Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

колонный аппарат адсорбция конструкционный

Введение

1. Устройство аппарата и принцип его работы

1.1 Устройство колонны адсорбции

1.2 Принцип работы колонны адсорбции

2. Выбор конструкционных материалов

3. Цель расчетов и исходные данные

3.1 Цель расчётов

3.2 Исходные данные для расчёта

3.3 Определение расчетных параметров

4. Прочностный расчет основных элементов аппарата

4.1 Расчет цилиндрической обечайки

4.2 Расчет днищ

4.3 Расчет укрепления отверстий

4.4 Расчет фланцевых соединений

4.5 Выбор и расчет опоры

Заключение

Литература

Введение

Развитие химической, нефтехимической, а также пищевой промышленности требует создания высокоэффективных, экономичных и надёжных аппаратов высокого качества.

Механизация и автоматизация производственных процессов в промышленности осуществляется на основе развития машиностроения, за счёт новых конструкторских решений.

В связи с этим необходим правильный выбор вида и принципиальной конструкции аппарата, определение его рабочих параметров, основных размеров, марок конструкционных материалов и других необходимых для конструктивной разработки и расчёта аппарата на прочность данных.

В данной курсовой работе решаются инженерно-технические задачи, связанные с конструированием и обеспечением прочности и надежности колонного аппарата насадочного типа для проведения процесса адсорбции.

1. Устройство аппарата и принцип его работы

1.1 Устройство колонны адсорбции

Конструкция аппарата работающего под давлением должна обеспечивать надёжность и безопасность эксплуатации в течение расчётного срока службы и предусматривать возможность проведения технического освидетельствования, очистки, промывки, продувки, ремонта, эксплуатационного контроля металла и соединений. Устройства, препятствующие наружному и внутреннему осмотрам аппарата должны быть, как правило, съёмными. Конструкции внутренних устройств должны обеспечивать удаление из сосуда воздуха при пневматическом испытании и воды после гидравлического испытания.

Колонна для проведения процесса десорбции представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат. Корпус колонны выполнен из отдельных царг.

Цилиндрическая обечайка является одним из основных элементов аппарата. Царги изготавливают вальцовкой из листового проката и собирают в обечайку при помощи фланцев, привариваемых к царгам встык. Диаметр обечайки .



Рисунок 1 Эскиз колонны с насыпной насадкой царговой

В качестве насадки принимаем керамические кольца Рашига . Насадка засыпается на опорные решётки, имеющие отверстия для прохождения газа и стока жидкости, которая достаточно равномерно орошает насадку с помощью распределителя жидкости, представляющего собой тарелку ТСН - III.

Аппарат установлен на лапах.

В виду того, что аппарат выполнен из отдельных царг, то для монтажа и демонтажа внутренних элементов, а также загрузки и выгрузки насадки люки-лазы не требуются. Технологические штуцера служат для ввода и вывода продуктов. Обязательный контроль давления и температуры осуществляется с помощью контрольно-измерительных приборов, таких как манометр и термопара. Для предотвращения повышения давления выше максимально-допустимого служит предохранительный клапан.

Подъём и перемещение аппарата при монтаже и демонтаже, осуществляется подъемно-транспортными средствами; подвеска производится с помощью стропов аппаратов канатами, цепями или траверсами.

Строповые устройства на вертикальных аппаратах следует размещать как можно выше и обязательно выше центра тяжести аппарата

1.2 Принцип работы колонны адсорбции

Адсорбцией называется процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом - абсорбентом.

В промышленности применяю адсорбционные колонны:

-колпачковые;

-ситчатые;

-насадочные;

-клапанные;

-пленочные.

Они различаются в основном конструкцией внутренних устройств.

Применение разных контактных устройств обусловлено следующими факторами:

- условиями разделения в аппарате;

- особыми требованиями к аппаратному оформлению;

- особыми требованиями к технологическому процессу.

Насадочную колонну загружают твёрдыми телами - насадкой. Насадка обеспечивает высокую поверхность соприкосновения газа и жидкости. Как было отмечено ранее, в качестве насадки принимаем керамические кольца Рашига, которые беспорядочно засыпают в аппарат навалом.

Насадка характеризуется удельной поверхностью и свободным объёмом.

Преимуществом насадочных колонн является простота устройства и более низкое гидравлическое сопротивление по сравнению с тарельчатыми колоннами.

Для обеспечения герметичности соединения выбираем материал прокладок - паронит ПК 2.0 ГОСТ 481-80.

