Проект корпуса аппарата с рубашкой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО "Сибирский Государственный Технологический Университет"

Институт электронно-дистанционного обучения

Кафедра машин и аппаратов промышленной технологии

Курсовая работа

Проект корпус аппарата с рубашкой

Выполнил:

Студент гр. 1502-44(1215022)

Сырбу В.Н.

Проверил:

В.Н. Щербаков

Красноярск, 2016



Введение

По характеру воздействия на обрабатываемый продукт химическое и пищевое оборудование принято разделять на аппараты и машины.

В аппаратах происходят физико-механические, тепловые, диффузионные, химические, биохимические, электрические и другие процессы.

В машинах технологические процессы происходят вследствие механического воздействия на обрабатываемый объект. Эти процессы называют механическими.

Деление технологического оборудования на машины и аппараты является условным. Имеются машины, в которых механическая обработка сочетается с нагревом, охлаждением, массообменом, химическими реакциями, и трудно иногда установить, какие процессы являются преобладающими. Поэтому термину "технологическая машина" придают расширенное значение, понимая под этим любое техническое устройство, предназначенное для осуществления технологического процесса.

Машины и аппараты пищевых производств во многом сходны с оборудованием химических и смежных отраслей промышленности.

Значительную долю всего оборудования химических и пищевых производств составляет емкостная аппаратура, работающая под вакуумом или при избыточном давлении среды. Эти аппараты сложны и потенциально опасны.



1. Назначение и область применения аппарата

Любой аппарат можно рассматривать как емкость, в которую встроены дополнительные устройства. Корпуса таких аппаратов состоят из типовых элементов: обечаек, днищ, штуцеров, люков, фланцевых соединений, опорных узлов. Конструкции большинства из этих элементов стандартизованы и унифицированы по типоразмерам.

К машинам химических производств относится технологическое оборудование, в котором определяющим является механическое воздействие рабочих органов машины на объект обработки. К машинам химических производств относят:

- машины для измельчения (дробилки и измельчители);

- машины для разделения сыпучих материалов на фракции (сита, классификаторы);

- машины для получения однородных смесей (смесители, мешалки);

- машины для транспортирования или подачи материала (транспортеры, питатели, дозаторы);

- машины для выделения твердой фазы из жидкостей или газов (фильтры, центрифуги, сепараторы);

- машины с вращающимися барабанами.

К химическим аппаратам относят:

- теплообменные аппараты;

- колонные аппараты;

- реакторы;

- котлы;

- выпарные аппараты;

- емкостные аппараты.



2. Техническая характеристика

Гладкая рубашка изготавливается из углеродистой стали. Однако следует учитывать, что приварка углеродистой стали, к корпусу из нержавеющей стали особенно небольшой толщины (3 - 6 мм) может ухудшить антикоррозионные свойства металла корпуса. Поэтому, когда среда обладает значительной агрессивностью или требуется высокая чистота продукта, приварка рубашки из углеродистой стали к корпусу аппарата из аустенитной стали, без промежуточной детали из нержавеющей стали, недопустима.

Гладкие теплообменные рубашки с эллиптическими и коническими днищами применяют при давлении в рубашке МПа и єС и при МПа и єС.

При температуре стенки аппарата єС допускается приварка рубашки из углеродистой стали или низколегированных сталей к корпусу из аустенитных сталей.



3. Выбор материалов для изготовления узлов аппарата

Из условия рабочая среда в корпусе коррозионная, то для долгой службы изготовим из коррозионно стойкой стали аустенитного класса 08X17H15M3T. В рубашке аппарата будет находиться вода, тогда изготовим из обычной стали 10. Болты - 35Х.



4. Механические расчеты основных деталей и сборочных единиц

Расчетная температура стенки:

Для корпуса

Для рубашки

Допускаемое напряжение:

Для стали 08X17H15M3T:

При t_р = 75.

Нормативное допускаемое напряжение ;

Модуль упругости Е = 2.15 *10⁵ Мпа;

Допускаемое напряжение для рабочего состояния , где ; - для листового проката;

Для стали 10:

При t_р = 15;

Нормативное допускаемое напряжение ;

Модуль упругости Е = 1.99 *10⁵ Мпа;

Допускаемое напряжение для рабочего состояния , где ; - для листового проката.

Коэффициент прочности сварного шва .

Внутреннее расчетное давление в аппарате:

P_гид = с_cp * l_ж * g * 10^-5 Мпа

l_ж = = = 2м.

P_гид = 0,018 МПа

Так как Р_гид/Р_раб*100 < 5%, то Р_расч = Р_раб = 0,8 Мпа.



4.1 Толщина стенок ( корпус, днище, крышка, рубашка)

Расчет корпуса.

