Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Расчет вертикального аппарата

ВВЕДЕНИЕ

В химической промышленности наряду с основной аппаратурой, отличающийся сложным внутренним устройством, широко применяет емкостные аппараты. Как правило они не имеют внутренних технологических цехов и установок. Емкостные аппараты классифицируют по положению геометрической оси на вертикальной цилиндрической и горизонтальной цилиндрической. По назначению эти аппараты подразделяются следующим образом:

Приёмники газа и воздуха - ресиверы- предназначены для накопления сжатых газов и служат в качестве буферных емкостей, уменьшающих колебаний давления в сети компрессора.

Приёмники жидкостей – аккумуляторы, служат для накопления жидкости над давлением.

Монжусы – предназначены для подъёма и перемещения под давлением воздуха предварительно накопленной в них жидкости.

Отстойники (грязотделители ) - предназначены для проведения процессов осаждения или отстаивания. Маслоотделители – используются для очистки газов от масла.

Мерники – это емкости, предназначенные для отмеривания заданного объёма жидкости.

Напорные баки – заполняют рабочей жидкостью, и используют для создания определенного гидроиспытательного давления за счёт расположения их на определённой высотной отметки.

Разделительные сосуды - исполняют для разделениясмеси жидких нерастворимых один в другом компонентов с различной плотностью.

В проекте разработана конструкция сборника, выполнены расчёты обечайки, эллиптического днища, выбраны стандартные фланцы, штуцера, люк, опоры и строповочные устройства, проверочный расчёт опоры.

1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Тип корпуса аппарата ВЭЭ-1;

номинальный объём V=25м3;

внутренний диаметр аппарата D=2400 мм;

абсолютное давление в аппарате Pa= 0,7 МПа ;

рабочая температура t=100 ̊С;

материал корпуса сталь – 12Х18Н10Т;

скорость коррозии П=0,05мм/год;

срок службы аппарата τ=20 лет;

плотность жидкой среды ρ=1600кг/м3;

среда в аппарате – жидкость нетоксичная, невзрывоопасная, коррозионная.

2 КОНСТРУКЦИЯ АППАРАТА

2.1 Описание конструкции

Разработанный в курсовом проекте емкостной аппарат вертикального типа объёмом 25 м3 и с внутренним диаметром 2400 мм, предназначен для приёма, хранения и выдачи жидкого продукта. Выдача жидких сред может осуществляться как самотеком, так и передавливанием среды сжатым воздухом, технологическим или инертным газом

Аппарат (рисунок 1) состоит из цилиндрического корпуса поз. 1, двух эллиптических днищ поз. 2 и 3, опор-лап поз. 4 (4шт.), четырёх строповых устройств (цапф) поз. 5, люка поз.6 и штуцеров поз. 7-13. Назначение и параметры штуцеров приведены в таблице 1. Корпус аппарата состоит из трёх цилиндрических обечаек, изготовленных вальцовкой из листового проката и сваренных между собой по кольцевым стыкам автоматической сваркой. Продольные швы обечаек выполнены автоматической сваркой под слоем флюса на флюсовой подушке. Эллиптические днища стандартные отбортованные, способ изготовления - горячая штамповка из круглых сварных заготовок. Опоры-лапы аппарата стандартные. В качестве строповых устройств выбраны цапфы. Фланцы штуцеров, люка, крышки люка – с соединительным выступом. Люк стандартный. Аппарат должен быть теплоизолирован.

Исходный продукт поступает в аппарат через ввод Б (рисунок 1). Вывод продукта производиться через штуцер В1 или В2 или трубу передавливания Д. Для исключения переполнения аппарата средой служит штуцер Г, а для контроля за уровнем жидкости среды к штуцерам И1 и И2 присоединяется указатель уровня трубчатого типа. Давление в аппарате контролируется по манометру, присоединяемому к штуцеру Ж. Для контроля за температурой среды в штуцер Л устанавливается термометр.

Таблица 1 – Таблица штуцеров

Обозначение	Название	Dy, мм	Py, МПа
А	Люк	500	1,0
Б	Вход среды	150	1,6
В1, В2	Выход среды	250	1,0
Г	Перелив среды	250	1,0
Д	Труба передавливания	150	1,6
Е	Установка предохранительного клапана	100	1,6
Ж	Установка манометра	50	2,5
И1, И2	Установка уровнемера	20	2,5
К	Установка уровнемера УБ	50	2,5
Л	Установка термометра	50	2,5
М	Резервный	50	2,5

Конструкция аппарата отвечает требованиям прочности, герметичности и надёжности, что проверено расчётами на прочность и выбором стандартных элементов с учётом действия рабочих нагрузок и параметров рабочей среды.

Спроектированная конструкция технологичная. В конструкции использованы преимущественно стандартные и унифицированные детали и узлы, относительно недорогие конструкционные материалы, обеспечивающие надёжность и долговечность эксплуатации конструкции, для изготовления конструкции предположены рациональные методы сборки с применением сборочных приспособлений и производительной автоматической сварки под флюсом. В конструкции заложена возможность осмотра, очистки и ремонт аппарата.

1 -обечайка; 2,3 - днища; 4 - опорная лапа; 5 - цапфа; 6 - люк; 7 - 13 – штуцера

Рисунок 1 - Конструктивная схема аппарата

2.2 Конструктивный расчёт

Исходные данные:

тип корпуса ВЭЭ1;

номинальный объём V=25 м3;

внутренний диаметр корпуса D=2400 мм.

Тип корпуса аппарата - вертикальный с двумя эллиптическими днищами.
Конструктивная схема корпуса приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема корпуса аппарата

По таблице 16.2 [1, с. 334] определяем длину цилиндрической части корпуса аппарата 1, мм. При V = 25м3, D = 2400 мм Ɩ = 4730мм.

Схема корпуса аппарата приведена на рисунке 2.

Определяем длину корпуса аппарата L, мм, по формуле

L = Hd1 + Ɩ+ Hd2, (1)

гдеHd1, Hd2- высота выпуклой части днищ, мм;

Ɩ – длина цилиндрической части корпуса, мм.

Hd1 = Hd2 = 0,25 ∙D , (2)

Hd1 = Hd2 = 0,25 ∙ 2400 = 600 мм.

Полученные значения подставляем в формулу (1).

L = 4730 + 600 + 600 = 5930 мм = 5,93 м.

2.3 Конструкционные материалы

Для изготовления основных частей аппарата (обечайки и днищ) применяется сталь 12X18H10T по ОСТ 26-291-94 [2]. Сталь 12X18H10T– сталь конструкционная, высоколегированная, жаростойка, жаропрочная коррозионностойкая, хромоникелевая, аустенитного класса.

Химический состав стали приведён в таблице 2, механические свойства – в таблице 3, условия применения и технологические свойства стали в таблице 4.

Таблица 2 – Химический состав стали 12X18H10T, %

0,12

0,80

2,0

17,0-19,0

9,0-11,0

0,30

5с-0,8

0,020

0,035

Таблица 3 – Механические свойстваТ=20oС стали 12X18H10T

Элементы аппарата	t, °С	Механические свойства, МПа
Элементы аппарата	t, °С	Ϭв	Ϭв20	Ϭт	Ϭт20	E∙10-5	E20∙10-5
Обечайка, днище	100	174	184	228	240	2,00	2,00
Примечание - t – расчётная температура; Ϭв, Ϭт, Е – соответственно временное сопротивление разрыву, предел текучести, модуль продольной упругости при расчётной температуре, Мпа;бв20,бт20,Е20 – тоже при температуре 20 ̊С, МПа.

Таблица 4 – Условия применения и технологические свойства стали 12X18H10T.

Рабочие условия

Технологические свойства

Область применения

Температура, °С

Давление, МПа

-253 до +600

Не ограниченно

Пластичные, легко деформируются

хорошо обрабатываются резаньем, свариваются всеми сварки.

Обечайки, днища, плоские фланцы, трубные решетки и др. детали для сред не вызывающих межкристаллитную коррозию.

По свариваемости сталь 12X18H10T относится к относится к первой группе, т.е. сварка стали может выполняться без предварительного и сопутствующего подогрева и без последующей термической обработки.

Принимаем материал опор сталь ВСт3сп2, фланцев и патрубок штуцеров 12X18H10T, основных частей люков (если есть) 12X18H10T, материалы болтов (шпилек) сталь 12X18H10T, гаек сталь12X18H10T, материал прокладок поранит.

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ ПАРАМЕТРОВ

3.1 Расчёт ведём по [3].

3.2 Определяем допускаемые напряжения.

По таблице В.3 при расчётной температуре t=100 ̊Cдля стали 12X18H10T допускаемое напряжение [Ϭ]100 = 174 Мпа, допускаемое напряжение при

20 ̊С - [Ϭ]20=184 МПа.

Допускаемое напряжение в условиях гидроиспытания [Ϭ]гМПа, определяем по формуле.

(3)

где nT20-коэффициент запаса, при гидроиспытании nT20=1.1.

Из таблицы 3 ϬT20=240 МПа.

3.3 Определяем расчётные давления.

Расчётное давление для рабочих условийPp определяем по формуле, МПа:

PP=P+p∙q∙H1∙10-6, (4)

Где g=9,8 м/с2- ускорение свободного падения;

H1- высота жидкой среды, м.

P- рабочее давление, МПа;

P= Pa – 0,1 (5)

P=0,7 – 0,1= 0,6 МПа

H1= 0,8∙Н, (5а)

где 0,8 – это коэффициент заполнения аппарата

H1= 0,8∙5,93=4,744 м (6)

Полученные значения подставляем в формулу (4).

Pp=0,6+ 1600∙9,8∙4,744∙10-6= 0,71 МПа

Расчётное давление для условий гидроиспытания Pu, МПа определяем по формуле:

Pu=1,25∙PP×+0,01×Н2 (7)

где H2 – высота воды при гидроиспытании

H2=Н=5,93м

Полученное значение подставляем в формулу (7)

Pu=1,25∙0,71∙(184/174)+0,01∙5,93=0,998 МПа

3.4 Пробное давление рассчитываем по формуле

Pпр= 1,25∙PP∙ (8)

Pnp=1,25∙0,71∙(184/174)=1,89 МПа

3.5 Прибавку на коррозию определяем по формуле

c=П∙τ, (9)

С= 0,05∙20= 1 мм.

3.6 Определяем коэффициент прочности сварного шва.

По таблице 1 ГОСТ Р 52630-2012 [4, с.6] устанавливаем группу аппарата4, так как среда не взрывоопасная, не токсичная, а рабочее давление до 1,6МПа.

Принимаем для продольных стыковых швов обечаек и днищ автоматическую сварку под слоем флюса.

В соответствии с Таблицей 19 ГОСТ Р 52630-2012 [4, с.36] для аппарата группы 4 устанавливаем объём контроля сварных швов радиационным или ультразвуковым методами не менее 25%.

По таблице А1 [3, с.25] коэффициент прочности сварного шва φ= 0,9.

4 РАСЧЕТ КОРПУСА АППАРАТА НА ПРОЧНОСТЬ

4.1 Расчёт обечаек

4.1.1 Расчёту подлежит цилиндрическая обечайка, нагруженная в рабочих условиях и условиях гидроиспытания внутренним давлением. Расчёт ведём по [3].

4.1.2 Расчётные схемы обечайки приведены на рисунке 3.

PP Pu

S D S D

а) б)

а – рабочие условия; б – условия гидроиспытания

Рисунок 3 – Расчётные схемы обечайки

4.1.3Определяем расчётные толщины стенки обечайки для рабочих условий SP1 и условий гидроиспытания SP2, мм по формулам:

(10)

(11)

4.1.4 За расчётную толщины стенки обечайки SP, мм принимаем большее из двух значений

SP = max {SP1;SP2} (12)

SP = max{5,5; 6,1} = 6,1 мм.

4.1.5 Исполнительную толщину стенки обечайки S, мм определяем по формуле

S≥SP+C (13)

S≥6,1+1=7,1 мм

4.1.6 Принимаем исполнительную толщину стенки обечайки S=8 мм.

4.2 Расчёт днища

4.2.1 Расчёту подлежит эллиптическое днище, нагруженная в рабочих условиях и условиях гидроиспытания внутренним давлением. Расчёт ведем по [3]. Расчетные схемы днища приведены на рисунке 4.

