Колонна стабилизационная установки каталитического риформинга бензиновых фракций

  • Вид работы:
    Курсовая работа (т)
  • Предмет:
    Химия
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    964,15 Кб
  • Опубликовано:
    2014-05-04
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Колонна стабилизационная установки каталитического риформинга бензиновых фракций

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

. Цели и задачи курсового проектирования колонного аппарата

. Безопасность и экологичность проекта

3. Конструирование колонного аппарата

.1 Назначение, схема обвязки и принцип действия колонны

.2 Конструирование и выбор основных элементов колонного аппарата

3.3 Разработка эскизного проекта

. Расчет аппаратов на прочность

4.1 Исходные данные

.2 Выбор материала корпуса и опорной обечайки

.3 Определение расчетной температуры, допускаемого напряжения и расчетного давления

.4 Определение коэффициента прочности сварного шва

.5 Расчет исполнительной толщины стенки цилиндрической обечайки и днищ, находящихся под воздействием внутреннего избыточного давления

.6 Проверка условий применения расчетных формул

.7 Выбор стандартного днища

.8 Проверка прочности

5. Расчет аппаратов колонного типа от ветровых нагрузок

5.1 Область применения, цель и задачи расчета, исходные данные

.2 Порядок расчета колонных аппаратов от ветровых нагрузок

.3 Выбор расчетной схемы и определение расчетных сечений аппарата

.4 Расчетные условия

.5 Определение веса колонного аппарата и осевой сжимающей силы

.6 Определение ветровых нагрузок

.7 Определение расчетного изгибающего момента от ветровой и сейсмической нагрузки

.8 Сочетание нагрузок (P, F, M) для каждого расчетного условия

.9 Проверка на прочность и устойчивость стенки корпуса аппарата

5.10 Расчет опорной обечайки

5.11 Расчет элементов нижнего опорного узла

Заключение

Список использованных источников

Приложение А (информационное). Определение весов участков и общего веса колонного аппарата

Приложение Б (информационное). Определение периода собственных колебаний

Приложение В (информационное). Определение ветровой нагрузки на каждом участке

Приложение Г (информационное). Определение изгибающего момента от действия ветровой нагрузки

ВВЕДЕНИЕ

Для осуществления современных технологических процессов в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности требуются высокоэффективные аппараты, к которым предъявляются высокие требования по экономичности, надежности, технологичности и эргономичности. Одним из этапов, реализующих данные требования в части обеспечения их надежной работы, является этап, связанный с конструированием аппаратов и машин.

Надежность работы оборудования во многом определяется качеством его проектирования.

Поэтому цель дисциплины «Конструирование и расчет машин и аппаратов отрасли» заключается в приобретении студентами теоретических знаний и навыков инженерных расчетов, в освоении методов и основных этапов конструирования оборудования нефтегазопереработки, необходимых для осуществления самостоятельной профессиональной деятельности.

Темой курсового проектирования является стабилизационная колонна С-501. На основе выбора вида и принципиальной конструкции аппарата, его основных размеров и рабочих условий производятся расчеты на прочность и ветровую нагрузку.

1. Цели и задачи курсового проектирования

Цель дисциплины «Конструирование и расчет машин и аппаратов отрасли» заключается в формировании у будущих специалистов теоретических знаний в области конструирования и расчета нефтезаводского оборудования, обучении студентов применению полученных знаний и навыков для решения сложных задач, связанных с их будущей профессиональной деятельностью.

Цель курсового проектирования - систематизация и обобщение знаний, полученных при изучении общепрофессиональных и специальных дисциплин, изучение совокупности современных методов и средств конструирования, расчета и компьютерного моделирования оборудования на примере колонного аппарата, открывающих путь к их практическому применению на производстве.

Общими задачами курсового проектирования являются:

конструирование колонного аппарата;

обоснование выбора основных элементов и параметров колонного аппарата;

обеспечение безопасности и экологичности проекта;

обеспечение прочности и надежности конструируемого аппарата;

получение навыков использования справочной и нормативной литературы.

Частными задачами данного курсового проектирования являются:

- изучение основных принципов расчета и конструирования колонного аппарата;

проверка прочности конструируемого аппарата;

определение ветровых нагрузок;

изучение нормативно-технической документации, которая применяются при расчете и проектировании оборудования нефтегазопереработки.

2. Безопасность и экологичность проекта

Основные опасности производства обусловлены особенностями технологического процесса или выполнения отдельных производственных операций, особенностями используемого оборудования и условиями его эксплуатации, нарушениями правил безопасности работающими, а также наличием в аппаратах и трубопроводах большого количества горючих газов в смеси с водородом, сероводородом, жидких углеводородов и наличием в системе высокого давления и высокой температуры.

Установка каталитического риформинга бензиновых фракций относится к категории установок повышенной пожаровзрывоопасности и токсичности. Особенностью процесса является наличие на установке большого количества водородсодержащего газа с высоким давлением (до 5 МПа).

Процесс каталитического риформинга сопровождается использованием в качестве сырья бензиновой фракции, соответственно в смеси с водородсодержащим газом под высоким давлением и с высокой температурой до 520 °С.

Процесс очистки водородсодержащего газа от сероводорода с помощью раствора моноэтаноламина происходит с выделением сероводорода, обладающего сильными ядовитыми свойствами.

В связи с этим, данные процессы является вредными и пожаровзрывоопасными.

Основными опасными факторами являются:

наличие сероводорода и его смеси с углеводородами, топливного газа и водородсодержащего газа;

наличие постоянного горения открытого пламени в топках печей;

наличие большого теплового напряжения;

наличие высокого давления;

взрывы и пожары из-за разгерметизации оборудования и трубопроводов, при нарушении норм технологического режима;

отравления работающих углеводородными газами и сероводородом при разгерметизации оборудования и нарушении норм технологического режима;

термические ожоги при соприкосновении с горячими частями оборудования, трубопроводами, водяным паром, горячей водой;

падение при ремонте и обслуживании оборудования, расположенного на высоте;

травмирование вращающимися частями механизмов.

Имеющиеся на установке нефтепродукты и реагенты оказывают вредное воздействие на организм человека. Вредное действие может проявляться как при попадании на тело работающего, так и при вдыхании их паров и газа [1].

Показатели опасных свойств веществ, применяемых в колонном аппарате, приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Показатели опасных свойств веществ, применяемых в колонном аппарате

ВеществоГорючесть, воспламеняемостьПДК, мг/м3Класс опасностиБензиновая фракцияЛВЖ1004Углеводородный газГГ3004

Знание данных параметров необходимо для определения группы сосудов и аппаратов, коэффициента прочности сварного шва и в конечном итоге - расчета толщины стенки, при которой будет обеспечена надежная и безопасная работа конструируемого аппарата.

3. Конструирование колонного аппарата

.1 Назначение, схема обвязки и принцип действия колонного аппарата

Стабилизационная колонна предназначена для отпарки легких углеводородов.

Аппарат работает следующим образом: в колонну поступает нестабильный риформат; из верхней части колонны выходит углеводородный газ, проходит через аппарат воздушного охлаждения и поступает в качестве холодного орошения в верхнюю часть колонны; с нижней части колонны балансовое количество стабильного бензина выводится в товарный парк, а часть его возвращается в нижнюю часть колонны в качестве горячего орошения.

Схема обвязки стабилизационной колонны представлена на рисунке 3.1.

1 - ввод нестабильного риформата; 2 - вывод стабильного бензина; 3 - вывод углеводородного газа; 4 - ввод холодного орошения; 5 - ввод горячего орошения

Рисунок 3.1 - Схема обвязки стабилизационной колонны

3.2 Конструирование и выбор основных элементов колонного аппарата

.2.1 Выбор основных элементов корпуса и опорной обечайки

Основные элементы и параметры колонного аппарата приведены в таблицах 3.1, 3.2.

Таблица 3.1 - Основные элементы и параметры колонного аппарата

№ п/пПараметрЗначениеКорпус1Тип корпусаЦельносварной2Базовый диаметрВнутренний3Тип днища верхнегоЭллиптическое4Тип днища нижнегоЭллиптическое5Высота кубовой зоны, ммhкуб =25006Высота сепарационной зоны, , ммhсеп =10007Тип массообменных устройствЖалюзийно-клапанные тарелки8Общее количество тарелок, шт359Число групп тарелок, шт410Число тарелок в группах, шт9,8,9,911Расстояние между тарелками в группах, мм80012Количество люков, шт513Диаметр люка, мм60014Количество обслуживающих площадок, шт515Расстояние от поверхности земли до обслуживающих площадок, мм1 =33200

2 =25400

3 =18400

4 =11000

5 =250016Тип опорыЮбочная цилиндрическая17Высота опорной обечайки, ммhоп =240018Тип лазаОкружность19Диаметр лаза, ммDлаз =50020Расстояние от поверхности земли до оси лаза, мм=600

Таблица 3.2 - Таблица люков, штуцеров, лазов

ОбозначениеНаименованиеКол.Проход условный Dy, ммДавление условное, РуВылет, ммМПакгс/см2А1Ввод нестабильного риформата12502,525259Б1Вывод углеводородного газа13002,525294В1Вывод стабильного бензина13002,525294Г1Ввод горячего орошения13002,525294Д1Ввод холодного орошения11002,525242Е1,2Для манометра2802,525233Ж1,2Для уровнемера2802,525233З1,2Для термопары2802,525233И1Воздушник1802,525233К1Для предохранительного клапана1802,525233Л1-5Люк56002,525344М1Лаз1500---

.2.2 Устройство и принцип действия массообменных устройств

В стабилизационной колонне установки каталитического риформинга бензиновых фракций в качестве массообменных устройств используют жалюзийно-клапанные тарелки.

