ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

2.4 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Основной целью гидравлического расчета является определение гидравлических сопротивлений, которые возникают в процессе прохождения пара через ректификационную колонну из куба через контактные устройства в дефлегматор. В целом общие потери напора для всех ректификационных колонн позволяют рассчитать необходимое повышение температуры кипения смеси в кубе колонны.

Общие потери давления DР на одной отдельно взятой тарелке составят:

 (2.68)

где, DРс – сопротивление сухой тарелки, Па;

DРж – сопротивление слоя жидкости, Па;

DРs – сопротивление за счет поверхностного натяжения жидкости, Па.

Сопротивление сухой тарелки по формуле:

 (2.69)

где,  - средняя плотность пара в верхней и нижней части колонны, кг/м3;

 - скорость пара в горловине колпачка, м/с (определяется по объемному расходу пара и поперечному сечению паровых патрубков).

Объемный расход пара равен:

 (2.70)

где, S – поперечное сечение паровых патрубков равное 0,088 м2, берется из справ. [3, стр. 23 ];

V - объемный расход пара находится по формуле:

 (2.71)

где, Мср – средняя мольная масса паров.

Объемный расход пара в верхней и нижней части колонны:

Скорость пара в горловине колпачка для верха и низа колонны:

Сопротивление сухой тарелки для верха и низа колонны:

Сопротивление слоя жидкости по формуле:

 (2.72)

где,  - средняя плотность жидкости в верхней и нижней части колонны, кг/м3;

g – 9,8 м/с2;

hs - высота барботажного слоя жидкости на тарелке, м (из справ. [3, стр. 56] равная 35,5 м = 0,0355 м).

Сопротивление за счет поверхностного натяжения жидкости - DРs для колпачковых тарелок незначительно и им допускается пренебречь.

Общие потери давления DР на одной отдельно взятой тарелке:

2.5 МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

 

Расчет

Исходные данные

D = 100 см – внутренний диаметр аппарата;

Р = 1 кг*с/см2 – расчетное наружное давление;

t = 100°С – расчетная температура;

= 1600 кг*с/см2 – допускаемое напряжение для стали 09Г2С при t = 100°С;

Е = 1,91*106 кг*с/см2 – модуль продольной упругости для 09Г2С при t = 100°С;

С = 0,35 см – толщина плакирующего слоя;

Е = 1,99*106 кг*с/см2 – модуль продольной упругости для стали 09Г2С при t = 20°С;

 = 2800 кг*с/см2 – предел текучести для стали 09Г2С при t = 20°С.

Расчет обечайки

Обечайка нагружена наружным давлением.

Толщину стенки приближенно определяем по формуле:

 (2.73)

Коэффициент К2 определяем по номограмме. Для этого находим К1 и К3:

К2 = 0,82,

Значит SR = 0,82 см.

Исполнительная толщина S ³ SR +C,

S ³ 0,82 + 0,35 + 0,156 = 2,806 см.

Принимаем исполнительную толщину S = 20 мм и укрепляем обечайку ребрами жесткости.

Условие применения формул:

Условие выполняется.

Расчетные параметры подкрепленной обечайки:

эффективная длина стенки обечайки:

где, l1 = 200 см – расстояние между двумя кольцами жесткости по осям;

t = 4,6 см – ширина поперечного сечения кольцами жесткости в месте его приварки к обечайке (рис 2.5)

l = 5,755 см;

h2 = 11 см;

IК = 174 см4;

Ак = 10,9 см2.

Эффективный момент инерции расчетного поперечного сечения кольца жесткости:

 (2.74)

Коэффициент жесткости обечайки, подкрепленной ребрами жесткости:

 (2.75)

Допускаемое наружное давление определяется из условия:

где, - допускаемое наружное давление, определяемое исходя из условия устойчивости всей обечайки;

 - допускаемое наружное давление, определяемое исходя из условий устойчивости обечайки между кольцами жесткости.

 (2.76)

где,  - допускаемое наружное давление, определяемое из условия прочности всей обечайки;

 (2.77)

=1,0 и =1,0;

 - допускаемое напряжение для материала колец (сталь ВСт3) при t=100°С;

 - допускаемое наружное давление из условий устойчивости в пределах упругости;

 (2.78)

где,

В2 = 0,0084.

Допускаемое наружное давление, определяется исходя из условий устойчивости обечайки между кольцами жесткости:

 (2.79)

где,  - допускаемое давление из условия прочности;

  - допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости.

 (2.80)

 (2.81)

где,

Значит, допускаемое наружное давление

Условие прочности:

 18,52 кгс/см2 > 1 кгс/см2

Условие прочности выполняется.

Условие прочности при гидроиспытании:

где,  - допускаемое давление при гидроиспытании;

 Рпр – пробное давление гидроиспытания.

