Расчет ректификационной колонны

1 Конструкция колонны и условие эксплуатации

1.1 Проектируемый аппарат предназначен для ведения тепломассобменных процессов. Колонный аппарат состоит из цельносварного корпуса и оборудован внутренними устройствами. В качестве внутренних устройств для ведения технологического процесса используют 40 колпачковых тарелок. Расстояние между тарелками 500 мм. Кроме этого в аппарате имеются штуцера, предназначенные для подвода сырья, вывода продукта, замера температуры и давления. Аппарат оборудован люками-лазами для ремонта и обслуживания.

1.2 Внешние условия работы

Аппарат установлен в 3 ветровом районе, фундамент на грунтах средней плотности. Минимальная температура холодной десятидневки минус 36 °С. Аппарат теплоизолирован минеральной ватой, толщина изоляции       s_из=80 мм и покрыта алюминиевой фольгой. Район не сейсмичный.

2 Основные расчетные параметры

2.1 Техническая характеристика

Аппарат работает под давлением. Избыточное давление в аппарате 10 МПа, диаметр аппарата 1200 мм, рабочая температура 250 °С. Среда горячие светлые нефтепродукты.

2.2 Группа аппарата

Условие работы аппарата [1] - взрывоопасная  среда и внутреннее давление. По условиям работы аппарат относится к I группе, поэтому процент контроля сварных  швов  принимается  равным  100 %  по ГОСТ 6996-86.

2.3 Рабочая и расчетная температура

Расчетная температура T_R – это температура для определения физико-механических характеристик конструкционного материала и допускаемых напряжений. Она определяется на основании теплового расчета или результатов испытаний. Если при эксплуатации температура элемента аппарата может повысится до температуры соприкасающейся с ним среды, расчетная температура принимается равной рабочей, но не менее 20 °С.  Проектируемый аппарат снабжен изоляцией препятствующей охлаждению или нагреванию элементов аппаратов внешней средой.  

Рабочая температура аппарата Т=250 °С.

Расчетная температура Т_Р =250 °С.

2.4 Рабочее, расчетное и условное давление

Рабочее давление P – максимальное избыточное давление среды в аппарате при нормальном протекании технологического процесса без учета допускаемого кратковременного повышения давления во время действия предохранительного устройства P=1,4 МПа.

Расчетное давление P_R – максимальное допускаемое рабочее давление, на которое производится расчет на прочность и устойчивость элементов аппарата при максимальной их температуре. Как правило, расчетное давление может равняться рабочему давлению.

Расчетное давление может быть выше рабочего в следующих случаях: если во время действия предохранительных устройств давление в аппарате может повыситься более чем на 10% от рабочего, то расчетное давление должно быть равно 90% давления в аппарате при полном открытии предохранительного устройства; если на элемент действует гидростатическое давление от столба жидкости в аппарате, значение которого свыше 5% расчетного, то расчетное давление для этого элемента соответственно повышается на значение гидростатического давления.

Поскольку аппарат снабжен предохранительным клапанном и рабочее давление P>0,07 МПа

Р_R1=1,1×P,                                                       ( SEQ ( * ARABIC 1

где P –  рабочее давление, P=10 МПа;

P_R1=1,1×10=11 МПа.

Пробное давление для испытания аппарата определим по формуле

                                        ( SEQ ( * ARABIC 2

где [s]²⁰ – допускаемое напряжение материала при 20 °С, [s]²⁰=196 МПа;

[s]^tR – допускаемое напряжение материала при расчетной температуре t=250 °С, [s]²⁵⁰=145 МПа.

Условное давление для выбора узлов и фланцевых соединений определим по формуле

                                            ( SEQ ( * ARABIC 3

2.5 Выбор материала

По условиям работы аппарата, как в рабочих условиях так и в условиях монтажа, ремонта, нагрузок от веса и ветровых нагрузок, для этих условий выбираем сталь 16ГС область применения от –40 °С до +475 °С, по давлению не ограничена.

Выбрали по ОСТ 26-291-94, ГОСТ 14249-89 сталь 16ГС.

2.6 Допускаемые напряжения

Определим допускаемые напряжение для стали 16ГС с толщиной стенки свыше 32 мм при Т_Р=250 °С.

По ГОСТ 14249-89 [s]=145 МПа.

2.7 Модуль продольной упругости

Выбираем расчетное значение модуля продольной упругости

Е=1,75×10⁵ МПа.

2.8 Прибавки к расчетным толщинам конструктивных элементов

Прибавка на коррозию металла принимаем

С₁=2 мм.

Прибавка на минусовое значение по толщине листа принимаем 5% и далее не учитываем

С₂=0 мм.

2.9 Коэффициенты прочности сварных швов

Корпус имеет продольные и кольцевые сварные швы. Применим автоматическую сварку род слоем флюса со сплошным проваром. Для корпуса аппарата выбираем стыковые швы.