Жалюзийно-клапанная тарелка состоит из плоского основания с расположенными на нем жалюзийно-клапанными элементами. Основной деталью тарелки является жалюзийно-клапанный элемент, состоящий из металлической рамки с отверстиями, в которые входят цапфы подвижных пластинок.

При изменении расхода пара (газа), поступающего под тарелку, пластинки поворачиваются на цапфах и пар (газ) проходит между ними, перемещаясь над тарелкой под определенным углом. При незначительном расходе пара (газа) пластинки поворачиваются на малый угол, при увеличении расхода - до упора в перегородку, которой снабжена рамка. Жидкость перемещается по тарелке за счет направленного движения пара на выходе из жалюзийных элементов.

Достоинства жалюзийно-клапанных тарелок:

- высокий коэффициент полезного действия во всем интервале нагрузок по пару и жидкости;

значительно более высокие допустимые скорости паров в сечении колоны по сравнению с колпачковыми и клапанными тарелками;

малые потери давления;

очень малый объем сварочных работ при изготовлении;

легкость монтажа и демонтажа тарелок.

Жалюзийно-клапанный элемент тарелки представлен на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Жалюзийно-клапанный элемент

3.3 Разработка эскизного проекта

Эскиз колонного аппарата представлен на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Эскиз колонного аппарата

4. Расчет аппаратов на прочность

Целью данного раздела является:

определение толщины стенок цилиндрической обечайки и днищ из условия прочности;

определение допускаемого внутреннего давления;

проверка прочности цилиндрической обечайки и днищ, т.е. сравнение допускаемого давления с расчетным.

4.1 Исходные данные

Исходные данные, необходимые для выполнения данного раздела, приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Исходные данные

ПараметрЗначениеДавление рабочее, Рраб, МПа: внутреннее избыточноеРраб=1,68Температура среды (рабочая) верха аппарата, t рабв, 0Сt рабв =75Температура среды (рабочая) низа, t рабн, 0Сt рабн=238

4.2 Выбор материала корпуса и опорной обечайки

Результаты выбора конструкционного материала элементов корпуса и опоры представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Результаты выбора конструкционного материала элементов корпуса и опоры

Корпус колонного аппаратаОпорная обечайкаНазвание среды в аппаратестабильный бензин, углеводородный газВоздействие средынеагрессивноеВоздействие средынеагрессивноеТемпература среды (рабочая), 0Сtраб =238Температура среды, 0Сtраб =20Температура наиболее холодной пятидневки, 0Сtх.п.=-37Наличие переходного участка в опоренетДавление рабочее, МПаРраб =1,68Материал переходного участка-Материал20КМатериал опорной обечайки20К

4.3 Определение расчетной температуры, допускаемого напряжения и расчетного давления

4.3.1 Расчет в рабочих условиях

Исходные данные для рабочих условий приведены в таблице 4.3 и на рисунке 4.1.

Таблица 4.3 - Исходные данные для рабочих условий

ПараметрЗначениеНазвание рабочей жидкости в кубовой частистабильный бензинПлотность рабочей жидкости, кг/м3ρж =750Высота выпуклой части (глубина) верхнего днища без учета цилиндрической части (высоты отбортовки), ммhднв =0,25 Dв=0,25·2000=500Глубина нижнего днища без учета цилиндрической части (высоты отбортовки), ммhднн =0,25 Dв=0,25·2600=650Высота кубовой части hкуб , ммhкуб =2500Высота рабочей жидкости в корпусе hр.ж., ммhр.ж = h ндн+ hкуб =650+2500=3150

Результаты расчета для корпуса и опорной обечайки представлены в таблице 4.4.

Таблица 4.4 - Результаты расчета для рабочих условий

Корпус колонного аппаратаОпорная обечайкаРасчетная температура стенки корпуса, 0Сtраскор=max{tраб; 200С}=max{200C; 2380C}=238Расчетная температура стенки опорной обечайки, 0Сt рас оп.=max{ tкор - ∆t; 20 0C}= max{238-6500C; 200C}=20Поправочный коэффициент к допускаемым напряжениямη =1 для сварных аппаратовПоправочный коэффициент к допускаемым напряжениямη =1 для сварных аппаратовДопускаемое напряжение корпуса в рабочих условиях при расчетной температуре tрас кор, МПа[σ]tкор=η·σ*t, = =133 =133Допускаемое напряжение опорной обечайки в рабочих условиях при расчетной температуре

t рас оп, МПа[σ]tоп=η·σ*tоп=

=1·147=147Допускаемое напряжение корпуса в рабочих условиях при расчетной температуре 200С, МПа[σ]20 кор=η·σ20 кор =147=147Расчетное внутреннее избыточное давление для рабочих условий, МПа =Рраб +ρж·g·hр.ж.=

=1,68·106+750·9,81·3,15 = 1,7

так как Pr не превышает 5 % от Pраб, то Pr не учитываем, следовательно Рtрас=1,68Расчетное внутреннее избыточное давление, МПаРрас оп = 0,1

а) б)

Рисунок 4.1 - Расчетная схема аппарата с двумя жесткостями

(диаметрами) в рабочих условиях (а) и в условиях испытаний (б)

4.3.2 Расчет в условиях испытаний

Испытанию подвергается только корпус колонного аппарата.

Исходные данные для расчета приведены в таблице 4.5 и на рисунке 4.1. Результаты расчета приведены в таблице 4.6.

Таблица 4.5 - Исходные данные для условий испытаний для корпуса колонного аппарата

ПараметрЗначениеВид испытанийгидроиспытанияВысота выпуклой части верхнего днища, ммh вдн =500Глубина днища нижнего, ммh н дн = 650Высота корпуса, заполненная водой при гидроиспытании (без учета верхнего штуцера), hводы, ммhводы = hвдн + hндн + Lк + L1+L2 =500+650+1200+7700+23200 =33250Результаты расчета корпуса колонного аппарата в условиях испытаний представлены в таблице 4.6.

Таблица 4.6 - Результаты расчета корпуса КА в условиях испытаний

ПараметрКорпус колонного аппаратаПредел текучести при расчетной температуре, равной 20 0С, МПаσт = 220Коэффициент запаса прочности по пределу текучестиnТ =1,1 при гидроиспытаниях Поправочный коэффициент к допускаемым напряжениямη = 1Допускаемое напряжение в условиях испытаний при расчетной температуре, равной 200 С, МПаПробное давление, МПа=Расчетное давление в условиях испытаний, МПа=Рпр +Рг воды =Рпр + ρ воды g hводы. =

=2,32·106+1000·9,81·33,25=2,65

.4 Определение коэффициента прочности сварного шва

Результаты определения коэффициента прочности сварного шва представлены в таблице 4.7.

Таблица 4.7 - Результаты расчета коэффициента прочности сварного шва

Наименование параметраЗначениеНазвание жидкой фазы (среды)стабильный бензинНазвание газообразной фазыуглеводородный газРасчетное избыточное внутреннее давление корпуса в рабочих условиях, МПаРt рас=1,68Расчетная температура стенки корпуса, 0Сtрас кор =238Взрывопожароопасные свойства средывзрывопожароопасная средаКласс опасности среды4Группа аппарата1Аппарат транспортируется целиком или частямиЦеликомКатегория аппарата (для аппаратов, транспортируемых целиком)1Длина контролируемых швов, в % от общей длины100Коэффициент прочности сварного шваφ =1,0

4.5 Расчет исполнительной толщины стенки цилиндрической обечайки и днищ, находящихся под воздействием внутреннего избыточного давления

.5.1 Определение расчетной толщины цилиндрической обечайки и днища без суммы прибавок

Расчет выполняется либо для рабочих условий, либо для рабочих условий и условий испытаний.

Расчет на прочность цилиндрических обечаек и выпуклых днищ для условий испытаний проводить не требуется, если расчетное давление в условиях испытаний Рирас будет меньше, чем расчетное давление в рабочих условиях, умноженное на , т.е если

Рирас <; (4.1)

,65 > 1,351,68МПа.

Данное условие не выполняется, значит, необходимо проводить расчет и для условий испытаний.

4.5.1.1 Расчет толщины стенки в рабочих условиях

Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки Sц р и днищ Sдн р (без учета суммы прибавок С) производится, соответственно, по формулам (4.2) и (4.3):

для цилиндрической обечайки

= мм; (4.2)

для выпуклого эллиптического днища

= мм, (4.3)

где R - расчетный радиус днища, м.

Для эллиптического днища R = Dв.

4.5.1.2 Расчет толщины стенки в условиях испытаний

В этом случае расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки и днища (без учета суммы прибавок С) определяется, соответственно, по формулам (4.4) и (4.5):

для цилиндрической обечайки

= мм; (4.4)

для выпуклого эллиптического днища

= мм. (4.5)

4.5.1.3 Определение расчетной толщины

Так как не выполняется условие (4.1), то из значений, найденных по формулам (4.2) - (4.5) выбираются большие для цилиндрической обечайки и днища, по которым выполняются дальнейшие расчеты, т.е.

Sцр = max {Sцр (р.у) ; Sцр. (у.и)}= max {16,55 ; 17,35}=17,35 мм, (4.6)

Sднр= max {Sдн р (р.у.) , Sдн р (у.и)}= max {16,5 ; 17,3}=17,3 мм.(4.7)

4.5.2 Определение суммы прибавок к расчетной толщине

Сумма прибавок к расчетной толщине определяется как сумма прибавки для компенсации коррозии и эрозии, мм, которая находится по скорости коррозии металла, мм/год, в заданной среде. При отсутствии данных С1 может приниматься равной 2 мм. Далее учитываются прибавки для компенсации минусового допуска по толщине листа и технологическая прибавка.

Исходные данные для расчета суммы прибавок представлены в таблице 4.8.

Таблица 4.8 - Значения прибавок к расчетной толщине

Наименование параметраЗначениеЦилиндрическая обечайкаДнищеПрибавка для компенсации коррозии и эрозии, ммС1 =2С1 =2Прибавка для компенсации минусового допуска, ммС2 =0,8С2 =0,8Прибавка технологическая, ммС3 =0С3=1,8Сумма прибавок С2 и С3С2 + С3 = 0,8 + 0 =0,8 (˂5% расчетной толщины Sцр)С2 + С3 = 0,8 + 1,8= 2,6 (>5% расчетной толщины Sднр)Сумма прибавок к расчетной толщине стенки, ммСц=С1+С2+С3= =2Сдн=С1+С2+С3= =2+0,8+1,8=4,6

4.5.3 Определение исполнительной толщины стенки цилиндрической обечайки и днищ

Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки Sц и эллиптического днища Sдн определяется соответственно по формулам (4.8) и (4.9)

Sц ≥ S цр + Сц=17,35+2=19,35 мм, (4.8)

Sдн ≥ Sдн р + Сдн=17,3+4,6=21,9 мм. (4.9)

Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки и днища заносятся в таблицу 4.9.

Таблица 4.9 - Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки и днища

Наименование параметраЗначениеИсполнительная толщина цилиндрической обечайки, ммSцгост = 22Исполнительная толщина эллиптического днища, ммSднгост = 22

4.6 Проверка условий применения расчетных формул

Проверяется условие применения расчетных формул для цилиндрической обечайки корпуса аппарата, которое записывается в виде

(4.10)

Проверяется условие применения расчетных формул для эллиптической оболочки, которое записывается в виде

(4.11)


(4.12)

Так как условия выполнятся, то расчеты выполнены корректно.

4.7 Выбор стандартного днища

Параметры эллиптического днища представлены в таблице 4.10.

Таблица 4.10 - Параметры эллиптического днища

D,ммSдн,(Sднгост), ммНдн, (hдн), ммhц, ммFдн, м2mдн, кгVдн, м3260022650607,8213752,6087

Эскиз эллиптического днища и конического перехода представлены на рисунке 4.2.

а) б)

Рисунок 4.2 - Эскиз эллиптического днища (а) и конического перехода (б)

4.8 Проверка прочности

.8.1 Проверка прочности аппарата, работающего под действием внутреннего избыточного давления

Проверка прочности заключается в определении допускаемых значений расчетных давлений в рабочих условиях [P]t и в условиях испытаний [P]и и сравнении их с расчетными Pрасt и Pраси .

4.8.1.1 Определение допускаемого давления в рабочих условиях

В рабочих условиях допускаемое внутреннее избыточное давление [P]t определяется по формулам:

- для цилиндрической оболочки

; (4.13)

МПа;

- для днищ

; (4.14)

МПа.

4.8.1.2 Расчет в условиях испытаний

В условиях испытаний допускаемое внутреннее избыточное давление [P]и определяется по формулам:

для цилиндрической оболочки

; (4.15)

МПа;

для днищ

; (4.16)

МПа.

4.8.1.3 Проверка прочности

Проверяется условие прочности цилиндрической обечайки и днищ по следующим формулам:

в рабочих условиях

Pрасt ≤ [P]t ; (4.17)

,68 МПа˂2,03 МПа;

,68 МПа˂1,88 МПа.

в условиях испытаний

Pраси ≤ [P]и ; (4.18)

,65 МПа ˂3,05 МПа;

,65 МПа ˂2,83 МПа.

Условия (4.17) и (4.18) выполняются.

Результаты проверки прочности цилиндрической обечайки и днищ приведены в таблице 4.11

Таблица 4.11 - Результаты проверки прочности обечайки и днища

НаименованиеУсловие прочностиРасчет в рабочих условияхРасчет в условиях испытанийЦилиндрическая обечайка1,68˂2,032,65˂3,05Днище эллиптическое1,68˂1,882,65˂2,83

В таблице 4.12 приведены результаты, полученные при выполнении раздела 4 курсового проекта.

Таблица 4.12 - Результаты, полученные при выполнении раздела 4

Наименование параметраЗначениеСумма прибавок к расчетной толщине, С, ммС =2Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки без учета суммы прибавок, ммSцр =17,35Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки по ГОСТ, ммSцгост =22Расчетная толщина стенки эллиптического днища без учета суммы прибавок, ммSднр=17,3Исполнительная толщина эллиптического днища по ГОСТ, ммSднгост =22По результатам выполнения разделов 2, 3 и 4 составляется техническая характеристика колонного аппарата.

5. Расчет аппаратов колонного типа от ветровых нагрузок и сейсмических воздействий

Работа высоких колонных сооружений на технологических установках проходит в тяжелых условиях при совместном воздействии:

давления (внутреннего или наружного);

осевой сжимающей силы от собственного веса аппарата;

изгибающих моментов, возникающих от ветровых и сейсмических нагрузок.

Толщина же стенки обычно рассчитывается при воздействии только внутреннего избыточного давления. Поэтому возникает необходимость проверить прочность и устойчивость основных элементов колонного аппарата при суммарном воздействии всех нагрузок, которые могут действовать на аппарат.

5.1 Область применения, цель и задачи расчета, исходные данные

Расчет аппаратов колонного типа от ветровых нагрузок и сейсмического воздействия производится по ГОСТ Р 51273-99 (2006) [2] и 51274-99 (2006) [3].

В курсовом проекте рассчитывается отдельно стоящий аппарат колонного типа - стабилизационная колонна С-501 установки каталитического риформинга бензиновых фракций.

Цели расчета в курсовом проекте:

проверка прочности корпуса колонного аппарата в сечении В-В под совместным воздействием внутреннего давления Ррас, осевой сжимающей силы F от собственного веса и изгибающего момента МV, возникающего от ветровых нагрузок (в курсовом проекте сечение В-В совмещается с сечением Г-Г);

проверка прочности сварного шва (сечение Г-Г) под воздействием изгибающего момента МV и осевой сжимающей силы F;

проверка устойчивости опорной обечайки в наиболее ослабленном отверстиями сечении (сечение Д-Д) под воздействием изгибающего момента МV и осевой сжимающей силы F;

расчет элементов опорного узла в месте присоединения нижнего опорного кольца (сечение Е-Е) под воздействием изгибающего момента МV и осевой сжимающей силы F:

а) определение ширины нижнего опорного кольца (проверка прочности бетона);

б) расчет на прочность анкерных болтов (определение внутреннего диаметра резьбы анкерных болтов).

Необходимость в проверке прочности возникает вследствие того, что толщина стенки корпуса была определена только под действием внутреннего или наружного расчетного давления, без учета дополнительного воздействия осевой сжимающей силы и изгибающего момента, напряжения от которых могут достигать больших величин и привести к разрушению колонного аппарата.

Исходные данные, необходимые для выполнения данного раздела, приведены в таблицах 4.3-4.6, 4.12 и 5.1.

Таблица 5.1 - Исходные данные при расчете колонного аппарата на воздействие ветровых нагрузок

ПараметрЗначениеТерриториальный район установки аппаратаIIДиаметр колонны наружный (без изоляции), Dн=Dв+2Sгост, мм2044 / 2644Толщина стенки опорной обечайки Sоп,22Модуль упругости Еt,Па, при расчетной температуре tрас для рабочих условий1,77∙1011Модуль упругости Е20 , Па, при расчетной температуре tрас = 20 0С1,99∙1011Тип грунтаслабыйКоэффициент неравномерности сжатия грунта Cf, Н/м3(выбирается в зависимости от типа грунта)60000000Тип массообменных устройствклапанные тарелкиОбщее число тарелок, шт.35Масса тарелки*, кг200Учет сейсмических нагрузокнетНаличие изоляциидаРасстояние от поверхности земли до обслуживающей площадки, i , мм:

первой; (нумерация сверху вниз)

второй;

третьей;

четвертой;

- пятой

33200 25400 18400 11000 2500Расстояние от поверхности земли до оси лаза Х 0Д-Д, мм600Диаметр лаза, мм500

5.2 Порядок расчета колонных аппаратов от ветровых нагрузок

Расчет на ветровую нагрузку по стандарту состоит из двух частей, в первой из которых определяются изгибающие моменты от ветровых нагрузок в каждом расчетном сечении по ГОСТ 51273-99 [2], а во второй - производится расчет на прочность и устойчивость отдельных элементов аппарата по ГОСТ 51274-99 [3].