 (2.82)

 - допускаемое напряжение для гидроиспытания;

nt = 1,1 – коэффициент запаса прочности.

 - коэффициент прочности сварных соединений.

но не менее 2 кгс/см2;

Значит принимаем Рпр = 2 кгс/см2.

Гидростатическое давление столба жидкости Рст = 4,9 кгс/см2. С учетом этого давления Пир = 6,9 кгс/см2.

6,9 кгс/см2 < 68,1 кгс/см2.

Условие прочности выполняется.

Расчет эллиптического днища

Днище нагружено наружным давлением. Расчетная толщина стенки определяется по формуле:

 (2.83)

Предварительно принимаем Кэ = 0,9.

где, R = D – радиус кривизны в вершине днища.

Принимаем S1 = 10 мм.

Допускаемое наружное давление:

 (2.84)

где,  - допускаемое давление из условия прочности;

 - допускаемое давление из условия устойчивости;

 (2.85)

 (2.86)

где, Кэ – коэффициент.

При

Кэ = 0,95.

Условие прочности:

Условие прочности выполняется.

Условие прочности при гидроиспытании

где, Рпр = 69 кгс/см2;

 - допускаемое давление при гидроиспытании.

 (2.87)

23,3 кгс/см2 > 6,9 кгс/см2.

Условие прочности выполняется.

Формулы (2.83) и (2.84) применимы при выполнение условий:

Условие выполняется.

Расчет укрепления отверстий

Расчетные диаметры:

для цилиндрической обечайки

DR = D = 100 см;

для эллиптического днища

где, x – расстояние от центра укрепляемого отверстия до оси эллиптического днища для верхнего днища x = 0.

для нижнего днища x = 40 см

Расчетный диаметр отверстия в стенке обечайки или днища при наличии штуцера с круговым поперечным сечением, ось которого совпадает с нормалью к поверхности в центре отверстия равен:

 (2.88)

Для обечайки:

где,  - добавка на минусовый допуск по толщине листа и на коррозию.

Для днища:

где, d – максимальный диаметр отверстия.

Условие применения формул:

для обечайки:

Условия выполняются.

для эллиптического днища:

0,404 < 0,5;

0,01 < 0,7.

Условие выполняются.

Расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, вычисляют по формуле:

 (2.89)

для обечайки:

где,

К2 = 0,3 – коэффициент.

Значит, отверстия на обечайки под люк dy = 60 требует укрепления штуцером. При этом должно выполняться условие:

(2.90)

где, lIR – расчетная длина внешней части штуцера;

l3R – расчетная длина внутренней части штуцера;

S1 – исполнительная толщина стенки штуцера;

S1R – расчетная толщина стенки штуцера;

S3 – исполнительная толщина внутренней части штуцера;

lR – расчетная ширина зоны укрепления в окрестности штуцера;

S – исполнительная толщина обечайки;

SR – расчетная толщина обечайки;

dOR – расчетный диаметр отверстия, не требующего укрепления при отсутствии избыточной толщины стенки сосуда;

 (2.91)

l1 = 20 см; S3 = S1 = 1,0 см.

Принимаем liR = 8,8 см.

 (2.92)

 - отношение допускаемых напряжений;

liR = 8,8.

Принимаем l3R = 3,1 см.

Принимаем l = 12,3 см.

Условие укрепления выполняются.

Для днища верхнего

dR = 40,36 см.

dR > d0.

Значит, отверстие dy = 400 на верхнем днище нужно укрепить штуцером. При этом должно выполняться условие по формуле (2.90).

Принимаем liR = 6,25 см.

Принимаем l3 = 2,1 см.

т.к. l = 0,

то

19,2 > 11,4

Условие выполняется.

Для нижнего днища

x = 40

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

 (2.93)

d = 24,4 см

24,4 < 29,5

Значит, эти отверстия взаимновлияющие.

Расчетный диаметр отверстия смещенного штуцера на эллиптическом днище:

 (2.94)

Значит, отверстия на нижнем днище укрепления не требуют. Теперь проверим достаточность укрепления перемычки между отверстиями. Для этого определим допускаемое давление для перемычки:

 (2.95)

где,

   

 К1 =2;  

Так как l1 и l2 величины большие, принимаем

так как  

то  

Значит, V = 0,59.

так как

Значит, условие укрепления выполняется.

Расчет массы аппарата

Масса тарелки:

 (2.96)

Толщину выбираем в зависимости от диаметра (S = 10 мм = 0,01 м); Hk = 12 м.

Масса обечайки:

Масса раствора:

Масса крышки:

 (2.97)

Масса аппарата:

G1(апп) = 12172,6 кг = 121726 Н.

Масса аппарата при гидроиспытании: