Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

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 s_из=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 T_R – 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 Т_Р =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 P_R – 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

Р_R1=1,1×P, (1)

где P – рабочее давление, P=10 МПа;

P_R1=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 Т_Р=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 P_R = 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 P_R = 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)

s_д 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,

s_д = 46,39+2 = 48,39 мм.

Принимаем толщину днищ стандартного значения s_д=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	d_т, мм	давление условное Pу, МПа	S_т, мм	H_т, 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 P_R = 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=b_Э, 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 s_maxЭ=139,29 МПа и s_max=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 P_R = 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 c_s=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 t_R=250 °C равно [s]₂₅₀=162 МПа.

Для условного давления Р_у=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 Д_у, мм	Внутренний диаметр штуцера d_т, мм	Толщина стенки s₁, мм	Длина штуцера H_т, 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

D_R = D (25)

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

D_R = 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

d_р=d+2×c_s, (27)

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

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

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

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

при d = 57 мм, d_Р = 57 + 2×1 = 59 мм,

при d = 450 мм, d_Р = 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 Д_у=50 мм, мм,

при Д_у=100 мм, мм,

при Д_у=150 мм, мм,

при Д_у=200 мм, мм,

при Д_у=250 мм, мм,

при Д_у=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

, (30)

, (31)

Длину внешней части l₃ принимаем равной нулю.

Рисунок 6 – Схема укрепления отверстий в обечайке

при Д_у=50 мм, мм,

при Д_у=100 мм, мм,

при Д_у=150 мм, мм,

при Д_у=200 мм, мм,

при Д_у=250 мм, мм,

при Д_у=450 мм, мм.

Принятые длины штуцеров удовлетворяют расчетным длинам.

4.5 Одиночные отверстия

4.5.1 Отверстие считается одиночным, если ближайшее к нему отверстие не оказывает на него влияния, что имеет место, когда расстояние между наружными поверхностями соответствующих штуцеров удовлетворяют условию

, (32)

где - расчетные внутренние диаметры укрепляемого элемента, мм.

Для отверстий находящихся на обечайке

мм.

На цилиндрической части корпуса колонны отсутствуют отверстия, расстояние между которыми меньше 480 мм.

На днищах

мм.

На днищах отверстия считать взаимовлияющие, т.к.

b_исп=320-108/2-10-159/2-16=160,5 мм.

660 мм > 160,5 мм.

4.5.2 Расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления при наличии избыточной толщины стенки сосуда вычисляется по формуле

, (33)

мм.

Для штуцеров В1, К1, К2, К, Р и М укрепление отверстий не требуется.

Для штуцеров А1, В2 и Жn требуется укрепление отверстий.

4.5.3 Расчет укрепления одиночных отверстий

При укреплении отверстия должно выполняться условие

l_1R×(s₁- s_1R - c_s)×x₁ + l_2R×s₂×x₂ + l_3R×(s₃ - 2c_s)×x₃ +

+ l_R×(s - s_R - c) ³ 0,5×(d_R - d_0R)×s_R, (34)

где s₁,s₂, s₃ — исполнительные толщины стенок штуцера, накладного кольца, внутренней части штуцера соответственно, мм.;

l_2R — исполнительная толщина накладного кольца, мм.;

x₁, x₂, x₃ — отношение дополнительных напряжений для внешней

части штуцера, накладного кольца, внутренней части штуцера соответственно;

c_s — сумма прибавок к расчетной толщине стенок штуцера, мм.;

l_R — расчетная ширина зоны укрепления в окрестности штуцера или торообразной вставки, мм.;

d_0R — наибольший расчетный диаметр отверстия, не требующего дополнительного укрепления при отсутствии избыточной толщины стенки сосуда, мм.

4.5.3.1 Расчет укрепления штуцера В2

Ширина зоны укрепления в обечайках, переходах и днищах

. (35)

Обечайка s=50 мм

мм.

