Расчет ректификационной колонны

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Ректификация -- массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемым в процессе абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего. Тем не менее ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны, переменные по высоте колонны физические свойства фаз и коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчет.

Одна из сложностей заключается в отсутствии обобщенных закономерностей для расчета кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 мм с насадками и тарелками, широко применяемым в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчета ректификационных колонн кинетических зависимостей, полученных при исследовании абсорбционных процессов (в приведенных в данной главе примерах в основном использованы эти рекомендации).

РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ

Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических размеров -- диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и физических свойств фаз, а также от типа и размеров насадок. В ректификационных колоннах, работающих при атмосферном давлении, для разделения агрессивных жидкостей, а также в тех случаях, когда не требуется частая чистка аппарата, обычно применяют керамические кольца Рашига. Для данного случая принимаем насадку из керамических колец Рашига размером 35x35x4 мм. Удельная поверхность насадки а = 140 м2/м3 свободный объем Vсв=0,78 м3/м3, насыпная плотность 505 кг/м3.

Насадочные колонны могут работать в различных гидродинамических режимах: пленочном, подвисания и эмульгирования. В колоннах большой производительности с крупной насадкой осуществление процесса в режиме эмульгирования приводит к резкому уменьшению эффективности разделения, что объясняется существенным возрастанием обратного перемешивания жидкости и значительной неравномерностью скорости паров по сечению аппарата. Ведение процесса в режиме подвисания затруднено вследствие узкого интервала изменения скоростей пара, в котором этот режим существует. Поэтому выберем пленочный режим работы колонны.

Для определения скоростей потоков необходимо определить нагрузки по пару и жидкости.

1. Расчет ректификационной колонны

1.1 Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

Производительность, колонны по дистилляту P и кубовому остатку W определим из уравнений материального баланса колонны:

Отсюда находим:

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение Rопт можно найти путем технико-экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной методики оценки Rопт используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения)

.

Здесь Rmin-- минимальное флегмовое число:



где xF и xP -мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/кмоль смеси; yF -- концентрация легколетучего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмоль смеси.

Обычно коэффициент избытка флегмы, при котором достигается оптимальное флегмовое число, не превышает 1,3. Один из возможных приближенных методов расчета R заключается в нахождении такого флегмового числа, которому соответствует минимальное произведение N(R+1), пропорциональное объему ректификационной колонны ((N -- число ступеней изменения концентраций или теоретических тарелок, определяющее высоту колонны, а R+1 --расход паров и, следовательно, сечение колонны).

Определим R по этой рекомендации. Пересчитаем составы фаз из массовых долей в мольные по соотношению

где Мс ,у и Мх ,у-- молекулярные массы соответственно сероуглерода и 4-х хлористого углерода, кг/кмоль

Получим:

Аналогично найдем xW=0.059 и xP=0.964 кмоль/кмоль смеси. Тогда минимальное флегмовое число равно:

Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы , определим соответствующие флегмовые числа. Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме состав пара y- состав жидкости x (рис. 1) находим N. Результаты расчетов рабочего флегмового числа представлены на рис. 2 и приведены ниже:

	1,05	1,35	1,75	2,35
R	1,18	1,51	1,96	2,63
N	21	14	11	10
N(R+1)	45,78	35,14	21,56	36,3

Минимальное произведение N(R+l) соответствует флегмовому числу R = 1.987. При этом коэффициент избытка флегмы 1.987:1.121=1.77. На рис. 2 изображены рабочие линии и ступени изменения концентраций для верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) частей колонны в соответствии с найденным значением R.

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяют из соотношений:

Lв = PRMB/Mр (1)

Lн = PRMн/MP+FMн/MF (2)

где Мр и MF-- мольные массы дистиллята и исходной смеси; Мв и Мн -- средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента -- сероуглерода. Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:

где xсрв и xсрн - средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней частях колонны:

Тогда

Мольная масса исходной смеси:

Подставим рассчитанные величины в уравнения (1) и (2), получим:

Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:

Здесь Мв и Мн -- средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны

где

Тогда

Подставив численные значения в уравнение (3), получим:

1.2 Расчет скорости пара и диаметра колонны

Выбор рабочей скорости паров обусловлен многими факторами и обычно осуществляется путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Для ректификационных колонн, работающих в пленочном режиме при атмосферном давлении, рабочую скорость можно принять на 20--30 % ниже скорости захлебывания. Предельную фиктивную скорость пара , при которой происходит захлебывание насадочных колонн, определяют по уравнению:



где ?x , ?y -- средние плотности жидкости и пара, кг/м3; ?x-- в мПа*с.

