Расчет ректификационной колонны (RIK)

Посмотреть архив целиком

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 sиз=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 TR – 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 ТР =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 PR – 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


РR1=1,1P, (0)


где P – рабочее давление, P=10 МПа;


PR1=1,110=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 ТР=250 С.

По ГОСТ 14249-89 []=145 МПа.


2.7 Модуль продольной упругости


Выбираем расчетное значение модуля продольной упругости


Е=1,75105 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 PR = 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 PR = 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)


sд s + c (0)


где R — радиус кривизны в вершине днища, м;

R = D — для эллиптических днищ с H=0,25D.


H=0,251200=300 мм,


R=1,2 м,


мм,


sд = 46,39+2 = 48,39 мм.


Принимаем толщину днищ стандартного значения sд=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

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 PR = 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)