Расчет ректификационной колонны

 

где  G_K - вес корпуса, кН;

G_ИЗ - вес изоляции, кН;

G_Н.У - вес наружных устройств, кН;

G_В.У - вес внутренних устройств, кН;

G_Ж - вес жидкости, кН.

 

G_К = åG_Ц + åG_Д,              (90)

 

где  G_Ц - вес цилиндрической части корпуса, кН;

G_Д - вес днища, кН.

 

G_Ц = p×(D_В + s)×s×H_Ц×r_м×g,    ( 91)

 

где  H_Ц ¾ высота цилиндрической части корпуса, м;

r_м ¾ плотность металла, кг/м³,  r_м=7850 кг/м³.

 

 

 

G_Д=S_Д×s×r_м×g,                                    (92)

 

где  S_Д - площадь днища, м²;

s_д - толщина днища, м.

 

G_Ц=3,14×(1,2 + 0,05)×0,05×25,9×7850×9,81=391,424 кН,

 

G_Д=2,31×0,05×7850×9,81=9,673 кН.

 

По формуле (90)

 

G_K=391,424+2×9,673=410,77 кН

 

Найдем вес изоляции цилиндрической части корпуса

 

G_из.ц=p×(D_B+2×s+s_из.)×s_из×H_Ц×r_из.×g,                            (93)

 

где s_из. – толщина изоляции, м;

r_из. – плотность изоляции, кг/м³.

 

,                                         (94)

где  s_м.в., s_Al - толщина минеральной ваты и фольги, s_м.в.=0,08 м, s_Al=0,8×10^-3 м;

r_м.в., r_Аl - плотность минеральной ваты и фольги, r_м.в.=250 кг/м³, r_Al=2500 кг/м³.

 

 

кг/м³.

 

 

 

G_из.ц=3,14×(1,2+2×0,05+0,0808)×0,0808×25,9×272,3×9,81=24,237 кН.

Найдем вес изоляции днищ

 

G_ИЗд=F_д×s_из×r_из×g,          (95)

 

G_ИЗд=2,31×0,808×272,3×9,81=4,985 кН,

 

G_ИЗ=G_ИЗц+2×G_ИЗд,                         (96)

 

G_ИЗ=24,237+2×4,985=34,207 кН.

Вес внутренних устройств определяется по формуле

 

G_ВН=n_т×М_т×g+G_от,         (97)

 

где  n_т - число тарелок, n_т=40 шт.;

М_т - масса тарелки, М_т=70 кг по ОСТ 26-01-1488-83;

G_от – вес сетчатого отбойника, G_от=830,9 Н.

 

G_ВН = 40×70×9,81+830,9=28,3 кН.

Вес жидкости в рабочих условиях определяется по формуле

 

G_Ж=(p×(D_B)²/4)×H_Ж×r_ж×g+V_g×r_ж×g,           (98)

 

где  H_Ж - высота слоя жидкости, H_Ж=1,95 м;

r_ж - плотность жидкости, r_ж=900 кг/м³;

V_д - объем днища, V_д=0,45 м³.

 

G_Ж=(3,14×1,2²/4)×1,95×900×9,81+0,45×900×9,81=23,434 кН.

Найдем вес наружных устройств  по формуле

 

G_н.у.=0,1×G_К,                                                    (99)

 

G_н.у.=0,1×410,77=41,077 кН.

 

По формуле (89)

 

G_A=410,77+34,207+28,3+23,434+41,077=537,788 кН.

 

Найдем вес аппарата при монтаже 

 

G_А.М. =  G_K + G_ИЗ + G_Н.У + G_В.У,                                (100)

 

G_A.М=410,77+34,207+28,3+41,077=514,354 кН

Максимальный вес аппарата определяется по формуле

 

G_Amax = G_K+G_НУ+G_ВУ+G_из.+G_В,   (101)

 

где  G_В ¾ вес воды.

 

G_В=((p×(D_B)²/4)×H_Ц+2×V_д)×(r_воды)²⁰×g,   (102)

 

G_B = ((3,14×1,2²/4)×25,9+2×0,45)×1000×9,81=296,039 кН,

 

G_max=410,77+34,207+41,077+28,3+296,039=810,393 кН.

 

 

6.2 Выбор опоры

 

С учетом минимального веса аппарата G_А=810,393 кН по ОСТ 26-467-78 выбирается опора 3 типа с кольцевым опорным поясом, показан на рисунке , со следующими основными размерами:

высота опоры H₁=2000 мм;

наружный диаметр кольца D₁=1480 мм;

диаметр D₂=1150 мм;

диаметр D_б=1360 мм;

толщина стенки опоры s₁=10 мм;

толщина стенки опоры s₂=20 мм;

толщина стенки опоры s₃=20 мм;

число болтов z_б=16 шт.;

диаметр отверстия под  болт d₂=35 мм;

диаметр болтов d_б=М30.

 

 

 

Рисунок 11 – Конструкция цилиндрической опоры 3 типа

 

7 Расчет на ветровую нагрузку

 

Цель расчета: определение  расчетных усилий для колонны  от ветровых нагрузок.

