I. Выбор материала и обоснование конструкции аппарата, предложения по повышению эффективности производства

Оглавление

Введение……………………………………………………………………4

I. Выбор материала и обоснование конструкции аппарата, предложения по повышению эффективности производства……………………………….…6

II. Расчет и конструирование основных элементов аппарата…………..8

2.1. Основные расчетные параметры……………………………..…8

2.2. Расчет элементов аппаратов, нагруженных внутренним давлением……………………………………………..………………10

2.2.1. Цилиндрические обечайки…………………………………10

2.2.2. Эллиптические днища и крышки…………………………11

2.3. Расчет элементов аппаратов, нагруженных наружным осевой сжимающей силой и изгибающим моментом………………………..12

2.4. Расчет на прочность укрепления отверстий…………………..15

2.4.1. Основные расчетные размеры……………………………15

2.5. Расчет на ветровую нагрузку…………………………….……..16

2.6. Расчет аппаратов на сейсмическую нагрузку………………….22

III. Технология и схема сборки аппарата……………………………….22

Список используемой литературы………………………………………23

Приложения……………………………………………………………….24

 

Введение

В химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности часто возникает необходимость разделить смеси двух или большего числа жидкостей на отдельные составляющие. Наиболее характерным примером является разделение нефтепродуктов на отдельные фракции, обладающие различными летучестями.

Процесс разделения основан на том, что все жидкости, составляющие смеси, имеют разные летучести или, иначе говоря, - разные температуры кипения при одинаковом внешнем давлении. Следствием такого свойства жидкостей является различное количество паров компонентов над жидкой смесью. Пары над смесью оказываются обогащенными парами более летучих компонентов. Если смесь таких паров отделить от жидкой фазы и полностью сконденсировать, то состав полученного конденсата будет таким же, что и состав паров. Следовательно, новая жидкая смесь окажется в большей степени обогащенной относительно более летучим компонентом по сравнению с исходной жидкой смесью.

Для этого широко применяют ректификацию, которая осуществляется в аппаратах, называемых ректификационными колоннами. Они бывают с непрерывным контактом фаз - насадочные колонны, и со ступенчатым контактом фаз - аппараты тарельчатого типа (с колпачковыми, ситчатыми, клапанными, s-образными и решетчатыми тарелками).

В тарельчатой колонне жидкая и газовая фазы контактируют только на тарелках, где газ барботирует через слой жидкости. Жидкость перетекает с верхней тарелки на нижнюю по вертикальным перетокам, а газовая фаза проходит снизу вверх через отверстия тарелок и всплывает в слоях жидкости в виде многочисленных пузырьков. Поверхностью контакта фаз является суммарная поверхность всех газовых пузырьков, в слоях жидкости на тарелках.

Подлежащая разделению бинарная смесь начального состава вводится на некоторую промежуточную по высоте колонны тарелку. Смесь подается при температуре ее кипения (или близкой к ней). В кубе-испарителе из кипящей в нем кубовой жидкости непрерывно образуется пар. Чтобы поддержать энергоемкий процесс парообразования, в куб необходимо подавать греющий водяной пар, при конденсации которого выделяется необходимая теплота. Образующиеся в кубе-испарителе пары движутся вверх, вступают в контакт с жидкой фазой, обогащаются летучим компонентом. При этом жидкость обедняется им. Пройдя весь путь пар поступает в дефлегматор, где конденсируется, делится на два потока (флегму и дистиллят). Флегма возвращается в колонну, чтобы паровому потоку было из чего извлекать летучий компонент, обедняется более летучим компонентом и приходит в куб-испаритель. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения подаваемой в колонну исходной смеси на дистиллят и кубовый остаток. Основные достоинства тарельчатых колонн - способность работать при больших нагрузках по жидкости; на потоках жидкости и пара, содержащих механические примеси; на агрессивных потоках. Эти колоны просты по монтажу и изготовлению, долговечны.

Задачей расчета ректификационных колонн является определение основных размеров колонны (диаметра, высоты), характеристик и размеров элементов внутреннего устройства (тарелок, колпачков, насадки), материальных потоков и затрат тепла. Методика расчета определяется характером протекания процесса и внутренним устройством колонн.

