Расчет химического аппарат

Чертеж.cdw

Готово.doc

Общие сведения об аппаратах с мешалкой . .. 5
Выбор конструкционных материалов 9
Расчет элементов корпуса аппарата 11
1.Определение расчетных параметров химического аппарата 12
2.Расчет геометрических размеров 15
3.Расчет толщины стенок корпуса аппарата .15
4.Расчет толщины стенок рубашки аппарата .19
Расчет фланцевого соединения крышки с корпусом аппарата 20
Библиографический список 26
Цель курсового проектирования - закрепление и развитие навыков практического применения знаний полученных студентами в ходе изучения курса.
Курсовой проект на тему "Расчет химического аппарата" разрабатывается на основании технического задания. В задании на курсовой проект указаны:
)тип аппарата и его номинальный объем;
)диаметр корпуса аппарата;
)давление в корпусе и рубашке аппарата;
)характеристики среды (состав плотность температура).
При выполнении курсового проекта должны соблюдаться требования нормативных документов (ГОСТы ОСТы) и правил Госгортехнадзора. Объем курсового проекта составляют:
а) чертеж общего вида аппарата и некоторых его узлов (лист формата
б) пояснительная записка (объем не менее 10 листов формата А4).
Пояснительная записка должна содержать:
) выбор конструкционных материалов;
) расчет элементов корпуса аппарата;
) расчет фланцевого соединения крышки и корпуса аппарата;
) выбор комплектующих элементов аппарата.
Пособие полностью заменяет ряд справочников необходимых при выполнении расчетов и конструировании химических аппаратов.
Задание кафедры: произвести расчет и конструирование химического реакционного аппарата
Номинальный объем V куб.м – 1000
Диаметр аппарата Da мм – 2200
Давление в аппарате МПа:
- избыточное Ра – 02
- остаточное Рост – 003
Давление в рубашке Рруб МПа – 03
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АППАРАТАХ С МЕШАЛКОЙ
Аппараты с мешалками широко применяются в химической и многих других отраслях промышленности для проведения различных физико-химических и механических процессов в жидких средах (растворах суспензиях эмульсиях). Перемешивание обеспечивает интенсификацию процессов тепло - и массообмена и часто является необходимым условием эффективного течения химической реакции [23].
Широкое применение аппаратов с механическими вращающимися перемешивающими устройствами (мешалками) потребовало их унификации. Имеется ряд государственных и отраслевых стандартов по основным параметрам аппаратов с мешалками конструктивному оформлению и методам расчета их отдельных элементов. Аппараты выпускают объемом от 004 до 200 м3 на рабочее давление до 10 МПа.
Аппараты могут быть вертикальными или горизонтальными. Стандарты включают следующие типы аппаратов: ГЭЭ ГКК ГПП ВЭЭ ВЭП ВПП ВПС ВКЭ ВКП. Первая буква - вертикальный (В) или горизонтальный (Г) аппарат; вторая буква - вид днища: Э - эллипсоидное К - коническое П - плоское; третья буква - вид крышки: С - сферическая. Так например:
- ВЭЭ - вертикальный с эллиптическим днищем и эллиптической крышкой;
- ВКЭ - вертикальный с коническим днищем (угол при вершине 60 или 90°) и эллиптической крышкой;
- ВЭП - вертикальный с эллиптическим днищем и плоской крышкой;
- ВКП - вертикальный с коническим днищем (угол при вершине 60 и 90°) и плоской крышкой.
Вертикальные аппараты изготавливаются в двух исполнениях:
исполнение 1 - с отъемной крышкой;
исполнение 2 - с неразъемным корпусом.
В первом случае для крепления крышки используется фланцевое соединение которое обеспечивает герметичность разъемного соединения крышки с корпусом. Отъемная крышка позволяет проводить монтажные и ремонтные работы внутри корпуса аппарата.
Действительный объем аппаратов не должен отличаться от номинального объема более чем на плюс 10 % и минус 7 %.
Конструкция аппарата должна предусматривать возможность внутреннего осмотра очистки и промывки и продувки. Внутренние устройства препятствующие осмотру должны быть съемными.
Цельносварные аппараты должны иметь круглые люки-лазы для внутреннего осмотра. При наличии у аппарата съемных крышек устройство люков-лазов необязательно.