Значение коэффициента прочности сварных швов принимаем

j=1.

Приварка штуцеров будет выполняться в ручную с подваркой корня шва и значение коэффициента прочности сварных швов принимаем

j=1.

3 Расчет на прочность и устойчивость корпуса аппарата от расчетного давления

3.1 Расчет обечайки нагруженной внутренним избыточным давлением

Цель расчета: расчет на прочность, определение толщины стенки аппарата удовлетворяющая условиям прочности.

Расчетная схема аппарата приведена на рисунке 1.

Исходные данные для расчета:

-         расчетное давление P_R = 11МПа;

-         диаметр колонны D=1200 мм;

-         допускаемое напряжение при T=250 °С, [s]=145 МПа;

-         коэффициент прочности сварного шва j=1;

-         общая прибавка к толщине металла С=2 мм.

Рисунок  SEQ Рисунок * ARABIC 1

Толщина стенки аппарата определяется по формулам

                                     ( SEQ ( * ARABIC 4

                                                ( SEQ ( * ARABIC 5

где  s - исполнительная толщина стенки, мм;

       D- внутренний диаметр аппарата, мм.

 м.

s ³ 47,31 + 2 = 49,31 мм.

Принимается  исполнительная  толщина  стенки  сосуда s=50 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление для оболочки, МПа  

                                                                              ( SEQ ( * ARABIC 6

 МПа.

Условия применения расчетных формул

                                                ( SEQ ( * ARABIC 7

тогда                     

0,04000 < 0,1.

Условие по формуле (7) выполняется.                           

3.2 Расчет днищ

Цель расчета: расчет на прочность, определение  толщины эллиптического днища удовлетворяющего условию прочности.

Расчетная схема эллиптического днища приведена на рисунке 2.

Исходные данные для расчета:

-         расчетное давление P_R = 11МПа;

-         диаметр колонны D=1200 мм;

-         допускаемое напряжение при T=250 °С, [s]=145 МПа;

-         коэффициент прочности сварного шва j=1;

-         общая прибавка к толщине металла С=2 мм.

Рисунок  SEQ Рисунок * ARABIC 2

Для данной обечайки выбираются эклиптические отбортованные днища.

Толщина стенки днища определяется по формулам

                                                              ( SEQ ( * ARABIC 8

                                                      s_д ³ s + c                                 ( SEQ ( * ARABIC 9

где  R — радиус кривизны в вершине днища, м;

R = D — для эллиптических днищ с H=0,25×D.

H=0,25×1200=300 мм,

R=1,2 м,

 мм,

s_д = 46,39+2 = 48,39 мм.

Принимаем толщину днищ стандартного значения s_д=50 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление для оболочки, МПа   определяется по формуле

                                       ( SEQ ( * ARABIC 10

 МПа.

Условия применения расчетных формул для эллиптических днищ

                                      ( SEQ ( * ARABIC 11

Условие выполняется.

Определим длину цилиндрической отбортованной части днища

                                            ( SEQ ( * ARABIC 12

h₁>192 мм.

Принимаем h₁=200 мм.

3.3 Выбор стандартных штуцеров.

По технологии производства или эксплуатационным требованиям в стенках аппаратов, днищах и крышках делают отверстия для люков—лазов, загрузочных приспособлений, штуцеров и т. д. Схема штуцера с приварным фланцем встык и тонкостенным патрубком приведем на рисунке

Рисунок  SEQ Рисунок * ARABIC 3

Основные размеры патрубков, стандартных стальных фланцевых тонкостенных штуцеров приведены в таблице 1.

Таблица  SEQ Таблица * ARABIC 1

3.4 Сопряжение узлов

Цель расчета: определить напряжение в сопряжение цилиндрической оболочки с эллиптическим днищем в условиях нагружения внутренним давлением.

Расчетная схема к определению краевых сил и моментов приведена на рисунке 4.

Исходные данные для расчета:

-         расчетное давление P_R = 11МПа;

-         диаметр колонны D=1200 мм;

-         допускаемое напряжение при T=250 °С, [s]=145 МПа;

-         коэффициент прочности сварного шва j=1;

-         общая прибавка к толщине металла С=2 мм.

- соединение цилиндрической оболочки с эллиптическим днищем; 2 – расчетная схема.

Рисунок  SEQ Рисунок * ARABIC 4

Определим краевые силы и моменты из уравнения совместимости деформацией для места стыка обечайки с эллиптическим днищем

                                  ( SEQ ( * ARABIC 13

где P, Q₀, и М₀;

           - соответственно радиальные и угловые перемещения края эллиптической оболочки под действием нагрузок P, Q₀ и М₀.

