Расчет ректификационной колонны на ветровую нагрузку

6. Расчет ректификационной колонны на ветровую нагрузку.

Цель работы:

- освоить методику расчета вертикальных аппаратов на ветровую нагрузку.

- научиться определять расчетные усилия от ветровой нагрузки в любом сечении.

- научиться пользоваться графиками к расчету вертикальных аппаратов на ветровую нагрузку.

6.1 Ход работы

6.1.1 Данные для расчета

Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия с сетчатыми тарелками, с отбойными элементами для разделения жидкой смеси бензола с толуолом. Высота колонны Н= ; внутренний диаметр колонны D= ; материал стенки корпуса колонны – двухслойная сталь: основной слой – сталь…, плакирующий – сталь , расчет ведем по основному слою.

6.1.2 Выбор материала.

Выбираем в качестве конструкционного материала двухслойную сталь; основной слой - сталь , плакирующий – сталь . Расчет ведем по основному слою.

6.1.3 Допускаемое напряжение.

[σ] = = МПа.

где σ_т= МПа – придел текучести.

[S] = – допускаемый коэффициент запаса прочности.

6.1.4 Коэффициент прочности сварного шва.

φ=1; 0,95; 0,9; 0,8

Принять φ=

6.1.5 Толщина стенки корпуса колонки.

S= + C + C₁ = м.

С учетом возможного заполнения колонны водой для проверки на герметичность принимаем С=0 ( по характеру среды) с учетом условий работы колонны на ветровую нагрузку принимаем ( Таб. 2, стр. 23) толщину основного слоя 6 мм, плакирующего – 2 мм.

Вес колонны при заполнении её водой.

6.1.6 Площадь поверхности обечайки.

А_об = πD · (H-h₀) = м².

где h₀= м – высота опоры.

6.1.7 Вес обечайки.

G₁=A · G₁´ = H.

где G₁´ = Н – вес 1 м² двухслойной стали толщиной 8мм.

6.1.8 Вес днища и крышки.

G₂ = G₂´ · 2 = H.

где G₂´ = Н – вес крышки.

6.1.9 Количество тарелок.

n = + 1 = тарелок.

где Н = м – высота колонны.

= м – высота опоры.

= м – высота кубовой части.

= м – высота части колонны над верхней тарелкой.

6.1.10 Вес тарелок.

G₃ = n · G₃´= H.

где G₃´= Н – вес тарелки.

6.1.11 Вес люков – лазов и штуцеров.

G₄ = G₄´ · n = H

где G₄´ = Н – вес одного люка.

n = - количество люков.

6.1.12 Вес колонны.

N₁ = G₁ + G₂ + G₃ + G₄ = H.

6.1.13 Объем колонны.

V_k = (H-h₀) = м³

6.1.14 Вес воды в колонне на испытание на герметичность.

N₀ = V_k · G₀ = H

где G₀ = кН – вес одного кубического метра воды.

6.1.15 Вес колонны с водой.

N = N₁ + N₀ = H.

6.1.16 Выбор опоры.

По N. из ГОСТ 26-467-72 выбираем стандартную конструкцию – опора 1-1400-0,5-0,39-1,5 – с размерами D= ; D₁= мм; D₂= мм; D₃= мм; d= мм; d₂= мм; d₃= мм; h= мм; S₁= мм; S₂= мм;

d_б= ; z= шт; S₃= мм.

6.1.17 Расчетная схема опоры.

Рисунок 6.1 – Расчетная схема опоры.

6.1.18 Описание конструкции опоры.

6.1.19 Расчетная схема колонны.

При 15 расчетную схему аппарата принимаем в виде консольного стержня с жесткой заделкой, а при 15 – в виде консольного упруго защемленного стержня.

Так как = , то принимаем расчетную схему в виде консольного упруго защемленного стержня.

Рисунок 6.2 – Расчетная схема вертикального аппарата.

Колонный аппарат по высоте разбиваем на n=2 участок высотой по h_i=10 м.

6.1.20 Момент инерции сечения аппарата.