Расчет и конструирование основных элементов аппарата

Цилиндрические обечайки

 

Толщина стенки:

(9)

 

 

= 1,66мм

(10)

s = 1,66 + 0,8 +0,64 = 3мм

Допускаемое давление:

- в рабочем состоянии

(11)

МПа

- при испытаниях

(12)

МПа

Условия применимости формул: для обечаек из сталей с D >200 мм - .

[P] ≥ P ≥ (13)

0,4МПа ≥ 0,28 МПа 0,89 МПа ≥ 0,47 МПа

Условие выполняется.

Основные расчетные размеры

Расчетный диаметр укрепляемого элемента:

- цилиндрической оболочки

(28)

=1600 мм

- эллиптического днища

(29)

где - расстояние от центра укрепляемого отверстия;

= 2709 мм

Расчетный диаметр отверстия штуцера круглого поперечного сечения:

- для цилиндрических и конических обечаек, сферических и эллиптических оболочек, если ось отверстия совпадает с нормалью к поверхности в центре отверстия:

(30)

= 200 + 2∙1 = 251 мм

- для смещенного штуцера на эллиптическом днище:

(32)

= 271,5 мм

Расчетная длина внешней и внутренней частей штуцера, участвующих в укреплении отверстия:

(33)

= 45,7 мм

(34)

= 17 мм

где l ₁ и l ₂ – фактическая длина внешней и внутренней частей штуцера.

Расчетная длина образующей оболочки в зоне укрепления

(35)

= 114,7 мм

 

2.5. Расчет на ветровую нагрузку

Расчетом проверяется прочность и устойчивость аппарата, устанавливаемого на открытой площадке при действии на него ветра. В частности, определяются размеры наиболее ответственного узла аппарата - опоры и фундаментных болтов, которыми крепится опора к фундаменту.

При отношении высоты аппарата Н/D³ 15 к его диаметру принимается в виде консольного стержня с жесткой заделкой в фундаменте. При отношении Н/D < 15 — в виде упруго защемленного стержня.

Если аппарат имеет изоляцию, то диаметром считается диаметр изолированного аппарата.

Нормативный скоростной напор ветра q на высоте от поверхности земли до 10 м для разных географических районов России различен, он принимается по табл. 1.

q = 0,035∙10^-2 Мн/м²(тс/м²)

Для высот более 10 м нормативный скоростной напор принимается с поправочным коэффициентом Q, величина которого определяется по графику.

Q=1

Коэффициент увеличения скоростного напора

(36)

где e - коэффициент динамичности, определяемый по графику на рис. 3; при периоде собственных колебаний Т /0,25 сек e =1; m_i - коэффициент пульсации скоростного напора ветра, определяемый по графику. m_i = 0,35.

= 1+ 1∙0,35 = 1,35

Период собственных колебаний аппарата Т в сек определяется раздельно для максимальной и минимальной сил тяжести аппарата по формулам:

§ для аппаратов постоянного сечения при H/D<15

(37)

Т = 0,25 сек [по графику для определения коэффициента динамичности]

Где;Mi=0,34 [по графику для определения коэффициента пульсации скоростного напора ветра];H= 9,м – высота аппарат, м;D=1,6м – диаметр аппарат (без изоляции), м;E^t = 1,86∙10⁵ МПа – модуль нормальной упругости материала корпуса аппарата при рабочей температуре, МПа; J = 0,4 – момент инерции верхнего поперечного сечения корпуса аппарата относительно центральной оси, м⁴; g – ускорение силы тяжести, м/с²; G_i = 913 МН – сила тяжести i-ого участка аппарата в МН; x_i= 9 м – расстояние i – ого участка аппарата, м; j₀ = 0,062 – угол поворота опорного сечения, 1/МНм; K_i 0,04 1/МНм – относительное перемещение центров тяжести участков, 1/МНм; j= 0,47 – коэффициент, определяемый по графикам.

= 0,35 сек

Относительное перемещение центров тяжести участков:

(38)

где А_i – параметр, определяемый по графику рис. 9, А_i = 0,2.

= = 0,5 - относительные координаты центров тяжести участков.

Угол поворота опорного сечения:

(39)

Где С_j - коэффициент неравномерного сжатия грунта, при отсутствии данных для грунтов средней плотности принимается Сj»40 МН/м³; J_j - момент инерции подошвы фундамента относительно центральной оси, м⁴, J_j = 0,341м⁴.