 Подставляем в уравнение (13) соответствующие значения деформаций

SEQ ( * ARABIC 14

где b=b_Э, R=a=600 мм, b=300 мм.

                                                       ( SEQ ( * ARABIC 15

где m - коэффициент Пуассона, m=0,3.

Определим суммарные напряжения на краю эллиптического днища, меридиальное и кольцевое соответственно по формулам

                                      ( SEQ ( * ARABIC 16

                                       ( SEQ ( * ARABIC 17

где  - соответственно меридиальные напряжения действующие от нагрузок Р, Q₀, М₀;

 - соответственно кольцевые напряжения действующие от нагрузок P, Q₀, M₀.

Подставим соответствующие значения нагрузок в уравнение (16), (17)

                                     ( SEQ ( * ARABIC 18

      ( SEQ ( * ARABIC 19

 МПа,

Определим суммарные напряжения на краю цилиндрической обечайки, меридиальное и кольцевые соответственно

                                            ( SEQ ( * ARABIC 20

                                          ( SEQ ( * ARABIC 21

где P, Q₀, M₀.

Подставим соответствующие значения погрузок в уравнение (20), (21)

                                   ( SEQ ( * ARABIC 22

                            ( SEQ ( * ARABIC 23

 МПа,

Определим максимальное напряжение на краю эллиптического днища и цилиндрической обечайке соответственно

                                                 ( SEQ ( * ARABIC 24

139,29 МПа < 145 МПа,

139,36 МПа < 145 МПа.

Таким образом, напряжения на краю соединяемых эллиптической и цилиндрической оболочек s_maxЭ=139,29 МПа и s_max=139,36 МПа меньше критического допускаемого напряжения [s]_кр=145 МПа, т.е. условие прочности в месте сопряжения элементов выполняется.

4 Расчет укрепления отверстий

Цель расчета: определение размеров укрепляющих элементов. 

Расчетные схемы штуцеров приведена на рисунке 5.

Исходные данные для расчета:

-         расчетное давление в колонне P_R = 11 МПа;

-         внутренний диаметр колонны D=1200 мм;

-         исполнительная толщина обечайки и днища s=50 мм;

-         допускаемое напряжение при T=250 °С и s=50 мм, [s]=145 МПа;

-         допускаемое напряжение при T=250 °С и s<50 мм, [s]=162 МПа;

-         коэффициент прочности сварного шва j=1;

-         общая прибавка к толщине металла для корпуса колонны с=2 мм;

-         общая прибавка к толщине металла для штуцера c_s=1 мм.

Рисунок  SEQ Рисунок * ARABIC 5

4.1 Выбор материала

Удаление материала стенки в вырезе эквивалентно удалению каких - то связей в системе и для сохранения ее равновесия необходима их компенсация.

Для изготовления штуцеров применяется сталь 16ГС допускаемое  напряжение  для  которого  при  t_R=250 °C   равно  [s]₂₅₀=162 МПа.

Для условного давления Р_у=11 МПа выбираются тонкостенные штуцера с фланцами по ОСТ 26-1410-76. Все размеры штуцеров заносятся в таблицу 2.

Таблица  SEQ Таблица * ARABIC 2 — Таблица штуцеров

4.2 Расчетные диаметры

4.2.1 Расчетные диаметры укрепляемых элементов определяются по формулам

         - для цилиндрической обечайки

D_R = D                                                   ( SEQ ( * ARABIC 25)

Для штуцеров A1, В1, В2, И, К1, К2, Р, С, М1, М2, Ж1, Ж2, Жn

D_R = 1200 мм.

         - для эллиптических днищ при высоте днища H = 0,25×D

                                           ( SEQ ( * ARABIC 26

где  x — расстояние от центра укрепляемого отверстия до оси эллиптического днища.

Для штуцера Д1, С

мм.

Для штуцера Е1, Г

 мм.

4.2.2 Расчетный диаметр отверстия в стенке обечайке, ось которого совпадает с нормалью к поверхности в центре отверстия определим по формуле

d_р=d+2×c_s,                                                     ( SEQ ( * ARABIC 27

Для штуцеров A1, В1, В2, И, К1, К2, Р, С, М1, М2, Ж1, Ж2, Жn

при d = 273 мм, d_Р = 273 + 2×1 = 275 мм,

при d = 108 мм, d_Р = 108 + 2×1 = 110 мм,

при d = 159 мм, d_Р = 159 + 2×1 = 161 мм,

при d = 57 мм, d_Р = 57 + 2×1 = 59 мм,

при d = 450 мм, d_Р = 450 + 2×1 = 452 мм.

Расчетный диаметр отверстия для смещенного штуцера на эллиптическом днище определяют по формуле

                                           ( SEQ ( * ARABIC 28

Для штуцера Д1

Для штуцера С

Для штуцера Е1

Для штуцера Г

 мм.

