Аппарат работающий под давлением для хранения химических продуктов

Тимофеев О.А..docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ
ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе по дисциплине
«Основы проектирования в химическом машиностроении»
Тема: «Расчет цилиндрического аппарата»
КР 090220-12-18.00.00.000.ПЗ
ст. гр. МХП-09Тимофеев О.А.
КонсультантВеретельник С.П.
НормоконтролерКостина Е.Д.
Курсовая работа: 30 страниц 9 рисунков 1 таблица 3 источника 2 приложения.
Разработан и рассчитан аппарат объемом 72 м3 работающий под давлением 16 МПа. Аппарат может быть использован как промежуточная емкость для хранения химических продуктов. Обогрев паровой температура 120°C. Положение аппарата – горизонтальное.
Выполнены расчеты корпуса рубашки обогрева подобраны фланцевые соединения и проверены на прочность болты и корпус аппарата в месте крепления опор выбраны строповочные устройства.
АППАРАТ НАРУЖНОЕ ДАВЛЕНИЕ ПРОЧНОСТЬ ВНУТРЕННЕЕ ДАВЛЕНИЕ ФЛАНЕЦ ТОРООБРАЗНАЯ ВСТАВКА ДОПУСКАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ СТРОПОВОЧНОЕ УСТРОЙСТВО.
ВЫБОР ИСХОДНЫХ ДАННЫХ6
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РАСЧЕТЫ7
1Определение диаметра аппарата7
2Уточнение объема аппарата7
ПРОЧНОСТНЫЕ РАСЧЕТЫ9
1Расчет аппарата работающего под внутренним давлением9
2Расчет аппарата работающего под наружным давлением10
3Расчет рубашки обогрева11
4Расчет укрепляющего элемента отверстия12
ВЫБОР ФЛАНЦА И ПРОВЕРКА ПРОЧНОСТИ14
1Предварительные расчеты14
2Выбор фланца уточнение размеров14
ВЫБОР ОПОР И СТРОПОВОЧНЫХ УСТРОЙСТВ18
1Определение веса пустого и наполненного аппарата18
3Проверка прочности корпуса в местах крепления опорОшибка! Закладка не определена.23
4Выбор строповочных устройств24
Приложение А – Перечень замечаний нормонтролера28
Приложение Б – Результаты расчета на ЭВМ29
Задачей курсовой работы является разработка аппарата емкостного типа состоящего из корпуса днища крышки рубашки обогрева фланцев опор и строповочных устройств. Правильно выбирать допускаемые напряжения для марки стали из которой выполнен корпус аппарата принимать условное давление в аппарате и рубашке обогрева.
Требуется использование знаний по курсу основ проектирования в химическом аппарато-и машиностроении выполнение прочностных расчетов расчетов по укреплению отверстий выбора опор и принятия оптимального решения на их основании работа со справочной литературой. Работа направлена на то чтобы студент будучи в роли инженера-проектировщика химической аппаратуры мог ставить решать и обосновывать принятые окончательные решения что позволит впоследствии сконструировать аппарат и пустить его в эксплуатацию.
ВЫБОР ИСХОДНЫХ ДАННЫХ
В этом разделе производится постановка задачи курсовой работы выбор описание и анализ исходных данных.
Конструктивные исходные данные:
Конструкционный материал:
– корпуса: сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72
– болтов: сталь 35 ГОСТ 1050-88.
– укрепление отверстий: торообразной вставкой;
– фланцевые соединения: плоские приварные;
– опоры: на обечайку вертикальные.
Расчетные исходные данные:
– объем аппарата м3;
– угол наклона конического днища ;
– давление в аппарате МПа;
– давление в рубашке обогрева МПа;
– плотность рабочей среды кгм3;
– температура в аппарате C.
Целью работы является разработка горизонтального аппарата заданного объема который должен устанавливаться в цеховом помещении либо на открытом пространстве а также выполнение прочностных расчетов и выбор элементов аппарата.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РАСЧЕТЫ
Предварительные расчеты включают в себя определение размеров аппарата их уточнение с учетом нормативных документов листового проката по ГОСТу и условий эксплуатации.
