Расчет тарельчатой ректификационной колонны производительностью 9000 кг/ч

 Па

 Па

Гидравлическое сопротивление  газожидкостного слоя на тарелках различно для верхней и нижней частей колонны:

 Па

 Па

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, равно

 Па

 Па

Тогда полное сопротивление  одной тарелки верхней и нижней частей колонны равно:

 Па

 Па

Полное гидравлическое сопротивление ректификационной колонны

 Па

 

 

5. Механический расчёт

 

5.1 Расчёт толщины обечайки

Главным составным элементом  корпуса большинства химических аппаратов является обечайка. В химическом аппаратостроении наиболее распространены цилиндрические обечайки, отличающиеся простотой изготовления, рациональным расходом материала и достаточной прочностью.

Для ректификационной колонны, диаметром 1200 мм, примем стандартную минимальную толщину стенки корпуса δ = 8 мм и проверим, выполняется ли условие

где С_к - прибавка к номинальной толщине детали, учитывающая разрушающее действие среды на материал:

- амортизационный срок службы  аппарата (принимаем   = 10 лет); П – коррозионная проницаемость, мм/год (принимаем П = 0,1 мм/год).

Тогда

 мм

Проверяем выполнение условия

0,009<0,1

Поскольку условие выполняется, принимаем толщину обечайки δ = 10 мм.

 

5.2 Расчёт толщины днища

 

Составными элементами корпусов химических аппаратов являются днища, которые обычно изготовляются из того же материала, что и обечайки, и привариваются к ней. Днище неразъёмное ограничивает корпус вертикального аппарата снизу и сверху.  Форма днища может быть эллиптической, сферической, конической и плоской. Наиболее рациональной формой днищ для цилиндрических аппаратов является эллиптической. Эллиптические днища изготавливаются из листового проката штамповкой.

Толщину днища принимаем  равной толщине обечайки и проверяем  выполнение условие

0,009<0,125

Следовательно, условие  выполняется.

 

5.3 Расчёт фланцевых соединений и крышки

Расчёт фланцевого соединения заключается в определении диаметра болтов, их количества и размеров элементов фланцев.

Основной исходной величиной  при расчёте болтов является расчётное  растягивающее усилие в них. При рабочих условиях расчётное растягивающее усилие в болтах определяем по формуле:

 

где - средний диаметр уплотнения (прокладки), м;

Р_П – расчётная сила осевого сжатия уплотняемых поверхностей в рабочих условиях, необходимая для обеспечения герметичности, МН;

р – рабочее давление, МПа.

Расчётную силу сжатия прокладки  прямоугольного сечения определяем по формуле

где b – эффективная ширина прокладки (причём b = b₀, если b₀ ≤ 1см; b = , если b₀ > 1;

b₀ –  действительная  ширина прокладки (в м), определяемая конструкцией уплотнительной поверхности, 

b₀ = 2 мм,

b = 1,4;

κ – коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки (для прокладки из паронита  принимаем κ = 2,5).

 МН

 МН

Диаметр болтовой окружности можно приближённо определить по формуле:

где  D_B – внутренний диаметр фланца, обычно равный наружному диаметру аппарата, м.

 м

Расчётный диаметр болтов определяем по формуле:

и затем округляем  в меньшую сторону до  ближайшего стандартного размера (D_г – наружный диаметр сварного шва на фланце, м).

 м

Число болтов находим по формуле:

где F_б – площадь сечения выбранного болта по внутреннему диаметру резьбы, м²;

σ_Д – допускаемое напряжение в болтах, МН/м².

Рассчитанное число  болтов округляем до ближайшего числа, кратного четырём. Наружный диаметр фланца определяем по формуле

 м

Для определения высоты плоского фланца предварительно находим  следующие величины:

приведенную нагрузку на фланец при рабочих условиях (в  МН):

 МН

вспомогательную величину Ф при рабочих условиях (в м²):

где - предел текучести материала фланцев при рабочей температуре, МН/м² (для стали Х18Н10Т принимаем = 240 МН/м²),

ψ₁ – коэффициент, зависящий от соотношения .

 м²

вспомогательную величину А (в м²):

где δ – толщина обечайки, соединяемой фланцем, м;

ψ₂ – коэффициент, зависящий от соотношения .

Поскольку , то высоту фланца определяем по формулам

 м

 м

Из двух значений выбираем большее, h = 0,071 м.

 

5.4 Расчёт опор аппаратов

 

Выбор типа опоры зависит  от ряда условий: места установки  аппарата, соотношения высоты и диаметра аппарата, его массы и т.д. Расчёт опоры колонного аппарата, устанавливаемого на открытой площадке, проводим, исходя из ветровой и сейсмической нагрузок. При расчёте лап определяем размеры рёбер. Отношение вылета к высоте ребра l/h принимаем равным 0,5. Толщину ребра определяем по формуле:

где G - максимальный вес аппарата, МН (во время испытания, когда весь аппарат заполнен водой);

n - число лап (не менее двух);

z - число ребер в одной лапе (одно или два);

σ_С.Д. – допускаемое напряжение на сжатие (принимаем равным 100 МН/м²);

l - вылет опоры, м; коэффициент κ принимаем вначале 0,6, а затем уточняем по графику зависимости κ от l/δ.

Прочность сварных швов должна отвечать условию

 

 

где L_ш – общая длина сварных швов, м;

h_ш – катет сварного шва, м (h_ш = 0,008 м);

τ_ш.с. – допускаемое напряжение материала шва на срез, МН/м² (τ_ш.с. = 80 МН/м² ).

