Расчет химического аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет химического аппарата

1. Основные параметры технического задания курсового проекта

гидростатический давление конструкционный аппарат

Тип аппарата и его номинальный объем:

ВЭЭ-01 - вертикальный с эллиптическим днищем и эллиптической крыш- кой и номинальным объемом V=5,00м³. Исполнения 01 (с отъемной крышкой и с гладкой приварной рубашкой)

Диаметр корпуса аппарата: D_a=1200 мм.

Давление в корпусе аппарата:

избыточное Р_и = 0,4МПа; остаточное Р_ост =0,04МПа.

Давление в рубашке Р_руб.= 0,5МПа.

Характеристики среды:

состав - КОН; концентрация -10%; температура = + 30 ^оС.

Срок службы аппарата Т_а = 30 лет.

2. Выбор конструкционного материала

Основными критериями при выборе конструкционного материала является его химическая и коррозионная стойкость в заданной среде и условия эксплуатации. Характеристики материала определяем по соответствующим таблицам:

а) скорость коррозии в рабочей среде;

б) предельные значения температуры по условиям стойко и термостойкости.

Основываясь на данных указанных таблиц для рабочей среды КОН концентрации 10 % при температуре 30°С выбираем материал 35ХМ, скорость коррозии которого в этой среде равна П = 0,1 мм/год.

Прибавка на компенсацию коррозии С_к к расчетным толщинам конструктивных элементов, находящихся в контакте с агрессивной средой, определяем по формуле:

С_к = ПТ_а = 0,1*30 = 3мм.

где П - скорость коррозии, мм/год;

Т_а = 30 лет - срок службы аппарата.

Допускаемое напряжение для выбранного материала корпуса определяется по формуле:

где - расчетное допускаемое напряжение,

- поправочный коэффициент, учитывающий взрыво- и пожароопасность среды в аппарате, будет равен 1;

- нормативное допускаемое напряжение для заданной температуры и выбранной стали 35ХМ будет равно 230МПа; - коэффициент сварного шва характеризует прочность сварного шва в сравнении с прочностью основного материала.

Коэффициент выбирается в зависимости от вида сварки и типа сварного соединения.

3. Расчет геометрических размеров корпуса аппарата

Расчет основных размеров корпуса аппарата проводится по данным номинального объема V и внутреннего диаметра аппарата D_a (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1

Эллипсоидные крышка и днище имеют форму эллипсоида вращения, у которого Н_э = 0,25D_a,= 0,25*1200=300 мм и снабжены цилиндрической отбортовкой (высотой h_отб) с целью удалить сварной шов от закруглённой части, чтобы не нагружать его изгибающими напряжениями.

Высота цилиндрической части:

где V - номинальный объем аппарата,

V_K - объем крышки,

V_Д - объем днища.

для аппарата ВЭЭ:



Подставляем в эти формулы численные данные:

Н_ц.ч.= = 4.023м ? 4000 мм.

Высоту цилиндрической части без учета высоты фланца и отбортовок днища и крышки назначаем из следующего ряда (выборка): 800, 900, 1000, 1100, 1250, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, 2500, 2800, 3200, 3600, 4000, 4500, 5000 и т.д. через 500 до 10000, а затем через 1000 до 30000.

Диаметр рубашки D_p (мм) рассчитываем по формуле:

D_p = D_a + 100 = 1200+100 = 1300мм. ( при 1000 >D_a < 2000)

4. Определение расчетных давлений

Расчет внутреннего давления.

Расчетное внутреннее давление для элементов корпуса, Р_ав, расположенных выше уровня жидкости в аппарате, принимается равным рабочему избыточному давлению газовой среды:

Р_ав = Р_и

где Р_ав - расчетное внутреннее давление для корпуса аппарата;

Р_и - рабочее избыточное давление (заданное).

Определим гидростатическое давление в нижней точке аппарата:

Р_г = g * Н_ж = 1,09*10³кг/м³ * 9,81м/с² * 4,325м = 0,46МПа.