Исполнительная толщина стенки , мм, определяют по формуле:

,

где

при действии внутреннего давления:

при действии наружнего давления:

Р_нар = Р_руб.

Коэффициент определяется по номограмме в зависимости от значений коэффициентов и :

;

.

l_R = l_руб + H/3; H = 0.25*D.

Расчет рубашки.

Толщину рубашки определяем:

S_R = 2+2 = 4мм

Полученное значение толщины стенки должно быть проверено на условие .

Допускаемое наружное давление следует определять по формуле:

,

где допускаемое давление из условия прочности определяют по формуле:

,



.

а допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости определяют по формуле:

,

,

,

,

,

Допускаемое осевое сжимающее усилие следует рассчитывать по формуле:

,

где допускаемое осевое сжимающее усилие [F]_р из условия прочности:



,

Допускаемое осевое сжимающее усилие определяют из условия местной устойчивости в пределах упругости по формуле:

,

,

,

Условия соблюдаются.

Расчет эллиптического днища.

Определяем толщину стенки: S₁ = S.

Выбранная толщина должна быть проверена на условие .

Допускаемое наружное давление следует рассчитывать по формуле:

,

где допускаемое давление из условия прочности:

,



,

а допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости:

.

.

.

.

,

.

Расчет эллиптической крышки

Определяем толщину стенки:

S_кр = 4+2 = 6мм.



,

0,8 = 0,8

Условия соблюдаются.

4.2 Укрепление отверстия

Определим расчетный диаметр укрепляемых элементов:

где x- расстояние от центра укрепляемого отверстия до оси эллиптического днища. Принимаем = 400мм.

Расчетный диаметр отверстия для смещенного штуцера на эллиптическом днище определяют по формуле :

Исполнительные и расчетные толщины стенок укрепляемых элементов определяют в соответствие с ГОСТ 14249-89. Для эллиптических днищ, работающих под внутренним давлением, расчетную толщину стенки S_P при расчете прочности укрепления отверстия можно определять по формуле

Расчет штуцера:

Где

4.3 Фланцевое соединение корпуса с крышкой

1.Определение конструктивных размеров фланца

Определим толщину втулки фланца S₀, мм: S₀ > S;

Принимаем S₀ = 11 мм;

11 мм > 10 мм;

Определим высоту втулки фланца h_в, мм:



мм;

Принимаем h_в = 100 мм;

Определим диаметр болтов окружности D_б, мм:

где d_б - наружный диаметр болта, мм;

U - нормативный зазор, мм;

Принимаем d_б = 24 мм;

Принимаем U = 6 мм;

мм;

Определим наружный диаметр фланца D_н, мм:

где

а - конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца, мм;

Принимаем а = 47 мм;

мм;

Определим наружный диаметр прокладки D_н.п., мм:

где е - нормативный параметр, зависящий от типа прокладки, мм;

Принимаем е = 34 мм;

мм;

Определим средний диаметр прокладки D_с.п., мм:



где b - ширина прокладки, мм. Принимаем b = 15 мм;

мм;

Определим количество болтов, необходимых для обеспечения герметичности соединения n_б, шт:

где t_ш - шаг размещения болтов М24 на болтовой окружности, мм;

мм;

;

Принимаем n_б = 64, кратное четырем.

Определим толщину фланца h_ф, мм:

где л_ф - поправочный коэффициент;

S_эк - эквивалентная толщина втулки, мм;

Принимаем л_ф = 0,48;

Принимаем S_эк = S₀ = 11 мм, так как для плоских фланцев



мм;

Принимаем h_ф = 70 мм;

Определим расчетную длину болта l_б, мм:

где l_б.о. - расстояние между опорными поверхностями головки болта и гайки, мм;

где h_п - высота прокладки, мм;

Принимаем h_п = 2 мм;

мм;

мм ? 0,15 м;

4.4 Определение нагрузок, действующих на фланец

Определим равнодействующую внутреннего давления F_д, МН:

МН;

Определим реакцию прокладки R_п, МН:



где b₀ - эффективная ширина прокладки, мм;

k_пр - коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки;

Принимаем b₀ = b = 15 мм = 0,015 м;

Принимаем k_пр = 2,5 для паранитовой проккладки.