Сварку производить по ОСТ 26-291-79. Сварка автоматическая под слоем флюса.

2. Выбор конструкционных материалов

При конструировании технологической аппаратуры к конструкционным материалам предъявляются следующие требования:

1. Достаточная общая химическая и коррозионная стойкость материала в агрессивной среде с заданными концентрацией, температурой и давлением, при которых осуществляется технологический процесс, а также стойкость против других возможных видов коррозионного разрушения (межкристаллитная коррозия, электрохимическая коррозия сопряженных металлов в электролитах, коррозия под напряжением и др.);

2. Достаточная механическая прочность при заданных давлении и температуре технологического процесса, с учетом специфических требований, предъявляемых при испытании аппаратов на прочность, герметичность и т. п. и в эксплуатационных условиях при действии на аппараты различного рода дополнительных нагрузок (ветровая нагрузка, прогиб от собственного веса и т. д.);

3. Наилучшая способность материала свариваться с обеспечением высоких механических свойств сварных соединений и коррозионной стойкости их в агрессивной среде, обрабатываться резанием, давлением, подвергаться сгибу и т. п.;

4. Низкая стоимость материала, не дефицитность и освоенность его промышленностью. Необходимо стремиться применять двухслойные стали, неметаллических материалов. Номенклатура применяемых материалов как по наименованию, маркам, так и по сортаменту должна быть минимальной с учетом ограничений, предусматриваемых ведомственными нормами и действующими на заводах-изготовителях инструкциями;

5. Качество, химический состав и механические свойства материалов и полуфабрикатов должны удовлетворять требованиям соответствующих стандартов и ТУ и быть подтверждены сертификатами заводов-поставщиков. При отсутствии сертификатов все необходимые испытания должны быть проведены на заводе-изготовителе аппарата;

6. Возможность простой утилизации при выработке сроков эксплуатации оборудования, узлов и деталей.

Принимаем материал обечайки корпуса, днищ, люков, фланцев, внутренних устройств, наружных устройств, привариваемых непосредственно к корпусу - углеродистая сталь Ст3сп5. С учетом свойств сред в аппарате корпус аппарата изготавливается с плакирующим слоем стали марки 12Х18Н10Т [1].

Сталь Ст3сп5 пластична, легко деформируется и обрабатывается резаньем, сваривается всеми видами сварки.

Принимаем материал опор - углеродистая сталь Ст3сп5 (сталь обладает достаточно высокими технологическими характеристиками).

В качестве прокладочного материала принимаем, поранит ПК 2.0 ГОСТ 481-80, который обеспечивает достаточную герметичность соединения.

Принимаем материал опор - углеродистая сталь Ст3сп5 (сталь обладает достаточно

Сварка продольных и кольцевых швов обечайки корпуса, обечайки опоры, швов днищ - автоматическая электродуговая под слоем флюса по ГОСТ 8713-79.

3. Прочностный расчет основных элементов аппарата

3.1 Задание

Произвести прочностной расчёт элементов аппарата, что позволит определить:

- толщину стенок обечаек и днищ;

- основные размеры укрепляющих элементов отверстий;

- выбрать тип фланцевого соединения;

- диаметр и число болтов фланцевого соединения;

- подобрать и рассчитать опору.

3.2 Исходные данные для расчёта

Исходные данные:

- назначение насадочной колонны - адсорбция;

- тип колонны - из отдельных царг;

- основные размеры:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

- высота насадки, м: ;

- изгибающий момент ;

- опоры: лапы;

- среды в аппарате: ;

- температура ;

- давление (абсолютное):

максимальное ;

минимальное .

3.3 Определение расчётных параметров

За расчётную температуру стенки сосуда принимается наибольшая температура стенки, определённая на основании тепловых расчётов или результатов испытаний.

Так как имеет место случай невозможности проведения расчётов и испытаний, то расчётная температура стенки принимается равной температуре сред, соприкасающихся со стенкой: .

1) Внутреннее избыточное давление;

2) Наружное давление на аппарат .

3) Рассчетное давление

Рассчитаем пробное давление для корпуса, то есть давление, которым испытывают аппарат сварного типа

, (1)

где - допускаемое напряжение при [1];

- допускаемое напряжение при [1].

.

Давление при гидроиспытании

, (2)

где - плотность воды при , согласно табл. IV [3];

- ускорение свободного падения;

Высота цилиндрической части:

, (3)

;

.