Поскольку отношения L/G и физические свойства фаз в верхней и нижней частях колонны различны, определим скорости захлебывания для каждой части отдельно.

Найдем плотности жидкости ?xв и ?xн и пара ?yв и ?yн в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них tв и tн. Средние температуры паров определим по диаграмме t--x,y (рис. 4) по средним составам фаз:

tв =51°С; tн =64°С.

Тогда:

Отсюда получим:

Плотность физических смесей жидкостей подчиняется закону:



Тогда

Вязкость жидких смесей находим по уравнению:

где ?x,су и ?x,ху--вязкости жидких сероуглерода и 4-ххлористого углерода при температуре смеси.

Тогда вязкость жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:

Предельная скорость паров в верхней части колонны :

откуда

Предельная скорость паров в нижней части колонны:

откуда

Примем рабочую скорость на 30% ниже предельной:

Диаметр ректификационной колонны найдем из уравнения расхода:

Отсюда диаметры верхней и нижней части колонны равны соответственно:

Рационально принять стандартный диаметр обечайки d=1.2 м одинаковым для обеих частей колонны. При этом действительные рабочие скорости паров в колонне равны:

что составляет соответственно 46% и 65%

1.3 Высота насадки

Высоту насадки Н рассчитывают по модифицированному уравнению массопередачи:

H=noyhoy

Где noy - общее число единиц переноса по паровой фазе, hoy-общая высота единицы переноса, м.

Общее число единиц переноса вычисляют по уравнению:

Решим этот интеграл методом графического интегрирования:

где S- площадь, ограниченная кривой, ординатами yw и yp и осью абсцисс(рис. 5); Mx, My - масштабы осей координат.

y	y*-y	1/(y*-y)		y	y*-y	1/(y*-y)
0,059	0,091	11,0		0,678	0,069	14,5
0,131	0,135	7,4		0,765	0,064	15,6
0,177	0,156	6,4		0,827	0,051	19,6
0,337	0,158	6,3		0,896	0,036	27,8
0,522	0,112	8,9		0,937	0,026	38,5
0,642	0,065	15,4		0,964	0,019	52,6

По рис. 5 находим общее число единиц переноса в верхней и нижней частях колонны:

noyв=7,03 noyн=4,8

Общую высоту единиц переноса определим по уравнению аддитивности:

hoy= hy+mGhx/L

где m- средний коэффициент распределения в условиях равновесия для соответствующей части колонны;

hx и hy- частные высоты единиц переноса соответственно в жидкой и паровой фазах.

Отношение нагрузок по пару и жидкости G/L, кмоль/кмоль, равно:

Для верхней части колонны

Для нижней части колонны

где

Подставим численные значения:

Следовательно:

Для верхней части колонны

Для нижней части колонны

Высота единиц переноса в жидкой фазе:

где с и Ф- коэффициенты, определяемые по графику;

- критерий Прандтля для жидкости;

Z - высота слоя насадки одной секции , которая из условия прочности опорной решетки и нижних слоев насадки, а также из условия равномерности распределения жидкости по насадке не должна превышать 3 м.

Высота единиц переноса по паровой фазе:

где ?- коэффициент, определяемый по рис 6.6,а;

- критерий Прандтля для пара;

- массовая плотность орошения, кг/(м2*с);

d- диаметр колонны, м;

(?x-в мПа*с)

Для расчета hx и hy необходимо определить вязкость паров и коэффициенты диффузии в жидкой Dx и паровой Dy фазах. Вязкость паров для верхней части колонны:

где ?y,cy и ?y, xy - вязкость паров сероуглерода и 4-ххлористого углерода при средней температуре верхней части колонны, мПа*с; yв- средняя концентрация паров.

