Реактор изомеразии

 

 

Федеральное агентство по образованию

ГОСУДАРСТВЕННОЕ общеОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Кафедра «Машины и аппараты химических производств»

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

«Конструированию и расчет машин и аппаратов»

 

 

«реактор изомеразии»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗФ 4 курс 6 группа

Студент     А.В. Мещеркин

 

Преподаватель     С.Б. Коныгин

 

 

 

Самара 2010

 

Реферат

Переработка нефти начинается с перегонки или фракционирования сырой нефти в отдельные углеводородные группы. Полученные в результате продукты непосредственно связаны с характеристиками обрабатываемой сырой нефти. Большая часть этих продуктов перегонки далее преобразуются в более полезные продукты путем изменения их физических свойств и структур молекул под действием крекинга, реформинга и других процессов преобразования. Эти продукты последовательно подвергаются различным процессам очистки и разделения, таким как извлечение, гидроочистка и очистка от активной серы, с целью образования конечных продуктов. В то время как самые простые операции по нефтепереработке обычно ограничиваются атмосферной и вакуумной перегонкой, большие нефтеперерабатывающие заводы осуществляют фракционирование, преобразование, обработку и смешивание со смазочным материалом, производство тяжелого топлива и асфальта; они могут также производить обработку нефтепродуктов. 
      Первый нефтеперерабатывающий завод, который открылся в 1861, производил керосин путем простой атмосферной перегонки. Побочными продуктами были гудрон и нафта (сырая нефть). Вскоре было обнаружено, что высококачественные смазочные материалы могут быть произведены путем перегонки нефти в вакууме. Однако, на протяжении следующих 30 лет керосин был тем продуктом, который потребители хотели иметь больше всего. Два наиболее значимых события, которые изменили данную ситуацию, были:      
· Изобретение электрического света, который уменьшил спрос на керосин 
· Изобретение двигателя внутреннего сгорания, который создал спрос на дизельное топливо и бензин (нафта).      
      С появлением массового производства и Первой мировой войны резко увеличилось число транспортных средств, использующих бензин, и спрос на бензин соответственно вырос. Однако, только определенное количество бензина могло быть получено из сырой нефти с помощью процессов атмосферной и вакуумной перегонки. Первый процесс термического крекинга был разработан в 1913 году. Термический крекинг подвергал тяжелые топлива действию давления и чрезмерного тепла, разделяя физически его большие молекулы на меньшие по размеру, производя дополнительный бензин и дистиллятные топлива. Сложная форма термического крекинга, легкого крекинга, была разработана в конце 1930-ых с целью получения более желанных и ценных продуктов.

Когда были разработаны бензиновые двигатели с более высоким сжатием, появился спрос на бензин с более высоким октановым числом, имеющий лучшие антидетонационные характеристики. Внедрение процессов каталитического крекинга и полимеризации в середине-конце 1930-х удовлетворило этот спрос путем обеспечения повышенного выхода бензина с более высокими октановыми числами. Алкилирование, другой каталитический процесс, был разработан в начале 1940-ых для производства авиационного бензина с более высоким октановым числом и использование исходного сырья нефтепродуктов, начальных материалов для взрывчатых веществ и синтетического каучука. Впоследствии был разработан процесс каталитической изомеризации, преобразующий углеводороды с целью производства повышенных количеств исходного сырья для алкилирования.     

После Второй мировой войны были внедрены различные процессы реформинга, которые улучшили качество и выпуск бензина, и произвели продукты более высокого качества. Некоторые из них использовали катализаторы и водород с целью изменения молекул и удаления серы. Улучшенные катализаторы и технологические методы, такие как гидрокрекинг и реформинг, создавались на протяжении 1960-ых с целью увеличения выпуска бензина и улучшения его антидетонационных характеристик. В каталитические процессы также производили молекулы с двойной связью (алкены), формируя основы современной нефтехимической помышленности. 
          Число и типы различных процессов, используемых на современных нефтеперерабатывающих заводах, зависят, прежде всего, от природы исходного сырья сырой нефти и требований к конечному продукту. На процессы также оказывают влияние экономические факторы, включая стоимость сырой нефти, стоимости продуктов, наличие коммунальных услуг и транспорта.

