Проектирование корпуса реактора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Сибирский Государственный Технологический Университет»

Кафедра: МАПТ

Факультет: механический

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Тема: Проектирование корпуса реактора.

Выполнил: ст - т гр. 94-6 Богданова А. Е.

Проверил: Смирнова Н. Ю.

Реферат

В данном курсовом проекте разработан корпус реактора.

В проекте приведены все необходимые механические расчеты основных деталей и сборочных единиц: толщин стенок (корпуса, крышки, днища, рубашки), укрепления отверстия, фланцевого соединения корпуса с крышкой, опор, теплообменной рубашки.

Курсовой проект содержит пояснительную записку из 33 страниц текста, 8 иллюстраций, 5 литературных источников, графическую часть на 1 листе формата А1.

Содержание

Введение

1. Описание конструкции и техническая характеристика

2. Выбор материалов для изготовления узлов аппарата

3. Механические расчёты основных деталей и сборочных единиц

3.1 Расчёт толщины стенок (корпус, крышка, днище, рубашка)

3.2 Решение краевой задачи

3.3 Укрепление отверстий

3.4 Фланцевое соединение корпуса с крышкой

3.5 Расчёт опоры для вертикальных аппаратов

Заключение

Список литературы

аппарат деталь фланцевый узел

Введение

Технология химических и пищевых производств характеризуется широкой номенклатурой процессов, свойств сырья и продуктов, режимов и параметров работы машин и аппаратов. Современные требования к производству концентрируют внимание проектантов на проблемах экологии, безотходности, энергосбережения и повышения эффективности разрабатываемого оборудования.

В общем случае проектирование является комплексной инженерной задачей, включающей анализ достижений науки и техники, патентные изыскания, выбор и обоснование принятой конструкции, расчёт и конструирование узлов и деталей оборудования, исследование моделей и испытания, опытных образцов, их «доводку» по результатам испытаний. Поиск нетиповых, оригинальных решений при создании нового оборудования предполагает сохранение и использование прогрессивных разработок, накопленных в данной и смежной областях машиностроения.

В настоящее время химическая промышленность выпускает более 50 тысяч наименований химических продуктов, потребляемых практически всеми отраслями народного хозяйства. Важное значение имеет качество производимой продукции. Так выпуск особо чистых химических продуктов требует не только использования более чистого исходного сырья и особых условий проведения процессов, но и применение нового, более совершенного оборудования, выполненного из качественных конструкционных материалов (титана, легированных и высоколегированных сталей, пластических масс, стекла, графита и т. д.). Повышение качества химической продукции влечёт за собой коренную перестройку химического машиностроения, принципиальное изменение объектов конструирования.

Инженерный расчёт любого конструктивного элемента оборудования включает три взаимосвязанных между собой этапа.

Первый этап - выбор расчётной схемы конструктивного элемента, разработка которой начинается с тщательного изучения назначения элемента, конструкции и технологии его изготовления. В итоге необходимо установить наиболее существенные факторы и отбросить все те особенности, которые не могут заметно сказаться ни на точности расчёта, ни на работоспособности конструкции в целом. Таким образом, выбранный элемент, условно освобождённый от несущественных особенностей, носит название расчётной схемы. Наиболее характерными для химического и пищевого оборудования оказывается расчётные схемы элементов в виде стержней, пластинок, оболочек, массивных трёхмерных тел и их сочетаний между собою, нагружённых сосредоточенными или распределёнными нагрузками.

На втором этапе расчёта определяются численные значения внутренних усилий, напряжений и деформаций, возникающих под действием внешних сил в поперечных сечениях того конструктивного элемента, материал и расчётная схема которого были выбраны на первом этапе.

На третьем, заключительном этапе осуществляется обратный переход от расчётной схемы к реальной конструкции. При этом сопоставляются вычисленные во втором этапе параметры с допускаемыми значениями.

От конструкторских решений зависит доступность основных узлов и деталей оборудования для осмотра и диагностики состояния, просторы и удобства, отчистки, промывки, санитарной обработки, настройки и регулировки рабочих органов, удобства эксплуатации и технического обслуживания.

Значительное влияние на степень надёжности машин и аппаратов оказывают прочность и жёсткость конструкции, уровень шумов и вибраций, защита от ослабления и развинчивания крепёжных деталей, качества сборочных работ.

При техническом (рабочем) проектировании выполняют все поверочные расчёты, в частности, расчёты на прочность, жёсткость, устойчивость и, при необходимости, корректируют размеры.

1. Описание конструкции и техническая характеристика

Основным элементом технологической схемы являются реакторы, от совершенства которого зависит качество выпускаемой продукции. Для всех реакторов существуют общие принципы, на основе которых можно найти связь между конструкцией аппарата и основными закономерностями протекающего в нём химического процесса.

Критериями, по которым классифицируют реакционную аппаратуру, являются периодичность или непрерывность процесса, его гидродинамический и тепловой режимы, физические свойства взаимодействующих веществ.

По принципу организации процесса химическая реакционная аппаратура может быть разделена на три группы:

-реакторы непрерывного действия;

-реакторы периодического действия;

-реакторы полунепрерывного (полупериодического) действия.

По гидродинамическому режиму различают следующие типы:

-реактор вытеснения непрерывного действия (РВНД);

-реактор смещения непрерывного действия (РСНД);

-реактор промежуточного типа (с промежуточным гидродинамическим режимом).

По тепловому режиму работы реакторы делят на следующие типы:

-изотермический;

-адиабатический;

-политропический.

Основные технические характеристики проектируемого аппарата:

§ внутренний диаметр аппарата D = 1100 мм;

§ давление в корпусе аппарата P_к = 0,35 МПа;

§ давление в рубашке аппарата P_р = 0,25 МПа;

§ температура в корпусе аппарата t_к = 150C;

§ температура в рубашке аппарата t_р = 50C.

2. Выбор материала для изготовления узлов аппарата

Оборудование предприятий в пищевой, химической и фармацевтической промышленности разнообразно и отличается широким диапазоном давлений и температур, усилий на рабочих органах машин и аппаратов, мощности приводных устройств. Одним из важнейших требований к материалу конструкции является высокая механическая прочность в заданных температурных интервалах, при этом выбор критериев оценки механических характеристик материала зависит от условий работы детали, узла, машины.

В химическом и пищевом машиностроении применяют металлы и сплавы, минералосиликатные, полимерные (синтетические и природные) в композиционные материалы.

Выбор конструкционного материала, определяемый условиями эксплуатации проектируемого элемента (температура, величина нагрузки и её цикличность, характер агрессивного воздействия среды и др.), следует выполнять так, чтобы при низкой стоимости и недефицитности материла обеспечивать эффективную технологию изготовления элемента (изделия).

Работоспособность изделия, то есть состояние, при котором оно способно нормально выполнять заданные функции, оценивается обычно критериями прочности, жёсткости, устойчивости, износостойкости, коррозионной стойкости.

На выбор материала влияет его стоимость, доступность, соответствие сортамента и другие факторы, например, дополнительные требования по теплопроводности, стойкости к абразивному износу, антифрикционные или фрикционные свойства и т. д.

Сталь. Благодаря широкому спектру свойств, определяемых составами и химико-термической обработкой, сталь - наиболее распространённый конструкционный материал.

Сталь, предназначенная для изготовления сосудов и аппаратов, по химическому составу должна удовлетворять требованиям ГОСТов, ТУ и ГОСТ 26-291 - 94. На свойства сталей влияет способ получения, степень раскисления, химический состав и термообработка. Не рекомендуется использовать для изготовления аппаратуры бессемеровскую сталь, поскольку в ней повышено содержание азота и фосфора. Удовлетворительное качество имеет сталь, полученная с использованием кислородного дутья в конвертерах с основной футеровкой. Хорошим качеством обладает сталь, полученная в мартеновских и электропечах, а самую чистую сталь можно получить электрошлаковым, вакуумнодуговым, плазменным и вакуумно-индукционным переплавом.