Подставив, получим:

Аналогичным расчетом для нижней части колонны находим

?y,н=0,011

Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре t равен:

Коэффициенты диффузии в жидкости Dx20 при 20 градусах можно вычислить по приближенной форме:

где A и B-коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя; ?су и ?ху - мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения, см3/моль; ?y,cy -вязкость жидкости при 20° С, мПа*с.

Тогда:

И, следовательно, для верха:

Для низа:

Температурный коэффициент b определяют по формуле:

где ?x и ?x - принимают при температуре 20° С.

Тогда, для верха:

Для низа:

Отсюда, для верха:

Для низа:

Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению:

где Т- средняя температура в соответствующей части колонны, К; P- абсолютное давление в колонне, Па.

Тогда, для верхней части:

Для нижней части:

Таким образом, для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:



Находим общую высоту единицы переноса для верхней и нижней частей колонны:

Значения m определены арифметическим усреднением локальных значений m в интервалах изменения состава жидкости.

Высота насадки в верхней и нижней частях колонны равна соответственно:

Общая высота насадки в колонне

С учетом того, что высота слоя насадки в одной секции Z=2.5м, общее число секций в колонне составляет 6 (4 секции в верхней части и 2 в нижней).

Общую высоту ректификационной колонны находят по уравнению

где Z- высота насадки в одной секции, м ; n- число секций; hр- высота промежутков между секциями насадки, в которых устанавливают распределители жидкости, м ; Zв и Zн- соответственно высота сепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и насадкой, м.

Значения Zв и Zн выбирают в соответствии с рекомендациями.

Общая высота колонны

1.4 Гидравлическое сопротивление насадки

Гидравлическое сопротивление насадки ?P находят по уравнению

Гидравлическое сопротивление сухой неорошаемой насадки ?Pc рассчитывают по уравнению:

где ?- коэффициент сопротивления сухой насадки, заисящий от режима движения газа в насадке.

Критерий Рэйнольдса для газа в верхней и нижней частях колонны соответственно равен:



Следовательно, режим движения турбулентный.

Для турбулентного режима коэффициент сопротивления сухой насадки в виде беспорядочно насыпанных колец Рашига находят по уравнению

Для верхней и нижней частей колонны соответственно получим:

Гидравлическое сопротивление сухой насадки в верхней и нижней частях колонны равно:

Плотность орошения в верхней и нижней частях колонны определим по формуле

Подставим численные значения

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в верхней и нижней частях колонны:

Общее гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в колонне:

1.5 Расчет изоляции колонны

Толщину тепловой изоляции ?и находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

где

- коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м2*К); tст2 - температура изоляции со стороны окружающей среды; для аппаратов, работающих в помещении tст2 выбирают в интервале 35-40?С; tст1 - температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции tст1 принимают равным температуре внутри колонны; tв - температура окружающей среды, ?С;

?и- коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/( м*К)

Рассчитаем толщину изоляции:

В качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит(85% магнезии+15% асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности ?и =0,09 Вт/( м*К).

Тогда

1.6 Расчет штуцеров колонны

Определяющим размером штуцеров является диаметр. Его можно найти по формуле:

где Q- объемный расход жидкости или пара через отверстие штуцера, м3/с; ?-скорость жидкости или газа в сечении штуцера

а) Штуцер входа исходной смеси

Объемный расход можно найти по формуле:



где

Подставляя значения получим:

Тогда:

Выбираем штуцер с внутренним диаметром 38мм, проходным диаметром 32мм

б) Штуцер входа флегмы

Объемный расход можно найти по формуле:

где

Подставляя значения получим:

Тогда:

Выбираем штуцер с внутренним диаметром 32мм, проходным диаметром 25мм

в) Штуцер выхода паров дистиллята

Объемный расход можно найти по формуле:

где

Подставляем значения

Тогда

Выбираем штуцер с внутренним диаметром 219мм, проходным диаметром 200мм

г) Штуцер выхода кубового остатка

Объемный расход можно найти по формуле:

где

Подставляя значения получим:



