CALCULUL MECANIC - APARAT DE TIP COLOANA

CALCULUL MECANIC - APARAT DE TIP COLOANA

1 PREZENTAREA CONSTRUCTIV-FUNCTIONALA A APARATULUI DE TIP COLOANA

In industriile petroliere prelucratoare, chimica si petrochimica, precum si in alte industrii, se intalnesc aparate tehnologice care, prin forma si dimensiuni, intra in categoria aparatelor de tip coloana, aparate zvelte, cu raport relativ mare intre inaltime si diametru.

Calculul complet al unei coloane de fractionare presupune dimensionarea tehnologica si dimensionarea mecanica, cele doua dimensionari fiind interdependente.

Conceptul de aparat de tip coloana, in general, este asociat cu cel de proces de transfer de substanta sau de masa (absorbtie, desorbtie, chemosorbtie, adsorbtie, fractionare, rectificare, extractie etc). Pentru a asigura durata necesara realizarii procesului urmarit, coloana trebuie sa aiba o anumita inaltime si un anumit diametru tehnologic.

In ansamblul sau, aparatul de tip coloana se compune din corp si amenajarile (echipamentele) interioare si/sau exterioare corespunzatoare.

Amenajarile (echipamentele) interioare corespunzatoare (pentru procese de transfer de substanta) au forme si functii diverse (talere, corpuri de umplere, serpentine etc) concordante cu tipul procesului tehnologic.

In functie de complexitatea constructiva, respectiv de frecventa deservirii aparatului, podetele si/sau platformele sunt prevazute numai pe o parte din circumferinta sau pe toata circumferinta mantalei.

Se considera ca fiind aparate de tip coloana, toate aparatele tehnologice cilindrice verticale care indeplinesc una din urmatoarele conditii:

Respectiv:

in care:

H_t - inaltimea totala (gabaritica) a aparatului, in mm

D_{it ech} - diametrul interior tehnologic echivalent al aparatului, in mm

2 ALEGEREA MATERIALELOR

Alegerea materialelor se realizeaza conform criteriului ISCIR C₄-90.

Acest criteriu se refera la precizarea corecta a tipurilor de materiale si a marcilor de oteluri standardizate utilizate in constructia de recipiente sub presiune stabile,calde si reci,conductelor si elementelor tubulare.

Coloana de distilare atmosferica prezentata in acest proiect are urmatoarele caracteristici:

-presiunea maxima de lucru la functionarea in regim este de: p=1288 mm Hg

-temperatura maxima a peretului metalic este t_m=336 ⁰C

-diametrul interior tehnologic: D_it=4770 mm

-inaltimea totala a aparatului: h=43000 mm

In functie de acesti parametri de lucru (temperatura si presiune) si conform criteriului ISCIR, coloana de distilare atmosferica prezentata in acest proiect face parte din categoria IV a recipientelor.

Tipul de otel recomandat pentru a fi utilizat in constructia acestui recipient este:otel K460.2b conform STAS 2883/3-8

Otelul K460.2b este un otel cu destinatia orientata in care rezistenta de rupere minima la temperatura standard este de 460 N/mm².

R_m^tn=460..550 N/mm²=460 N/mm²

Caracteristicile fizico-mecanice ale otelului conform STAS sunt:

R_PO,2³⁰⁰=205 N/mm²

→ R_PO,2³⁵⁰=175 N/mm²

R_PO,2³⁵⁰=175 N/mm²

3.CALCULUL REZISTENTEI ADMISIBILE

La proiectarea aparatelor tehnologice,un element de baza,care trebuie luat in consideratie si care in mare masura este hotarator atat pentru pretul de cost cat si pentru modul de comportare si durabilitate in exploatare,il constituie calculul rezistententelor admisibile.

Calculul rezistentei admisibile a materialului de baza,pentru solicitarea statica de intinderea se face pe baza prescriptiei tehnice ISCIR C₄-90.In conformitate cu aceasta, se stabileste valoarea pentru rezistenta admisibila :

unde :c_r si c_c=coeficienti globali de siguranta

Valoarea cea mai mica a marimii obtinute reprezentand rezistenta admisibila.

Coeficientii globali de siguranta au valorile:

C_c=1,5

C_r=2,4

s_a =min(460/2,4;171/1,5)=min(191,67;114,00)

s_a N/mm²

4.CALCULUL REZISTENTEI ADMISIBILE A SUDURII

Pentru solicitarea statica la intindere,se calculeaza rezistenta admisibila a sudurii cu formula:

s_as s_a

- coeficientul de rezistenta al sudurii

= k1* k2* k3* k4* j_o

K_1,2,3,4-coeficienti de corectie (de reducere a reducere a rezistentei admisibile)

j_o -coeficient de rezistenta theoretic maxim al sudurii.

