Реферат: Расчет ректификационной колонны

Реферат: Расчет ректификационной колонны

1 Конструкция колонны и условие эксплуатации

1.1 Проектируемый аппарат предназначен для ведения тепломассобменных процессов. Колонный аппарат состоит из цельносварного корпуса и оборудован внутренними устройствами. В качестве внутренних устройств для ведения технологического процесса используют 40 колпачковых тарелок. Расстояние между тарелками 500 мм. Кроме этого в аппарате имеются штуцера, предназначенные для подвода сырья, вывода продукта, замера температуры и давления. Аппарат оборудован люками-лазами для ремонта и обслуживания.

1.2 Внешние условия работы

Аппарат установлен в 3 ветровом районе, фундамент на грунтах средней плотности. Минимальная температура холодной десятидневки минус 36 °С. Аппарат теплоизолирован минеральной ватой, толщина изоляции       sиз=80 мм и покрыта алюминиевой фольгой. Район не сейсмичный.

2 Основные расчетные параметры

2.1 Техническая характеристика

Аппарат работает под давлением. Избыточное давление в аппарате 10 МПа, диаметр аппарата 1200 мм, рабочая температура 250 °С. Среда горячие светлые нефтепродукты.

2.2 Группа аппарата

Условие работы аппарата [1] - взрывоопасная  среда и внутреннее давление. По условиям работы аппарат относится к I группе, поэтому процент контроля сварных  швов  принимается  равным  100 %  по ГОСТ 6996-86.

2.3 Рабочая и расчетная температура

Расчетная температура TR – это температура для определения физико-механических характеристик конструкционного материала и допускаемых напряжений. Она определяется на основании теплового расчета или результатов испытаний. Если при эксплуатации температура элемента аппарата может повысится до температуры соприкасающейся с ним среды, расчетная температура принимается равной рабочей, но не менее 20 °С.  Проектируемый аппарат снабжен изоляцией препятствующей охлаждению или нагреванию элементов аппаратов внешней средой.  

Рабочая температура аппарата Т=250 °С.

Расчетная температура ТР =250 °С.

2.4 Рабочее, расчетное и условное давление

Рабочее давление P – максимальное избыточное давление среды в аппарате при нормальном протекании технологического процесса без учета допускаемого кратковременного повышения давления во время действия предохранительного устройства P=1,4 МПа.

Расчетное давление PR – максимальное допускаемое рабочее давление, на которое производится расчет на прочность и устойчивость элементов аппарата при максимальной их температуре. Как правило, расчетное давление может равняться рабочему давлению.

Расчетное давление может быть выше рабочего в следующих случаях: если во время действия предохранительных устройств давление в аппарате может повыситься более чем на 10% от рабочего, то расчетное давление должно быть равно 90% давления в аппарате при полном открытии предохранительного устройства; если на элемент действует гидростатическое давление от столба жидкости в аппарате, значение которого свыше 5% расчетного, то расчетное давление для этого элемента соответственно повышается на значение гидростатического давления.

Поскольку аппарат снабжен предохранительным клапанном и рабочее давление P>0,07 МПа

РR1=1,1×P,                                                       (1)

где P –  рабочее давление, P=10 МПа;

PR1=1,1×10=11 МПа.

Пробное давление для испытания аппарата определим по формуле

,                                        (2)

где [s]20 – допускаемое напряжение материала при 20 °С, [s]20=196 МПа;

[s]tR – допускаемое напряжение материала при расчетной температуре t=250 °С, [s]250=145 МПа.

МПа.

Условное давление для выбора узлов и фланцевых соединений определим по формуле

,                                            (3)

МПа.

2.5 Выбор материала

По условиям работы аппарата, как в рабочих условиях так и в условиях монтажа, ремонта, нагрузок от веса и ветровых нагрузок, для этих условий выбираем сталь 16ГС область применения от –40 °С до +475 °С, по давлению не ограничена.

Выбрали по ОСТ 26-291-94, ГОСТ 14249-89 сталь 16ГС.

2.6 Допускаемые напряжения

Определим допускаемые напряжение для стали 16ГС с толщиной стенки свыше 32 мм при ТР=250 °С.

По ГОСТ 14249-89 [s]=145 МПа.

2.7 Модуль продольной упругости

Выбираем расчетное значение модуля продольной упругости

Е=1,75×105 МПа.

2.8 Прибавки к расчетным толщинам конструктивных элементов

Прибавка на коррозию металла принимаем

С1=2 мм.

Прибавка на минусовое значение по толщине листа принимаем 5% и далее не учитываем

С2=0 мм.

2.9 Коэффициенты прочности сварных швов

Корпус имеет продольные и кольцевые сварные швы. Применим автоматическую сварку род слоем флюса со сплошным проваром. Для корпуса аппарата выбираем стыковые швы.

Значение коэффициента прочности сварных швов принимаем

j=1.

