Стабилизационная колонна установки каталитического риформинга бензиновых фракций

33200

25400

18400

11000

1610

1,451

1,335

1,208

1,030

0,495

0,517

0,544

0,591

1,413

0,921

0,550

0,241

Таблица 5.15 - Определение расчетных изгибающих моментов от ветровых нагрузок для трех расчетных сечений и трех расчетных условий

Условия работы аппарата	Расчетное сечение х0, м	Изгибающий момент от ветровой нагрузки, Нм
		на обслуживающие площадки	на колонный аппарат (без площадок)	суммарный изгибающий момент
Рабочие условия	Хог-г	80108	1085199	1165308
	Ход-д	86581	1194608	1281188
	ХоЕ-Е	88738	1231077	1319815
Условия испытания	Хог-г	83758	1151497	1235255
	Ход-д	90498	1265990	1356488
	ХоЕ-Е	92745	1304154	1396899
Условия монтажа	Хог-г	78056	995118	1073173
	Ход-д	84377	1093714	1178091
	ХоЕ-Е	86484	1126580	1213064

5.8 Сочетание нагрузок (P, F, M) для каждого расчетного условия

Сочетание нагрузок для трех расчетных условий работы аппарата и для трех расчетных сечений приведены в таблице 5.16. Таблица 5.16 - Сочетание нагрузок для трех расчетных условий работы аппарата и для трех расчетных сечений

Индекс расчетных условий	Расчетное сечение	Расчетное давление Р, МПа	Осевое сжимающее усилие F, H	Расчетный изгибающий момент М, Нмм (кH м)	Расчетная температура tрас,0С	Допускаемое напряжение, МПа
1	2	3	4	5	6	7
	Г-Г	р1 = рtрас= 1,68	F1=G1 = 765524	M1=M1 =1165,308	tраскор = 238 tрас оп =20	[]tкор= 133 []tоп=147
	Д-Д	р1=0	F1=G1= 765524	M1=M1 =1281,188	tрас оп = 20	[]tоп=147
	Е-Е	р1=0	F1=G1 = 765524	M1=M1 =1319,815	tрас оп =20	[]tоп=147
	Г-Г	р2=рирас =2,65	F2=G2= 2214577	M2=0,6M2=741,153	t рас=20°С	= 200 = 200
	Д-Д	р2= 0	F2=G2= 2214577	M2=0,6M2=813,8928	t рас=20°С	=200
	Е-Е	р2= 0	F2=G2 = 2214577	M2=0,6M2=838,1394	t рас=20°С	=200
	Г-Г	р2=0	F3=G3 = 579085	M3=M3=1073,173	t рас=20°С	=183,33=183,33
	Д-Д	р3=0	F3=G3= 579085	M3=M3=1178,091	t рас=20°С	=183,33
	Е-Е	р3=0	F3=G3= 579085	M3=M3=1213,064	t рас=20°С	=183,33

5.9 Проверка на прочность и устойчивость стенки корпуса аппарата

Необходимость в проверке прочности и устойчивости возникает вследствие того, что толщина стенки корпуса была определена только под действием внутреннего или наружного расчетного давления, без учета дополнительного воздействия осевой сжимающей силы F и изгибающего момента M_v, напряжения от которых могут достигать больших величин и привести к разрушению колонного аппарата. Поэтому стенка корпуса аппарата должна быть проверена на прочность и устойчивость.

Для колонн, работающих под действием внутреннего избыточного давления или без давления, производится только проверка прочности стенки корпуса, проверка устойчивости не производится.

Проверка прочности стенки корпуса аппарата.

Проверку прочности в соответствии со стандартом следует проводить для рабочего условия и условия монтажа в сечении, где корпус присоединяется к опорной обечайке (сечение Г-Г), под суммарным воздействием Р_рас, Fи Мх;

Продольные (меридиональные) напряжения возникают от всех трех нагрузок Р_рас, Fи Мх и определяются на наветренной и подветренной сторонах соответственно по следующим формулам:

, (5.15)

. (5.16)

Кольцевые (тангенциальные) напряжения возникают только от внутреннего (наружного) давления и рассчитываются по формуле

. (5.17)

Для рабочего условия:

МПа;

МПа;

МПа.

