Проект колонны синтеза карбамида

Расчёт выполнен по программе «ARENA», разработанной в соответствии с ГОСТ 14249-89 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы  расчёта на прочность». Результаты расчета представлены в приложении Д.

Исходные данные для расчета:

- внутренний  диаметр фланца D = 80 мм;

- расчетное  давление P_R = 23 МПа;

- допускаемые  напряжения [s]¹²⁰ = 183 МПа;

- внутренний  диаметр аппарата D = 1300 мм;

- толщина цилиндрической  обечайки s_ц = 120 мм;

- коэффициент  обжатия К_обж = 0,9 [   ].

Выбираем конструкцию  люка – тип 3 по ОСТ 26-2005-77, фланец исполнения 3 по ОСТ 26-427-79. Схема люка с плоской крышкой и фланцем, приварным встык представлена на рисунке 4.8.

 

 

Рисунок 4.8 – Схема люка с плоской  крышкой

 

4.6 Расчет весовых  характеристик аппарата [   ]

Цель расчета: определение весовых характеристик  аппарата и подбор стандартной опоры.

Исходные данные:

- внутренний  диаметр аппарата D_в = 1,3 м;

- исполнительная  толщина стенки днища и обечайки s_д = s_ц = 0,12 м;

- плотность  металла аппарата ρ_ме = 7850 кг/м³;

- плотность  изоляции ρ_из = 350 кг/м³;

- плотность  жидкости в аппарате ρ_ж = 800 кг/м³;

Вес аппарата при рабочих условиях определим  по формуле

 

G_A = G_K + G_ИЗ + G_Н.У + G_В.У + G_Ж,        (4.1)

 

где G_K - вес корпуса, Н;

      G_ИЗ - вес изоляции, Н;

      G_Н.У - вес наружных устройств, Н;

      G_В.У - вес внутренних устройств, Н;

      G_Ж - вес жидкости, Н.

 

G_К = G_Ц + G_Д,              (4.2)

 

где G_Ц - вес цилиндрической части корпуса, Н;

      G_Д - вес днища, Н.

 

G_Ц = p×(D_в + s)×s×H_ц×r_м×g,    ( 4.3)

 

где H_ц - высота цилиндрической части корпуса, Н_ц = 20 м;

      r_м - плотность металла, r_м = 7850 кг/м³.

 

G_Д = F_д × s_д × r_м × g,                                 (4.4)

 

где F_д - площадь днища, F_д = 13,38 м²;

      s_д - толщина днища, s_д = 0,12 м.

Подставляя числовые значения, получим

G_Ц = 3,14×(1,3 + 0,12)×0,12×20×7850×9,81 = 824077 Н,

G_Д = 13,38×0,12×7850×9,81 = 123644,8 Н.

Подставив числовые значения в формулу (4.2), получим

G_K = 824077 + 2×123644,8 = 1071366,6 Н.

Вес изоляции цилиндрической части корпуса определим по формуле

 

G_ИЗ.Ц = p×(D_в + 2×s + s_из)× s_из × H_ц × r_из × g,                         (4.5)

 

где s_из – толщина изоляции, s_из = 0,08 м;

      r_из – плотность изоляции, ρ_из = 350 кг/м³.

Подставляя  числовые значения, получим

G_ИЗ.Ц = 3,14×(1,3+2×0,12+0,08)×0,08×20×350×9,81 = 29944,8 Н.

Вес изоляции днища определим по формуле

 

G_ИЗ.Д = F_д × s_из × r_из × g.     (4.6)

 

Подставляя  числовые значения, получим

G_ИЗ.Д = 13,38×0,08×350×9,81 = 3675,2 Н.

Общий вес изоляции определим по формуле

 

G_ИЗ = G_ИЗ.Ц + 2×G_ИЗ.Д.                           (4.7)

 

Подставляя  числовые значения, получим

G_ИЗ = 27944,8 + 2×3675,2 = 35295,2 Н.

