Аппарат для разделения перегонкой и ректификацией двухкомпонентной жидкой смеси. Расчет веса и массы колонного аппарата. Период основного тона собственных колебаний. Определение изгибающего момента от ветровой нагрузки, устойчивости опорной обечайки.
Аннотация к работе
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.
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-пленочные.
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, подается на кипятильник, а более тяжелая 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
3. 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 учетом коррозии
6. 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.
9. Масса смотровой площадки - 500 кг.
10. Высота площадок обслуживания - 1 м
11. Район установки IV
12. Скоростной напор ветра
13. Тип грунтов - средней плотности
3. Расчетная часть
Расчет 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;
4 участок
V4=V3; m4=m3
5 участок
V5=V3; m5=m3
6 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
I1 -экваториальный момент инерции площади сечения верхней части корпуса относительно центральной оси, м4;
- коэффициент
- коэффициент неравномерности сжатия грунта, Н/м3
IF-экваториальный момент инерции подошвы фундамента относительно центральной оси, м4;
Расчет 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
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;
с-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 жидкости
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.
3. 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.
4. Поляков А.А., «Механика химических производств», Санкт-Петербург, издательство «Химия», 1995 г.
5. «Основные процессы и аппараты химической технологии» под редакцией Дытнерского Ю.И., М., «Химия» 1983 г.
6. Лащинский А.А., Толчинский А.Ф., «Основы конструирования и расчеты химических аппаратов», справочник, 1970 г.