Для условия монтажа :

МПа;

МПа;

Па.

Рассчитываются эквивалентные напряжения на наветренной и подветренной сторонах для и по формулам



(5.18)

(5.19)

Для рабочего условия :

МПа;

МПа.

Для условия монтажа :

МПа;

МПа.

Производится проверка прочности:

на наветренной стороне по формуле

. (5.20)

Для рабочего условия:

;

.

Для условия монтажа :

;

;

на подветренной стороне по формуле:

. (5.21)

Для рабочего условия:

;

;

109,5<133 МПа.

Для условия монтажа :

;

;

15,7<147 МПа.

Так как условия (5.20) и (5.21) выполняются, то нет необходимости увеличивать толщину стенки корпуса.

Результаты проверки прочности стенки корпуса.

Результаты проверки прочности стенки корпуса колонного аппарата представлены в таблице 5.17.

Таблица 5.17 - Исходные данные и результаты проверки прочности стенки корпуса колонного аппарата

Параметр	Рабочее условие (х = 1)	Условие монтажа (х = 3)
Расчетное сечение	Г-Г	Г-Г
Расчетное внутреннее давление, МПа	Рtрас =1,68	Рtрас =0
Расчетный изгибающий момент, Н м	М1 =1165308	M3 =1073173
Осевая сжимающая сила, Н	F1=765524	F3=579085
Исполнительная толщина стенки корпуса, Sгост , мм	Sгост =22	Sгост =22
Допускаемое напряжение для материала корпуса, МПа	[]tкор=133	=183,33
Проверка прочности (сравнение допускаемых напряжений с эквивалентными), вывод	108,06<133 109,05<133 условие выполняется	7,55<147 15,7<147 условие выполняется

Проверка устойчивости стенки корпуса колонного аппарата

По ГОСТ Р 51274-99 [3] проверку устойчивости стенки колонного аппарата следует проводить для рабочих условий и условий испытания в сечении Г-Г.

Так как стабилизационная колонна работает под внутренним избыточном давлением, проверка устойчивости стенки корпуса не проводится. Расчет на устойчивость ведется только для опорной обечайки.

5.10 Расчет опорной обечайки

Опорную обечайку проверяют на прочность для рабочего условия (х=1) и условия испытания (х=2).

Расчет опорной обечайки заключается в выборе стандартной опоры и проверке прочности сварного шва, соединяющего корпус колонны с опорной обечайкой в сечении ГГ.

Прежде чем рассчитывать опорную обечайку, необходимо выбрать тип опоры.

Выбор стандартной опоры колонного аппарата.

В соответствии с ОСТ 26-467-94 [4] разработано пять типов стандартных опор, пределы применения которых зависят от внутреннего диаметра колонны D_B и минимальной приведенной нагрузки Q_min.

Минимальные Q_min и максимальные Q_max приведенные нагрузки определяются соответственно по формулам

МН, (5.22)

МН, (5.23)

где М₁, М₂, М₃ - расчетные изгибающие моменты в нижнем сечении опорной обечайки (Е-Е) соответственно при , , , Н?м;

F₁=G₁; F₂=G₂; F₃=G₃ - осевые сжимающие силы, действующие в сечении Е-Е соответственно при , , , Н.

Результаты выбора типа опоры представлены в таблице 5.18.

Таблица 5.18 - Результаты выбора типа и размеров опоры

Тип опоры	Приведенная нагрузка, МН	D, мм	S1, мм	S2, мм	S3, мм	d2, мм	dБ, мм	Число болтов zБ
	Qmax	Qmin
3	3,5	1,29	2600	22	30	25	42	М36	24

Юбочная цилиндрическая опора с кольцевым опорным поясом представлен на рисунке 5.7.

Рисунок 5.7 -Юбочная цилиндрическая опора с кольцевым опорным поясом

Проверка прочности сварного шва.

