Конструктивно-механические расчеты

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 11Следующая ⇒

4.1 Расчет числа ступеней контакта фаз концентратора [5]

Определение числа ступеней концентратора серной кислоты при концентрировании от 70% масс до 91-92% масс H₂SO₄ проводим аналитическим методом. При нагреве серной кислоты до 260-280 ^ОС продукционную 92% H₂SO₄ можно получить в одной ступени. Однако при этом содержание серной кислоты в парах достигает 30-50 г/м³ , что приводит к значительному газовому выбросу. Для уменьшения содержания в парах, серную кислоту концентрируют в 2-3 ступенчатых аппаратах, однако, если при этом пересыщение паров H₂SO₄ во второй ступени превышает критическое значение более, чем в 30 раз: S_кр> =3,3, то происходит образование тумана серной кислоты. Концентрация кислот во второй ступени для работы концентратора в режиме без образования тумана серной кислоты должна составлять 85-90% масс, температура 240 ^ОС.

Аналитическое определение числа ступеней, концентрации и температур H₂SO₄ на ступенях концентратора, работающего без образования тумана, представлено в таблице  .

Таблица №18 - Число ступеней, концентрации и температуры серной кислоты на ступенях концентратора.

Принимая равными эффективности ступеней вихревой колонны по температуре, массоотдаче в газовой и жидкой фазах для процессов десорбции паров воды и абсорбции паров серной кислоты, задаемся распределением концентрации (x_i) и температур (t_i) серной кислоты.

Таблица №19

1. Определяем расходы СК на ступенях вихревой колонны

[L_i, (i=1-5)]

L_i=L_i+1* , кг/час

Количество слабой H₂SO₄, поступающей в колонну (из материального баланса) составляет:

L₆= 7654.9 кг, температура кислоты t₆=150 ^ОС, концентрация C₆=70%, =1,494 т/м³

Количество серной кислоты, поступающей из пятой на четвертую ступень:

L₅= =7654.9*0.7/0.75=7143 кг/ч (4687,5 м³ /ч)

X₅=0,75; t₅=165 ^ОС, =1,524 т/м³

Количество СК, поступающей из четвертой на третью ступень:

L₄= =7143*0.75/0.8=6696.6 кг/ч (4273.49 м³ /ч)

X₄=0,8; t₄=180 ^ОС, =1,567 т/м³

Количество СК, поступающей из третьей на вторую ступень:

L₃= =6696,6*0.8/0,84=6377,7 кг/ч (4059,6 м³ /ч)

X₃=0,84; t₃=200 ^ОС, =1,571 т/м³

Количество СК, поступающей из второй на первую ступень:

L₂= =6377,7*0.84/0,88=6087,8 кг/ч (3848 м³ /ч)

X₂=0,88; t₂=220 ^ОС, =1,582 т/м³

Количество продукционной СК, выходящей из первой ступени:

L₁ = =6087,8*0.88/0,92=5823,1 кг/ч (3653,14 м³ /ч)

X₁=0,92; t₁=250 ^ОС, =1,594 т/м³

По уравнению и табличным значениям (таблица №19) определяем равновесные концентрации паров серной кислоты на ступенях колонны:

, Па

Рассчитываем значения пересыщения паров H₂SO₄ на ступенях колонны:

S=y_i-1/y_i; i = 2-5

По уравнению [5]

Рассчитываем значения критического пересыщения паров H₂SO₄ на ступенях колонны S_кр-S_кр5

Определяем соотношения S_i/ S_крi на ступенях колонны. При

 S_i/S_крi 1 происходит образование тумана H₂SO₄, а при S_i/S_крi <1 – туман не образуется.

Для ступеней колонны, в которых S_i/S_крi 1 из графоаналитического определения числа ступеней концентратора определяем концентрации и температуры серной кислоты, позволяющие достичь S_i/S_крi <1. Значения концентраций (х_i) и температур (t_i) СК на ступенях колонны в режиме ее работы без образования тумана представлены в таблице 19.

Количество СК, поступающей на ступень из нижележащей ступени в виде брызгоуноса, необходимое для получения концентрации (х_i), при котором соблюдается условие безтуманной работы ступеней: S_i/S_крi <1. определяется по выражению:

1. Для второй ступени:

кг/ч

Для третьей ступени:

кг/ч

Для четвертой ступени:

кг/ч

2. Определяем относительный брызгоунос серной кислоты со ступени:

С первой ступени:

 кг/ч

Со второй ступени:

 кг/ч

С третьей ступени:

 кг/ч

Расход топочных газов, поступающих при t=900 ^ОС на первую ступень составляет G₁=8934 м³ /ч (состав газа после топки).

Гидродинамический расчет

4.2.1. Расчет первой по ходу газового потока ступеней контакта фаз [5]

1. Односопловое вихревое контактное устройство

2. Вторая ступень контакта фаз

3. Вертикальный канал входа топочных газов

4. Горизонтальный канал

1. Площадь отверстия входа топочных газов:

d=0.35 м; S₁=0.785*0.35²=0.096 м²

2. Площадь сечения горизонтального канала входа газов:

S₂=a*b=0.4*0.38=0.152 м²

3. Площадь сечения односоплового вихревого контактного устройства (D_ко=0,7 м)

S₃=0.785*0.7²=0.39 м²

4. Определяем скорость газового потока в первой ступени колонны:

м/сек

м/сек

м/сек

5. Гидравлическое сопротивление орошаемой первой ступени вихревой колонны определяется по формуле:

 = -5601,32 + 287,77Z₁ +266.7Z₂ + 147.52Z₃ +2128.38Z₄ –7.81Z₁Z₂ - 33.4Z₁Z₃ - 69.37Z₁Z₄ - 72.93Z₂Z₃ - 68.03Z₂Z₄ - 103.58Z₃Z₄ + 3.72Z₁Z₂Z₃ +2.71Z₁Z₂Z₄ + 15.46 Z₁Z₃Z₄ + 31.52 Z₂Z₃Z₄ - 1.5Z₁Z₂Z₃ Z₄,  Па

где Z₁  - W_щ, м/с

Z₂ - , м³ /м² час

Z₃ – б/Д_к.д, м/м

Z₄ – н/ Д_к.д, м/м

Для первой ступени:

Z₁- W_щ= W₂=16,33м/с

Z₂ – плотность орошения ступени:

м³ /ч, где

S_кол – площадь сечения колонны (Д_вн=1мм)

S_кол=0,785 м²

Z₃=б/Д_ко; б – зазор между контактной обечайкой первой ступени и тарелкой второй ступени

б= 0,21 м

Д_к.о=0,7м; Z₃=б/ Д_к.о=0,21/0,7=0,3м/м

Z₄= н/ Д_к.о;

Н – высота контактной зоны односоплового ВКУ;

Н= 21 м

Z₄ = н/ Д_к.в =2,1/0,7=3м/м

Гидравлическое сопротивление первой ступени вихревой колонны равно:

=3302.94 Па.

6. Уравнение, описывающее изменение относительного брызгоуноса жидкости с первой ступени от режимных и конструктивных параметров имеет вид:

E*10²=-71+Z_{1 +} Z_{2 +} 110Z_{3 +} 38 Z₄ -2Z₁Z₃ - 2Z₂Z₃-58Z₃ Z₄+Z₂Z₃ Z₄ кг/кг

Определим значение относительного брызгоуноса с первой ступени при заданных конструктивных и режимных параметрах:

E₁=0,61 кг/кг

4.2.2. Расчет гидродинамических характеристик второй и последующих по ходу газа ступеней вихревой колонны [5]

1. Тарелка

2. Контактная обечайка

3. Завихритель

4. Вышележащая ступень

1. Площадь отверстия проходов газа тарелки

(d=0.4 мм); S₁=0.785*d²=13 м²

2. Площадь сечения прохода газов завихрителя:

S₂=b*h*n = 0,04*0,3*8=0,096 м²

b – ширина щелей, b = 0,04 м

h – высота щелей, h = 0,3 м

n – количество щелей, n = 8 шт

3. Площадь сечения контактной обечайки (Д_ко=0,66 м)

S₃=0,785* Д_ко²=0,785*0,66²=0,34 м²

4. Площадь кольцевого сечения между контактной обечайкой и завихрителем:

S₄= м²

Где Д_зав=0,51 – наружный диаметр завихрителя

5. Площадь свободного сечения колонны:

Д_вн=1,0 м – внутренний диаметр колонны

S₅=0,785* Д_вн²=0,785 м²

6. Рассчитаем скорости газового потока: на второй по ходу газа ступенях колонны

W₁= м/сек

На третьей ступени (а также на последующих ступенях):