Корпуса аппаратов по условиям протекания в них процессов должны быть достаточно прочными и в подавляющем большинстве случаев герметичными. Главным составным элементом корпуса является обечайка. Форма корпуса а следовательно и обечайки определяется химико-технологическими требованиями предъявляемыми к аппарату а также конструктивными соображениями и может быть цилиндрической конической сферической и т.Д- Наибольшее распространение получили цилиндрические обечайки отличающиеся простотой изготовления рациональным расходом материала и хорошей сопротивляемостью давлению среды. Поэтому при конструировании аппаратов если это не противоречит каким-то особым требованиям предъявляемым к аппарату рекомендуется применять цилиндрические обечайки. В зависимости от назначения цилиндрические аппараты находят применение как в вертикальном так и в горизонтальном исполнении причем предпочтение следует отдавать вертикальному исполнению особенно для тонкостенных аппаратов работающих под избыточным давлением.
При разработке конструкции аппарата следует соблюдать правила Госгортехнадзора [5]. Эти правила регламентируют выбор материалов методы испытаний корпуса аппарата пробным давлением требования к контрольной и предохранительной арматуре. Соответствующие записи указываются в технических требованиях на чертеже аппарата.
Применение цельных обечаек с отношением ld > 5 не рекомендуется. В таких случаях на обечайке целесообразно предусматривать кольца жесткости которые могут быть расположены как снаружи так и внутри обечайки что определяется конструктивными и технологическими соображениями. Вещества содержащиеся и перерабатываемые в аппаратах бывают в разном агрегатном состоянии (чаще в жидком и газообразном реже в твердом) различной химической активности по отношению к конструкционным материалам (от инертных до весьма агрессивных) от безвредных до токсичных для обслуживающего персонала и от безопасных до огне - и взрывоопасных в эксплуатации.
Различные химико-технологические процессы в аппаратах осуществляются при различных свойственных каждому процессу давлениях - от глубокого вакуума до избыточного давления в несколько сот тысяч килопаскалей и самых разнооб-разных температурах — от - 250°С до +950°С.
Различают следующие режимы работы аппаратов: периодический полунепрерывный и непрерывный а в зависимости от установки аппараты делятся на стационарные и нестационарные.
Все химические аппараты в зависимости от предъявляемых к ним технологических требований разделяются на подведомственные и неподведомственные Госгортехнадзору.
Подведомственными Госгортехнадзору являются аппараты в которых под избыточным давлением (свыше 07 МПа) содержатся огне - и взрывоопасные и сильнотоксичные среды; горючие и агрессивные среды независимо от их рабочих параметров и аппараты без избыточного давления но при эксплуатации которых возможно повышение в них избыточного давления до 07МПа. Не подведомственными Госгортехнадзору являются все остальные аппараты в том числе работающие под вакуумом и наливом.
Наиболее распространенным типом оборудования используемого для проведения различных физических и химических процессов являются аппараты с перемешивающими устройствами. Перемешивание обеспечивает интенсификацию процесса и часто является необходимым условием его эффективного протекания.
На рис. 1.1 показан стальной аппарат с мешалкой. Он состоит из корпуса и перемешивающего устройства с приводом. Корпус 1 включает в себя: цилиндрическую обечайку с приварным днищем и отъемной крышкой 2. Аппарат снабжен штуцерами 3 4 и т.д. которые служат для подачи исходных компонентов выгрузки
Рис 1. Общая схема химического аппарата. 1- корпус 2 – крышка 3 – редуктор 4 – штуцер 5 – рубашка 6 – лапы 7 – мор-редуктор 8 – крышка 9 – крышка корпуса 10 – уплотнение 11 – подшипниковый узел 12 – вал 13 – муфта 14 – мешалка.
ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Для проектируемого аппарата материал подбирается в соответствии с условиями эксплуатации. Основным критерием при выборе конструкционного материала является его химическая и коррозионная стойкость в заданной среде. Обычно выбирают материал вполне стойкий или стойкий в заданной среде при ее рабочих параметрах. При этом особое внимание обращают на следующие характеристики материала:
а) скорость коррозии в рабочей среде (см. табл. П-1);
б) предельные значения температуры по условиям морозостойкости
и термостойкости (см. табл. П-2).
К расчетным толщинам добавляют соответствующие прибавки на компенсацию коррозии в зависимости от срока службы аппарата.
Например: для рабочей среды НNО3 концентрации 10 % при температуре 100°С выбираем материал 08Х18Н10Т скорость коррозии которого в этой среде равна П = 01 ммгод.
Прибавка на компенсацию коррозии Ск к расчетным толщинам конструктивных элементов находящихся в контакте с агрессивной средой определяется по формуле:
где П = 01 ммгод - скорость коррозии ммгод;
Та = 10 лет - срок службы аппарата количество лет (задается преподавателем). Для конструктивных элементов имеющих защитные покрытия Ск = 0.
