Компьютерный расчет опор колонных аппаратов на ветровую нагрузку и сейсмические воздействия

Программа «Расчет на прочность аппаратов колонного типа» написана на языке программирования Delphi 5.0. Сразу после запуска на экране (рисунок 11.1) открывается диалоговое окно для ввода некоторых обязательных параметров, от значений которых будет зависеть интерфейс программы и принцип расчета.

Рисунок 11.1 – Ввод обязательных значений

Если не заполнены все поля ввода значений (рисунок 11.2) или заполнены с ошибкой (рисунок 11.3), то программа не позволит продолжать работу пока не будут корректно введены все поля для ввода значений.

Рисунок 11.2 – Сообщение о не полном вводе данных

Рисунок 11.3 – Сообщение о некорректных данных

Определение расчетных усилий от сейсмических воздействий производится для районов с сейсмичностью более 7 баллов (при 12-бальной шкале). При вводе балла менее 8 (рисунок 11.4) программа не будет производить расчет на прочность от сейсмических воздействий и закроет доступ к отчету о полученных результатах (рисунок 11.5).

Рисунок 11.4 – Ввод балла менее 8

Рисунок 11.5 – Внешний вид программы без расчета на сейсмические воздействия

При вводе балла сейсмичности более 7 (рисунок 11.6) будет произведен расчет на прочность от сейсмических воздействий (рисунок 11.7)

Рисунок 11.6 – Ввод балла более 7

Рисунок 11.7 – Внешний вид программы с расчетом на сейсмические воздействия

В программе реализовано сохранение и загрузка исходных данных, печать отчетов с расчетами. Для определения периода собственных колебаний в меню «Настройки»–«Ветровая нагрузка» выбрать из 3-х пунктов: «Постоянное сечение», «Переменное сечение» и «Общий фундамент», выбрать тот пункт, который удовлетворяет Вашим условиям.

После ввода всех запрашиваемых параметров нажать клавишу «рассчитать» для в Примеры расчета

Примеры расчета

I Рассчитать ректификационную колонну с колпачковыми тарелками при следующих исходных данных: нагрузка по пару G_п=44000 кг/ч; нагрузка по жидкости G_ж=36000 кг/ч; плотность паров кг/м³; плотность по жидкости кг/м³; коэффициент поверхностного натяжения Н/м. Вспениваемость жидкости средняя, давление в колонне атмосферное.

Решение

1 Определение диаметра колонны и выбор параметров тарелки

Для расчета допустимой линейной скорости пара в свободном сечении колонны (уравнение 7.15) предварительно определим скоростной коэффициент С по рисунку 7.4. Принимаем расстояние между тарелками Н_т равным 400 мм. Тогда при Н/м для колпачковых тарелок и Н_т=400 мм (рисунок 7.4, кривая 2) получим С=550 м/с.

По уравнению (7.15)

м/с

По уравнению (7.23) диаметр колонн

м

Определим диаметр колонны по допустимой скорости пара в рабочем сечении колонны (уравнение 7.22).

Рассчитаем величину комплекса

При Нт=400 мм по рисунку 7.5 С=0,075 м/с.

Принимая коэффициент вспениваемости жидкости , по уравнению (7.22) определяем скорость пара

м/с

Рабочая площадь тарелки составит

м²

По данным таблицы 3.4 «Технические характеристики колпачковых тарелок» выбираем тарелку типа ТСК-Р с рабочим сечением =4,13м² в колонне диаметром =2600 мм.

Уточняем скорость пара в рабочем сечении колонны

м/с

Таким образом, диаметр колонны, рассчитанный по двум вариантам (уравнения 7.15 и 7.22) имеет одинаковые значения.

По таблице 3.4 тарелка типа ТСК-Р для =2600 мм имеет следующие параметры: периметр перелива П=2,032 м; площадь прохода паров F₀=0,638 м²; площадь перелива F_пер=0,674 м²; длину пути жидкости по тарелке l_ж=1,704 м; зазор под сливным стаканом а=0,06 м; количество колпачков m=202; диаметр колпачка d_к=100 мм; число рядов колпачков на пути движения жидкости n_р=12.

2 Проверка расстояния между тарелками

Из исходных данных рассматриваемого примера имеем отношение

Поэтому при определении величины подпора жидкости h₁ можно не учитывать относительный унос жидкости паром. Однако для большей наглядности примера рассмотрим расчет h₁ с учетом уноса жидкости.

Для расчета величины уноса жидкости У (уравнение 7.27) необходимо знать высоту пены (H_п) на тарелке, включающую величину h₁ и высоту сливной планки h_сп.

Величину h₁ рассчитаем без учета уноса жидкости по уравнению (7.29)

,

где - расход жидкости, протекающей через переливное устройство, м³/с.

м³/с

Для определения высоты сливной планки определим высоту открытия прорези колпачка.

Принимаем колпачок с прямоугольными прорезями шириной b=4мм, высота прорези h_пр=30мм (таблица 7.5). Количество прорезей в одном колпачке z=26.