Выбранные диаметры удовлетворяют расчет.

4.3 Расчетные толщины

Расчетная толщина стенки штуцера нагруженного как внутренним так и внешним давлением определяется по формуле

                                            ( SEQ ( * ARABIC 29

где  j₁ — коэффициент прочности продольного сварного соединения штуцера, j₁ = 1, [s₁]=162 МПа

         при Д_у=50 мм,  мм,

         при Д_у=100 мм,  мм,

         при Д_у=150 мм,  мм,

         при Д_у=200 мм,  мм,

         при Д_у=250 мм,  мм,

при Д_у=450 мм,  мм.

Расчетные толщины удовлетворяю принятым толщинам.

4.4 Расчетные длины штуцеров

 Расчетные длины внешней и внутренней частей круглого штуцера, показано на рисунке 6, участвующие в укреплении отверстий и учитываемые при расчете, определяют по формулам 

                                  ( SEQ ( * ARABIC 30

                              ( SEQ ( * ARABIC 31

Длину внешней части l₃ принимаем равной нулю.

Рисунок  SEQ Рисунок * ARABIC 6

при Д_у=50 мм,  мм,

         при Д_у=100 мм,  мм,

         при Д_у=150 мм,  мм,

         при Д_у=200 мм,  мм,

         при Д_у=250 мм,  мм,

при Д_у=450 мм,  мм.

Принятые длины штуцеров удовлетворяют расчетным длинам.

4.5 Одиночные отверстия

4.5.1 Отверстие считается одиночным, если ближайшее к нему отверстие не оказывает на него влияния, что имеет место, когда расстояние между наружными поверхностями соответствующих штуцеров удовлетворяют условию

                                    ( SEQ ( * ARABIC 32

где  - расчетные внутренние диаметры укрепляемого элемента, мм.

Для отверстий находящихся на обечайке

На цилиндрической части корпуса колонны отсутствуют отверстия, расстояние между которыми меньше 480 мм.

На днищах

На днищах отверстия считать взаимовлияющие, т.к.

b_исп=320-108/2-10-159/2-16=160,5 мм.

660 мм > 160,5 мм.

4.5.2 Расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления при наличии избыточной толщины стенки сосуда вычисляется по формуле

                             ( SEQ ( * ARABIC 33

 мм.

Для штуцеров В1, К1, К2, К, Р и М укрепление отверстий не требуется.

Для штуцеров А1, В2 и Жn требуется укрепление отверстий.

4.5.3 Расчет укрепления одиночных отверстий

При укреплении отверстия должно выполняться условие

                            l_1R×(s₁ - s_1R - c_s)×x₁ + l_2R×s₂×x₂ + l_3R×(s₃ - 2c_s)×x₃ +

                          +  l_R×(s - s_R - c) ³ 0,5×(d_R - d_0R)×s_R,                            ( SEQ ( * ARABIC 34)

где  s₁, s₂, s₃ — исполнительные толщины стенок штуцера, накладного кольца, внутренней части штуцера соответственно, мм.;

         l_2R — исполнительная толщина накладного кольца, мм.;

         x₁, x₂, x₃ — отношение дополнительных напряжений для внешней

части штуцера, накладного кольца, внутренней части штуцера соответственно;

         c_s — сумма прибавок к расчетной толщине стенок штуцера, мм.;

         l_R — расчетная ширина зоны укрепления в окрестности штуцера или                 торообразной вставки, мм.;

d_0R — наибольший  расчетный  диаметр  отверстия,  не  требующего  дополнительного  укрепления  при  отсутствии  избыточной     толщины  стенки  сосуда, мм.

4.5.3.1 Расчет укрепления штуцера В2

Ширина зоны укрепления в обечайках, переходах и днищах

                                                                           ( SEQ ( * ARABIC 35

         Обечайка s=50 мм

 мм.

         Расчетная ширина зоны укрепления в стенке обечайки

l_R=L₀,                                                                  ( SEQ ( * ARABIC 36

l_R=240 мм.

Расчетная ширина накладного кольца определяется по формуле

                                  ( SEQ ( * ARABIC 37

где s₂ – исполнительная ширина накладного кольца, мм;

      s – исполнительная ширина стенки обечайки, мм;

      D_R – расчетный внутренний диаметр укрепляемого элемента, мм.

Обечайка s=50 мм.

 мм.

Отношения допускаемых напряжений

x₁ = min{1; [s₁]/[s]},                                        ( SEQ ( * ARABIC 38

x₁=min{1;162/162}=1.

Для накладного кольца принимаем x₂=1; для внутренней части штуцера x₃=0.

Расчетный диаметр отверстия не требующего укрепления при отсутствии избыточной толщины стенки сосуда

                                 ( SEQ ( * ARABIC 39)

Обечайка s=50 мм.   