Определим максимальный вес аппарата:

 кг

 кг

 кг

 кг

Р = т·g = 77012,82 · 9,8 = 754725,654 Н = 0,754725 МН

Примем число лап n = 4, конструкцию лап – двухреберную, вылет лапы l = 0,2 м. Высота лапы h = l / 0,5 = 0,4 м. Толщину ребра при κ = 0,6 определяем по формуле:

 м

Отношение l/δ = 0,2/0,02 = 10. По графику зависимости κ от l/δ.  проверяем коэффициент κ. Он принимает значение, близкое первоначально принятому, поэтому персчёт толщины ребра не требуется. Общая длина сварного шва

 м

Проверяем выполнение условия для прочности сварных швов

0,1886 МН < 0,75264 МН

т.е. прочность обеспечена.

 

 

Заключение

 

В данном курсовом проекте  в результате проведённых инженерных расчетов была подобрана ректификационная установка для разделения бинарной смеси этанол – вода, с ректификационной колонной диаметром D = 1,6(м), высотой H = 12 (м), в которой применяется ситчатые тарелки, расстояние между которыми h = 0,5 (м). Колонна работает в нормальном режиме.

Одно из основных условий безопасной эксплуатации ректификационных колонн – обеспечение их герметичности. Причинами нарушения герметичности могут быть:

• повышение давления в аппарате сверх допустимого,
• недостаточная компенсация увеличения линейных размеров при температурных нагрузках,
• коррозия и эрозия корпуса,
• механические повреждения.

Наиболее опасной причиной резкого  повышения давления в колонне может быть попадание в нее воды. Мгновенное испарение воды вызывает столь быстрое порообразование и повышение давления, что предохранительные клапаны, в силу своей инерционности, не успевают сработать, и может произойти разрыв стенок аппарата. Для исключения попадания воды в колонну необходимо следить, чтобы сырье и орошения не содержали воду, периодически проверять целостность трубок в подогревателе куба, в оросительных холодильниках. Повышение давления в колонне может произойти также вследствие нарушения температурного режима процесса ректификации и превышения пропускной способности колонны по сырью.

На случай недопустимого повышения  давления колонны оборудуются предохранительными клапанами, сбрасывающими часть продукта в факельную линию. Если число тарелок более 40, то по правила ПБВХП – 74, учитывая возможность резкого сопротивления, предохранительные клапаны рекомендуется устанавливать в кубовой части колонны.

При входе в колонны парожидкостная струя продукта имеет большие скорости, что может вызвать эрозию стенок аппарата. Для защиты корпуса аппарата сырье вводят в полость специального устройства – улиты, которая снабжена отбойным местом, принимающим удар струи и защитной гильзой, заменяемой по мере износа

 

Техника безопасности

 

Сосудами, работающими  под давлением, называются герметически закрытые емкости, предназначенные  для ведения химических и тепловых процессов, а также для хранения и перевозки сжатых, сжиженных и растворенных газов и жидкостей под давлением.

Основная опасность  при эксплуатации таких сосудов  заключается в возможности их разрушения при внезапном адиабатическом расширении газов и паров (физический взрыв). При физическом взрыве энергия  сжатой среды в течение малого промежутка времени реализуется  в кинетическую энергию осколков разрушенного сосуда и ударную волну.

Особенно опасны взрывы сосудов, содержащих горючую среду, так как осколки резервуаров  даже большой массы (до нескольких тонн) разлетаются на расстояние до нескольких сот метров и при падении на здание, технологическое оборудование, емкости вызывают разрушение, новые очаги пожара, гибель людей.

При взрывах сосудов  развиваются большие мощности, приводящие к большим разрушениям. Так, мощность, выделяемая при разрыве сосуда емкостью 1 м³, содержащего воздух под давлением 1,2 МПа (12 кгс/см²) при длительности разрыва 0,1 с составляет 28 МВт.

Наиболее частые причины  аварий и взрывов сосудов, работающих под давлением - несоответствие конструкции  максимально допустимому давлению и температуре; превышение давления сверх предельного; потеря механической прочности аппарата (коррозия, внутренние дефекты металла, местные перегревы); несоблюдение установленного режима работы; недостаточная квалификация обслуживающего персонала; отсутствие технического надзора.

Конструкция сосудов  и аппаратов должна быть надежной, обеспечивать безопасность при эксплуатации и предусматривать возможность осмотра, очистки, промывки, продувки и ремонта сосудов. В частности, предъявляются требования к устройству и изготовлению лазов и люков, днищ сосудов, к сварным швам и их расположению и др. Электрическое оборудование и заземление должны отвечать Правилам устройства электроустановок (ПУЭ).

Сосуды, с внутренним диаметром более 800 мм снабжаются достаточным  для их осмотра и ремонта количеством лазов, расположенных в местах, доступных для обслуживания.

Сосуды, с внутренним диаметром 800 мм и менее должны иметь  в доступных местах стенок сосудов  круглые или овальные люки.

Сварные швы сосудов  выполняются только стыковыми. Сварные  соединения в тавр допускаются для приварки плоских днищ, фланцев, трубных решеток, штуцеров. Пересечение сварных швов при ручной сварке не допускается: они должны быть смещены по отношению один к другому не менее чем на 100 мм.

Отверстия для люков  располагаются вне сварных швов.

Сварные швы должны быть доступны для контроля при изготовлении, монтаже и эксплуатации сосудов.

Контроль качества сварных  соединений сосудов и их элементов  должен производиться: