Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Прочностной расчет реактора

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования "Полоцкий государственный университет"

Технологический факультет

Кафедра химической техники

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине

Оборудование нефтеперерабатывающих заводов

Тема «Прочностной расчет реактора»

Разработал

студент гр.03-ХТз-1

Руководитель проекта, к.т.н. Вегера А.И.

Новополоцк, 2008 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………………4

2. РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ …………………………………………………...……...……5

3. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ КРЫШКИ АППАРАТА ……...…….6

4. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБЕЧАЙКИ РЕАКТОРА …............8

5. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБЕЧАЙКИ РУБАШКИ .……….13

6. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ УКРЕПЛЕНИЯ ОТВЕРСТИЯ ЛЮКА-ЛАЗА…………….. 17

7. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ПЛОСКОЙ КРЫШКИ ЛЮКА…………………………….. 19

8. ПОДБОР ОПОР ДЛЯ РЕАКТОРА ………………………………………………………... 21

9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………………22

ЛИТЕРАТУРА………………………………………………..………………………………...23

ВВЕДЕНИЕ

В курсовом проекте студент должен произвести расчет конструкционных элементов реактора, а также вычертить общий вид реактора и необходимые узлы.

Быстрое развитие химической технологии и все возрастающее производство многочисленного химического оборудования, и в том числе химической аппаратуры, требуют создания высокоэффективных, экономичных и надежных аппаратов высокого качества, большинство из которых изготовляются из стали самой распространенной технологией – сваркой.

Данный курсовой проект предназначен для закрепления знаний у студентов, которые они получили в процессе изучения курса «Расчет и конструирование машин и аппаратов»; для расширения умений по поиску информации в технической литературе; для приобретения опыта в оформлении конструкторской документации и графического материала.

2. РАСЧЁТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Расчётная температура стенок выбирается из следующих соображений:

t = max{tc;200С} = max{200;200С } = 2000С, где

tc – максимальная температура среды, соприкасающейся со стенкой, 0С

Расчётное давление:

а) внутри аппарата (для днища, обечайки корпуса и крышки):

Рр = Р = 1,5 МПа

б) в рубашке:

Рр.р = Р1 = 2,0 МПа

Исходя из условий, принимаем сталь марки 08Х18Н10 по ГОСТ 5632-72 (для днища, обечайки корпуса и крышки)

Допускаемое напряжение для стали марки 08Х18Н10:

[ ] = 140 МПа при температуре 200оС [1]

Коэффициент запаса устойчивости для рабочих условий:

ny = 2,4

Расчётные значения модуля продольной упругости для стали марки 08Х18Н10 при температуре 200оС равен Е = 1,97·105 МПа.

Исходя из условий, принимаем сталь марки 09Г2С по ГОСТ 19282-73 (рубашки)

Допускаемое напряжение для стали марки 09Г2С:

[ ] = 171 МПа при температуре 150оС [1]

Коэффициент запаса устойчивости для рабочих условий:

ny = 2,4

Расчётные значения модуля продольной упругости для стали марки 09Г2С при температуре 150оС равен Е = 1,86·105 МПа.

Принимаем коэффициент прочности сварных швов φ = 0,9 при виде сварного шва: стыковой, выполняемый вручную с одной стороны. Длина контролируемых швов от общей длины составляет 100 %.

Прибавки к расчётным толщинам стенок:

а) для компенсации коррозии:

- обечайки и днища корпуса:

ск = (П1 + П2) ·τ , где

П1 – скорость коррозии металла при воздействии среды в аппарате на внутреннюю стенку аппарата, днище и крышку, мм/год

Принимаем П1 = 0,1 мм/год

П2 – скорость коррозии металла при воздействии среды в рубашке на внешнюю стенку аппарата, днища и внутреннюю стенку рубашки.

Принимаем П2 = 0,05 мм/год

τ – срок эксплуатации

ск = (0,1 + 0,05)∙20 = 3 мм

- крышки:

ск.кр = П1·τ = 0,1·20 = 2 мм

- рубашки:

ск.р = П2·τ = 0,1·20 = 2 мм

б) для компенсации эрозии сэ = 0, так как эрозия отсутствует.

в) для компенсации минусового допуска и утонения стенки элементов аппарата соответственно С2 = 0 и С3 = 0, так как сумма (С2+ С3) не превышает 5% толщины листа.

3. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ КРЫШКИ АППАРАТА

Расчет толщины стенки эллиптической крышки, нагруженного избыточным внутренним давлением.

Толщину стенки эллиптической крышки рассчитываем по формулам (52)-(54) [2]:

где , R=D с Н=0,25D.