мм.

         Все найденные значения подставляем в формулу (34):

         Обечайка s=50 мм. штуцер Д_у 150 мм.

61,42×(16-5,65)×1+140×6×1+240×(50-47,3-2)³0,5×(161-96)×47,3

1643,7 мм² ³ 1537,01 мм².

         Допускаемое внутренне избыточное давление определяется по формуле

                                  ( SEQ ( * ARABIC 40)

где  к₁=1 — для цилиндрических обечаек и конических переходов;

        к₁=2 — для выпуклых днищ;

                         ( SEQ ( * ARABIC 41)

где  j₁ — коэффициент прочности продольного сварного соединения штуцера.

 МПа.

 4.5.3.2 Расчет укрепления штуцеров Ж1, Ж2, Жn.

Расчет проведем аналогично п. 4.5.3.1 и результаты расчета сведем в таблицу 3.

Таблица  SEQ Таблица * ARABIC 3

4.6 Учет взаимного влияния отверстий днищ

Расчетная схема показана на рисунке 7

Рисунок  SEQ Рисунок * ARABIC 7

Определим допускаемое давление для перемычек по формулам

                             ( SEQ ( * ARABIC 42

где V находится по формуле

             ( SEQ ( * ARABIC 43

где  - исполнительная ширина накладного кольца, мм;

  - длина внутренней части штуцеров,

       - отношения допускаемых напряжений,

Определим расчетную ширину накладного кольца

Допускаемое напряжение удовлетворяет принятым размерам кольца.

5 Расчет люка-лаза

Цель расчета: определение напряжений фланцевого соединения.

Схема фланцевого соединения показана на рисунке 8.

Исходные данные для расчета:

-         Расчетное давление P_R=11 МПа;

-         Внутренний диаметр фланца D=450 мм;

-         Внутренний диаметр отверстия под шпильку d=46 мм;

-         Диаметр фланца D_ф=775 мм;

-         Число отверстий n=20;

-         Материал фланца – сталь 16ГС;

-         Диаметр болтовой окружности D_б=690 мм;

-         Средний диаметр прокладки D_п.с.=525 мм.

Рисунок  SEQ Рисунок * ARABIC 8

         По ГОСТ 28759.4-90 для данного аппарата выбираются размеры люка—лаза при Р_у =16 МПа и Д_у = 450 мм.

5.1 Расчет прокладки

Схема прокладки показана на рисунке         9

Рисунок  SEQ Рисунок * ARABIC 9

Наружный диаметр прокладки

D_П = D_б - е,                                            ( SEQ ( * ARABIC 44

где  е  - размер, определяемый по таблице ОСТ 26–2003–77, е=78.

D_П=690-78=612 мм.

Средний диаметр прокладки

D _п.ср=D_п-b_п,                                            ( SEQ ( * ARABIC 45)

где  b_п — ширина прокладки, b_п=12 мм;

D_п.ср =612-12=600 мм.

Эффективная ширина прокладки

b_E = 0,125×b_П,                                          ( SEQ ( * ARABIC 46

b_E=0,125×12=1,5 мм.

Ориентировочное число шпилек

z_б=p×D_б /t_б,                                               ( SEQ ( * ARABIC 47

где  t_Б - шаг болтов;

t_б=(2,3…3)×d_б,                                                 ( SEQ ( * ARABIC 48

где d_б – диаметр шпильки, мм;

t_Б=3×42=126,

z_Б = 3,14×690/126=18 шт.

         Определим вспомогательные величины

         а) коэффициент c

                            ( SEQ ( * ARABIC 49

где b - отношение большей толщины втулки фланца к меньшей, b=2.

х найдем по формуле

                                                     ( SEQ ( * ARABIC 50

где l – длина втулки, l=125 мм;

      s₀ – толщина втулки, s₀=34 мм.

б) эквивалентная толщина втулки фланца

s_E=c×s_o,                                                    ( SEQ ( * ARABIC 51

s_E=1,57×34=53,6 мм.

в) ориентировочная толщина фланца

                                                 ( SEQ ( * ARABIC 52

где  l — коэффициент, из таблицы [3] l=0,5 ;

г) безразмерный параметр

w=[1+0,9×l×(1+y₁×j²)]^-1 ,                                                (  SEQ ( * ARABIC 53

где

j=h/s_E,                                                        ( SEQ ( * ARABIC 54

j=77,6/53,6=1,45,

k=D_ф/D,                                                      ( SEQ ( * ARABIC 55

k=775/450=1,72,

         y₁=0,3, из таблица [3]

w = [1+0,9×0,5×(1+0,3×1,45²)]^-1=0,6

         д) безразмерные параметры возьмем из графиков [3]

Т=1,58,

y₂=3,8,

y₃=1.