Исходные данные для  расчета:

– высота колонны H=30,3 м;

– коэффициент неравномерности сжатия грунта C_F=2×10⁸ H/м³;

– скоростной  напор  ветра  0,0005 МН/м²;

– модуль продольной упругости  Е=1,75×10⁵ МПа;

 

7.1 Определение периода  собственных колебаний колонны

 

Колонну разбиваем по высоте на три участка. Расчетная  схема показана на рисунке 12. Вес участка аппарата принимают сосредоточенным в его середине. Нагрузку от веса аппарата прикладывают вертикально, а ветровую горизонтально.

 

 

 

Рисунок 12 – Расчетная схема колонны

 

Период основного тона собственных  колебаний аппарата  переменного сечения следует определим по формуле

 

                        T=2×H   ,       (103)

где a_i - относительное перемещение центров тяжести участков рассчитываемое по формуле

 

  ,    (104)

 

где b_i -  коэффициент, определяемый по формуле

 

,    (105)

 

g - коэффициент, определяемый по формуле

 

,   (106)

 

 D ,  l ,  m  -  определяют по формулам:

 

,    (107)

 

,        (108)

,                 ( 109)

 

Момент инерции сечения  аппарата найдем по формуле 

 

,                                       (110)

 

м⁴;

 

м⁴;

 

м⁴.

 

 

Момент сечения подошвы фундамента

 

,                                                (111) 

 

м⁴.

 

Проведем расчет по формулам (102)…(108)

 

 

,

 

,

 

,

 

.

 

,

 

,

 

 

,

 

,

 

,

 

 

 

7.2 Определение изгибающего  момента от ветровой нагрузки

 

При расчете ветровая нагрузка, распределенная непрерывно по высоте аппарата, заменяется сосредоточенными горизонтальными силами P_i, приложенными в серединах участков, как показано на рисунке 12.

Изгибающий момент в  расчетном сечении на высоте следует определять по формуле

 

,    (112)

где M_vJ - ветровой момент от действия ветра на площадки обслуживания, Н×м.

 

Ветровая нагрузка на i - м участке

 

,             (113)

 

Статическая составляющая ветровой нагрузки на  i - м участке

 

                                       ,                                      (114)

 

Динамическая составляющая ветровой нагрузки на i - м участке

 

                                                                               (115)

 

Нормативное значение статической  составляющей  ветровой  нагрузки на середине  i - го участка аппарата

 

                                         ,                                            (116)

 

где  q ₀  - определяется по ГОСТ Р 51273-99, q₀=230 H/м²;

 

,                                            (117)

 

для аппаратов круглого сечения  K = 0,7.

 

          

 

Коэффициент динамичности x находится в зависимости от параметра

 

.     (118)

 

Коэффициент динамичности x определяется по формуле

 

.     (119)

Коэффициент пространственной корреляции пульсации ветра n определяют по формуле

 

.    (120)

           Приведенное относительное ускорение  центра тяжести i - го участка

 

  ,                                    (121)

 

где   a _i ,  a _n - относительное перемещение  i - го и n - го участка при основном колебании

 

           Если  X > 10,  то

  ,                                            (122)

 

           Если  X £ 10,  то  m _n = 0,6.

 

Изгибающий момент в  расчетном сечении на высоте    от  действия ветровой нагрузки на обслуживающую площадку следует определять по формуле

 

                ,              (123)

 

где  А_J - общая площадь, включенная в контур площадки, м².

 

Коэффициент c_J по формуле

    (124)

Проведем расчет по формулам (111)…(123).

 

 

 

,

 

,

 

 

,

 

,

 

,

 

 

 

m₂=0,6,

 

 

,

 

,

 

,

 

,

 

,

 

,

 

,

 

,

 

,

,

 

,

 

,

 

,

 

,

 

м²,

 

,

 

,

 

,

 

,

 

,

 

,

 

,

 

,

 

 

8  Расчёт корпуса аппарата  от совместного действия всех  нагрузок [5]

 

Цель расчёта: Проверка аппарата на прочность и устойчивость в результате совместного действия всех нагрузок

 

Исходные данные:

p – расчётное давление, P_R=11 МПа;

D – внутренний диаметр аппарата, D=1200 мм;

s – толщина стенки аппарата, S=50 мм;

c – сумма прибавок к толщине стенки, С=2 мм;

F – расчётное осевое сжимающее усилие в сечении У-У , F = 0,81 МН ;

М – расчётный изгибающий момент в сечении У-У , М = 0,206 МН×м ;

f_т  – коэффициент прочности кольцевого сварного шва , f_т =1;

f_p – коэффициент прочности продольного сварного шва , f_p=1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 13  – Расчётная схема аппарата

 

 

8.1  Проверка корпуса аппарата на прочность

 

8.1.1 Проведем расчет для рабочего  условия 

Рассчитываем продольные напряжения на наветренной стороне по формуле

 

,                 (125)

 

где F – осевое сжимающие усилие при рабочих условиях, F=0,537 МН;

 

 

Рассчитываем продольные напряжения на подветренной стороне по формуле

 

,                   (126)

 

.

 

Кольцевые напряжения рассчитываем по формуле

 

,                                                 (127)

 

МПа.

 

Рассчитываем эквивалентные напряжения на наветренной стороне по формуле

 

,                                      (128)

 

 МПа.

 

Рассчитываем эквивалентные напряжения на подветренной  стороне по формуле

 

  ,                                   ( 129)

 

.