Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка: с., 7 рис., 3 табл., 1 приложение, 7 источников.

Графические материалы: технологическая схема установки, сборочный чертёж аппарата, сборочные чертежи узлов - всего листа формата А1.

Тема проекта: «Установка осушки газа и регенерирования гликоля. Разработать конденсатор-холодильник».

Приведены теоретические основы и особенности процесса теплообмена, выполнены технологические, проектные и прочностные расчеты, расчет гидравлического сопротивления, обоснован выбор материалов для изготовления аппарата.

Расчетами на прочность и герметичность показана надёжность работы запроектированного аппарата.

Ключевые слова: АППАРАТ, УСТАНОВКА, ПАР, КОНДЕНСАТ, КОНДЕНСАТОР-ХОЛОДИЛЬНИК, ТРУБНЫЙ ПУЧОК, РАСЧЁТ, ОПОРА, РЕМОНТ, МОНТАЖ.

Содержание

Введение

1. Технологическая часть

1.1 Описание технологической схемы установки

1.2 Теоретические основы процесса

1.3 Описание разрабатываемого объекта, выбор материала в разрабатываемом объекте

2. Технологические расчеты процесса и аппарата

2.1 Материальные балансы и технологические расчеты

2.2 Конструктивные расчеты аппарата

2.3 Гидравлическое сопротивление аппарата

2.4 Выбор вспомогательного оборудования

3. Расчеты аппарата на прочность и герметичность

3.1 Определение толщины стенки аппарата

3.2 Определение толщины стенки крышки аппарата

3.3 Расчет фланцевого соединения

3.4 Расчет опоры аппарата

Литература

Введение

Современная НПП характеризуется весьма большим числом разнообразных производств, различающихся условиями протекания технологических процессов и многообразием физико-химических свойств перерабатываемых веществ и выпускаемой продукции. Вместе с тем технологические процессы различных производств представляют собой комбинацию сравнительно, небольшого числа типовых процессов (нагревание, охлаждение, фильтрование и т.д.). Теоретические основы этих процессов, методы их расчёта и принципы наиболее рационального аппаратурного оформления составляют предмет и содержание курса процессов и аппаратов химических производств.

Курсовой проект по НПП является по существу первой большой самостоятельной инженерной работой студента по специальности. Он включает в себя расчёт типовой установки и ёё графическое оформление. Работая над проектом, студент изучает и приобретает навыки работы с нормативной документацией (ГОСТы, ОСТы, нормали, справочная литература), приобретает навыки выбора стандартной и типизированной аппаратуры и составление технико - экономических обоснований, оформления технической документации.

Задачей данного курсового проекта является разработка теплообменного аппарата для конденсации паров природного газа в составе абсорбционной установки.

Массообменное и теплообменное оборудование составляет основу аппаратного парка большинства химических и нефтехимических производств. Поэтому рациональное проектирование этого типа оборудования и установок в целом с применением современных методов технологических расчётов и расчётов на прочность и надёжность существенно скажется на технико-экономических показателях производства в целом.

1. Технологическая часть

1.1 Описание технологической схемы установки

Принципиальная технологическая схема установки осушки газа диэтиленгликолем приведена на рисунке 1.1. Влажный газ поступает в абсорбер 1, где при повышенном давлении производится осушка газа. В качестве абсорбента в верхнюю часть аппарата подается диэтиленгликоль (ДЭГ). Отводимый снизу абсорбера отработанный раствор (насыщенный абсорбент) подогревается в теплообменнике 2 и вводится в десорбер 3, работающий при давлении, близком к атмосферному. Тепло, необходимое для испарения влаги, подводится в десорбер с помощью испарителя 7.

Рисунок 1.1 - Принципиальная технологическая схема установки абсорбционной осушки газа:

1 - абсорбер; 2 - теплообменник; 3 - десорбер; 4 - конденсатор; 5 - емкость орошения; 6 - насосы; 7 - испаритель; 8 - конденсатор-холодильник; - сырой газ; - осушенный газ; - насыщенный раствор ДЭГ; IV - регенерированный раствор ДЭГ; V - орошение; VI - сточная вода; VII - несконденсированная смесь.

Осушенный газ из верхней части абсорбера попадает в конденсатор-холодильник, а затем направляется на технологические нужды. Выводимый сверху десорбера водяной пар попадает в конденсатор и емкость орошения. Для уменьшения потерь гликоля часть воды V возвращается в десорбер в качестве орошения, а остальное ее количество VI сбрасывается в канализацию. Несконденсированная смесь VII направляется в топливную сеть.

1.2 Теоретические основы процесса

Теплообменом называется процесс переноса теплоты происходящий между телами, имеющими различную температуру. При этом теплота переходит самопроизвольно от более нагретого к менее нагретому телу. Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между молекулами, а томами и свободными электронами, в результате, которого интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого возрастает. В результате передачи теплоты происходит и рассматриваемый в данной работе процесс нагревания. Тела, которые участвуют в теплообмене, называются теплоносителями. Теплообменные процессы могут происходить только при наличии разности температур между теплоносителями, т. е. разность температур - движущая сила процесса теплообмена. Немаловажным фактом является также направление движения теплоносителей. От него сильно зависит характер процесса. Существует несколько схем движения потоков теплоносителей. Прямоточная схема -- горячий теплоноситель взаимодействует с холодным через стенку, при этом потоки направлены параллельно друг другу и в одном направлении, противоточная - потоки параллельны, но направлены в противоположные стороны, и перекрёстная потоки направлены под углом относительно друг друга.

Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности тепло пере дачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом. Необходимую поверхность теплопередачи F, м² определяют из основного уравнения теплопередачи [2]:

(1.1)

где:

F - площадь теплообмена, м²;

?t_ср - средняя температура процесса, ⁰С(К);

К - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К);

Q - тепловая нагрузка, Вт.

