126121 (Розрахунок колони синтезу аміаку продуктивністю 1360 т/добу), страница 3

ρ _см= ρ_азоту*х_азоту+ ρ_водню*х_водню+ ρ_аміаку*х_аміаку+ ρ_метану*х_метану+ ρ_аргону*х_аргону (3.2)

ρ_{о см} = 1.25* 0.22+ 0.09*0.68+0.77*0.03+0.72*0.04+1.78*0.03=0.38 кг/м3

ρ_{вих см} = 1.25* 0.19+ 0.09*0.56+0.77*0.18+0.72*0.04+1.78*0.03=0.509 кг/м3 ρ= ρ_о*(РТ_о/Р_оТ) (3.3)

ρ₂₀₀=65.8 кг/м3 ( вхідна суміш) ρ₅₀₀=53.8 кг/м3 (вихідна суміш)

Таким чином в теплообмінник йде 1550 м3/год , на байпас -2326 м3/год. В колону поступає 3876м3/год газу.

Таблиця3

3.3 Розрахунок теплообмінника

Ціллю розрахунку теплообмінника являється визначення поверхні теплообміну:

,

Де F-поверхня теплообміну ,м2 , K-коефіцієнт теплопередачі , Вт/(м^{2 о}С)

∆t -середня різниця температур ^оС.

Температури потоків в теплообміннику згідно теплового розрахунку, ^оС:

530 → 490

470 ← 200

Різниця температур:

∆t_м=60^оС ∆t_б=290 ^оС

Визначаємо середню різницю температур за формулою:

∆t_сер=(∆t_б-∆t_м)/ (3.5)

∆t_сер=(290-60)/ln(290/60)=146 ^оС

Коефіцієнт теплопередачі К визначається по формулі:

, (3.6)

4. Конструктивний розрахунок

4.1 Обечайки верхня та основна

Конструктивний розрахунок обечайки основної (колони синтезу аміаку)

Розрахунковий тиск 30 МПа. Температура стінки 200^оС , на поверхні ззовні припустимо 150^оС. В якості конструктивного матеріалу застосуємо кислотостійку теплостіку сталь (леговану) 12Х18Н10Т , для якої нормативно допускаємі напруження рівні:

20 ^оС--- =160 МПа

150 ^оС--- =146 МПа

200 ^оС---- =140МПа

300 ^оС----- =130МПа

400 ^оС------ =120МПа

Коефіцієнт міцності зварних швів . Швидкість корозії з внутрішньої сторони Пн=0.002мм/рік , з внутрішньої Пв=0.005 мм/рік . Строк служби апарату -20 років:

Напруження , що діють на обичайку:

(4.4)

(4.5)

Для сталей , для 12Х18Н10Т становить 17*10^-6 1/^оС, Е=1.97*10⁵ МПа при 200^оС . Перепад температур між внутрішньою та зовнішньою стінками становить 50 ^оС. Проводимо розрахунок:

Максимально допустимий тиск визначаємо за формулою:

р_доп=140*1*0.25=35МПа>р_р= 30МПа.

Розрахунок верхньої обечайки (теплообмінника)

Розрахунковий коефіцієнт товстостінності знайдемо з формули 4.1:

(4.1)

Приймемо D=1м:

Приймемо s=0.16м .Розраховуємо новий коефіцієнт товстостінності:

Напруження , що діють на обичайку:

Для сталей , для 12Х18Н10Т становить 17*10^-6 1/^оС, Е=1.97*10⁵ МПа при 200^оС . Перепад температур між внутрішньою та зовнішньою стінками становить 50 ^оС.

Максимально допустимий тиск :

(4.6) р_доп=140*1*0.2422=33.9МПа>р_р= 30МПа.

4.2 Конструктивний розрахунок днища

Днище нашої колони синтезу приймемо слабо випуклим , тобто . Товщина днища розраховується по формулі:

(4.7)

Діаметр фланця в днищі – 120 мм . Коефіціент ослаблення днища у в ипадку одиночного отвору діаметром d :

(4.8)

м

Згідно ГОСТ 19903-74

Допускаємий робочий тиск розраховується за формулою: (4.9) МПа

4.3 Конструктивний розрахунок кришки проміжної (між обичайкою та теплообмінником)

Для даного апарату доцільно використати конічну кришку .У випадку відсутності даних для розрахунку конічних кришок, конічну кришку замінимо сферичною , і оскільки тангенціальні сили ,викликані великим тиском, дуже серйозні , то на металоємності це позначиться малопомітно. Формула для розрахунку товщини стінки сферичної кришки:

(4.10) S=2.5*30*0.8/(4*140*1-30)=0.113м

Розрахунковий коефіцієнт товстостінності для сферичних кришок:

(4.11)

Згідно методики обираємо ближній більший -1.15.