Чугуны - сплавы железа, содержащие до 6% углерода. Поставляются в виде отливок, труб. Чугуны являются широко распространённым конструкционным материалом, но с развитием различных уникальных методов сварки чугуны отходят постепенно на второй план, хотя доля их в химическом машиностроении и аппаратостроении до настоящего времени весьма значительна. В основном из чугунов изготавливают корпусные детали и детали сложной конфигурации внутренних и внешних узлов аппаратов.

Чугун обладает высокими литейными свойствами, как правило, хорошо обрабатывается резанием, образуя высококачественную поверхность для узлов трения. Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом успешно конкурируют со стальным литьём и даже с кованой сталью.

Цветные металлы и сплавы применяют в химическом машиностроении для изготовления элементов машин и аппаратов, контактирующих с агрессивными средами при давлении до 1 МПа и температуре от -15 до +300°С.

В связи с тем, что рабочая среда в аппарате коррозионная, то корпус аппарата изготавливаем из высоколегированной коррозионно-стойкой, жаростойкой и жаропрочной стали 12Х18Н10Т.

Сталь 12Х18Н10Т: содержание углерода 0,12%, 18% хрома, 10% никеля, титана не более 1,5%.

А так как в качестве теплоносителя в рубашке используется вода, то материалом для неё, а также для кольцевого сопряжения корпуса аппарата и рубашки выбираем Сталь 20: содержание углерода 0,2%.

Нормативное допускаемое напряжение * (Сталь 12Х18Н10Т) при t = 150С [5]:

* = 146 МПа,

Допускаемое напряжение определяем по формуле стр. 9 [5]:

[] = * = 1146 МПа.

где - поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки. Для листового проката = 1. [5].

Нормативное допускаемое напряжение * (Сталь 20) при t = 50С [5]:

* = 145 МПа,

Допускаемое напряжение определяем по формуле стр. 9 [5]:

[] = * = 1145 МПа.

3. Механические расчёты для изготовления узлов аппарата

3.1 Расчёт толщины стенок (корпус, крышка, днище, рубашка)

1. Расчётные параметры:

Расчётная температура стенок

(1)

Расчётное давление:

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

(2)

б) в рубашке

(3)

Допускаемое напряжение:

а) в рабочем состоянии

(4)

где з = 1 - для листового проката;

у^*=146 МПа - для стали 12Х18Н10Т при температуре 150°С.

Для Стали 20 (рубашка)

б) при гидравлических испытаниях

(5)

где у_Т20=240 МПа.

Коэффициент запаса устойчивости:

· для рабочих условий n_y=2,4;

· для условий испытаний n_y=1,8.

Расчётные значения модуля продольной упругости для стали марки 12Х18Н10Т при t = 150°С и при t=20°С.

Коэффициент прочности сварных швов ц=1.

Прибавка к расчётным толщинам стенок с=1мм.

Расчётная длина аппарата l_р=1900мм.

2. Толщина стенок:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 Расчётная схема толщины стенки цилиндрической части аппарата.

Расчётная толщина цилиндрической обечайки корпуса:

а) при действии внутреннего давления

(6)

б) при действии наружного давления

(7)

где Р_н.р.=Р_р.р.=0,25 МПа,

К₂=0,5 - определяем по номограмме [1].

При

(8)

(9)

(10)

Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки корпуса в первом приближении

Принимаем по стандартному ряду s = 12мм.

Так как обечайка корпуса при наличии давления в рубашке и отсутствии давления внутри аппарата работает под совместным действием наружного давления Р_н.р. и осевого сжимающего усилия Е, то должно выполняться условие устойчивости

(11)

Осевое сжимающее усилие - это усилие прижатия днища к обечайке давлением в рубашке, которое может быть рассчитано следующим образом

(12)

Допускаемое наружное давление из условия прочности

(13)

Из условия устойчивости в пределах упругости при l_p<l_о. l_p=1900мм.

(14)

(15)

С учётом обоих условий

(16)

Допускаемое осевое сжимающее усилие из условия прочности

(17)

Из условия устойчивости в пределах упругости

(18)

С учётом обоих условий

(19)

Условие устойчивости выполняется

Допускаемое внутреннее давление на обечайку корпуса

(20)

Условие выполняется: (0,35<2,89)МПа.

Рисунок 2 Расчётная схема толщины стенки конической части аппарата.

Стандартные конические днища имеют высоту:

(21)

Исполнительную толщину S_к конического днища корпуса аппарата примем из условия равной толщины свариваемых друг с другом оболочек:

(22)

При этом должны выполняться условия

и (23)

Допускаемое давление в рабочем состоянии и при испытании [Р], [Р]_и, МПа:

(24)

(25)

Условия выполняются:

Р<[Р] Р_и<[Р]_и

0,35<2,89 0,65<4,32

Рисунок 3 Расчётная схема толщины стенки эллиптической части аппарата

Исполнительная толщина эллиптической крышки

(26)

Принимаем по стандартному ряду S_кр.=4мм.

Допускаемое внутреннее давление для крышки

(27)

Условие выполняется (0,5<0,8)МПа.

Рисунок 4 Расчетная схема толщины стенки рубашки аппарата

Исполнительная толщина цилиндрической части обечайки рубашки

(28)

Принимаем по стандартному ряду S_р.ц.=3мм.

Допускаемое внутреннее давление на обечайку рубашки

(29)

3. Допускаемое давление внутри аппарата в рабочих условиях

(30)

4. Допускаемое давление в рубашке при работе аппарата

(31)

Определение оптимальных размеров корпуса аппарата.

Масса аппарата, снабжённого теплообменной рубашкой, будет

(32)

Масса корпуса аппарата

, (33)

где с - плотность материала, из которого изготовлен аппарат, кг/м³;

А_ц. - боковая поверхность цилиндрической части, м²;

А_к - боковая поверхность крышки, м²;

А_Д - боковая поверхность днища, м².

S₁, S₂, S₃ - соответственно исполнительные толщины стенки цилиндрической обечайки, крышки и днища.

Объём рубашки

(34)

Высота рубашки

(35)

Отсюда

(36)

(37)

Отсюда

(38)

Масса жидкости

(39)

где с_ж - плотность обрабатываемой в аппарате среды, кг/м³.

Тогда высота столба жидкости в цилиндрической части аппарата l_ж будет

(40)

Масса теплообменной цилиндрической рубашки

, (41)

где D_р - внутренний диаметр теплообменной рубашки, м;

l_p - длина цилиндрической части рубашки, м;

S_р - толщина стенки рубашки, м.

Отсюда

Масса охлаждающей жидкости в теплообменной рубашке

(42)

где с_в - плотность охлаждающей воды или другой жидкости, подаваемой в рубашку, кг/м³,

D_н - наружный диаметр корпуса, м.

(43)

Отсюда

Таким образом

3.2 Решение краевой задачи

Рисунок 5 Расчётная схема соединения цилиндрической обечайки с коническим днищем

Допускаемое напряжение на краю обечайки

(44)

Расчётное значение модуля продольной упругости при заданной температуре для стали 12Х18Н10Т Е = 1,99^.10⁵ МПа.

Система уравнения совместности деформаций

(45)

где - соответственно радиальные и угловые деформации края цилиндрической обечайки под действием нагрузок р, Q_о и М_о;

- соответственно радиальные и угловые деформации края конической обечайки под действием нагрузок р, Q_о и М_о.

Подставляя соответствующие значения деформаций из табл. 1.26 [1] в уравнения (45)

(46)

где .

Подставляя в систему уравнений известные значения геометрических размеров аппарата и физических свойств материала, получим: в=16,54 1/м; в_к=12,06 1/м; Q=0,16 МН/м.

Откуда Q_o=0,072 МН/м; М₀=0,0019 МН^.м/м.

Суммарные напряжения на краю цилиндрической обечайки следующие:

Меридиональное напряжение

(47)

Кольцевое напряжение

(48)

Суммарные напряжения на краю конической оболочки (днища) следующие:

Меридиональное напряжение

(49)

Кольцевое напряжение

(50)

.

Максимальное напряжение на краю:

цилиндрической обечайки

(51)

конического днища

(52)

.

Таким образом, условие прочности в месте сопряжения элементов выполняется. Следовательно, толщины стенок найдены, верно.

3.3 Укрепление отверстий

Рисунок 6 Расчётная схема укрепления отверстия

Расчётный диаметр одиночного отверстия:

(53)

где ;

(54)

(55)

Отсюда

S_p принимаем равной 3 мм (по стандартному ряду).

S_p=0,003 мм

S=0,004 мм.

Отсюда

Расчётный диаметр отверстия в стенке обечайки

(56)

Условие укрепления

(57)

1) ,

где (58)

2) ,

где (59)

3) ,

где (60)

l_1p=0,033 м

(61)

(62)

Отсюда получаем

Условие не выполняется, поэтому требуется укрепление. Выбираем укрепление накладным кольцом.

4) ,

где (63)

(64)

Отсюда получаем

Следовательно, укрепление отверстия штуцера накладным кольцом на эллиптической крышке выполняется.

3.4 Фланцевое соединения корпуса с крышкой

При D = 1100 мм и Р_р = 0,35 МПа, выбираем конструкцию фланца плоский приварной, уплотнительная поверхность гладкая [1].

Рисунок 7 Расчётная схема фланцевого соединения

Конструктивные размеры фланца

Толщину втулки фланца принимаем

, (65)

где S - исполнительная толщина обечайки аппарата. Принимаем S₀=12 мм.

Высота втулки

(66)

Диаметр болтовой окружности фланца

, (67)

где u - нормативный зазор между гайкой и втулкой. Принимаем u=(4 - 6) мм. u = 5 мм.

d_б=20 мм - наружный диаметр болта.

Отсюда

Наружный диаметр фланцев

(68)

где а = 40 мм = 0,04 м.

Наружный диаметр прокладки

, (69)

где е = 30 мм = 0,03 м - нормативный параметр, зависящий от типа прокладки.

Средний диаметр прокладки

, (70)

где в = 20 мм - ширина прокладки плоской неметаллической для диаметра аппарата.

Количество болтов, необходимых для обеспечения герметичности соединения

(71)

где t_ш = (3,8 - 4,8)d_б = 4^.20 = 80 мм - рекомендуемый шаг расположения болтов в зависимости от давления.

Принимаем n_б = 52, кратное четырём.

Высота (толщина) фланца

, (72)

где л_ф = 0,54 - для Р_р=0,35 МПа и плоских приварных фланцев;

S_э=S₀=12 мм - эквивалентная толщина втулки.

Принимаем h_ф = 0,04 м.

Расстояние между опорными поверхностями гаек для фланцевого соединения (ориентировочно)

, (73)

где h_п = 2 мм - высота стандартной прокладки.

Нагрузки, действующие на фланцевое соединение.

Равнодействующая внутреннего давления

(74)

Реакция прокладки

, (75)

где К_пр = 2,5 - для прокладки из паронита;

.