= 0,047

Сила Р_i вМн, действующая на i-й участок цилиндрического аппарата от ветрового напора:

(40)

где b_i - коэффициент увеличения скоростного напора; q_i - нормативный скоростной напор ветра в Мн/м², о пределяется по табл. 1 с учетом поправочного коэффициента Q; D_i - наружный диаметр i-го участка аппарата в м, при наличии снаружи аппарата изоляции принимается наружный диаметр изоляции; h_i - высота i-го участка аппарата в м.

Изгибающий момент от ветровой нагрузки относительно основания аппарата М в МНм:

(41)

где x_i — расстояние i-го участка от основания аппарата в м; n₀ — количество участков, расположенных ниже сечения х₀.

Внутренний диаметр кольца в м:

(42)

= 1,6 – 0,06 = 1,5 м

Наружный диаметр кольца в м:

(43)

= 1,6 + 2х0,008 + 0,2 =1,816 м

Опорная площадь кольца в м²:

(44)

Момент сопротивления опорной площадки кольца

(45)

Максимальное напряжение сжатия на опорной поверхности кольца (10^-1 МПа)

(46)

где G_max – максимальная сила тяжести аппарата при заполнении его водой (при гидроиспытании) (10^-1 Н).

119

Условие выполняется.

Номинальная расчетная толщина опорного кольца

=15мм (47)

Расчет устойчивости аппарата против опрокидывания от ветровой нагрузки.

Наименьшие напряжения на опорной поверхности кольца s в МПа 10^-1 при максимальной и минимальной силах тяжести:

(48)

(49)

За расчетное принимается большее по абсолютной величине давление.

P = 0,66 МПа

Если расчетное значение окажется s³0, то следует определить коэффициент устойчивости аппарата по формуле:

(50)

где G и M_в.о. – должны соответствовать расчетному значению s. Если Ку³1,5, тот аппарат считается устойчивым, и фундаментные болты ставить не обязательно. В этом случае на опоре для правильной установки аппарата рекомендуется предусматривать 4 болта М24.

В тех случаях, когда расчетное значение s<0, аппарат неустойчив, и необходима установка фундаментных болтов для предотвращения опрокидывания его.

Общая условная расчетная нагрузка на фундаментные болты в МН приближенно:

(51)

Количество фундаментных болтов z выбирается из конструктивных соображений в зависимости от диаметра опоры, величины и s_д для материала болтов, но не менее четырех.

Нагрузка на один болт:

(52)

Внутренний диаметр болта в м:

(53)

где С_к – прибавка на коррозию, обычно принимается 2 мм.

Окончательный диаметр болтов d_б принимается ближайшим большим, но менее М24.

Принимаем болт М48

Оглавление

Введение……………………………………………………………………4

I. Выбор материала и обоснование конструкции аппарата, предложения по повышению эффективности производства……………………………….…6

II. Расчет и конструирование основных элементов аппарата…………..8

2.1. Основные расчетные параметры……………………………..…8

2.2. Расчет элементов аппаратов, нагруженных внутренним давлением……………………………………………..………………10

2.2.1. Цилиндрические обечайки…………………………………10

2.2.2. Эллиптические днища и крышки…………………………11

2.3. Расчет элементов аппаратов, нагруженных наружным осевой сжимающей силой и изгибающим моментом………………………..12

2.4. Расчет на прочность укрепления отверстий…………………..15

2.4.1. Основные расчетные размеры……………………………15

2.5. Расчет на ветровую нагрузку…………………………….……..16

2.6. Расчет аппаратов на сейсмическую нагрузку………………….22

III. Технология и схема сборки аппарата……………………………….22

Список используемой литературы………………………………………23

Приложения……………………………………………………………….24

 

Введение

В химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности часто возникает необходимость разделить смеси двух или большего числа жидкостей на отдельные составляющие. Наиболее характерным примером является разделение нефтепродуктов на отдельные фракции, обладающие различными летучестями.

Процесс разделения основан на том, что все жидкости, составляющие смеси, имеют разные летучести или, иначе говоря, - разные температуры кипения при одинаковом внешнем давлении. Следствием такого свойства жидкостей является различное количество паров компонентов над жидкой смесью. Пары над смесью оказываются обогащенными парами более летучих компонентов. Если смесь таких паров отделить от жидкой фазы и полностью сконденсировать, то состав полученного конденсата будет таким же, что и состав паров. Следовательно, новая жидкая смесь окажется в большей степени обогащенной относительно более летучим компонентом по сравнению с исходной жидкой смесью.

