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	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 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,