МН;

Определим усилие, возникающее от температурных деформаций F_t, МН:

где б_ф - коэффициент линейного расширения материала фланца, 1/С^о;

б_б - коэффициент линейного расширения материала болтов, 1/С^о;

t_ф - температура фланца, С^о;

t_б - температура болтов, С^о;

f_б - расчетная площадь поперечного сечения болта М24, м²;

Е_б - модуль упругости материалов болтов, МПа;

y_б - податливость болтов, м/МН;

y_ф - податливость фланцев, м/МН;

y_п - податливость прокладки, м/МН;

Принимаем б_ф = 16,6 ? 10^-6 1/С^о ;

Принимаем б_б = 13,1 ? 10^-6 1/С^о ;

С^о;



С^о;

Принимаем f_б = 3,4 ? 10^-4 м²;

Принимаем Е_б = 1,9 ? 10⁵ МПа;

м/МН;

где Е_п - модуль упругости прокладки из резины, МПа;

k_п - коэффициент обжатия прокладки;

Принимаем k_п = 1;

м/МН;

где н, л^'_ф - безразмерные параметры;

ш₁, ш₂ - поправочные коэффициенты;

Е - модуль упругости материала фланца, МПа;

Принимаем Е = 2 ? 10⁵ МПа;



;

МН/м;

Определим коэффициент жесткости фланцевого соединения k_ж:



Определим болтовую нагрузку в условиях монтажа F_б1, МН:

где Р_пр - давление обжатия прокладки, МПа;

Принимаем Р_пр = 20 МПа;

=2,03 МН.

Определим болтовую нагрузку в рабочих условиях F_б2, МН;

МН;

Определим приведенный изгибающий момент М₀, МН ?м:

;

где [у]₂₀ - предел прочности для материала фланца при t = 20 ^оС, МПа;

Принимаем [у]₂₀ = 197 МПа;

Принимаем М₀ = 2,05 МН?м;

Проведем проверку прочности и герметичности соединения.

Условие прочности болтов при монтаже фланцевого соединения и в рабочем состоянии выполняется:

где [у]_б.20 - предел прочности материала болтов при при t = 20 ^оС, МПа;

Принимаем [у]_б.20 = 130 МПа;

где [у]_б - предел прочности материала болтов при при t_б = 75 ^оС, МПа;

Принимаем [у]_б = 127 МПа;

Условие прочности прокладки выполняется

где [Р_пр] - допускаемое давление обжатия пркладки, МПа;

Принимаем [Р_пр] = 20 МПа;

МПа;

Определим максимальное напряжение в сечении, ограниченном размером S₀ и у₀, МПа:

где f_ф, Т_ф - безразмерные параметры;

S₁ - толщина втулки фланца, мм;

D^* - эквивалентный диаметр, м;

Принимаем f_ф = 1;

Так как , то S₁ = 0,011 м;

Так как D = 1,6 м > 20 ? S₁ = 20 ? 0,011 = 0,22 м, то D^* = D = 1,6 м;

МПа;

Определим напряжение во втулке от внутреннего давления:

- тангенциальное:



МПа;

- меридиональное:

МПа;

Условие прочности для сечения, ограниченного размером S₀, выполняется:

где [у]₀ - допускаемое напряжение для фланца в сечении S₀, МПа;

МПа;

;

Определим окружное напряжение в кольце фланца у_к, МПа:

МПа;

Условие герметичности фланцевого соединения выполняется:

где и - угол поворота фланца, рад;

[и] - допускаемый угол поворота фланца, рад;

Принимаем [и] = 0,013 рад;

рад < 0,013 рад.

Опоры

Определяем массу корпуса аппарата:

m_ап = m_кор+m_ж+m_руб+m_ж.руб

где

= 117179.4кг

m_ж = с_срVш = 980*6.3*0.7 = 4321.8кг

m_руб = с(рD_рубS_рубl_руб+1,24D²_рубS_руб^дн = 4780кг

кг

D_н = D+2S = 1.6 + 2*0.004 = 1.608

Определяем вес аппарата в условиях эксплуатации:

G = G₁+G₂

Где



G₁ =( m_кор+m_ж )g*10^-6 = 1.189 мН

G₂ = (m_руб+m_ж.руб )g*10^-6= 0.058 мН

G = 1,189+0,058 = 1,247 мН

Q = мН = 623,5КН

Q принимаем = 630 КН

Выбираем размеры лап по типу 1: b=680мм, h=1100мм.

Выберем накладной лист под опоры : B=900мм, H=1480мм.

Усилие, действующее на одну опорную лапу. Определяют по формуле:

При n = 2 и n = 4,

где - вес аппарата в условиях эксплуатации или испытания, Н;

- расстояние между точкой приложения усилия и обечайкой или подкладным листом соответственно, м. Если неизвестна точная величина , то принимают

,

где - длина опорной лапы, м;

- толщина стенки аппарата в конце срока службы, м;

- толщина подкладного листа, м;

- число опор

Несущую способность обечайки в месте приварки опорной лапы без подкладного листа следует проверять по формуле

где допускаемое усилие на опорный элемент в условиях эксплуатации или испытания F₁ определяют по формуле

Коэффициент определяют в соответствии с графиками, К₈ = 0,12.