Прочность сварного шва проверяется в сечении Г-Г прии по формуле

, (5.24)



где F, M - расчетная осевая сжимающая сила и изгибающий момент, определяемые в сечении Г-Г при и , Н, Н·м;

D₃=D_вн - внутренний диаметр опорной обечайки, мм;

а₁=S₃ - толщина сварного шва, мм (рисунок 5.8);

S₃ - исполнительная толщина стенки опорной обечайки, мм;

[у]_оп, [у]_к - допускаемые напряжения соответственно опорной обечайки и корпуса колонны, при или , МПа.

В курсовом проекте принимаем, что толщина опорной обечайки и соответственно толщина сварного шва равна толщине стенки цилиндрической обечайки корпуса. Узлы соединения опорной обечайки с корпусом колонны показаны на рисунке 5.8.

Рисунок 5.8 Узлы соединения опорной обечайки с корпусом колонны

Для рабочих условий :

;

;

14,2 МПа < 106,4 МПа.

Для условий испытаний



;

;

18,7 МПа < 160 МПа.

Условия выполняются, следовательно, прочность сварного шва обеспечивается.

Результаты проверки представлены в таблице 5.19.

Таблица 5.19 - Исходные данные и результаты проверки прочности сварного шва

Параметр	Рабочее условие(х = 1)	Условие испытания (х = 2)
Расчетное сечение	Г-Г	Г-Г
Изгибающий момент, МН м	М1 =1165308	M2=741153
Осевая сжимающая сила, Н	F1=765524	F2=2214577
Толщина сварного шва а, мм	а=Sгост =22	а =Sгост =22
Допускаемое напряжение для материала корпуса, МПа	[]tкор=133	=200
Допускаемое напряжение для материала опоры, МПа	[]tоп=147	=200
Проверка прочности	14,2 МПа < 106,4 Мпа прочность сварного шва обеспечивается	18,7 МПа < 160 Мпа прочность сварного шва обеспечивается

Проверка устойчивости опорной обечайки.

Потеря устойчивости формы опорной обечайки может произойти под действием осевой сжимающей силы и изгибающего момента.

Проверка устойчивости опорной обечайки с одним отверстием проводится для сечения Д-Д, проходящего через середину отверстия для рабочих условий () и для условий испытаний () по формуле 5.25



, (5.25)

где D₀ - диаметр опорной обечайки, мм;

F, M - расчетная осевая сжимающая сила и изгибающий момент, определяемые в сечении Д-Д при и , Н, Н·м;

[F], [M] - соответственно допускаемая осевая сжимающая сила и изгибающий момент, Н, Н·м;

Ш₁, Ш₂, Ш₃ - коэффициенты, определяемые соответственно по формулам 5.26

(5.26)

где A, W, Y - соответственно площадь, м² , наименьший момент сопротивления, м³, и координата центра тяжести, м, наиболее ослабленного поперечного сечения.

В ослабленном сечении расположено только одно отверстие, кольцевой сварной шов находится вне зоны отверстия.

В этом случае в первом приближении можно принять Ш₁, =1,Ш₂,= 1,Ш₃ = 0.

Методика определения допускаемой осевой сжимающей силы.

При воздействии осевой сжимающей силы цилиндрическая оболочка может потерять устойчивость по двум вариантам в зависимости от соотношения l_р/D , где l_р - расчетная длина оболочки:

при l_р/D<10 происходит местная потеря устойчивости;

при l_р/D?10 происходит общая потеря устойчивости.

В курсовом проекте принимаем, что расчетная длина оболочки равна высоте колонного аппарата, т.е. l_р = Н.

При местной потере устойчивости оболочек при сжатии происходит потеря устойчивости внезапно, хлопком, с образованием глубоких ромбических вмятин, обращенных к центру кривизны согласно рисунку 5.9, а. Вдоль образующей располагаются несколько поясов вмятин. Такую форму потери устойчивости называют несимметричной. Реже наблюдается осесимметричная форма с образованием в окружном направлении одной кольцевой вмятины как на рисунке 5.9, б, обычно на коротких оболочках, а на длинных - при одновременном нагружении осевой силой и внутренним давлением.

А б

а - несимметричная, б - осесимметричная. Рисунок 5.9 - Формы потери устойчивости цилиндров при осевом сжатии

Для стабилизационной колонны:

>10 - общая потеря устойчивости.