Усилие, возникающее от температурных деформаций

, (76)

где и - соответственно коэффициенты линейного расширения материала фланцев 12Х18Н10Т и болтов из стали 35Х;

t_ф=0,96t = 0,96^.150 = 144°С - расчётная температура неизолированных фланцев;

t_б=0,95t = 0,95^.150 = 142,5°С - расчётная температура болтов;

Е_б=1,9^.10⁵ МПа - для ботов из стали 35Х;

f_б=2,35^.10^-4 м - для болтов диаметром 20 мм;

п_б=52 - количество болтов;

у_б, у_п, у_ф - податливость соответственно болтов, прокладки, фланцев:

где ; (77)

, (78)

где Е_п=2000 МПа - для прокладки из паронита;

(79)

Таким образом

Коэффициент жёсткости фланцевого соединения

(80)

Болтовая нагрузка в условиях монтажа до подачи внутреннего давления

(81)

Принимаем F_б1 = 0,62 МН.

Болтовая нагрузка в рабочих условиях

(82)

Окружное напряжение в кольце фланца

(83)

Напряжение во втулке от внутреннего давления:

тангенциальное

(84)

меридиональное

(85)

Условие прочности для сечения, ограниченного размером S₀ = 12 мм.

, (86)

где =0,002Е=0,002^.2^.10⁵=400 МПа;

ц = 1.

Таким образом, условие выполняется

Условие герметичности углом поворота фланца

(87)

Таким образом, условие выполняется.

3.5 Расчёт опор для вертикальных аппаратов

Рисунок 8 Конструкция стандартных опор типа лапы

Из таблицы 2 [2]: а = 125 мм, а₁ = 155 мм, в = 155 мм, с = 45 мм, с₁ = 90 мм, h = 230 мм, h₁ = 16 мм, s₁ = 8 мм, к = 25 мм, к₁ = 40 мм, d = 24 мм, d_б = М20, f_max = 40 мм.

Несущую способность обечайки в месте приварки опорной лапы без подкладного листа следует проверить по формуле

, (88)

где допускаемое усилие на опорный элемент в условиях эксплуатации или испытания определяется по формуле

(89)

(90)

, (91)

где - предельное напряжение изгиба, МПа;

- допускаемое напряжение для материала обечайки, МПа;

- запас прочности по пределу текучести;

коэффициент. Принимаем, для рабочих условий, равным 12 и 1 для условий испытаний и монтажа;

- коэффициент, который определяется по рисунку, в зависимости от V₁ и V₂;

V₁ = 0,3 - коэффициент, представляющий отношение местных мембранных напряжений к местным напряжениям изгиба.

V₂ - коэффициент, учитывающий степень нагрузки общими мембранными напряжениями:

(92)

Общее мембранное напряжение определяют следующим образом

(93)

(94)

Отсюда

Таким образом

К₁ = 0,86, К₂ = 0,84.

Отсюда

Таким образом

(95)

Следовательно, условие выполняется.

Выбранный тип опор обеспечивает условие прочности.

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы я выработала и закрепила навыки расчета тепловых элементов конструкции химического и пищевого оборудования по главным критериям работоспособности (прочности, герметичности, устойчивости, жесткости) при воздействии на них соответствующих нагрузок или определения допускаемых значений рабочих нагрузок при заданных конструктивных параметрах элемента аппарата.

Все рассчитанные значения элементов аппарата округлялись до стандартных значений. А также произвела проверку этих значений по главным критериям работоспособности.

Список литературы

1. Основы расчета и конструирования химического оборудования. Сосуды с рубашками: Методические указания по курсовому проектированию. Красноярск: КГТА, 1997. 40 с.

2. Конструирование и расчет элементов оборудования: Методические указания по курсовому проектированию. Красноярск: СибГТУ, 2002. 32 с.

3. Конструирование и расчет элементов оборудования. Опоры аппаратов: Методические указания по курсовому проектированию. Красноярск: СибГТУ, 2002. 36 с.

4. Машины и аппараты промышленных технологий: Методические указания по курсовому проектированию. Красноярск: СибГТУ, 1999. 28 с.

5. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств: Примеры и задачи: Учеб. пособие для студентов ВТУЗов\ М. Ф. Михалёв, Н. П. Третьяков, А. И. Мильченко, В. В. Зобнин., под общ. ред. М. Ф. Михалёва. Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1984. 301 с.

Размещено на Allbest.ru