τ = = м⁴.

6.1.21 Период колебания колонны.

Т = 1,97 Н = c.

где g = м/с² – ускорение свободного падения

Е = МПа – модуль упругости материала колонны.

6.1.22 Коэффициент динамичности.

έ = при Т = с. Т = с

6.1.23 Коэффициент пульсаций скоростного напора.

Определяется по графику в зависимости от расстояния x_i до уровня земли.

m = X_i = м ( учеб. стр. 254)

6.1.24 Коэффициент увеличения скоростного напора.

β = 1+ έ · m =

6.1.25 Ветровая нагрузка распределенная непрерывно по высоте каждого участка.

q₁ = q · θ₁ = МПа

где q = Н/м² – скоростной напор.

θ₁ = – поправочный коэффициент на возрастание скоростных напоров для высоты более 10 м. ( принимается по графику стр. 254).

q₂ = МПа.

6.1.26 Сосредоточенные горизонтальные силы от распределенной ветровой нагрузки.

на участке 1.

Р₁ = 0,6βg₁D_нh_i = МН.

где D_н = D + 2δ = м – наружный диаметр колонны.

на 2-ом участке.

Р₂ = 0,6βg₂D_нh_i = МН.

6.1.27 Ветровой момент, действующий в сечении.

на высоте x₀ = 1,5 м.

М_в = Р₂(5 - 1,5) + Р₁(15 – 1,5) = МН · м

на высоте x₀=0

М_в^´ = Р₂(5-0) + Р₁(15-0) = МН.

6.1.28 Площадь опорного кольца.

А_оп = - = м²

где D₃ = мм – наружный диаметр опорного кольца.

D₁ = мм – внутренний диаметр опорного кольца.

6.1.29 Момент сопротивления опорного кольца.

W = 0,1D₃³ – 0,1D₁³ = м³

6.1.30 Максимальное напряжение сжатия на опорной поверхности кольца.

σ_max = + = МПа

6.1.31 Расстояние от выступающей части кольца до наружного диаметра опорной обечайки.

b = = мм

6.1.32 Толщина опорного кольца.

S₂ = 1,73b√ = м.

Для выбранной опоры S₂ = мм = м; следовательно, условие прочности соблюдается.

6.1.33 Коэффициент уменьшения допускаемых напряжений.

при 0,18 при С=0

тогда φ_с = 2 =

6.1.34 Осевая допускаемая сжимающая сила.

N_доп = πD_н·5φ_с[σ] = МН.

6.1.35 Коэффициент.

φ_и = 2 =

6.1.36 Допускаемый изгибающий момент.

М_доп = 0,785φ_и[σ]D² · S = МН.

6.1.37 Проверка на устойчивость корпуса колонны и опорной обечайки.

Значение р₀ = 0 и р_доп = 0

Следовательно

+ 1

, следовательно, условие устойчивости соблюдается.

6.2 Протокол выполнения работы.

Геометрические параметры колонны

Параметр

Обозн.

Знач.

Примечание

Высота кубовой части

hω

м

тарелка 1-1400-600 12Х18Н10Т ГОСТ 16453-70

Высота части колонны, над верхней тарелкой

hф

м

Опора 1-1400-0,5-0,39-1,5 ГОСТ 26-467-72

Высота опоры

h0

м

Толщина стенки корпуса колонны

S

мм

Проверка на устойчивость

Усилие

расч.

допуск.

расч. допуск.

Отношение

N

Nдоп

Мв

Мдоп

МН

МН

Сжимающая сила

следовательно, условие устойчивости соблюдено

6.3 Вывод:

6.4 Контрольные вопросы.

- Как определяются усилия от ветровой нагрузки?

- Как определять сжимающую силу действующую на колонну?

- Как определить толщину опорного кольца?

- Как определить максимальное напряжение сжатия на опорной поверхности кольца?

- Условие устойчивости колонны.

- Как определяется толщина стенки корпуса колонны?

- Как выбираются опоры для вертикальных аппаратов?

- Как выбираются конструкции тарелок?