При общей потере устойчивости цилиндрическая обечайка теряет устойчивость по всей длине как стержень. Допускаемое осевое сжимающее усилие из условия общей устойчивости при l_р/D?10 в пределах упругости определяется по формуле



(5.27)

где Емодуль упругости, МПа, для соответствующего расчетного условия;

n_у - коэффициент запаса устойчивости;

Данный коэффициент имеет следующие значения:

для рабочих условий n_у = 2,4;

для условий испытаний и монтажа n_у = 1,8;

гибкость, определяется по формуле

, (5.28)

где l_пр =2Н - приведенная длина, м;

Н - высота колонны, м.

.

В курсовом проекте принимаем, что для колонного аппарата, расчетная схема которого представляет упруго-защемленный стержень (рисунок 5.10)

Рисунок 5.10 - Расчетная схема колонного аппарата

Допускаемая осевая сжимающая сила из условия устойчивости для рабочих условий ()

МН.

Допускаемая осевая сжимающая сила из условия устойчивости для условий испытаний ()

МН

В случае, если

; (5.29)

МН.

Разрушение сжимающего элемента может быть следствием

- потери устойчивости;

- потери прочности;

- потери того и другого.

В этом случае значение допускаемой осевой сжимающей силы определяется по формуле 5.30

, (5.30)

где допускаемое осевое сжимающее усилие из условия прочности, Н, которое определяется по формуле 5.31

. (5.31)

Допускаемая осевая сжимающая сила из условия прочности для рабочих условий ()

МН.

Допускаемая осевая сжимающая сила из условия прочности для условий испытаний ()

МН.

Допускаемая осевая сжимающая сила из условия устойчивости и условия прочности для рабочих условий ()

Допускаемая осевая сжимающая сила из условия устойчивости и условия прочности для условий испытаний ()

Потеря устойчивости под действием изгибающего момента.

Если обечайки нагружены изгибающим моментом, то допускаемый изгибающий момент следует рассчитывать по формуле 5.32

(5.32)

где [М]_П - допускаемый изгибающий момент из условия прочности, Н·м, который рассчитывается по формуле 5.33;

[М]_Е - допускаемый изгибающий момент из условия устойчивости, Н·м, который рассчитывается по формуле 5.34.

, (5.33)

. (5.34)



Допускаемый изгибающий момент из условия прочности для рабочих условий ()

МН•м

Допускаемый изгибающий момент из условия прочности для условий испытаний ()

МН•м

Допускаемый изгибающий момент из условия устойчивости для рабочих условий ()

МН•м

Допускаемый изгибающий момент из условия устойчивости для условий испытаний ()

МН•м

Допускаемый изгибающий момент из условия прочности и условия прочности для рабочих условий ()

МН•м

Допускаемый изгибающий момент из условия прочности и условия прочности для условий испытаний ()

МН•м

Проверка устойчивости опорной обечайки для рабочих условий () по формуле 5.25

Проверка устойчивости опорной обечайки для условий испытаний () по формуле 5.25

Результаты проверки устойчивости опорной обечайки.

Результаты проверки устойчивости представлены в таблице 5.22.

Таблица 5.22 - Исходные данные и результаты проверки устойчивости опорной обечайки

Параметр	Рабочее условие (х = 1)	Условие испытания (х = 2)
Расчетное сечение	Д-Д	Д-Д
Расчетный изгибающий момент, Н м	М1 =1281188	M2=813893
Осевая сжимающая сила, Н	F1=765524	F2=2214577
Допускаемое осевое сжимающее усилие [F], МН	[F] =16	[F] =22,8
Допускаемый изгибающий момент[M], МН?м	[M] =11,1	[M] =15,7
Проверка устойчивости	0,163<1,0 Условие устойчивости выполняется	0,149<1,0 Условие устойчивости выполняется

5.11 Расчет элементов нижнего опорного узла

Расчет нижнего опорного узла заключается:

в выборе марки бетона для фундамента;

определении ширины нижнего опорного кольца;

проверке на прочность и устойчивость всех элементов опорного узла (верхнего и нижнего опорных колец, ребер, опорной обечайки в месте соединения с верхним опорным элементом) при заданных их размерах.

Определение ширины нижнего опорного кольца опоры.

