Выбор конструкционного материала и расчет элементов аппарата на прочность

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выбор конструкционного материала и расчет элементов аппарата на прочность



Содержание

Введение

1. Назначение, устройство, принцип действия аппарата

2. Характеристика основных материалов

3. Теплотехнические расчеты

4. Конструктивный расчет аппарата

5. Механический расчет аппарата

5.1 Расчет толщины цилиндрической обечайки

5.2. Расчет толщины стенки эллиптического днища

5.3 Расчет укрепления отверстий

5.4 Расчет трубной решетки 17 5.5. Расчет фланцевого соединения

5.5 Конструктивные размеры фланца

5.6 Расчет опор лап аппарата

Список литературы



Введение

Быстрое развитие химической технологии и все возрастающее производство многочисленного химического оборудования, и в том числе химической аппаратуры, требуют создания высокоэффективных, экономичных и надежных аппаратов высокого качества, большинство из которых изготавливаются из сталей самой распространенной повсеместно технологией - сваркой. Для конструирования химической аппаратуры в настоящее время имеется много нормативно технической документации.

Выбор вида и принципиальной конструкции аппарата, определение его рабочих параметров, основных размеров, марок конструкционных материалов и других, необходимых для конструктивной разработки и расчета на прочность конструктивных данных производится проектировщиком на основе выбранного процесса производства, химико-технологического расчета и особенностей перерабатываемой среды. Этим вопросам посвящена обширная научно-техническая литература.

Все аппараты наряду с наличием у них своих специфических устройств, как правило, состоят из основных элементов и узлов:

Корпуса, днища, крышки, штуцеров, люков, опор, сварных и фланцевых соединений, строповых устройств.

Основными параметрами для выбора конструкционного материала и расчета элементов аппарата на прочность являются температура и давление рабочего процесса.



1. Назначение, устройство, принцип действия аппарата

Паронагреватель (теплообменник) применяется для нагрева воды водяным паром. В нашем случае водяной пар выходит из выпарной установки и имеет примесь соли в размере 8%.

Мы применили кожухотрубчатый теплообменник . Такие теплообменники относяться к числу наиболее часто применяемых аппаратов. Кожухотрубчатый теплообменник состоит из корпуса, или кожуха 1, приваренных к нему трубных решеток 2. В трубных решетках закреплен пучок труб 3. К кожуху к трубным решеткам крепиться на фланцевом соединении крышки(камеры) 4. В теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред движется внутри труб, в нашем случае вода, а вторая среда движется в межтрубном пространстве.

Среды обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло с верху вниз. Такое направление движения совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании или охлаждении.

Кроме того, при указанных направлениях движениях сред достигается более равномерное распределение скоростей и идентичные условия теплообмена по площади поперечного сечения аппарата.

Трубы в трубных решетках равномерно размещены по периметрам правильных шестиугольников, т.е. по вершинам равносторонних треугольников. В большинстве случаев этим достигается наиболее компактное размещение. Закрепляют трубы развальцовкой в канавки трубной решетки и обваркой.

Теплообменник является одноходовым по трубному пространству. В межтрубном пространстве установлены перегородки, для изменения потока пара проходящего по межтрубному пространству. Вода подается через штуцер В в нижнюю камеру и проходя через трубы трубного пучка выводится через штуцер Г. Паровая смесь подается через штуцер А , проходя через межтрубное пространство пар конденсируется и выводится через штуцер Б. Пар может иметь неконденсируемые примеси, для сдувки предусмотрены штуцера Д1-2. Аппарат устанавливается на опоры-лапы.

При проектировании теплообменника тепловой расчет сводится к определению необходимой поверхности теплообмена при известных расходах, начальной и конечной температурах теплоносителей.

Рис.1 Теплообменник:

1 - корпус, 2 -решетка трубная, 3- пучок трубный, 4-крышка.



2. Характеристика основных материалов

Конструкционный материал выбирается, исходя из свойств перерабатываемой среды, давления и температуры. Материалы по химическому составу и механическим свойствам должны удовлетворять требованиям государственным стандартам и техническим условиям качества и характеристики материалов должны подтверждаться предприятием поставщиком в соответствующих сертификатах.

Для изготовления корпуса аппарата и внутренних устройств выбираем материал 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-80. Сталь характеризуется хорошей коррозионной стойкостью в среде, рекомендуется применять в температурном интервале -256 С до +525 С для корпусных элементов, до 600 С - для внутренних устройств без ограничения давления. Сталь технологична, хорошо сваривается, хорошо деформируется в холодном и горячем состоянии, хорошо обрабатывается всеми видами резки, характеризуется удовлетворительными линейными свойствами.

Скорость коррозии стали 12Х18Н10Т не менее 0,1 мм за год.

Технический состав и механические свойства представлены в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав и механические свойства стали 12Х18Н10Т

С %	%	%	%	%	%	%	%	%	МПа	МПа	МПа	%
0,12	2,0	0,8	1718	2-11	0,3	0,8	0,02	0,035	2,1	216	530	40



Таблица 2

Механические свойства

Условный предел текучести, , МПа	Временный предел прочности, , МПа	Относительное удлинение, , %	Относительное сужение, , %	Ударная вязкость, КСU, Дж/см2
225-315	550-650	46-74	66-80	215-372

Технологические свойства. Свариваемость - сваривается без ограничений любыми способами сварки. Рекомендована последующая термообработка.

Сталь 09Г2С.

Назначение - несущие элементы сварных и не сварных конструкций и деталей, работающих при температурах -70 до +425 єС под давлением.

Таблица 3

Химический состав стали по ГОСТ 380-71

С	Si	Mn	Cr	Ni	Аs	S	P	Cu
Не более 0.12	0.5 - 0.8	1.3 - 1.7	не более
			0.30	0.30	0.08	0.040	0.035	0.30

Таблица 4

Механические свойства

Условный предел текучести, , МПа	Временный предел прочности, , МПа	Относительное удлинение, , %	Относительное сужение, , %	Ударная вязкость,КСU, Дж/см2,+20єС
300-345	490	21-31	63	64

Технологические свойства.

Свариваемость - сваривается без ограничений любыми способами сварки.

Обрабатываемость резанием - в нормализованном, отпущенном состоянии.



3. Теплотехнические расчеты

Схема распределения температур в теплообменнике:

100 єС 100 єС

15 єС 70 єС

єС

єС

єС (3.1)

Примем предварительно, согласно рекомендаций таб.6.2 (1), коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к воде К=980 Вт/(м2К).

Плотность воды при средней температуре

єС равна

кг/м3.

(3.2)

Где : - теплота конденсации водяного пара, Дж/кг.

Согласно рекомендаций литературы при примеси соли NaCl 8% температура конденсации принимается как для чистого водяного пара. Параметры конденсата берем для раствора NaCl 8%.

Вт

Ориентировочная площадь поверхности теплообмена составит:

м2 (3.3)

Принимаем по таб 6.7 (1) аппарат типа ТН с диаметром корпуса 1000мм, поверхностью теплообмена 244 м2, одноходовой, с длиной труб 4 метра, трубы диаметром 25х2.

Проведем уточненный тепловой расчет.

Коэффициент теплопередачи К можно рассчитать по уравнению:

(3.4)

Где

- коэффициенты теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке и от стенки к воде,

- сумма термических сопротивлений загрязнений стенки и накипи,

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке определим по формуле:

(3.5)

Где - теплота конденсации водяного пара, Дж/кг,

- соответственно плотность, теплопроводность и вязкость

конденсата при средней температуре пленки .

Примем

.

. (3.6)

Значение физических величин берем из приложения таб.L (2) при температуре 99.25°С.

.

Определим суммарное термическое сопротивление . Допустим, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки и накипи , а термическое сопротивление со стороны пара не учитываем. Толщина стенки трубы , теплопроводность стенки , толщина накипи , теплопроводность накипи .

(3.7)

Коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой воде в условиях циркуляции в вертикальных трубах равен:

(3.8)

Где - критерий Нуссельта,

- эквивалентный диаметр, для гладких труб d=dвн=0.021м,

- коэффициент теплопроводности воды.

Свойства воды при средней температуре (15+70)/2=42.5 °С:

Выбор формулы для критерия Нуссельта зависит от режима течения воды в трубах, определяющим является значение критерия Рейнольдса.

(3.9)

Скорость движения воды в трубах определим исходя из имеющегося расхода и принятого вида теплообменника. Площадь проходного сечения по трубам равна м2(1).

