Конструирование и прочностной расчёт вертикального кожухотрубчатого одноходового теплообменника

Московский Государственный Университет

Инженерной Экологии

Кафедра «АКМиА»

Курсовой проект на тему:

«Конструирование и прочностной расчёт вертикального

кожухотрубчатого одноходового теплообменника»

Студент: Никифорова А.Н.

                 Группа: М-43

Преподаватель: Трифонов С.А.

Проект защищен _____________________ 2009 г. на оценку ______________

Зачетная книжка № М-

Содержание

Введение.................................................................................................................

Расчет толщины стенки обечайки  ………………….........................................  

Расчет толщины стенки днища……… ...............................................................

Расчет диаметра штуцеров………………………...............................................

Расчет укрепления отверстий…….......................................................................

Расчет фланцевого соединения……………........................................................

Расчет линзового компенсатора..........................................................................

Расчет толщины трубной решётки…………………………………..................

Расчет крепления труб в трубной решетке.........................................................

Подбор опоры аппарата........................................................................................

Список литературы................................................................................................

Задание.

Рассчитать и спроектировать ректификационную колону непрерывного действия по следующим исходным данным:

n_н – число тарелок в нижней части колонны (исчерпывающей) – 20;

n_в  - число тарелок в верхней части (укрепляющей) – 24;

G_f – количество исходной смеси – 2600 кг/ч;

G_p – количество получаемого дистиллята – 1800 кг/ч;

G_w – количество кубовой жидкости – 800 кг/ч;

G_пар – количество пара в колонне – 4100 кг/ч;

G_R – количество флегмы – 3300 кг/ч;

W – средняя скорость пара в колонне – 1,1 м/с;

g_n – средний удельный вес пара в колонне – 0,9 кг/м³;

g_ж – средний удельный вес жидкости в колонне – 1100 кг/м³;

давление в колонне атмосферное;

[σ]_б – допускаемое напряжение для фундамента – 20 МПа;

тип контактного устройства – тарелки колпачковые;

географический район установки колонны: Московская область.

Введение.

Ректификацией называется процесс разделения жидких однородных смесей на чистые или обогащенные составляющие путем противоточного взаимодействия жидкой и паровой фаз.

При взаимодействии пара и жидкости одна группа веществ, составляющая смесь, переходит преимущественно в пар (легколетучие компоненты), а другая – в жидкость (высококипящие компоненты). Таким образом, в процессе ректификации происходит перенос веществ из фазу в фазу, что позволяет относить ректификацию к массообменному процессу.

Возможность разделения жидкой смеси на составляющие ее компоненты ректификацией обусловлена тем, что состав пара, образующегося над жидкой смесью, отличается от состава жидкой смеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости.

При ректификации исходная смесь делится на две части: часть, обогащенная легколетучим компонентом, называемая дистиллятом, и часть, обедненную легколетучим компонентом, называемой кубовым остатком.

Обычно ректификационная колонна состоит из двух частей: верхней и нижней, каждая из которых представляет собой организованную поверхность контакта фаз между паром и жидкостью. В нижней части исходная смесь взаимодействует с паром, начальный состав которого равен составу кубового остатка. Вследствие этого из смеси извлекается легколетучий компонент.

В верхней ступени пар начального состава, соответствующий составу исходной смеси, взаимодействует с жидкостью, начальный состав которой равен составу дистиллята.

Пар для питания ректификационной колонны получается многократным испарением жидкости, имеющей тот же состав, что и кубовый остаток, а жидкость – многократной конденсацией пара, имеющего состав, одинаковый с составом дистиллята.

Полученный в конденсаторе дистиллят делится на 2 части. Одна часть направляется обратно в колонну – флегма, другая является отбираемым продуктом – дистиллят. Отношение количества возращенного в колонну дистиллята к количеству дистиллята, отобранного в виде продукта, называется флегмовым числом.

Ректификационная колонна представляет собой сварной цилиндрический аппарат, внутри которого смонтированы контактные устройства. В зависимости от типа контактных устройств ректификационные колонны делятся на насадочные, пленочные и тарельчатые.

Тарельчатые колонны наиболее распространены. Они имеют высокую разделительную способность, устойчиво работают при значительных значениях нагрузок по жидкости  и пару, допускают создание аппаратов больших диаметров.

Конструктивный расчет ректификационной колонны.

1. определение диаметра колонны

[σ]=135140 МПа;

W_п=0,91 м/с;

D≈1,3 м, принимаем D=1400 мм.

2. расчет толщины стенки обечайки

примем коэффициент прочности сварного шва φ=1;

Р_пр=20 атм=0,2 МПа.

Расчетная толщина стенки колонны: S_R=1 мм.

Исполнительная толщина стенки колонны:

S=S_R+C₀+C₁+C₂+C₃+…, где

С₀ – прибавка на коррозию, С₀=2 мм;

С₁+С₂+С₃+... – технологические прибавки.

S=10 мм.

3. расчет высоты колонны

h₁ – кубовая часть; h₂ – расстояние между нижними и верхними тарелками; h₃ – шлемовая часть; h_В – высота верхних тарелок; h_Н – высота нижних тарелок; h_Т – расстояние между тарелками ; H_max – общая высота колонны.

;

;

;

;

.

Расстояние h_Т между тарелками выберем равным 350 мм.

Общая высота колонны:

H_max=h₁+h₂+h₃+h_Н+h_В+2∙H_дн +H_опор;

H_max=28400 мм.

Выбираем эллиптическую форму днища и крышки колонны, как наиболее рациональные для цилиндрических аппаратов с точки зрения распределения давления: Днище 1400-10 ГОСТ 6533-78.

4. расчет веса колонны

Q_min – минимальный вес обечайки.

Q_min=Q_об +2∙Q_дн+Q_тар;

Q_об=πDH_maxγ_ст – вес цилиндрической обечайки;

Q_дн – вес эллиптического днища;

Q_тар=(n_Н+n_В)∙πD∙S_тар – вес тарелок;

γ_ст=7,85 т/м³ – удельный вес стали.

Q_min=20,8 т.

Берем прибавку 40% для фланцев, патрубков и т.д., тогда Q_min=29,12 т.

Максимальный вес колонны с жидкостью Q_max= Q_min+Q_ж,

где  – вес жидкости в колонне.

Q_ж=48,99 т;

Q_max=78,11 т.

Расчет аппарата на ветровую нагрузку.

Т.к. , то период собственных колебаний рассчитывается по следующей формуле: ,

Е – модуль упругости стали, Е=2∙10¹¹ Н/м²;

J – момент инерции поперечного сечения корпуса аппарата относительно центральной оси, ;

С₀ – прибавка на коррозию, С₀=2 мм;

g – ускорение свободного падения, g=9,81 м/с².

В расчетах необходимо учесть динамическое воздействие на аппарат   возможных порывов ветра, колебания аппарата и явления резонанса, возникающего в том случае, когда при определенных скоростях ветра частота его колебаний совпадает с собственной частотой колебаний аппарата.

Коэффициент увеличения скоростного напора:

, где

ξ – коэффициент динамичности, выбираемый по графику в зависимости от Т, [3, стр.687];

m – коэффициент пульсации скорости напора, определяемый по графику [3, стр.687].

Т=0,5, ξ=1,4.

Ветровая нагрузка определяется:

где Р_i – сила, действующая на i-тый участок аппарата от ветрового напора,

, c₁ - определяется по графику.

x_i – координата текущего сечения;

x₀ – координата исследуемого сечения, x₀=2 м.

Принимаем нормативный скоростной q₀ напор равным 0,027∙10⁴ Н/м².

Разобьем колонну на 5 участков, соответственно получим:

Х₁=5,68 м;     m₁=0,35;   c₁=0,6;     β₁=1,49;   P₁=1111,1 Н;

Х₂=11,36 м;   m₂=0,35;   c₂=1,2;     β₂=1,49;   P₂=2222,2 Н;

Х₃=17,04 м;   m₃=0,35;   c₃=1,3;     β₃=1,49;   P₃=2407,4 Н;

Х₄=22,72 м;   m₄=0,33;   c₄=1,35;   β₄=1,46;   P₄=2449,7 Н;

Х₅=28,4 м;     m₅=0,32;   c₅=1,5;     β₅=1,4;     P₅=2610 Н.

Изгибающий момент от ветровой нагрузки:

М=137,6 кН.

Расчет аппарата на ветровую нагрузку (при Q_min).

, Т=0,29, ξ=0,5.

β₁=1,175;   P₁=940,2 Н;

β₂=1,175;   P₂=1880,4 Н;

β₃=1,175;   P₃=2037 Н;

β₄=1,165;   P₄=2097,4 Н;

β₅=1,16;     P₅=2320,4 Н.

Изгибающий момент от ветровой нагрузки при минимальном весе колонны:

М=162,6 кН.

Расчет опасного сечения аппарата.

                                    сечение I: , где W – осевой момент сопротивления.

;

.

F=0,035 м².

W=0,0123 м³.

σ_н=11 МПа, σ_п=-11,35 МПа.

сечение II: , где

F′=(πD-d)S=πDS′;

S′=7,1 мм.

W′=0,0109 м³.

d=0,5 м.

σ_н=12,4 МПа, σ_п=-12,83 МПа.

сечение III: .

σ_н=11 МПа, σ_п=-11,34 МПа.

σ_экв=24,17 МПа.

Расчет опасного сечения аппарата при Q_min.

сечение I: ,

σ_н=8 МПа, σ_п=-18,25 МПа.

сечение II: ,

σ_н=9,1 МПа, σ_п=-20,7 МПа.

сечение III: ,

σ_н=8,1 МПа, σ_п=-18,35 МПа.

σ_экв=39,05 МПа.

Расчет аппарата на устойчивость.

Расчет проводится по следующим формулам:

1. наружное нагружение:

,

n_у=2,4;

,

,

, где [p]_E – допускаемое наружное давление из условий устойчивости;

[p]_P – допускаемое наружное давление из условий прочности;

[p] – допускаемое наружное давление.

В₁=0,145, [p]_E=0,12 МПа, [p]_P=1,59 МПа.

[p]=0,12 МПа.

2. осевая сила:

,

,

,

,

λ – гибкость, ,

, где [Q]_E – допускаемая осевая сила из условий устойчивости;

[Q]_P – допускаемая осевая сила из условий прочности;

[Q] – допускаемая осевая сила.

[Q]_E=12,4∙10⁶ Н, [Q]_P=4,95∙10⁶ Н.

[Q]= 4,6∙10⁶ Н.

3.изгибающий момент:                                 

,

,

, где [М]_E – допускаемый изгибающий момент из условий устойчивости