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, (0)

где P – рабочее давление, P=10 МПа;

P_R1=1,110=11 МПа.

Пробное давление для испытания аппарата определим по формуле

, (0)

где []²⁰ – допускаемое напряжение материала при 20 °С, []²⁰=196 МПа;

[]^tR – допускаемое напряжение материала при расчетной температуре t=250 °С, []²⁵⁰=145 МПа.

МПа.

Условное давление для выбора узлов и фланцевых соединений определим по формуле

, (0)

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 []=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

=1.

Приварка штуцеров будет выполняться в ручную с подваркой корня шва и значение коэффициента прочности сварных швов принимаем

=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, []=145 МПа;

• коэффициент прочности сварного шва =1;

• общая прибавка к толщине металла С=2 мм.

Рисунок 1 – Расчетная схема аппарата

Толщина стенки аппарата определяется по формулам

(0)

, (0)

где s - исполнительная толщина стенки, мм;

D- внутренний диаметр аппарата, мм.

м.

s  47,31 + 2 = 49,31 мм.

Принимается исполнительная толщина стенки сосуда s=50 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление для оболочки, МПа

, (0)

МПа.

Условия применения расчетных формул

, (0)

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, []=145 МПа;

• коэффициент прочности сварного шва =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

, (0)

s_д  s + c (0)

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

. (0)

МПа.

Условия применения расчетных формул для эллиптических днищ

, (0)

Условие выполняется.

Определим длину цилиндрической отбортованной части днища

, (0)

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

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, []=145 МПа;

• коэффициент прочности сварного шва =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

(0)

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

(0)

где =_Э, R=a=600 мм, b=300 мм.

, (0)

где  - коэффициент Пуассона, =0,3.

,

,

,

.

Определим суммарные напряжения на краю эллиптического днища, меридиальное и кольцевое соответственно по формулам

(0)

(0)

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)

, (0)

, (0)

МПа,

Определим суммарные напряжения на краю цилиндрической обечайки, меридиальное и кольцевые соответственно

, (0)

, (0)

где - соответственно меридиальные и кольцевые напряжения, действующие от нагрузок P, Q₀, M₀.

Подставим соответствующие значения погрузок в уравнение (20), (21)

, (0)

, (0)

МПа,

Определим максимальное напряжение на краю эллиптического днища и цилиндрической обечайке соответственно

,

,

, (0)

139,29 МПа < 145 МПа,

139,36 МПа < 145 МПа.

Таким образом, напряжения на краю соединяемых эллиптической и цилиндрической оболочек _maxЭ=139,29 МПа и _max=139,36 МПа меньше критического допускаемого напряжения []_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, []=145 МПа;

• допускаемое напряжение при T=250 С и s<50 мм, []=162 МПа;

• коэффициент прочности сварного шва =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 []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

4.2 Расчетные диаметры

4.2.1 Расчетные диаметры укрепляемых элементов определяются по формулам

- для цилиндрической обечайки

D_R = D (0)

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

, (0)

где x — расстояние от центра укрепляемого отверстия до оси