         Угловая податливость фланца

                                      ( SEQ ( * ARABIC 56

где Е_ф - модуль  продольной  упругости  материала  фланца, E_ф=1,75×10⁵ МПа;

h_кр – толщина фланцевой части крышки, h_кр=110 мм

 1/(МН×м).

Угловую податливость плоской фланцевой крышки найдем по формуле

                                                ( SEQ ( * ARABIC 57

где

                           ( SEQ ( * ARABIC 58

где s_кр – толщина плоской крышки, s_кр=235 мм;

h_кр – толщина фланцевой части крышки, h_кр=110 мм.

,                                                      ( SEQ ( * ARABIC 59

,

,

Линейная податливость прокладки

y_п=s_п/(p×D_п.ср×b_п×E_п),                                          ( SEQ ( * ARABIC 60

где  Е_п - модуль продольной упругости прокладки, для металлической прокладки y_п=0.

5.2 Расчет болтового соединения

Расчетная длина шпилек

l_Б = l_БО + 0,28×d,                                             ( SEQ ( * ARABIC 61

где  l_БО - длина шпильки между опорными поверхностями головки болта и                   гайки, l_БО=220 мм.;

d - диаметр отверстия под болт, d=46 мм.

l_Б=220+0,28×46=232,88 мм.

Линейная податливость шпилек

y_Б=l_Б/(E_Б×f_Б×z_Б),                                       ( SEQ ( * ARABIC 62

где  f_Б - расчетная площадь поперечного сечения болта по внутреннему             диаметру резьбы, f_Б=10,9×10^-4 м²;

Е_Б - модуль продольной  упругости  материала  болта, Е_Б=1,85×10⁵ МПа.

                   y_Б= 232,88×10^-3/(1,85×10⁵×10,9×10^-4 ×18)=6,4×10^-5 м/Н.

Коэффициент жесткости для фланцев с овальными прокладками

a=1.                                                     ( SEQ ( * ARABIC 63

Найдем безразмерный коэффициент u по формуле

u=A×y_Б,                                                     ( SEQ ( * ARABIC 64

где

       A=[y_п+y_Б+0,25×(y_Ф1 + y_Ф2)×(D_Б - D_п.ср)²]^-1,               ( SEQ ( * ARABIC 65

при стыковки фланца с плоской крышкой                                                    

y_ф1=[1-w×(1+0,9×l)]×y₂/(h₁³×E),                         ( SEQ ( * ARABIC 66

y_Ф2=y_кр ,                                        ( SEQ ( * ARABIC 67

         По формулам (63)…(67) определяется безразмерный коэффициент

y_ф1=[1-0,6×(1+0,9×0,5)]×3,8/(0,013³×1,75×10⁵)=2,27 м/МН,

y_ф2=0,001,

A=[0+6,4×10^-5+0,25×(2,27+0,001)×(0,69-0,525)²]^-1=10,67,

u=10,67×6,4×10^-5=0,0007.     

5.3 Расчет фланцевого соединения работающего под внутренним давлением.

Нагрузка действующая на фланцевое соединение от внутреннего избыточного давления найдем по формуле

                                        ( SEQ ( * ARABIC 68

Q_д=0,785×0,525²×11=2,38 МН.

Реакция прокладки в рабочих условиях

R_п=2×p×D_п.ср×b_E×m×p_R ,                                        ( SEQ ( * ARABIC 69)

где  m - коэффициент, по ОСТ 26-426-79 m=5,5

R_п=2×3,14×0,525×1,5×5,5×11=299,2 МН.

Усилия, возникающие от температурных деформаций

Q_t=u×z_Б×f_Б×E_Б×(a_ф×t_ф - a_Б×t_Б),                                ( SEQ ( * ARABIC 70

где  a_ф, a_Б - коэффициенты температурного линейного расширения    фланца и болтов, a_Б  = 12,36×10^-6 1/°C,   a_ф = 17,3×10^-6 1/°C;

         f_Б, t_ф, t_Б  - коэффициенты,   f_Б=5,4×10^-4 м², t_ф=240, t_б=37,5. 

Q_t=0,0007×18×5,4×10^-4×1,85×10⁵×(17,3×10^-6×240-12,36×10^-6×237,5)=0,0015 МН.

Болтовая  нагрузка в условиях монтажа (до подачи внутреннего давления) при p>0,6 МПа

P_Б1=max{a×Q_д+R_п; p×D_п.ср×b_E×q},                          ( SEQ ( * ARABIC 71

где  q - параметр, q=125;

a - коэффициент жесткости фланцевого соединения, a=1;

[s_Б]²⁰ – допускаемое напряжение при температуре 20 °С, [s_Б]²⁰=230 МПа.

Р_Б1 = max{1×2,38+0,525/2; 3,14×510×1,5×125}=max{2,65;309}=309 МН.