Для этого широко применяют ректификацию, которая осуществляется в аппаратах, называемых ректификационными колоннами. Они бывают с непрерывным контактом фаз - насадочные колонны, и со ступенчатым контактом фаз - аппараты тарельчатого типа (с колпачковыми, ситчатыми, клапанными, s-образными и решетчатыми тарелками).

В тарельчатой колонне жидкая и газовая фазы контактируют только на тарелках, где газ барботирует через слой жидкости. Жидкость перетекает с верхней тарелки на нижнюю по вертикальным перетокам, а газовая фаза проходит снизу вверх через отверстия тарелок и всплывает в слоях жидкости в виде многочисленных пузырьков. Поверхностью контакта фаз является суммарная поверхность всех газовых пузырьков, в слоях жидкости на тарелках.

Подлежащая разделению бинарная смесь начального состава вводится на некоторую промежуточную по высоте колонны тарелку. Смесь подается при температуре ее кипения (или близкой к ней). В кубе-испарителе из кипящей в нем кубовой жидкости непрерывно образуется пар. Чтобы поддержать энергоемкий процесс парообразования, в куб необходимо подавать греющий водяной пар, при конденсации которого выделяется необходимая теплота. Образующиеся в кубе-испарителе пары движутся вверх, вступают в контакт с жидкой фазой, обогащаются летучим компонентом. При этом жидкость обедняется им. Пройдя весь путь пар поступает в дефлегматор, где конденсируется, делится на два потока (флегму и дистиллят). Флегма возвращается в колонну, чтобы паровому потоку было из чего извлекать летучий компонент, обедняется более летучим компонентом и приходит в куб-испаритель. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения подаваемой в колонну исходной смеси на дистиллят и кубовый остаток. Основные достоинства тарельчатых колонн - способность работать при больших нагрузках по жидкости; на потоках жидкости и пара, содержащих механические примеси; на агрессивных потоках. Эти колоны просты по монтажу и изготовлению, долговечны.

Задачей расчета ректификационных колонн является определение основных размеров колонны (диаметра, высоты), характеристик и размеров элементов внутреннего устройства (тарелок, колпачков, насадки), материальных потоков и затрат тепла. Методика расчета определяется характером протекания процесса и внутренним устройством колонн.

I. Выбор материала и обоснование конструкции аппарата, предложения по повышению эффективности производства

Проектируемый аппарат предназначен для охлаждения смеси вода – уксусная кислота. D аппарата = 1,6м, высота аппарата с опорой = 9 м, рабочая температура = 75.1 ,производительность 30 т/ч.

Аппарат цельносварной, из листового проката стали 09Г2С.

В аппарате имеются следующие штуцера: вход исходной смеси, вход паро, выход получаемой смеси, выход паров дистиллята. Аппарат оборудован трубками для прохождения технологической воды. Крышки соединяется с корпусом аппарата с помощью сварки.

Аппарат установлен в II ветровом районе, высота фундамента 250мм на грунтах средней плотности, скорость коррозии 0,80 мм/год, срок эксплуатации 14 лет. Во избежание потерь тепла и предохранения от ожогов обслуживающего персонала аппарат теплоизолирован стекловатой. Район не сейсмичный, расчет на сейсмоустойчивость не производился.

По условиям работы аппарата, как в рабочих, так и в условиях монтажа, ремонта принимаем сталь 09Г2С, область применения которой от t = -40 до 475 . Допускаемое напряжение в соответствии с ГОСТ 14249-80 для данной стали с толщиной до 32 мм при 20 и 150 соответственно равны: = 180 МПа и = 140 МПа. Принимаем модуль продольной упругости согласно ГОСТ 14249-80 для стали 09Г2С при t = 150 : Е=1,75 МПа.

Коэффициент прочности сварных швов с длиной контроля 100%, выполненных с двухсторонним швом, ручной дуговой сваркой равен j = 0,85.

Предложения по повышению эффективности производства: 1. Установить более совершенную систему автоматического контроля температуры, регулирования скоростей потока охлаждающей технологической воды и подачи исходного сырья. 2. Увеличить число трубок в межтрубном пространстве 3.Увеличить объём межтрубного пространства.