Прочностной расчет реактора

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

В курсовом проекте студент должен произвести расчет конструкционных элементов реактора, а также вычертить общий вид реактора и необходимые узлы.

Быстрое развитие химической технологии и все возрастающее производство многочисленного химического оборудования, и в том числе химической аппаратуры, требуют создания высокоэффективных, экономичных и надежных аппаратов высокого качества, большинство из которых изготовляются из стали самой распространенной технологией - сваркой. эллиптический цилиндрический реактор люк

Данный курсовой проект предназначен для закрепления знаний у студентов, которые они получили в процессе изучения курса «Расчет и конструирование машин и аппаратов»; для расширения умений по поиску информации в технической литературе; для приобретения опыта в оформлении конструкторской документации и графического материала.

1. РАСЧЁТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Расчётная температура стенок выбирается из следующих соображений:

t = max{t_c;20⁰С} = max{200;20⁰С } = 200⁰С, где

t_c - максимальная температура среды, соприкасающейся со стенкой, ⁰С

Расчётное давление:

а) внутри аппарата (для днища, обечайки корпуса и крышки):

Р_р = Р = 1,5 МПа

б) в рубашке:

Р_р.р = Р₁ = 2,0 МПа

Исходя из условий, принимаем сталь марки 08Х18Н10 по ГОСТ 5632-72 (для днища, обечайки корпуса и крышки)

Допускаемое напряжение для стали марки 08Х18Н10:

[] = 140 МПа при температуре 200^оС [1]

Коэффициент запаса устойчивости для рабочих условий:

ny = 2,4

Расчётные значения модуля продольной упругости для стали марки 08Х18Н10 при температуре 200^оС равен Е = 1,97·10⁵ МПа.

Исходя из условий, принимаем сталь марки 09Г2С по ГОСТ 19282-73 (рубашки)

Допускаемое напряжение для стали марки 09Г2С:

[] = 171 МПа при температуре 150^оС [1]

Коэффициент запаса устойчивости для рабочих условий:

ny = 2,4

Расчётные значения модуля продольной упругости для стали марки 09Г2С при температуре 150^оС равен Е = 1,86·10⁵ МПа.

Принимаем коэффициент прочности сварных швов ц = 0,9 при виде сварного шва: стыковой, выполняемый вручную с одной стороны. Длина контролируемых швов от общей длины составляет 100 %.

Прибавки к расчётным толщинам стенок:

а) для компенсации коррозии:

- обечайки и днища корпуса:

с_к = (П₁ + П₂) ·ф ,

где П₁ - скорость коррозии металла при воздействии среды в аппарате на внутреннюю стенку аппарата, днище и крышку, мм/год

Принимаем П₁ = 0,1 мм/год

П₂ - скорость коррозии металла при воздействии среды в рубашке на внешнюю стенку аппарата, днища и внутреннюю стенку рубашки.

Принимаем П₂ = 0,05 мм/год

ф - срок эксплуатации

с_к = (0,1 + 0,05)•20 = 3 мм

- крышки:

с_к.кр = П₁·ф = 0,1·20 = 2 мм

- рубашки:

с_к.р = П₂·ф = 0,1·20 = 2 мм

б) для компенсации эрозии сэ = 0, так как эрозия отсутствует.

в) для компенсации минусового допуска и утонения стенки элементов аппарата соответственно С2 = 0 и С3 = 0, так как сумма (С2+ С3) не превышает 5% толщины листа.

2. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ КРЫШКИ АППАРАТА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет толщины стенки эллиптической крышки, нагруженного избыточным внутренним давлением.

Толщину стенки эллиптической крышки рассчитываем по формулам (52)-(54) [2]:

,

где , R=D с Н=0,25D.

0,0107 м.

s₁ = 10,7+2 = 12,7 мм

Принимаем толщину стенки s₁ = 14 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление рассчитаем по формуле (54) [2]:

1,51 МПа

Согласно ГОСТ 6533-78 по таблице 7.2 [7] принимаем h₁=40 мм.

Проведем проверочный расчет по п. 3.3.1.4. [2]:

0,8=0,8•117,58>h₁.

Согласно условиям п. 3.3.1.4. [2] и сортаменту принимаем толщину стенки 14 мм.

Расчет толщины стенки эллиптического днища, нагруженного избыточным наружным давлением.

Наружное избыточное давление принимаем равным атмосферному р=0,101 МПа, при абсолютном давлении внутри аппарата 0 МПа.

Толщину стенки крышки рассчитываем по формулам (56)-(58) [2]

;

,

где К_э=0,9 для предварительного расчета [2];

Е=1,97•10⁵ МПа при 100 ^оС(табл. 19 [2]).

{0,0035;0,0006}=3,5 мм.

Дальнейший расчет проводим из условия толщины стенки s₁=14 мм.

Определим допускаемое наружное давление по формуле (58) [2]:

где допускаемое давление [p]_п из условия прочности:

1,86 МПа,

допускаемое давление [p]_Е из условия устойчивости в пределах упругости:

1,07 МПа,

где К_э=0,94,

0,10.

Допускаемое наружное давление:

0,93 МПа

Проверяем условие :

- условие соблюдается.

Принимаем эллиптическое днище с отбортовкой h₁=40 мм толщиной стенки s₁=14 мм по ГОСТ 6533-78.

3. РАСЧЁТ НА ПРОЧНОСТЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБЕЧАЙКИ РЕАКТОРА

При расчете обечайки реактора имеем двухсторонний контакт с коррозионными средами - принимаем прибавку к толщине обечайки с=3мм

Толщину стенки цилиндрической части корпуса рассчитаем для 2-х случаев, когда аппарат нагружен избыточным внутренним давлением и, когда аппарат нагружен наружным давлением.

Расчет цилиндрической обечайки, нагруженной избыточным внутренним давлением.

Толщину стенки рассчитываем по формулам 8 и 9 [2]:

s s_Р+с

где

где s_Р - расчетная толщина стенки, мм;

p - внутреннее избыточное давление (в нашем случае оно равно давлению внутри аппарата p =15 кг/см² = 1,5 МПа);

D - диаметр аппарата (D =1800 мм);

[] - допускаемое напряжение при расчетной температуре, МПа;

ц_р - расчетный коэффициент прочности сварного шва.

Принимаем вид сварного шва - стыковой или тавровый с двусторонним сплошным проваром, выполняемый автоматической и полуавтоматической сваркой. По табл.20 приложения 5 [2] найдем значение коэффициента прочности ц_р =1,0.

0,01 м

s = 10+3 = 13мм

Принимаем толщину стенки s = 14 мм.

Допускаемое избыточное внутреннее давление будет равным (формула 10 [2]):

1,70 МПа.

Расчёт цилиндрической части корпуса нагруженной наружным давлением.

Толщину стенки приближённо определяют по формулам 11,12 с последующей проверкой по формуле 13 [2]:

s s_Р+с

,

Где p - наружное давление (2,0 МПа);

Коэффициент К₂ определяем по номограмме, приведенной на черт. 5 [2], для этого следует определить два коэффициента K₁ и K₃, которые определяются по формулам:

,

де n_y - коэффициент запаса устойчивости принимаем равным 2,4 для рабочих условий (п. 1.4.12 [2]);

Е - модуль продольной упругости при расчетной температуре, МПа. По табл.19 приложения 4 [2] для аустенитной стали при температуре 200°С находим Е =1,97•10⁵ МПа.

10,15

Найдем , где l =L+l₃ - расчетная длина цилиндрической части (L=3000мм - длина цилиндра; l₃ =Н/3 - длина примыкающего элемента для выпуклых днищ п.2.3.2.2 [2]). По условию задания Н не задано, значит, принимаем эллиптическое днище

Н=0,25D =0,25•1,8=0,45 м. Тогда l =3,0+0,45/3=3,15м

- длина примыкающего элемента по условию задания [2]).

Тогда l =3,15 м

1,75

По черт.5 «Номограмма для расчета на устойчивость в пределах упругости цилиндрических обечаек, работающих под наружным давлением» [2] найдем K₂ = 1,42

Найдем значение расчетной толщины стенки:

0,026 м

0,014 м

s = 26+3=29 мм

Принимаем s=30 мм.

Определим допускаемое наружное давление по формуле 13 [2]:

где допускаемое давление из условий прочности определяем по формуле 14 [2]:

4,14 МПа

Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости определяем по формуле 15 [2]:

где

4,49

значит, выбираем B₁ = 1.

2,69 МПа

2,26 МПа

Принимаем толщину стенки корпуса S=30мм.

Расчёт цилиндрической части корпуса нагруженной осевыми усилиями.

Толщина стенки обечайки нагруженной осевым растягивающим усилием должна соответствовать условию:

где 0,0064 м

Осевое растягивающее усилие:

5,09 МН.

Допускаемое осевое растягивающее усилие:

=21,04 МН ?5,09МН.

Условия s?s_p+c и [F]?F выполняются.

Осевое сжимающее усилие рассчитываем по формуле (21) [2]:

Допускаемое осевое сжимающее усилие:

- из условия прочности (22) [2]

3,14•(1,8+0,030-0,003)•(0,030-0,003)•140=21,69 МН

- в пределах упругости из условия устойчивости (23) [2]

[F]_Е = min{[F]_E1;[F]_E2}

но при условии l/D=3,15/1,8=1,75<10 [F]_Е = [F]_E1 ,

тогда [F]_E1 находим по формуле (24) [2]

227,19 МН

с учетом обоих условий по формуле (21) [2]:

=21,59 МН

Осевое сжимающее усилие - это усилие прижатия днища к обечайке давлением в рубашке 2,0 МПа, которое может быть рассчитано (Приложение 3 «Пример расчета аппарата с рубашкой»[5]):

F=0,25?р?(D+2s)²•p=0,25•3,14•(1,8+2•0,030)²•2,0=5,43 МН

Так как обечайка корпуса при наличии давления в рубашке и отсутствия давления внутри аппарата работает под совместным действием наружного давления 2,0 МПа и осевого сжимающего усилия F, должно выполняться условие устойчивости:

Проверяем условие устойчивости:

1,14?1

Устойчивость обечайки корпуса с толщиной стенки 30 мм не выполняется.

Принимаем толщину стенки 32 мм и повторим расчет

4,44 МПа

4,25

значит, выбираем B₁ = 1.

3,21 МПа

2,60 МПа

Принимаем толщину стенки корпуса S=32мм.

Расчёт цилиндрической части корпуса нагруженной осевыми усилиями.

Толщина стенки обечайки нагруженной осевым растягивающим усилием должна соответствовать условию:

где 0,0064 м

Осевое растягивающее усилие:

5,09 МН.

Допускаемое осевое растягивающее усилие:

=22,58 МН ?5,09МН.

Условия s?s_p+c и [F]?F выполняются.

Осевое сжимающее усилие рассчитываем по формуле (21) [2]:

Допускаемое осевое сжимающее усилие:

- из условия прочности (22) [2]

3,14•(1,8+0,032-0,003)•(0,032-0,003)•140=23,32 МН

271,63 МН

с учетом обоих условий по формуле (21) [2]:

=23,23 МН

Осевое сжимающее усилие - это усилие прижатия днища к обечайке давлением в рубашке 2,0 МПа, которое может быть рассчитано (Приложение 3 «Пример расчета аппарата с рубашкой»[5]):

F=0,25?р?(D+2s)²•p=0,25•3,14•(1,8+2•0,032)²•2,0=5,45 МН

Так как обечайка корпуса при наличии давления в рубашке и отсутствия давления внутри аппарата работает под совместным действием наружного давления 2,0 МПа и осевого сжимающего усилия F, должно выполняться условие устойчивости:



Проверяем условие устойчивости:

1,00?1

Устойчивость обечайки корпуса с толщиной стенки 32 мм выполняется.

4. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБЕЧАЙКИ РУБАШКИ

Толщину стенки цилиндрической части рубашки рассчитаем для 2-х случаев, когда пространство в рубашке аппарата нагружено избыточным внутренним давлением и, когда пространство в рубашке аппарата нагружено наружным давлением.

Расчет цилиндрической обечайки, нагруженной избыточным внутренним давлением.

Толщину стенки рассчитываем по формулам 8 и 9 [2]:

s s_Р+с

где

где s_Р - расчетная толщина стенки, мм;

p - внутреннее избыточное давление (в нашем случае оно равно давлению внутри рубашки p =20 кг/см² = 2,0 МПа);

D - внутренний диаметр цилиндрической части рубашки (D =1800+2•(32+65)=1994 мм);

[] - допускаемое напряжение при расчетной температуре, МПа;

ц_р - расчетный коэффициент прочности сварного шва.

Принимаем вид сварного шва - стыковой или тавровый с двусторонним сплошным проваром, выполняемый автоматической и полуавтоматической сваркой. По табл.20 приложения 5 [2] найдем значение коэффициента прочности ц_р =1,0.

0,012 м

s = 12+2 = 14мм

Принимаем толщину стенки s = 14 мм.

Допускаемое избыточное внутреннее давление будет равным (формула 10 [2]):

2,05 МПа.

Расчёт цилиндрической части рубашки нагруженной наружным давлением.

Толщину стенки приближённо определяют по формулам 11,12 с последующей проверкой по формуле 13 [2]:

s s_Р+с

,

Где p - наружное давление (оно равно атмосферному давлению p =0,101 МПа);

Коэффициент К₂ определяем по номограмме, приведенной на черт. 5 [2], для этого следует определить два коэффициента K₁ и K₃, которые определяются по формулам:

,

где n_y - коэффициент запаса устойчивости принимаем равным 2,4 для рабочих условий (п. 1.4.12 [2]);

Е - модуль продольной упругости при расчетной температуре, МПа. По табл.19 приложения 4 [2] для низколегированной стали при температуре 150°С находим Е =1,86•10⁵ МПа.

0,54

Найдем , где l =L+l₃ - расчетная длина цилиндрической части (L=3000мм - длина цилиндра; l₃ =Н/3 - длина примыкающего элемента для выпуклых днищ п.2.3.2.2 [2]). По условию задания Н не задано, значит, принимаем эллиптическое днище

Н=0,25D =0,25•1,994=0,499 м. Тогда l =3,0+0,499/3=3,166м

- длина примыкающего элемента по условию задания [2]).

Тогда l =3,166 м

1,59

По черт.5 «Номограмма для расчета на устойчивость в пределах упругости цилиндрических обечаек, работающих под наружным давлением» [2] найдем K₂ = 0,44

Найдем значение расчетной толщины стенки:

0,009 м

0,001 м

s =9+2=11 мм

Принимаем s=14 мм.

Определим допускаемое наружное давление по формуле 13 [2]:

где допускаемое давление из условий прочности определяем по формуле 14 [2]:

2,05 МПа

Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости определяем по формуле 15 [2]:

где

7,67

значит, выбираем B₁ = 1.

0,29 МПа

0,29 МПа

Принимаем толщину стенки корпуса рубашки S=14мм.

Расчёт цилиндрической части рубашки нагруженной осевыми усилиями.

Толщина стенки обечайки нагруженной осевым растягивающим усилием должна соответствовать условию:

где 0,0058 м

Осевое растягивающее усилие:

6,24 МН.

Допускаемое осевое растягивающее усилие:

=12,77 МН ?6,24 МН.

Условия s?s_p+c и [F]?F выполняются.

Осевое сжимающее усилие рассчитываем по формуле (21) [2]:

Допускаемое осевое сжимающее усилие:

- из условия прочности (22) [2]

3,14•(1,994+0,014-0,002)•(0,014-0,002)•171=12,93 МН

- в пределах упругости из условия устойчивости (23) [2]

[F]_Е = min{[F]_E1;[F]_E2}

но при условии l/D=3,166/1,994=1,6<10 [F]_Е = [F]_E1 ,

тогда [F]_E1 находим по формуле (24) [2]

26,84 МН

с учетом обоих условий по формуле (21) [2]:

=11,65 МН

Осевое сжимающее усилие - это усилие прижатия днища к обечайке атмосферным давлением, которое может быть рассчитано (Приложение 3 «Пример расчета аппарата с рубашкой»[5]):

F=0,25?р?(D+2s)²•p=0,25•3,14•(1,994+2•0,014)²•0,101=0,32 МН

Так как обечайка рубашки при отсутствии давления в рубашке работает под совместным действием наружного давления 0,101 МПа и осевого сжимающего усилия F, должно выполняться условие устойчивости:



Проверяем условие устойчивости:

0,38?1

Устойчивость обечайки рубашки с толщиной стенки 14 мм выполняется.

5. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ УКРЕПЛЕНИЯ ОТВЕРСТИЯ ЛЮКА-ЛАЗА

Согласно ОСТ 26-1408 - 76 и табл. 10.2 [7] принимаем тонкостенный штуцер Dy450 и стандартный тонкостенный штуцер Dy100 со следующими размерами:

Dy450 - d_т=480 мм; Н_т=300 мм s_т=12 мм;

Dy100 - d_т=108 мм; Н_т=190 мм; s_т=5 мм.

Расчётный диаметр укрепляемых элементов (люка лаза и штуцера для ввода сырья) для эллиптического днища определяются по формуле:

2,809 м

Расчётный диаметр отверстия для смещённого штуцера для эллиптического днища определяют по формуле:

0,512 м

Расчётные толщины стенок укрепляемых элементов:

0,010 м= 10 мм

0,003 м=3 мм

0,0007 м=1 мм

Принимаем коэффициент прочности сварного соединения = 1 и

Расчетная толщина укрепляемых элементов принимаем равной:

для штуцера Dy450 s_R = 10•мм;

для штуцера Dy100 s_R = 6•мм.

Ширина внешней части штуцера:

0,084 м

0,022 м

Величина l₁ принимается равной l₁ = 2d, но не более 0,3м.

Ширину зоны укрепления определим по формуле:

0,184 м

Расчетную ширину зоны укрепления определим по формуле:

где l_К - расстояние от наружной стенки штуцера до ближайшего несущего конструктивного элемента на укрепленном элементе:

0,358 м

Принимаем l_R= L₀= 0,184 м

Проверяем необходимость укрепления отверстия при толщине стенки 14 мм (п. 3). Расчётный диаметр отверстия, не требующего дополнительного укрепления, вычисляется по формуле:

0,118 м

Расчётный диаметр d_0,1 удовлетворяет условию: , и поэтому укрепление отверстия требуется.

Расчетная ширина накладного кольца:

l_2p=={184;270}

Принимаем исполнительную ширину накладного кольца l₂=78 мм

Проверяем условие укрепления отверстия:

l_1p(s₁- s_1p-c_s)ч₁+l_2ps₂ч₂+l_3p(s₃-c_s-c_s1)ч₃+l_p(s-s_p-c_s)?0,5(d_p-d₀)s_p.

85•(10-3-2)•1+184•14•1+25•(6-2-2)•1+184•(14-10,7-2)?0,5•(512-118)•10,7

3290?2108

Условие укрепления отверстия выполняется.

Допускаемое внутреннее избыточное давление

=2,38 МПа,

где К₁=2,

=

min{1;1,19}

6. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ПЛОСКОЙ КРЫШКИ ЛЮКА

К расчету крышки люка-лаза

Рис. 4. К расчету толщины крышки люка-лаза.

По табл.1.36 «Типы и пределы применения фланцев» [5] определяем, что для крышки с диаметром 450 мм и давлением 2,0 МПа применяются приварные встык фланцы. Материал крышки и фланца тот же что и обечайки сталь марки 08Х18Н10 по ГОСТ 5632-72.

Толщину плоских круглых крышек, работающих под избыточным внутренним давлением или наружным давлением, рассчитывают по формулам 71,72 [2]:

Значение коэффициента К и расчетного диаметра D_р в зависимости от конструкции крышки принимаем по табл.3 [2]. Выбираем тип №11 (рис. 4) :

К= 0,40

D_р = D₃

Для соединения с аппаратом принимаем фланец 1-450-25 ОСТ 26-427-79 с D₃=590мм.

Для стали марки 08Х18Н10 допускаемое напряжение при расчетной температуре 150°С по табл.7 приложения 1 [2] - []= 140 МПа.

Принимаем вид сварного шва - стыковой или тавровый с двусторонним сплошным проваром, выполняемый автоматической и полуавтоматической сваркой. По табл.20 приложения 5 [2] найдем значение коэффициента прочности ц =1,0.

0,0282 м

Толщина s₁ :

s₁ =28,2+2=30,2 мм

Принимаем толщину крышки s₁ =45 мм

Допускаемое давление на плоскую крышку определяем по формуле 75 [2]:

59,76 МПа

Принимаем: Люк 3-1-450-Х12-25 ОСТ 26-2005-77 со следующими типоразмерами:

Py, МПа	D	D1	s	s1	H	H1
	мм
2,5	450	590	12	45	200	290

Рис. 5. Определение геометрических размеров крышки люка-лаза.

Принимаем D₂=440 мм, тогда s₂=s₁-(D-D₂)/2 =45-(450-440)/2=40 мм.

Толщину s₂ проверяем по формуле:

.

{0,006;0,03209}=0,033 м.

Расчетная толщина удовлетворяет проверочному расчету.

7. ПОДБОР ОПОР ДЛЯ РЕАКТОРА

Согласно [5] для реактора принимаем 4 опоры 3-2500 ОСТ 26-665-79. Материал опор сталь марки В Ст3 ГОСТ 380-71.

Рис. 2. Опора типа 3 (стойка) ОСТ 26-665-79

Согласно ОСТ 26-665-79 опора 3-2500 имеет следующие типоразмеры:

Q, кН	а	а1	b	b1	c	c1	hmax	h1	s1	K	K1	d	dб
25,0	125	165	140	200	22	80	365	16	10	10	105	24	М20

Расположение фундаментных болтов по ОСТ 26-665-79, мм:

D=1800, D₁=1610

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы были произведены расчеты на прочность и подобраны размеры основных элементов аппарата в соответствии с выданным заданием на курсовую работу. При этом получены навыки работы с нормативной документацией, регламентирующей указанные расчеты.

ЛИТЕРАТУРА

1. Конструкционные материалы: Справочник/Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1990. - 688 с.; ил.

2. ГОСТ 14249-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. - М.: Издательство стандартов,1989. - 79с.

3. Смирнов Г.Г., Толчинский А.Р., Кондратьева Т.Ф. Конструирование безопасных аппаратов для химических и нефтехимических производств. - Л.: Машиностроение, 1988. -303 с.

4. Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Т.1. - Калуга: Издательство Н.Бочкаревой, 2002. -852 с.

5. Михалев М.Ф. и др. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств: Примеры и задачи. - Л.: Машиностроение, 1984. -301 с.

6. К.Ф.Павлов, П.Г.Романков, А.А.Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.Л.:Химия,1987.

7. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. - Л.: Машиностроение, 1981. - 382 с., ил.

8. ГОСТ 24755-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность укрепления отверстий. - М.: Издательство стандартов,1989. - 79с.

Размещено на Allbest.ru

...