Гидравлический расчет

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны DР_К определяют по формуле:

, (8.1)

 

где DР_В и DР_Н – гидравлическое сопротивление одной тарелки соответственно верхней и нижней частей колонны, Па.

Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки складывается из трех слагаемых:

 

, (8.2)

 

где DР_С – сопротивление сухой тарелки;

DР_Г-Ж – сопротивление газо – жидкостного слоя на тарелках;

DР_s - сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения;

 

8.1 Расчет сопротивления сухой тарелки:

 

, (8.1.1)

 

где x - коэффициент сопротивления (для ситчатой тарелки x = 1,1-2,0)

w - скорость пара в рабочем сечении тарелки;

F_C - cвободное сечение тарелки (16,7%);

ρ_y – средняя плотность паров;

8.1.1 Расчет средней плотности паров, кг/м³

 

 (8.1.1.1)

 

8.1.1.1 Расчет плотности паров в верхней части колонны

 

8.1.1.2 Расчет плотности паров в нижней части колонны

 

 

8.1.2 Расчет скорости пара в рабочем сечении тарелки

 

, (8.1.2.1)

 

где D – диаметр колонны, м;

u_д – допустимая скорость паров;

S_T – рабочее сечение тарелки;

 

 

По уравнению (8.1.1) находим сопротивление сухой тарелки

 

 

8.2 Расчет сопротивления газо-жидкостного слоя

 

 (8.2.1)

 

где h₀ – высота светлого слоя жидкости на тарелке;

8.2.1 Расчет высоты светлого слоя жидкости на тарелке,м

 

, (8.2.1.1)

 

где, - удельный расход жидкости на 1м ширины переливной перегородки, м²/с;

b-ширина переливной перегородки, м;

-высота переливной перегородки, м;

, -поверхностное натяжение жидкости и воды при средней температуре в колонне, Н/м;

L - средние массовые расходы жидкости для верхней и нижней частей колонны;

 

m=0,05 – 4,6 h_пер;

 

w_T - скорость пара в рабочем сечении тарелки;

s_x, s_в – поверхностное натяжение жидкости и воды соответственно при средней температуре в колонне;

μ_х – вязкость в МПа с;

8.2.1.1 Расчет средних массовых расходов для верхних и нижних частей колонны:

 

 (8.2.1.1.1)

, (8.2.1.1.2)

 

где М_Р и М_F – мольные массы дистиллята и исходной смеси;

М_В и М_Н – средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

 (8.2.1.1.3)

 (8.2.1.1.4)

 (8.2.1.1.5)

 

X_CP.B. и X_CP.H. – средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней части колонны:

 

 

8.2.1.2 Определение поверхностного натяжения, вязкости и коэффициента m жидкости

По номограмме [] для нефтепродукта с плотностью 0,756 кг/м³ (средняя плотность в колонне) при температуре 153⁰С (средняя температура в колонне) поверхностное натяжение составляет s ≈ 20,0 10^-3 Н/м.

По номограмме [] для нефтепродукта с плотностью 0,756 кг/м³ (средняя плотность в колонне) при температуре 153⁰С (средняя температура в колонне) вязкость составляет s ≈ 0,250 мПа с.

 

 

По уравнению (8.2.1.1) находим высоту светлого слоя жидкости на тарелке в верхней и нижней частях колонны

 

 

По уравнению (8.2.1) находим сопротивление газо-жидкостного слоя в верхней и нижней частях колонны

 

 

8.3 Расчет гидравлического сопротивления, обусловленного силами поверхностного натяжения, Па

 

 (8.3.1)

 

где s - поверхностное натяжение жидкости и воды при средней температуре в колонне, Н/м;

D_Э – диаметр отверстий тарелки;

 

8.4 По уравнению (8.2) находим полное гидравлическое сопротивление одной тарелки верхней и нижней частей колонны

 

 

8.5 По уравнению (8.1) полное гидравлическое сопротивление ректификационной колонны составляет

 

 

Прочностной расчет

9.1 Расчет толщины стенки корпуса колонны, работающего под внутренним давлением, м

 

, (9.1.1)

 

где Р_Р – расчетное давление, МПа;

D – внутрениий диаметр колонны, м;

s_доп – допускаемое напряжение, МПа;

φ – коэффициент прочности продольного сварного шва;

С – прибавка к расчетной толщине обечайки для компенсации коррозии, м;

С₁ – дополнительная прибавка;

В качестве конструкционного материала выбираем двухслойную сталь, т.к. двухслойные стали находят все большее применение и позволяют экономить дорогостоящие высоколегированные стали. Они представляют собой листы, состоящие из двух гомогенно соединенных слоёв: основного из недефицитной стали и плакирующего (защитного) из высоколегированной стали.

По ГОСТу 10885-64 для основного слоя – сталь ВМСт3сп, плакирующего – сталь 08Х13. Расчет ведем по основному слою:

 

 

На основании рекомендаций с учетом технологии изготовления цилиндрических вальцованных обечаек и с учетом на ветровую нагрузку принимаем по таблице «Толщина листовой двухслойной стали» [5] толщину основного слоя 8 мм, плакирующего – 2 мм.