Порядок расчета колонного аппарата от ветровой нагрузки следующий:

определяются исходные данные;

разрабатывается расчетная схема аппарата, определяется количество участков z и их параметры (высота участка hi, расстояние от поверхности земли до центра тяжести i-го участка - xi);

определяется период собственных колебаний для трех расчетных условий υ = 1; 2; 3;

находятся ветровые нагрузки Рi на каждом участке для трех расчетных условий υ = 1; 2; 3;

- определяются изгибающие моменты Мv в каждом из расчетных сечений аппарата (Г-Г, Д-Д, Е-Е) для υ = 1; 2; 3;

- проводится проверка прочности стенки корпуса колонного аппарата для υ = 1; 3 в поперечных сечениях, переменных по диаметру или толщине стенки, под суммарным воздействием Ррас, F и Мυ (в КП ведется расчет только для сечения Г-Г);

выбирается тип опорной обечайки и определяются все размеры опорного узла;

производится проверка прочности сварного шва в сечении Г-Г под суммарным воздействием F и Мυ для υ = 1; 2;

- производится проверка устойчивости опорной обечайки в сечении Д-Д под суммарным воздействием F и Мυ для υ = 1; 2;

проводится расчет элементов опорного узла для υ = 1; 2;

расчет анкерных болтов.

5.3 Выбор расчетной схемы и определение расчетных сечений аппарата

.3.1 Расчетная схема аппарата

В качестве расчетной схемы аппарата колонного типа принимают упруго защемленный стержень.

Из-за непостоянства скорости ветра, аппарат по высоте разбивается на z участков, высота каждого из которых не должна превышать hz ≤ 10 м, нумерация участков производится сверху вниз.

При этом высоты участков могут быть как равны друг другу (h1=h2=hi=hz), так и не равны (h1≠h2≠hi≠hz).

Расстояние от поверхности земли до центра тяжести соответствующего участка обозначается через xi (таблица 5.2).

Таблица 5.2 - Исходные данные для составления расчетной схемы

Номер участкаВнутренний диаметр колонны на участке, Dвi, мм hi,мxi, м120008,230,922600922,3326009,313,15426008,54,25

К центру тяжести каждого из z участков прикладываются нагрузки - ветровые Рi и весовые Gi, которые рассматриваются как сосредоточенные силы. Нагрузку от веса Gi прикладывают вертикально, а ветровые и сейсмические Рi нагрузки прикладываются горизонтально.

5.3.2 Расчетные сечения

При расчете колонного аппарата с переменным поперечным сечением устанавливаются следующие расчетные сечения:

а) сечения В1-В1 и В2-В2 в местах изменения диаметра КА;

б) сечение Г-Г - поперечное сечение корпуса и опорной обечайки в месте их присоединения друг к другу (рисунок 5.2);

в) сечение Д-Д - поперечное сечение опорной обечайки в местах расположения отверстий;

г) сечение Е-Е - поперечное сечение опорной обечайки в месте присоединения нижнего опорного кольца.

Расстояние от земли до соответствующего расчетного сечения обозначается через х0 (таблица 5.3).

Таблица 5.3 - Определение координат расчетных сечений

Расчетное сечениех0, ммХог-г2400Ход-д600ХоЕ-Е0Расчетная схема аппарата приведена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 - Расчетная схема аппарата

Рисунок 5.2 - Стандартная цилиндрическая опора

5.4 Расчетные условия

Все расчеты аппарата необходимо проводить параллельно для трех расчетных условий:

рабочее условие (условное обозначение - υ = 1);

- условия испытания (υ = 2);

- условия монтажа (υ = 3).

Расчетные условия отличаются набором исходных параметров, которые определяются следующим образом:

рабочее условие (υ = 1). В этом случае:

а) вес аппарата - G1 включает вес корпуса и опорной обечайки, обслуживающих площадок, изоляции, внутренних устройств, рабочей среды;

б) расчетное давление в рабочих условиях - ррас=рtрас;

в) расчетная температура - tрас;

г) допускаемое напряжение при расчетной температуре - [σ]t;

д) модуль упругости первого рода при расчетной температуре tрас - Еt;

условие испытания (υ = 2). Для этих условий:

а) вес аппарата - G2 включает вес корпуса и опорной обечайки, обслуживающих площадок, изоляции, внутренних устройств, воды;

б) расчетное давление в условиях испытаний равно пробному с учетом гидростатического от столба воды - рирас=рпр+ Рг.в.;

в) расчетная температура - tрас = 20°С;

г) допускаемое напряжение - , где nт = 1,1 в условиях гидроиспытания;

д) модуль упругости первого рода при расчетной температуре tрас=20 0 С - Е 20;

условие монтажа (υ = 3). Для этих условий:

а) вес имеет два значения:

) G3 - максимальный вес аппарата в условиях монтажа

) G4 - минимальный вес аппарата в условиях монтажа после установки его в вертикальное положение, т.е. только вес колонного аппарата со штуцерами и люками, без внутренних устройств, изоляции, рабочей среды, площадок;

б) расчетное давление равно нулю, т.е. ррас=0;

в) расчетная температура - tрас = 20°С;

г) допускаемое напряжение - , где nт= 1,2;

д) модуль упругости первого рода при расчетной температуре tрас=20 0 С - Е 20.

Расчет проводится параллельно для трех условий, поскольку для каждого из них характерно опасное сочетание параметров:

для рабочих условий - это возможность осуществления процесса при высокой рабочей температуре и, соответственно, допускаемые напряжения будут иметь низкие значения;

для условий испытаний - это высокое расчетное давление (сумма пробного и давления столба воды), которое больше чем расчетное в рабочих условиях минимум в 1,25 раза, а также большое значение осевой сжимающей силы из- за веса воды в корпусе;

для условий монтажа - это минимальный вес аппарата. В этом случае могут преобладать растягивающие напряжения от изгибающего момента над сжимающими напряжениями от веса КА, что очень опасно для анкерных болтов.

5.5 Определение веса колонного аппарата и осевой сжимающей силы

Вес колонны находится для каждого расчетного условия, т.е. для υ = 1; 2; 3. Для определения общего веса колонны G рассчитывается вес каждого участка Gi, который сосредоточен в середине участка.

Осевая сжимающая сила F находится как сумма весов всех участков, т.е.:

F= G=Gi . (5.1)

Вес каждого участка, в зависимости от условий работы, складывается из веса корпуса аппарата Gк, веса изоляции Gиз, веса рабочей жидкости Gр.ж. или веса воды Gв, веса внутренних устройств Gвн.у., веса внешних устройств. В курсовом проекте принимаем, что вес внешних устройств (площадок, штуцеров фланцев, люков, лазов) составляет приблизительно 18 % от собственного веса стального корпуса Gк и опоры.

В таблице 5.4 представлены исходные данные для расчета, в таблице 5.5 - сочетание параметров для трех расчетных условий.

Таблица 5.4 - Исходные данные для расчета

Тип аппаратаТип массообменных устройствИзоляцияМатериал изоляцииТолщина изоляции Sиз, ммПлотность изоляции, Н/м3Переменного сеченияТарелки клапанныестекловата180200

Методика расчета приведена в пунктах 5.5.1, 5.5.2. Результаты расчета представлены в таблицах 5.4 и 5.5.

Вес каждого участка и общий вес колонны для каждого расчетного состояния был определен компьютерным расчетом.

Все исходные данные, промежуточные вычисления и результаты компьютерного расчета приведены в приложении А.

Таблица 5.5 - Сочетание параметров для трех расчетных условий

Расчетное условие, индекс расчетных условийРасчетное давление Р, МПаРасчетная температура t рас,0СВес колонного аппаратаМодуль упругости, ПаДопускаемое напряжение, МПаРабочие условия р1 = рtрас= 1,68tраскор = 238рас оп = 20G1включает вес корпуса и опорной обечайки, обслуживающих площадок, изоляции, внутренних устройств, рабочей средыЕtкор =1,77∙1011

Еt оп =1,99∙1011[]tкор = 133

[]tоп =147Условия испытаний р2=рирас= 2,65tрас=20°СG2включает вес корпуса и опорной обечайки, обслуживающих площадок, изоляции, внутренних устройств, водыЕ20=1,99∙1011 =200

=200Условия монтажа р3=0tрас=20 °СВес имеет два значения: 1) G3 - максимальный вес аппарата в условиях монтажа, 2) G4 - минимальный вес аппарата в условиях монтажа после установки его в вертикальное положение, т.е. только вес колонного аппарата со штуцерами и люками, без внутренних устройств, изоляции, рабочей среды, площадок.Е20=1,99∙1011 = 183,33


5.5.1 Методика расчета веса колонного аппарата и осевой сжимающей силы

Определение веса колонного аппарата и осевой сжимающей силы осуществляется по следующей методике для трех расчетных условий.

Для рабочих условий () вес i-го участка колонного аппарата рассчитывается по формуле:

Gi1 = Gк.i + Gиз.i + Gр.ж.i+ Gвн.y.i + 0,18∙Gк. , (5.2)

где Gк,i - вес стального корпуса и опорной обечайки колонны на i-м участке, Н;

Gиз,i - вес изоляции на i-м участке, Н;

Gр.ж,i - вес рабочей жидкости на i-м участке, Н;

Gвн.y.i - вес внутренних устройств на i-м участке, Н;

,18∙Gк.i- вес штуцеров, площадок, люков, который в КП принимаем равным 18% веса Gк.i.

Вес материала корпуса и опоры аппарата определяется по формуле

Gk.i = Gцил.i + Gдн.i , (5.3)

гдеGцил.i - вес металла цилиндрической части i-го участка аппарата, Н;

Gдн.i - вес металла днища i-го участка аппарата, Н.

Теплоизоляционный материал - стекловата. Толщина изоляции Sиз определяется исходя из диаметра аппарата и рабочей температуры.

В качестве внутренних устройств в стабилизационной колонне выступают тарелки.

При определении веса тарелок сначала они распределяются группами по высоте аппарата в зависимости от расположения люков и штуцеров ввода сырья, вывода продукта и т.д. Тип и общее количество тарелок задаются в задании. Далее конструктивно определяется количество тарелок на каждом участке и определяется их вес.

В стабилизационной колонне установлено 35 тарелок.

Расположение группы тарелок в корпусе колонного аппарата представлено на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 - Группа тарелок в корпусе колонного аппарата

Для условий испытаний () вес i-го участка рассчитывается следующим образом:

Gi2 = Gk.i+ Gиз.i + Gв.i+ Gвн.y.i + 0,18·Gк.i, (5.4)

гдеGв.i- вес воды на i-м участке, Н.

Для условий монтажа () принимаем, что аппарат пустой, без изоляции, но с обслуживающими площадками и штуцерами.

Вес i-го участка в этом случае определяется по формуле

Gi3 = Gк.i+ 0,18·Gк.i. (5.5)

5.5.2 Результаты определения осевой сжимающей силы

Результаты расчета представлены в виде таблиц 5.6 и 5.7.

Таблица 5.6 - Геометрические характеристики аппарата и весовые нагрузки по участкам

Номер участкаВнутренний диаметр колонны DВ, ммНаружный диаметр DH, ммВысота участка hi ,мРасстояние от земли до центра тяжести i-го участка хi , мЧисло тарелок на участкеВес i-го участка Gi, Н1 (с изоляцией)2 (с изоляцией)3 (без изоляции)12312,002,4042,4042,0448,2030,909,0012547837473110762522,603,0043,0042,6449,0022,3010,0016744065678314754332,603,0043,0042,6449,3013,1511,0017531965945615345942,603,0043,0042,6448,504,255,00297286523607170456Общий вес колонны Gv =Gi, н7655242214577579085

Таблица 5.7- Значение осевой сжимающей силы для трех расчетных условий

Расчетное условие, Осевая сжимающая сила, F= Gv , НРабочее условие, = 1765524Условие гидроиспытания, = 22214577Условие монтажа, = 3579085

5.6 Определение ветровых нагрузок

Одна из задач при проведении расчета колонного аппарата от ветровых нагрузок заключается в определении непосредственно силы ветра (ветровой нагрузки).

При этом если несущие конструкции зданий и строительных сооружений обычно рассчитывают в предположении действия установившегося ветра, такое предположение оказывается недостаточным при расчете вертикальных цилиндрических аппаратов нефтеперерабатывающих заводов, устанавливаемых на открытом воздухе.

Сила ветра складывается:

из установившегося потока, который оказывает статическое действие;

динамической составляющей, являющейся функцией пульсации скоростного напора и периода колебаний колонного аппарата.

Поэтому прежде чем рассчитать ветровые нагрузки, необходимо определить период собственных колебаний аппарата.

5.6.1 Определение периода основного тона собственных колебаний аппарата

Период основного тона собственных колебаний определяется либо для аппаратов постоянного поперечного сечения, либо переменного в зависимости от расчетной схемы.

Величина Т для каждого расчетного состояния определена компьютерным расчетом.

Исходные данные необходимые для расчета представлены в таблице 5.8.

Таблица 5.8 - Исходные данные для расчета

Тип аппаратаТип грунтаКоэффициент неравномерности сжатия грунта СF, Н/м3Наружный диаметр корпуса (без изоляции) Dн, ммТолщина стенки опорной обечайки Sоп, ммВнутренний диаметр опорной обечайки Dоп, ммПеременного сеченияслабый 600000002644222600

Промежуточные вычисления и результаты компьютерного расчета приведены в приложении Б.

Определение периода собственных колебаний аппарата осуществляется по следующей методике: для аппаратов переменного сечения период собственных колебаний Т, с, определяется для трех расчетных условий работы по формуле

(5.6)

где СF - коэффициент неравномерности сжатия грунта;

- относительное перемещение i-го участка

. (5.7)

Результаты расчета периода собственных колебаний аппарата представлены в таблице 5.9.

Таблица 5.9 - Результаты расчета периода собственных колебаний для различных расчетных условий

Расчетные условияПериод Т, с-1υ=14,287υ=26,028υ=33,439

5.6.2 Определение ветровой нагрузки на каждом участке

Ветровая нагрузка состоит из двух составляющих:

статической (по ГОСТ Р 51273 - 99 (2006) [2] - это средняя составляющая ветровой нагрузки);

динамической (по ГОСТ Р 51273 - 99 (2006) [3] - это пульсационная составляющая ветровой нагрузки).

Таким образом, ветровая нагрузка Рi на i-м участке находится как сумма двух слагаемых:

-- средняя составляющая ветровой нагрузки на i-м участке, Н;

- пульсационная составляющая ветровой нагрузки на i-м участке, Н.

Ветровые нагрузки определены компьютерным расчетом.

Исходные данные необходимые для выполнения расчета приведены в таблице 5.10.

Таблица 5.10 - Исходные данные для расчета ветровой нагрузки

ПараметрЗначениеВетровой район установки аппаратаIIНормативный скоростной напор ветра на высоте 10 м q 0 , Н/м2300Аэродинамический коэффициент К0,85Количество жесткостей аппарата (рисунок 5.4)2

Промежуточные вычисления и результаты компьютерного расчета приведены в Приложении В.

Рисунок 5.4 - Аппарат с тремя жесткостями I1, I2, I3 (с тремя разными диаметрами)

5.6.2.1 Методика расчета ветровой нагрузки

Ветровая нагрузка Рi на i-м участке для трех расчетных условий () находится как сумма двух слагаемых по формуле:

. (5.8)

Средняя составляющая ветровой нагрузки рассчитывается по формуле

, (5.9)

гдеqist - нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки на середине i-го участка, Н/м2, которое определяется по формуле

, (5.10)

где q0 - нормативное значение ветрового давления на высоте 10 м над поверхностью земли, Н/м2, определяется в зависимости от ветрового района, в котором установлен аппарат, г. Омск относится ко второму ветровому району;

- коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте аппарата, определяется по отношению

, , (5.11)

где хi - расстояние от поверхности земли до центра тяжести i-го участка, м;

К - аэродинамический коэффициент, учитывающий решетчатую пространственную конструкцию площадок и зависящий от формы площадки.

В курсовом проекте для колонного аппарата принимаем К = 0,85, поскольку отсутствуют точные данные о форме площадки и нет возможности рассчитать значение .

Пульсационная составляющая ветровой нагрузки определяется по формуле

(5.12)

где - коэффициент, учитывающий пространственную корреляцию пульсации давления ветра;

- коэффициент динамичности при ветровой нагрузке;

- приведенное относительное ускорение центра тяжести i-го участка.

5.6.2.2 Результаты расчета ветровой нагрузки

Результаты расчета представлены в таблице 5.11.

Таблица 5.11 - Определение ветровой нагрузки для трех расчетных условий

ПоказательУчастки аппарата1234q0 , н/м2300k0,851,4191,2821,0890,767qist, Н/м2361,766326,975277,592195,5870,8130,4720,1820,021, 1/(Н*м)1(Et)3,70728E-092,63618E-091,52156E-094,78748E-102,3(E20)3,67651E-092,61831E-091,51467E-094,7796E-10mk=mi0,6420,6740,7290,864Gk(Gi), н11254781674401753192972862374731656783659456523607310762514754315345917045610,0480,0340,0200,00620,0140,0100,0060,00230,0560,0400,0230,00710,09420,13230,07512,30722,53132,18110,81920,81930,819Pkst(Pist), Н171318840775549942713188407755499436063778168264396, Н111336107576501346821105813803801720093107271047363022209, Н1184671959714256846221818922643157727003316791182541312766045.7 Определение расчетного изгибающего момента от ветровой нагрузки и сейсмического воздействия

Значения изгибающих моментов находятся для сечений Г-Г, Д-Д и Е-Е (рисунок 5.5).