Вес наружных устройств определим по формуле

 

G_НУ = 0,1 · G_К.                (4.8)

 

Подставляя  числовые значения, получим

G_НУ = 0,1·1071366,6 = 107136,66 Н.

Вес внутренних устройств определим  по формуле

 

G_В.У = (π/4) × · 3 · h_н · ρ_н · g.                             (4.9)

Подставляя  числовые значения, получим

G_В.У = (3,14/4) ×1,3²·3·3·700·9,81 = 81990,9 Н.

Вес жидкости в рабочих условиях определим  по формуле

 

 = (p×( )²/4) × H_ж × r_ж × g + V_д × r_ж × g,     (4.10)

 

где H_ж - высота слоя жидкости, H_ж = h + h₁ = 1,3 + 0,15 = 1,45 м;

      r_ж - плотность жидкости, r_ж = 800 кг/м³;

      V_д - объем днища, V_д = 5,8477 м³.

Подставляя  числовые значения, получим

 = (3,14×1,3²/4)×1,45×800×9,81+5,8477×800×9,81 = 60989 Н.

Вес жидкости в условиях гидроиспытания определим  по формуле

 

 = [(p×( )²/4)×H_ц + 2·V_д]×r_ж×g.   (4.11)

 

Подставляя  числовые значения, получим

 = [(3,14×(1,3)²/4)×20 + 2·5,8477]×1000×9,81 = 375020,6 Н.

Подставляя  числовые значения в формулу (6.1), получим

 = 1071366,6 + 27944,8 + 107136,66 + 81990,9 + 60989 = 1356778,36 Н.

 = 1071366,6 + 35295,2 + 107136,66 + 81990,9 + 375020,6 = 1970809,9 Н.

Вес аппарата при  монтаже определим по формуле

 

                                            G_А.М. =  G_А – G_Ж.                                     (4.12)

 

Подставляя  числовые значения, получим

 = 1356778,366 – 60989 = 12957894 Н,

= 1970809,9 – 375020,6 = 12957894 Н.

 

4.7 Расчет опоры  аппарата

Расчёт выполнен по программе «ARENA», разработанной в соответствии с ГОСТ 14249-89 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на прочность». Результаты расчета представлены в приложении Е.

Опора выбирается с учетом максимального веса аппарата при гидроиспытании G_А = 1970809,9 Н по ОСТ 26-467-78, третьего типа с кольцевым опорным поясом.

Схема выбранной опоры представлена на рисунке 4.9. Основные параметры опоры:

- приведенная  нагрузка Q_min = 0,50 МН;

- приведенная  нагрузка Q_max = 0,63 МН;

- высота опоры H₁ = 2000 мм;

- наружный диаметр  опорного кольца D₁ = 1580  мм;

- диаметр кольца D₂ = 1200 мм;

- диаметр болтовой  окружности D_б = 1460 мм;

- толщина стенки  опоры s₁ = 8 мм;

- толщина нижнего  кольца s₂ = 20 мм;

- толщина наружного  кольца s₃ = 22 мм;

- число болтов z_б = 8 шт;

- диаметр отверстия  под болт d₂ = 35 мм;

- диаметр болтов d_б = М30.

 

 

Рисунок 4.9 – Конструкция стандартной цилиндрической опоры для

       стальных сварных колонных аппаратов

Вес опоры определим  по формуле

 

,    (4.13)

 

где G_кол1 – вес нижнего кольца опоры, кН

 

,    (4.14)

 

      G_кол2 – вес верхнего кольца опоры, кН

 

, (4.15)

 

      G_ц – вес цилиндрической части опоры, кН

 

.   (4.16)

 

Подставляя  числовые значения, получим

 

4.8 Расчет ветровой  нагрузки на аппарат [    ]

Цель расчета: определение  изгибающих моментов в расчетных  сечениях аппарата.

Исходные данные:

- ветровой район –  5;

- внутренний диаметр аппарата  D_в = 1300 мм;

- диаметр опоры D_оп = 1580 мм;

- толщина стенки  корпуса s₁ = 120 мм;

- толщина стенки  опоры s₂ = 8 мм;

- высота фундамента h_ф = 400 мм;

- высота колонны  с опорой H = h_ф + h_ап = 400 + 24000 = 24400 мм;

- коэффициент  неравномерности сжатия грунта C_F = 2·10⁸ Н/м³;

- скоростной напор ветра q = 600 Н/м²;

- модуль продольной  упругости Е = 2,08·10⁵ МПа.

Определение периода  собственных колебаний колонного  аппарата

Колонну разбиваем  по высоте на пять участков. Расчетная  схема показана на рисунке 4.10. Вес участка аппарата принимают сосредоточенным в его середине. Нагрузку от веса аппарата прикладывают вертикально, а ветровую горизонтально.

Высоту опоры  с фундаментом определим по формуле

 

h₄ = H_оп + H_ф,     (4.17)

 

где H_оп – высота опоры, м;

      H_ф – высота фундамента, м.

h₄ = 2000 + 400 = 2400 мм.

Высоту участков определим по формуле

 

.   (4.18)

 

Подставляя  числовые значения, получим

Вес аппарата с  опорой в рабочих условиях определим  по формуле

 

G = G_А + G_ОП.     (4.19)

 

Подставляя  числовые значения, получим

G = 1356778,36 + 10997,74 = 12968891 Н.

Вес участков аппарата определим по формулам

 

G₀ = G₁ = G₂ = .   (4.20)

 

Подставляя числовые значения, получим

G₀ = G₁ = G₂ =

 

G₃  = ,    (4.21)

 

где G_Ж.Д – вес жидкости днища, Н, определим по формуле

 

G_Ж.Д = V_д · ρ_ж · q.    (4.22)

 

Подставляя  числовые значения, получим

G_Ж.Д = 5,8477 · 800 · 9,81 = 45892,7 Н.

G₃  = 320764,5 + 60989 – 45892,7 = 335860,8 Н.

 

G₄ = G – 3G₀ – G₃.    (4.23)

 

Подставляя  числовые значения, получим

G₄ = 12968891 – 3∙320764,5 – 335860,8 = 11670736,7 Н.

 

 

Рисунок 4.10  – Расчетная схема колонны

 

Период основного тона собственных  колебаний аппарата  переменного  сечения определим по формуле

 

T = 2 × π ∙ H ,   (4.24)

где a_i - относительное перемещение центров тяжести участков, определяемое по формуле

 

,    (4.25)

 

где b_i -  коэффициент, определяемый по формуле

 

,    (4.26)

 

где g - коэффициент, определяемый по формуле

 

.   (4.27)

 

Так как аппарат  имеет всего два участка с  разными толщинами, то в уравнениях будут учитываться только две  переменные J₀ и J₁, поэтому принимаем

Коэффициенты D, l, m - определим по формулам

 

,    (4.28)

 

,       (4.29)

 

.               (4.30)

 

Момент инерции сечения  аппарата определим по формуле

 

,                             (4.31)

 

Подставляя  числовые значения, получим

Момент сечения  подошвы фундамента определим по формуле

 

,                                     (4.32)

 

где D_кн – наружный диаметр фундаментного кольца, м, определяемый по формуле

 

.    (4.33)

 

Подставляя  числовые значения, получим

Подставляя  числовые значения в формулу (4.28), получим

Подставляя  числовые значения в формулу(4.29), получим

Подставляя  числовые значения в формулу (4.30), получим

Подставляя  числовые значения в формулу (4.27), получим

Подставляя  числовые значения в формулу (4.26), получим

Подставляя  числовые значения в формулу (4.25), получим

Подставляя  числовые значения в формулу (4.24), получим

Определение изгибающего  момента от ветровой нагрузки.

При расчете ветровая нагрузка, распределенная непрерывно по высоте аппарата, заменяется сосредоточенными горизонтальными силами P_i, приложенными в серединах участков.

Изгибающий момент в расчетном  сечении на высоте определим по формуле

 

,   (4.34)