Химический аппарат колонного типа

В условиях химических производств при синтезе продуктов часто получают смеси жидких компонентов, из которых необходимо выделить тот или иной компонент в чистом виде. Это достигается ректификацией.

Ректификацию проводят в ректификационных колоннах, которые по своему устройству делятся на тарельчатые, насадочные и ротационно-плёночные.

Так как без процесса ректификации невозможно ни одно крупное производство, технически грамотное проектирование аппарата колонного типа является задачей химика-технолога.

1. Краткое описание и принцип действия аппарата

Аппарат предназначен для разделения перегонкой и ректификацией двухкомпонентной жидкой смеси (например метанол + вода) под давлением P=0,5 МПа.

По конструкции аппарат представляет собой ректификационную тарельчатую колонну переменного диаметра (диаметр нижней части 1600 мм, диаметр верхней части 1000 мм) и высотой 60 м, кубовая часть которой снабжена выносным кипятильником.

Колонна оснащена внутренними устройствами в виде ряда тарелок, сборного лотка и сливной трубы нижней тарелки. В кубовой части колонны имеется разделительная вертикальная перегородка для разделения кубовой жидкости. Более легкая фракция, переливаясь через перегородку, подаётся на кипятильник, а более тяжёлая собирается в кубовой части и выводится наружу.

Колонна снабжена тремя обслуживающими площадками, смотровыми люками, люками-лазами, технологическими штуцерами для замера уровней и температуры.

2. Технические данные

1. Высота аппарата с цилиндрической опорой-60 м

2. Высота нижней части аппарата-40 м

3. Внутренний диаметр аппарата

— верхней части d=1,0 м

— нижней части D=1,6 м

4. Диаметр подошвы фундамента 2 м

5. Толщина стенки аппарата с учётом коррозии

6. Материал обечайки корпуса: конструкционная сталь.

7. Рабочее давление в аппарате P=0,5 МПа

8. Масса внутренних устройств составляет величину 0,5 от массы корпуса.

9. Масса смотровой площадки — 500 кг.

10. Высота площадок обслуживания — 1 м

11. Район установки IV

12. Скоростной напор ветра

13. Тип грунтов — средней плотности

3. Расчётная часть

Расчёт веса и массы колонного аппарата.

Масса корпуса

1 участок

где d₁-средний диаметр верхней части аппарата, м;

s-толщина стенки аппарата, м;

h₁-высота участка, м;

где плотность стали кг/м³

2 участок

V₂=V₁; m₂=m₁

3 участок

Где D₃-средний диаметр нижней части аппарата, м;

4 участок

V₄=V₃; m₄=m₃

5 участок

V₅=V₃; m₅=m₃

6 участок

V₆=V₃; m₆=m₃

Масса крышки

Масса днища

Масса внутренних устройств

Масса аппарата

Вес аппарата

Вес участков

4. Период основного тона колебаний аппарата

Период основного тона собственных колебаний аппарата рассчитывается по формуле:

гдевес i-того участка аппарата, Н;

— относительное перемещение центров тяжести участков, 1/Н*м;

g — ускорение свободного падения, м/с²;

Н — высота аппарата, м;

Е — модуль упругости, Н/м³

I₁ -экваториальный момент инерции площади сечения верхней части корпуса относительно центральной оси, м⁴;

— коэффициент

— коэффициент неравномерности сжатия грунта, Н/м³

I_F-экваториальный момент инерции подошвы фундамента относительно центральной оси, м⁴;

Расчёт коэффициента

где x_i-расстояние от середины i-того участка до поверхности земли, м;

— коэффициент, вычисляемый по формуле:

Момент инерции сечения корпуса аппарата

Момент инерции подошвы фундамента

;

Коэффициент

где ;

Вычисление коэффициента

Вычисление величины

5. Определение изгибающего момента от ветровой нагрузки

Изгибающий момент в расчетном сечении на высоте определяется по формуле:

где — сосредоточенная сила, действующая на i-й участок, Н;

— координата i-ой силы, м;

— расстояние от опасного сечения до поверхности земли, м;

— изгибающий момент от действия ветра на смотровую площадку, .

Расчет силы.

Ветровая нагрузка на i-ом участке:

где — статическая составляющая i-ой силы, Н;

— динамическая составляющая i-ой силы, Н;

где — нормативное значение статической составляющей, Н/м²;

— площадь поперечного сечения (площадь миделевого сечения), м²;

где — высота участка, м;

— диаметр участка, м;

Тогда:

Если предположить отсутствие пульсаций, то гденормативный скоростной напор ветра на высоте 10 м над поверхностью земли (для IV географического района) равный 0,55кПа или 550 Па;

k — аэродинамический коэффициент, равный 0,7;

— коэффициент, учитывающий увеличение скоростного напора по высоте аппарата от уровня земли, определяется по формуле:

Динамическая составляющая i-ой силы:

гдекоэффициент, учитывающий корреляцию пульсаций скорости ветра и частоты колебаний колонного аппарата;

G_i-вес i-ого участка;

— коэффициент динамичности;

— приведенное относительное ускорение центра тяжести i-ого участка;

Коэффициент динамичности определяется в зависимости от другого параметра, пропорционального периоду собственных колебаний аппарата Т©.

В зависимости от параметра, коэффициент динамичности определяется по формуле:

Коэффициент следует определять в зависимости от высоты колонного аппарата Н и значения

При Н=60 м и при .

Приведенное относительное ускорение i-ого участка:

Гдеотносительное перемещение i-ого и k-ого участков при основном колебании;

— коэффициент, характеризующий пульсации скоростного напора для середины k-ого участка на высоте (при);

Расчет моментов, действующих на смотровые площадки.

гдеопределяет место расположения смотровой площадки от уровня земли, м;

— площадь миделя сплошной конструкции ограждения и крепления снизу смотровой площадки, м²;

— коэффициент пульсации скоростного напора;

— коэффициенты:

где — диаметр площадки, м;

— высота площадки, м;

6. Расчет колонного аппарата на прочность

Условие прочности

Продольное напряжение на наветренной стороне:

Продольное напряжение на подветренной стороне:

где: -внутренний диаметр колонны в соответствующем расчетном сечении, м;

Р-давление, Па;

s-толщина стенки (исполнительная) в расчетном сечении, м;

c-прибавка на коррозию, м;

Окружное напряжение:

Эквивалентное напряжение на наветренной стороне:

Эквивалентное напряжение на подветренной стороне:

Аппарат рассчитывают на прочность для двух сочетаний нагрузок:

— рабочие условия;

— условия испытаний;

Сочетания нагрузок

Рабочие условия

Условие прочности выполняется

Условие прочности выполняется

Условия испытаний Вес жидкости Вес колонны с жидкостью:

Условие прочности выполняется

Условие прочности выполняется. Условия прочности выполняются. Данный аппарат все заданные нагрузки выдержит.

колонный аппарат перегонка ректификация

7. Расчет устойчивости опорной обечайки

Условие устойчивости

гдедопускаемая сжимающая сила, Н;

— допускаемый изгибающий момент, ;

Допускаемая сжимающая сила

гдедопускаемое осевое сжимающее усилие, определяемое из условий прочности;

— допускаемое осевое сжимающее усилие в пределах упругости, определяемое из условий устойчивости;

гдекоэффициент запаса устойчивости (для рабочих условий равен 2,4 для условий испытания — 1,8);

Рабочие условия

Условия испытаний

Допускаемый изгибающий момент

гдедопускаемый изгибающий момент, определяемый из условий прочности;

— допускаемый изгибающий момент в пределах упругости, определяемый из условия устойчивости;

Рабочие условия

Условия испытаний

Проверка устойчивости

Рабочие условия

Условия испытаний

Условие устойчивости выполняется.

1. ГОСТ — 24 757 — 81 «Сосуды и аппараты колонного типа. Нормы и методы расчета на прочность», М., Изд. Стандартов, 1987 г.

2. ГОСТ — 14 249 — 89 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность», М., Изд. Стандартов, 1989 г.

3. ГОСТ — 24 756 -81 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Определение расчетных усилий для аппаратов колонного типа от ветровых нагрузок и сейсмических воздействий», М., Изд. Стандартов, 1987 г.

4. Поляков А. А., «Механика химических производств», Санкт-Петербург, издательство «Химия», 1995 г.

5. «Основные процессы и аппараты химической технологии» под редакцией Дытнерского Ю. И., М., «Химия» 1983 г.

6. Лащинский А. А., Толчинский А. Ф., «Основы конструирования и расчеты химических аппаратов», справочник, 1970 г.