Расчет элементов опорного узла следует проводить для рабочего условия () и условия испытания () в сечении Е-Е.

Расчет заключается в проверке прочности бетона в сечении Е-Е под суммарным воздействием F и Мх.

Для этого находится расчетная ширина нижнего опорного узла b_1R по формуле 5.34

b_1R , (5.34)

где D_б - диаметр окружности анкерных болтов, мм;

[]_бет - допускаемое напряжение бетона на сжатие, МПа, выбирается из таблицы 5.23.

Затем конструктивное значение ширины нижнего опорного кольца b₁ сравнивается с расчетным значением b_1R

, (5.35)

где D ₁, D₂ - соответственно, наружный и внутренний диаметры нижнего опорного кольца, мм (рисунок 5.11).

Допускаемые напряжения бетона на сжатие приведены в таблице 5.23.

Таблица 5.23 - Допускаемые напряжения бетона на сжатие, МПа

Вид опорной поверхности	[]Б, МН/м2 (МПа)
Бетон марка 300 200 100	8

Расчетная ширина нижнего опорного узла для рабочих условий ()

b_1R мм.

Конструктивное значение ширины нижнего опорного кольца

b₁ = 2920-2450=470 ? 38,2 мм.

Расчетная ширина нижнего опорного узла для условий испытаний ()

b_1R мм.

Конструктивное значение ширины нижнего опорного кольца

b₁ = 2920-2450=470 ? 60 мм.

Результаты расчета ширины нижнего опорного кольца представлены в таблице 5.24.

Таблица 5.24 - Исходные данные и результаты расчета ширины нижнего опорного кольца

Параметр	Рабочее условие (х = 1)	Условие испытания (х = 2)
Расчетное сечение	Е-Е	Е-Е
Изгибающий момент, Н м	М1 =1319815	M2=838139,4
Осевая сжимающая сила, Н	F1=765524	F2=2214577
Марка бетона	100	100
Допускаемое напряжение для бетона, МПа	[] Б = 8	[] Б =8
Сравнение конструктивного и расчетного значений ширины нижнего опорного кольца, мм	470 ? 38,2	470 ? 60

Рисунок 5.11 - Опорная обечайка с нижним опорным кольцом (вид снизу)



Расчет анкерных болтов.

Расчет прочности анкерных болтов производится для сечения Е-Е для условий монтажа (), поскольку именно в этих условиях аппарат имеет наименьший вес и, соответственно, осевую сжимающую силу и положительные напряжения от изгибающего момента могут превысить отрицательные напряжения от осевой сжимающей силы, часть болтов будет работать на растяжение, что может привести к их разрыву.

Схема анкерного болта приведена на рисунке 5.12.

Рисунок 5.12 - Схема анкерного болта

При расчете анкерных болтов определяют, работают ли они под нагрузкой (воспринимают растягивающие напряжения) или служат только для фиксации аппарата, по соотношению 5.36 или 5.37

, (5.36)

. (5.37)

Для сечения Е-Е для условий монтажа () соотношение следующее

Так как , то положительные напряжения (у_M) от изгибающего момента М₃ в сечении Е-Е больше, чем отрицательные напряжения (у_F) от осевой сжимающей силы F₃, т. е. суммарные напряжения с наветренной стороны аппарата положительны, часть болтов работает на растяжение, может произойти их разрыв (рисунки 5.12) и их необходимо рассчитать на прочность.

Рисунок 5.13 - Болты в правой части опоры воспринимают растягивающие напряжения (), в левой части наблюдается местная потеря устойчивости

В этом случае определяется внутренний диаметр резьбы d_{Б рас} анкерных болтов по формуле

+С, (5.38)

где n=z_б - число болтов; [у]_бол - допускаемое напряжение материала анкерных болтов, МПа; D_б -диаметр болтовой окружности, мм; коэффициент, определяемый по рисунку 5.14 или по формуле

(5.39)



Рисунок 5.14 - Коэффициент

Внутренний диаметр резьбы болта должен быть не менее стандартного значения d_Б, т.е. должно выполняться условие d_Б. d_Б._рас .

мм

Результаты расчета анкерного болта на прочность представлены в таблице 5.25.