Болтовая нагрузка в рабочих условиях

P_Б2=Р_Б1+(1 - a)×Q_Д+Q_t,                                                ( SEQ ( * ARABIC 72

P_Б2=309+(1-1)×2,38+0,0015=309,0015 МН.

Найдем приведенные изгибающие моменты диаметральном сечении фланца по формулам

M₀₁=0,5×P_Б1×(D_б-D_п.с.),                                             ( SEQ ( * ARABIC 73

                      ( SEQ ( * ARABIC 74

М₀₁=0,5×309×(0,69-0,525)=25,5 МН×м,

×м.

Принимаем за расчетное М_R=26,67 МН×м.

Условия прочности шпилек

                                      ( SEQ ( * ARABIC 75

                                       ( SEQ ( * ARABIC 76

 МПа£230 МПа,

 МПа£220 МПа.

Условия прочности выполняется.

Критический момент на ключе при затяжки определим из графика [3]

М_кр=2,2×10³ МН×м.

5.3 Расчет приварных встык фланцев и буртов

Максимальное напряжение в сечении s₁ фланца в месте соединения втулки с плоскостью фланца определим по формуле

,                                               ( SEQ ( * ARABIC 77)

D*=D+s₁,                                                    ( SEQ ( * ARABIC 78)

D*=450+34=484

Максимальное напряжение в сечение s₀ фланца наблюдается в месте соединения втулки с обечайкой

s₀=y₃×s₁,                                                 ( SEQ ( * ARABIC 79

s₀=1×49,18=49,18 МПа.

Напряжения в кольце фланца от действия M₀ найдем по формуле

                                  ( SEQ ( * ARABIC 80

 МПа.

Напряжение во втулки фланца от внутреннего давления найдем по формулам

                                                     ( SEQ ( * ARABIC 81

                                                     ( SEQ ( * ARABIC 82

 МПа

Условие прочности фланца

в сечение s₁

                                         ( SEQ ( * ARABIC 83

d сечение s₀

                           ( SEQ ( * ARABIC 84

Условия прочности выполняется

Угол поворота фланца найдем по формуле

                                           ( SEQ ( * ARABIC 85

Условие выполняется.

5.4 Расчет крышки

5.4.1 Расчетная схема для крышки люка показана на рисунке 10.

Рисунок  SEQ Рисунок * ARABIC 10 – Расчетная схема для крышки люка

Определим толщину плоской крышки люка по формулам

s₁³s_1p+c,                                              ( SEQ ( * ARABIC 86

где

,                                  ( SEQ ( * ARABIC 87

где К – коэффициент, определяется по таблице [2], К=0,4;

       D_p – расчетный диаметр, D_р=D₃=D_б=690 мм;

       j – коэффициент прочности сварного шва, j=1;

       [s] – допускаемое напряжение при расчетной температуре, [s]=145 МПа;

       p – расчетное давление, p=10 МПа;

       К₀ – коэффициент ослабления крышки отверстиями, K₀=1.

.

s₁³76+1=77 мм.

5.4.2 Допускаемое давление на крышку определим по формуле

5.4.1 Область применения расчетных формул

Расчетная схема для крышки люка показана на рисунке 10. Формулы применимы для расчета крышки при условии

                                                 ( SEQ ( * ARABIC 88

где s₁ – исполнительная толщина крышки, примем s₁=200 мм;

      D_р – расчетный диаметр, D_р=D_б=690 мм.

0,109£0,11.

Условие соблюдается.

6 Расчет весовых характеристик аппарата

6.1 Расчет веса аппарата

Вес аппарата при рабочих условиях рассчитывается по формуле

                          G_A =  G_K + G_ИЗ + G_Н.У + G_В.У + G_Ж,                                 ( SEQ ( * ARABIC 89

где  G_K - вес корпуса, кН;

G_ИЗ - вес изоляции, кН;

G_Н.У - вес наружных устройств, кН;

G_В.У - вес внутренних устройств, кН;

G_Ж - вес жидкости, кН.

G_К = åG_Ц + åG_Д,                                             ( SEQ ( * ARABIC 90

где  G_Ц - вес цилиндрической части корпуса, кН;

G_Д - вес днища, кН.

G_Ц = p×(D_В + s)×s×H_Ц×r_м×g,                               (  SEQ ( * ARABIC 91

где  H_Ц ¾ высота цилиндрической части корпуса, м;

r_м ¾ плотность металла, кг/м³,  r_м=7850 кг/м³.

G_Д=S_Д×s×r_м×g,                                          ( SEQ ( * ARABIC 92

где  S_Д - площадь днища, м²;

s_д - толщина днища, м.

G_Ц=3,14×(1,2 + 0,05)×0,05×25,9×7850×9,81=391,424 кН,

G_Д=2,31×0,05×7850×9,81=9,673 кН.