1Определение диаметра аппарата
В исходных данных задан объем аппарата и длина его цилиндрической части необходимо определить диаметр:
где – объем аппарата м3;
– длина цилиндрической части аппарата м.
Согласно ГОСТ 355-67 принимаем диаметр аппарата равный 16 м.
2Уточнение объема аппарата
Уточнение объема аппарата производится путем определения объема его отдельных частей т. е.:
где – объем цилиндрической части м3;
– объем конической части м3;
– объем эллиптической части м3.
Объем цилиндрической части:
Объем конической части:
где – угол наклона конического днища .
Объем эллиптической части:
Полный объем аппарат:
Рисунок 2.1 – Эллиптическая крышка
Принятые объемы цилиндрической конической и эллиптической частей составляют соответственно 60 м305 м3 и 06 м3. По согласованию с заказчяиком выбран аппарат объемом 72 м3.
Раздел включает прочностные расчеты корпуса рубашки обогрева и расчет укрепления отверстий.
Каждый расчет состоит из постановки задачи обоснования расчетной схемы описания расчетных формул определения допускаемых напряжений расчета и принятия окончательного решения.
1Расчет аппарата работающего под внутренним давлением
Расчет сводится к определению толщины стенки аппарата которая обеспечивает его прочность при работе (на потерю устойчивости). На стенку аппарата в этом случае действует давление среды в аппарате.
где – расчетное давление принимается МПа;
– нормативные допускаемые напряжения для марки стали корпуса МПа;
– коэффициент сварного шва;
– конструктивная прибавка мм.
где – прибавка на коррозию (при заданной скорости коррозии 01 ммгод и сроке службы аппарата 12 лет мм);
– прибавка на минимальный допуск проката мм;
– прибавка на округление размера мм.
Коэффициент сварного шва назначается с учетом типа сварного шва и системы контроля качества. Принимается с процентом контроля длины швов от 0 до 50 и видом сварного шва – стыковой с проваркой корня шва или тавровый с двухсторонним сплошным проваром выполняемым вручную [1].
Допускаемые напряжения зависят от марки стали температуры и условий эксплуатации. Для материала 12Х18Н10Т при температуре рабочей среды C МПа [1]. Так как используется листовой прокат коэффициент учитывающий вид заготовки следовательно МПа [1].
Толщина стенки аппарата:
Прибавка на округление размера таким образом толщина стенки равна 12 мм.
2Расчет аппарата работающего под наружным давлением
Расчет выполняется в несколько этапов. На первом этапе толщина аппарата определяется по упрощенной формуле дающей завышенный результат:
где – давление в рубашке обогрева МПа МПа;
– модуль упругости для марки стали корпуса МПа.
Для стали 12Х18Н10Т при температуре рабочей среды C МПа [1].
В этом расчете учитывается действие давления в рубашке обогрева на стенку аппарата (рис.3.1).
Рисунок 3.1 – Нагрузки на стенку аппарата при нормальной работе
Наиболее опасными случаями работы является работа аппарата при отсутствии обогрева когда давление в рубашке обогрева равно 0 и случай при отсутствии давления в аппарате когда давление в аппарате равно 0. Следовательно эксплуатация аппарата возможна в случае наличия рабочего давления как в рабочей среде аппарата так и в рубашке обогрева.
Прибавка на округление размера мм таким образом толщина стенки равна 24 мм.
Полученная толщина стенки превышает толщину стенки аппарата работающего под внутренним давлением. Это связано с тем что априори известно при каком количестве полуволн начнется деформация поэтому необходимо последовательно рассчитывать критические давления определяющие минимальное и допускаемое давление. Расчет производится по формуле Мизеса. Иллюстрация расчетов приводится в приложении Б.
Принятое оптимальное решение: по конструктивным соображениям для турбулизации потока жидкости в аппарате без ребер жесткости необходимо установить 4 перегородки толщиной 10 мм на расстоянии 568 мм.
3Расчет рубашки обогрева
Рубашка обогрева предназначена для поддержания температуры в аппарате. Стенка рубашки рассчитывается по внутреннему давлению пара (рис. 3.2).
Диаметр рубашки обогрева принимается следующим после диаметра аппарата D из стандартного ряда размеров по ГОСТ 355-67.
Прибавка на округление размера мм таким образом толщина стенки равна 8 мм.
Рисунок 3.2 – Нагрузки на стенку рубашки обогрева
Проверка прочности при образовании вакуума в рубашке обогрева:
Прибавка на округление размера ммтаким образом толщина стенки рубашки обогрева равна 10 мм.
По формуле Мизеса при 12 полуволнах и толщине стенки 6 мм и прочность рубашки обогрева обеспечивается [приложение Б].
4Расчет укрепляющего элемента отверстия
Целесообразно рассчитать укрепление наибольшего отверстия. В таком случае прочность заведомо меньших отверстий будет обеспечена. В соответствии с заданием необходимо рассчитать укрепление отверстия односторонней втулкой. Расчёт укрепления отверстий производим согласно ГОСТ 26-2045-77. В соответствии с методикой прочность считается обеспеченной если выполняется следующее условие:
где – площадь удаленного металла м2;
– площадь добавленного металла м2.
Иллюстрация расчета приводится на рис. 3.3.
где – толщина стенки без конструктивных прибавок мм
– диаметр укрепляемого отверстия мм.
Параметры односторонней втулки: мммм
Конструктивно принимаем мм.
Рисунок 3.3 – Схема укрепления отверстия односторонней втулкой
Критическая длина на которую возможно максимально удалить эквивалентное количество металла:
Площадь металла добавленного двухсторонней втулкой:
Условие прочности выполняется.
ВЫБОР ФЛАНЦА И ПРОВЕРКА ПРОЧНОСТИ
В работе целесообразно проверить на прочность самый большой фланец соединяющий корпус аппарата и эллиптическую крышку при этом прочность меньших фланцев будет обеспечена также.
1Предварительные расчеты
Для выбора фланца необходимо иметь его условный диаметр и условное давление.
Условное давление для фланца выполненного из стали 12Х18Н10Т работающего при температуре 120°C и давлении 16 МПа определяется по ГОСТ 356-68 МПа [1].
Условный диаметр прохода по ГОСТ 355-67 мм [1].
2Выбор фланца уточнение размеров
В соответствии с исходными данными тип фланца – плоский приварной. Для МПа и мм выбирается фланец (рис 4.1) со следующими присоединительными размерами [1]:
– наружный диаметр фланцамм;
– диаметр канавки мм;
– диаметр расположения болтовмм;
– количество болтов;
– диаметр отверстий под болты мм.
Так как фланец работает в области пластических деформаций принимается прокладка паронитовая общего назначения ГОСТ 481-71 средним диаметром мм толщиной мм.
Рисунок 4.1 – Фланец плоский приварной
Болтовая нагрузка на фланец должна обеспечить надежную работу аппарата в течение срока службы и уплотнение прокладки при ее формовании. Поэтому болтовая нагрузка принимается наибольшей из двух:
где – нагрузка необходимая для обеспечения нормальной работы аппарата Н;
– нагрузка необходимая для формования прокладки Н.
Рисунок 4.2 – Нагрузки действующие на фланец
где – реакция крышки Н;
– реакция прокладки Н.
где – средний диаметр прокладки м.
где – толщина прокладки мм;
– коэффициент учитывающий материал прокладки для паронита .
Нагрузка необходимая для обеспечения нормальной работы аппарата:
где – удельная нагрузка формования прокладки соответствует значению предела текучести для паронита МПа.
Нагрузка на один болт фланца:
Действующие напряжения:
где – площадь поперечного сечения болта м2.
В отверстия фланца 27 устанавливаются болты М24 для которых м2 [1].
Условие прочности болтов:
где – допускаемые напряжения для стали 35 при температуре 120°C из которой изготовлены болты МПа[1].
Условие прочности болтов не выполняется. Для обеспечения прочности марку стали болтов необходимо заменить на 25Х2М1Ф для которой допускаемые напряжения составляют . В таком случае условие прочности заведомо выполнено.
ВЫБОР ОПОР И СТРОПОВОЧНЫХ УСТРОЙСТВ
Установка вертикальных аппаратов на фундамент осуществляется с помощью опор. В данной работе аппарат устанавливается цеховом помещении либо на открытом пространстве.