Количество царг в колонне с учетом длины одной царги h/h_ц = 12,52/1,2=10,43 принимаем число царг равное одиннадцати. Конструктивно принимаем расположение опор на первой (нижней) царге так, чтобы уровень опоры находился по середине ее длины

Тогда высота колонны будет равна

(4)

где высота цилиндрической части днища определяется по формуле:

, (5)

- высота отбортовки [4];

- высота эллиптического днища [4].

,

Расчетная длина цилиндрической обечайки по формуле (4) будет равна:

Тогда, по формуле (2)

.

Проверим необходимость проведения расчёта при гидроиспытании

, (5)

.

Условие не выполняется, значит необходим расчёт при гидроиспытании.

Допускаемое напряжение при гидроиспытании

, (6)

где - предел текучести для стали Ст3сп5 при [1];

- коэффициент запаса прочности по пределу текучести в условиях испытаний [2].

.

Общее значение прибавки к расчётной толщине стенки

, (7)

где - суммарная прибавка для компенсации коррозии и эрозии. Для аппарата со сроком службы , и скоростью коррозии

- прибавка к расчётной толщине стенки корпуса для компенсации минусового значения предельного отклонения по толщине листа;

- прибавка к расчетной толщине стенки корпуса для компенсации утонщения стенки элементов аппарата в процессе изготовления.

.

4. Прочностный расчет основных элементов аппарата

4.1 Расчёт цилиндрической обечайки

Расчётная толщина стенки обечайки, работающей под действием внутреннего избыточного давления

(8)

где - коэффициент прочности стыкового сварного шва с двухсторонним сплошным проваром, выполняемым автоматической и полуавтоматической сваркой.

Расчетная толщина стенки обечайки от действия внутреннего давления для условий гидроиспытания

(9)

Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки

, (10)

.

Принимаем исполнительную толщину стенки обечайки .

Расчётная толщина стенки обечайки, работающей под действием наружного давления (при минимальном значении давления)

, (11)

где - коэффициент, определяемый по рис. 6.3 [2] в зависимости от значений коэффициентов и :

, (12)

- коэффициент запаса устойчивости;

- модуль продольной упругости при [2].

,

, (13)

.

Тогда, по формуле (11)

.

Исполнительная толщина стенки обечайки по формуле (9)

.

Принимаем исполнительную толщину стенки обечайки .

Рассчитаем обечайку, работающую под совместным действием наружного давления, внешней сжимающей силы, действующей в осевом направлении и внешнего изгибающего момента. Допускаемое наружное давление определяется из условия:

(14)

где допускаемое наружное давление, определяемое из условий устойчивости всей обечайки, рассчитывается по формуле:

, (15)

где - допускаемое наружное давление, определяемое из условий прочности всей обечайки, рассчитывается по формуле:

, (16)

где F_К = 8.4•10^-3 м²- площадь поперечного сечения кольца (фланца);

l_R = h_ц - высота царги;



Допускаемое наружное давление из условий устойчивости в пределах упругости рассчитывается по формуле:

₍₁₇₎

где (18)

K - коэффициент жесткости обечайки, подкрепленной кольцами жесткости:

(19)

Здесь эффективный момент инерции расчетного поперечного сечения кольца жесткости определяется по формуле:

Допускаемое наружное давление, определяемое из условий устойчивости обечайки между кольцами жесткости, [p]₂:

, (21)

где - допускаемое давление из условия прочности

, (22)

;

- допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости:

, (23)

, (24)

,

,

,

[p]= min {0,078;0,37} = 0,078 МПа

Допускаемый изгибающий момент

, (25)

где - допускаемый изгибающий момент из условия прочности:

, (26)

;

- допускаемый изгибающий момент из условия устойчивости в пределах упругости:

, (27)

,

.

Осевая сжимающая сила

, (28)

где - наружный диаметр аппарата;

- вес аппарата в рабочих условиях:

. (29)

- вес обечайки (выше уровня опор):

, (30)

- плотность стали Ст3сп5.

;

- вес днища:

, (31)

- толщина днища, принимаемая равной толщине обечайки во избежание краевого эффекта;

- площадь эллиптического днища [4].

.

- вес насадки:

, (32)

,

,

.

Допускаемая осевая сжимающая сила

, (33)

где - допускаемая осевая сжимающая сила из условия прочности:

, (34)

;

- допускаемая осевая сжимающая сила из условия устойчивости в пределах упругости:

, (35)

- допускаемая осевая сжимающая сила из условия местной устойчивости в пределах упругости:

, (36)

;

- допускаемая осевая сжимающая сила из условия общей устойчивости в пределах упругости:

, (37)

- гибкость:

, (38)

- приведённая длина.