Процессы и операции по переработке нефти можно классифицировать на следующие основные области: разделение, преобразование, обработка, компоудирование, вспомогательные операции нефтепереработки и нетехнологические операции нефтепереработки.

Основные топливные продукты - сжиженный нефтяной газ, бензин, керосин, топливо для реактивных двигателей, дизельное топливо, печное топливо и остаточные мазуты. 
         Многие продукты, полученные в результате очистки сырой нефти, такие как этилен, пропилен и бутадиен, являются олефиновыми углеводородами, полученными в результате процессов крекинга на нефтеперерабатывающем заводе, и предназначены для использования в нефтехимической промышленности в качестве исходного сырья для производства пластмассы, аммиака, синтетического каучука, гликоля и так далее. 
         Производство нефтепродуктов - это использование химических веществ, катализаторов, тепла и давления для разделения и объединения основных типов углеводородных молекул, обычно присутствующих в сырой нефти, в группы подобных молекул. Процесс очистки также реорганизует структуры и модели сцепления основных молекул в различные, более желанные углеводородные молекулы и соединения. Тип углеводорода (парафиновый, нафтеновый или ароматический), а не определенные присутствующие химические соединения и добавки, является самым важным фактором в процессе переработки нефти.      
    Первый шаг при переработке нефти - фракционирование сырой нефти в колоннах атмосферной и вакуумной перегонки. Нагретая сырая нефть физически разделяется на различные фракции или фракции прямой перегонки, отличающиеся определенными диапазонами температур кипения и классифицируемые в порядке уменьшения летучести как: газы, легкие дистилляты, средние дистилляты, газойли и остатки. Фракционирование работает, так как градация по температуре от нижней части до верхней части колонны перегонки заставляет компоненты с более высокими температурами кипения конденсироваться первыми, в то время как фракции с более низкими температурами кипения поднимаются выше в колонне прежде, чем они конденсируются. Внутри колонны поднимающиеся пары и опускающиеся жидкости (орошение) смешиваются на уровнях, где их составы находятся в динамическом равновесии друг с другом. На этих уровнях (ректификационных тарелках) располагаются специальные лотки, которые удаляют фракцию жидкости, которая конденсирует на каждом уровне. В типичной двухступенчатой установке по переработке сырой нефти за колонной атмосферной перегонки, производящей легкие фракции и дистилляты, немедленно следует колонна вакуумной перегонки, которая обрабатывает атмосферные остатки. После перегонки только небольшое количество углеводородов подходят для использования в качестве конечного продукта без дальнейшей обработки. 
          В колоннах атмосферной перегонки опресненное исходное сырье - сырая нефть - предварительно нагревается, используя регенерированное тепло процесса. Оно затем поступает к нагревателю нефти прямой перегонки и после нагрева подается в вертикальную ректификационную колонну прямо над основанием при давлениях, слегка превышающих атмосферное и при температурах от 343°C до 371°C во избежание нежелательного термического крекинга, который происходит при более высоких температурах. Более легкие фракции (низкая температура кипения) проникают в верхнюю часть колонны и непрерывно удаляются и направляются к другим установкам для дальнейшей переработки, обработки, смешивания и распределения. 
          Фракции с самыми низкими температурами кипения, такие как топливный газ и легкая нафта, удаляются из верхней части колонны по верхней трубе как пары. Нафта или бензин прямого погона берутся из верхней секции колонны как верхний поток. Эти продукты используются в качестве исходного сырья при производстве нефтепродуктов и исходного сырья для реформинг-установки, сырья для смешивания с компонентами бензинов, в качестве растворителей и сжиженных нефтяных газов.      
          Фракции с промежуточным диапазоном кипения, включая газойль, тяжелую нафту и дистилляты, удаляются из средней секции колонны как боковые потоки. Они направляются к конечным операциям для получения керосина, дизельного топлива, мазута, топлива для реактивных двигателей, сырья для каталитических крекинг-установок и компонентов смешивания. Некоторые из этих жидких фракций отпариваются от их более легких фракций, которые возвращаются в колонну в качестве движущихся сверху вниз потоков орошения.       
     Более тяжелые фракции с более высокими температурами кипения (называемые мазутом, отстоем или верхней нефтью), которые конденсируются или остаются на дне колонны, используются для мазута, производства асфальта или исходного сырья для крекинга, или направляются к нагревателю и в колонну вакуумной перегонки для дальнейшего фракционирования.      
       Колонны вакуумной перегонки обычно используются для отделения сырья каталитического крекинга от избыточного остатка. Отстои колонны вакуумной перегонки могут быть также посланы в установку для коксования, использоваться в качестве смазочного материала или сырья для асфальта или быть десульфурированы и смешаны с мазутом с низким содержанием серы.