Так как гидростатическое давление в нижней точке аппарата превышает рабочее избыточное давление на 15%, то Р_ав для расчета толщины стенок аппарата будет:

Р_ав = Р_и + Р_г = 0,4+ 0,46 = 0,86МПа.

При расчете на прочность стенок рубашки принимается:

Р_рв = Р_руб = 0,5МПа,

где Р_рв - рабочее давление теплоносителя (задано).

Расчет наружного давления.

Расчетное наружное давление для элементов корпуса без рубашки равно:

Р_ан = Р_а = 0,1МПа.

где Р_а = 10⁵ Па = 0.1МПа - атмосферное давление.

Для элементов корпуса, находящегося под рубашкой, расчетное наружное давление рассчитывается по формуле:

Р_ан = Р_а - Р_о + Р_руб = 0,1 - 0,04 + 0,5 = 0,56МПа.

где Р_о = 0,04МПа - остаточное давление в корпусе аппарата (задано).

Р_руб = 0,5МПа - давление в рубашке (задано).

Расчет пробного давления Р_пр.

Расчет максимального избыточного давления, создаваемого при гидравлических испытаниях, (рабочее давление Ррв ? 0,5МПа и сосуд не литой), рассчитывается по формуле:

Р_рв = 1,25 * Р_рв * [ ]₂₀ / [ ]₃₀ = 1,25 * 0,5 = 1,625МПа,

где: [ ]₂₀ ? [ ]₃₀ - расчетные допускаемые напряжения при соответствующих температурах.

5. Расчет толщины стенок аппарата

Корпус аппарата изготавливается из листов проката, поставляемых металлургической промышленностью. Стандартные значения толщин листов равны: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16,18, 20, 22, 25, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 45 мм и т.д. до 70 через 5 мм, а затем через 10 мм.

Стенки корпуса аппарата воспринимают внутреннее и наружное давление. При воздействии избыточного внутреннего давления определяющим для толщины стенки является условие прочности.

При воздействии наружного давления тонкостенные оболочки могут изменить первоначальную форму раньше, чем напряжения сжатия достигнут разрушительной величины, т.е. произойдет потеря устойчивости формы оболочки. В этом случае расчетным условием для определения толщины стенки является условие обеспечения устойчивости оболочки с требуемым коэффициентом запаса устойчивости n_у = 2,4.

Расчет цилиндрической обечайки

Расчет цилиндрических обечаек проводится при воздействии внутреннего и внешнего давлений, а толщина стенки принимается максимальной из вычисленных значений.

а) При воздействии внутреннего давления Р_ав:

S_ц1 = Р_ав * D_a / ( 2ц _* [ ] - Р_ав ) + C_о + C_к = 0,86 * 1200 / ( 2*1,0 * 230 -

- 0,86 ) + C_о + C_к = 2,25мм + C_о + C_к

где S_цl - толщина стенки цилиндрической обечайки,

D_a - внутренний диаметр обечайки,

С₀ - прибавка на округление до стандартной толщины листа,

C_к - прибавка на компенсацию коррозии,

ц = 1,0 при автоматической сварке двухсторонним швом.

б) При воздействии внешнего давления Р_ан :

S_ц2 = К₂ * D_а * 10 ^-2 + C_о + C_к

где К₂ = (К₁, К₃) - определяется по номограмме.

К₁ = 0,865 * n_у * Р_ан /(2,4*10^-6 * Е) = 0,865 * 2,4 * 0,56 /(2,4*10^-6 *

*2* 10⁵) = 2,422.

где Е = 2,0 * 10⁵ МПа - расчетная модуль упругости

К₃ = l_р / D_а ,

где l_р - расчетная длина цилиндрической обечайки равная:

l_р = Н_ц + h_отб + Дl,

где Дl = 1/3 * Н_э - для эллиптического днища (крышки).

