Химический аппарат колонного типа
Введение
В условиях химических производств при синтезе продуктов часто
получают смеси жидких компонентов, из которых необходимо выделить тот или иной
компонент в чистом виде. Это достигается ректификацией.
Ректификацию проводят в ректификационных колоннах, которые по
своему устройству делятся на тарельчатые, насадочные и ротационно-плёночные.
Так как без процесса ректификации невозможно ни одно крупное
производство, технически грамотное проектирование аппарата колонного типа
является задачей химика-технолога.
1.
Краткое описание и принцип действия аппарата
Аппарат предназначен для разделения перегонкой и
ректификацией двухкомпонентной жидкой смеси (например метанол + вода) под
давлением P=0,5
МПа.
По конструкции аппарат представляет собой ректификационную
тарельчатую колонну переменного диаметра (диаметр нижней части 1600 мм, диаметр
верхней части 1000 мм) и высотой 60 м, кубовая часть которой снабжена выносным
кипятильником.
Колонна оснащена внутренними устройствами в виде ряда
тарелок, сборного лотка и сливной трубы нижней тарелки. В кубовой части колонны
имеется разделительная вертикальная перегородка для разделения кубовой
жидкости. Более легкая фракция, переливаясь через перегородку, подаётся на
кипятильник, а более тяжёлая собирается в кубовой части и выводится наружу.
Колонна снабжена тремя обслуживающими площадками, смотровыми
люками, люками-лазами, технологическими штуцерами для замера уровней и
температуры.
2. Технические данные
1. Высота аппарата с цилиндрической опорой-60 м
2. Высота нижней части аппарата-40 м
. Внутренний диаметр аппарата
- верхней части d=1,0 м
нижней части D=1,6 м
4. Диаметр подошвы фундамента 2 м
5. Толщина стенки аппарата с учётом коррозии
. Материал обечайки корпуса: конструкционная сталь.
7. Рабочее давление в аппарате P=0,5 МПа
8. Масса внутренних устройств составляет величину 0,5
от массы корпуса.
. Масса смотровой площадки - 500 кг.
10. Высота площадок обслуживания - 1 м
11. Район установки IV
12. Скоростной напор ветра
. Тип грунтов - средней плотности
3. Расчётная часть
Расчёт веса и массы колонного аппарата.
Масса
корпуса
1 участок
где d1-средний диаметр верхней части аппарата, м;
s-толщина стенки аппарата, м;
h1-высота
участка, м;
где плотность стали кг/м3
2 участок
V2=V1; m2=m1
3 участок
Где D3-средний диаметр нижней части аппарата, м;
участок
V4=V3; m4=m3
участок
V5=V3; m5=m3
участок
V6=V3; m6=m3
Масса
крышки
Масса
днища
Масса
внутренних устройств
Масса
аппарата
Вес
аппарата
Вес
участков
4. Период основного тона колебаний аппарата
Период основного тона собственных колебаний аппарата
рассчитывается по формуле:
где -вес i-того участка аппарата, Н;
-относительное перемещение центров тяжести участков, 1/Н*м;
g - ускорение свободного падения, м/с2;
Н - высота аппарата, м;
Е - модуль упругости, Н/м3
- коэффициент
- коэффициент неравномерности сжатия грунта, Н/м3
IF-экваториальный момент инерции подошвы
фундамента относительно центральной оси, м4;
Расчёт коэффициента
где xi-расстояние от середины i-того участка до поверхности
земли, м;
- коэффициент, вычисляемый по формуле:
Момент
инерции сечения корпуса аппарата
Момент
инерции подошвы фундамента
;
Коэффициент
где ;
Вычисление коэффициента
Вычисление величины
5. Определение изгибающего момента от ветровой
нагрузки
Изгибающий момент в расчетном сечении на высоте определяется по формуле:
где - сосредоточенная сила, действующая на i-й участок, Н;
- координата i-ой силы , м;
- расстояние от опасного сечения до поверхности земли, м;
- изгибающий момент от действия ветра на смотровую площадку, .
Расчет силы.