,

,

,

.

Проверка на устойчивость

, (39)

.

Условие устойчивости выполняется.

4.2 Расчёт днищ

Принимаем стандартное эллиптическое отбортованное днище 800 - 16
ГОСТ 6533-78.

Необходимо проверить условие прочности и устойчивости при принятой толщине днища . Допускаемое внутренне избыточное давление

, (40)

где - для эллиптических днищ.

,

.

Условие выполняется.

Допускаемое давление из условия прочности

, (41)

.

Допускаемое давление из условия устойчивости

, (42)

где , (43)

, (44)

,

,

.

Допускаемое наружное давление по формуле (15)

,

.

Условие выполняется.

4.3 Расчёт укрепления отверстий

Расчётный диаметр для цилиндрической обечайки [2].

Расчётный диаметр для эллиптического днища

, (45)

где - расстояние от центра укрепления отверстия до оси днища (смещение относительно оси симметрии отсутствует).

.

Расчётная толщина стенки днища

, (46)

Считая, что ось сварного шва достаточно удалена от наружной поверхности штуцера, принимаем коэффициент прочности сварного соединения .

.

Расчётная толщина цилиндрической обечайки (см. п. 4.1).

Расчётный диаметр одиночного отверстия в обечайке, не требующего дополнительно укрепления

, (47)

.

Расчётный диаметр одиночного отверстия в днище, не требующего дополнительного укрепления определяем по формуле:

.

Расчётный диаметр отверстий

. (48)

Для имеющихся отверстий получим:

,

,

,

,

.

Проверяем условие :

,

,

,

.

Для всех отверстий условие выполняется. Расчёт укрепления отверстий не требуется.

4.4 Расчёт фланцевых соединений

Фланцевые соединения широко применяются в химическом машиностроении, они обеспечивают герметичность и прочность конструкции, а также простоту изготовления, разборки и сборки. Соединение (рисунок 3) состоит из двух фланцев 1, болтов 2 и прокладки 3, которая устанавливается между уплотнительными поверхностями и позволяет обеспечить герметичность при относительно небольшом усилии затяжки болтов.

Рисунок 3 Фланцевое соединение

Расчёт ведётся по [5].

Тип фланцев - плоские приварные, изображены на рисунке 4.2, таблица 13.6 [5].

С целью унификации по таблице 13.7 [5] выбираются стандартные плоские приварные фланцы: Фланец 1-800-16 ОСТ 26-426-79, фланцы привариваются непосредственно к обечайке и к крышке, так как толщина их стенок равна толщине стенки втулки указанной в таблице.

Основные параметры фланцевого соединения, рисунок 4.2:

- внутренний диаметр фланцевого соединения ;

- наружный диаметр фланца ;

- диаметр болтовой окружности;

- толщина фланца ;

- диаметр отверстий под болты ;

- число отверстий ;

- диаметр болтов ;

- геометрический размер уплотнительной поверхности ;

По таблице 13.14 [4] выбирается прокладка для стандартного фланцевого соединения:

Прокладка 2-800-6 ОСТ 26-430-79.

Основные параметры прокладки:

- материал прокладки паронит по ГОСТ 481-71;

- наружный диаметр ;

- внутренний диаметр ;

- толщина прокладки .

Рисунок 4 Фланец плоский приварной

Болтовая нагрузка в условиях монтажа

, (49)

где - коэффициент жёсткости фланцевого соединения;

- внешняя осевая сжимающая сила;

- равнодействующая внутреннего давления;

- реакция прокладки;

M - внешний изгибающий момент;

- минимальное давление сжатия прокладки, таблица 1.44 [5];

- расчётная площадь поперечного сечения болта, [5];

- средний диаметр прокладки;

- допускаемое напряжение для материала болтов при , таблица 1.38 [5].

(50)

.

, (51)

где - эффективная ширина прокладки;

- коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки, таблица 1.44 [5].

.

, (52)

Линейная податливость прокладки

, (53)

где - высота (толщина) прокладки;

- коэффициент обжатия прокладки ( - для паронита);

- модуль упругости материала прокладки, таблица 1.44 [5];

Линейная податливость болтов

, (54)

где - расчетная длина болта;

- расчетная площадь поперечного сечения болта по внутреннему диаметру резьбы;

- число болтов;

- модуль упругости материала болтов;

, (55)

где - расстояние между опорными поверхностями головки болта и гайки (определяется конструктивно).

.

Угловая податливость фланца

, (56)

где - безразмерные параметры:

(57)

, (58)

- коэффициенты, определяемые по формулам:

(59)

, (60)

где - модуль упругости фланца;

.

Тогда

Болтовая нагрузка в рабочих условиях

(61)

Усилие, возникающее от температурных деформаций

(62)

где - соответственно коэффициенты линейного расширения фланцев и болтов, таблица XI [3];

- соответственно температура фланцев и болтов, таблица 1.37 [5].

.

Проверяются условия прочности болтов:

(63)

(64)

Условия прочности болтов при монтаже и при работе аппарата выполняются.

4.5 Выбор и расчёт опоры

Гидроиспытания проводятся при условии отсутствия насадки в колоне. Вес колонны в условиях гидроиспытаний

, (65)

где - вес воды

, (66)

,

.

Вес колонны в условиях монтажа

, (67)

.

Рисунок 5 Нагрузки, действующие на аппарат

Нагрузка на одну опору определяется по формуле:

, (68)

где для опоры без накладного листа;

b, f_max - по таблице 14.1 [4],

z - число опор, принимаем z = 4;

, - коэффициенты, зависящие от числа опор, при z = 4 , .

Ориентировочно принимаем опору 1-6300 ОСТ 26-665-79 с максимальной нагрузкой Q = 63 кН, тогда b = 230 мм, f_max = 60 мм и

Тогда

Проверим прочность стенки вертикального цилиндрического аппарата под опорой-лапой без накладного листа

Осевое напряжение от внутреннего давления р и изгибающего момента определяется по формуле:

(69)

Окружное напряжение от внутреннего давления:

(70)

Максимальное мембранное напряжение от основных нагрузок определяется на соотношения:

(71)

Максимальное мембранное напряжение от основных нагрузок и реакции опоры определяется по формуле:

(72)

где К₁ = 0,1 принимается по рисунку 14.6 [4]

Максимальное напряжение изгиба от реакции опоры определяется по формуле:

(73)

где К₂ = 0,1 принимается по рисунку 14.7 [4]

Условие прочности имеет вид:

где А = 0,8 - для эксплуатационных условий.

Толщину накладного листа определяем по формуле:

(76)

где К₅ = 0,2 принимается по рисунку 14.10 [4]

А = 1- для эксплуатационных условий

Окончательно принимаем: Опора 1-6300 ОСТ 26-665-79 со следующими параметрами, мм:

а = 185; а₁ = 230; b = 230; с = 60; с₁ = 130; h = 360; h₁ = 24; s₁= 12; К = 35; К₁ = 70; d = 35;

d_Б = М30; f_max = 60. Конструкция опоры приведена на рисунке 6. Накладные листы 1-6300-10 ОСТ 26-665-79 со следующими параметрами, мм: В=300; Н=490; с=24; . Конструкция накладного листа приведена на рисунке 7

Рисунок 6 Конструкция стандартной опоры-лапы



Рисунок 7 Конструкция стандартного накладного листа

Заключение

Итогом курсового проектирования является подробный расчет аппарата и его элементов исходя из условий его эксплуатации. В частности, был произведен расчет толщин цилиндрической обечайки и днища колонны, расчет фланцевого соединения, расчет укрепления отверстий, расчет опор. Также был произведен подбор материалов с учетом технико-экономических показателей. Для большей унификации аппарата большинство элементов аппарата были приняты стандартными. Толщины стенок были приняты с запасом исходя из прочностных расчетов, что дает возможность применять аппарат при более жестких условиях, чем заданные.

Следовательно, на основании произведённого расчета можно сделать вывод, что спроектированный аппарат пригоден к эксплуатации при заданных условиях.

Литература

1 Воробьёва Г. В. «Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств». Справочник. М.: «Химия», 1975. 816 с.

2 ГОСТ 14249-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на прочность. 79 с.

3 Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов/Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. 9-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия, 1981. 560 с., ил.

4 Лащинский А. А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1982. 382 с., ил.

5 Расчет и конструирование машин м аппаратов химических производств: Примеры и задачи: Учеб. пособие для студентов вузов/ М.Ф. Михалев и др.; Под общ. ред. М.Ф. Михалева. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. 301 с., ил.

Размещено на Allbest.ru

...