а- рабочие условия; б- условия гидроиспытания

Рисунок 4 – Расчётные схемы днища

4.2.2 Выполняем проверочный расчёт эллиптического днища, нагруженного внутренним давлением для рабочих условий и условий гидроиспытания. Принимаем толщину стенки днища S1, ровной толщине стенки обечайки S, т.е. S1=S=8мм.

4.2.3 Допускаемое давление для рабочих условий [P], МПа рассчитываем по формуле:

(14)

(15)

4.2.5 Проверяем условие прочности для рабочих условий

PP≤ [P], (16)

0,71 МПа ≤ 0,91 МПа

Условие прочности выполняется.

4.2.6 Проверяем условие прочности для условий испытания

Pu≤ [P]u (17)

0,998≤ 1,14

Условия прочности выполняется.

4.2.7 По таблице 7.2 [1, с.117]принимаем стандартное днище диаметром D=2400 мм, с толщиной стенки S1=8 мм. Основные размеры днища: внутренний диаметр D = 2400 мм, толщина стенки S1 = 8мм, высота выпуклой части Нд = 600 мм, высота отбортовки hц = 40 мм.

Обозначение стандартного днища:

Днище 2400-8 ГОСТ 6533-78.

Высоту днища H1дмм определяем по формуле

H1д= Hd + hy, (18)

H1д= 600 + 40= 640 мм.

5 ВЫБОР ФЛАНЦЕВ, ШТУЦЕРОВ, ЛЮКА

5.1 Исходные данные

Диаметр люка	Dл=500мм
Рабочее внутреннее давление	Р=0,7МПа
Расчетная температура	t=100°С
Рабочая среда	нетоксичная, невзрывоопасная
Тепловая изоляция	есть

5.2 Выбор стандартных фланцев

5.2.1 Принимаем материал фланцев 12Х18Н10Т

По таблице 1 [5, с.5] при t=100 ̊С, P = 0,7 МПа для стали 12Х18Н10Т расчётное давление для фланца Ррф=1,6 МПа. Ему соответствуетусловное давление Py = 1,0 МПа.

5.2.2 Аппаратные фланцы (для люка) по конструкции принимаем плоские приварные (могут применяться при давлении до 1,6МПа). Так как среда невзрывоопасная, принимает тип уплотнительной поверхности – гладкую с соединительным выступом.

5.2.3 По таблице 2 [5, с. 7] принимаем стандартные аппаратные фланцы для люка плоские приварные по ГОСТ 28759.2 – 90 приD=Dл=500мм Py= 1,0.Согласно рисунка 1 [5, с. 7], исполнение фланцев: 1 – с гладкой уплотнительной поверхностью с соединительным выступом.

Условное обозначение фланца (без втулки):

Фланец 1-500-1,0 12X18H10TГОСТ 28759.2-90;

Размеры фланцев определяем по таблице 3[5, с.12], основные размеры приводим в таблице 5.

Таблица 5

Основные размеры фланца, мм						Число отверстий
D	Dф	Dб	h	H	d	z
500	640	600	35	-	23	24
Примечание – D – внутренний диаметр фланца; Dф – наружный диаметр фланца; Dб – диаметр болтовой окружности; h–толщина кольца фланца; H – высота втулки плоского приватного фланца или высота приварного встык фланца; d – диаметр отверстия.

Согласно примечания к таблице 3 [5, с.15] диаметр болта dб= 20 мм (М20). Число болтов zб=z=24.

5.2.5 По таблице 11 [5, с.38] выбираем стандартную плоскую прокладку с соединительным выступом (исполнение 2) по ГОСТ 28759.6-90 на условное давление Ру= 1,0 МПа. Материал прокладки – паронит.

Прокладка 2-500-1,0 ГОСТ 28759.6-90.

По таблице 13.14 [1, с.248] при D=500мм и Ру= 1,0 МПа наружный диаметр прокладки Dn=563мм, внутренний диаметр dп=533мм. Ширина прокладки:

(19)

5.2.6 Трубопроводные фланцы (для штуцеров) по конструкции принимаем плоскими приварными (могут применяться до 2,5 МПа). Так как среда невзрывоопасная, принимаем уплотнительную поверхность – плоскую с соединительным выступом. Материал фланца – сталь 12Х18Н10Т.

5.2.7 По таблице 7[5, с.21] ГОСТ 12820-80 принимаем фланцы плоские приварные с соединительным выступом по ГОСТ 12820-80. В соответствии с данными таблицы 1 [6, с.4] для штуцеров диаметром 250мм применяем фланцы на условное давление Ру= 1,0 МПа, для штуцеров диаметром 100мм и 150мм применяем фланцы на Ру= 1,6 МПа, для штуцеров диаметром 50 и 20 мм – на Ру= 2,5 МПа. Принимаем исполнение фланцев по рисунку 7 [5, с.22]: с соединительным выступом.

Размеры фланца определяем по таблице 7 [5, с.28-29], основные размеры приводим в таблице 6.

Пример условного обозначения фланцев Dу=150мм (штуцер для входа среды В) Ру 1,6 МПа:

Фланец 1-150-16-12X18H10T ГОСТ 12820-80.

5.2.8 Принимаем материал прокладок для трубопроводных фланцев по таблице 10[5, с.37] паронит. По таблице 14[5, с.39] принимаем прокладки для трубопроводных фланцев по ГОСТ 15180-86. Тип прокладки А. Обозначение прокладки для штуцера Dу=150 мм и Ру= 1,6 МПа.

Прокладка А-150-16 ГОСТ 15180-86.

Толщина прокладки Sn=2 мм.

5.2.9 Болты назначаем по ГОСТ 7798-70, класса прочности 5.8; гайки – по ГОСТ 5915-70, класса прочности 5. Материал болтов по таблице 15 [5, с.40] сталь 12X18H10T, гаек – 12X18H10T. Длину болтов Ɩб, мм определяем по формуле (20) для фланцев с соединительным выступом и округляем до стандартного значения.

Ɩб≥2∙h + 2∙h0 + Sn + 0,8∙dб+3, (20)

где h0 = 3 мм – высота выступа фланца (смотри таблицу 7[5, с.28], рисунок 7а [5, с.22] ).

Длина болта для фланца на Dу = 100 мм:

Ɩб≥2∙23 + 2∙3 + 2 + 0,8∙16 + 3 = 69,8 мм.

Принимаем Ɩб = 70 мм.

Таблица 6 – Основные размеры трубопроводных фланцев и крепёжных деталей

Обозначение штуцера	Ру, МПа	Основные размеры, мм								Z
Обозначение штуцера	Ру, МПа	Dу	Dф	Dб	h	d	H	dб	Ɩб	Z
Б, Д	1,6	150	280	240	25	22	-	20	90	8
Г	1,0	250	390	350	23	23	-	20	90	12
Е	1,6	100	215	180	23	18	-	16	70	8
И1, И2	2,5	20	105	75	16	14	-	12	50	4
К	2,5	50	160	125	21	18	-	16	70	4
Примечание : Н – высота фланца приварного встык

5.3 Выбор стандартных штуцеров

5.3.1 Назначение и диаметры штуцеров указаны в таблицу 1.

5.3.2 Для штуцеров выбираем фланцы плоские с соединительным выступом.

5.3.3 ШтуцераВ1, В2, Ж, Л (таблица 1) принимаем стандартными, для остальных назначаем стандартные фланцы. По таблице 1[6,с.4] принимаем стандартные штуцера с фланцами плоскими с соединительным выступом по ОСТ 26-02-2065-83. Тип штуцеров 1. Штуцера В1, В2 с Dу=150мм принимаем на условное давление Ру=1,6 МПа. Остальные на Ру=2,5 МПа.

Размеры штуцеров определяем по таблице 2 [6,с.11], основные размеры приводим в таблице 7

Таблица 7 – Основные размеры стандартных штуцеров

Обозначение штуцера	Ру, МПа	Основные размеры штуцеров, мм
Обозначение штуцера	Ру, МПа	Dу	Dф	L	Hт	dт	Sт
В1, В2,	1,6	150	280	240	245	159	6
Ж, Л	2,5	50	160	220	225	57	5
Примечание – L – длина патрубка, Hт – длина штуцера; dт – наружный диаметр патрубка; Sт – толщина стенки патрубка

Принимаем для патрубков штуцеров сталь 12X18H10T

Условное обозначение штуцера Ж:

Штуцер 50-2,5-1-220-12X18H10T ОСТ 26-02-2065-83.