На нефтеперерабатывающих заводах имеются другие многочисленные ректификационные колонны меньшего размера, спроектированные для разделения определенных и уникальных продуктов, которые все работают по тому же самому принципу, что и колонны атмосферной перегонки. Например, депропанизатор - маленькая колонна, разработанная для отделения пропана от изобутана и более тяжелых компонентов. Другая колонна большего размера используется для разделения этилбензола и ксилола. Маленькие “пузырьковые” колонны, называемые секциями отпаривания, используют острый пар для удаления небольших количеств легких продуктов (бензина) из более тяжелых нефтепродуктов.   

Процессы термического крекинга, разработанные в 1913 году, связаны с нагревом дистиллятных топлив тяжелой нефти под давлением в больших барабанах до тех, пока они не расщепляются в меньшие молекулы с лучшими антидетонационными характеристиками. Этот ранний метод, который был связан с образование большого количества твердого, нежелательного кокса, эволюционировал в современные процессы термического крекинга, включая легкий крекинг, паровой крекинг и коксование. 
         Каталитический крекинг расщепляет сложные углеводороды на более простые молекулы с целью увеличения качества и количества более легких, более желанных продуктов и уменьшения остатков. Тяжелые углеводороды подвергаются действию катализаторов при высокой температуре и низком давлении, которые содействуют химическим реакциям. Этот процесс перегруппировывает молекулярную структуру, преобразуя компоненты тяжелых углеводородов в более легкие фракции, такие как керосин, бензин, сжиженный нефтяной газ, масло и исходное сырье для получения нефтепродуктов. Выбор катализатора зависит от комбинации самой большой возможной реактивности и лучшего сопротивления трению. Катализаторы, используемые в крекинге при нефтепереработке, являются обычно твердыми материалами (цеолит, гидросиликат алюминия, обрабатываемая бентонитная глина, земля Фуллера, боксит и алюминсиликат), которые присутствуют в форме порошков, шариков, гранул или формообразных материалов, называемых штамповками (экструдитами).            
       Гидрокрекинг - двухступенчатый процесс, сочетающий каталитический крекинг и гидрирование, при котором фракции дистиллята расщепляются в присутствии водорода и специальных катализаторов с целью создания более желанных продуктов. Гидрокрекинг имеет преимущество по сравнению с каталитическим крекингом в том, что исходное сырье с высокой концентрацией серы может обрабатываться без предварительной десульфурации. При данном процессе тяжелое ароматическое исходное сырье преобразуется в более легкие продукты при очень высоких давлениях и довольно высоких температурах. Когда исходное сырье имеет высокое содержание парафина, водород предотвращает образование полициклических ароматических углеводородов, уменьшает образование гудрона и предотвращает накапливание кокса на катализаторе. Гидрокрекинг производит относительно большие количества изобутана для исходного сырья для алкилирования и также вызывает изомеризацию для контроля над температурой текучести, при этом оба показателя являются важными характеристиками высококачественного топлива для реактивных двигателей. 
       Два объединяющихся процесса, полимеризация и алкилирование, используются, для соединения маленьких молекул, обедненных водородом, называемых олефинами, восстановляемых термическим и каталитическим крекингом, с целью создания более желанного исходного сырья смешивания с бензином.      