Рисунок 5.5 - Расчетные сечения

Изгибающий момент от ветровой нагрузки определен компьютерным расчетом. Промежуточные вычисления и результаты компьютерного расчета приведены в Приложении Г.

Исходные данные необходимые для выполнения расчета представлены в таблицах 5.12 и 5.13.

Таблица 5.12 - Исходные данные для расчета изгибающего момента

Расчетное сечениеРасстояние от поверхности земли до расчетного сечения х0, ммГ-ГХог-г=2400Д-ДХод-д =600Е-ЕХоЕ-Е=0Таблица 5.13 - Исходные данные по обслуживающим площадкам

Номер площадки (нумерация сверху вниз)Расстояние от поверхности земли до j -ой площадки хj, ммВысота ограждения обслуживающей площадки hпл, мНаружный диаметр КА с изоляцией Dн, ммДиаметр площадки Dпл, мм133200100024044000225400100030044600318400100030044600411000100030044600

5.7.1 Определение расчетного изгибающего момента от ветровой нагрузки

Расчетный изгибающий момент складывается из двух составляющих:

- изгибающий момент от действия Рi-й ветровой нагрузки на колонный аппарат (сумма произведений ветровой нагрузки на плечо, где плечо - это расстояние от рассматриваемого сечения Г-Г, Д-Д или Е-Е до центра тяжести i -го участка), т.е;

изгибающий момент от действия ветра на обслуживающие площадки и лестницы .

Таким образом, расчетный изгибающий момент в сечении на высоте x0 определяют по формуле

, (5.13)

где n - число участков над рассматриваемым расчетным сечением;

m - число площадок над рассматриваемым расчетным сечением;

- изгибающий момент в расчетном сечении на высоте х0 от поверхности земли, возникающий от действия ветровой нагрузки на i-й участок колонны, H·м;

Mvj - изгибающий момент в расчетном сечении на высоте х0 от действия ветровой нагрузки на j - ю обслуживающую площадку, Н∙м, определяемый по формуле

(5.14)

Аппарат имеет 5 обслуживающих площадок, но для выполнения расчета принимаем, что их количество равно 4. Расположены на расстоянии 0,8 м ниже оси люка.

Параметры обслуживающих площадок представлены на рисунке 5.6.

Рисунок 5.6 - Параметры обслуживающих площадок

5.7.2 Результаты определения расчетного изгибающего момента от ветровых нагрузок

Результаты расчета представлены в таблицах 5.14 и 5.15.

Таблица 5.14 - Геометрические характеристики обслуживающих площадок и результаты расчета изгибающего момента на обслуживающие площадки

ПоказательПлощадки1234Диаметр площадки DПЛ,J40004600Высота площадки hпл,j1000Расстояние от земли до низа площадки xj3320025400184001100016101,4511,3351,2081,0300,4950,5170,5440,5911,4130,9210,5500,241колонный аппарат обечайка массообменный

Таблица 5.15 - Определение расчетных изгибающих моментов от ветровых нагрузок для трех расчетных сечений и трех расчетных условий

Условия работы аппаратаРасчетное сечение х0, мИзгибающий момент от ветровой нагрузки, Нмна обслуживающие площадки на колонный

аппарат (без площадок) суммарный изгибающий моментРабочие условия Хог-г8010810851991165308Ход-д8658111946081281188ХоЕ-Е8873812310771319815Условия испытания Хог-г8375811514971235255Ход-д9049812659901356488ХоЕ-Е9274513041541396899Условия монтажа Хог-г780569951181073173Ход-д8437710937141178091ХоЕ-Е8648411265801213064

5.8 Сочетание нагрузок (P, F, M) для каждого расчетного условия

Сочетание нагрузок для трех расчетных условий работы аппарата и для трех расчетных сечений приведены в таблице 5.16.

Таблица 5.16 - Сочетание нагрузок для трех расчетных условий работы аппарата и для трех расчетных сечений

Индекс расчетных условийРасчетное сечениеРасчетное давление Р, МПаОсевое сжимающее усилие F, HРасчетный изгибающий момент М, Нмм (кH м)Расчетная температура tрас,0СДопускаемое напряжение, МПа1234567Г-Гр1 = рtрас= 1,68F1=G1 = 765524M1=M1 =1165,308tраскор = 238

tрас оп =20[]tкор= 133

[]tоп=147Д-Др1=0F1=G1= 765524M1=M1 =1281,188tрас оп = 20[]tоп=147Е-Ер1=0F1=G1 = 765524M1=M1 =1319,815tрас оп =20[]tоп=147Г-Гр2=рирас =2,65F2=G2= 2214577M2=0,6M2=741,153t рас=20°С= 200

= 200Д-Др2= 0F2=G2= 2214577M2=0,6M2=813,8928t рас=20°С=200Е-Ер2= 0F2=G2 = 2214577M2=0,6M2=838,1394t рас=20°С=200Г-Гр2=0F3=G3 = 579085M3=M3=1073,173t рас=20°С=183,33=183,33Д-Др3=0F3=G3= 579085M3=M3=1178,091t рас=20°С=183,33Е-Ер3=0F3=G3= 579085M3=M3=1213,064t рас=20°С=183,33

5.9 Проверка на прочность и устойчивость стенки корпуса аппарата

Необходимость в проверке прочности и устойчивости возникает вследствие того, что толщина стенки корпуса была определена только под действием внутреннего или наружного расчетного давления, без учета дополнительного воздействия осевой сжимающей силы F и изгибающего момента Mv, напряжения от которых могут достигать больших величин и привести к разрушению колонного аппарата. Поэтому стенка корпуса аппарата должна быть проверена на прочность и устойчивость.

Для колонн, работающих под действием внутреннего избыточного давления или без давления, производится только проверка прочности стенки корпуса, проверка устойчивости не производится.

5.9.1 Проверка прочности стенки корпуса аппарата

Проверку прочности в соответствии со стандартом следует проводить для рабочего условия и условия монтажа в сечении, где корпус присоединяется к опорной обечайке (сечение Г-Г), под суммарным воздействием Ррас, Fи Мυ;

Продольные (меридиональные) напряжения возникают от всех трех нагрузок Ррас, Fи Мυ и определяются на наветренной и подветренной сторонах соответственно по следующим формулам:

, (5.15)

. (5.16)

Кольцевые (тангенциальные) напряжения возникают только от внутреннего (наружного) давления и рассчитываются по формуле

. (5.17)

Для рабочего условия:

МПа;

МПа;

МПа.

Для условия монтажа :

МПа;

МПа;

Па.

Рассчитываются эквивалентные напряжения на наветренной и подветренной сторонах для и по формулам

(5.18)

(5.19)

Для рабочего условия :

МПа;

МПа.

Для условия монтажа :

МПа;

МПа.

Производится проверка прочности:

на наветренной стороне по формуле

. (5.20)

Для рабочего условия:

;

.

Для условия монтажа :

;

;

на подветренной стороне по формуле:

.(5.21)

Для рабочего условия:

;

;

,5<133 МПа.

Для условия монтажа :

;

;

,7<147 МПа.

Так как условия (5.20) и (5.21) выполняются, то нет необходимости увеличивать толщину стенки корпуса.

5.9.2 Результаты проверки прочности стенки корпуса

Результаты проверки прочности стенки корпуса колонного аппарата представлены в таблице 5.17.

Таблица 5.17 - Исходные данные и результаты проверки прочности стенки корпуса колонного аппарата

Параметр Рабочее условие (υ = 1)Условие монтажа (υ = 3)Расчетное сечениеГ-ГГ-ГРасчетное внутреннее давление, МПаРtрас =1,68Рtрас =0Расчетный изгибающий момент, Н мМ1 =1165308M3 =1073173Осевая сжимающая сила, НF1=765524F3=579085Исполнительная толщина стенки корпуса, Sгост , ммSгост =22Sгост =22Допускаемое напряжение для материала корпуса, МПа[]tкор=133=183,33Проверка прочности (сравнение допускаемых напряжений с эквивалентными), вывод108,06<133 109,05<133 условие выполняется7,55<147 15,7<147 условие выполняется

5.9.3 Проверка устойчивости стенки корпуса колонного аппарата

По ГОСТ Р 51274-99 [3] проверку устойчивости стенки колонного аппарата следует проводить для рабочих условий и условий испытания в сечении Г-Г.

Так как стабилизационная колонна работает под внутренним избыточном давлением, проверка устойчивости стенки корпуса не проводится. Расчет на устойчивость ведется только для опорной обечайки.

5.10 Расчет опорной обечайки

Опорную обечайку проверяют на прочность для рабочего условия (υ=1) и условия испытания (υ=2).