Calculul rezistentei admisibile a sudurii (cap la cap)

MB:metal de baza

MA:metal de adaos

CS :cusatura sudura

ZIT : zona de influenta termica

Conform datelor din literatura,coeficientul de rezistenta al sudurii este:

Astfel,

s_as *114,00=108 N/mm²

5 CALCULUL DE PREDIMENSIONARE AL MANTELEI CILINDRICE

Mantaua este supusa la presiune interioara, constanta pe toata lungimea acesteia,precum si la presiune hidrostatica,distribuita liniar pe lungimea mantalei, fiind constanta pe fiecare tronson al mantalei si variabila de la un tronson la altul.

Mantaua cilindrica a aparatului de tip coloana este un invelis cilindric cu perete subtire,fiind respectata restrictia De/Di<1,5.Tinand seama de aceasta precum si de faptul ca in cazul mantalelor cilindrice,Dn este identic cu Dit, grosimea de perete a mantalei date se determina cu formula :

unde:

p_c - presiunea de calcul , N/mm², care se determina cu formula:

p_c = p+ p_h

unde :

p - suprapresiunea indicata in datele de proiectare, N/mm²

p_h - presiunea hidrostatica la baza tronsoanelor, N/mm²

Fig 1. Determinarea presiunii de calcul

Tronsonarea se face tinandu-se cont de latimile de tabla standardizate.

D_i - diametrul interior al sectiunii de rezistenta, mm, care se determina cu formula:

D_i = D_it + 2s_a [mm]

s_a - grosimea de adaus obtinuta cu formula :

s_a =s_c + s_t [mm]

s_c -adaosul de coroziune determinat cu formula :

s_c = w_c *t [mm]

w_c - viteza de coroziune, w_c = 0,16 mm/an

t_s - durata de serviciu, t_s = 10⁵ ore = 12,5 an

s_c = 0,16*12,5 = 2 mm

s_t -grosimea de perete de adaos tehnologica stabilita in functie de toleranta negative de fabricatie la grosimea tablei peretelui conform STAS 437-80.

Figura 2.Calculul mantalei coloanei de DA

Alegem : s_t =0,8 mm

s_a = 2+0,8 = 2,8 mm

D_I =Dit+2Sa=4770+2*3 =4776 mm

Phi= _p*hi

_p -greutateaspecifica a produsului

_p 8500 N/m³=85*10^-7 N/mm³

Tronsonarea coloanelor

h₁ = H_if + H_m/4=0,25*Dit+h+Hm/4=0,25*4770+60+43000/4=12003 mm

h₂ = H_if +2*H_m/4 =1253+2*10750=22753 mm

h₃ = H_if +3*H_m/4 =1253+3*10750=33503 mm

h₄ = H_if +H_m +H_1f = H_if +H_m +0,5Dit=1253+43000+2385=46638 mm =H_Taparat

Dupa calculul inaltimilor h₁,h₂,h₃,h₄ se pot calcula presiunile hidraulice:

Pi=0,3 MPa=0,3 N/mm²

P_h1=85*10^-7*12003=0,1020 N/mm²

P_h2=85*10^-7*22753=0,1934 N/mm²

P_h3=85*10^-7*33503=0,2848 N/mm²

P_h4=85*10^-7*46638=0,3964 N/mm²

Cunoscand presiunile hidraulice putem calcula presiunile de calcul:

P_ci=P_hi+P_i N/mm²

P_c1=0,1020+0,3=0,402 N/mm²

P_c2= 0,1934+0,3=0,493 N/mm²

P_c3= 0,2848+0,3=0,585 N/mm²

P_ci4= 0,3964+0,3=0,696 N/mm²

Cunoscand si presiunile de calcul putem trece la calculul grosimii mantalei:

S₁= (0,402*4770 )/ (2*0,95*114-0,402)+2,8=8,9 mm

S₂=(0,493*4770) / (2*0,95*114-0,493)+2,8=13,68 mm

S₃=(0,585*4770) / (2*0,95*114-0,585)+2,8=15,72 mm

S₄=(0,696*4770) /(2*0,95*114-0,696)+2,8=18,18 mm

Tinand seama de inevitalitatea solicitarilor eoliene, seismice si gravitationale,grosimea de perete calculate se majoreaza cu 30%, iar valoarea obtinuta,S₁ necesar,se standardizeaza.