W₂= м/сек

W₃= м/сек

W₄= м/сек

W₅= м/сек

7. Гидравлическое сопротивление орошаемых второй и последующих ступеней определяется по уравнению:

 = -4232,32 + 584,91Z₁ +62,22Z₂ + 3323,29Z₄ +3372.03Z₅ –7.14Z₁Z₂ – 184,01Z₁Z₄ – 403,7Z₁Z₅ - 72.09Z₂Z₄ - 56.8Z₂Z₅ – 2486,54Z₄Z₅ + 8.75Z₁Z₂Z₄ +7.12Z₁Z₂Z₅ + 145,99Z₁Z₄Z₅ + 76,65Z₂Z₄Z₅ – 8,49Z₁Z₂Z₄ Z₅,  Па

где Z₁  - W₄, м/с=17,3 м/с

Z₂ - , м³ /м² час

Z₃ – б/Д_к.о, м/м

Z₄ – н/ Д_к.о, м/м

Z₅ – S_2/S₁ м² /м²

Для второй ступени:

Z₂=  м³ /м³ час

Для третьей ступени:

Z₂=  м³ /м³ час

Для четвертой ступени

Z₂=  м³ /м³ час

Для пятой ступени:

Z₂=  м³ /м³ час

Z₃=б/Д_ко=0,19/0,66=0,28 м/м

Z₄=б/Д_ко=0,36/0,66=0,55 м/м

Z₅=S₂/S₁=0.096/0.13=0,74 м/м

Гидравлическое сопротивление второй ступени равно:

Па

третьей ступени:

Па

четвертой ступени

Па

пятой ступени

Па

8. Уравнение, описывающее изменение брызгоуноса с вихревой ступени от режимных и конструктивных параметров имеет вид:

E = -2.46 + 0.14Z₁ +0.05Z₂ + 3.44Z₃ +2.08Z₄ +2.09Z₅–0.01Z₁Z₂ – 0.19Z₁Z₃ – 0.11Z₁Z₄ – 0.11Z₁Z₅ – 0.07Z₂Z₃ – 0.05Z₂Z₄ – 0.04Z₂Z₅ – 2.87Z₃Z₄ – 2.91Z₃Z₅ – 1.73Z₄Z₅ + 0.01Z₁Z₂Z₃ +0.01Z₁Z₂Z₅ + 0.15Z₁Z₃Z₄ + 0.14Z₁Z₃Z₅ + 2.37Z₃Z₄Z₅ – 0.01Z₁Z₂Z₃ Z₄ – 0.01Z₁Z₂Z₃ Z₅ – 0.11Z₁Z₃Z₄ Z₅ + 0.08Z₁Z₄Z₅ + 0.06Z₂Z₃Z₄ + 0.05Z₂Z₃Z₅ + 0.04Z₂Z₄Z₅ - 0.04Z₂Z₃Z₄ Z₅, kJ/kJ

Относительный брызгоунос со второй ступени при принятых значениях (Z₁- Z₅) составляет:

E₂=0,54 кг/кг

Относительный брызгоунос с третьей ступени:

E₃=0,47 кг/кг.

Относительный брызгоунос с четвертой ступени:

E₄=0,44 кг/кг

9. Гидравлическое сопротивление вихревой колонны составляет:

= + + + + +2 +2+ , где

-  - гидравлическое сопротивление ступеней вихревой колонны, Па

= 2000 Па - гидравлическое сопротивление брызгоуловительной ступени

=2200 Па - гидравлическое сопротивление абсорбционной ступени

=3302,94+2152,54+2153,21+2155,52+2156,88+2*2000+2*2200=20321,1Па

Рассчитанные значения относительно брызгоуноса жидкости между ступенями колонны (E1-E4) соответствуют режиму работы вихревой колонны без образования тумана серной кислоты.

