Гидравлическое сопротивление тарелок колонны DРК определяют по формуле:
, (8.1)
где DРВ и DРН – гидравлическое сопротивление одной тарелки соответственно верхней и нижней частей колонны, Па.
Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки складывается из трех слагаемых:
, (8.2)
где DРС – сопротивление сухой тарелки;
DРГ-Ж – сопротивление газо – жидкостного слоя на тарелках;
DРs - 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;
FC - cвободное сечение тарелки (16,7%);
ρy – 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;
uд – допустимая скорость паров;
ST – 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 hпер;
wT - скорость пара в рабочем сечении тарелки;
sx, sв – поверхностное натяжение жидкости и воды соответственно при средней температуре в колонне;
μх – 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 МР и МF – мольные массы дистиллята и исходной смеси;
МВ и МН – 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)
XCP.B. и XCP.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;
DЭ – 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 РР – расчетное давление, МПа;
D – внутрениий диаметр колонны, м;
sдоп – 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 SОБ – площадь поверхности обечайки;
mст – вес 1 м2 двухслойной стали толщиной 10мм. mст=83,3кг.
9.2.2 Расчет веса крышки и днища, кг
По ГОСТу 6533-78 выбираем днище эллиптическое отбортованное стальное 2600-10.
где mдн-вес днища, кг. По ГОСТ 6533-78 вес днища 2600-10 mдн=611кг.
9.2.3 Расчет веса тарелок, кг
,
где mтар– масса одной тарелки, кг;
N – число тарелок в колонне;
9.2.4 Расчет веса люков-лазов и штуцеров, кг
,
где mл- масса люка, кг. mл=57кг;
Nл- 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 Vкол - 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; DБ = 2780 мм; Н=2200мм;d2 = 48 мм; S1 = 12 мм; S2 = 30мм; dБ = 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 hi = 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 βi – коэффициент увеличения скоростного напора;
qi – нормативный скоростной напор ветра на i – м участке, МПа;
DH – наружный диаметр аппарата, м;
hi – 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);
mi – коэффициент пульсаций скоростного напора, определяемый по графику [5] в зависимости от расстояния хi 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 xi до уровня земли определяем: .
9.3.2 Расчет ветрового момента
, (9.3.2.1)
где n0 – число участков, расположенных выше расчетного сечения;
Pi – 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 МВ1 - ветровой момент, действующий на уровне земли х0 = 0;
WK – момент сопротивления площади опорного кольца, м3;
(9.3.3.2)
N1 - вес колонны при проверке её водой на герметичность;
FK – 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;
sДОП – допускаемое напряжение на изгиб для материала опоры (для ВСт3ст sДОП = 245 МПа);
Для выбранной опоры S2 = 0,03 м; Þ условие прочности соблюдается.
9.4 Проверка корпуса колонны на устойчивость
, (9.4.1)
,
где φС – коэффициент уменьшения допускаемых напряжений. Примем φС = 0,58;
s* - нормативное допускаемое напряжение при расчетной температуре. Для основного материала колонны – ВСт3сп s* = 130 МПа.
,
где φи – коэффициент пропорциональности. Примем φи = 0,756.
s* - нормативное допускаемое напряжение при расчетной температуре. Для основного материала колонны – ВСт3сп4 s* = 130 МПа.
Значения РР = 0 и РДОП = 0.
По уравнению (5.3.3.1) проверяем корпус колонны на устойчивость
.
Условие прочности соблюдается.