет отдается 28 особо опасным химическим элементам, соединениям и их группам. В группу органических веществ входят: акрил, нитрил, бензол, формальдегид, стирол, толуол, винилхлорид, а неорганических - тяжелые металлы (As, Cd, Cr, Pb, Mn, Hg, Ni, V), газы (угарный газ, сероводород, оксиды азота и серы, радон, озон), асбест. Преимущественно токсическое действие оказывают свинец, кадмий. Интенсивный неприятный запах имеют сероуглерод, сероводород, стирол, тетрахлорэтан, толуол. Ореол воздействия оксидов серы и азота распространяется на большие расстояния. Вышеуказанные 28 загрязнителей воздуха входят в международный реестр потенциально токсичных химических веществ.

При выборе площадки для строительства ОУХО обязательно установление санитарно-защитной зоны (СЗЗ). Именно размерами СЗЗ регламентируется радиус экологической безопасности или то расстояние от объекта, за пределами которого на население и окружающую среду не оказывается никакого отрицательного влияния при нормальном штатном функционировании объекта. Организация СЗЗ вокруг территории промышленных предприятий остаётся у нас в стране одним из ведущих методов эффективного снижения неблагоприятного воздействия антропогенного загрязнения окружающей среды на здоровье населения. Основой установления размера СЗЗ явился расчёт рассеивания в атмосфере выбрасываемых предприятием вредных веществ. В соответствии с указанием Госстроя СССР №39 от 10.05.1990 г., расчёт производится согласно требованиям общесоюзного нормативного документа Госкомгидромета СССР (ОНД-86) «Методичка расчёта концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий»; при этом расчёт возможного загрязнения атмосферного воздуха осуществляется от всех источников предприятия при нормальной работе технологического и очистного оборудования. По результатам расчётов рассеивания дополнительно определены зона загрязнения объекта и зоны влияния источников выбросов.

Зона загрязнения - территория вокруг источника загрязнения, в пределах которой приземный слой атмосферы загрязнён вредными веществами с концентрацией, превышающей предельно допустимую концентрацию в атмосферном воздухе населённых мест (ПДКн.м.).

Под зоной влияния выбросов понимается такое расстояние от источника выброса, начиная с которого концентрация составляет 0,05 ПДКн.м..

Кроме требований по СЗЗ успешное решение задач обеспечения безопасности ОУХО осуществимо лишь при проведении комплекса определённых мероприятий. Основные из них: архитектурно-планировочные, технологические, организационные и мероприятия по очистке выбросов и сбросов.

Из технологических мероприятий наиболее значимыми являются: создание непрерывных технологических процессов (вместо периодических), позволяющих, как правило, исключить (либо, по крайней мере, снизить) залповые выбросы в атмосферу; сокращение объемов вентвыбросов; локальная очистка газовых выбросов - как технологических, так и вентиляционных; объединение мелких газовых выбросов в крупные централизованные устройства.

Основой регулирования качества атмосферного воздуха населенных мест являются гигиенические нормативы.

Допустимое содержание вредных веществ в приземном слое атмосферы:

- не более 0,3 ПДКв.р.з. (ОБУВв.р.з. - ориентировочного безопасного уровня воздействия для воздуха рабочей зоны) - на территориях промплощадки;

- 0,8 ПДКн.м. (ОБУВн.м.) - в местах массового отдыха населения, на территориях размещения лечебно-профилактических учреждений длительного пребывания больных и центров реабилитации;

- в жилой зоне и на других территориях проживания - не более ПДКн.м. (ОБУВн.м.) (СанПиН 2.1.6.1032 - 01).

Однако до настоящего времени отсутствуют какие-либо рекомендации по допустимому содержанию вредных веществ в пределах границ СЗЗ. Поскольку в СЗЗ допускается размещать предприятия, их отдельные здания и сооружения с производствами меньшего класса вредности, чем основное производство, содержание вредных веществ в приземном слое атмосферы СЗЗ не должно быть выше территорий промплощадок, то есть не более 0,3 ПДК. (ОБУВв.р.з.). При наличии у размещаемого в СЗЗ объекта выбросов, аналогичных по составу с основным производством, обязательно требование не превышать гигиенические нормативы на границе СЗЗ и за её пределами при суммарном учёте.

Другими критериями основания оздоровительных мероприятий являются уровни предельно допустимых выбросов вредных веществ для источника газовых выбросов (ГОСТ 17.2.3.02-78).

Для атмосферы характерна чрезвычайно высокая динамичность, обусловленная как быстрым перемещением воздушных масс в латеральном и вертикальном направлениях, так и высокими скоростями, разнообразием протекающих в ней физико-химических реакций. Атмосфера рассматривается сейчас как огромный «химический котел», который находится под воздействием многочисленных и изменчивых антропогенных и природных факторов. Газы и аэрозоли, выбрасываемые в атмосферу, характеризуются высокой реакционной способностью. Пыль и сажа, возникающие при сгорании топлива, лесных пожарах, сорбируют тяжелые металлы и радионуклиды и при осаждении на поверхность могут загрязнить обширные территории, проникнуть в организм человека через органы дыхания.

Выявлена тенденция совместного накопления в твердых взвешенных частицах приземной атмосферы Европейской России свинца и олова; хрома, кобальта и никеля; стронция, фосфора, скандия, редких земель и кальция; бериллия, олова, ниобия, вольфрама и молибдена; лития, бериллия и галлия; бария, цинка, марганца и меди.