Полимеризация - процесс объединения двух или больше ненасыщенных органических молекул (олефинов) с целью формирования одиночной, более тяжелой молекулы с теми же самыми элементами в той же самой пропорции, как и у первоначальной молекулы. Этот процесс преобразует газообразные олефины, такие как этилен, пропилен и бутилен, преобразованные установками термического крекинга и крекинга с флюидизированным катализатором в более тяжелые, более сложные, высокооктановые молекулы, включая сырую нефть и исходное сырье для нефтепродуктов. Исходное сырье олефинов предварительно обрабатывается с целью удаления сернистых соединений и других нежелательных веществ, а затем передается к фосфорному катализатору, обычно твердому катализатору, или жидкой фосфорной кислоте, где происходит экзотермическая полимерная реакция. Это требует использования охлаждающей воды и впрыскивания холодного исходного сырья в реактор с целью контроля над температурами при различных давлениях. Кислота в жидкостях удаляется с помощью промывки щелочью, жидкости фракционируют, а кислотный катализатор рециркулирует. Пар фракционирует с целью удаления бутана и нейтрализуется с целью устранения следов кислоты. Будет иметь место сильная коррозия, ведущая к выходу оборудования из строя, когда вода входит в контакт с фосфорной кислотой (водная мойка при выключении). Коррозия может также иметь место в трубопроводах, кипятильниках, теплообменниках и других местах, где кислота может выпадать в осадок. Существует потенциальная возможность воздействия щелочной мойки (гидрооксид натрия), фосфорной кислоты, используемой в процессе или вымываемой во время циклов опорожнения - закачивания - отбора, и пыли катализатора. Существует потенциальная возможность неуправляемой экзотермической реакции, если имеют место потери охлаждающей воды. 
      Алкилирование объединяет молекулы олефинов, полученные в результате каталитического крекинга, с молекулами изопарафинов с целью увеличения объема и октанового числа смесей бензина. Олефины будут реагировать с изопарафинами в присутствии высоко активного катализатора, обычно серной кислоты или фтористоводородной кислоты (или хлорида алюминия), с целью создания парафиновых молекул с длинной разветвленной цепочкой, называемых алкилатами (изооктан) с исключительной антидетонационной стойкостью. Алкилат затем разделяется на фракции. Относительно низкие температуры реакции от 10°C до 16°C для серной кислоты, 27°C до 0°C для фтористоводородной кислоты (HF) и 0°C для хлорида алюминия контролируются и поддерживаются путем охлаждения.    
       Каталитический реформинг и изомеризация - процессы, которые перегруппировывают углеводородные молекулы с целью создания продуктов с различными характеристиками. После крекинга некоторые потоки бензина, хотя и имеющие нужные размеры молекул, требуют дальнейшей обработки с целью улучшения их характеристик, так как у них наблюдается отсутствие некоторых качеств, таких как содержание серы или октановое число. Реформинг водорода (пара) производит дополнительный водород для использования в процессе гидрирования. 
     Процессы каталитического реформинга преобразовывают низкооктановую тяжелую нафту в ароматические углеводороды для исходного сырья нефтепродуктов и высокооктановых компонентов бензина, называемых продуктами реформинга, путем молекулярной перегруппировки или дегидрирования. В зависимости от исходного сырья и катализаторов, продукты реформинга могут быть получены с очень высокими концентрациями толуола, бензола, ксилола и других ароматсоединений, полезных при смешивании бензина и нефтехимической обработке. Водород, важный побочный продукт, отделяется от продукта реформинга для рециркулирования и использования в других процессах. Полученный в результате продукт зависит от температуры и давления реактора, используемого катализатора и скорости рециркулирования водорода. Некоторые каталитические продукты реформинга работают при низком давлении, а другие при высоком давлении. Некоторые каталитические системы реформинга непрерывно восстанавливают катализатор, некоторые средства восстанавливают все реакторы во время циклов опорожнения - закачивания - отбора, а другие берут по одному реактору из потока для регенерации катализатора.     