Тепловую нагрузку Q, Вт в соответствии с заданными технологическими условиями находят по одному из следующих уравнений: Если агрегатное состояние теплоносителей не меняется:

Q = G·С·(t₁- t₂) (1.2)

где с - удельная массовая теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг?К);

t₁, t₂ - соответственно, начальная и конечная температура теплоносителя, ⁰С(К).

При конденсации насыщенных паров без охлаждения конденсата:

Q = G·r (1.3)

где r - удельная теплота парообразования, кДж/кг.

При конденсации перегретых паров с охлаждением конденсата:

Q = G·(I₁- с₂t₂) (1.4)

где I -- энтальпия перегретого пара, кДж/кг. При проектировании теплообменника также необходимо учитывать конструктивные особенности аппарата. Трубы в кожухотрубных теплообменниках стараются разместить так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб; был минимальным, в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количества тепло носителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители или глухие трубы, которые не проходят через трубные решетки и могут быть расположены непосредственно у внутренней поверхности кожуха.

1.3 Описание разрабатываемого объекта, выбор материала в разрабатываемом объекте

Рисунок 1.2 - Эскиз теплообменного аппарата:

1 - кожух; 2 - трубы; 3 - трубные решетки; 4,5 - распределительные камеры; 6 - козырек-отражатель; 11 - перегородка.

Данный аппарат (рис 1.2) относится к теплообменным аппаратам тепло в котором, от горячего теплоносителя к холодному передаётся через стенку (в нашем случае через тонкую стенку металлической трубки). В данном конденсаторе пары газа под давлением поступают в межтрубное пространство, где конденсируются на поверхности пучка труб, и в виде конденсата выводятся из аппарата и направляются на технологические нужды.

В трубное пространство аппарата подаётся оборотная вода, где она нагревается, отбирая тепло у газа. Теплообменник состоит из трубчатки - пучка труб закреплённого в двух трубных решётках, данный пучок и составляет основную поверхность теплообмена; распределительной камеры для подвода и отвода охлаждающей воды, камера имеет разделительную перегородку, предотвращающую смешивание охлаждённой и подогретой воды и крышки.

При выборе конструкционных материалов на основные детали проектируемого аппарата учитываются следующие его важнейшие свойства: прочностные характеристики, жаростойкость и жаропрочность, коррозионная стойкость при агрессивном воздействии среды, физические свойства, технологические характеристики, малая склонность к старению, состав и структура материала, стоимость и возможность его получения, наличие стандарта или утвержденных технических условий на его поставку (технико-экономические показатели).

Выбор конструкционных материалов на основные детали проектируемого аппарата осуществляется в соответствии с рекомендациями [3].

Сталь 16ГС ГОСТ 19282. Заменители: Сталь 17ГС, Сталь 15ГС, Сталь 20Г2С, Сталь 20ГС, Сталь 18Г2С.

Назначение: изготовление фланцев, корпуса, деталей, работающих при температурах -40…+475 ⁰C под давлением; сварных металлоконструкций, работающих при температуре до -70 ⁰C.

Вид поставки (сортамент): листовой прокат (лист толстый г/катаный ГОСТ 19903, лист тонкий х/катаный ГОСТ 19904, полоса ГОСТ 103), трубы (труба электросварная квадратная ТУ 14-105-566, труба электросварная прямоугольная ТУ 14-105-566).

Основные физико-механические свойства:

модуль упругости E, МПа ……………………………………200000

модуль сдвига G, МПа ………………………….…………….77000

плотность , кг/м3 ……………………….…………………….7850

предел прочности В, МПа, не менее ………………………..305

предел текучести Т, МПа, не менее …………………………….175

относительное сужение , % ……………………………………..51

относительное удлинение , % ………….………………………..27

Свариваемость: сваривается без ограничений.

Сталь 09Г2С ГОСТ 19282. Заменители: Сталь 09Г2, Сталь 09Г2ДТ, Сталь 09Г2Т, Сталь 10Г2С.

Назначение: изготовление фланцев, деталей, работающих при температурах -40…+425 ⁰C под давлением.

Вид поставки (сортамент): фасонный прокат (квадрат г/катаный ГОСТ 2591, круг г/катаный ГОСТ 2590), листовой прокат (лист толстый г/катаный ГОСТ 19903, лист тонкий х/катаный ГОСТ 19904, полоса ГОСТ 103), профильный прокат (швеллер г/катаный ГОСТ 8240, балка двутавровая г/катаная ГОСТ 8239).

Основные физико-механические свойства:

модуль упругости E, МПа ……………………………………200000

модуль сдвига G, МПа …………………….………………….77000

плотность , кг/м3 ……………………………………….…….7850

предел прочности В, МПа, не менее …………………….…..360

предел текучести Т, МПа, не менее ………………………….180

относительное сужение , % …………………………………..56

относительное удлинение , % …………………………….…..25

твердость по Бринеллю, НВ ……………………………..…….115

Свариваемость: сваривается без ограничений.

Сталь 20 ГОСТ 1050. Заменители: Сталь 15,Сталь 25.

Назначение: изготовление штуцеров, крепежных деталей (болты, шпильки, гайки), панелей, оснований, платы, кронштейнов, угольников, ребер жесткости.