Для материалов стойких к перерабатываемой среде или при отсутствии данных о проницаемости рекомендуют принимать
Мы следуем этой рекомендации и принимаем в расчете на то что аппарат может прослужить дольше проектного срока.
Материалы выбранные для деталей и сборочных единиц должны обеспечить надежность аппарата и мешалки в работе и экономичность в изготовлении.
При выборе материала необходимо учитывать рабочую температуры в аппарате давление и коррозионную активность рабочей среды. Учитывая эти условия выбираем материал:
Для корпуса – Сталь 08X18H10T
Ск = 01 × 10 = 1ммгод;
Допускаемое напряжение для выбранного материала корпуса определяется по формуле:
где - расчетное допускаемое напряжение
- поправочный коэффициент учитывающий взрыво- и пожароопасность среды в аппарате; [1 c.6]
- нормативное допускаемое напряжение; [1. с 23 т.П3]
- коэффициент сварного шва. [1 c.6]
Значение модуля упругости для легированных сталей приведено в табл. П-4.
Значения коэффициентов линейного расширения для легированных сталей в табл. П-5.
РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КОРПУСА АППАРАТА
Цель расчетов — установить соответствие параметров выбранных комплектующих элементов аппарата заданным условиям эксплуатации и определить их предельные допускаемые значения при которых аппарат будет сохранять работоспособность в течение требуемого срока службы. Таким образом при выполнении курсового проекта необходимо провести проверочные расчеты составных частей аппарата по главным критериям работоспособности (прочность устойчивость коррозионная стойкость и т.д.) в соответствии с действующими методами и нормами.
1ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ХИМИЧЕСКОГО АППАРАТА
Для расчета обечаек крышек корпуса аппарата на прочность и устойчивость под действием внутреннего и наружного давления с учетом термостойкости и коррозионной стойкости материала должны быть определены следующие параметры.
Расчетное давление при котором производится расчет на прочность и устойчивость элементов корпуса аппарата.
Расчетное внутреннее давление для элементов корпуса Рав расположенных выше уровня жидкости в аппарате принимается равным рабочему избыточному давлению газовой среды:
где - расчетное внутреннее давление для корпуса аппарата;
- рабочее избыточное давление (заданное).
При расчете на прочность стенок рубашки принимается
где Рруб - рабочее давление теплоносителя (задано).
Расчетное наружное давление при проверке стенок корпуса на устойчивость определяется по формулам:
- для элементов корпуса без рубашки
где Ран - расчетное наружное давление для корпуса аппарата;
Ра = 105 Па - атмосферное давление;
Ро - остаточное давление в рубашке (задано)
- для элементов корпуса находящегося под рубашкой
где Ро - остаточное давление в корпусе аппарата.
Пробное давление Рпр - максимальное избыточное давление создаваемое при гидравлических испытаниях.
2 РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ
Расчет основных размеров корпуса аппарата проводится по данным номинального объема V и внутреннего диаметра аппарата Da (рис.3.1).
Конические днища (высота конического днища ) применяют в вертикальных аппаратах для облечения удаления вязких и сыпучих материалов.
Рис.3.1. Основные геометрические размеры химического аппарата
Рис.3.2. Основные геометрические размеры конического днища
Размеры конических днищ и эллиптической крышки представлены в табл. П-6 П-7.
Размеры эллиптической крышки
Размеры конического днища
Для определения общей высоты корпуса аппарата необходимо определить высоту цилиндрической части.
Высота цилиндрической части рассчитывается по следующей формуле:
где V - номинальный объем аппарата
Диаметр рубашки Dp (мм) рассчитывают по нижеприведенным формулам:
Dp = Da + 200 при Da > 2000. (3.7)
Dp = 2200 + 200 = 2400 мм
Высоту цилиндрической части без учета высоты фланца и отбортовок днища и крышки принимаем Dp = 2200 + 200 = 2500 мм.
3. 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 1618 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 nу = 24.
Расчет цилиндрических обечаек
Расчет цилиндрических обечаек проводится при воздействии внутреннего и внешнего давлений а толщина стенки принимается максимальной из вычисленных значений.
а) При воздействии внутреннего давления Рав
где Sцl - толщина стенки цилиндрической обечайки
Da - внутренний диаметр обечайки
С0 - прибавка на округление до стандартной толщины листа.
б) При воздействии внешнего давления Ран
где К2= f(K1 K3) - определяется по номограмме (рис.3.3)
Расчетная длина цилиндрической обечайки lр определяется следующим образом:
hотб – высота отбортовки.
По результатам расчетов толщину стенки цилиндрической обечайки принимают равной
Sц = max (Sц1 Sц2 Sц3).
