Расчёт и проектирование колонны-дебутанизатор

3 Прочностной  расчет колонны-дебутанизатора

3.1 Выбор  основных расчетных параметров

Стальные сварные аппараты, в зависимости от содержащейся в них среды и её рабочих параметров, с целью определения методов и объема контрольных операций для сварных соединений подразделяются на пять групп (ОСТ 26-291-94).

Колонна-дебутанизатор относится к четвертой группе сосудов.

Основными расчетными параметрами для выбора конструкционного материала и расчета элементов аппарата на прочность являются температура и давление рабочего процесса.

Различают рабочую и расчетную температуры [3].

Рабочая температура t – это температура содержащейся или перерабатываемой среды в аппарате при нормальном протекании в нем технологического процесса.

Расчетная температура tR – это температура для определения физико-механических характеристик конструкционного материала и допускаемых напряжений. В случае невозможности выполнения теплового расчета, расчетная температура принимается равной рабочей, но не менее 20 °С.

В нашем случае по условию курсового проекта t = 260 °С.

К проекту принимаем tR = 260 °С.

Различают давление рабочее, расчетное, пробное.

Рабочее давление  Р – максимальное избыточное давление среды в аппарате при нормальном протекании технологического процесса.

Расчетное давление PR – максимальное  допустимое рабочее давление, на которое производится расчет на прочность и устойчивость элементов аппарата при максимальной их температуре.

В нашем случае P = 1,42 МПа, рекомендуемое расчетное давление при рабочим давлении Р > 0,07 МПа, c предохранительным устройством  и  для любых сред, составляет:

 

 

 

 

 

К проекту принимаем РR = 1,8 МПа.

Пробное давление – избыточное давление, на которое аппарат испытывается на прочность и плотность после его изготовления и при ТО.

 

 

 

 

3.2 Расчет обечайки от действия заданного давления

Расчетная схема обечайки аппарата приведена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1- Расчетная схема обечайки

Согласно ГОСТ 14249-89, для  гладких цилиндрических обечаек, нагруженных  внутренним  избыточным  давлением, толщина  стенки  определяется  по  [3] с. 413:

 

где – расчётная  толщина  стенки, мм;

С – прибавка, которая представляет собой сумму прибавку на коррозию и эрозию, мм.    

С = 2 мм – по данным приведенным в [3] с. 413.

Определим расчетную толщину стенки по [2] с. 413:

 

где – давление внутри аппарата, Па;

– внутренний диаметр аппарата, м;

  – допустимое напряжение, Па;

  – коэффициент прочности продольного  сварного шва.

 по условию; – по условию; – по данным приведенным в [3] с. 405; – по данным приведенным в [3] таблица 4.7.

 

.

Округляем толщину стенки до ближайшей стандартной:

.

Проверка:

Определим действующее напряжение и сравним его допустимым напряжением по [3] с. 413:

 

 

 

 

Условие выполняется.

Определим допускаемое давление и сравним его с давлением внутри аппарата по [3] c. 414:

 

 

 

 

Условие выполняется.

3.3 Расчет днища и крышки аппарата

3.3.1 Обоснование  и выбор типа днища и крышки

Составными элементами корпусов химических аппаратов являются днища и крышки, которые, как правило, связаны с обечайкой аппарата и изготавливаются из того же материала. Форма днища определяется сопрягаемой с ним формой обечайки, химико-технологическими требованиями, давлением среды в нем, конструктивными соображениям; бывают эллиптической, полушаровой, сферической, конической, плоской формы [3].

Условия использования различных видов днищ:

- сферические – давление неограниченно, диаметр меньше 1600 мм;

- тарельчатые – давление до 0,3 МПа, диаметр неограничен; используется укрепление виде фланца или колец жесткости;

- эллиптические – давление от 0,07 МПа  до 10 МПа, диаметр меньше 4500 мм, укрепляют кольцами жесткости или отбортовкой на цилиндр;

- конические – давление до 0,7 МПа, диаметр неограничен, укрепляют ребрами и кольцами жесткости, торовыми переходами;

- плоские – давление до 0,07 МПа, диаметр меньше 400 мм (без укрепления), используются для аппаратов под наливом, если аппарат устанавливается на фундамент –  днище не укрепляется;

- полусферические (полушаровые) – давления неограниченно, диаметр более 4000 мм.

Учитывая эти условия и то, что расчетное давление 0,34 МПа и диаметр аппарата не  превышает 4500 мм, принимаем эллиптические днище и крышку [3].

  3.3.2 Расчет толщины эллиптического днища

Расчет днищ и крышек выполняется в соответствии с ГОСТ 14249-89, СТ СЭВ 1039-78, СТ СЭВ 1041-79, РТМ 26-01-56-73.

Расчетная схема эллиптического днища приведена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Расчетная схема днища

Определим толщину стенки днища по [3] c. 453:

 

где – давление внутри аппарата, Па;

– внутренний диаметр аппарата, м;

  – допустимое напряжение, Па;

  – коэффициент прочности продольного  сварного шва;

С – прибавка, которая представляет собой сумму прибавку на коррозию и эрозию, мм. 

 – по условию; – по условию; – по данным приведенным в [3] с. 405; – по данным приведенным в [1] с. 407, С = 2 мм – по данным приведенным в [3] с. 413.

 

Округляем толщину стенки до ближайшей стандартной:

.

