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
Обозначение |
Ду, мм |
dт, мм
|
давление условное Pу, МПа |
Sт, мм
|
Hт, мм
|
А |
250 |
273 |
16 |
20 |
335 |
Б, Д |
100 |
108 |
16 |
10 |
220 |
В, Е |
150 |
159 |
16 |
16 |
260 |
Г |
200 |
219 |
16 |
20 |
315 |
И |
50 |
57 |
4 |
6 |
230 |
К, Р, С |
50 |
57 |
2,5 |
6 |
165 |
М |
50 |
57 |
1,6 |
6 |
165 |
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
штуцер |
Условный
проход
Ду, мм
|
Внутренний
диаметр
штуцера
dт, мм
|
Толщина
стенки
s1, мм
|
Длина
штуцера
Hт, мм
|
Условное давление Ру, МПа |
А |
250 |
273 |
20 |
335 |
16 |
Б, Д |
100 |
108 |
10 |
220 |
16 |
В, Е |
150 |
159 |
16 |
260 |
16 |
Г |
200 |
219 |
20 |
315 |
16 |
И |
50 |
57 |
6 |
230 |
4 |
К1, К2, Р, С |
50 |
57 |
6 |
165 |
2,5 |
М1, М2 |
50 |
57 |
6 |
165 |
1,6 |
Ж1, Ж2, Жn |
450 |
450 |
28 |
200 |
16 |
4.2
Расчетные диаметры
4.2.1
Расчетные диаметры укрепляемых элементов определяются по формулам
- для цилиндрической
обечайки
DR = D (25)
Страницы: 1, 2, 3, 4
|