1Определение веса пустого и наполненного аппарата
Вес аппарата необходимо знать для определения нагрузки на опору и выбора строповочного устройства.
Вес полного аппарата:
где – вес металла аппарата Н;
– вес жидкости находящейся в аппарате Н.
Вес металла аппарата определяется как сумма весов различных его частей:
где – вес цилиндрической части аппарата Н;
– вес эллиптической крышки Н;
– вес конической части Н;
– вес рубашки обогрева Н.
где – плотность металла плотность стали 12Х18Н10Т кгм3;
– ускорение свободного падения мс2.
Вес остальных элементов принимается пропорционально их базовым размерам приняв за основу вес цилиндрической части.
Вес эллиптической крышки:
где – длина цилиндрической части м.
Вес конической части:
где – длина конической части м.
где – диаметр выпускного отверстия мм.
Вес рубашки обогрева:
где – плотность жидкости находящейся в аппарате кгм3.
Выбор опор осуществляется по величине расчётной нагрузки с учетом геометрических размеров сопрягаемых с опорой частей аппарата. Полагаем что аппарат установлен в закрытом помещении и на него не действуют дополнительные нагрузки.
Исходными данными для выбора типоразмера опор являются диаметр рубашки обогрева аппарата и расчетная нагрузка на опору.
Аппарат устанавливается в горизонтальном положении. Расстояние между опорами выбирается из условия равенства изгибающих моментов под опорой и посредине аппарата. Опора располагается от края на расстоянии:
Расстояние между осями опор:
Расчетная нагрузка на одну опору:
Определяются значения расчетных усилий и моментов. Расчетная схема аппарата показана на рисунке 5.1.
Рисунок 5.1 – Расчетные нагрузки в аппарате установленном на двух опорах
Изгибающий момент в середине аппарата:
где – коэффициент принимаемый в зависимости от соотношений и
Изгибающий момент в сечении над опорой вычисляется в зависимости от количества опор. Для двух опор:
где и – коэффициенты принимаемые в зависимости от соотношений и [2].
Перерезающая сила аппарата установленного на двух опорах:
По значению расчетной нагрузки на одну опору и диаметра рубашки обогрева выбираются типоразмеры опоры [2] параметры приводятся в таблице 5.1.
Таблица 5.1 – Размеры опоры
Толщина опорного листа – 10 мм.
Обозначение опоры: 160-922-1-П ОСТ 26-1265-75.
Материал опоры: сталь ВСт3кп2 ГОСТ 380-2005.
Рисунок 5.2 – Конструкция седловой опоры
1Проверка прочности корпуса
Корпус аппарата проверяется на прочность: от совместного действия внутреннего давления в аппарате изгиба от реакции опор от действия перерезывающей силы и кольцевых напряжений в опорном сечении корпуса. Расчет проводится вначале без учета действия укрепляющих элементов.
Прочность от совместного действия внутреннего давления и изгиба от реакции опор проверяется в двух сечениях посредине пролета и над опорой:
– посредине пролета:
где – коэффициент для обечаек не укрепленных кольцами жесткости в опорном сечении определяемый в зависимости от угла обхвата аппарата седловой опорой [2].
Суммарные напряжения составляют: 629 + 662 = 1291 МПа.
Напряжения среза в опорном сечении обечайки при установке аппарата на двух опорах вначале определяется как для аппарата не имеющего колец жесткости в местах расположения опор:
где – коэффициент определяемый в зависимости от угла обхвата аппарата
седловой опорой [2].
Очевидно условие прочности выполняется.
Напряжения растяжения в выпуклой крышке от совместного действия нагрузки и внутреннего давления:
седловой опорой [2];
– напряжения в крышке возникающие от внутреннего давления МПа.
Так как МПа меньше чем МПа следовательно условие прочности выполняется.
Кольцевые напряжения для обечаек не укрепленных кольцами жесткости в опорном сечении:
– в нижней точке опорного сечения:
где – коэффициент определяемый в зависимости от угла обхвата аппарата седловой опорой [2];
– эффективная длина обечайки в сечении над опорой м.
– на гребне седловой опоры:
где – коэффициент определяемый в зависимости от угла обхвата аппарата седловой опорой и соотношения [2].
Прочность корпуса в месте крепления опоры обеспечена.
2Выбор строповочных устройств
Строповочные устройства предназначены для подъема и перемещения аппарата при монтаже и демонтаже. Установка должна производиться обязательно выше центра тяжести аппарата.
Выбор устройств осуществляется по значению грузоподъемности т. е. весу пустого аппарата:
где – количество устройств за которые будет подвешиваться аппарат.
Принимается строповочное устройство – ушки приварные (рис. 5.3) грузоподъемностью 01 МН (10 т) ГОСТ 13716-68 со следующими параметрами:
– расстояние от торцевой поверхности до центра отверстия мм;
– диаметр отверстия мм;
Рисунок 5.3 – Конструкция ушка приварного
Принято два боковых ушка на боковой поверхности аппарата которые будут привариваться к рубашке обогрева по одной поперечной оси с опорами а также три ушка на эллиптической крышке. Материал ушек такой как и материал аппарата – сталь 12Х18Н10Т принят в целях лучшей свариваемости и удобства.
Разработан аппарат горизонтального положения объемом 72 м 3с учетом стандартных параметров и условий работы. Минимальный срок надежной работы – 12 лет. Аппарат может использоваться как промежуточное хранение продуктов производства их нагрева или охлаждения. Спроектированный аппарат должен эксплуатироваться в цеховом помещении что объясняется типом опор – седловые.
По результатам расчета прочности корпуса аппарата и рубашки обогрева толщина их стенок составила: корпуса – 12 мм рубашки обогрева – 6 мм. Все элементы корпуса патрубки и крышки изготавливаются из проката одинаковой толщины и из одинаковой марки стали что обеспечивает хорошую свариваемость. Расчет болтов фланцевого соединения показал что при нагрузках испытываемых болтами которые выполнены из стали 35 прочность их не обеспечивается необходимо заменить сталь болтов на сталь 25Х2М1Ф. Оптимальным решением является установка аппарата без наличия ребер жесткости с условием установки перегородок для турбулизации потока жидкости в количестве 4 штук на расстоянии 568 мм друг от друга.
Действующие напряжения в корпусе в месте крепления опор не превышают допускаемые.
При создании поверхности фаз аппарат можно использовать для проведения массообменных процессов. При необходимости аппарат можно эксплуатировать в вертикальном положении решив вопрос установки опор типа стойки или лапы и расположения штуцеров для вводавывода пара виз рубашки обогрева.
Веретельник С.П. Кутняшенко И.В. Костина Е.Д.Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Основы проектирования в химическом машиностроении». Донецк: ДонГТУ 2001. – 32с.
Веретельник С.П. Бован Д.В. Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Основы проектирования в химическом машиностроении». (Проектирование опор горизонтальных аппаратов). Донецк: ДонНТУ 2006. – 16с.
Лащинский А.А. Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Л.: Машиностроение 1970. – 752с.
Приложение А – Перечень замечаний нормонтролера
Перечень замечаний нормоконтролера к курсовой работе
студента Тимофеева О.А. группы МХП-09
Содержание замечания
РуководительВеретельник С.П.

Тимофеев О.А._спец.dwg

КР 090220-12-18.00.00.000.СП
КР 090220-12-18.00.00.000.СБ
КР 090220-12-18.01.00.000.СБ
КР 090220-12-18.02.00.000.СБ
КР 090220-12-18.03.00.000.СБ
КР 090220-12-18.04.00.000.СБ
КР 090220-12-18.00.00.001
КР 090220-12-18.00.00.002
КР 090220-12-18.00.00.003
Болты ГОСТ 7805-70 М24 х 55
Болты ГОСТ 7805-70 М24 х 150
Гайки М20 ГОСТ 5915-70
Шайбы 20 ГОСТ 11371-78

Тимофеев О.А..dwg

Техническая характеристика
Температура в аппарате 120
Давление в аппарате 1
Давление в рубашке обогрева 0
* Размеры для справок
КР 090220-12-18.00.00.000.СБ
Схема расположения опоры (1:2)