Министерство образования Российской Федерации Нижегородский государственный технический университет

Министерство образования Российской Федерации Нижегородский государственный технический университет

Дзержинский филиал

Кафедра «Машины и аппараты химических и пищевых

производств»

Пояснительная записка

к курсовой работе по дисциплине «Конструирование и расчет элементов оборудования»

Вариант - № Р-13

Выполнил: студентка гр. 00-МАХП-2

Головащенко С. А.

Дата______ подпись

Проверил: Кудрявцев Н. А.

Дата______ подпись

Проект защищен с оценкой

Дзержинск 2003

СОДЕРЖАНИЕ

Задание 3

Введение 4

1. Устройство аппарата и выбор конструкционных материалов 5

2. Прочностной расчет основных элементов аппарата 9

3. Расчет укрепления отверстия 14

4. Выбор основных параметров и расчет болтов фланцевого соединения 15

5. Выбор и расчет опор 18

Заключение 20

Литература 21

ЗАДАНИЕ

Рассчитать и проверить на прочность основные элементы аппарата с перемешивающим устройством (обечайки, днища, фланцевого соединения, опор).

Вариант Р-13

Рабочий объем аппарата V() – 4.0

Размеры, мм:

D = 1600

d1 = 60

d2 = 40

d3 = 400

d4 = 50

d5 = 80

d6 = 50

Масса привода - 350 кг

Среда в аппарате:

В корпусе реактора: NH₄Cl - 74%, Н₂О

В рубашке - вода

Температура:

В корпусе реактора - 87°С

В рубашке - 30°С

Давление абсолютное:

В корпусе реактора - 0,4 Мпа

В рубашке - 0,3 МПа

Место расположения опор - на стенке рубашки

ВВЕДЕНИЕ

Развитие химической, нефтехимической, а также пищевой промышленности требует создания новых высокоэффективных, надежных и безопасных аппаратов.

В связи с этим первостепенное значение приобретают разработка совершенных конструкций машин и аппаратов химической промышленности, интенсификация производственных процессов и снижение стоимости оборудования, чему способствует его правильный расчет и конструирование.

В курсовой работе решаются инженерно-технические задачи, связанные с конструированием и обеспечением прочности и надежности технологического оборудования.

Тема курсовой работы посвящена конструированию и расчету прочности аппарата с перемешивающим устройством.

1. УСТРОЙСТВО АППАРАТА И ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Описание устройства и принцип работы аппарата.

Данный аппарат предназначен для проведения химической реакции и интенсификации процесса при помощи перемешивающего устройства.

1.2. Выбор конструктивного исполнения основных элементов аппарата.

Элементами, подлежащими выбору и конструктивной проработке являются: обечайка, днище, крышка, фланцевые соединения, люки, опоры.

Цилиндрическая обечайка является одним из основных элементов аппарата. Большей частью изготавливаются вальцовкой из листового проката. Исполнительную толщину стенки вальцованных обечаек при толщине 6-42 мм следует принимать только четных размеров [2].

Днища также являются одним из основных элементов аппарата. Цилиндрические цельносварные корпусы аппаратов с обеих сторон ограничиваются днищами. Наиболее распространенной формой днищ в сварных аппаратах, особенно подведомственных Госгортехнадзору, является эллиптическая форма с отбортовкой на цилиндр. Ее и назначаем.

Одним из ответственных узлов аппарата являются соединение днищ с корпусом. Соединение отбортованных эллиптических днищ с цилиндрическими обечайками производится только встык.

Установка аппаратов на фундаменты или специальные несущие конструкции осуществляется большей частью с помощью опор. Выбираем стандартные опоры- лапы тип 2 [2]. Основные размеры приведены в ОСТ 26-665-84.

1.3. Геометрические параметры аппарата.

Примем высоту жидкости в аппарате равной высоте рубашки. По условию рабочий объем аппарата Vр = 4.0 . Примем коэффициент заполнения реактора =0,75. Тогда полный объем реактора:

Днище эллиптическое отбортованное при D = 1600 мм примем

S = 8 - 16 мм,

Н_Д = 400 мм,

h_ц = 40 мм,

F_Д = 2,98 ,

Vд = 0.6141 .

Рабочий объем

Где - объем, соответствующий высоте l₁

Тогда

Расчетная длина

Обечайка рубашки - цилиндрическая D = 1700 мм.

Днище рубашки - эллиптическое D = 1700 мм.

1.4. Выбор конструкционных материалов.