Таблица 5.25 - Исходные данные и результаты проверки прочности анкерных болтов

Параметры	Условия монтажа ()
Расчетное сечение	Е-Е
Изгибающий момент, МН м	M3=1213064
Осевая сжимающая сила	F3=579085
Материал болта	ВСт5
Допускаемое напряжение для материала болта, МПа	[]бол = 126
Количество болтов	zб = 24
Диаметр болта (конструктивное значение)	М36
Необходимо рассчитывать болты на прочность или можно выбрать конструктивно	рассчитываем
Проверка прочности болта (сравнение расчетного значения диаметра резьбы болта dБ с заданным конструктивно), вывод	dБ. dБ.рас условие выполняется



Заключение

В ходе выполнения курсового проекта была сконструирована и рассчитана стабилизационная колонна установки каталитического риформинга бензиновых фракций.

В первом разделе проекта в основной части сформулирована цель и задачи курсового проектирования применительно к заданному аппарату.

Во втором разделе были определены пожаровзрывоопасные свойства перерабатываемой среды в аппарате, а также найден класс опасности вредных веществ, которые могут воздействовать на организм человека при эксплуатации конструируемого аппарата.

Третий раздел посвящен конструированию колонного аппарата. Здесь описывается его назначение, устройство, принцип работы, а также осуществляется конструктивная проработка аппарата технологической установки. Этот раздел содержит материалы, отражающие рациональную компоновку внутренних и внешних устройств и узлов аппарата, наличие основных и вспомогательных штуцеров, лазов, люков, приспособлений для установки средств КИП, предохранительных клапанов, здесь же описывается конструкция и принцип действия внутренних устройств аппарата.

В четвертом разделе производится расчет аппарата на прочность под действием внутреннего давления. В процессе выполнения данного расчета рассматриваются вопросы выбора конструкционных материалов, определяет основные расчетные параметры и коэффициент прочности сварного шва, используя при этом сведения из нормативно-технических документов.

Пятый раздел посвящен расчету колонных аппаратов на действие ветровых нагрузок. В этом разделе проверяется прочность корпуса колонного аппарата и опорной обечайки под совместном воздействием давления, осевой сжимающей силы и изгибающего момента, возникающего от ветровых нагрузок.

Стабилизационная колонна, рассчитанная в данном курсовом проекте, отвечает всем требованиям для аппаратов подобного типа, все условия прочности выполняются.

Список использованных источников

1 Технологический регламент установки каталитического риформинга бензина газокаталитического производства ОАО «Ново-Уфимский нефтеперерабатывающий завод», 2007. - 356 с.

2 ГОСТ Р 51273-99 (2006). Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.М.: Госстандарт России, 1999. 11 с.

3 ГОСТ Р 51274-99 (2006). Сосуды и аппараты. Аппараты колонного типа.М.: Госстандарт России, 1999. 11 с.

4 ОСТ 26 - 467 - 94. Опоры цилиндрические и конические вертикальных аппаратов.М.: Госстандарт России, 2005.21 с.

5 ГОСТ 24757 - 81. Сосуды и аппараты. Аппараты колонного типа. Нормы и методы расчета на прочность.М.: Госстандарт России, 2008.18 с.

6 ОСТ 26 - 291 - 87. Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия.

7 ОСТ 26 - 467 - 78. Расчет опор для колонных аппаратов.М.: Госстандарт России, 2003.15 с.

8 Конструкционные материалы: справочник. - М.: Машиностроение, 1990. 688 с.

9 Тимонин, А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: учебник для вузов в 3 т.М.: МГУИЭ, 2002. -2300 с.

10 Лащинский, А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. Л: Машиностроение, 1981. 382 с.

11 Судаков, Е.Н. Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки.М.: Химия, 1999. - 568 с.

12 АТК 24.200.04. Опоры цилиндрические и конические вертикальных аппаратов.М.: Госстандарт России, 2005.11 с.



Приложения

Определение весов участков и общего веса колонного аппарата



Определение периода собственных колебаний



Определение ветровой нагрузки на каждом участке



Определение изгибающего момента от действия ветровой нагрузки



Размещено на Allbest.ru

...