Расчет опорной обечайки заключается в выборе стандартной опоры и проверке прочности сварного шва, соединяющего корпус колонны с опорной обечайкой в сечении Г- Г.

Прежде чем рассчитывать опорную обечайку, необходимо выбрать тип опоры.

5.10.1 Выбор стандартной опоры колонного аппарата

В соответствии с ОСТ 26-467-94 [4] разработано пять типов стандартных опор, пределы применения которых зависят от внутреннего диаметра колонны DB и минимальной приведенной нагрузки Qmin.

Минимальные Qmin и максимальные Qmax приведенные нагрузки определяются соответственно по формулам

МН, (5.22)

МН, (5.23)

где М1, М2, М3 - расчетные изгибающие моменты в нижнем сечении опорной обечайки (Е-Е) соответственно при , , , Н·м;

F1=G1; F2=G2; F3=G3 - осевые сжимающие силы, действующие в сечении Е-Е соответственно при , , , Н.

Результаты выбора типа опоры представлены в таблице 5.18.

Таблица 5.18 - Результаты выбора типа и размеров опоры

Тип опорыПриведенная нагрузка, МНD, ммS1, ммS2, ммS3, ммd2, ммdБ, ммЧисло болтов zБQmaxQmin33,51,29260022302542М3624

Юбочная цилиндрическая опора с кольцевым опорным поясом представлен на рисунке 5.7.

Рисунок 5.7 -Юбочная цилиндрическая опора с кольцевым опорным поясом

5.10.2 Проверка прочности сварного шва

Прочность сварного шва проверяется в сечении Г-Г прии по формуле

, (5.24)

где F, M - расчетная осевая сжимающая сила и изгибающий момент, определяемые в сечении Г-Г при и , Н, Н·м;

D3=Dвн - внутренний диаметр опорной обечайки, мм;

а1=S3 - толщина сварного шва, мм (рисунок 5.8);

S3 - исполнительная толщина стенки опорной обечайки, мм;

[σ]оп, [σ]к - допускаемые напряжения соответственно опорной обечайки и корпуса колонны, при или , МПа.

В курсовом проекте принимаем, что толщина опорной обечайки и соответственно толщина сварного шва равна толщине стенки цилиндрической обечайки корпуса.

Узлы соединения опорной обечайки с корпусом колонны показаны на рисунке 5.8.

Рисунок 5.8 - Узлы соединения опорной обечайки с корпусом колонны

Для рабочих условий :

;

;

,2 МПа < 106,4 МПа.

Для условий испытаний

;

;

,7 МПа < 160 МПа.

Условия выполняются, следовательно, прочность сварного шва обеспечивается.

Результаты проверки представлены в таблице 5.19.

Таблица 5.19 - Исходные данные и результаты проверки прочности сварного шва

ПараметрРабочее условие(υ = 1)Условие испытания (υ = 2)Расчетное сечениеГ-ГГ-ГИзгибающий момент, МН мМ1 =1165308M2=741153Осевая сжимающая сила, НF1=765524F2=2214577Толщина сварного шва а, мма=Sгост =22а =Sгост =22Допускаемое напряжение для материала корпуса, МПа[]tкор=133=200Допускаемое напряжение для материала опоры, МПа[]tоп=147=200Проверка прочности14,2 МПа < 106,4 МПа прочность сварного шва обеспечивается18,7 МПа < 160 МПа прочность сварного шва обеспечивается

5.10.3 Проверка устойчивости опорной обечайки

Потеря устойчивости формы опорной обечайки может произойти под действием осевой сжимающей силы и изгибающего момента.

Проверка устойчивости опорной обечайки с одним отверстием проводится для сечения Д-Д, проходящего через середину отверстия для рабочих условий () и для условий испытаний () по формуле 5.25

, (5.25)

где D0 - диаметр опорной обечайки, мм;

F, M - расчетная осевая сжимающая сила и изгибающий момент, определяемые в сечении Д-Д при и , Н, Н·м;

[F], [M] - соответственно допускаемая осевая сжимающая сила и изгибающий момент, Н, Н·м;

Ψ1, Ψ2, Ψ3 - коэффициенты, определяемые соответственно по формулам 5.26

(5.26)

гдеA, W, Y - соответственно площадь, м2 , наименьший момент сопротивления, м3, и координата центра тяжести, м, наиболее ослабленного поперечного сечения.

В ослабленном сечении расположено только одно отверстие, кольцевой сварной шов находится вне зоны отверстия.

В этом случае в первом приближении можно принять Ψ1, =1,Ψ2,= 1,Ψ3 = 0.

5.10.3.1 Методика определения допускаемой осевой сжимающей силы

При воздействии осевой сжимающей силы цилиндрическая оболочка может потерять устойчивость по двум вариантам в зависимости от соотношения lр/D , где lр - расчетная длина оболочки:

при lр/D<10 происходит местная потеря устойчивости;

при lр/D≥10 происходит общая потеря устойчивости.

В курсовом проекте принимаем, что расчетная длина оболочки равна высоте колонного аппарата, т.е. lр = Н.

При местной потере устойчивости оболочек при сжатии происходит потеря устойчивости внезапно, хлопком, с образованием глубоких ромбических вмятин, обращенных к центру кривизны согласно рисунку 5.9, а. Вдоль образующей располагаются несколько поясов вмятин. Такую форму потери устойчивости называют несимметричной. Реже наблюдается осесимметричная форма с образованием в окружном направлении одной кольцевой вмятины как на рисунке 5.9, б, обычно на коротких оболочках, а на длинных - при одновременном нагружении осевой силой и внутренним давлением.

а б

а - несимметричная, б - осесимметричная

Рисунок 5.9 - Формы потери устойчивости цилиндров при осевом сжатии

Для стабилизационной колонны:

>10 - общая потеря устойчивости.

При общей потере устойчивости цилиндрическая обечайка теряет устойчивость по всей длине как стержень. Допускаемое осевое сжимающее усилие из условия общей устойчивости при lр/D≥10 в пределах упругости определяется по формуле

(5.27)

где Е- модуль упругости, МПа, для соответствующего расчетного условия;

nу - коэффициент запаса устойчивости;

Данный коэффициент имеет следующие значения:

- для рабочих условий nу = 2,4;

- для условий испытаний и монтажа nу = 1,8;

- гибкость, определяется по формуле

, (5.28)

где lпр =2Н - приведенная длина, м;

Н - высота колонны, м.

.

В курсовом проекте принимаем, что для колонного аппарата, расчетная схема которого представляет упруго-защемленный стержень (рисунок 5.10)

Рисунок 5.10 - Расчетная схема колонного аппарата

Допускаемая осевая сжимающая сила из условия устойчивости для рабочих условий ()

МН.

Допускаемая осевая сжимающая сила из условия устойчивости для условий испытаний ()

МН

В случае, если

; (5.29)

МН.

Разрушение сжимающего элемента может быть следствием

потери устойчивости;

потери прочности;

потери того и другого.

В этом случае значение допускаемой осевой сжимающей силы определяется по формуле 5.30

, (5.30)

где - допускаемое осевое сжимающее усилие из условия прочности, Н, которое определяется по формуле 5.31

. (5.31)

Допускаемая осевая сжимающая сила из условия прочности для рабочих условий ()

МН.

Допускаемая осевая сжимающая сила из условия прочности для условий испытаний ()

МН.

Допускаемая осевая сжимающая сила из условия устойчивости и условия прочности для рабочих условий ()

Допускаемая осевая сжимающая сила из условия устойчивости и условия прочности для условий испытаний ()


5.10.3.2 Потеря устойчивости под действием изгибающего момента

Если обечайки нагружены изгибающим моментом, то допускаемый изгибающий момент следует рассчитывать по формуле 5.32

(5.32)

где [М]П - допускаемый изгибающий момент из условия прочности, Н·м, который рассчитывается по формуле 5.33;

[М]Е - допускаемый изгибающий момент из условия устойчивости, Н·м, который рассчитывается по формуле 5.34.

, (5.33)

. (5.34)

Допускаемый изгибающий момент из условия прочности для рабочих условий ()

МН∙м

Допускаемый изгибающий момент из условия прочности для условий испытаний ()

МН∙м

Допускаемый изгибающий момент из условия устойчивости для рабочих условий ()

МН∙м

Допускаемый изгибающий момент из условия устойчивости для условий испытаний ()

МН∙м

Допускаемый изгибающий момент из условия прочности и условия прочности для рабочих условий ()

МН∙м

Допускаемый изгибающий момент из условия прочности и условия прочности для условий испытаний ()

МН∙м

Проверка устойчивости опорной обечайки для рабочих условий () по формуле 5.25

Проверка устойчивости опорной обечайки для условий испытаний () по формуле 5.25


5.10.3.3 Результаты проверки устойчивости опорной обечайки

Результаты проверки устойчивости представлены в таблице 5.22.