К₃ = (4000 + 25 + 100) / 1200 = 3,45

По номограмме определяем К₂ = 1,05. Подставляя в формулу для S_ц2 имеем:

S_ц2 = 1,05 * 1200 * 10^-2 = 12,6мм + C_о + C_к

S_ц3 = 1,1 * Р_ав * D_a / (2ц _* [ ] - Р_ан) + C_о + C_к = 1,1 * 0,86 * 1200 /

/ (2*1,0 * 230 - 0,56) + C_о + C_к = 2,47мм + C_о + C_к

По результатам расчетов толщину стенки цилиндрической обечайки принимаем равной:

S_ц = max (S_ц1, S_ц2, S_ц3) = 12,6мм + C_о + C_к .

Учитывая, что ранее рассчитанный коэффициент коррозии C_к = 3мм и выбрав ближайшее значение стандартной толщины листа получаем:

S_ц = 12,6 + 0,4 + 3 = 16 мм, где C_о = 0,4мм - прибавка на округление до стандартной толщины прокатного листа.

Расчет эллиптического днища

Расчет толщины стенки эллиптического днища проводится при воздействии внутреннего и внешнего давлений, а окончательно ее толщина принимается максимальной из вычисленных значений.

а) При воздействии внутреннего давления P_ав

S_э1 = Р_ав * R_мах / (2ц _* [ ] - 0,5*Р_ав) + C_о + C_к = 0,86 * 1200 /

/ (2*1,0 * 230 - 0,43) + C_о + C_к = 2,25мм + C_о + C_к

где S_э1 - толщина стенки эллиптического днища,

R_max = D_a в вершине стандартного эллиптического днища.

б) При воздействии внешнего давления Р_ан

К_э выбирается по номограмме. Для предварительных расчетов К_э можно принять равным 0,9.

S_{э2предв.} = (0.9 * 1200 * (2.4*0.1 / 10^-6*2*10⁵ )^0.5)/ 510= 2.32мм + C_о + C_к

где Р_ан = Р_атм. = 0,1МПа (для днища без рубашки).

По номограмме для отношений

Н_Д / D_a = 300/1200 = 0,25 и D_a / S_Д = 1200/2,32 = 517

определяем К_э = 0,98, тогда

S_э2. = (0.98 * 1200 * (2.4*0.1 / 10^-6*2*10⁵ )^0.5)/ 510= 2.53 мм + C_о + C_к

S_э3 = Р_ан * R_мах / 2ц _* [] + C_о + C_к = 0,1*1200/2*1,0*230+ C_о + C_к =

= 0,26 мм+ C_о + C_к

По результатам расчетов толщину стенки эллиптического днища принимаем равной:

S_Д = max (S_э1, S_э2, S_э3) = 2,53мм + C_о + C_к.

Учитывая, что ранее рассчитанный коэффициент коррозии C_к = 3мм и выбрав ближайшее значение стандартной толщины листа получаем:

S_Д = 2,53 + 0,47 + 3 = 6 мм, где C_о = 0,47 мм - прибавка на округление до стандартной толщины прокатного листа.

Расчет эллиптической крышки

Расчет толщины стенки эллиптической крышки выполняется только при действии внутреннего давления по формуле:

S_э1 = Р_ав * R_мах / (2ц _* [ ] - 0,5*Р_ав) + C_о + C_к = 0,86 * 1200 /

/(2*8,0 * 230 - 0,43) + C_о + C_к = 2,81 мм + C_о + C_к

где Р_ав = 0,86МПа

Учитывая, что ранее рассчитанный коэффициент коррозии C_к = 3 мм и выбрав ближайшее значение стандартной толщины листа получаем:

S_К = 2,81 + 0,19 + 3 = 6мм, где C_о = 0,19 мм - прибавка на округление до стандартной толщины прокатного листа.

6. Расчет толщины стенок рубашки аппарата

Толщина стенки рубашки определяется при воздействии внутреннего давления Р_ав в рубашке и внешнего давления сжатия Р_ан, равного разности внешнего атмосферного и внутреннего остаточного давления

Р_ан = (Р_а-Р₀).

Так как внутреннее остаточного давление Р₀ равно атмосферному, то Р_ан =0 и расчет толщины стенки рубашки определяется только при воздействии внутреннего давления Р_ав в рубашке, где Р_ав = Р_руб = Р_рв = 0,5 МПа - рабочее давление теплоносителя (задано).

Расчет ведется по тем же формулам, что и для корпуса аппарата при замене D_a на D_p = 1300 мм.

S_р = Р_ав * D_р / (2ц _* [ ] - Р_ав) + C_о + C_к = 0,5 * 1300 / (2* 0,8 * 230 - 0,5) +

+C_о + C_к = 1,77мм + C_о + C_к

где S_р - толщина стенки рубашки,

D_р - внутренний диаметр рубашки,

С₀ - прибавка на округление до стандартной толщины листа,

C_к - прибавка на компенсацию коррозии,

ц = 0,8 - при автоматической сварке (сплошной провар) для соединения встык односторонним швом

Учитывая, что ранее рассчитанный коэффициент коррозии C_к = 3 мм и выбрав ближайшее значение стандартной толщины листа получаем:

S_р = 1,77 + 0,23 + 3 = 5 мм, где C_о = 0,23 мм - прибавка на округление до стандартной толщины прокатного листа.

7. Расчет фланцевого соединения крышки с корпусом аппарата

Расчетная схема фланцевого соединения приведена на рис. 2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2

Выбор фланцев

Фланцы выбираем с плоской уплотнительной поверхностью типа гладкий выступ (применяется при внутреннем давлении Р_а< 0,6 МПа).

Для D_у = 1200мм; S_К=6 мм и S_Ц.Ч.=16 мм определяем основные размеры фланцев:

D_ф = 1350 мм; D_б= 1310 мм; D₁ = 1268 мм;

h_фв = 60 мм (для верхнего фланца); h_фн = 75 мм (для нижнего фланца);

d = 23 мм; d_б = М20; п = 56 (количество отверстий).

Выбор прокладки

Для Т_ср = 30⁰С выбираем полиэтилен для которого т = 2,5; значения удельных нагрузок q = 20МПа и q_доп. = 40МПа.

S_п = 2мм; ширина прокладки b = 20 мм = 0,02 м.

Расчетная сила осевого сжатия фланцев, требуемая для обеспечения герметичности соединения

где R_п - реакция прокладки,

D_сп = D₁ - b = 1268 мм - 20 мм = 1248 мм - средний диаметр прокладки b₀ = 0,12*= 0,017 - эффективная ширина прокладки (b₀ = b при b 0,015м; при b > 0,015м).

m = 2,5 - коэффициент, зависящий от материала прокладки

R_п = 3,14*1,248*0,017*2,5*4*10⁵ = 0,67*10⁵н = 6,7т

Равнодействующая внутреннего давления:

где: D_сп = D₁ - b = 1268 мм - 20 мм = 1248 мм; Р_рв = 0,4МПа.(задано)

Q_д = = 4,89*10⁵н = 48,9 т

Усилие, возникающее от разности температур фланца и болта в период эксплуатации:

где: = 0,04 - коэффициент, определяемый по диаграмме для D_а=D_р=1200 мм и для плоских фланцев;

n = 56 - число болтов;

f_б - расчетная площадь поперечного сечения болта по внутреннему диаметру резьбы d₁ , определяется по формуле:

= 0,59*(0,02)² = 2,36*10^-4 м², где d_б = М20 = 20 мм;

E_б = 2*10⁵ МПа = 2*10¹¹ Па - модуль упругости материала болта (легированная сталь 15Х5М ) при рабочей температуре;

_ф, _б - коэффициенты линейного расширения материалов фланца и болтов, соответственно: _ф = 13,1*10^-6 м/град. - для ст. 35ХМ;

_б = 12 * 10⁶ м/град. - для ст. 15Х5М;

t_ф = 30⁰С - заданная температура рабочей среды.