Расчетная ширина зоны укрепления в стенке обечайки

l_R=L₀, (36)

l_R=240 мм.

Расчетная ширина накладного кольца определяется по формуле

, (37)

где s₂ – исполнительная ширина накладного кольца, мм;

s – исполнительная ширина стенки обечайки, мм;

D_R – расчетный внутренний диаметр укрепляемого элемента, мм.

Обечайка s=50 мм.

мм.

Отношения допускаемых напряжений

x₁ = min{1; [s₁]/[s]}, (38)

x₁=min{1;162/162}=1.

Для накладного кольца принимаем x₂=1; для внутренней части штуцера x₃=0.

Расчетный диаметр отверстия не требующего укрепления при отсутствии избыточной толщины стенки сосуда

, (39)

Обечайка s=50 мм.

мм.

Все найденные значения подставляем в формулу (34):

Обечайка s=50 мм. штуцер Д_у 150 мм.

61,42×(16-5,65)×1+140×6×1+240×(50-47,3-2)³0,5×(161-96)×47,3

1643,7 мм² ³ 1537,01 мм².

Допускаемое внутренне избыточное давление определяется по формуле

, (40)

где к₁=1 — для цилиндрических обечаек и конических переходов;

к₁=2 — для выпуклых днищ;

, (41)

где j₁ — коэффициент прочности продольного сварного соединения штуцера.

МПа.

4.5.3.2 Расчет укрепления штуцеров Ж1, Ж2, Жn.

Расчет проведем аналогично п. 4.5.3.1 и результаты расчета сведем в таблицу 3.

Таблица 3

Наименование параметров	Обозначение	Укрепляемый элемент
		люк-лаз
		Условный проход штуцера
		Ж1, Ж2, Жn (450)
Внутренний диаметр цилиндрической обечайки днища, мм	D	1200
Расчетный внутренний диаметр укрепляемого элемента, мм	D_R	1200
Расчетное давление, МПа	P	11,00
Допускаемые напряжения для материала укрепляемого элемента, МПа	[s]	145
Допускаемые напряжения для материала внешней части штуцера, МПа	[s₁]	162,00
Коэффициент прочности сварного шва: - укрепляемого элемента - штуцера	j j₁	1 1
Исполнительная толщина стенки укрепляемого элемента, мм	s	50
Исполнительная толщина стенки внешней части штуцера, мм	s₁	28
Исполнительная толщина стенки внутренней части штуцера, мм	s₃	0
Расчетная толщина стенки укрепляемого элемента, мм	s_R	47,31
Расчетная толщина стенки укрепляемого штуцера, мм	s_1R	15,8
Сумма прибавок к расчетной толщине стенки укрепл. элемента, мм	с	2
Сумма прибавок к расчетной толщине стенки штуцера (общая), мм	с_s	1
Внутренний диаметр штуцера, мм	d	450
Исполнительная длина внешней части штуцера, мм	l₁	200
Исполнительная длина внутренней части штуцера, мм	l₃	0
Расчетная длина внешней части штуцера, мм	l_1r	143,11
Расчетная длина внутренней части штуцера, мм	l_3r	0
Расчетный диаметр отверстия, мм	d_r	452,0
Расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, мм	d₀	103,0
Расчетная ширина зоны укрепления в окрестности штуцера, мм	l_r	240,0
Расчетный диаметр, мм	d_0r	96,0
Исполнительная толщина накладного кольца, мм	s₂	24,00
Исполнительная ширина накладного кольца, мм	l₂	270,0
Расчетная ширина накладного кольца, мм	l_2r	270,0
Отношение допускаемых напряжений	x₁	1,0
	x₂	1,0
	x₃	-
Условие укрепления одиночного отверстия A₁+A₂+A₃+A₀ > A		8522>8422
Коэф. снижения допуск. давления	V	0,9779
Допускаемое внутреннее избыточное давление, МПа	[P]	10,92

Расчет ректификационной колонны 📙 Реферат → 🆔 234343