Вид поставки (сортамент):

фасонный прокат (шестигранник калиброванный ГОСТ 8560,

квадрат г/катаный ГОСТ 2591, круг г/катаный ГОСТ 2590, круг калиброванный, х/катаный ГОСТ 7417),

листовой прокат (лист толстый г/катаный ГОСТ 19903, лист тонкий х/катаный ГОСТ 19904, лист тонкий х/катаный оцинкованный ГОСТ 19904, полоса ГОСТ 103),

ленты (лента х/катаная из углеродистой конструкционной стали ГОСТ 2284, лента х/катаная из низкоуглеродистой стали ГОСТ 503, лента х/катаная упаковочная ГОСТ 3560),

проволока (проволока низкоуглеродистая качественная ГОСТ 792, проволока х/тянутая термически необработанная ГОСТ 17305, проволока х/тянутая для холодной высадки ГОСТ 5663),

профильный прокат (швеллер г/катаный ГОСТ 8240, уголок г/катаный равнополочный ГОСТ 8509, уголок г/катаный неравнополочный ГОСТ 8510, балка двутавровая г/катаная ГОСТ 8239),

трубы (труба водогазопроводная ГОСТ 3262, труба бесшовная холодно- и теплодеформированная ГОСТ 8734, труба бесшовная горячедеформированная ГОСТ 8732, труба бесшовная квадратная ГОСТ 8639, труба бесшовная прямоугольная ГОСТ 8645, труба котельная ТУ 14-3-460, труба электросварная квадратная ТУ 14-105-566, труба электр-осварная прямоугольная ТУ 14-105-566), сетки (сетка тканая ГОСТ 3826).

Основные физико-механические свойства:

модуль упругости E, МПа ……………………………………200000

модуль сдвига G, МПа ……………………………….……….74000

плотность , кг/м3 ………………………………………….….7850

предел прочности В, МПа, не менее …………….………….420

предел текучести Т, МПа, не менее ……………………..….250

относительное сужение , % ………………………………….40

относительное удлинение , % ………………………………..16

твердость по Бринеллю, НВ …………………………………..156

твердость по Роквеллу (поверхностная), НRC ……..………..60

Свариваемость: сваривается без ограничений, кроме химико-термически обработанных деталей.

Паронит ПОН (ПОН-1) ГОСТ 481.

Назначение: изготовление неметаллических прокладочных материалов для уплотнения разъемов фланцевых соединений аппарата.

Основные физико-механические свойства:

плотность , кг/см3 …………………………………………..1,6-2,0

условная прочность при разрыве в поперечном направлении, кгс/см², не менее …………………….…………………………………………60

2. Технологические расчеты процесса и аппарата

2.1 Материальные балансы и технологические расчеты

Тепловая нагрузка аппарата Q определяется по уравнению теплового баланса [2]:

Q = Q_г или Q = Q_х + Q_пот (2.1)

где Q_г - количество теплоты, отдаваемое горячим теплоносителем, Вт; Q_х- количество теплоты, воспринимаемое холодным теплоносителем, Вт; Q_пот - тепловые потери, принимаемые в размере 3-5 % от Q_г, Вт.

Так как компоненты газа, см. табл. 2.1, рисунок 2.1, не изменяют свое агрегатное состояние, то уравнение для определения Q имеет следующий вид [2]:

Q = G_г ?с_г ? (t_нг- t_кг) (2.2)

где G _г- массовый расход горячего теплоносителя, кг/с;

с_г - удельная массовая теплоемкость, кДж/(кг?К);

t_нг, t_кг - начальная и конечная температуры горячего теплоносителя.

Результаты расчета сведены в таблицу 2.1.

Проведя анализ таблицы 2.1 и температурной схемы процесса, можно сделать вывод, что холодильник-конденсатор работает как газовый холодильник.

Отсюда имеем тепловую нагрузку холодильника-конденсатора (количество тепла отводимого в аппарате от продукта), Q=3384853 Вт.

Расход воды определяется из уравнения теплового баланса конденсатора-холодильника с учетом потерь тепла в окружающую среду, [2]:

 (2.3)

.

При t_ср=45 ⁰С физико-химические свойства воды:

где =4,2•10³ Дж/(кг?К) [табл.Б.10,рис.Б.2,1] - удельная массовая теплоемкость теплоносителя;

=0,64•10^-3 Па•с [табл.Б.10,рис.Б.1,1] - динамический коэффициент вязкости теплоносителя в трубном пространстве;

=0,6385 Вт/(м•К) [табл. Б.10,рис.Б.3,1] - коэффициент теплопроводности теплоносителя.

с_Н2О =989,75 кг/м³ [табл.А.1,1] - плотность теплоносителя.

t_ср=( t_нх+t_кх)/2=(20+70)/2=45 °С;

Рисунок 2.1 - Температурная схема процесса

Для определения средней разности температур необходимо построить температурную схему процесса. Так как в процессе теплообмена ни один из теплоносителей не изменяет свое агрегатное состояние, то температурная схема будет иметь более простой вид:

Горячий теплоноситель на 74,14 % состоит из метана, поэтому без большой ошибки его теплофизические свойства можно определять как для чистого метана.

Тогда средняя разность температур находится по формуле [2]:

(2.4)

=

Расчетная поверхность теплообмена предварительно определяется из основного уравнения теплопередачи [2]:

F = (2.5)

F =

где К=10-60 Вт/(м² •К) [табл.А.10,2] -- ориентировочное значение коэффициента теплопередачи. По расчетной поверхности теплообмена, согласно ГОСТ 15120-79, используя данные таблицы 2.3 [5], выбирается ряд типоразмеров теплообменников и тем самым определяются число ходов по трубному пространству, а также площади проходного сечения одного хода по трубам ѓ_mр и межтрубного пространства ѓ _мmр.

Выбираем 3 теплообменника со следующими технологическими характеристиками:

Поверхность теплообмена - 766 м²;

Диаметр кожуха - 1200 мм;

Диаметр труб - 25Ч2 мм;

Число ходов по трубам - 2;

Число труб общее - 1048 шт;

Число труб в одном ходу - 524 шт;

Длина труб - 9 м.