Q _t = 0,04*56*2,36*10^-4 *2*10¹¹ *30*(13,1-0,95*12)*10^-6 = 5392н = 0,54т

Расчетное осевое усилие для болтов Р_б принимается наибольшим из следующих трех значений:

Р_б = max (Р_б1, Р_б2, Р_б3)

Р_б1 - усилие, действующее на болты при предварительном обжатии прокладки:

= 3,14*1,248*0,017*20*10⁶ = 1,33*10⁶н = 133т

где q = 20 МПа - удельная нагрузка на прокладку.

Р_б2 - усилие затяжки болтов при монтаже:

,

где ? 1,0 отношение допускаемых напряжений для материала болтов при монтаже (t = 20° С) и при расчетной температуре t_p = 30⁰С._.

₁ =1,3 - коэффициент жесткости фланцевого соединения, (₁ = 1 для соединений с резиновой прокладкой, ₁ = 1,3 - в остальных случаях).

Р_б2 = 1,0 * (1,3 * 48,9 т + 6,7 т) = 70,3 т

Р_б3 - предельное усилие в болтовом соединении в процессе эксплуатации.

= 48,9 т + 6,7 т + 0,54 т =56,1 т

Выбираем

Р_бmax = Р_б1 = 1,33*10⁶н = 133т.

Выполняем проверку на прочность болтов по условию:

где []_б = 141 МПа допускаемое напряжение для материала болтов при температуре t_p = 30⁰С (легированная сталь 15Х5М).

Па = 131МПа < 141МПа.

Прочность полиэтиленовой прокладки проверяем по формуле:

где q_p - расчетное давление на прокладку при монтаже,

q_доп =40 МПа - допускаемое давление (удельная нагрузка) для прокладки.

q_р = Па = 10,6 МПа < 40МПа.

Примеры условных обозначений стандартных швов

Характеристика шва	Форма поперечного сечения шва	Условное обозначение шва, изображенного на чертеже
		с лицевой стороны	с оборотной стороны
Шов стыкового соединения с криволинейным скосом одной кромки, двусторонний, выполняемый дуговой ручной сваркой при монтаже изделия. Усиление снято с обеих сторон. Параметр шероховатости поверхности шва: с лицевой стороны - Rz 20 мкм; с оборотной стороны - Rz 80 мкм
Шов углового соединения без скоса кромок, двусторонний, выполняемый автоматической дуговой сваркой под флюсом по замкнутой линии
Шов углового соединения со скосом кромок, выполняемый электрошлаковой сваркой проволочным электродом. Катет шва 22 мм

Шов таврового соединения без скоса кромок, двусторонний, прерывистый с шахматным расположением, выполняемый ручной дуговой сваркой в инертных газах неплавящимся электродом с присадочным металлом по замкнутой линии.

Катет шва 6 мм.

Длина провариваемого участка 50 мм.

Шаг 100 мм.

Упрощения обозначений швов сварных соединений

При наличии на чертеже швов, выполняемых по одному и тому же стандарту, обозначение стандарта указывают в технических требованиях чертежа (запись по типу: «Сварные швы... по...») или таблице.

Допускается не присваивать порядковый номер одинаковым швам, если все швы на чертеже одинаковы и изображены с одной стороны (лицевой или оборотной). При этом швы, не имеющие обозначения, отмечают линиями-выносками без полок (рис. 3).



Рис. 3

На чертеже симметричного изделия, при наличии на изображении оси симметрии, допускается отмечать линиями-выносками и обозначать швы только на одной из симметричных частей изображения изделия.

На чертеже изделия, в котором имеются одинаковые составные части, привариваемые одинаковыми швами, эти швы допускается отмечать линиями-выносками и обозначать только у одного из изображений одинаковых частей (предпочтительно у изображения, от которого приведена линия-выноска с номером позиции).

Допускается не отмечать на чертеже швы линиями-выносками, а приводить указания по сварке записью в технических требованиях чертежа, если эта запись однозначно определяет места сварки, способы сварки, типы швов сварных соединений и размеры их конструктивных элементов в поперечном сечении и расположение швов.

Размещено на http://www.allbest.ru/



Размещено на Allbest.ru

...