(4.12) S=(1.15-1)/0.8=0.12м

Мінімальна товщина кришки в місці розташування пазу під ущільнення у випадку застосування двухконусного обтюратора:

(4.13)

D_a >D_b+2d_p

D_b=1600+250+250=2100

D_a=2220

З таблиці 2.4(стор 146) Dcp=1613

h_cp=58

α=30^o

Осьова сила на обтюраторне кільце:

F_о=0.5πp_pDcp h_cptgα (4.14) F_о=0.78МН

Рівнодіюча внутрішнього тиску на кришку: F_p =πDcp²p/4 (4.15)

F_p=58.9МН

F= F_о + F_p =60MH

Приймаємо d_ow=60мм

приймаємо 160мм.Для верхнього зрізу кришки:

D_b=1000+160+160=1320 мм

D_a=1440

З таблиці 2.4(стор 146) Dcp=1009 h_cp=35 α=30^o

Приймаємо 140 мм.

4.4 Конструктивний розрахунок верхньої кришки

Верхню кришка буде плоскою. Її товщину розрахуємо за формулою:

(4.16)

D_b=1000+160+160=1320

D_a=1440

З таблиці 2.4(стор 146) Dcp=1009

h_cp=35

α=30^o

F=25 MH м

Приймаємо s=0.280м. Мінімальна товщина кришки в місці розташування паза під ущільнення у випадку застосування двоконусного обтюратора:

(4.17)

Приймаємо 140 мм.

4.5 Конструктивний розрахунок каталізаторної коробки

Каталізатор типу СА-1 має густину 4.8 г/см3 . Вільний об’єм при завантаженні насипом складає 10-30%. Приймемо 20%. При необхідних нам 23.8 м3 каталізатора загальна вага каталізатора в каталізаторній коробці складе :

23.8*4.8*(1-0.2)=82 тони.

При 4 шарах каталізатору на один шар припадатиме 21 тона ваги. Загальна осьова сила на корпус каталізаторної коробки складе :

82*10³ *9.81=0.8 МН

Коробка буде працювати під зовнішнім надлишковим тиском до 3МПа та при температурі корпусу 400 ^оС.

Параметри каталізаторної коробки:

D_вн =1.4 м d_тр=120 мм

V_кат=24 м3

Н_кат=23.8/(π*0.7²)=13.6 м

Приймемо , що висота насипу 15 м.

Для розрахунку товщини корпусу необхідно визначити коефіцієнт К₂ з номограми :

(4.18) (4.19)

(4.20)

(4.21)

З номограми К₂=2.5. Розрахунок товщини стінки ведемо за формулою:

s_p=max (4.22)

s_p=max =35.2 мм

приймаємо 36мм. Допустимий зовнішній тиск визначаємо за формулою: p_H=2σ(s-c)/(D+s-c) (4.23) p_H=2*130*(0.036-0.008)/(1.4+0.036-0.008)=6.4 МПа

Допустимий тиск з умови стійкості в межах пружності:

, (4.24)

Де n- коефіцієнт запасу стійкості для робочого стану 2.4. Проводимо розрахунок:

=2.84 МПа

(4.25) МПа

Допускаєма осьова сжимаюча сила:

(4.26)

МН

Допустиме осьове сжимаюче зусилля з умови стійкості в межах пружності:

(4.27)

МН

Осьова сжимаюча сила визначається за формулою:

(4.28)

МН

Умова стійкості корпуса при одночасній взаємодії цих сил має вигляд:

(4.29)

,

отже умова виконується, приймаємо товщину стінки 36мм.

Розрахунок опор для колосникових решіток Оскільки вага одного шару каталізатора становить 21 тона , то очевидно , що необхідна спеціальна конструкція для утримання такої ваги . В якості такої конструкції застосуємо ребра (балку прямокутного перерізу) на які стелитимуться колосникові решітки. Розмістимо їх з кроком 10 см починаючи від центру на відстані 6см (де проходитиме центральна труба діаметром 120мм ) . Навантаження , створюване каталізатором , становить: F=21000*9.8/( π*1.4²/2)=0.134 МН/м2 Довжини балок при віддалені від центру зменшуються за синусоїдальним законом:

(4.30)

Де n- відповідно порядковий номер від середини і становлять відповідно

L₁=1.396м

L₂=1.382м

L₃=1.338м

L₄=1.261м

L₅=1.145м

L₆=0.976м

Згинаючий момент дорівнює :

(4.31)

Діюча сила пропорційна площі:

(4.32) , (4.33)

Де b- ширина балки , 20мм, h –висота, м.

Проводимо розрахунок та заносимо в таблицю 4 результати:

Таблиця 4

Приймаємо 185 мм (2шт), 180 мм (4шт), 150мм (4шт) для усього перерізу .

Розрахуємо опори для цих балок , що матимуть наступний вигляд:

Переріз балок по 185 мм- 0.038м². При товщині опори 10 мм периметр кріплення (зварного шва) має складати 0.038/0.01=0.38м , тобто при φ_звар=0.95 матимуть наступне кріплення:

Колоснкові решітки (12Х18Н10Т) повинні на 1 м довжини мати площу перерізу: