Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО «БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА «ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ»

Контрольная работа по дисциплине: «Основы проектирования»

Группа: 4-ТМО-зп

Студент: Арсланов Р.И.

Преподаватель: Шафиков Р.Р.

Уфа 2013



Содержание

• 1. Техническая характеристика аппарата, его устройство, назначение и принцип действия
• 2. Конструкторско-механическая часть
• 2.1 Расчет аппарата на прочность
• 2.1.1 Исходные данные
• 2.1.2 Выбор конструкционных материалов основных элементов аппарата
• 2.1.3 Выбор коэффициента прочности сварных швов
• 2.1.4 Определение расчетных параметров
• 2.1.4.1 Определение расчетной температуры
• 2.1.4.2 Определение расчетного давления для рабочих условий
• 2.1.4.3 Определение расчетного давления для условий испытаний
• 2.1.4.4 Расчет толщины стенки цилиндрической обечайки. Выбор стандартной толщины. Прибавки к расчетным толщинам
• 2.1.4.5 Расчет толщины стенки днищ. Выбор стандартных днищ
• 2.2 Расчет укрепления отверстия
• 2.3 Расчет фланцевого соединения
• Список использованных источников


1. Техническая характеристика аппарата, его устройство, назначение и принцип действия

Химические аппараты предназначаются для осуществления в них химических, физических или физико-химических процессов (химическая реакция, теплообмен без изменения агрегатного состояния, испарение, конденсация, кристаллизация, растворение, выпарка, ректификация, абсорбция, адсорбция, сепарация, фильтрация и т. д.), а также для хранения или перемещения в них различных химических веществ.

В зависимости от назначения, чаще всего по протекающему технологическому процессу, химические аппараты называются: реактор, теплообменник, испаритель, конденсатор и т. д.

Содержащиеся и перерабатываемые вещества в аппаратах бывают в разном агрегатном состоянии (чаще всего в жидком и газообразном, реже в твердом), различной химической активности (по отношению к конструкционным материалам) -- от инертных до весьма агрессивных, для обслуживающего персонала -- от безвредных до токсичных и в эксплуатации -- от безопасных до огневзрывоопасных.

Различные химико-технологические процессы в аппаратах осуществляются при различных, свойственных каждому процессу, давлениях -- от глубокого вакуума до избыточного в несколько сот тысяч килопаскалей и самых разнообразных температурах -- от -250 до +900 °С.

Характер работы аппаратов бывает непрерывный и периодический, а установка их может быть стационарной (в помещении или на открытой площадке) и нестационарной (предусматривающей или допускающей перемещение аппарата).

В данном варианте рассмотрим отпарную колонну.

2. Конструкторско-механическая часть

В данном разделе приведены расчеты основных деталей теплообменного аппарата с профильными трубками на прочность. Целью данных расчетов является проверка обеспечения нормальных условий работы основных деталей и, следовательно, аппарата в целом. Необходимо определить, выполняются ли условия прочности при заданных эксплуатационных параметрах.

В этой части проекта представлена общая схема расчета теплообменного аппарата, а также содержится расчет укрепления отверстий и расчет фланцевых соединений. Расчет заключается в определении толщины стенки цилиндрической обечайки и днища, условий прочности и герметичности.

2.1 Расчет аппарата на прочность

2.1.1 Исходные данные

Рабочие условия:

- среда - бензин;

- температура - 140?С;

- давление - 0,06 МПа;

Внутренний диаметр аппарата D=1400 мм;

Общая высота L=23000 мм;

Высота опоры l=5800 мм;

Масса m=25•10 ³ кг

2.1.2 Выбор конструкционных материалов основных элементов аппарата

Материалами для изготовления стальных сварных аппаратов являются полуфабрикаты, поставляемые металлургической промышленностью в виде поковок и отливок.

Материалы должны быть химически и коррозионностойкими в заданной среде при ее рабочих параметрах, обладать хорошей свариваемостью и соответствующими прочностными и пластическими характеристиками в рабочих условиях, допускать холодную и горячую механическую обработку, а также иметь возможно низкую стоимость и быть недефицитными.

Выбор конструкционного материала производим по рабочей среде в аппарате и рабочим параметрам - температуре и давлению.

Рабочей средой аппарата является бензин. Бензины должны обладать минимальным коррозионным действием на металлы, которое зависит от содержания в топливе водорастворимых кислот и щелочей, органических кислот и сернистых соединений. Бензин прямой гонки при отсутствии воды практически не действует на технически важные металлы, а крекинг-бензин и сырые фенолы при взаимодействии со многими металлами (Fe, Pb, Mg, Cu, Zn) осмоляются, их кислотность повышается, что вызывает коррозию металлов.

Выбираем качественную углеродистую сталь марки ВСт3пс2, область применения которой:

- t_раб от минус 15 до плюс 350;

- давление до 0,07 МПа.

2.1.3 Выбор коэффициента прочности сварных швов

Сварка является основной технологией изготовления стальной сварной химической аппаратуры, когда требуется неразъемно соединить между собой различные ее детали.

Из существующих многих видов сварки в производстве стальных аппаратов применяется в основном электродуговая сварка разными способами (ручным, автоматическим и полуавтоматическим под флюсом), реже - другие виды сварки (электрошлаковая, газовая, контактная).

В зависимости от толщины соединяемых деталей сварка их производится в один или несколько проходов (слоев).

Сварные швы подлежат контролю качества соединения (внешним осмотром, измерением, механическими испытаниями, металлографическим исследованием, стилоскопированием, ультразвуковой дефектоскопией, просвечиванием рентгеновскими или г-лучами, замером твердости, в ряде случаев испытанием на межкристаллитную коррозию и гидравлическим или пневматическим испытанием ).

Коэффициент прочности сварного шва ц зависит от вида шва, типа сварки, процентного объема контролируемых швов. Так как аппарат можно изготовить целиком на заводе-изготовителе, то принимаем, что сварка автоматическая, шов стыковой с двухсторонним сплошным проваром. Примем, что длина контролируемых швов от общей длины составляет 100%, таким образом принимаем ц=1.

2.1.4 Определение расчетных параметров

2.1.4.1 Определение расчетной температуры

Расчетная температура выбирается следующим образом

t_расч = max {tраб, 20 ?С}={140?C, 20?C}=140?C. (2.1)

2.1.4.2 Определение расчетного давления для рабочих условий

Расчетное давление для рабочих условий определяется по формуле

=, (2.2)

где P_раб - рабочее давление в аппарате, МПа;

- гидростатическое давление среды, МПа, которое рассчитывается по формуле теплообменный сварной трубка

•g•h=0. (2.3)

Гидростатическое давление среды учитывается, если больше или равно 5% от P_раб.

.

Поскольку значительно больше 5% от P_раб, то гидростатическое давление учитываем:

= 0,12 МПа

2.1.4.3 Определение расчетного давления для условий испытаний

Расчетное давление для условий испытаний определяется по формуле

, (2.4)

где Р_пр- пробное давление, МПа;

- гидравлическое давление среды, при t равной 20?С, МПа.

Пробное давление рассчитывается по формуле

, (2.5)

где - допускаемое напряжение для материала корпуса аппарата, МПа, при t равной 20?С;

- допускаемое напряжение для материала корпуса аппарата, МПа, при рабочей температуре t равной 140?С.

Определим допускаемые напряжения из следующих условий:

- для рабочих условий при t_раб равной 140?С

, (2.6)

где з- поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки, так как обечайка сварная то примем з равным 1;

- нормативное допускаемое напряжение, МПа.

Принимаем = 145 МПа при t_раб = 140?С, тогда = 145 МПа;

- для условий испытаний при tраб. равной 20?С

, (2.7)

где - предел текучести, МПа, при t равной 20?С;

n_т - коэффициент запаса по пределу текучести ( n_т = 1,1 ).

Принимаем при t равной 20?С равно 140 МПа.

Рассчитаем допускаемое напряжение при условиях испытаний по (2.7)

Рассчитаем пробное давление по (2.5)

.

Гидравлическое давление среды рассчитывается по формуле

, (2.8)

где г - удельный вес воды, МН/, принимаем г равным МН/м³;

Н- высота аппарата, м.

МПа.

= 0,058+0,17 = 0,228 МПа

2.1.4.4 Расчет толщины стенки цилиндрической обечайки. Выбор стандартной толщины. Прибавки к расчетным толщинам

Толщина стенки цилиндрической обечайки выбирается по следующему выражению

, (2.9)

где ц - коэффициент прочности сварного шва.

Рассчитаем толщину стенки цилиндрической обечайки по (2.9) соответственно при рабочей температуре и при температуре 20?С

мм,

мм.

Принимаем толщину стенки цилиндрической обечайки

=max {5,8; 4,6}= 4,6 мм.

Действительная толщина стенки цилиндрической обечайки аппарата рассчитывается следующим образом

, (2.10)

где С - сумма прибавок, мм, которая рассчитывается по формуле

С=С₁+С₂+С₃, (2.11)

где С1 - прибавка на коррозию и эрозию, мм;

С2 - прибавка на минусовое значение предельного отклонения по толщине листа, мм;

С3 - технологическая прибавка. Учитывается в зависимости от принятой технологии изготовления, мм.

Принимаем С₁ = 2 мм, так как отсутствуют данные о проницаемости, С₂ = 0,4 мм при = 4,47 мм, С3 = 0, так как отсутствуют данные о технологии изготовления.

Действительная толщина стенки аппарата получается

4,6 + 2,4 =7 мм.

Округляем до ближайшего значения, которое равно = 7 мм.

Проверяем условие тонкостенности аппарата, которое записывается в виде

, (2.12)

<0,1 - условие выполняется.

2.1.4.5 Расчет толщины стенки днищ. Выбор стандартных днищ

Толщина определяется по формуле

. (2.13)

Рассчитаем толщину стенки днища по (2.13) соответственно при рабочей температуре и температуре испытаний

мм;

мм.

Принимаем толщину стенки днища

=max{5,8 ; 9,7}=9,7 мм.

Поскольку толщина стенки у днища и корпуса не должна быть различной из-за появления дополнительных нагрузок принимаем толщину стенки днища равной толщине стенки цилиндрической обечайки.

Действительная толщина стенки днища = 6 мм.

По ГОСТ 6533-78 выбираем днище со следующими размерами:

D=1400 мм;

S=6 мм;

H=350 мм;

h=25 мм;

F=2,23 м³;

V=0,3960 м³.

2.2 Расчет укрепления отверстия

В корпусе и днищах цилиндрических аппаратов для установки люков и штуцеров вырезают отверстия. Они ослабляют сечение стенки аппарата. Вырезанное сечение обычно компенсируют приваркой накладного укрепляющего кольца диаметром Dк по его наружному периметру к корпусу аппарата или утолщением стенки корпуса и патрубка.

По краю отверстия возникают концентрация напряжений. Местные напряжения по краю отверстия могут достигать предела текучести.

Укрепление отверстия обязательно, если условный диаметр патрубка превышает 50 мм.

Укрепляющее кольцо обычно ставят снаружи аппарата. В этом случае кольцо не подвергается коррозии и его удобнее приваривать. Каждое укрепляющее кольцо снабжают специальным сигнальным отверстием с резьбой М10. Его располагают в нижней части кольца. Во время эксплуатации отверстие должно быть открыто. Это позволяет обнаружить нарушение герметичности основного сварного шва, прикрепляющего патрубок к корпусу аппарата.

Выбираем штуцер с фланцами стальными приварными встык с соединительным выступом или впадиной. Эскиз щтуцера приведен на рисунке 2.1.

Геометрические характеристики штуцера при D_y = 250 мм и Р_у =1,6 МПа:

- наружный диаметр штуцера d_т = 273 мм;

- исполнительная толщина стенки штуцера S_т = 10 мм;

- высота штуцера Н_т = 220 мм.

Рисунок 2.1- Эскиз штуцера

Определим внутренний диаметр штуцера

d=dт - 2•Sт; (2.14)

d=273-2•10=253 мм.

Определим расчетный диаметр отверстия, не требующего укрепления:

, (2.15)

м.

Определим расчетный диаметр отверстия, которое будем укреплять:

d_R = d_Т = 273 мм (2.16)

Сравним расчетный диаметр d_R с диаметром d_OR для того, чтобы знать надо ли укреплять отверстие под штуцер или нет. Отверстие укрепляется если d_R больше d_OR. Из сравнения видим что d_R больше d_OR, значит отверстие требуется укреплять.

2.3 Расчет фланцевого соединения

В химических аппаратах для разъемного соединения составных корпусов и отдельных частей применяются фланцевые соединения преимущественно круглой формы. На фланцах присоединяются к аппаратам трубы, арматура и так далее. Фланцевые соединения должны быть прочными, жесткими, герметичными и доступными для сборки, разборки и осмотра.

Фланцевые соединения стандартизированы для труб и трубной арматуры и отдельно для аппаратов.

Выбор фланца производим по условному диаметру D_y = 250 мм и условному давлению P_y = 1,6 МПа.

Выбираем стальной приварной встык фланец с соединительным выступом или впадиной. Эскиз фланца приведен на рисунке 2.2. Определяем размеры фланца и число отверстий под болты или шпильки:

D_ф=370 мм;

D_б=335 мм;

D₁=312 мм;

D₂=304 мм;

D₄=273 мм;

D₅=279 мм;

H=18 мм;

h=18 мм;

d=20 мм;

z= 12 шт.

Рисунок 2.2 - Эскиз фланца

Примем материал фланца - сталь 20.

Прокладка устанавливается между уплотнительными поверхностями и позволяет обеспечивать герметичность при относительно небольшом усилии затяжки болтов.

Конструктивные формы уплотнительных поверхностей регламентированы стандартами. При внутреннем давлении до 0,6 МПа применяется плоская уплотнительная поверхность. Прокладка должна отвечать следующим требованиям: при сжатии с возможно малым давлением заполнять все микро неровности уплотнительных поверхностей; сохранять герметичность соединения при упругих перемещениях элементов фланцевого соединения (для этого материал прокладки должен обладать упругими свойствами), сохранять герметичность соединения при его длительной эксплуатации в условиях воздействия коррозионных сред при высоких и низких температурах, материал прокладки не должен быть дефицитным.

Выбираем плоскую неметаллическую прокладку из паронита, рабочие условия которой:

- давление меньше или равно 2,5 МПа;

- температура от минус 200 до плюс 400.

При диаметре аппарата 800 мм ширина уплотнительной прокладки в зависимости от ее конструкции, материала и диаметра аппарата принимается b_П равной от 12 до 15 мм. Принимаем b_П = 14 мм.

Для прокладки из паронита определяем

m=2,5;

q=2,0 МПа;

[q]=1300 МПа;

Eп.=2000 МПа.

Эскиз прокладки приведен на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Эскиз прокладки

Во фланцевых соединениях при P равном 4,0 МПа и t меньше 300 °С применяются болты. При Р меньше или равно 2,5 МПа и t от минус 40 °С до плюс 300 °С для болтов применяется марка стали - сталь 35, допускаемое напряжение которой [у]Б равно 130 МПа. Рекомендуемый диаметр болтов от М20 до М30. Конструктивно принимаем диаметр болтов М24, тогда определяем f_б равную 3,4·; d равный 27 мм.

Наружный диаметр прокладки определяется по формуле

, (2.17)

мм,

где e - нормативный параметр, мм, зависящий от типа прокладки, e = 28 мм.

Средний диаметр прокладки определяется по формуле

, (2.18)

мм.

Эффективная ширина прокладки определяется при b_п. меньше 15 мм по формуле

, (2.19)

мм.

Нагрузка от давления определяется по формуле

, (2.20)

где P_рас - расчетное давление внутри аппарата при расчетной температуре.

Н.

Реакция прокладки в рабочих условиях определяется по формуле

, (2.21)

где m - коэффициент, который показывает во сколько раз удельное давление должно быть больше, чем расчетное давление, выбирается в зависимости от типа и материала прокладки , m = 2,5.

Рассчитаем реакцию прокладки по (2.21)

Н.

Болтовая нагрузка в условиях монтажа (до подачи внутреннего давления) определяется по формуле

, (2.22)

где б - коэффициент жесткости прокладки, который зависит от типа фланца и материала, б = 1,4 для плоских приварных фланцев;

q - удельное давление на прокладку, МПа.

Рассчитаем болтовую нагрузку в условиях монтажа по (2.22)

Болтовая нагрузка для рабочих условий рассчитывается по формуле

, (2.23)

где Qt - нагрузка, учитывающая температурные деформации, которая рассчитывается по формуле

, (2.24)

где г - коэффициент, учитывающий податливость фланца, для плоских приварных фланцев г = 0,1;

z_Б - количество болтов;

б_ф. ,б_Б - коэффициенты температурного расширения соответственно для ма- териала фланца и материала болта: материал фланца - сталь 20 б_ф. = 12,4· 1/°С, материал болта - сталь 35, б_Б равен 12,1· 1/°С;

t_ф, t_Б - температура соответственно фланца и болта, по t_рас. = 60°С; t_ф. равной t_рас., t_Б равной 0,97·t_рас

Рассчитаем нагрузку, учитывающую температурные деформации по (2.24)

Н.

Рассчитаем болтовую нагрузку в рабочих условиях по (2.23)

Н.

Условия прочности болтов имеют вид

МПа < =130 МПа , (2.25)

МПа < =128 МПа. (2.26)

Условие прочности прокладки

МПа < [q]=130 МПа. (2.27)

Максимальное напряжение в сечении S1 фланца, которое наблюдается в месте соединения втулки с плоскостью фланца

, (2.28)

где T - безразмерный параметр;

М₀ - расчетное значение приведенного изгибающего момента, Нм;

=D4=278 мм;

щ - безразмерный параметр, определяемый по формуле

, (2.29)

где j - безразмерный параметр, который определяется по формуле

, (2.30)

ш1 - безразмерный параметр, который определяется по формуле

, (2.31)

л - безразмерный коэффициент, который равен 0,68.

Рассчитаем безразмерный параметр щ по (2.29)

Расчетное значение приведенного изгибающего момента определяется следующим образом

, (2.32)

где М₀₁,М₀₂ - приведенные изгибающие моменты в диаметральном сечении фланца, которые определяются по формулам

; (2.33)

Н·м;

, (2.34)

Н·м.

Расчетное значение приведенного изгибающего момента

Н·м.

Максимальное напряжение в сечении S₁ фланца

МПа.

Максимальное напряжение в сечении S₀ фланца, которое наблюдается в месте соединения втулки с обечайкой или днищем

МПа, (2.35)

где ш₃ - безразмерный параметр, который равен 1.

Напряжение в кольце фланца от действия М₀ рассчитывается по формуле

, (2.36)

где ш₂ - безразмерный параметр, который равен 5,3.

Рассчитаем напряжения в кольце фланца по (2.36)

МПа.

Напряжения во втулке фланца от внутреннего давления определяются по формулам

МПа, (2.37)

МПа. (2.38)

Проверим условие прочности фланца в двух сечениях

- в месте соединения втулки фланца с плоскостью фланца, в сечении S₁

, (2.39)

МПа.

- в сечении S₀

, (2.40)

где ц - коэффициент прочности сварного шва;

[у]₀ - допускаемое напряжение для материала фланца, которое рассчитывается по формуле

(2.41)

МПа.

Произведем проверку прочности в сечении S₀

Условие герметичности фланцевого соединения имеет вид

, (2.42)

где [?] - допустимый угол поворота для кольца, [?] = 0,009.

Проверим герметичность фланцевого соединения

Условие выполняется.



Список использованных источников

1. ГОСТ 31838-2012. Межгосударственный стандарт. Аппараты колонные. Технические требования

2. Баязитов М.И., Чирков А.Г. Конструирование и расчет элементов - оборудования отрасли - Уфа: УГНТУ, 1999г. - 172 с.

3. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов - Л.: Машиностроение, 1981г. - 385 с.

4. Мальцева Г. Н. Под редакцией д. т. н., профессора С. Н. Виноградова. Коррозия и защита оборудования от коррозии: Учеб. пособие. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000. - с.

5. http://www.ngpedia.ru/id639389p1.html -- Большая Энциклопедия Нефти Газа

Размещено на Allbest.ru

...