0,0107 м.

s1 = 10,7+2 = 12,7 мм

Принимаем толщину стенки s1 = 14 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление рассчитаем по формуле (54) [2]:

1,51 МПа

Согласно ГОСТ 6533-78 по таблице 7.2 [7] принимаем h1=40 мм.

Проведем проверочный расчет по п. 3.3.1.4. [2]:

0,8 =0,8∙ 117,58>h1.

Согласно условиям п. 3.3.1.4. [2] и сортаменту принимаем толщину стенки 14 мм.

Расчет толщины стенки эллиптического днища, нагруженного избыточным наружным давлением.

Наружное избыточное давление принимаем равным атмосферному р=0,101 МПа, при абсолютном давлении внутри аппарата 0 МПа.

Толщину стенки крышки рассчитываем по формулам (56)-(58) [2]

;

где Кэ=0,9 для предварительного расчета [2];

Е=1,97∙105 МПа при 100 оС(табл. 19 [2]).

{0,0035;0,0006}=3,5 мм.

Дальнейший расчет проводим из условия толщины стенки s1=14 мм.

Определим допускаемое наружное давление по формуле (58) [2]:

где допускаемое давление [p]п из условия прочности:

1,86 МПа,

допускаемое давление [p]Е из условия устойчивости в пределах упругости:

1,07 МПа,

где Кэ= 0,94,

0,10.

Допускаемое наружное давление:

0,93 МПа

Проверяем условие :

- условие соблюдается.

Принимаем эллиптическое днище с отбортовкой h1=40 мм толщиной стенки s1=14 мм по ГОСТ 6533-78.

4. РАСЧЁТ НА ПРОЧНОСТЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБЕЧАЙКИ РЕАКТОРА

При расчете обечайки реактора имеем двухсторонний контакт с коррозионными средами - принимаем прибавку к толщине обечайки с=3мм

Толщину стенки цилиндрической части корпуса рассчитаем для 2-х случаев, когда аппарат нагружен избыточным внутренним давлением и, когда аппарат нагружен наружным давлением.

Расчет цилиндрической обечайки, нагруженной избыточным внутренним давлением.

Толщину стенки рассчитываем по формулам 8 и 9 [2]:

s ³ sР+с

где

где sР – расчетная толщина стенки, мм;

p – внутреннее избыточное давление (в нашем случае оно равно давлению внутри аппарата p =15 кг/см2 = 1,5 МПа);

D – диаметр аппарата (D =1800 мм);

[s] – допускаемое напряжение при расчетной температуре, МПа;

φр – расчетный коэффициент прочности сварного шва.

Принимаем вид сварного шва – стыковой или тавровый с двусторонним сплошным проваром, выполняемый автоматической и полуавтоматической сваркой. По табл.20 приложения 5 [2] найдем значение коэффициента прочности φр =1,0.

0,01 м

s = 10+3 = 13мм

Принимаем толщину стенки s = 14 мм.

Допускаемое избыточное внутреннее давление будет равным (формула 10 [2]):

1,70 МПа.

Расчёт цилиндрической части корпуса нагруженной наружным давлением.

Толщину стенки приближённо определяют по формулам 11,12 с последующей проверкой по формуле 13 [2]:

s ³ sР+с

где p – наружное давление (2,0 МПа);

Коэффициент К2 определяем по номограмме, приведенной на черт. 5 [2], для этого следует определить два коэффициента K1 и K3, которые определяются по формулам:

где ny – коэффициент запаса устойчивости принимаем равным 2,4 для рабочих условий (п. 1.4.12 [2]);

Е – модуль продольной упругости при расчетной температуре, МПа. По табл.19 приложения 4 [2] для аустенитной стали при температуре 200°С находим Е =1,97∙105 МПа.

10,15

Найдем , где l =L+l3 - расчетная длина цилиндрической части (L=3000мм – длина цилиндра; l3 =Н/3 - длина примыкающего элемента для выпуклых днищ п.2.3.2.2 [2]). По условию задания Н не задано, значит, принимаем эллиптическое днище

Н=0,25D =0,25∙1,8=0,45 м. Тогда l =3,0+0,45/3=3,15м

- длина примыкающего элемента по условию задания [2]).

Тогда l =3,15 м

1,75

По черт.5 «Номограмма для расчета на устойчивость в пределах упругости цилиндрических обечаек, работающих под наружным давлением» [2] найдем K2 = 1,42

Найдем значение расчетной толщины стенки:

0,026 м

0,014 м

s = 26+3=29 мм

Принимаем s=30 мм.

Определим допускаемое наружное давление по формуле 13 [2]:

где допускаемое давление из условий прочности определяем по формуле 14 [2]:

4,14 МПа

Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости определяем по формуле 15 [2]:

где

4,49

значит, выбираем B1 = 1.

2,69 МПа

2,26 МПа

Принимаем толщину стенки корпуса S=30мм.

Расчёт цилиндрической части корпуса нагруженной осевыми усилиями.

Толщина стенки обечайки нагруженной осевым растягивающим усилием должна соответствовать условию:

где 0,0064 м

Осевое растягивающее усилие:

5,09 МН.

Допускаемое осевое растягивающее усилие:

=21,04 МН ≥5,09МН.

Условия s≥sp+c и [F]≥F выполняются.

Осевое сжимающее усилие рассчитываем по формуле (21) [2]:

Допускаемое осевое сжимающее усилие:

- из условия прочности (22) [2]

3,14∙(1,8+0,030-0,003)∙(0,030-0,003)∙140=21,69 МН

- в пределах упругости из условия устойчивости (23) [2]

[F]Е = min{[F]E1;[F]E2}

но при условии l/D=3,15/1,8=1,75<10 [F]Е = [F]E1 ,

тогда [F]E1 находим по формуле (24) [2]

227,19 МН

с учетом обоих условий по формуле (21) [2]:

= 21,59 МН

Осевое сжимающее усилие – это усилие прижатия днища к обечайке давлением в рубашке 2,0 МПа, которое может быть рассчитано (Приложение 3 «Пример расчета аппарата с рубашкой»[5]):

F=0,25∙π∙(D+2s)2∙p=0,25∙3,14∙(1,8+2∙0,030)2∙2,0=5,43 МН

Так как обечайка корпуса при наличии давления в рубашке и отсутствия давления внутри аппарата работает под совместным действием наружного давления 2,0 МПа и осевого сжимающего усилия F, должно выполняться условие устойчивости:

Проверяем условие устойчивости:

1,14≤1

Устойчивость обечайки корпуса с толщиной стенки 30 мм не выполняется.

Принимаем толщину стенки 32 мм и повторим расчет

4,44 МПа

4,25

значит, выбираем B1 = 1.

3,21 МПа

2,60 МПа

Принимаем толщину стенки корпуса S=32мм.

Расчёт цилиндрической части корпуса нагруженной осевыми усилиями.

Толщина стенки обечайки нагруженной осевым растягивающим усилием должна соответствовать условию:

где 0,0064 м

Осевое растягивающее усилие:

5,09 МН.

Допускаемое осевое растягивающее усилие:

=22,58 МН ≥5,09МН.

Условия s≥sp+c и [F]≥F выполняются.

Осевое сжимающее усилие рассчитываем по формуле (21) [2]:

Допускаемое осевое сжимающее усилие:

- из условия прочности (22) [2]

3,14∙(1,8+0,032-0,003)∙(0,032-0,003)∙140=23,32 МН

271,63 МН

с учетом обоих условий по формуле (21) [2]:

= 23,23 МН

F=0,25∙π∙(D+2s)2∙p=0,25∙3,14∙(1,8+2∙0,032)2∙2,0=5,45 МН

Проверяем условие устойчивости:

1,00≤1

Устойчивость обечайки корпуса с толщиной стенки 32 мм выполняется.

5. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБЕЧАЙКИ РУБАШКИ

Толщину стенки цилиндрической части рубашки рассчитаем для 2-х случаев, когда пространство в рубашке аппарата нагружено избыточным внутренним давлением и, когда пространство в рубашке аппарата нагружено наружным давлением.

Расчет цилиндрической обечайки, нагруженной избыточным внутренним давлением.

Толщину стенки рассчитываем по формулам 8 и 9 [2]:

s ³ sР+с

где

где sР – расчетная толщина стенки, мм;

p – внутреннее избыточное давление (в нашем случае оно равно давлению внутри рубашки p =20 кг/см2 = 2,0 МПа);

D – внутренний диаметр цилиндрической части рубашки (D =1800+2∙(32+65)=1994 мм);

[s] – допускаемое напряжение при расчетной температуре, МПа;

φр – расчетный коэффициент прочности сварного шва.

0,012 м

s = 12+2 = 14мм

Принимаем толщину стенки s = 14 мм.

Допускаемое избыточное внутреннее давление будет равным (формула 10 [2]):

2,05 МПа.

Расчёт цилиндрической части рубашки нагруженной наружным давлением.

Толщину стенки приближённо определяют по формулам 11,12 с последующей проверкой по формуле 13 [2]:

s ³ sР+с

где p – наружное давление (оно равно атмосферному давлению p =0,101 МПа);

где ny – коэффициент запаса устойчивости принимаем равным 2,4 для рабочих условий (п. 1.4.12 [2]);

Е – модуль продольной упругости при расчетной температуре, МПа. По табл.19 приложения 4 [2] для низколегированной стали при температуре 150°С находим Е =1,86∙105 МПа.

0,54

Н=0,25D =0,25∙1,994=0,499 м. Тогда l =3,0+0,499/3=3,166м

- длина примыкающего элемента по условию задания [2]).

Тогда l =3,166 м

1,59

По черт.5 «Номограмма для расчета на устойчивость в пределах упругости цилиндрических обечаек, работающих под наружным давлением» [2] найдем K2 = 0,44

Найдем значение расчетной толщины стенки:

0,009 м

0,001 м

s =9+2=11 мм

Принимаем s=14 мм.

Определим допускаемое наружное давление по формуле 13 [2]:

где допускаемое давление из условий прочности определяем по формуле 14 [2]:

2,05 МПа

Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости определяем по формуле 15 [2]:

где

7,67

значит, выбираем B1 = 1.

0,29 МПа

Принимаем толщину стенки корпуса рубашки S=14мм.

Расчёт цилиндрической части рубашки нагруженной осевыми усилиями.

Толщина стенки обечайки нагруженной осевым растягивающим усилием должна соответствовать условию:

где 0,0058 м

Осевое растягивающее усилие:

6,24 МН.

Допускаемое осевое растягивающее усилие:

=12,77 МН ≥6,24 МН.

Условия s≥sp+c и [F]≥F выполняются.

Осевое сжимающее усилие рассчитываем по формуле (21) [2]:

Допускаемое осевое сжимающее усилие:

- из условия прочности (22) [2]

3,14∙(1,994+0,014-0,002)∙(0,014-0,002)∙171=12,93 МН

- в пределах упругости из условия устойчивости (23) [2]

[F]Е = min{[F]E1;[F]E2}

но при условии l/D=3,166/1,994=1,6<10 [F]Е = [F]E1 ,

тогда [F]E1 находим по формуле (24) [2]

26,84 МН

с учетом обоих условий по формуле (21) [2]:

= 11,65 МН

Осевое сжимающее усилие – это усилие прижатия днища к обечайке атмосферным давлением, которое может быть рассчитано (Приложение 3 «Пример расчета аппарата с рубашкой»[5]):

F=0,25∙π∙(D+2s)2∙p=0,25∙3,14∙(1,994+2∙0,014)2∙0,101=0,32 МН

Так как обечайка рубашки при отсутствии давления в рубашке работает под совместным действием наружного давления 0,101 МПа и осевого сжимающего усилия F, должно выполняться условие устойчивости:

Проверяем условие устойчивости:

0,38≤1

Устойчивость обечайки рубашки с толщиной стенки 14 мм выполняется.

6. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ УКРЕПЛЕНИЯ ОТВЕРСТИЯ ЛЮКА-ЛАЗА

Согласно ОСТ 26-1408 – 76 и табл. 10.2 [7] принимаем тонкостенный штуцер Dy450 и стандартный тонкостенный штуцер Dy100 со следующими размерами:

Dy450 – dт=480 мм; Нт=300 мм sт=12 мм;

Dy100 – dт=108 мм; Нт=190 мм; sт=5 мм.

Расчётный диаметр укрепляемых элементов (люка лаза и штуцера для ввода сырья) для эллиптического днища определяются по формуле:

2,809 м

Расчётный диаметр отверстия для смещённого штуцера для эллиптического днища определяют по формуле:

0,512 м

Расчётные толщины стенок укрепляемых элементов:

0,010 м= 10 мм

0,003 м=3 мм

0,0007 м=1 мм

Принимаем коэффициент прочности сварного соединения j = 1 и

Расчетная толщина укрепляемых элементов принимаем равной:

для штуцера Dy450 sR = 10∙мм;

для штуцера Dy100 sR = 6∙мм.

Ширина внешней части штуцера:

0,084 м

0,022 м

Величина l1 принимается равной l1 = 2d, но не более 0,3м.

Ширину зоны укрепления определим по формуле:

0,184 м

Расчетную ширину зоны укрепления определим по формуле:

где lК – расстояние от наружной стенки штуцера до ближайшего несущего конструктивного элемента на укрепленном элементе:

0,358 м

Принимаем lR= L0= 0,184 м

Проверяем необходимость укрепления отверстия при толщине стенки 14 мм (п. 3). Расчётный диаметр отверстия, не требующего дополнительного укрепления, вычисляется по формуле:

0,118 м

Расчётный диаметр d0,1 удовлетворяет условию: , и поэтому укрепление отверстия требуется.

Расчетная ширина накладного кольца:

l2p= ={184;270}

Принимаем исполнительную ширину накладного кольца l2=78 мм

Проверяем условие укрепления отверстия:

l1p(s1- s1p-cs)χ1+l2ps2χ2+l3p(s3-cs-cs1)χ3+lp(s-sp-cs)≥0,5(dp-d0)sp.

85∙(10-3-2)∙1+184∙14∙1+25∙(6-2-2)∙1+184∙(14-10,7-2)≥0,5∙(512-118)∙10,7

3290≥2108

Условие укрепления отверстия выполняется.

Допускаемое внутреннее избыточное давление

= 2,38 МПа,

где К1=2,

min{1;1,19}

7. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ПЛОСКОЙ КРЫШКИ ЛЮКА

К расчету крышки люка-лаза

Рис. 4. К расчету толщины крышки люка-лаза.

По табл.1.36 «Типы и пределы применения фланцев» [5] определяем, что для крышки с диаметром 450 мм и давлением 2,0 МПа применяются приварные встык фланцы. Материал крышки и фланца тот же что и обечайки сталь марки 08Х18Н10 по ГОСТ 5632-72.

Толщину плоских круглых крышек, работающих под избыточным внутренним давлением или наружным давлением, рассчитывают по формулам 71,72 [2]:

Значение коэффициента К и расчетного диаметра Dр в зависимости от конструкции крышки принимаем по табл.3 [2]. Выбираем тип №11 (рис. 4) :

К= 0,40

Dр = D3

Для соединения с аппаратом принимаем фланец 1-450-25 ОСТ 26-427-79 с D3=590мм.

Для стали марки 08Х18Н10 допускаемое напряжение при расчетной температуре 150°С по табл.7 приложения 1 [2] - [s]= 140 МПа.

0,0282 м

Толщина s1 :

s1 =28,2+2=30,2 мм

Принимаем толщину крышки s1 =45 мм

Допускаемое давление на плоскую крышку определяем по формуле 75 [2]:

59,76 МПа

Принимаем: Люк 3-1-450-Х12-25 ОСТ 26-2005-77 со следующими типоразмерами:

Py,

МПа

мм

2,5

450

590

200

290

Рис. 5. Определение геометрических размеров крышки люка-лаза.

Принимаем D2=440 мм, тогда s2=s1-(D-D2)/2 =45-(450-440)/2=40 мм.

Толщину s2 проверяем по формуле:

{0,006;0,03209}=0,033 м.

Расчетная толщина удовлетворяет проверочному расчету.

8. ПОДБОР ОПОР ДЛЯ РЕАКТОРА

Согласно [5] для реактора принимаем 4 опоры 3-2500 ОСТ 26-665-79. Материал опор сталь марки В Ст3 ГОСТ 380-71.

Рис. 2. Опора типа 3 (стойка) ОСТ 26-665-79

Согласно ОСТ 26-665-79 опора 3-2500 имеет следующие типоразмеры:

Q, кН	а	а1	b	b1	c	c1	hmax	h1	s1	K	K1	d	dб
25,0	125	165	140	200	22	80	365	16	10	10	105	24	М20

Расположение фундаментных болтов по ОСТ 26-665-79, мм:

D=1800, D1=1610

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы были произведены расчеты на прочность и подобраны размеры основных элементов аппарата в соответствии с выданным заданием на курсовую работу. При этом получены навыки работы с нормативной документацией, регламентирующей указанные расчеты.

ЛИТЕРАТУРА

Конструкционные материалы: Справочник/Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1990. – 688 с.; ил.
ГОСТ 14249-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. – М.: Издательство стандартов,1989. - 79с.
Смирнов Г.Г., Толчинский А.Р., Кондратьева Т.Ф. Конструирование безопасных аппаратов для химических и нефтехимических производств. – Л.: Машиностроение, 1988. -303 с.
Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Т.1. – Калуга: Издательство Н.Бочкаревой, 2002. -852 с.
Михалев М.Ф. и др. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств: Примеры и задачи. - Л.: Машиностроение, 1984. -301 с.
К.Ф.Павлов, П.Г.Романков, А.А.Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.Л.:Химия,1987.
Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. – Л.: Машиностроение, 1981. – 382 с., ил.
ГОСТ 24755-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность укрепления отверстий. – М.: Издательство стандартов,1989. - 79с.