Astfel:

S_1nec=S₁+30% =11,57 mm

S_1nec= S₂+30% =17,78 mm

S_1nec= S₃+30% =20,44 mm

S_1nec= S₄+30% =23,63 mm

Se standardizeaza aceste marimi si rezulta:

S_{1 STAS} = 12 mm

S_{2 STAS} = 18 mm

S_{3 STAS} = 22 mm

S_{4 STAS} =25 mm

S_STAS= S_{1 STAS} -Sa= 9,2 mm

S_STAS= S_{2 STAS} -Sa=15,2 mm

S_STAS= S_{3 STAS} -Sa=19,2 mm

S_STAS= S_{4 STAS} -Sa=22,2 mm

6. CALCULUL DE PREDIMENSIONARE AL FUNDURILOR ELIPSOIDALE

Fundurile elipsoidale solicitate la presiune interioara sunt standardizate din punct de vedere dimensional,fiind executate prin ambutisare,fie dintr-un singur semifabricat,fie din segmenti preasamblati prin sudare.

Grosimea totala de perete se evalueaza cu urmatoarea formula:

Unde:

y_e - coeficientul de suprasolicitare,ale carui valori depind de simplexul dimensional H/Dm, pentru H/Dm=0,25 ; y_e =1,00

s_a - grosimea de adaos, care se determina cu formula:

s_a = s_c + s_t + s_t'     , unde:

s_c - adaosul de coroziune

s_t - adaosul tehnologic mecanic pentru abaterea de la grosimea tablei

s_t' - grosimea de adaos tehnologic pentru compensarea subtierii tablei prin ambutisare

s_t' =0,8 mm

s_a = 2+0,8+0,8 = 3,6 mm

Fig. 3. Fundul elipsoidal

SIT- suprafata interioara tehnologica

SM - suprafata mediana a peretelui de rezistenta

SE - suprafata exterioara

AR - axa de revolutie

CG - curba generatoare

IR - inceputul racordarii

s_1f = [(1*0,402*4770)/(2*0,95*114-0,402*1)]+3,6 = 12,5 mm

s_1f necesar = S_{if calc}*1,3 =1,3*12,5Þ s_{1f STAS} = 18 mm

7. Calculul sistemului de rezemare al aparatului

Pentru aparatele de tip coloana se folosesc suporturi inchise cilindrice

Fig. 4. Calculul sistemului de rezemare

D_ip - diametrul interior al piciorului

D_ip = D_it = 4770 mm

D₁ - diametrul exterior al contrainelului

D_i,i - diametrul interior al inelului

D_e,i - diametrul exterior al inelului

b_i - latimea inelului de rezemare, bi = 300 mm

s_1p = s_IVSTAS = 25 mm

D₁ = D_e,i + 50 [mm]

D_e,i = D_ip + s_1p + b_i = 4770 + 25 + 300 = 5095 mm

D₁ = 5095+ 50 = 5145 [mm]

D_1,i = D_ip + s_1p - b_i = 4770 + 25 - 300 = 4495 mm

Grosimea inelului s₁ = 1,6s_1p = 1,6*25 = 40,0 mm

Grosimea contrainelului s₂ = 1*s₁ = 40 mm

Grosimea guseului (nervurii de rigidizare) : s₃ = 0,6s₂ = 0,6*40= 24 mm

D_cs=diametrul corespunzator pozitiei suruburilor de ancorare

D_cs=D_ip+2*(a+s_ip)

b_i=4*a+s_1p→a=(300-25)=68,75 mm

D_cs=4770+2*(68,75+25)=4957,5 mm

Numarul de suruburi: n_s = pD_cs/t_s

Suruburi de ancorare sunt de tipul M56.

Pasul dintre suruburi, t_s este :

t_s=7*d

d-diametrul nominal (exterior) al filetului, in mm

Numarul de suruburi de fundatie este :

n_s=3,14 *4957,5 /(7*56)=40→multiplu de 4,pentru o mai buna stabilitate ;

Suruburile au dimensiunile:

a=d+20=56+20=76 mm

b=d+60=56+60=116 mm

d₁=d+10=56+10=66 mm

d₂=d₁+10= 76 mm

Rezumat calcul mecanic

Schita unui aparat de tip coloana atmosferica este prezentata mai jos in care:

1 : mantaua cilindrica a aparatului,cu inaltimea Hm,diametrul interior tehnologic Dit si grosimi variabile de perete s1

2 : fundul superior al aparatului elipsoidal cu inaltimea H^S_1f si grosimea de perete S_1fs si care are o portiune cilindrica de legatura cu manta cu inaltimea h_m

3 : fundul inferior al aparatului cu grosimea de perete S_1fi si inaltimea Hⁱ_1f

4: sistemul de sustinere si rezemare al aparatului (manta cilindrica) cu inaltimea Hp

5 : inelul de rezemare

6 : contrainelul de rezemare

7 : suruburi de ancorare,cu crestatura,tip scelment

8 : guri de vizitare cu diametrul nominal D_n500

9 : racorduri

R : racorduri tehnologice

10 : talere coloanei atmosferice

fundatia inelara din beton armat

nivelul terenului amenajat : cota :000

Fig. 5. Aparat de tip coloana atmosferica