охт (6sem) / для курсача / MeOH / + / 11-010

2.2.4 Расчет геометрических размеров колонны
Для выбранного катализатора при давлении 5 МПа и температуре 300..350 °С
объемная скорость реакции составляет 280…300 кг/(м3 × ч) [1]. Принимаем
			ω := 290 кг
						3
						м ч
Тогда требуемый объем катализатора
		Vкат := Gвх		= 16000 / 290 = 55,2 м3
		ω
В соответствии с промышленным аналогом принимаем аппарат диаметром
			D = 3200 мм
Скорость движения газа в слое аппарата
		4 Vвых			4 × 0.3897
		ω = π D2	=		3.14 × 3.22 = 0.048 м/с
Тогда расчетная высота катализаторного слоя
		4 Vкат				4 × 55.2
		H :=			= 3.14 × 3.22 = 6.8 м.
		π D2
Принимаем два слоя по 3,5 м. Общая высота катализатора составит 7,0 м.
Высота колонны будет выше примерно в два раза за счет различных внутренних
устройств.
Рассчитаем диаметры штуцеров ввода и вывода газа. Расчетный диаметр
штуцера входа газа
			Dвх =			4Vвх
						π ω,
где Vвх – объемный расход газов при рабочих условиях, м3/с;
ω – линейная скорость, принимаем 10 м/с [4];
		Dвх =	4 × 0,3969
				3,14 × 10 = 0,475 м
Принимаем стандартное значение
			Dвх = 0,500 м
Расчетный диаметр штуцера выхода газа
		Dвых =				4Vвых
						π ω ,
где Vвых – объемный расход газов при рабочих условиях, м3/с;
ω – линейная скорость, принимаем 8 м/с [4];
						Лист
Изм. Лист	N докум.	Подп. Дата				22

		Vхр = 24 × Vм = 24 × 1,37 = 32,9 м3
Принимаем максимальное заполнение емкости ψ = 80%, тогда объем емкости
		Vемк = Vхр / ψ = 32,9 / 0.8 = 41,1 м3
Принимаем отношение диаметра емкости к ее длине α = 5. Соответственно
диаметр емкости
		3	4 Vемк	3 4 × 41,1
		Dемк =	π α =	3.14 × 5 = 2.18 м
Принимаем стандартный диаметр
			Dемк = 2,2 м
Тогда длина емкости
		Lемк = αDемк = 5 × 2,2 = 12,0 м
Расчет аппарата воздушного охлаждения (см. поз. 16 на технологической
схеме). Аппарат предназначен для охлаждения газа от 150 °С до 50 °С. Объемный
расход газа в соответствии с технологическим расчетом колонны синтеза состав-
ляет
			Gг = 97,0 кг/с
Схема к расчету АВО показана на рисунке 2.5.
tí		tâê		tâê
Горячий газ
Gã , Vã	Gã			Gã
	2			2
		Áëîê 1		Áëîê 2
		Q/2		Q/2
				Охлажденный газ
				tê
		tâí		t
				âí
		Рисунок 2.5 – Схема к расчету АВО
				Лист
Изм. Лист	N докум.	Подп. Дата		24

По справочным данным определяем теплоемкости воздуха при начальной и конечной температурах соответственно [4, прил. XIII]:

cвн := 1.005 кДжкг К

кДж cвк := 1.009 кг К

Тогда расход воздуха на охлаждение

Gв :=	Q	=	2080		= 102 кг/с
			1.009 × 40 – 1.005 × 20.6
	cвк tвк − cвн tвн

Принимаем к установке два одинаковых теплообменника, в каждом из которых расход воздуха