10.  Расчет линий перетока жидкости

Площадь сечения переточных труб жидкости между ступенями: (Д_тр=0,08 мм) S_пер=0,785*0,08²=0,005024 м²

а) линии перетока жидкости после первой ступени:

Д_тр=0,1 мм; S_пер=0,785*0,1²=0,00785 м²

u_ж= м/с

б) линии перетока жидкости между второй и первой ступенями:

S_пер=0,005 м²

u_ж= м/с

в) линии перетока жидкости между третьей и второй ступенями:

u_ж= м/с

г) линии перетока жидкости между четвертой и третьей ступенями:

u_ж= м/с

д) линии перетока жидкости между пятой и четвертой ступенями:

u_ж= м/с

с) линия подачи слабой (70%) серной кислоты на пятую ступень колонны:

u_ж= м/с

4.3. Механические расчеты основных деталей и узлов вихревой колонны [6], [7]

1. Расчет толщины обечаек

Расчет производится в соответствии с ГОСТ 14249-80. Исполнительную толщину тонкостенной гладкой цилиндрической обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением рассчитываем по формуле:

Условие: , где

P – внутренне давление (0,1 Мпа)

- коэффициент прочности сварного шва продольном направлении, =1

C_k – поправка на коррозию с учетом срока службы аппарата, C_k = 0,001

D – внутренний диаметр, D=1 м

 - допустимое напряжение, =2,2 Н/м²

S= м

 - условие выполняется

Толщина обечайки по расчетам равна 0,025 м

2. Расчет толщины днища:

, где

=0,1 мПа внутреннее давление

- коэффициент прочности днищ, изготовленных из цельной заготовки

 = 2,2мН/м²  - допустимое напряжение

С=0,001

R=1 м – радиус кривизны в вершине днища. Для элептических днищ R=D, где D – внутренний диаметр аппарата, D=1 м

м

Условие:

Условие выполняется. Толщина днища равна 0,025 м.

3. Расчет фланцевых соединений

Расчетное растягивающее условие в болтах

, где

Д_п – средний диаметр уплотнения, м

- расчетная сила осевого сжатия уплотняемых поверхностях в рабочих условиях, необходимых для обеспечения герметичности, =0,00563

-рабочее давление, =0,1 Мпа

Д_п=1070 мм,

Расчетная сила сжатия прокладки прямоугольного сечения определяется по формуле:

, где

в – эффективная ширина прокладки, м

;

к – коэффициент, учитывающий зависимость от материала и конструкции прокладки

к = 2,5 (материал – асбест)

в₀ – действительная ширина прокладки, м

Диаметр болтовой окружности:

Д_б=(1,1-1,2)Д_в^0,933=1,1*1,05^0,933=1,15 мм, где

Д_в – внутренний диаметр фланца, равный наружному диаметру аппарата,м

Д_в = 1050 мм = 1,05м

Расчет диаметра болтов

, где

Д_т=1.098 м – наружный диаметр сварного шва на фланце

число болтов: , где

F_б – площадь сечения выбранного болта по внутреннему диаметру резьбы, м²

- допустимое напряжение на растяжение на болтах

Округлим и получаем число болтов 16 шт.

Наружный диаметр фланца

Д_ф=Д_б+(1,8+2,5)d_б

Д_ф=1,15+4,3*0,02=1,24 м

Приведенная нагрузка на фланец при рабочих условиях:

Вспомогательная величина Ф при рабочих условиях (в м² )

Ф=

Вспомогательная величина А:

 - предел текучести материала фланцев при рабочей температуре, =240 /м²

S – толщина обечайки, соединяемой фланцем, м, ,   - коэффициенты, определяемые графическим путем =0,99, =9

Высоту фланца h определяем по формулам

, м; при ,

2,74*10^-4 м²  1,13*0,01125 м²

2,74*10^-4 м² 0,0127

Расчет опор аппарата [10]

Толщина ребра: , где

 - нагрузка на одну опору, в мН

к – коэффициент, зависящий от соотношения ; k=0.6, n=4

z- количество ребер на опоре принимаем из конструктивных соображений

L – высота опоры, L=0.2 м

=108000 кгс = 10800кг = 1,08мн = 10,79*10³кГс

Высота ламп: L=L/0.5 = 0.2/0.5=0.4 м

Общая длина сварного шва, L_ш:

L_ш=4(h+ )=4(0.4+0.026)=1.17 м

Прочность сварного шва, , при соблюдении условия:  L_шh_шT_{шс, где}

L_ш  - общая длина сварных швов, м

h_ш – катет свободного шва, м h_ш=0,008м

T_шс – допускаемое напряжение материала шва на срез, нм/ м²

T_шс - =100мн/ м²

1,08/4 = 0,27 мн <0,7*1,74*0,008*100=0,97 мн

0,27 мн < 0,97

Условие прочности выполняется.

Познавательные статьи:



Коммуникативные барьеры и пути их преодоления

Рынок недвижимости. Сущность недвижимости

Решение задач с использованием генеалогического метода

История происхождения и развития детской игры