Тогда:

Выбираем штуцер с внутренним диаметром 45мм, проходным диаметром 40мм

д) Штуцер выхода кубовой жидкости

Объемный расход можно найти по формуле:

где

Подставляя значения получим:

Тогда:

Выбираем штуцер с внутренним диаметром 76мм, проходным диаметром 65мм

е) Штуцер входа парожидкостной смеси

Полагая, что во входящей смеси 3 части жидкости и 1 часть пара, запишем формулу для расчета диаметра штуцера:

где

Плотность можно найти:



Подставляя значения получим:

Плотность пара находим по формуле:

Подставляем значения

Тогда

Выбираем штуцер с внутренним диаметром 219мм, проходным диаметром 200мм

1.7 Тепловой расчет ректификационной колонны

Тепловой баланс ректификационной колонны:

где Qk- расход теплоты, получаемой кипящей жидкостью от конденсирующегося греющего пара в кипятильнике кубовой жидкости;

QF- расход теплоты на нагревание исходной смеси до температуры кипения;

QP- выделение теплоты при охлаждении дистиллята; QW- выделение теплоты при охлаждении кубового остатка; Qдеф- выделение теплоты при конденсации паров в дефлегматоре; Qпот- потери теплоты в окружающую среду.

Теплоемкость при различных температурах можно найти по формуле:

При tF=57°C ссу=1027 Дж/(кг*К), сху=859 Дж/(кг*К). Тогда:

При tW=73°C ссу=1048 Дж/(кг*К), сху=880 Дж/(кг*К). Тогда:

При tP=47°C ссу=1027 Дж/(кг*К), сху=880 Дж/(кг*К). Тогда:

Рассчитаем r по формуле:

При tP=73°C rсу=335.3 кДж/кг, rху=196.6 кДж/кг.

Потери тепла рассчитываем по формуле:

Подставим значения:

Тогда:

Подставляя, находим:

2. Специальная разработка. Холодильник кубового остатка

2.1 Технологический расчет

Исходная задача: рассчитать теплообменный аппарат для охлаждения 1,993 кг/с смеси сероуглерод-четыреххлористый углерод от +73°C до +25°C водой. Вода нагревается от 10°C до 30°C. Давление в линиях смеси и воды менее 0,3 МПа.

Решение: Общая часть.

1.Примем индекс «1» для смеси, «2»-для воды.

Найдем среднюю температуру воды:

Найдем среднюю температуру смеси:

Где

- средняя разность температур при противотоке.

Тогда:

С учетом потерь холода в размере 5% расход теплоты:



где

При температуре t=47°C

Тогда:

Рассчитаем расход воды:

Объемные расходы воды и смеси рассчитываются по формуле:

Рассчитаем объемный расход смеси. Плотность смеси будет рассчитываться по формуле:



Тогда

Рассчитаем объемный расход воды.

2. Рассчитаем ориентировочно площадь поверхности теплообмена.

Полагая К=900Вт/(м2*К):

Для такой величины площади поверхности теплообмена эффективней всего взять теплообменник «труба в трубе». Для обеспечения более интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Воду направим в трубное пространство, так как она дает загрязнения, смесь- в межтрубное.

Рассмотрим аппарат, изготовленный из труб 108х4мм (наружная труба) и 76х4(внутренняя труба). Скорость воды в трубах для обеспечения турбулентного течения должна быть:

Определим действительную скорость воды в трубах:

Как видно, действительная скорость больше минимально необходимой.

Рассчитаем критерий Re для воды:

Определим скорость и критерий Re для смеси:

При вынужденном движении в трубах и каналах при Re>10000 теплоотдача для обоих потоков описывается уравнением:

Коэффициент ?l примем равным 1 при L/dэ>50. Ввиду того, что температуры стенок со стороны смеси и воды неизвестны, примем сомножитель (Pr/Prст)0.25=1 для обоих потоков.

а) Коэффициент теплоотдачи для смеси.

Критерий Pr для смеси при 47°C:

Тогда:

Критерий Nu для смеси:

Коэффициент теплоотдачи от смеси к стенке:

б) Коэффициент теплоотдачи для воды.