При каталитическом реформинге исходное сырье для нафты предварительно обрабатывается с помощью водорода с целью удаления загрязнителей, таких как соединения хлора, серы и азота, которые могут отравить катализатор. Продукт очищают и фракционируют в колоннах, где оставшиеся загрязнители и газы удаляются. Десульфурированное исходное сырье нафты посылается к установке каталитического реформинга, где оно нагревается до состояния пара и пропускается через реактор с постоянным биметаллическим или металлическим катализатором, содержащим небольшое количество платины, молибдена, рения или другого благородного металла. Две основные реакции, которые происходят - производство высокооктановых ароматсоединений путем удаления водорода из молекул исходного сырья и преобразования нормальных парафинов в парафины с разветвленной цепочкой или изопарафины. 
     Изомеризация преобразовывает n-бутан, n-пентан и n-гексан в соответствующие изопарафины. Некоторые из нормальных компонентов парафина с прямой цепочкой легкой нафты прямого погона имеют низкое октановое число. Они могут быть преобразованы в высокооктановые изомеры с разветвленной цепочкой путем перегруппирования связей между атомами без изменения числа или видов атомов. Изомеризация подобна каталитическому реформингу в том, что углеводородные молекулы перегруппируются, но в отличие от каталитического реформинга, изомеризация только преобразует нормальные парафины в изопарафины. Изомеризация использует другой катализатор, нежели каталитический реформинг.      
       Два различных процесса изомеризации - изомеризация бутана ( ) и пентана/гексана. ( ).      
       Изомеризация бутана ( ) производит исходное сырье для алкилирования. Низкотемпературный процесс использует высокоактивный хлорид алюминия или хлористо-водородный катализатор без нагревателей с целью изомеризации n-бутана. Обработанное и предварительно нагретое исходное сырье добавляется к оборотному потоку, смешивается с HCl и пропускается через реактор 
     Изомеризация пентана/гексана используется для увеличения октанового числа путем преобразования n-пентана и n-гексана. В типичном процессе изомеризации пентана/гексана осушенное и десульфурированное исходное сырье смешивается с небольшим количеством органического хлорида и оборотным водородом и нагревается до температуры реактора. Затем оно проходит через катализатор, поддерживаемый металлом, в первый реактор, где бензол и олефины подвергаются гидрированию. Затем оно подается к реактору изомеризации, где парафины преобразуются в изопарафины путем каталитической изомеризации, охлаждаются и подаются к сепаратору. Газ и водород в сепараторе отделяется и с подпитывающим водородом рециркулирует. Жидкость нейтрализуется с помощью щелочных материалов и посылается к колонне отпаривания, где хлористый водород восстанавливается и рециркулирует. Если исходное сырье не полностью осушено и десульфурировано, существует возможность образования кислоты, приводящая к отравлению катализатора и коррозии металла. Нельзя позволить, чтобы вода или пар попали в те места, где присутствует хлористый водород. Необходимо предпринять меры предосторожности для предотвращения проникновения HCl в канализационные коллекторы и дренажи. Имеется потенциальная опасность воздействия изопентана и паров и жидкости алифатической нафты, а также технического газа, обогащенного водородом, соляной кислоты и хлористого водорода, и пыли, когда используется твердый катализатор. 
       Многие продукты, такие как термические нафты, полученные в результате легкого крекинга, коксования или термического крекинга, и высокосернистые нафты и дистилляты, полученные в результате перегонки сырой нефти, требуют обработки для использования в смесях бензина и топливных смесях. Продукты перегонки, включая керосин и другие дистилляты, могут содержать ничтожные количества аромосоединений, а нафтены и базовые компоненты смазочных материалов могут содержать воск. Эти нежелательные вещества удаляются либо на промежуточных стадиях нефтепереработки, либо до посылки продуктов на смешивание и хранение путем таких процессов очистки, как извлечение растворителем и депарафинизация растворителем. Ряд промежуточных и конечных продуктов, включая средние дистилляты, бензин, керосин, топливо для реактивных двигателей и сернистые газы, должны быть высушены и очищены от активной серы. 
     Обработка выполняется либо на промежуточной стадии процесса переработки, либо перед посылкой конечных продуктов на смешивание и хранение. Обработка удаляет из нефти загрязняющие вещества, такие как органические соединения, содержащие серу, азот и кислород, растворенные металлы, неорганические соли и растворяемые соли, растворенные в эмульгированной воде. Обрабатывающие материалы - это кислоты, растворители, щелочи и окисляющие и адсорбционные агенты. Обработка кислотой используется для улучшения запаха, цвета и других свойств базовых компонентов смазки для предотвращения коррозии и загрязнения катализатора и для улучшения стабильности продукта. Сероводород, который удаляется из “сухого” сернистого газа с помощью поглощающего агента (диэтиноламина), испаряется, используется как топливо или преобразуется в серу. Тип обработки и тип агентов зависит от базовых компонент сырой нефти, промежуточных процессов и спецификации конечного продукта.      

 

 

Содержание.

 

1. Введение.

2. Расчет цилиндрической части обечайки нагруженной избыточным и внутренним давлением.