Приварка штуцеров будет выполняться в ручную с подваркой корня шва и значение коэффициента прочности сварных швов принимаем

j=1.

3 Расчет на прочность и устойчивость корпуса аппарата от расчетного давления

3.1 Расчет обечайки нагруженной внутренним избыточным давлением

Цель расчета: расчет на прочность, определение толщины стенки аппарата удовлетворяющая условиям прочности.

Расчетная схема аппарата приведена на рисунке 1.

Исходные данные для расчета:

-     расчетное давление PR = 11МПа;

-     диаметр колонны D=1200 мм;

-     допускаемое напряжение при T=250 °С, [s]=145 МПа;

-     коэффициент прочности сварного шва j=1;

-     общая прибавка к толщине металла С=2 мм.

Рисунок 1 – Расчетная схема аппарата

Толщина стенки аппарата определяется по формулам

                                     (4)

,                                                (5)

где  s - исполнительная толщина стенки, мм;

       D- внутренний диаметр аппарата, мм.

 м.

s ³ 47,31 + 2 = 49,31 мм.

Принимается  исполнительная  толщина  стенки  сосуда s=50 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление для оболочки, МПа  

                                   ,                                            (6)

 МПа.

Условия применения расчетных формул

,                                                (7)

тогда                     

0,04000 < 0,1.

Условие по формуле (7) выполняется.                           

3.2 Расчет днищ

Цель расчета: расчет на прочность, определение  толщины эллиптического днища удовлетворяющего условию прочности.

Расчетная схема эллиптического днища приведена на рисунке 2.

Исходные данные для расчета:

-     расчетное давление PR = 11МПа;

-     диаметр колонны D=1200 мм;

-     допускаемое напряжение при T=250 °С, [s]=145 МПа;

-     коэффициент прочности сварного шва j=1;

-     общая прибавка к толщине металла С=2 мм.

Рисунок 2 - Днище эллиптическое

Для данной обечайки выбираются эклиптические отбортованные днища.

Толщина стенки днища определяется по формулам

                                            ,                  (8)

                                                      sд ³ s + c                                 (9)

где  R — радиус кривизны в вершине днища, м;

R = D — для эллиптических днищ с H=0,25×D.

H=0,25×1200=300 мм,

R=1,2 м,

 мм,

sд = 46,39+2 = 48,39 мм.

Принимаем толщину днищ стандартного значения sд=50 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление для оболочки, МПа   определяется по формуле

.                                       (10)

 МПа.

Условия применения расчетных формул для эллиптических днищ

,                                      (11)

Условие выполняется.

Определим длину цилиндрической отбортованной части днища

,                                            (12)

h1>192 мм.

Принимаем h1=200 мм.

3.3 Выбор стандартных штуцеров.

По технологии производства или эксплуатационным требованиям в стенках аппаратов, днищах и крышках делают отверстия для люков—лазов, загрузочных приспособлений, штуцеров и т. д. Схема штуцера с приварным фланцем встык и тонкостенным патрубком приведем на рисунке

Рисунок 3 – Схема штуцера с приварным фланцем встык и патрубком

Основные размеры патрубков, стандартных стальных фланцевых тонкостенных штуцеров приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Основные размеры патрубков, стандартных стальных фланцевых тонкостенных штуцеров по ОСТ 26-1404-76, ОСТ 26-1410-76

3.4 Сопряжение узлов

Цель расчета: определить напряжение в сопряжение цилиндрической оболочки с эллиптическим днищем в условиях нагружения внутренним давлением.

Расчетная схема к определению краевых сил и моментов приведена на рисунке 4.

Исходные данные для расчета:

-     расчетное давление PR = 11МПа;

-     диаметр колонны D=1200 мм;

-     допускаемое напряжение при T=250 °С, [s]=145 МПа;

-     коэффициент прочности сварного шва j=1;

-     общая прибавка к толщине металла С=2 мм.

- соединение цилиндрической оболочки с эллиптическим днищем; 2 – расчетная схема.

Рисунок 4 – Схема к определению краевых сил и моментов

Определим краевые силы и моменты из уравнения совместимости деформацией для места стыка обечайки с эллиптическим днищем

                                  (13)

где - соответственно радиальные и угловые перемещения края цилиндрической оболочки под действием нагрузок P, Q0, и М0;

           - соответственно радиальные и угловые перемещения края эллиптической оболочки под действием нагрузок P, Q0 и М0.

 Подставляем в уравнение (13) соответствующие значения деформаций

(14)

где b=bЭ, R=a=600 мм, b=300 мм.

,                                                       (15)

где m - коэффициент Пуассона, m=0,3.

,

,

,

.

Определим суммарные напряжения на краю эллиптического днища, меридиальное и кольцевое соответственно по формулам

                                      (16)

                                       (17)

где  - соответственно меридиальные напряжения действующие от нагрузок Р, Q0, М0;

 - соответственно кольцевые напряжения действующие от нагрузок P, Q0, M0.