5.4 Выбор люка

5.4.1 По таблице 7 [6, с.21] принимаем тип люка с плоской крышкой и плоским фланцем по ОСТ 26-2002-83 на условное давление Ру = 1,0 МПа. Исполнение люка 2 – с гладкой уплотнительной поверхностью с соединительным выступом (рисунок 7а [6, с.22]).

Размер люка определяем по таблице 8 [6, с.27], основные размеры приводим в таблице 8

Таблица 8 – Основные размеры люка, мм

D	Dф	Dб	H1	H2	S
500	640	600	300	200	8
Примечание – H1 – высота штуцера люка ; H2 – вылет штуцера ; S – толщина штуцера.

Толщину плоской крышки h=30 мм принимаем по таблице 8.2 [1, с.150].

5.4.2 По таблице 13 [6, с.33] материал люка – сталь 12Х18Н10Т (шифр материального исполнения 4). По таблице 14 [6, с.33] материал болтов – сталь 12Х18Н10Т, материал гаек и шайб – сталь 12Х18Н10Т.

5.4.3 Условное обозначение люка:

Люк 2-500-1,0-4 ОСТ 26-2002-83.

6 ВЫБОР И РАСЧЕТ ОПОР

6.1 Расчет массы аппарата

6.1.1 Массу пустого аппарата m, кг приближенно определяется по формуле:

m=1,1×rм(А0×s+А1×s1+А2×s2), (21)

Где rм=7850кг/м3 – плотность стали;

А0, А1, А2 – соответственно площади боковых поверхностей цилиндрической части корпуса и выпуклой части днищ, м2;

s, s1, s2 – соответственно толщины стенок обечайки и днищ, м.

Площадь боковой поверхности цилиндрической части корпуса, А0 , м2 определяем по формуле:

А0=π×D×l (22)

А0=3,14×2,4×4,73=35,6м2.

Площадь боковой поверхности выпуклой части эллиптического днища А1 и А2 , м2 определяем по формуле:

А1=А2=1,24×D2 , (23)

А1=А2=1,24×2,42=7,1 м2

После подстановки числовых значений в формулу (21) получим:

m=1,1×7850×(35,6×0,008+7,1×0,008+7,1×0,008)=3440кг.

6.1.2 Массу аппарата в рабочих условиях m1, кг приближенно определяется по формуле:

m1=m+mи+mс, (24)

где mи , mс- масса тепловой изоляции и рабочей среды соответственно, кг:

mи = 0,2 ×m, (25)

mи = 0,2 ×3440 = 688 кг.

Массу рабочей среды mс , кг приближенно определяется по формуле:

mс = r×β×V, (26)

где β – коэффициент заполнения аппарата, примем β=0,8.

mс = 1600 × 0,8 × 25 = 32000кг.

После подстановки числовых значений в формулу (24) получим:

m1 = 3440 + 688+ 32000 = 36128 кг.

6.1.3 Масса аппарата в условиях гидроиспытания m2, кг, определяется по формуле:

m2 = m + mв, (27)

где mв – масса воды при гидроиспытании, кг.

mв = rв×V, (28)

mв = 1000 ×25 = 25000кг.

После подстановки числовых значений в формулу (27) получим

m2 = 3440 + 25000 = 28440кг.

где rв = 1000кг/м3 – плотность воды.

6.1.4 Масса аппарата в условиях монтажа m3 = m = 3440кг.

6.2 Выбор стандартных опор

6.2.1 В качестве опор принимаем опорные лапы, принимаем количество опор Z=4.

6.2.2 Масса аппарата в рабочих условиях m1 = 36128кг. Масса аппарата в условиях гидроиспытания m2 = 28440кг.

Так как m1>m2, то максимальная масса аппарата mмах = m1 = 36128кг.

6.2.3 Максимальный вес аппарата Gмах определяется по формуле:

Gмах =mмах×g (29)