Таблица 5.22 - Исходные данные и результаты проверки устойчивости опорной обечайки

ПараметрРабочее условие (υ = 1)Условие испытания (υ = 2)Расчетное сечениеД-ДД-ДРасчетный изгибающий момент, Н мМ1 =1281188M2=813893Осевая сжимающая сила, НF1=765524F2=2214577Допускаемое осевое сжимающее усилие [F], МН[F] =16[F] =22,8Допускаемый изгибающий момент[M], МН·м[M] =11,1[M] =15,7Проверка устойчивости0,163<1,0 Условие устойчивости выполняется0,149<1,0 Условие устойчивости выполняется

5.11 Расчет элементов нижнего опорного узла

Расчет нижнего опорного узла заключается:

в выборе марки бетона для фундамента;

определении ширины нижнего опорного кольца;

проверке на прочность и устойчивость всех элементов опорного узла (верхнего и нижнего опорных колец, ребер, опорной обечайки в месте соединения с верхним опорным элементом) при заданных их размерах.

5.11.1 Определение ширины нижнего опорного кольца опоры

Расчет элементов опорного узла следует проводить для рабочего условия

() и условия испытания () в сечении Е-Е.

Расчет заключается в проверке прочности бетона в сечении Е-Е под суммарным воздействием F и Мυ.

Для этого находится расчетная ширина нижнего опорного узла b1R по формуле 5.34

b1R , (5.34)

где Dб - диаметр окружности анкерных болтов, мм;

[]бет - допускаемое напряжение бетона на сжатие, МПа, выбирается из таблицы 5.23.

Затем конструктивное значение ширины нижнего опорного кольца b1 сравнивается с расчетным значением b1R

, (5.35)

где D 1, D2 - соответственно, наружный и внутренний диаметры нижнего опорного кольца, мм (рисунок 5.11).

Допускаемые напряжения бетона на сжатие приведены в таблице 5.23.

Таблица 5.23 - Допускаемые напряжения бетона на сжатие, МПа

Вид опорной поверхности[]Б, МН/м2 (МПа)Бетон марка 300 200 100

8

Расчетная ширина нижнего опорного узла для рабочих условий ()

b1R мм.

Конструктивное значение ширины нижнего опорного кольца

b1 = 2920-2450=470 ≥ 38,2 мм.

Расчетная ширина нижнего опорного узла для условий испытаний ()

b1R мм.

Конструктивное значение ширины нижнего опорного кольца

b1 = 2920-2450=470 ≥ 60 мм.

Результаты расчета ширины нижнего опорного кольца представлены в таблице 5.24.

Таблица 5.24 - Исходные данные и результаты расчета ширины нижнего опорного кольца

ПараметрРабочее условие (υ = 1)Условие испытания (υ = 2)Расчетное сечениеЕ-ЕЕ-ЕИзгибающий момент, Н мМ1 =1319815M2=838139,4Осевая сжимающая сила, НF1=765524F2=2214577Марка бетона100100Допускаемое напряжение для бетона, МПа[] Б = 8[] Б =8Сравнение конструктивного и расчетного значений ширины нижнего опорного кольца, мм470 ≥ 38,2 470 ≥ 60

Рисунок 5.11 - Опорная обечайка с нижним опорным кольцом (вид снизу)

5.11.2 Расчет анкерных болтов

Расчет прочности анкерных болтов производится для сечения Е-Е для условий монтажа (), поскольку именно в этих условиях аппарат имеет наименьший вес и, соответственно, осевую сжимающую силу и положительные напряжения от изгибающего момента могут превысить отрицательные напряжения от осевой сжимающей силы, часть болтов будет работать на растяжение, что может привести к их разрыву.

Схема анкерного болта приведена на рисунке 5.12.

Рисунок 5.12 - Схема анкерного болта

При расчете анкерных болтов определяют, работают ли они под нагрузкой (воспринимают растягивающие напряжения) или служат только для фиксации аппарата, по соотношению 5.36 или 5.37

или

. (5.37)

Для сечения Е-Е для условий монтажа () соотношение следующее

Так как , то положительные напряжения (σM) от изгибающего момента М3 в сечении Е-Е больше, чем отрицательные напряжения (σF) от осевой сжимающей силы F3, т. е. суммарные напряжения с наветренной стороны аппарата положительны, часть болтов работает на растяжение, может произойти их разрыв (рисунки 5.12) и их необходимо рассчитать на прочность.

Рисунок 5.13 - Болты в правой части опоры воспринимают растягивающие напряжения (), в левой части наблюдается местная потеря устойчивости

В этом случае определяется внутренний диаметр резьбы dБ рас анкерных болтов по формуле

+С, (5.38)

где n=zб - число болтов;

[σ]бол - допускаемое напряжение материала анкерных болтов, МПа;

Dб -диаметр болтовой окружности, мм;

- коэффициент, определяемый по рисунку 5.14 или по формуле

(5.39)

Рисунок 5.14 - Коэффициент

Внутренний диаметр резьбы болта должен быть не менее стандартного значения dБ, т.е. должно выполняться условие dБ. dБ.рас .

мм

Результаты расчета анкерного болта на прочность представлены в таблице 5.25.

Таблица 5.25 - Исходные данные и результаты проверки прочности анкерных болтов

ПараметрыУсловия монтажа ()Расчетное сечениеЕ-ЕИзгибающий момент, МН мM3=1213064Осевая сжимающая силаF3=579085Материал болтаВСт5Допускаемое напряжение для материала болта, МПа[]бол = 126Количество болтовzб = 24Диаметр болта (конструктивное значение)М36Необходимо рассчитывать болты на прочность или можно выбрать конструктивно

рассчитываемПроверка прочности болта (сравнение расчетного значения диаметра резьбы болта dБ с заданным конструктивно), выводdБ. dБ.рас

условие выполняетсяЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсового проекта была сконструирована и рассчитана стабилизационная колонна установки каталитического риформинга бензиновых фракций.

В первом разделе проекта в основной части сформулирована цель и задачи курсового проектирования применительно к заданному аппарату.

Во втором разделе были определены пожаровзрывоопасные свойства перерабатываемой среды в аппарате, а также найден класс опасности вредных веществ, которые могут воздействовать на организм человека при эксплуатации конструируемого аппарата.

Третий раздел посвящен конструированию колонного аппарата. Здесь описывается его назначение, устройство, принцип работы, а также осуществляется конструктивная проработка аппарата технологической установки. Этот раздел содержит материалы, отражающие рациональную компоновку внутренних и внешних устройств и узлов аппарата, наличие основных и вспомогательных штуцеров, лазов, люков, приспособлений для установки средств КИП, предохранительных клапанов, здесь же описывается конструкция и принцип действия внутренних устройств аппарата.

В четвертом разделе производится расчет аппарата на прочность под действием внутреннего давления. В процессе выполнения данного расчета рассматриваются вопросы выбора конструкционных материалов, определяет основные расчетные параметры и коэффициент прочности сварного шва, используя при этом сведения из нормативно-технических документов.

Пятый раздел посвящен расчету колонных аппаратов на действие ветровых нагрузок. В этом разделе проверяется прочность корпуса колонного аппарата и опорной обечайки под совместном воздействием давления, осевой сжимающей силы и изгибающего момента, возникающего от ветровых нагрузок.

Стабилизационная колонна, рассчитанная в данном курсовом проекте, отвечает всем требованиям для аппаратов подобного типа, все условия прочности выполняются.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Технологический регламент установки каталитического риформинга бензина газокаталитического производства ОАО «Ново-Уфимский нефтеперерабатывающий завод», 2007. - 356 с.

2 ГОСТ Р 51273-99 (2006). Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.- М.: Госстандарт России, 1999. - 11 с.

ГОСТ Р 51274-99 (2006). Сосуды и аппараты. Аппараты колонного типа.- М.: Госстандарт России, 1999. - 11 с.

4 ОСТ 26 - 467 - 94. Опоры цилиндрические и конические вертикальных аппаратов.- М.: Госстандарт России, 2005.- 21 с.

ГОСТ 24757 - 81. Сосуды и аппараты. Аппараты колонного типа. Нормы и методы расчета на прочность.- М.: Госстандарт России, 2008.- 18 с.

ОСТ 26 - 291 - 87. Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия.

ОСТ 26 - 467 - 78. Расчет опор для колонных аппаратов.- М.: Госстандарт России, 2003.- 15 с.

8 Конструкционные материалы: справочник. - М.: Машиностроение, 1990. - 688 с.

9 Тимонин, А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: учебник для вузов в 3 т.- М.: МГУИЭ, 2002. -2300 с.

10 Лащинский, А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. - Л: Машиностроение, 1981. - 382 с.

11 Судаков, Е.Н. Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки.- М.: Химия, 1999. - 568 с.

АТК 24.200.04. Опоры цилиндрические и конические вертикальных аппаратов.- М.: Госстандарт России, 2005.- 11 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

(информационное)

Определение весов участков и общего веса колонного аппарата




ПРИЛОЖЕНИЕ Б

(информационное)

Определение периода собственных колебаний


ПРИЛОЖЕНИЕ В

(информационное)

Определение ветровой нагрузки на каждом участке


ПРИЛОЖЕНИЕ Г

(информационное)

Определение изгибающего момента от действия ветровой нагрузки

Похожие работы на - Колонна стабилизационная установки каталитического риформинга бензиновых фракций

 

Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу
Без плагиата!