Gв12 = Gв / 2 = 102 / 2 = 51 кг/с

Определим объемный расход воздуха

	V :=			Gв	,
				ρв
		в
	где ρв – плотность воздуха при начальных условиях.
	Плотность определим по формуле
	ρв := ρв0			T0				,
			tвн + 273К
	где ρв0 – плотность воздуха при нормальных условиях, ρв0 = 1.293 кг/м3
	[5, табл. IV]. Соответственно
	273						= 1.202 кг/м3
	ρв = 1.293 ×
		20.6 + 273

Тогда объемный расход воздуха

Vв = 1.20251 = 42 м3/с

Определим коэффициент теплопередачи для пучка гладких труб. Для теплообменника принимаем гладкие трубы из нержавеющей стали с внутренним диа-

метром d1 = 21 мм и толщиной стенки δтр = 2 мм. Длину трубок примем 8 м. Наружный диаметр

				d2 := d1 + 2δтр = 21 + 2 × 2 = 25 мм.
						Лист
						26
Изм.	Лист	N докум.	Подп.	Дата

110.5 – 28.9

∆Tср = 110.5 = 60.9 °C 2.3 × lg 28.9

Определение поверхности теплообмена. Поверхность теплообмена каждого (приято два теплообменника, общая тепловая нагрузка которых 20.08 МВт, а одного соответственно 10.04 МВт) теплообменника определяется по формуле

F :=	Q		=	10.04	= 8754 м2
				30 × 60.9
	K ∆Tср

Действительная поверхность теплообмена

Fд = N F1 = 14784 × 0.628 = 9284 м2

Запас поверхности теплообмена

ϕ = Fд – F = 9284 – 8754 × 100% = 6.05 % F 8754

Лист

				28
	Изм. Лист N докум.	Подп.	Дата

Аппарат состоит из цилиндрической обечайки 2 и двух эллиптических днищ 1. Внутри аппарата на двух опорных тарелках 8 расположен слой катализатора, который закрывается сверху решетками 6.

Верхнее днище является съемным и крепится к обечайке при помощи фланцевого соединения 11. Нижнее днище приваривается к обечайке.

Аппарат установлен на цилиндрической опоре 9, в которой предусмотрены отверстия для штуцеров выгрузки насадки, вывода метанола и доступа внутрь опоры для обслуживания колонны. Вверху опоры есть небольшое отверстие для выхода газов, скапливающихся под колонной.

Для обслуживания внутренних устройств колонны над опорными тарелками размещены два люк-лаза.

3.2 Выбор материала для изготовления аппарата

Аппарат состоит из двух трех крупных блоков – обечайки, трубчатки и корзины с катализатором. Давление в аппарате равно 5,0 МПа

Для обечайки, подверженной действию температуры 350 °С, выбираем высоколегированную сталь 12Х18Н10Т, предназначенную для работы при температуре до 600 °С.

Определим допускаемые напряжения для стали 12Х18Н10Т. Для выбранного материала при 350 °С [5]

σB = 450 МПа, σB20 = 660 МПа,

σT = 180 МПа, σT20 = 250 МПа

Определим номинальное допускаемое напряжение. Согласно [6, табл. 14.5] расчет для легированной стали при рабочей температуре менее 525 °С необходимо вести по формулам

	σ	B ;	σ		,
σ* = min				T
nB			nT

где nB – запас прочности по пределу прочности, для стального проката из ле-

гированной стали nB = 2,6 [6, табл. 14.6];

nT – запас прочности по пределу текучести, для стального проката из легированной стали при давлении в аппарате более 0,5 МПа nT = 1,5 [6, табл. 14.6].

Лист

				30
	Изм. Лист N докум.	Подп.	Дата

Рисунок 3.2 – Схема к расчету толщины стенки цилиндрической обечайки Исполнительную толщину стенки s цилиндрической обечайки определяют по

формуле

		s = sp + c ,
где sр – расчетная толщина стенки
		ppD		pиD
sp = max			;		,
		2ϕ[σ] – pp		2ϕ[σ]и – pи

где pp и pи – расчетное давление в аппарате и давление при гидроиспытаниях соответственно, МПа;

D – внутренний диаметр обечайки;

ϕ – коэффициент прочности сварных швов стальных аппаратов, для автома-

тической сварки под слоем флюса ϕ = 1,0 [7, т. 1.7];

sp – расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки, мм; c – прибавка к расчетной толщине, мм.