Определим допускаемое наружное давление при значении по [3] с. 453:

 

 

 

 

Условие выполняется.

 

3.3.3 Подбор  днищ и крышек

 

Выбираем эллиптические днище и крышку, так как аппарат работает при  избыточном   давлении.  Днища такого вида, применяются при  Dу < 4000 мм и давлении 0,07 МПа< Ру < 10 МПа. Их легче изготовить, чем сферические днища. Нагрузки воспринимаются эллиптическим днищем так же как и сферическим, но они меньше по высоте. Основная часть днища составляет эллипс. Эллиптическая часть работает на растяжение. Вместе сопряжение с цилиндром за счет действия перерезывающих сил, начинает работать на сжатие. Для того чтобы снизить действие перерезывающих сил, сопряжение днище цилиндр выполняется с торовым переходом. В месте сопряжения   основной металл ослаблен изгибом. В этом же сечении металл ослабляется сварным швом. Для того чтобы сварные швы вынести из зоны изгиба выполняется отбортовка на цилиндр. Высота отбортовки принимается в зависимости от диаметра днища [3].

На рисунке 3.1 изображен вид эллиптического днища и крышки.

 

                                  

а)                                                                            б)

Рисунок 3.1 – Вид  эллиптического днища (а) и крышки (б)

Выбираем днище в зависимости от диаметра обечайки по [3] таблица 16.1:

- диаметр обечайки D = 1800 мм;

- высота борта hц = 40 мм;

- высота днища HД = 450 мм;

- объем днища VД = 0,865 м3;

- площадь днища FД = 3,74 м2.

 

3.4 Определение расчетной высоты обечайки

 

Для  вертикальных  сосудов,  работающих при  избыточном  внутреннем  давлении, расчётная  длина равняется высоте  цилиндрической   части  аппарата.

Определим  объем цилиндрической части:

                                                            

где – объем аппарата, м3;

 – объем днища, м3;

 – объем днища, м3.

 – по заданию; принято из третьего раздела записки.

 

Определим расчетную высоту обечайки:

 

где– диаметр обечайки, м.

  – по заданию.

 

 

 

3.5 Расчёт на прочность и подбор фундаментного кольца

Внутренний диаметр опорного фундаментного кольца [3]:

 

 

Наружный диаметр опорного фундаментного кольца:

 

 

Опорная площадь фундаментного кольца:

 

Момент сопротивления изгибу опорной площади фундаментного кольца:

 

Схема расчета нагрузки на фундаментное кольцо приведена на рисунке  3.4.

Рисунок 3.4 – Схема к расчету нагрузки на фундаментное кольцо

Максимальное напряжение сжатия на опорной поверхности фундаментного кольца:

 

 

Номинальная расчетная толщина опорного кольца:

 

где  – расстояние от выступающей части кольца до цилиндрической  части опоры;

 

 

С учетом прибавки на коррозию принимаем, округляя размер,

Наименьшее напряжение на опорной поверхности кольца:

– при максимальной силе тяжести аппарата определятся по формуле:

 

 

– при минимальной силе тяжести аппарата определятся по формуле:

 

 

Эпюры и схема к расчету напряжений на опорной поверхности аппарата при весе аппарата представлена на рисунке 3.5.

 

Рисунок 3.5 – Схема к расчету напряжений на опорной поверхности аппарата при весе аппарата: а – минимальном; б – максимальном.

Расчетным является большее по абсолютной величине значение – при минимальной силе тяжести аппарата, а знак минус указывает на необходимость установки фундаментных болтов [3].

Общую условную расчетную нагрузку на фундаментные болты определяем по формуле:

 

 

Принимаем количество фундаментных болтов z = 24 [3]. Нагрузку на один болт определяем по формуле:

 

 

Расчетный внутренний диаметр резьбы болтов определяется по формуле:

 

 

Принимаем болты М36.

Диаметр болтовой окружности определяем по формуле [3]:

 

 

Принимаем

 

3.6 Подбор геометрических размеров опоры

Согласно выше изложенного принимаем к проекту стандартное опорное кольцо[1] по ОСТ 26-467-78, которое представлено в таблице 3.1.

Таблица 3.1 –  Переделы применения цилиндрических опор в зависимости от  минимальной приведенной нагрузки Qmin

Qmin, МН	Область диаметров D,мм
0,80	1000 – 2000

Для диаметра D  = 1800 мм по [3] выбираем основные диаметры и заносим в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 –  Основные диаметры для опоры

D, мм	Dн, мм	Dвн, мм	Dб, мм
1800	2030	1600	2250

Согласно этого выбираем из [3] основные размеры цилиндрической опоры, которые сведём в таблицу 3.3.

Таблица 3.3 –  Основные размеры цилиндрической опоры

Приведённая нагрузка, МН		D, мм	s1, мм	s2, мм	s3, мм	d2, мм	dБ, мм	Число болтов zБ
Qmax	Qmin
1,6	до 0,80	1000-2000	12	25	40	45	М36	16

Необходимое количество отверстий, лазов (люков), их размеры, расположение и форма выбираются из условия эксплуатации и монтажа и должны отвечать требованиям ОСТ 26-291-79.

Для вентиляции внутренней поверхности опоры в верхней части должно быть предусмотрены вырезы, позволяющие иметь доступ к сварным радиальным швам на днищах [3].