Ветровая нагрузка на i-ом участке:
где - статическая составляющая i-ой силы, Н;
- динамическая составляющая i-ой силы, Н;
где - нормативное значение статической
составляющей, Н/м2;
- площадь поперечного сечения (площадь миделевого сечения), м2;
где - высота участка, м;
- диаметр участка, м;
Тогда:
Если предположить отсутствие пульсаций, то
где -нормативный скоростной напор ветра на
высоте 10 м над поверхностью земли (для IV географического района) равный 0,55кПа или 550 Па;
k - аэродинамический коэффициент, равный 0,7;
-коэффициент, учитывающий увеличение скоростного напора по высоте
аппарата от уровня земли, определяется по формуле:
Динамическая составляющая i-ой силы:
где -коэффициент, учитывающий корреляцию
пульсаций скорости ветра и частоты колебаний колонного аппарата;
Gi-вес i-ого участка;
-коэффициент динамичности;
- приведенное относительное ускорение центра тяжести i-ого участка;
Коэффициент динамичности определяется в зависимости от другого параметра , пропорционального периоду собственных
колебаний аппарата Т(с).
В зависимости от параметра , коэффициент динамичности определяется по формуле:
Коэффициент следует определять в зависимости от
высоты колонного аппарата Н и значения
При Н=60 м и при .
Приведенное относительное ускорение i-ого участка:
Где -относительное перемещение i-ого и k-ого участков
при основном колебании;
- коэффициент, характеризующий пульсации скоростного напора для
середины k-ого участка на высоте (при);
Расчет моментов, действующих на смотровые площадки.
где -определяет место расположения смотровой
площадки от уровня земли, м;
- площадь миделя сплошной конструкции ограждения и крепления снизу
смотровой площадки, м2;
- коэффициент пульсации скоростного напора;
- коэффициенты:
где - диаметр площадки, м;
- высота площадки, м;
6. Расчет колонного аппарата на прочность
Условие прочности
Продольное напряжение на наветренной стороне:
Продольное напряжение на подветренной стороне:
где: -внутренний диаметр колонны в
соответствующем расчетном сечении, м;
Р-давление, Па;
s-толщина стенки (исполнительная) в расчетном сечении, м;
c-прибавка на коррозию, м;
Окружное напряжение:
Эквивалентное напряжение на наветренной стороне:
Эквивалентное напряжение на подветренной стороне:
Аппарат рассчитывают на прочность для двух сочетаний нагрузок:
рабочие условия;
условия испытаний;
Сочетания нагрузок
Условия работы
|
Давление Р, МПа
|
Осевое
сжимающее усилие, Н
|
Изгибающий
момент М,
|
Рабочие условия
|
|
|
|
Условия
испытаний
|
|
|
|
Рабочие условия
Условие прочности выполняется
Условие прочности выполняется
Условия испытаний
Вес колонны с жидкостью:
Условие прочности выполняется
Условие прочности выполняется . Условия прочности выполняются. Данный аппарат все заданные
нагрузки выдержит.
колонный аппарат перегонка ректификация
7. Расчет устойчивости опорной обечайки
Условие
устойчивости
где -допускаемая сжимающая сила, Н;
-допускаемый изгибающий момент, ;
Допускаемая сжимающая сила
где -допускаемое осевое сжимающее усилие,
определяемое из условий прочности;
-допускаемое осевое сжимающее усилие в пределах упругости,
определяемое из условий устойчивости;
где -коэффициент запаса устойчивости (для
рабочих условий равен 2,4 для условий испытания - 1,8);
Рабочие условия
Условия испытаний
Допускаемый изгибающий момент
где -допускаемый изгибающий момент,
определяемый из условий прочности;
-допускаемый изгибающий момент в пределах упругости, определяемый
из условия устойчивости;
Рабочие условия
Условия испытаний
Проверка устойчивости
Рабочие условия
Условия испытаний
Условие устойчивости выполняется.
Список литературы
1. ГОСТ
- 24757 - 81 «Сосуды и аппараты колонного типа. Нормы и методы расчета на
прочность», М., Изд. Стандартов, 1987 г.
2. ГОСТ
- 14249 - 89 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность», М., Изд.
Стандартов, 1989 г.
. ГОСТ
- 24756 -81 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.
Определение расчетных усилий для аппаратов колонного типа от ветровых нагрузок
и сейсмических воздействий», М., Изд. Стандартов, 1987 г.
. Поляков
А.А., «Механика химических производств», Санкт-Петербург, издательство «Химия»,
1995 г.
. «Основные
процессы и аппараты химической технологии» под редакцией Дытнерского Ю.И., М.,
«Химия» 1983 г.
. Лащинский
А.А., Толчинский А.Ф., «Основы конструирования и расчеты химических аппаратов»,
справочник, 1970 г.