3. Расчет эллиптического днища, нагруженного избыточным и внутренним давлением.

4. Проверка на возможность проведения гидроиспытаний.

5. Расчет на прочность и укрепления отверстий штуцеров «Г» и «Д».

6. Расчет и выбор фланца «А».

7. Заключение

8. Список используемой литературы                                              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение.

 

Цель курсовой работы:

подтвердить знания по предмету и сделать расчет на прочность и укрепления отверстий штуцеров,  определить  толщину цилиндрической части обечаек и днищ, а также выполнить расчет на проведение гидроиспытаний.

Реактор изомеризации предназначен для получения высокоактанового компонента бензинов.

 

 

 

Параметр	Обозначение	Единицы измерения	Данные
Диаметр аппарата	D	мм	2000
Высота цилиндрической части	Но	мм	4000
Расстояние до штуцера	Х1	мм	300
Расстояние до штуцера	Х2	мм	330
Диаметр штуцера  А	DША	мм	400
Диаметр штуцера Б	DШБ	мм	100
Диаметр штуцера В	DШВ	мм	100
Диаметр штуцера Г	DШГ	мм	100
Диаметр штуцера  Д	DШД	мм	50
Материал корпуса			09Г2С
Прибавка на коррозию	с	мм	2
Температура в реакторе	Т	0С	280
Абсолютное давление в реакторе	Р	кгс/см2	35

 

 

 

 

 

 

2. Расчет цилиндрической части обечайки нагруженной избыточным и внутренним давлением.

      Расчетную толщину стенки цилиндрической обечайки, работающей

под внутренним избыточным давлением, определяем по формуле :

(1)

S-толщина стенки корпуса,

с- прибавка к расчетной толщине стенки с=0,2см,

Sр- расчетная толщина стенки определяется по формуле:

 (2)

Р- расчетное давление, Р=35 кгс/см2;

D –внутренний диаметр аппарата, D=200см;

φ- расчетный коэффициент прочности сварного шва, φ = 1;

-допускаемое напряжение материала 09Г2С при расчетной t=2800С,

 

Принимаем толщину стенки S=26мм.

Допускаемое избыточное внутреннее давление будем рассчитывать по формуле:

 (3) 

;

Вывод: толщина стенки аппарата выбрана правильно.

 

 

 

 

3. Расчет эллиптического днища, нагруженного избыточным

и внутренним давлением.

Толщину стенки рассчитываем по формуле:

     

(4)

R-радиус кривизны в вершине днища по внутренней поверхности, R=200см;

Р- расчетное давление, Р=35 кгс/см2;

с- прибавка к расчетной толщине стенки с=0,2см;

φ- расчетный коэффициент прочности сварного шва, φ = 1;

-допускаемое напряжение материала 09Г2С при расчетной t=2800С,

 

Sр1- расчетная толщина днища рассчитывается по формуле;

Принимаем толщину стенки S=26мм.

Допускаемое избыточное внутреннее давление будем рассчитывать по формуле:

  (5)

;

Условие выполняется.

Подбираем стандартное эллиптическое днище  по ГОСТ 6533 – 53

с размерами:      

Вывод: толщина днища аппарата выбрана правильно.

 

4. Проверка на возможность проведения гидроиспытаний.

        Гидравлическое испытание аппаратов на заводе-изготовителе проводят на пробное давление:

 (6)

φ- расчетный коэффициент прочности сварного шва, φ = 1;

с- прибавка к расчетной толщине стенки с=2мм,

-допускаемое напряжение материала 09Г2С при расчетной t=2800С,

 

-допускаемое напряжение материала 09Г2С при расчетной t=200С,

При гидроиспытании в нижней части аппарата возникает давление, превышающее пробное на величину давления столба воды:

(7)

Рr  и Рпр –гидравлическое и пробное давление, МПа;

Н-высота столба воды, м.

При расчете аппарата следует проверять, чтобы напряжение в стенке при гидроиспытании от суммарного давления Рг не превышало то есть:

(8)

Испытание аппаратов следует проводить с крепежными деталями и прокладками. При толщине стенки до 50 мм аппарат выдерживает под давлением не менее 10 мин.

При заполнении аппарат водой необходимо следить, чтобы в нем не оставался воздух. При спуске воды из аппарата следует открывать воздушник, чтобы предотвратить нежелательное действие на аппарат внешнего давления.