Расчет конического днища с тороидальным переходом (отбортовкой)
Расчет толщины стенки конического днища проводится при воздействии внутреннего и внешнего давлений а окончательно ее толщина принимается максимальной из вычисленных значений.
а) При воздействии внутреннего давления Рав толщина стенки определяется следующим образом:
где SKl - толщина стенки конического днища
а1 - расчетная длина конического участка около отбортовки:
Замечание. В первом приближении при определении а1 можно считать
б) При воздействии внешнего давления Ран толщина стенки определяется
где К2= f(K1 К3) - определяется по номограмме (рис.3.2) К2 = 006
б) При воздействии внешнего давления Ран толщина стенки определяется так:
где К2 = f(K1 К3) - определяется по номограмме (рис.3.2)
D0 - диаметр отверстия выпускного штуцера.
По результатам расчета толщину днища принимают равной
SK = max (SK1 SК2 SК3)= 4 мм
Если толщины стенок корпуса и днища получены разными то можно либо принять их одинаковыми равными наибольшей толщине
Sa = max (SЦ SДН) = 5 мм
либо оставить их разными но при этом следует выбрать соответствующий способ сварки корпуса и днища встык листов разной толщины.
4 РАСЧЕТ ТОЛЩИНЫ СТЕНОК РУБАШКИ АППАРАТА
Толщины стенок рубашки определяются при воздействии внутреннего давления Рав в рубашке и внешнего давления сжатия Ран равного разности внешнего атмосферного и внутреннего остаточного давления:
Расчет ведется по тем же формулам что и для корпуса аппарата при замене Da на Dp.
РАСЧЕТ ФЛАНЦЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ КРЫШКИ С
Фланцевые соединения - наиболее широко применяемый в химическом машиностроении вид разъемных соединений обеспечивающий герметичность прочность быструю разборку и сборку технологичность изготовления.
Фланцевое соединение состоит из двух симметрично расположенных фланцев с уплотнительными поверхностями прокладки и крепежных элементов (болтов шпилек гаек шайб). Шпильки применяются при условном давлении свыше 16 МПа. Болты разрешается применять при условном давлении до 25 МПа и температуре до 300°С.
Фланцевые соединения крышки с корпусом аппарата представлены (табл. П-8 П-9) двумя типами фланцев:
-плоские приварные фланцы;
-фланцы приварные встык (фланцы с шейкой).
Область применения указанных фланцев в зависимости от диаметра аппарата Da и внутреннего давления Ра представлены в табл. 3.2.
Конструктивные формы уплотнительных поверхностей регламентированы:
-плоская уплотнительная поверхность (гладкий выступ) применяется при внутреннем давлении Ра 06 МПа;
-уплотнение типа выступ-впадина - при 06Ра16МПа;
Поскольку фланцевые соединения стандартизованы их расчет на прочность и герметичность сводится к расчету болтов (шпилек).
Расчетная схема фланцевого соединения приведена на рис. 3.5.
Расчет прочности соединения начинают с определения расчетных нагрузок (рис. 3.5).
Рис.3.5. Расчетная схема фланцевого соединения
Из таблицы П9 выписываем основные размеры фланца
Расчетная сила осевого сжатия фланцев требуемая для обеспечения герметичности соединения
где Rп - реакция прокладки
Dсп- средний диаметр прокладки
b0 - эффективная ширина прокладки (b0 = b при b 0015м; при b > 0015м)
m = 275 - коэффициент зависящий от материала прокладки (см. табл. 3.2) выбираем фторопласт
Ширина прокладок подбирается по табл. 3.3.
Равнодействующая внутреннего давления Qд
Усилие возникающее от разности температур фланца и болта в период эксплуатации Qt
где g = 0045 - коэффициент определяемый по диаграмме на рис.3.5
n - число болтов (шпилек)
fб - площадь поперечного сечения болта (шпильки) по внутреннему диаметру резьбы
Eб - модуль упругости материала болта (шпильки) при рабочей температуре (см. табл. П-4)
aф aб - коэффициенты линейного расширения материалов фланца и болтов (шпилек) соответственно (см. табл. П-5).
Коэффициент 095 в формуле (3.23) отражает имеющуюся всегда разность температур фланца и болтов (шпилек) согласно статистическим данным.
Расчетная площадь сечения болта (шпильки) соответствующая внутреннему диаметру резьбы d1 может быть определена по формуле:
где dб - наружный диаметр резьбы болта (шпильки).
Расчетное осевое усилие для болтов Рб принимается наибольшим из следующих трех значений Рб = max (Рб1 Рб2 Рб3):
где Рб1 - усилие действующее на болты при предварительном обжатии прокладки
q = 10 МПа - удельная нагрузка на прокладку (см. табл. 3.2).
где Рб2 - усилие затяжки болтов при монтаже
- отношение допускаемых напряжений для материала болтов при монтаже (t = 20° С) и при расчетной температуре tp
a1 = 13 - в остальных случаях
где Рб3 - предельное усилие в болтовом соединении в процессе эксплуатации.
Выполняется проверка на прочность болтов по условию
где [s]б - допускаемое напряжение для материала болтов (шпилек) при температуре tp.
Прочность неметаллических прокладок проверяют по формуле
где qp - расчетное давление на прокладку при монтаже
qдоп - допускаемое давление (удельная нагрузка) для прокладки (см. табл.3.2).
Для вертикальных аппаратов используют опоры- стойки [4 с. 673] которые выбираются по допускаемой нагрузке.
Определим вес аппарата:
определяем ориентировочно.
масса пустого аппарата [1 с. 56]; .
– масса жидкости в трубном пространстве;
Задаются количеством опор. Их должно быть не менее двух т.е
где: количество опор.
По табл. выбираем стандартные опоры по условию По этому условию подходят опоры с нагрузкой
Конструкции и качество сосудов и аппаратов должны удовлетворять определенным требованиям поэтому их изготовляют и эксплуатируют в соответствии с единой нормативно-технической документацией.
Правила Госгортехнадзора определяют требования к устройству изготовлению монтажу ремонту и эксплуатации сосудов работающих под давлением.
Ремонт сосуда или аппарата во время работы не допускается.
Эксплуатация сосуда или аппарата должна быть в аварийном порядке приостановлена при: повышении давления сверх разрешенного; возникновении пожара; неисправности манометра; обнаружении дефектов крепления крышек и люков.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Федоренко Б.Л. Шошин А.И. Справочник по машиностроительному черчению. Л. "Машиностроение" 1981 325 с.
Генкин А.Э. Оборудование химических заводов. М. "Высшая школа" 1978 271с.
ГОСТ 20680-75. Аппарата с механическими перемешивавшими устройствами вертикальные. Типы и основные параметры. М. Изд. стандартов 1975 15 с.
Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов работающих под давлением. М. "Металлургия" 1974 96 с.
ОСТ 26-291-71. Сосуды и аппараты стальные сварные. Технические требования. М Минхимнефтемаш СССР 1972.
ОСТ 26-01-1244-75. Аппараты с механическими перемешивающими устройствами вертикальные стальные. Общие технические условия. М. Минхимнефтемаш СССР 1976 104 с.
ОСТ 26-01-1246-75. Корпуса стальные сварные вертикальных аппаратов с механическими перемешивающими устройствами. Типы параметры конструкция и основные размеры. М. Минхимнефтемаш СССР 1976 97 с.
Лашинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов. Справочник . Л. "Машиностроение" 1981 382 с .
ОСТ 26-665-79. Опоры .лапы стойки вертикальных аппаратов. Типы конст-рукции и размеры. М. Минхимнефтемаш СССР 1979.
ОСТ 26-01-1225-75 + ОСТ 26-01-1228-75. Приводы вертикальные для аппаратов с перемешивающими устройствами. Типы параметры конструкции и основные размеры. М. Минхимнефтемаш СССР 1976 83 с.
ОСТ-26-01-1245-75. Мешалки. Типы параметры конструкция и основные размеры. М Минхимнефтемаш СССР 197625 с.
ОСТ 26-01-1243-75. уплотнения валов торцевые для аппаратов с перемешиваю-щими устройствами. Типы параметры конструкции и основные размеры. Технические требования. М. Минхимнефтемаш СССР 197632 с.
ОСТ 26-01-1247-75. Уплотнения валов для аппаратов с перемешивающи-ми устройствами. Уплотнения сальниковые. Типы параметры конструкции и основные размеры. Технические требования. М. Минхимнефтемаш СССР 1976 20 с.
Альперт Л.З. Основы проектирования химических установок. М. "Высшая школа" 1976 272 с.
Криворот А.С. Конструкция и основы проектирования машин и аппаратов химической промышленности. М. "Машиностроение" 1976 376 с.
Воробьев Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. М. "Химия" 1975 816 с.
ОСТ 26-373-78. Нормы и методы расчета на прочность фланцевых соединений сосудов и аппаратов. М Минхимнефтемаш СССР 1979 10 с.
ГОСТ 14249-80. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. М. Изд. стандартов 1980 62 с.
Писаренко Г.С. и др. Справочник по сопротивлению материалов. Киев "Наукова думка" 1975 104 с.