Определяем площади проходного сечения одного хода по трубам ѓ_mр и межтрубного пространства ѓ _мmр:

ѓ_тр = 0,785 ? d²_в ? n_т=0,785•0,021²•524=0,181 м², (2.8)

ѓ_мтр=0,785?(D²_в-d²_н?n_m?z)=0,785?(1,2 ²-0,025²?524?2)=0,616 м² (2.9)

Фактическая скорость движения теплоносителя в трубах и значение критерия Рейнольдса определяются по формулам:

w_mр= (2.10)

w_mр= м/с

(2.11)

Для определения коэффициентов теплоотдачи представим расчетные уравнения для основных случаев теплоотдачи. Физико- химические свойства теплоносителей, входящие в критериальное уравнения, необходимо брать при определяющей температуре, которая указывается для каждого частного случая. Во многие критериальные уравнения конвективной теплоотдачи входит множитель (Рr/Рr _сm) ^0,25 учитывающий направление теплового потока и близкий к единице, когда температуры теплоносителя и стенки не сильно отличаются. Теплоотдача при переходном режиме течения в прямых трубах и каналах (2300 <Rе = 8024< 10000). Критериальное уравнение в случае горизонтального расположения труб имеет вид:

Nu =0,022•Re^0,8•Рr^0,4•(µ/µ_сm)^0,14

где Nu - критерий Нуссельта;

Ь - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²• К);

Рr - критерий Прандтля;

Рr_сm - значение критерия Прандтля при температуре стенки.

Nu = Ь•l/л,

Рr = с•µ/л=4,2•10³•0,64•10^-3/0,6385=4,21

Вт/(м²•К)

Теплоотдача при поперечном обтекании пучка гладких труб в аппаратах с многократноперекрестным движением жидкости (межтрубное пространство кожухотрубчатых теплообменников с поперечными перегородками). Определяющая температура -- средняя температура теплоносителя, определяющий размер -- наружный диаметр трубы. Критерий Рейнольдса находится по скорости движения теплоносителя в межтрубном пространстве, которая определяётся по уравнению:

(2.13)

где G_мmр - массовый расход теплоносителя в межтрубном пространстве, кг/с;

с - его плотность при средней температуре, кг/м³.

n - число теплообменников, шт.

Rе_г = w_мтр?d_экв?с/µ_, (2.14)

Rе_г = w_мтр?d_экв?с/µ = 21,46?0,0421?0,72/1,35•10^-5=48223

где d_экв - эквивалентный диаметр межтрубного пространства, м, находится по формуле,

d_экв = , (2.15)

где П - смоченный периметр, м.

d_экв = ,

Рr = с•µ/л, (2.16)

Рr = 2,35•10³•1,35•10^-5/3,85•10^-2=0,824

где =2,35•10³ Дж/(кг?К) [табл.Б.10,рис.Б.5,2] - удельная массовая теплоемкость горячего теплоносителя при его средней температуре;

=1,35•10^-5 Па•с [табл.Б.10,рис.Б.4,2] - динамический коэффициент вязкости теплоносителя в межтрубном пространстве при средней температуре;

=3,85•10^-2 Вт/(м•К) [табл.Б.10,рис.Б.6,2] - коэффициент теплопроводности при средней температуре теплоносителя;

Критериальное уравнение при Re = 12889 > 10000 для шахматных трубных пучков:

Nu= 0,4• е _ц •Re^0,6•Рr^0,36•(Рr/Рr_сm)^0,25 (2.17)

где е_ц-- коэффициент, учитывающий влияние угла атаки ц, принимается е_ц= 0,6.

Определяем коэффициент теплопередачи по формуле:

К = Вт/(м²•К) ,(2.18)

где л _сm=17,5 Вт/(м•К) [табл.А.5,2]_, д=0,002 мм - коэффициент теплопроводности материала стенки труб и ее толщина;

Уr₃=2,3•10^-4 (м²•К)/Вт[табл.А.9,2] - сумма термических сопротивлений загрязнений стенок. К=

Расчетная поверхность теплообменника определяется из основного уравнения теплопередачи:

F_р =

По расчетной поверхности теплообмена, согласно ГОСТ 15120-79, используя данные таблицы 2.3[5], окончательно выбираем 3 теплообменника со следующими технологическими характеристиками:

Поверхность теплообмена - 766 м²;

Диаметр кожуха - 1200 мм;

Диаметр труб - 25Ч2 мм;

Число ходов по трубам - 2;

Число труб общее - 1048 шт;

Число труб в одном ходу - 524 шт;

Длина труб - 9 м.

Определяем запас поверхности по формуле:

Д= (2.19)

Д=

Поверхность выбранного теплообменника удовлетворяет условиям протекания технологического процесса.

2.2 Конструктивные расчеты аппарата

По формуле [4]:

d_n = ; (2.20)

определяем диаметры патрубков для рабочих сред при их параметрах (затраты, скорости и плотность).

Скорости движения теплоносителей [4]:

- для жидкостей: 0,1 - 0,5 м/с - при самотёке;

0,5 - 2,5 м/с - в напорных трубопроводах;

- для пара: 15 - 40 м/с;

- для газов: 5 - 20 м/с.

Диаметр патрубка для входа и выхода газа из аппарата (при плотности газа с_г=0,72 кг/м³ ).

d_n =

принимаем равным 100 мм.

Диаметр патрубка для входа и выхода воды из аппарата.

d_в =

принимаем равным 50 мм.

2.3 Гидравлическое сопротивление аппарата

Так как значение критерия Рейнольдса равняется Rе =80, то это

режим движения жидкости в трубках теплообменника есть ламинарный.

Тогда коэффициент трения определяем по формуле [5]:

; (2.21)

Определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений в аппарате [5]:

?о_м=2о₁+2о₂+о₃(z-1); (2.22)

Для расчетов можно принимать такие приблизительные значения коэффициентов местного сопротивления, [5]:

Входная и выходная камеры - 1,5;

Вход у трубы и выход из них - 1;

Поворот на 180⁰ между ходами и секциями - 2,5;

Поворот на 180⁰ сквозь колено - 2;

Вход в трубное пространство и выход из него - 1;

Поворот на 90⁰ в трубном пространстве - 1.

?о_м= 2·1,5+2·1+2,5·(2-1)=7,5

Определяем гидравлическое сопротивление движения жидкости в аппарате по формуле, [5]:

?P=?P_TP+?P_M=; (2.23)

?P=Па.

2.4 Выбор вспомогательного оборудования

Выбор насоса подачи воды.

Потери напора определяем по формуле:

; (2.28)

Напор насоса определяем по формуле:

Н=(P₂-P₁)/сg+Н_r+?h_r; (2.29)

где: Р₂-Р₁- перепад давлений в аппарате и трубопроводе (избыточное давление в аппарате); Н_r - высота поднятия жидкости; ?h_n - потери в линии.

м;

Данные характеристики удовлетворяет насос X45/54 с подачей

Q = 3,5·10^-2 м³/с

Н = 54 м

n= 48,3 1/с - частота вращения вала

Ю= 0,6.

Электродвигатель типа АО2-72-2

N_H= 30 кВт.

Ю_дв= 0,89.

теплообменный аппарат установка

3. Расчеты аппарата на прочность и герметичность

3.1 Расчет толщины стенки обечайки трубного пучка

Рисунок 3.1 - Эскиз цилиндрической обичайки

Расчетное давление принимаем

р=рр=0,2 МПа,

За расчетную температуру принимаем

t=1000C

Расчеты на прочность выполняются с учетом прибавки, в данном случае принимаем равной:

С=П•ф=0,1·20 =2 мм,

где П = 0,10 мм/год - проницаемость материала, мм/год;

= 20 лет - срок службы аппарата, лет.

Коэффициент прочности сварных швов (ц=0,9 - для стыковой с двухсторонним проваром, выполненной автоматической и полуавтоматической сваркой при контроле швов по длине до 50% [2].

Допускаемое напряжение слоя листа (сталь 16ГС) корпуса при 20°С и расчетной температуре соответственно:

[у20]=184 МПа;

[у]=180 МПа.

Расчетное значение предела текучести для стали 16ГС [3]:

[ут20]=240 МПа.

Допускаемое напряжение в условиях гидравлических испытаний определяется по формуле:

[у]и=ут20/1,1=240/1,1=218 МПа.

Пробное давление при гидроиспытании [3]:

(3.1)

Расчетная (номинальная) толщина стенки обечайки определяется по формуле [3]:

(3.2)

где D - внутренний диаметр обечайки.

Исполнительная толщина листа для обечайки:

s ? s_р+ с = 0,28 + 2 = 2,28 мм

Согласно ГОСТ 19903 с учетом прибавки с = 2 мм принимаем толщину листа:

S = 3 мм.

Проверяем условие применимости формул безмоментной теории:

(s-с)/D?0,1 (3.3)

(3-2)/273=0,0037,

что меньше 0,1 - условие применимости формул выполнено.

Допускаемое внутреннее давление для обечайки с s =3 мм определяется по формуле [3]:

-в рабочих условиях

(3.4)

-в условиях гидравлических испытаний

(3.5)

3.2 Расчет толщины крышки аппарата

Принимаем эллиптическое днище с высотой Н=0,25•D, для которого расчетный параметр R=D=273 мм. Конструкция эллиптического днища представлена на рис. 3.2.

Рисунок 3.2 - Конструкция эллиптического днища

Расчетный параметр эллиптического днища определяется по формуле [2]:

(3.6)

Согласно ГОСТ 5681 с учетом прибавки с=2 мм принимаем толщину листа [5]:

s=3 мм.

Допускаемое внутреннее давление для эллиптической крышки с s =3 мм определяется по формуле [2]:

-в рабочих условиях

 (3.7)

-в условиях гидравлических испытаний

(3.8)

Проверяем условия применимости формул [2]:

0,002?==0,0037 ? 0,1 - условие выполнено; (3.9)

0,2?== 0,25 ? 0,1 - условие выполнено.

3.3 Расчёт фланцевого соединения

Фланец - стальной плоский приварной, форма привалочной поверхности - «выступ-впадина», изолированный.



Рисунок 3.3 - Расчетная схема фланцевого соединения

Таблица 3.1 - Исходные данные для расчета фланцевого соединения

№	Наименование параметра	Ед. измерения	Усл. обознач.	Значения
1	Условия эксплуатации:
	температура фланцев	°С	tф	100
	температура болтов	°С	tб	98
	внутреннее давление	МПа	р	0,1
	внешняя сила	МН	Р	0
2	Геометрические параметры фланца:	-
	внутренний диаметр	м	D	0,273
	внешний диаметр	м	Dф	0,33
	диаметр болтовой окружности	м	Dб	0,315
	толщина фланца	м	hф1	0,035
			hф2	0,032
	толщина стенки аппарата	м	S0	0,01
3	Параметры прокладки:
	внешний диаметр прокладки	м	Dп	0,285
	ширина прокладки	м	b	0,02
	толщина прокладки	м	h	0,002
	материал прокладки	-	-	поранит
	коэффициент		m	2,5
	минимальное давление	МПа	q	20
	допускаемое давление обжатия	МПа	[q]	130
	модуль продольной упругости	МПа	Еп	2000
4	Материал фланцев	-	-	16ГС
	допускаемое напряжение при температуре t=20°C	МПа	=	196
	допускаемое напряжение при t	МПа	=	167
	модуль продольной упругости при температуре t=20°C	МПа	=	199000
	модуль продольной упругости при температуре t	МПа	=	183000
	коэффициент линейного расширения при температуре t	К-1	=	0,000014
5	Допускаемые напряжения для
	материала фланца в разрезе S0:	МПа	=	549
6	Количество болтов	шт	zБ	60
	внешний диаметр резьбы болта	м	dб	0,02
	внутренний диаметр резьбы болта	м	d0	0,0173
	Материал болтов	-	-	ВСт3сп
	допускаемое напряжение при t=20°C	МПа		154
	допускаемое напряжение для материала болтов при температуре t	МПа		143
	модуль продольной упругости болта при температуре t	МПа		183000
	коэффициент линейного расширения материала болта при температуре t	К-1		0,0000126
7	Добавка к расчетным толщинам	м	с	0,0012
8	Коэффициент прочности сварных швов	-	ц	0,9
9	Коэффициент трения	-	f1	0,1