5. Расчет на прочность и укрепления отверстий штуцера «Г»и «Д».

 

Определим расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего укрепления, при наличии избыточной толщины стенки аппарат по формуле:

(9)

S - принятая толщина стенки аппарата,  S =26мм;

Sр - расчетная толщина стенки корпуса, SР =0,227см;

с-  прибавка технологическая, монтажная, на коррозию с =2мм;

D –внутренний диаметр аппарата, D=200см;

-допускаемое напряжение материала 09Г2С при расчетной t=2800С,

 

d р ≤dо

Следовательно, отверстие под штуцер «Д» DУ 50 укреплять не следует.

Выполним расчет для отверстия под штуцер «Г» d=100мм.

 

Рис 2. Расчетная схема соединения патрубка со стенкой аппарата.

Расчетную толщину стенки штуцера, нагруженного внутренним давлением, определяем по формуле:

  (10)  

  

Р- расчетное давление, Р=35 кгс/см2;

с- прибавка к расчетной толщине стенки с=0,2см;

dш- диаметр штуцера, d ш =10см;

 
Принимаем S=4мм.

Расчетная длины внешней части штуцера:

Внешняя:

(11)

Принимаем см.

Внутренняя часть штуцера:

(12)

Принимаем см.

Расчетная ширина зоны укрепления в стенке корпуса:

(13)

.

Расчетная ширина накладного кольца:

(14)

Принять  см.

Отношения допускаемых напряжений для накладного кольца:

(15)

Принять .

Расчетный диаметр отверстия, см:

(16)

 

Условие укрепления отверстия, см:

Условие выполняется.

Допускаемое давление, кгс/см2:

(17)

 

Вывод: условие выполняется.

 

7. Выбор и расчет фланца «А».

Dн – наружный диаметр фланца, Dн=58,0см; 

Р- расчетное давление, Р=16 кгс/см2;

D – диаметр фланца, D=40,0см; 

Sо  -толщина стенки,   Sо =3,4см;  

dб  -диаметр болта, dб = 3см ;

 Dсп - заданная толщина фланца, Dсп =12,53см;

В  -  толщина фланца, В = 1,3 см;

h - расчетная высота втулки, h=3,4см; 

Материал фланцев –сталь Вст3сп5.

Равнодействующая внутреннего давления определяем по формуле:

Q q=0,785Dсп2 ∙Р; (18)

Q q=0,785∙ 12,352 ∙16= 1915,65 кгс;

Реакция прокладки в рабочих условиях определяем по формуле:

Rn=π∙D∙во∙m∙р; (19)

Rn= 2∙π ∙12,53 ∙0,65∙2,5∙16=2046кгс;

При в < 1,5см;

 во=0,5∙в=0,5∙1,3=0,65см;

 m=2,5-для паронита.

 Усилие, возникающее от разности  температур фланца и болтов в период эксплуатации определяем по формуле:

Qt=γ∙n∙f'σ∙Εσ∙tф∙(Lф-к1∙Lδ)(20)

Qt=0,022∙56∙3,14∙1,86∙106∙150/12,7∙106-11,09∙10-6)=2096,7кг;

где  γ=0,022;  n=56;

fδ=2,35см2;

fδ'=0,785∙dδ2;

fδ'=0,785∙22  =3,14  см2;

Εδ=1,86∙106 кг/см - для стали Вст3сп5 при температуре +2800С;

Lδ=11,09∙10-6 1/оС -  для стали 35 при температуре 2800С;

Болтовая нагрузка

а) в условиях монтажа определяем по формуле:

Рδ1=ξ(L∙Qq+Rn)+4M/Дсп; (21)

Рδ1= 1,057(1,3∙37000+3840)+4∙0/125,3=54932,3кг;

Рδ1=π∙в0∙n∙Дсп∙q;  (22)

Рδ1π∙0,65∙125,3∙203=52000кг;

где ξ=Gдоп20/ Gдоп280=1400/1010=1,306;

или ξ=Gдоп20/ Gдоп280=1470/1090=1,340

Принимаем меньшее значение ξ=1,306, где [σ]20=1400кг/см2 для материала болтов сталь 35; [σ]280=1010кг/см2 при температуре 2800С;

   σдоп20=1470кг/см2; σдоп  280=1090кг/см2 для материала фланца Вст3сп5 при температуре 200С и 2800С.