Подставим соответствующие значения нагрузок в уравнение (16), (17)

,                                     (18)

,      (19)

 МПа,

Определим суммарные напряжения на краю цилиндрической обечайки, меридиальное и кольцевые соответственно

,                                            (20)

,                                          (21)

где - соответственно меридиальные и кольцевые напряжения, действующие от нагрузок P, Q0, M0.

Подставим соответствующие значения погрузок в уравнение (20), (21)

,                                   (22)

,                            (23)

 МПа,

Определим максимальное напряжение на краю эллиптического днища и цилиндрической обечайке соответственно

,

,

,                                                 (24)

139,29 МПа < 145 МПа,

139,36 МПа < 145 МПа.

Таким образом, напряжения на краю соединяемых эллиптической и цилиндрической оболочек smaxЭ=139,29 МПа и smax=139,36 МПа меньше критического допускаемого напряжения [s]кр=145 МПа, т.е. условие прочности в месте сопряжения элементов выполняется.

4 Расчет укрепления отверстий

Цель расчета: определение размеров укрепляющих элементов. 

Расчетные схемы штуцеров приведена на рисунке 5.

Исходные данные для расчета:

-     расчетное давление в колонне PR = 11 МПа;

-     внутренний диаметр колонны D=1200 мм;

-     исполнительная толщина обечайки и днища s=50 мм;

-     допускаемое напряжение при T=250 °С и s=50 мм, [s]=145 МПа;

-     допускаемое напряжение при T=250 °С и s<50 мм, [s]=162 МПа;

-     коэффициент прочности сварного шва j=1;

-     общая прибавка к толщине металла для корпуса колонны с=2 мм;

-     общая прибавка к толщине металла для штуцера cs=1 мм.

Рисунок 5— Основная расчетная схема соединения штуцера со стенкой сосуда

4.1 Выбор материала

Удаление материала стенки в вырезе эквивалентно удалению каких - то связей в системе и для сохранения ее равновесия необходима их компенсация.

Для изготовления штуцеров применяется сталь 16ГС допускаемое  напряжение  для  которого  при  tR=250 °C   равно  [s]250=162 МПа.

Для условного давления Ру=11 МПа выбираются тонкостенные штуцера с фланцами по ОСТ 26-1410-76. Все размеры штуцеров заносятся в таблицу 2.

Таблица 2 — Таблица штуцеров

4.2 Расчетные диаметры

4.2.1 Расчетные диаметры укрепляемых элементов определяются по формулам

         - для цилиндрической обечайки

DR = D                                                   (25)

Для штуцеров A1, В1, В2, И, К1, К2, Р, С, М1, М2, Ж1, Ж2, Жn

DR = 1200 мм.

         - для эллиптических днищ при высоте днища H = 0,25×D

,                                           (26)

где  x — расстояние от центра укрепляемого отверстия до оси эллиптического днища.

Для штуцера Д1, С

мм.

Для штуцера Е1, Г

 мм.

4.2.2 Расчетный диаметр отверстия в стенке обечайке, ось которого совпадает с нормалью к поверхности в центре отверстия определим по формуле

dр=d+2×cs,                                                     (27)

Для штуцеров A1, В1, В2, И, К1, К2, Р, С, М1, М2, Ж1, Ж2, Жn

при d = 273 мм, dР = 273 + 2×1 = 275 мм,

при d = 108 мм, dР = 108 + 2×1 = 110 мм,

при d = 159 мм, dР = 159 + 2×1 = 161 мм,

при d = 57 мм, dР = 57 + 2×1 = 59 мм,

при d = 450 мм, dР = 450 + 2×1 = 452 мм.

Расчетный диаметр отверстия для смещенного штуцера на эллиптическом днище определяют по формуле

,                                           (28)

Для штуцера Д1

мм,

Для штуцера С

мм.

Для штуцера Е1

мм

Для штуцера Г

 мм.

Выбранные диаметры удовлетворяют расчет.

4.3 Расчетные толщины

Расчетная толщина стенки штуцера нагруженного как внутренним так и внешним давлением определяется по формуле

,                                            (29)

где  j1 — коэффициент прочности продольного сварного соединения штуцера, j1 = 1, [s1]=162 МПа

         при Ду=50 мм,  мм,

         при Ду=100 мм,  мм,

         при Ду=150 мм,  мм,

         при Ду=200 мм,  мм,

         при Ду=250 мм,  мм,

при Ду=450 мм,  мм.

Расчетные толщины удовлетворяю принятым толщинам.

4.4 Расчетные длины штуцеров

 Расчетные длины внешней и внутренней частей круглого штуцера, показано на рисунке 6, участвующие в укреплении отверстий и учитываемые при расчете, определяют по формулам 

Страницы: 1, 2, 3