м/с (3.10)

Критерий Рейнольдса равен:

Так как Re10000 критерий Нуссельта определим по формуле:

(3.11)

Критерий Прандтля равен:

(3.12)

. Критерий Прандтля при температуре стенки:

(3.13)

Подставив значения в формулу получим:

(3.14)

Рассчитываем коэффициент теплопередачи в теплообменнике.

Необходимая площадь поверхности теплообмена составит:

м2 (3.15)

Принимаем выбранный ранее аппарат типа ТН с диаметром корпуса 1000мм, поверхностью теплообмена 244 м2, одноходовой, с длиной труб 4 метра, трубы диаметром 25х2.

По таб.6.5 (1) наибольшая допустимая разность температур кожуха и труб для теплообменников типа ТН при температуре труб до 250єС при диаметре кожуха 1000 мм и давлении 0.6 МПа составляет 60 єС. Что вполне применимо для нашего случая, для температуры 100-42.5=57.5 єС.



4. Конструктивный расчет аппарата

Диаметры патрубков определяем по формуле

(4.1)

где

- массовый расход продукта, кг/с;

- объемный расход продукта, м3/с

- плотность продукта, кг/м3;

- скорость движения продукта в патрубке, кг/м3;

Диаметр патрубка для греющего пара при :

Принимаем .

Диаметр патрубка для конденсата при скорости движения его в патрубке , плотности конденсата .

Принимаем .

Диаметр патрубка входа и выхода воды при скорости , и плотности .

Принимаем согласно ГОСТ 15122-.



5. Механический расчет аппарата

5.1 Расчет толщины цилиндрической обечайки

Исходные данные:

Рабочая температура среды t=100оС.

Рабочее давление в аппарате Р=0,1МПа.

Расчетное давление Р=0.10МПа

Материал 12Х18Н10Т.

рис.2 Эскиз обечайки

Пробное при гидравлическом испытании давление согласно [6] составит:

, (5.1)

где: - допустимое напряжение для материала корпуса при расчетной температуре и 20оС, согласно [6] составит:

=184 МПа,

= 174 МПа.

МПа.

Расчетное значение для модуля продольной упругости для материала корпуса согласно [6] составит:

Е20=2,00105 МПа, Е=2,00105 МПа.

Коэффициент прочности сварного шва согласно [6]составит:

=0,9.

Толщина стенки цилиндрической обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением определяется по формуле:

, (5.2)

=0,0003м.

Исполнительную толщину стенки определим по формуле

, (5.3)

где: С - общее значение прибавки, которая состоит из составляющих прибавок и определяется по формуле

С=С1+С2+С3, (5.4)

где: С1 - прибавка на коррозию и эрозию, при проницаемости П = 0,1 мм/год и сроке службы аппарата =10 лет составит С1=П =0,110=1 мм,

С2 - прибавка на минусовое значение предельного отклонения по толщине листа, мм,

С3 - технологическая прибавка, которая учитывается в зависимости от принятой технологии изготовления и не включает в себя округление расчетной толщины элемента до номинальной толщины по стандарту, мм.

Прибавки С2 и С3 учитываются только в том случае, когда сумма их превышает 5% от расчетной толщины обечайки.

С = 1+ 0 + 0= 1 мм;

S = 0,0003+ 0,001 = 0,0013 м.

Принимаем толщину стенки S=5 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление определяется по формуле:

, (5.5)

МПа.

Условие прочности имеет вид:

P < (p)

0,1 МПа <1,24 МПа,

следовательно условие прочности выполняется.

5.2 Расчет толщины стенки эллиптического днища

Исходные данные:

Рабочая температура среды t=70оС.

Рабочее давление в аппарате Р=0,6МПа.

Расчетное давление Р=0.60МПа

Материал 09Г2С-6

Рис. 3 Эскиз эллиптического днища

Номинальную толщину стенки днища, крышки, нагруженных внутренним избыточным давлением определим по формуле:

, (5.6)

где R - радиус кривизны в вершине днища, для эллиптических днищ R = D

м.

Общее значение прибавки к толщине стенки крышки, днища составит

С = 2 + 0 + 0= 2 мм.

S = 0,00209+ 0,002 = 0,00409 м.

Принимаем толщину стенки S=6 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление определим по формуле:

, (5.7)

МПа,

что больше рабочего, следовательно условие прочности выполняется.