По уравнению (7.34)

м,

где - объемный расход пара, м³/с.

м³/с.

В этом случае прорези будут открыты на / =0,024/0,03=0,8>0,67 (см. пункт 3.2) и колпачок можно установить на полотно тарелки ( = 0).

Глубина барботажа при абсолютном давлении (атмосферном) p =98100 Па составит (уравнение 7.32)

м

Высота сливного порога (уравнение 7.31)

=0,05-0,024+0,03=0,056 м.

Высота пенного слоя (уравнение 7.28)

Значения коэффициентов приведены в таблице 7.4.

Величина относительного уноса жидкости (уравнение 7.27)

Действительная нагрузка переливного устройства по жидкости (уравнение 7.30)

м³/с.

Действительная величина подпора жидкости над сливной планкой

м

мало отличается от ранее рассчитанной =0,024м.

Рассчитаем величину относительного уноса жидкости по уравнению (7.25).

Предварительно определим значение коэффициента m (уравнение 7.26)

Рассчитаем комплекс П/D_k=2,032/2,6=0,78

Относительная эффективная рабочая площадь тарелки (соотношения 3.9 ) при П/D_k=0,78

=0,054 D_k+0,488=0,054 2,6+0,488=0,6284

При в уравнении (7.25) коэффициенты а=0,159, b=095. Значение коэффициента ψ=0,6 принимаем из таблицы 7.3.

Для расчета высоты барботажного слоя h_б предложено уравнение

,

где - глубина погружения колпачка в жидкость

м

Тогда

м

Величина относительного уноса жидкости

Величина относительного уноса жидкости, рассчитанная по уравнениям (7.25 и 7.27), меньше 0,1, т.е. расстояние между тарелками выбрано правильно.

3 Проверка работы переливных устройств

Рассчитаем скорость жидкости в переливном устройстве (уравнение 7.22)

В соответствии с данными таблицы 7.4 комплекс

Условие выполняется (0,022м/с < 0,108м/с); следовательно захлебывания переливного устройства не произойдет.

Скорость жидкости в зазоре (а) между основанием тарелки и нижней кромкой сливного стакана (уравнение 7.23)

Приведенные расчеты показывают, что выбранная однопоточная тарелка обеспечит нормальную работу переливных устройств.

4 Расчет сопротивления тарелки

Сопротивление сухой тарелки (уравнение 7.36)

где - скорость пара в паровых патрубках, равная

м/с;

коэффициент сопротивления для колпачка диаметром d_k=100мм составит (уравнение 7.37)

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения (уравнение 7.41) для колпачковой тарелки

Сопротивление слоя жидкости на тарелке (уравнение 7.43)

,

где - перепад уровня жидкости на тарелке по пути ее движения,м.

Величину перепада уровня жидкости можно оценить по уравнению (7.44)

м

где =16 для колпачковой тарелки.

Величину перепада уровня жидкости можно определить по номограмме (рисунок 7.9). Для этого определим следующие величины:

м³/(м с);

(t – шаг колпачков по таблице 3.4)

Используя рекомендации по работе с номограммой, определяем =0,023м.

Сопротивление слоя жидкости на тарелке определим по большему значению

Общее сопротивление тарелки (уравнение 7.35)

II Рассчитать ректификационную колонну с ситчатыми тарелками при следующих исходных данных: нагрузка по пару G_п=16100 кг/ч; нагрузка по жидкости G_ж=15200 кг/ч; плотность паров кг/м³; плотность жидкости кг/м³; коэффициент поверхностного натяжения Н/м. Вспениваемость жидкости средняя, давление в колонне атмосферное.

1 Определение диаметра колонны и выбор параметров тарелки

Предварительно принимаем расстояние между тарелками H_т=0,6 м и коэффициент вспениваемости = 0,8

Рассчитав величину комплекса

,

по рисунку 7.5 найдем значение коэффициента С = 0,1

Скорость пара в рабочем сечении колонны согласно уравнению (7.22)

Объемный расход пара в колонне

По данным таблицы 3.5 выбираем тарелку типа ТС для колонны диаметром D=1200мм. Эта тарелка имеет следующие параметры: рабочая площадь тарелки F_р=1,01м²; площадь перелива F_пер=0,06м²; периметр перелива П=0,722м; длина пути жидкости L_ж=0,86м, диаметр отверстий d₀=4мм; расстояние между тарелками H_т=0,6 м.

Уточняем скорость пара в рабочем сечении колонны исходя из нового значения рабочей площади тарелки F_р=1,01м²

м/с.

2 Проверка расстояния между тарелками

Из исходных данных рассматриваемого примера имеем отношение

Поэтому при определении величины подпора жидкости h₁ можно не учитывать относительный унос жидкости паром. Однако для большей наглядности примера рассмотрим расчет h₁ с учетом уноса жидкости.

Для расчета величины уноса жидкости У (уравнение 7.27) необходимо знать высоту пены (H_п) на тарелке, включающую величину h₁ и высоту сливной планки h_сп.

Величину h₁ рассчитаем без учета уноса жидкости по уравнению (7.29)

h₁= .

Высота переливной планки на тарелке (уравнение 7.33)

h_сп = h_гб – h₁= 0,042-0,023=0,019м,

где h_гб – высота глубины барботажа, м

h_гб= ,

где р – абсолютное (атмосферное) давление в колонне, Па.

Высота пенного слоя (уравнение 7.28)

Значения коэффициентов приведены в таблице 7.4.

Величина относительного уноса жидкости (уравнение 7.27)

<0,1,

Приведенный расчет показывает, что расстояние между тарелками выбрано правильно.

3 Проверка работы переливных устройств

Действительная нагрузка переливного устройства по жидкости (уравнение 7.30)

м³/с.

Рассчитаем скорость жидкости в переливном устройстве (уравнение 7.22)

В соответствии с данными таблицы 7.4 комплекс

Условие выполняется (0,081/с < 0,15/с); следовательно захлебывания переливного устройства не произойдет.

Скорость жидкости в зазоре (а) между основанием тарелки и нижней кромкой сливного стакана (уравнение 7.23)

Здесь а – величина зазора, равная 0,06м.

Приведенные расчеты показывают, что выбранная однопоточная тарелка обеспечит нормальную работу переливных устройств.

4 Расчет сопротивления тарелки

Сопротивление сухой тарелки (уравнение 7.36)

где - коэффициент сопротивления сухой тарелки (таблица7.6);

- скорость пара в паровых патрубках, равная

м/с,

где F₀- площадь прохода паров.

F₀=0,906 F_р 0,906 1,01 м²

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения (уравнение 7.41) для колпачковой тарелки

Δp₂=4σ/ d₀=4 35 10^-3/0,004=35Па

Сопротивление слоя жидкости на тарелке

Δp₃=(h_гб +Δ/2)ρ_жg=(0,042+0,033/2) 930 9,81=533,7Па ,

где - перепад уровня жидкости на тарелке по пути ее движения

м ,

где =6 для колпачковой тарелки.

Общее сопротивление тарелки (уравнение 7.35)

5 Уточнение выбранного расстояния между тарелками и проверка равномерности работы

Для нормальной работы ситчатой тарелки необходимо выполнение условия

м.

Следовательно, условие выполняется.

Равномерность работы проверяется по величине минимальной скорости пара в отверстиях ω_0,мин, достаточной для того чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями

м/с

Рассчитанная скорость ω_0,мин=5,7м/с< ω₀=5,9, следовательно, тарелки будут работать всеми отверстиями.

III Рассчитать ректификационную колонну с тарелкой провального типа при следующих исходных данных: нагрузка по пару G_п=50000 кг/ч; нагрузка по жидкости =48000 кг/ч; плотность пара =8,5 кг/м³; плотность жидкости =920 кг/м³; коэффициент поверхностного натяжения =0,045 Н/м; вязкость пара =2,5*10^-5 Па*с; вязкость жидкости =3,2*10^-3 Па*с.

Решение

1.Выбор параметров тарелки и определение диаметра колонны

Предварительно по данным таблицы 3.9 выбираем тарелку типа ТР со следующими параметрами: толщина листа тарелки 2 мм; ширина щели b=4 мм; шаг расположения щелей t=16 мм; относительное свободное сечение =0,14. Расстояние между тарелками принимаем Н_т=600 мм.

Максимально допустимую скорость пара в колонне определяем по уравнению (7.46)

.

Здесь доля площади отверстий, занятая стекающей жидкостью, определяется по уравнению (7.47)

;

коэффициент сопротивления тарелки рассчитывается по уравнению (7.48)

.

Тогда

м/с

Диаметр колонны (уравнение 7.23)

м

Принимает диаметр колонны =2200 мм.

При =2200 мм и принятых ранее значениях 2 мм, b=4 мм при t=16 мм по данным таблицы 3.9 относительное свободное сечение тарелки =0,13, что незначительно отличается от предварительно принятого =0,14. Однако для большей наглядности примера сделаем перерасчет значений с учетом =0,13.

После пересчета получим:

-коэффициент сопротивления =1,52;

- доля площади отверстий, занятая стекающей жидкостью =0,19;

-максимально допустимая скорость пара в колонне =0,45 м/с.

2 Расчет гидравлического сопротивления тарелки

Высота слоя динамической пены, образующейся на тарелке Н_п , согласно уравнению (7.51)

,

где - объемная доля жидкости в пене, определяемая по уравнению (7.52)

Общее сопротивление орошаемой тарелки согласно уравнению (7.53)

,

где -коэффициент, определяемый по выражению

Тогда

Па

Высота слоя динамической пены

м.

3 Проверка расстояния между тарелками

При высоте сепарационного пространства

м

величина относительного уноса жидкости на вышележащую тарелку согласно уравнению (7.54) составит

,

что значительно меньше допустимого У=0,05 кг/кг. Следовательно, расстояние между тарелками принято правильно.