Для корпуса аппарата выбираем по рекомендациям [1] листовую сталь марки 12Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72, для которой технические требования по ТУ 14-21-394-72; рабочие условия: = -253 - 600°С; р, МПа - не ограничено. Виды испытаний и требования по ТУ 14-21-394-72 (испытания проводятся на заводе-поставщике металла по требованию заказчика).

При выборе материала было учтено следующее:

- коррозионные свойства среды. При заданных рабочих параметрах скорость коррозии составляет менее 0,1 мм/год.

- Технологические свойства используемого материала: свариваемость, пластичность и другие.

- Технико-экономические соображения: нержавеющая сталь широко применяется в химическом машиностроении и других отраслях промышленности

Сварка автоматическая.

Тип электрода по ГОСТ 10052-75 - Э-04Х20Н9.

Для рубашки аппарата выбираем листовую сталь В Ст.З по ГОСТ 380-71, для которой технические требования по ГОСТ 14637-79; рабочие условия: = -15 - 350°С; р - до 1,6 МПа.

Опоры - лапы. Материал деталей опор должен выбираться из условий эксплуатации и в соответствии с техническими требованиями ОСТ 26-291-94. Назначаем материал опор сталь В Ст.З по ГОСТ 380-71, технические требования по ГОСТ 14637-79.

Материал фланцев - сталь 12Х18Н10Т. Сварочные материалы по ГОСТ 10052-75 - Э-04Х20Н9.

Назначаем материал крепежных деталей: не контактирующих с агрессивной средой - сталь 35 по ГОСТ 1050-74; для деталей, контактирующих с агрессивной средой - сталь 12Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72.

По рекомендациям [2] назначаем материал прокладок - паронит по ГОСТ 481-71. Внутренние элементы аппарата выполняются из стали 12Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72.

1.5. Определение расчетных параметров

Определяются расчетная температура в корпусе аппарата.

За расчетную температуру в стенке элемента принимается наибольшая температура стенки, определенная на основании тепловых расчетов или результатов испытаний. Т.к. имеет место случай невозможности проведения расчетов и испытаний, то расчетную температуру стенки принимаем равной температуре сред соприкасающейся со стенкой

Для корпуса реактора

t = 87°С

Для рубашки

t = 30°С

Определяется расчетное давление среды в корпусе аппарата. Здесь могут быть 2 случая:

В случае внутреннего избыточного давления

В случае наружного давления на аппарат

Для рубашки внутреннее избыточное давление

Рассчитывается пробное давление для корпуса, т.е. давление на которое испытывают аппарат; для сварного аппарата

для стали 12Х18Н10Т = 160 МПа, а = 153 МПа при 87 °С

2. ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АППАРАТА

2.1. Расчет толщины стенки обечайки корпуса аппарата. Расчет ведем согласно [4].

2.1.1. Расчетная толщина стенки обечайки, работающей под действием внутреннего избыточного давления, согласно [4] определяется по формуле:

где = 0,4 - 0,1 = 0,3 МПа - расчетное (рабочее) давление в аппарате;

D = 2 м - внутренний диаметр обечайки:

= 153 МПа - допускаемое напряжение для стали 12Х18Н10Т при 87°С

=1 - коэффициент прочности продольного сварного шва, [2].

Исполнительная толщина стенки определяется с учетом прибавки С к расчетной толщине:

С = С1 + С2 + С3

Где С1 - прибавка для компенсации коррозии и эрозии, м;

С2, С3 - прибавка для компенсации минусового допуска и технологическая прибавка соответственно, м.

Так как сумма прибавок С1 и С3 меньше 5% от расчетной толщины стенки корпуса, то они согласно 1 [7] не учитываются.

Тогда С = С1 = 0,001 м

Подставив в формулу, получим:

S = 0,0016 + 0,001 = 0,0026м

Принимаем исполнительную толщину стенки обечайки 6 мм.

2.1.2. В случае нагружения обечайки наружным давлением, т.е когда давление достигает минимального значения толщина стенки определяется по формуле:

К2 = f(K1,K3) – коэффициент, определяется графически в зависимости от значений коэффициентов К1,К3:

где = 2,4 - коэффициент запаса устойчивости для рабочих условий

Е = МПа - модуль продольной упругости материала

где - расчетная длина обечайки

l = 1.85 м.

К₃ = 1.85 /1.6 =1,16

Коэффициент К₂ = 0,42

Принимаем исполнительную толщину стенки обечайки равную 8 мм. В дальнейших расчетах величина (S - с) = 0,007 м

2.1.3. Расчет обечайки, работающей под совместным действием наружного давления, внешней сжимающей силы, действующей в осевом направлении.

Допускаемое наружное давление

Допускаемое давление из условия прочности определяем по формуле

допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости

где

Допускаемую сжимающую силу, действующую в осевом направлении определяем по формуле

Так как , то

Определим осевое сжимающее усилие

Обечайки, работающие под совместным действием нагрузок, проверяют на устойчивость по формуле:

Условие устойчивости обечайки выполняется.

2.1.4. Расчет на условия гидроиспытаний.

Ранее было определено пробное давление р_пр = 0,39МПа

дополнительное давление от веса столба жидкости

должно выполняться условие

0,47 МПа < 0,48 МПа

условие выполняется, следовательно расчет для условий гидроиспытаний производить не требуется.

2.2. Расчет толщины стенки днища аппарата

2.2.1, По [2] выбираем днище эллиптическое отбортованное.

Размеры днища по ГОСТ 6533-78

D = 1600 мм

Н_д = 400 мм

b_ц - в зависимости от толщины стенки днища.

2.2.2. Для случая нагружения внутренним избыточным давлением расчетная толщина стенки днища определяем по формуле:

где R - радиус кривизны в вершине днища, для эллиптических днищ и крышек R=D=1.6 м

Исполнительная толщина стенки днища S = 0,00078 + 0,001 = 0,00178м

Принимаем исполнительную толщину стенки днища 6 мм.

2.2.3. Для случая нагружения наружным давлением толщину стенки определяем по формуле

где К_э = 0,9 коэффициент приведения радиуса кривизны эллиптического днища.

Для снижения отрицательного действия краевого эффекта, возникающего вследствие разности толщины стенок днища и обечайки, принимаем S_Д = 8 мм. Допускаемое наружное давление

Допускаемое давление из условия прочности определяем по формуле

допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости

где

р = 0,2МПа < [р] = 0,435МПа

Условие прочности выполняется.

2.3. Расчет толщины стенки обечайки рубашки.

2.3.1. Расчетная толщина стенки обечайки, работающей под действием внутреннего избыточного давления, согласно [4] определяется по формуле:

где =0,3 - 0,1 =0,2 МПа - расчетное (рабочее) давление в аппарате;

D = 1700 м - внутренний диаметр обечайки:

[σ] = 154 МПа - допускаемое напряжение для стали В Ст.З при 20 °С;

φ_р = 1 - коэффициент прочности продольного сварного шва, [2].

Исполнительная толщина стенки определяется с учетом прибавки С к расчетной толщине:

S S_R+C

С=С_} + С₂ + С₃

Где С₁ - прибавка для компенсации коррозии и эрозии, м;

С₂, Сз - прибавка для компенсации минусового допуска и технологическая прибавка соответственно, м.

Так как сумма прибавок С₂ и Сз меньше 5% от расчетной толщины стенки корпуса, то они согласно 1 [7] не учитываются.

Тогда С = С₁ = 0,001 м

Подставим в формулу получим:

S = 0,0011 + 0,001 = 0,0021м

Принимаем исполнительную толщину стенки обечайки 8 мм, как минимально допустимую для данного диаметра [2].

2.3.2. Расчет толщины стенки днища рубашки

Размеры днища по ГОСТ 6533-78

D = 1700 мм

Н_д = 425 мм

h_ц - в зависимости от толщины стенки днища.

2.2.2. Для случая нагружения внутренним избыточным давлением расчетная толщина стенки днища определяем по формуле:

где R - радиус кривизны в вершине днища, для эллиптических днищ и крышек R=D=1.7 м

Исполнительная толщина стенки днища

S = 0,00055 + 0,001 = 0,00155м

Принимаем исполнительную толщину стенки днища 8 мм.

3. РАСЧЕТ УКРЕПЛЕНИЯ ОТВЕРСТИЯ

Расчет ведем согласно [5].

3.1. Расчетный диаметр отверстия, не требующего дополнительного укрепления

Укрепим отверстие d =80мм.

3.2. Условие укрепления отверстия

Расчетная толщина стенки штуцера ₌

Принимаем стандартный штуцер D_y = 80 мм; S = 5 мм; Н_т = 180 мм.

Расчетная ширина зоны укрепления:

Отверстие укреплено.

4. ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И РАСЧЕТ БОЛТОВ ФЛАНЦЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ

Согласно [2] конструкция фланцевого соединения принимается в зависимости от рабочих параметров аппарата. При р < 2,5 МПа и t < 300⁰С принимаются стальные плоские приварные фланцы. Поэтому выбираем плоские приварные с соединением шип - паз по ОСТ 26-426-79 с параметрами:

Фланец 80-10 ГОСТ 12828-79

D _ф = 195мм; D_Б= 160мм; D₁ = 138мм; D₂ = 121 мм;D₄ = 91 мм; h = 17 мм;

h₁ = 16 мм; z = 4 отв.

В качестве крепежных деталей во фланцевых соединениях принимаем болты М16, материал - сталь 35. В качестве прокладочного материала принимаем паронит.

Нагрузка, действующая на фланцевое соединение от внутреннего избыточного давления определяем по формуле [6]:

где - средний диаметр прокладки, м

где D_n = 141 мм - диаметр прокладки;

b_n = 27 мм - ширина прокладки.

Реакция прокладки в рабочих условиях:

где = 0,5 b_n = 0,0135 м - эффективная ширина прокладки

m = 2,5 - коэффициент по [6]

Усилие от температурных деформаций:

где - безразмерный коэффициент;

z_Б = 4 - количество болтов;

- площадь поперечного сечения болта;

= 1,99 ∙ 10¹¹ Па - модуль продольной упругости материала болтов;

- коэффициент линейного температурного расширения материала фланца;

- коэффициент линейного температурного расширения материала болтов;

- расчетная температура фланца;

- расчетная температура болтов;

Безразмерный коэффициент согласно [7] определяется по формуле:

где у_n - податливость прокладки, м/Н;

у_Б - податливость болтов, м/Н;

у_Ф - податливость фланца, 1/Нм

где S_n = 0,002 м - толщина прокладки;

Е_n = 2000 Па - модуль продольной упругости материала прокладки.

где - расчетная длина болта, м

где - безразмерный параметр

= 0,36 - коэффициент, [2];

= 19 - коэффициент, [2];

h - ориентировочная толщина фланца, м.

где = 0,055 - коэффициент, [2];

j - коэффициент.

Тогда

Подставляя. в формулу получим:

Расчетная температура фланца и болтов определяем по таблице [7]

Болтовая нагрузка в условиях монтажа:

где а - коэффициент;

q = 20 МПа - параметр прокладки;

[σ_Б]²⁰ =130 МПа - допускаемое напряжение для материала болтов.

Болтовая нагрузка в рабочих условиях:

Проверим условия прочности болтов для условий монтажа и рабочих условий [6]:

где - допускаемое напряжение для материала болтов при расчетной температуре.

Условия прочности соблюдаются.

5. ВЫБОР И РАСЧЕТ ОПОР

Нагрузка на одну опору

где G - сила тяжести.

Оценим вес аппарата.

Объем обечайки (металла)

объем днища, равный объему крышки:

Вес корпуса

Объем обечайки рубашки (металла)

объем днища:

Вес рубашки

Вес аппарата

М - момент, М = О

Принимаем число опор z = 3

Выбираем опоры типа 2 с допускаемой нагрузкой

Опора 2-1000 ОСТ 26-665-79

, , , , , , ,

, ,

Определим суммарные меридиональные и кольцевые напряжения стенки аппарата от действия внутреннего избыточного давления и изгибающего момента

- максимальное мембранное напряжение от основных нагрузок.

Максимальное мембранное напряжение от основных нагрузок и реакции опоры:

где

Находим, согласно [2], K₁=1,5

Максимальное напряжение изгиба от реакции опоры:

где

Условие прочности имеет вид:

где А = 1 - для рабочих условий

210МПа- предел текучести для стали В Ст.З.

Условие прочности соблюдается.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Произведен расчет на прочность основных элементов аппарата. Рассчитана толщина стенки корпуса и рубашки аппарата. Подобраны и рассчитаны опоры, фланцевое соединение и укрепление отверстия. Разработан общий вид аппарата и определены основные размеры

ЛИТЕРАТУРА

1. Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов и агрессивные среды химических производств. Справочник. М.: Химия, 1967.

2. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов. Справочник. Машиностроение, 1981.

3. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Л.: Машиностроение, 1970.

4. ГОСТ 14249-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.

5. ГОСТ 24755-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность укрепления отверстий.

Дата добавления: 2015-10-21