5.3 Расчет укрепления отверстий

В аппарате имеются отверстия под следующие технологические патрубки: - ввода паровой смеси,

dсм = 200 мм,

- ввод воды на эллиптическом днище , d= 200 мм.

Проведем два расчета, для обечайки ф1000 мм из стали 12Х18Н10Т,

и для эллиптического днища из стали 09Г2С.

Определим наибольший диаметр одиночного отверстия, не требующий дополнительного укрепления[9]:

- для цилиндрической обечайки:

, (5.8)

где Ск - прибавка на коррозию стенки корпуса;

Сш - прибавка на коррозию штуцера;

Dр - расчетный диаметр укрепляемого элемента,

Dр = D.

м.

Следовательно, все отверстия в цилиндрической обечайке диаметром больше 398 мм требуют укрепления. Отверстия в обечайке меньше 398 мм, значит укрепления отверстия не требуется.

Проверим укрепление отверстия на эллиптическом днище.

Расчетный диаметр эллиптического днища при Н=0.25 D равен:

(5.9)

Где х- смещение отверстия на днище от оси.

В нашем случае х=0. Значит

Определим наибольший диаметр одиночного отверстия, не требующий дополнительного укрепления при наличии избыточной толщины стенки [9] :

м.

В нашем случае укрепление укреплено за счет избыточной толщины стенки днища.

Расчет трубной решетки.

Исходные данные:

Средний диаметр прокладки

Диаметр отверстия

Шаг между отверстиями

Допускаемое напряжения материала решетки

Расчетная толщина трубной решетки:

(5.10)

Коэффициент рассчитывается по формуле:

(5.11)

С учетом прибавок на коррозию с двух сторон толщина равна:

Принимаем толщину трубной решетки S=35 мм.

5.4 Расчет трубной решетки 17 5.5. Расчет фланцевого соединения

рис.4 Эскиз фланцевого соединения.

5.5 Конструктивные размеры фланца

Толщину втулки фланца рассчитываем по формуле:

(5.12)

Высота втулки фланца определяем по формуле:

(5.13)

Принимаем =55 мм.

Диаметр болтовой окружности определяем по формуле:

(5.14)

где :

- наружный диаметр болта, 20 мм,

u - нормативный зазор, 6 мм.

Наружный диаметр фланца:

, (5.15)

где : а= 40 мм, для шестигранных гаек при =20 мм.

мм

Наружный диаметр прокладки:

(5.16)

где: е=30 мм - для плоских прокладок (таб.1.42) [4].

Средний диаметр прокладки:

(5.17)

где: b - ширина прокладки, 14 мм.

Количество болтов, необходимых для обеспечения герметичности соединения определяется из условия:

(5.18)

где: - шаг размещения болтов М20 на болтовой окружности, при р=0.6 МПа (таб 1.43) [4].

Принимаем

Высота( толщина ) фланца:

(5.19)

где: - для плоских приварных фланцев при давлении

р=0.6 МПа(рис.1.40) [4],

, (5.20)

Принимаем .

Расчетная длина болта:

, (5.21)



где

-

расстояние между опорными поверхностями головки болта и гайки при толщине прокладки 2 мм.

Нагрузки, действующие на фланец.

Равнодействующая внутреннего давления:

. (5.22)

Реакция прокладки:

, (5.23)

где - для прокладки из паронита (таб.1.44) [4],

.

Усилия, возникающие от температурных деформаций определяются по формуле:

, (5.24)

где и - коэффициенты линейного расширения материала фланцев и материала болтов соответственно ,

- расчетная температура неизолированных фланцев (таб. 1.37) [4],

- расчетная температура болтов (таб.1.37),

- модуль продольной упругости материала болтов,

- площадь поперечного сечения болта диаметром 20мм,

- количество болтов,

- податливости соответственно болтов, прокладки и фланцев.

(5.25)

Соответствующие величины определены по формулам:

податливость болтов:

(5.26)

податливость прокладки:

, (5.27)

где - модуль продольной упругости прокладки(таб.1.44) [4],

податливость фланца:

(5.28)

, (5.29)

, (5.30)

, (5.31)

при , (3.31)

- модуль продольной упругости материала фланца.