Предельное напряжение изгиба определяется по формуле:

,

,

которая ограничивает местные напряжения изгиба в зависимости от мембранных напряжений и степени нагрузки общими мембранными напряжениями.

где - допускаемое напряжение для материала обечайки, МПа;

- запас прочности по пределу текучести;

- коэффициент, принимаемым равным для рабочих условий ;

- коэффициент, который определяют по рисунку 8 в зависимости от и ; К₁ = 0,41.

- коэффициент, представляющий отношение местных мембранных напряжений к местным напряжениям изгиба. = 0,4;

- коэффициент, учитывающий степень нагрузки общими мембранными напряжениями, определяется по формуле

Общее окружное мембранное напряжение в цилиндрической и конической обечайках определяют по формуле

,

Расчетный диаметр определяют следующим образом:

- для цилиндрической обечайки;

,

,

Проверим : ; ;

4.5 Теоплообменная рубашка

В связи с тем, что корпус аппарата изготовлен из нержавеющей стали, а рубашка из обычной углеродистой стали, конус для сопряжения рубашки с корпусом будем изготавливать из стали 08Х18Н10Т. Толщину конуса примем равной толщине рубашки.

Диаметр окружности сопряжения рубашки с днищем выберем из условия:

,

м.

Примем d1 = 0,7 м.

Определим коэффициент осевого усилия:

,

Коэффициент, учитывающий расстояние между корпусом сосуда и рубашкой:

,

где - расстояние от середины стенки рубашки до наружной стороны стенки корпуса:

,

м;

Тогда

.

Для соединения рубашки с корпусом примем коническое сопряжения без отбортовки с углом б = 45°.

Тогда коэффициент радиуса конической отбортовки с = 0.

Коэффициент длины сопряжения при б = 45°:

,

.

Коэффициент отношения прочности корпуса аппарата и рубашки определяется по формуле:

,

Определим относительную эффективную несущую длину конуса:

,

где и - расчетные коэффициенты прочности сварного шва корпуса и рубашки, соответственно. Примем

Тогда допускаемое избыточное давление в рубашке следует определить по формуле:



,

где В - коэффициент сопряжения при помощи конуса;

,

- вспомогательные величины, характеризующие условия деформации в стадии предельного равновесия

;

;

;

Коэффициенты прочности сопряжения и определяем по графикам в зависимости от вспомогательных параметров:

;;;.

Тогда

;

;

.

При этих значениях:

.

Допускаемое давление в рубашке:

МПа.

Так как допускаемое давление в рубашке меньше действительного, то необходимо увеличить толщину стенки конуса и стенки сопряженной рубашки на длине lR. Толщина корпуса будет

,

.

м.

мм.

Принимаем S2 = 12 мм.

Длина сопряженной стенки теплообменной рубашки, на которой толщина стенки должна быть не менее 12 мм:

;

м.

Примем lR = 95 мм.

При данной толщине стенки конуса

;

МПа.

Проверку несущей способности от совместного действия осевого усилия и избыточного давления в рубашке следует проводить по формуле:

,

где F - нагрузка от собственного веса. При расположении опор на рубашке МН.

Тогда

.

Условие соблюдается.

химический механический сборочный технологический



Заключение

В курсовом проекте были проделаны механические расчеты основных деталей и сборочных единиц. Были рассчитаны: толщины стенок корпуса, днища, крышки, рубашки; фланцевое соединение корпуса с крышкой; опоры аппарата; теплообменная рубашка.

Был произведен выбор материалов для изготовления узлов аппарата.



Список использованных источников

1. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. Примеры и задачи: учеб. пособие / М. Ф. Михалев и др-М.:АРИС, Машиностроение, 2010- 306 с.

2. Конструирование и расчет элементов оборудования отрасли. Часть 2. Тонкостенные сосуды и аппараты: Учебное пособие / В. Н. Щербаков и др. Красноярск : СибГТУ, 2008.-160с.

3. Конструирование и расчет элементов оборудования. Опоры аппаратов. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию: - Красноярск : СибГТУ, 2002 - 36с.

4. Конструирование и расчет элементов оборудования. Фланцевые соединения аппаратов. Методические указания к практическим занятиям. - Красноярск. СибГТУ - 2005. - 68с.

5. Конструирование и расчет элементов оборудования. Аппараты с рубашками : Учебное пособие. Красноярск : СибГТУ, 2009 - 68с.

6. Конструирование и расчет элементов оборудования. Методические указания к выполнению курсовой работы. - Красноярск : СибГТУ, 2002. - 32с.

7. ГОСТ14249-29 : ГОСТ24755-89, ГОСТ25221-82 и др.

Размещено на Allbest.ru

...