9.2 Определяем вес колонны при заполнении её водой

9.2.1 Расчет веса обечайки, кг

 

,

 

где S_ОБ – площадь поверхности обечайки;

m_ст – вес 1 м² двухслойной стали толщиной 10мм. m_ст=83,3кг.

 

 

9.2.2 Расчет веса крышки и днища, кг

По ГОСТу 6533-78 выбираем днище эллиптическое отбортованное стальное 2600-10.

 

 

где m_дн-вес днища, кг. По ГОСТ 6533-78 вес днища 2600-10 m_дн=611кг.

 

9.2.3 Расчет веса тарелок, кг

 

,

где m_тар– масса одной тарелки, кг;

N – число тарелок в колонне;

 

 

9.2.4 Расчет веса люков-лазов и штуцеров, кг

 

,

 

где m_л- масса люка, кг. m_л=57кг;

N_л- число люков-лазов и штуцеров.

 

 

9.2.5 Расчет веса пустой колонны

 

 

9.2.6 Расчет веса колонны при проверке водой на герметичность

Вес воды в колонне составляет

 

,

 

где V_кол - объем колонны, м³;

p _воды- плотность воды, кг/м ³.

 

 

По ГОСТ 26-467-78 выбираем стандартную опору с размерами: D = 2600 мм; D₁ = 2920мм; D₂ = 2450 мм; D_Б = 2780 мм; Н=2200мм;d₂ = 48 мм; S₁ = 12 мм; S₂ = 30мм; d_Б = М20; z = 16 шт.; S₃ = 30 мм.

9.3 Расчет колонны на ветровую нагрузку

Так как

 

,

 

то принимаем расчетную схему в виде консольного стержня с жесткой заделкой.

Колонный аппарат по высоте условно разбиваем на n = 4 участка высотой по h_i = 10 м (h₄ = 3,53 м).

9.3.1 Расчет сосредоточенных горизонтальных сил от распределенной ветровой нагрузки на участках 1-4, МН

 

, (9.3.1.1)

 

где β_i – коэффициент увеличения скоростного напора;

q_i – нормативный скоростной напор ветра на i – м участке, МПа;

D_H – наружный диаметр аппарата, м;

h_i – высота участков колонны, м.

 

 

9.3.1.1 Расчет коэффициента увеличения скоростного напора;

 

, (9.3.1.1.1)

 

где ε – коэффициент динамичности, определяемый по графику [5], в зависимости от периода собственных колебаний Т (примем ε = 1,5 при Т = 0,52 с);

m_i – коэффициент пульсаций скоростного напора, определяемый по графику [5] в зависимости от расстояния х_i до уровня земли.

По графику определяем m₁ = 0,38; m₂ = 0,35; m₃ = 0,335; m₄ = 0,332.

 

 

9.3.1.2 Расчет нормативного скоростного напора ветра

 

, (9.3.1.1.1)

 

где q – нормативный скоростной напор ветра на высоте над поверхностью земли до 10 м для заданного района монтажа аппарата (принимают от 270 до 1000 Па);

 - поправочный коэффициент на возрастание скоростных напоров для высоты более 10 м.

Примем q = 450 Па. По графику [5] в зависимости от расстояния x_i до уровня земли определяем: .

 

 

9.3.2 Расчет ветрового момента

 

, (9.3.2.1)

 

где n₀ – число участков, расположенных выше расчетного сечения;

P_i – сосредоточенные горизонтальные силы, действующие на выделенные зоны, МН.

Ветровой момент, действующий в сечении на высоте опоры х₀ = 4 м.

 

 

Ветровой момент, действующий на уровне земли х₀ = 0.

 

 

9.3.3 Расчет максимального напряжения сжатия на опорной поверхности кольца

 

, (9.3.3.1)

 

где М_В1 - ветровой момент, действующий на уровне земли х₀ = 0;

W_K – момент сопротивления площади опорного кольца, м³;

 

 (9.3.3.2)

 

N₁ - вес колонны при проверке её водой на герметичность;

F_K – площадь опорного кольца, м²;

 

 (9.3.3.1)

 

По уравнению (5.3.3.1) получаем

 

 

9.3.3.1 Расчет толщины опорного кольца, м

 

, (9.3.3.1.1)

 

где b – расстояние от выступающей части кольца до наружного диаметра опорной обечайки, b = 0,148 м;

s_ДОП – допускаемое напряжение на изгиб для материала опоры (для ВСт3ст s_ДОП = 245 МПа);

 

 

Для выбранной опоры S₂ = 0,03 м; Þ условие прочности соблюдается.

9.4 Проверка корпуса колонны на устойчивость

 

, (9.4.1)

,

 

где φ_С – коэффициент уменьшения допускаемых напряжений. Примем φ_С = 0,58;

s^* - нормативное допускаемое напряжение при расчетной температуре. Для основного материала колонны – ВСт3сп s^* = 130 МПа.

 

,

 

где φ_и – коэффициент пропорциональности. Примем φ_и = 0,756.

s^* - нормативное допускаемое напряжение при расчетной температуре. Для основного материала колонны – ВСт3сп4 s^* = 130 МПа.

Значения Р_Р = 0 и Р_ДОП = 0.

 

По уравнению (5.3.3.1) проверяем корпус колонны на устойчивость

 

.

 

Условие прочности соблюдается.