Критерий Pr для воды при 20°C:



Тогда:

Критерий Nu для воды:

Коэффициент теплоотдачи от воды к стенке:

Термическое сопротивление стенки и загрязнений:

Коэффициент теплопередачи:

Поверхностная плотность теплового потока:

3. Определим ориентировочно значения tст1 и tст2, исходя из того, что:

Где сумма

Найдем:

Проверка:

Отсюда



Введем поправку в коэффициенты теплоотдачи, определив (Pr/Prст)0.25

Критерий Pr для смеси при t=30.473°C

Тогда:

Критерий Pr для воды при t=13.869°C

Коэффициенты теплоотдачи:

Для смеси:

Для воды:



Исправленные значения K, q :

Дальнейшее уточнение ?1 и ?2 и других величин не требуется, так как расхождение между ?1, ?1 и ?2, ?2 и др. не превышает 5%

Фланцы выбираем с внутренним диаметром 76мм, с проходным диаметром 65мм.

3. Выбор вспомогательного оборудования

3.1 Расчет дефлегматора

Исходная задача: рассчитать теплообменный аппарат для конденсации 0,9 кг/с смеси сероуглерод-четыреххлористый углерод от водой. Вода нагревается от 10°C до 30°C.

Решение: Общая часть.

1.Примем индекс «1» для смеси, «2»-для воды.

Найдем среднюю температуру воды:

Средняя температура смеси будет равна температуре пара:

- средняя разность температур при противотоке.

С учетом потерь холода в размере 5% расход теплоты:

где

При температуре t=47°C

Тогда:

2. Рассчитаем ориентировочно площадь поверхности теплообмена.

Полагая К=800Вт/(м2*К):

Для такой величины площади поверхности теплообмена возьмем кожухотрубчатый теплообменник. Воду направим в трубное пространство, так как она дает загрязнения, пар- в межтрубное.

Рассмотрим аппарат с диаметром кожухом 325 мм, длинна труб 3 метра.

3.2 Расчет подогревателя

Исходная задача: рассчитать теплообменный аппарат для нагрева 2,89 кг/с смеси сероуглерод-четыреххлористый углерод от +20°C до +57°C паром под давлением 0.1 МПа.

Решение: Общая часть.

1.Примем индекс «1» для смеси, «2»-для пара.

- средняя разность температур при противотоке.

С учетом потерь холода в размере 5% расход теплоты:

где

При температуре t=38,5°C

Тогда:

2. Рассчитаем ориентировочно площадь поверхности теплообмена.

Полагая К=300Вт/(м2*К):

Для такой величины площади поверхности теплообмена эффективней всего взять разборный многопоточный теплообменник «труба в трубе». Пар направим в межтрубное пространство, смесь- в трубное.

Рассмотрим аппарат, изготовленный из труб 219х6мм (наружная труба) и 159х4.5(внутренняя труба).Число теплообменных труб-2. Длина труб-6 метров.

3.3 Расчет кипятильника

Исходная задача: рассчитать теплообменный аппарат для испарения 2.69 кг/с смеси сероуглерод-четыреххлористый углерод паром при давлении 0.1 МПа.

Решение: Общая часть.

1.Примем индекс «1» для смеси, «2»-для пара.

С учетом потерь холода в размере 5% расход теплоты:

где

При температуре t=73°C

Тогда:

2. Рассчитаем ориентировочно площадь поверхности теплообмена.

Полагая К=300Вт/(м2*К):

Для такой величины площади поверхности теплообмена эффективней всего взять кожухотрубчатый теплообменник. D кожуха 600 мм,d труб 20х2 мм, число ходов- 1,длина труб- 3 метра. Пар направим в межтрубное пространство, смесь- в трубное.

3.4 Расчет холодильника дистиллята

Исходная задача: рассчитать теплообменный аппарат для охлаждения 0,9 кг/с смеси сероуглерод-четыреххлористый углерод от +47°C до +25°C водой. Вода нагревается от 10°C до 20°C.

Решение: Общая часть.

1.Примем индекс «1» для смеси, «2»-для воды.

Найдем среднюю температуру воды:

Найдем среднюю температуру смеси:

Где

- средняя разность температур при противотоке.

Тогда:

С учетом потерь холода в размере 5% расход теплоты:



где

При температуре t=36°C

Тогда:

2. Рассчитаем ориентировочно площадь поверхности теплообмена.

Полагая К=900Вт/(м2*К):

Для такой величины площади поверхности теплообмена эффективней всего взять теплообменник «труба в трубе». Воду направим в трубное пространство, так как она дает загрязнения, смесь- в межтрубное.

Рассмотрим аппарат, изготовленный из труб 89х5мм (наружная труба) и 57х4(внутренняя труба). Длина труб 1,5 м

1.5 Расчет насоса для перекачивания исходной смеси из емкости в колонну

Полезную мощность, затрачиваемую на перекачивание жидкости, определяют по формуле:

где Q- подача, H- напор насоса.

Найдем значение Hг. Геометрическая высота подъема жидкости составляет 9 метров.

Суммарные потери напора на всасывающей и нагнетательной линии с учетом изгиба труб, и т.д. составляют

Режим движения ламинарный, следовательно:

Рассчитаем мощность:

Ввиду того, что используются два параллельных насоса,

мощность на каждый насос- 825кВт.

3.6 Расчет емкостей

Для исходной смеси:

Условно считаем, что колонна работает 3 часа в сутки. Тогда, масса исходной смеси, расходуемой в сутки, будет равна:

Рассчитаем необходимый объем емкости.

Плотность можно найти:

Подставляем значения:



Необходимый объем:

Для кубового остатка:

Масса кубового остатка, получаемого в сутки, будет равна:

Рассчитаем необходимый объем емкости.

Плотность можно найти:

колонна гидравлический штуцер ректификационный

Подставляем значения:

Необходимый объем:

Для дистиллята:

Масса дистиллята, получаемого в сутки, будет равна:

Рассчитаем необходимый объем емкости.

Плотность можно найти:

Подставляем значения:

Необходимый объем:

4. Механический расчет

4.1 Расчет толщины цилиндрической части колонны

Примем за материал колонны сталь 03Х18Н11. Это высоколегированная коррозионностойкая, жаропрочная, жаростойкая сталь.

За исходные данные примем: длину обечайки 23000 мм, внутренний диаметр

1200 мм, давление в колонне атмосферное, максимальная температура в колонне 73 градуса, скорость коррозии примем 0,1 мм/год, срок эксплуатации 15 лет.

Рассчитаем допускаемое напряжение в рабочем состоянии.

Для выбранной стали

Для взрывоопасной среды

Следовательно

При гидравлическом испытании

Пробное давление при гидравлическом испытании:

Ввиду того, что рабочее давление в колонне отсутствует, примем P=0.1 МПа.

Следовательно Pи=0.4 МПа.

Коэффициент прочности сварных швов:

Прибавки к расчетной толщине стенки:

для компенсации коррозии

Подставим значения:

Расчетная и исполнительные толщины стенок цилиндрической обечайки:

Подставляя значения получаем:

Общую толщину стенки находим:

Так как

то условия применения формул выполняются. Таким образом, при полученной толщине стенки обеспечивается прочность цилиндрической обечайки колонны, как в рабочих условиях, так и в условиях испытания.

Принимаем толщину стенки равной 10 мм(ближайшее стандартное значение стенки колонного аппарата при диаметре 1200 мм)

4.2 Расчет днища

Днище эллиптическое стандартное отбортованное. Материал днища и допускаемые напряжения такие же, как и для обечайки.

В днище имеется два отверстия с диаметрами 76 мм и 45 мм.

Коэффициент ослабления днища отверстием:

Толщина стенки:

Принимаем толщину днища 10 мм.

4.3 Расчет крышки

Крышка эллиптическая стандартная отбортованная. Материал крышки и допускаемые напряжения такие же, как и для обечайки.

В крышке имеется одно отверстие с диаметром 219 мм.

Коэффициент ослабления крышки отверстием:



Толщина стенки:

Принимаем толщину днища 10 мм.

4.4 Расчет фланцевого соединения

Выберем для фланцевого соединения крышки и днища с обечайкой фланец из

[9]. Используем программу MATHCAD 2001i.



4.5 Расчет опоры-обечайки с расчетом на ветровую нагрузку

Материал аппарата сталь 03Х18Н11.

Сила тяжести: аппарата- G=0,15Мн, обслуживающих площадок-Gп=0,08Мн, жидкости-Gж=0,02Мн, воды в аппарате при гидроиспытаниях-Gв=0,23Мн. Внутренний диаметр аппарата 1,2 м, наружный 1,22(ввиду тонкости слоя изоляции не учитываем), толщина стенки корпуса-10 мм, прибавка на коррозию 1,5 мм

Расчетный диаметр аппарата 12,м. Так как отношения высота аппарата к его расчетному диаметру больше, чем 15, то расчетная схема аппарата выбирается в виде консольного стержня с жесткой заделкой в фундаменте.

Определим период собственных колебаний аппарата.

Средний диаметр колонны:

Момент инерции:



Так как аппарат постоянного сечения и отношение высоты аппарата к его расчетному диаметру больше, чем 15,то:

Нормативный скоростной напор для этого участка России согласно табл. 29.14 на стр. 690 [9] равен:

Расчетный скоростной напор по 3 участкам:

Коэффициент динамичности определяем по графику на рис. 29,14 стр. 690 [9].

Коэффициент пульсации скоростного напора определяем по графику на рис.29,17 на стр. 687 [9]:

Коэффициент увеличения скоростного напора определим по формуле:

Силу от ветровой нагрузки определяем по формуле:

при минимальной силе тяжести -

для максимальной нагрузки-

Изгибающий момент от ветровой нагрузки на аппарат относительно его основания определяем по формуле:

при минимальной силе тяжести-



при максимальной силе тяжести-

Изгибающий момент от ветровой нагрузки на площадки относительно основания аппарата определяем по формуле:

при минимальной силе тяжести-

при максимальной силе тяжести-

Общий изгибающий момент от ветровой нагрузки определяем по формуле:

при минимальной силе тяжести аппарата

при максимальной силе тяжести аппарата

Произведем расчет опоры аппарата.

Принимаем толщину цилиндрической стенки опоры s=10 мм.

Напряжение сжатия в этой стенке ,с учетом наличия в ней отверстия для лаза с d=0,5м, и двух отверстий по 80 мм и 100 мм в диаметре, при максимальной нагрузке от силы тяжести аппарата определяем по формуле:

Напряжение на изгиб в той же стенке:



Отношение:

Для данного отношения определим коэффициенты по графикам на рис. 15,8:

Коэффициенты Kc и Ки определяем по формуле:

Допускаемое напряжение на сжатие и изгиб определяем по формуле:



Условие устойчивости цилиндрической опоры:

Устойчивость обеспечена.

Максимальное напряжение на сжатие в сварном шве, соединяющем цилиндрическую опору с корпусом аппарата при коэффициенте сварного шва 0,7 определяем по формуле:

Внутренний диаметр опорного кольца определяем по формуле:

Наружный диаметр опорного кольца определяем по формуле:

Опорную площадь кольца определяем по формуле:

Момент сопротивления опорной площади кольца определяем по формуле:

Максимальное напряжение сжатия на опорной поверхности кольца определяем по формуле:

Номинальная расчетная толщина опорного кольца при l=0,1 м определяется по формуле:

С учетом прибавки на коррозию принимаем 35 мм.

Наименьшие напряжения на опорной поверхности кольца:

при максимальной силе тяжести аппарата

при минимальной силе тяжести аппарата

Расчетным является большее по абсолютной величине значение, а знак минус показывает на необходимость установки фундаментальных болтов.

Общую условную расчетную нагрузку на фундаментальные болты определяем по формуле:



Принимаем количество фундаментальных болтов z=24

Нагрузку на один болт находим по формуле:

Расчетный внутренний диаметр резьбы болтов определяем по формуле:

Принимаем болты М27 (d1=23,103мм)

Диаметр болтовой окружности определяем по формуле:

Принимаем диаметр 1350мм.

Размещено на Allbest.ru