Расчетное давление в аппарате

pp = pт + рг,

где рт – технологическое давление в аппарате, определяемое в технологиче-

ском расчете, рт = 5,0 МПа;

рг – гидростатическое давление столба жидкости в аппарате, рг = 0 МПа рр = 5,0 + 0,0 = 5,0 МПа.

Давление при испытаниях

1,25 × 5,0 ×167/120

8,69

1,25pт[σ]20/[σ]

= 8,69 МПа

pт + 0,3

5,0 + 0,300

ри = max

= max

= max 5,30

Соответствующая расчетная толщина стенки

5,00 × 3200

2 × 1,0 × 120 – 5,00

68,1

sp = max

8,69 × 3200

= max

65,5 = 68,1 мм

2 × 1,0 × 167 – 8,69

Прибавка к расчетной толщине обечайки определяется по формуле

с = Пτ + сэ,

где П – скорость коррозии, П = 0,05 мм/год [6];

τ - срок службы аппарата, принимаем τ = 15 лет;

Лист

32

Изм.

Лист

N докум.

Подп.

Дата

sэp = max		ppDэ	;	pиDэ
		2ϕ[σ] – 0,5pp		2ϕ[σ]и – 0,5pи

Расчетная толщина стенки

	5,00 × 3200
	2 × 1,0 × 120 – 0,5×5,00				68,9
sэp = max	8,69 × 3200		= max				= 68,9 мм
					66,7
		2 × 1,0 × 167 – 0,5×8,69

Толщина стенки эллиптического днища с учетом прибавки sэ = 68,9 + 0,75 = 69.65 мм.

Принимаем исполнительную толщину стенки днища sэ = 70 мм

Допускаемое давление в рабочем состоянии и при испытаниях

[p] =		2φ[σ](sэ – c)		=	2 × 1,0 × 120 × (70 – 0,75)	= 5,12 МПа
	D + 0,5(sэ – c)				3200 + 0,5 × (70 – 0,75)
[p]и =		2φ[σ]и(sэ – c)		=	2 × 1,0 × 167 × (70 – 0,75)	= 8,78 МПа
		D + 0,5(sэ – c)			3200 + 0,5 × (70 – 0,75)

3.5 Расчет фланцевых соединений

3.5.1 Штуцер ввода сырья

Определение геометрических размеров фланца. В зависимости от выбранно-

го типа обтюрации определяются геометрические размеры поверхностей под уплотнения по справочным таблицам. Для уплотнения типа шип-паз (Dу = Dвх = 500, Pу = 5,0 МПа, t = 350 °C) размеры канавки и паза приведены в таблице [6, табл. 20.5]. Схема, поясняющая числовые значения, изображена на рисунке 3.4

Лист

				34
	Изм. Лист N докум.	Подп.	Дата

Принимаем изгибающий момент от действия внешних нагрузок

Mи = 0 МН×м

Константа жесткости соединения при неметаллической прокладке в металлической оболочке [6, табл. 20.28].

α := 1.45

Расчетное растягивающее усилие в шпильках при затяжке соединения

Pб1

:= α Pс + Pn +

4Mи

= 1.45 × 1.19 + 1.21 +

4 × 0

= 2.93 МН

Dn

0.549

В рабочих условиях

Pб2 := Pс + Pn +

4Mи

= 1.45 + 1.21 +

4 × 0

= 2.66 МН

Dn

0.549

Диаметр окружности размещения шпилек для выбранного фланца [6, табл.