         По формуле (90)

G_K=391,424+2×9,673=410,77 кН

Найдем вес изоляции цилиндрической части корпуса

G_из.ц=p×(D_B+2×s+s_из.)×s_из×H_Ц×r_из.×g,                               ( SEQ ( * ARABIC 93

где s_из. – толщина изоляции, м;

r_из. – плотность изоляции, кг/м³.

                                         ( SEQ ( * ARABIC 94

где  s_м.в., s_Al - толщина минеральной ваты и фольги, s_м.в.=0,08 м, s_Al=0,8×10^-3 м;

r_м.в., r_Аl - плотность минеральной ваты и фольги, r_м.в.=250 кг/м³, r_Al=2500 кг/м³.

³.

G_из.ц=3,14×(1,2+2×0,05+0,0808)×0,0808×25,9×272,3×9,81=24,237 кН.

Найдем вес изоляции днищ

G_ИЗд=F_д×s_из×r_из×g,                                           ( SEQ ( * ARABIC 95

G_ИЗд=2,31×0,808×272,3×9,81=4,985 кН,

G_ИЗ=G_ИЗц+2×G_ИЗд,                                                  ( SEQ ( * ARABIC 96

G_ИЗ=24,237+2×4,985=34,207 кН.

Вес внутренних устройств определяется по формуле

G_ВН=n_т×М_т×g+G_от,                                        ( SEQ ( * ARABIC 97

где  n_т - число тарелок, n_т=40 шт.;

М_т - масса тарелки, М_т=70 кг по ОСТ 26-01-1488-83;

G_от – вес сетчатого отбойника, G_от=830,9 Н.

G_ВН = 40×70×9,81+830,9=28,3 кН.

Вес жидкости в рабочих условиях определяется по формуле

G_Ж=(p×(D_B)²/4)×H_Ж×r_ж×g+V_g×r_ж×g,                             ( SEQ ( * ARABIC 98

где  H_Ж - высота слоя жидкости, H_Ж=1,95 м;

         r_ж - плотность жидкости, r_ж=900 кг/м³;

         V_д - объем днища, V_д=0,45 м³.

G_Ж=(3,14×1,2²/4)×1,95×900×9,81+0,45×900×9,81=23,434 кН.

Найдем вес наружных устройств по формуле

G_н.у.=0,1×G_К,                                                    ( SEQ ( * ARABIC 99)

G_н.у.=0,1×410,77=41,077 кН.

По формуле (89)

G_A=410,77+34,207+28,3+23,434+41,077=537,788 кН.

Найдем вес аппарата при монтаже

G_А.М. =  G_K + G_ИЗ + G_Н.У + G_В.У,                                ( SEQ ( * ARABIC 100)

G_A.М=410,77+34,207+28,3+41,077=514,354 кН

Максимальный вес аппарата определяется по формуле

G_Amax = G_K+G_НУ+G_ВУ+G_из.+G_В,                       ( SEQ ( * ARABIC 101

где  G_В ¾ вес воды.

G_В=((p×(D_B)²/4)×H_Ц+2×V_д)×(r_воды)²⁰×g,                         ( SEQ ( * ARABIC 102

G_B = ((3,14×1,2²/4)×25,9+2×0,45)×1000×9,81=296,039 кН,

G_max=410,77+34,207+41,077+28,3+296,039=810,393 кН.

6.2 Выбор опоры

С учетом минимального веса аппарата G_А=810,393 кН по ОСТ 26-467-78 выбирается опора 3 типа с кольцевым опорным поясом, показан на рисунке , со следующими основными размерами:

         высота опоры H₁=2000 мм;

         наружный диаметр кольца D₁=1480 мм;

         диаметр D₂=1150 мм;

диаметр D_б=1360 мм;

         толщина стенки опоры s₁=10 мм;

толщина стенки опоры s₂=20 мм;

толщина стенки опоры s₃=20 мм;

         число болтов z_б=16 шт.;

диаметр отверстия под болт d₂=35 мм;

диаметр болтов d_б=М30.

Рисунок  SEQ Рисунок * ARABIC 11

7 Расчет на ветровую нагрузку

Цель расчета: определение расчетных усилий для колонны от ветровых нагрузок.

Исходные данные для расчета:

– высота колонны H=30,3 м;

– коэффициент неравномерности сжатия грунта C_F=2×10⁸ H/м³;

– скоростной  напор  ветра  0,0005 МН/м²;

– модуль продольной упругости Е=1,75×10⁵ МПа;

7.1 Определение периода собственных колебаний колонны

Колонну разбиваем по высоте на три участка. Расчетная схема показана на рисунке 12. Вес участка аппарата принимают сосредоточенным в его середине. Нагрузку от веса аппарата прикладывают вертикально, а ветровую горизонтально.