Расчет ректификационной колонны (стр. 1 из 9)
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=1,1×P, (1)
где P – рабочее давление, P=10 МПа;
PR1=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 ТР=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 PR = 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 PR = 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)sд 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,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
. (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