Отношение большей толщины втулки к меньшей [7]

в =1.

Средний диаметр прокладки

D_сп = D_п - b = 0,285-0,02=0,265 мм. (3.10)

Эфективная ширина прокладки при b > 0,015 м:

b_Е = b_Е = 0,06 b^0,5 = 0,06 · 0,02^0,5 = 0,0085 м (3.11)

Конструктивный коэффициент для фланца

К_ф = D_ф/ D = 0,33 / 0,273 = 1,08 (3.12)

Конструктивные коэффициенты для фланцев

л_ф1 = h_ф1 / = 0,035/= 0,277 (3.13)

л_ф2 = h_ф2 / = 0,032/= 0,253 (3.14)

Поправочный коэффициент

Ш_1ф = 1,28 · lgК_ф = 1,28 · lg1,08 = 0,0428 (3.15)

Поправочный коэффициент

Ш_2ф = (К_ф + 1)/(К_ф - 1) = (1,08+1)/(1,08-1) = 26 (3.16)

Поправочный коэффициент для прореза S₀ для плоских приварных фланцев [7]

Ш_3ф = 1,0 (3.17)

Геометрические параметры фланцев

j_ф1 = h_ф1 / S₀ = 0,035/0,01 = 3,5 (3.18)

j_ф2 = h_ф2 / S₀ = 0,032/0,01 = 3,2 (3.19)

Безразмерный параметр фланцев

Т_ф = , (3.20)

Т_ф =

Безразмерные параметры:

щ_ф1 = [1+0,9л_ф1(1+ш_1ф j_ф1²)]^-1 (3.21)

щ_ф1 = [1+0,9·0,277(1+0,0428·3,5²)]^-1= 0,725

щ_ф2 = [1+0,9л_ф2(1+ш_1ф j_ф2²)]^-1 (3.22)

щ_ф2 = [1+0,9·0,253(1+0,0428·3,2²)]^-1= 0,753

Угловая податливость фланцев:

y_ф1 = , (3.23)

y_ф1 =

y_ф2 = , (3.24)

y_ф2 =

Расчетная длина болтов:

L_б = h_ф1 + h_ф2 + h + 0,28d_б +2h_г + 2h_ш, (3.25)

L_б = 0,035+0,032+0,002+2·0,28·0,02+2·0,02+2·0,002=0,125 м

Линейная податливость прокладки

у_П = (3.26)

Площадь поперечного разреза болта (шпильки)

f_б = 0,785d₀² = 0,785·0,0173² = 2,351·10⁴ м² (3.27)

Линейная податливость болтов

у_б = , (3.28)

Параметр жесткости фланцевого соединения:

А_ф = [у_п+у_б +0,25(у_ф1+у_ф2)(D_б - D_с.п)²]¹ (3.29)

А_ф = [1,955·10^-5 + 4,81·10^-5 + 0,25(0,312+0,327)(1,69-1,628)²]^-1 =1467

Параметр жесткости фланцев:

В_ф1 = у_ф1 (D_б - D - S₀) (3.30)

В_ф1 = 0,312(0,315-0,273-0,01)=0,025 1/МН;

В_ф2 = у_ф2(D_б-D-S₀) (3.31)

В_ф2 = 0,327(0,315-0,273-0,01)=0,0261 1/МН.

Безразмерный коэффициент фланцевого соединения

г = А_фу_б = 1467·4,81·10^-5 = 0,0706, (3.32)

Коэффициент жесткости фланцевого соединения

б_ф =А_ф[у_Б+0,25(В_ф1+В_ф2)(D_б-D_с.п.)]; (3.33)

б_ф = 1467[4,81·10^-5+0,25(0,025+0,0261)(1,69-1,628)]=1,23

Равнодействующая внутреннего давления

Q_д = 0,785D_с.п²р = 0,785·0,265² ·0,21=0,436 МН (3.34)

Реакция прокладок в рабочих условиях

R_п = 2рD_с.пb_Еmр = 2·3,14·0,265·0,0085·2,5·0,21=0,0456 МН (3.35)

Усилия, которое возникает от температурных деформаций фланцевого соединения:

Q_tф = гz_бf_бЕ_б(б_ф^t t_ф-б_б^tt_б) (3.36)

Q_tф = 0,0706·60·2,351·10^-4·1,83·10⁵(14·10^-6·180-12,6·10^-6·175)=0,0574 МН

где б_ф^t = (б_ф1^t+ б_ф2^t)/2 = (14·10^-6+14·10^-6)/2=14·10^-6. (3.37)

Монтажное болтовое усилие фланцевого соединения по разным условиям

Р_б1^/ = рD_с.пb_Еq = 3,14·0,265·0,0085·20 = 0,869 МН (3.38)

Р_б1^// = б_ф(Q_Д±Р) +R_п+4М/D_с.п (3.39)

Р_б1^// = 1,23(0,436±0)+0,0456+4·0/0,265 = 0,582 МН

Расчетная болтовая нагрузка:

Р_б1 = max {Р_б1^/;Р_б1^//}, (3.40)

Р_б1 = max {0,869;0,582} = 0,869 МН

Условие мощности прокладки

[q] (3.41)

- условие прочности прокладки выполнено.

Болтовая нагрузка в рабочих условиях:

Р_Б2=Р_Б1+(1-_ф)•(Q_д±Р)+Q_tф+4М/D_cп, (3.42)

Р_б2 = 0,869+(1-1,23)(0,436±0)+0,0574+4·0/0,265 = 0,826 МН.

Расчетная болтовая нагрузка:

Р_бф =max{Р_б1;Р_б2 }= max {0,869; 0,826}= 0,869 МН. (3.43)

Напряжение растяжения болтов (шпилек) в рабочих условиях и условиях монтажа соответственно:

; (3.44)

. (3.45)

Момент, что скручивает, при затягивании гаек

М_скр = МН·м. (3.46)

Касательное напряжение в болтах (шпильках)

ф_б = (3.47)

Эквивалентное напряжение в болтах (шпильках):

(3.48)

(3.49)

Условие мощности болтов (шпилек)

у_БЕ²⁰ ? [у_б]²⁰; (3.50)

78,4 МПа < 154 МПа - условие выполнено;

у_БЕ^t ? [у_б]^t (3.51)

76 МПа < 143 МПа - условие выполнено

Приведенный изгибающий момент в диаметральном сечении фланца в условиях монтажа:

М_01ф=0,5•Р_Б1(D_Б-D_c.п)=0,5•0,869•(0,315-0,285)= 0,027 МН?м. (3.52)

Приведенный изгибающий момент в диаметральном сечении фланца в рабочих условиях:

М_02ф=0,5•[P_Б2(D_Б-D_c.п)+Q_д(D_c.п-D-S_E)]•/, (3.53)

М_02ф =0,5•[0,826•(0,315-0,285)+0,436•(0,285-2,73-0,01)] 196/167=0,0346МН·м.

Расчетный приведенный момент в диаметральном сечении фланца

М_0ф= max{0,027 МН·м, 0,0346 МН·м}=0,0346 МН·м. (3.54)

Вспомогательная величина

е =20•S₀=20•0,01=0,2 (3.55)

Расчетный диаметр при D ? е

D* = D = 0,273 м. (3.56)

Максимальные напряжения в сечении S₀ фланцев от действия изгибающего момента М_0ф:

(3.57)

 (3.58)

Максимальное кольцевые напряжения в дисках фланцев от действия изгибающего момента М_0ф:

(3.59)

(3.60)

Кольцевые меридиональные напряжения во втулке фланцев от действия внутреннего давления:

(3.61)

(3.62)

Эквивалентные напряжения в сечении S_o:

(3.63)

(3.64)

Условия прочности:

, (3.65)

; (3.66)

381 МПа < (549•0,9=494 МПа) - условие прочности выполнено;

395 МПа < (549•0,9=494 МПа) - условие прочности выполнено.

Условие герметичности фланцевого соединения:

; (3.67)

, (3.68)

где =0,013 рад - допускаемый угол поворота фланца [14]

(3.69)

=0,0108 рад < =0,013 рад - условие герметичности выполнено.

=, (3.70)

=0,0113 рад < =0,013 рад - условие герметичности выполнено.

Окончательно принимаем фланцы:

Фланец 4-273-3-16ГС ГОСТ 28759.2-90.

Фланец 5-273-3-16ГС ГОСТ 28759.2-90.

3.4 Расчет и выбор опоры

Определяем максимальные нагрузки.

Масса теплообменника согласно табл. 11.10[5]:

m_исп=590 кг.

Масса жидкости в теплообменнике при гидроиспытании (полное заполнение):

m_ж=с_ж(2V_дн+0,785•D²l_ц), (3.71)

где V_дн - объем эллиптического днища по ГОСТ 6533-78, м³, V_дн =0,0352 м³ [2];

l_ц - длина цилиндрической обечайки, м;

с_ж - плотность жидкости кг/м³, с_ж=1000 кг/м³.

M_ж=1000•(2•0,0352+0,785•0,273•4,5)=690 кг

Общая масса испарителя с жидкостью

m= m_исп+m_ж= 590+690=1280 кг (3.72)

Переходим к весу:

G = m•g= 1280•9,81=43949 Н=0,0439 МН. (3.73)

Принимаем допущение о равномерном распределении нагрузки на две седловые опоры. Тогда поперечная сила над опорой и максимальный изгибающий момент в середине аппарата равны соответственно [2]:

Q_max=0,5•G_max=0,5•0,0439=0,0219 МН=21,95 кН. (3.74)

Горизонтальная сила (перпендикулярная к оси аппарата):

P₁=K₁₈ •Q_max=0,24•0,0219=0,00527 MH, (3.75)

где К₁₈ - коэффициент, определяемый по рис. 14.21 [3] как функция от угла (см. рис. 3.4).

Горизонтальная сила трения (параллельная оси аппарата):

Р₂=0,15•Q_max=0,15•0,0219=0,00328 MH. (3.76)

Площадь опорной плиты принимается конструктивно и должна удовлетворять условию

F_nR=Q_max/[_бет] (3.77)

где [_бет] - допускаемое напряжение сжатия бетона фундамента, принимаемое в зависимости от марки бетона (СниП В-1-62):

Марка бетона……..500300200

[_бет], МПа ……….. 10 8 6

Принимаем [_бет]=8 МПа для марки бетона 300.