21.9]

Dб = 620 мм

Диаметр шпилек для выбранного фланца [6, табл. 21.9]

dб = 32 мм

Количество шпилек для выбранного фланца [6, табл. 21.9]

z = 20

Площадь поперечного сечения шпилек

Fб =

πdб2

=

3,14 × 322

2

4

4

= 804 мм

Принимаем материал шпилек - сталь 15ХМ с характеристиками при t = 350

°C [6]

[σ]б20 = 450 МПа

[σ]бт = 370 МПа

Напряжение в шпильках при затяжке и в рабочих условиях соответственно

σб1 =

Pб1

=

2,93

= 182 МПа

z Fб

20 × 804 × 10-6

σб2 =

Pб2

=

2,66

= 165 МПа

z Fб

20 × 452×10-6

Результаты расчетов позволяют сделать вывод, что принятое фланцевое со-

единение обеспечит герметичность стыка.

Лист

36

Изм.

Лист

N докум.

Подп.

Дата

		hв = 0,5 D(s0 – c) = 0,5 ×		3200 × (80 – 0,75) = 177,5 мм
Принимаем hв = 180 мм. Диаметр шпилечной окружности фланцев
		Dб ≥ D + 2(s0 + dб + u),
где dб – наружный диаметр шпилек, для проектируемого фланца рекомен-
дуемый диаметр составляет 48 мм [1, т. 1.40];
u – нормативный зазор между гайкой и втулкой, u = 15 мм [1, с. 95].
Соответственно
		Dб = 3200 + 2 × (80 + 48 + 15) = 3485 мм
Наружный диаметр фланца
			Dн = Dб + a,
где a – конструктивная добавка для размещения гаек по периметру, a = 120
мм [1, т. 1.41]. Итого
		Dн = 3485 + 120 = 3605 мм.
Наружный диаметр прокладки
			Dнп = Dб - e,
где e – нормативный параметр, зависящий от типа прокладки, для плоских
прокладок и dб = 48 мм e = 80 мм. Тогда
		Dнп = 3485 – 80 = 3405 мм.
Средний диаметр прокладки
			Dсп = Dнп – b,
где b – ширина прокладки, мм.
Для плоских металлических прокладок b = 15 мм [1, т. 1.42]. Значит
		Dсп = 3405 – 15 = 3390 мм.
Количество шпилек, необходимое для обеспечения герметичности соедине-
ния
			nб ≥		πDб		,
						tш
где tш – рекомендуемый шаг расположения шпилек, для p = 5 МПа tш ≈ 4dб =
4 × 48 = 192 мм [1. т. 1.43]. Соответственно
		nб ≥	3,14 × 3485					= 57,0
				192
Принимаем значение, кратное четырем nб = 56 шт. Ориентировочная высота
фланца
			hф = λф			Dsэк,
								Лист
Изм. Лист	N докум.	Подп. Дата						38

Реакция прокладки

R п π.D сп.b 0.K пр.p p,

R п = 0.298 МН

Равнодействующая внутреннего давления

F д

p p.π.

D

сп2

4

F д = 3.272

МН

Для определения коэффициента жесткости фланцевого соединения опреде-

лим несколько вспомогательных величин. Линейная податливость неметалличе-

ской прокладки

k п.h п

y п π.E п.D сп.b

y п = 13.925

мм

МН

Угловая податливость фланца

y ф

1

ν. 1

0.9.λ

ф2

.

ψ

2

3.

E ф

h ф

Значения входящих коэффициентов

ν

1

2

h ф

1

0.9

.

λ ф2

.

1

ψ 1

.

h ф

λ

ф2

s эк

D.s эк

,

ψ 1

.

D

н

ψ

D н

D

1.28

log D

,

2

D н

D

Вычисления

ψ 1 = 0.031

,

ψ 2 = 35.667

, λ ф2 = 0.461

, ν = 0.5

y ф = 2.378 10 4

1

МН.мм

Линейная податливость шпилек

Лист

Изм. Лист

N докум.

Подп.

Дата

40