L=1,3    табл.5;   q=100+35=135 табл.3 из условия :

Рδ1≥0,4[ σ]2∙n∙fδ=0,4∙1323∙56∙2,35=69642,7 кг.

Принимаем Рδ1=69700 кг.

б)В рабочих условиях определяем по формуле:

Рδ2=Qq+Rn+R n +4M/Дсп;(22)

Рδ2= 37000+3840+2096,7+4/125∙ 3=42936 кг.

Условия прочности болтов определяем по формуле:

 σР1=Рδ1/n∙fδ=[σ]20;   σР2=Рδ2/n∙fδ<[σ∙]t; 

σР1=54932,3/56∙2,35=417,4<14701390 кг/см2; 

σР2=42936/56∙2,35=326,2<1390 кг/см2

Крутящий момент при затяжке болтов определяем по формуле:

Mкр=Е∙Рδ1/n∙dδ;(23)

Mкр= 0,07∙54932,3/56∙2=137,3кг∙см.

Е=(0,06+0,08) -коэффициент для болтов с основной метрической резьбой при чисто обработанных поверхностях и при наличии смазки.

Проверка прочности прокладок определяем по формуле:

q=Pδ1/π∙Дсп∙в≤[q] (24)

q=54932,3/3,15∙125,3∙1,3=107,4≤1390 кгс/см2

Приведенный изгибающий момент.

Принимаем большее значение из 2-х значений:

Мо1=Рδ1(Дδ-Дсп)/2;  (25)

Мо1= 54932,2(131-125,3)/2=156556,2кг∙см;

Мо2=1/2 [Pδ2(Дδ-Дсп)+Qq(Дcg-Д-Sэ)]∙σдоп20/ σдопt;

Мо2=1/2 [42936(131-125,3)37000 (125,3-120-1,2)]∙1400/1310=211835,6 кг∙см;

Sэ=So=1,2см.

Принимаем Мо=211835кг∙см.

Максимальное напряжение во втулке фланца определяем по формуле:

а) в сечении S1;     σ1=T∙M0∙ω /Д*(S1-c)2= 1,865∙211835/120(1,2-0,2)2=3292,23

где Т=1,865, черт.8а, при К=1,127; Д*=Д=40см

б) в сечении Sо∙σо=f∙σ1=1∙3900=3900кг/cм2

Где ω=1/1+0,9λ(1+ψ1∙j2)= 1/1+0,90,375(1+0,0654∙3,752)=0,608

λ=h/√Д∙Sэ= 2,3/40∙1,2=0,192;  (26)

j=h/Sэ= 2,3/1,2=1,92 ;

Ψ=0,065,(черт.7)    (К=Дн/Д= 215/40=21,5);  f=1черт.8.

Окружное напряжение в кольце фланца определяем по формуле [3,с.13]:

σк=Мо[1-ω(1+0,9λ)]ψэ/Д∙h2;  (27)

σк= 311835[1-0,608(1+0,9∙0,375)]17/10∙4,52=276,8 кгс/см2

 где ψ2=17; черт.9     (К=1,127).

Условия прочности в сечении определяем по формуле:

So=√(σo+σм)2+σt2+(σо+σм)σt≤[σ]o   (28)

So=√(3900+128,6)2+257,12+(3900+128.6)257,1;

σt=Р∙Д/2(So-c);  (29)

σt= 16∙40/2(2,6-2)=257,7кг/см2;

σм=Р∙Д/4(So-c);  (30)

σм= 16∙40/4(2,6-2)=128,76кг/см2;

[σ]о=0,003∙Е20∙η;  (31)

[σ]о=0,003∙1,99∙0,9∙106=5373.

Условие герметичности определяем по формуле:

φ =σк/Е2∙Д/h≤[φ];  (32)

где [φ]=0,013;   Е20 =1,99∙106 кг/см;

φ =276,8/1,99∙106<0,013

Вывод: условие выполнено.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Заключение.

Рассчитанный нами реактор представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат диаметр 200мм, оснащен внутренним устройством. Внутренний объем реактора заполнен катализатором, что обеспечивает выходу высооктанового бензина.