Расчетная площадь опорной плиты равна соответственно:

F_пR=0,0219/8=0,00274 м²

Принимаем размеры плиты согласно ОСТ 26-1265-75 (см. рис. 3.4):

L₁= 620 мм - длина опорной плиты,

В₁= 260 мм - ширина опорной плиты.

Рисунок 3.4 - Конструктивные элементы подвижной опоры:

I - с поперечными ребрами 2, расположенными по одну сторону продольного ребра 1;

II - с поперечными ребрами 2, расположенными по обе стороны продольного ребра 1.

Тогда фактическая площадь опорной плиты:

F_п=L₁•В₁=0,62•0,26=0,161 м², что больше расчетной; (3.78)

F_п= 0,161 м² > F_пR=0,00274 м² - условие выполнено.

При условии F_п > F_пR напряжение сжатия бетона определяется по формуле:

_бет= [_бет]• F_пR / F_п=8•0,00274/0,161=0,136 МПа (3.79)

Расчетная толщина опорной плиты:

S_пR= (3.80)

где К₁₉ - коэффициент, определяемый по рис 14.23 [2] в зависимости от отношения b/a, b/a=170/145=0,7 табл 14.5 [2];

b - ширина поперечных ребер,

а - расстояние между поперечными ребрами рис. 3.3;

у_п] =196 МПа [2] - допускаемое напряжение для материала опорной плиты (сталь 16ГС),

К₁₉=0,2

.

Исполнительная толщина опорной плиты:

S_п> S_пR+ c = 4,7+4 = 8,7 мм, (3.81)

принимаем S_п=10 мм (во всех случаях S_п10 мм).

Расчетная толщина ребра 1 (рис. 3.3) из условия прочности на изгиб и растяжение определяется по формуле:

= 0,0021 м (3.82)

Толщина ребер 1 и 2 (рис. 3.3) проверяют на устойчивость от действия нагрузки q. Нагрузке на единицу длины ребра:

(3.83)

Здесь l_обш - общая длина всех ребер на опоре;

для опоры с расположением ребер по схеме II (рис. 3.3):

l_обш=L+b•m=0,6+0,17•2=0,94 м (3.84)

где m - число ребер в опоре, m =2 шт.

q=1,2•0,0219/0,94=0,0279 МН/м.

Расчетная толщина ребер из условия устойчивости:

, (3.85)

где - допускаемое напряжение на устойчивость, принимаемое из условия:

[_кр]=min{_m/3; _кр/5}=

= min {300/3=100 МПа;225/5=45 МПа}=45 МПа (3.86)

Критическое напряжение находят по формуле:

_кр = 3,6•E(S_p/h₂)² = 3,6•1,77•10⁵•(0,0047/0,25)² =225 МПа (3.87)

где S_p - большее из значений S_pR, найденных по формулах (см. выше);

h₂ - высота крайнего наружного ребра h₂=250 мм (см. рис. 3.4).

что меньше принятого значения S_п = 0,010 м = 10 мм.

Условие прочности опоры при действии изгибающей силы Р₂:

= Р₂•h₁/Wц•[]; (3.88)

в случае приварной опоры:

=0,5•Р₂•(h₁+h₂)/Wц•[]; (3.89)

где W - момент сопротивления горизонтального сечения по ребрам у основания опоры (заштрихованное сечение ребер на рис. 3.3);

h₁ -высота среднего ребра опоры, h₁=0,1 м, (рис 3.4).

(3.90)

ц•[]=0,9•163=147 МПа. (3.91)

Тогда условие прочности опоры при действии изгибающей силы Р₂ примет вид:

=0,00328•0,1/0,0046=0,071 МПа,

что меньше ц•[]=147 МПа - условие выполнено,

а в случае приварной опоры:

=0,5•Р₂•(h₁+h₂)/W =0,5•0,00328•(0,1+0,25)/0,0046=0,125 МПа,

что меньше ц•[]=147 МПа - условие выполнено.

Окончательно принимаем стандартную седловую опору с толщиной ребра S_p=6 мм. Конструктивные размеры, согласно ОСТ 26-1265-75 (условные обозначения см. рис 3.4):

D=273 мм; R=141 мм; S₁=6 мм, S₂=10 мм; L=290 мм; А₁=250 мм; l=190 мм; В=120 мм; L₁=310 мм, втулка для опоры М16,

Опора 20-141-1-II ОСТ 26-1265-75;

Лист опорный 4-141-ОСТ 26-1267-75.

Рисунок 3.5 - Расчетная схема седловой опоры

Список литературы

1. Кузнецов А.А., Судаков Е.Н. Расчеты основных процессов и аппаратов переработки углеводородных газов: Справочное пособие. - М.: Химия, 1983. - 224 с., ил.

2. Методические рекомендации и контрольные задания для самостоятельной работы по курсу «Процессы и оборудование химических производств». Часть 1 Теплообменные процессы и оборудование / Сост.: А.П. Врагов, Я.Э. Михайловский. - Сумы: Изд-во СумГУ,2002.-55с.

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

4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576с.

5. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков. Ю. И. Дытнерский и др. Под ред. Ю. И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991 - 496 с.

6. Машины и аппараты химических производств: Примеры и задачи. Учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности «Машины и аппараты химических производств»/И.В. Доманский, В.П. Исаков, Г.М. Островский и др.; Под. общ. ред. В.Н. Соколова - Л.: Машиностроение, Ленинград, отд-ние, 1982. - 384 с., ил.

7. Анурьев В.И. Справочник конструктора - машиностроителя: В 3-х т. Т.1. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1978. -728с.,ил.

8. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - 9-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия,1973. -754с.

Размещено на Allbest.ru