Определяем коэффициент жесткости фланцевого соединения:

(5.32)

Болтовая нагрузка в условиях монтажа до подачи внутреннего давления:

(5.33)

где - приведенное давление для паронитовой прокладки(таб.1.44).

Болтовая нагрузка в рабочих условиях определяется по формуле:

. (5.34)

Приведенный изгибающий момент:

(5.35)

где и - допускаемые напряжения для материала фланца при 20°С и при рабочей температуре 100°С (таб.1.3).

.Проверка прочности и герметичности соединения.

Условие прочности болтов :

, (5.36)

где - допускаемое напряжение материала болтов при 20°С,

- допускаемое напряжение материала болтов при 100°С(таб.1.38) [4].

- условия выполняются.

Условие прочности прокладки:

, (5.37)

где - допускаемое давление обжатия прокладки(таб.1.44),

. (5.38)

- условие выполняется.

Максимальное напряжение в сечении, ограниченном размером :

, (5.39)

Максимальное напряжение в сечении, ограниченном размером :

, (5.40)

Принимаем .7, согласно рис.1.42 при

,

. (5.41)

(1.0>20·0.006=0.12м).

(5.42)

Окружное напряжение в кольце фланца:

(5.43)

Напряжения во втулке от внутреннего давления:

тангенциальное:

(5.44)

меридиональное:

(5.45)

Условие прочности для сечения ограниченного размером , определяется по формуле:

(5.46)

- условие выполняется.

Условие прочности для сечения ограниченного размером , определяется по формуле:

(5.47)

где - для фланца из стали 12Х18Н10Т в сечении при давлении ,

- условие выполняется.

Условие герметичности фланцевого соединения:

, (5.48)

где - допускаемый угол поворота фланца (для плоских фланцев).

- условие выполняется.

5.6 Расчет опор лап аппарата

Так как отношение высоты аппарата к диаметру Н/Д=5,3/1=5.3, то выбираем опору-лапу типа II по ОН26-01-69-68.

Рис. 5 - Эскиз опоры-лапы

Определяем нагрузку, воспринимаемую одной опорой:

, МН (5.49)

где 1 - коэффициент равен 2;

4 - количество опор;

Gmax - максимальный вес аппарата при гидроиспытании, определяется по формуле:

, МН (5.50)

где Gпуст. - вес пустого аппарата, составляет 5,5 т =5,59,8=53,9 кН;

Gгидр. - вес жидкости в аппарате при гидроиспытании, определяется по формуле:

, Н (5.51)

где ж - плотность воды заполняемой аппарат при гидроиспытании, 1000кг/м3;

Vж - объем заполняемый жидкостью, м3.

(5.52)

где Н - высота обечайки, 5 м;

h - высота днища, 0,25 м.

Тогда

м3.

Н.

, МН.

МН.

Принимаем число ребер в одной опоре z=2, вылет опор l=0,5 м, опоры опираются на бетонные подкладки (q0=14 МПа), отношение вылита лапы к высоте ребра L/h=1, тогда h=0,5 м.

Определяем расчетную толщину ребра лапы:

, м (5.53)

где k - коэффициент зависящий от L/h, k=0,6

м.

Проверяем выдержит ли эта толщина данную нагрузку:

м (5.54)

Принимаем с учетом на коррозию толщину ребра S=14 мм.

Выбираем длину опорной плиты l=0,7 м.

Определяем расчетную ширину опорной плиты:

, м (5.55)

м.

По данным расчета принимаем м.

Ребра привариваются к корпусу сплошным круговым швом с катетом hш=6 мм.

Общая длинна сварного шва составит:

, м (5.56)

м

Прочность сварного шва при МПа:

МПа.

То есть прочность обеспечивается.

Пологая, что b=B и h=H определим максимальные напряжения сжатия в корпусе аппарата в месте присоединения к нему опор.

; (5.57)

;

(5.58)

(5.59)

Момент от реакции опоры, действующий при расчетном плече l=0,15 равен:

, МНм (5.60)

МНм.

По графику (9стр.678) определяем значение k, для , kм=1,05 и kк=1,15.

Параметры для нахождения моментов, действующих на корпус для определения: аппарат теплотехнический механический фланцевый

- меридиональных моментов:

(5.61)

- кольцевых моментов:

(5.62)

По графику (9стр.677) при м =0,21 определяем:

(5.63)

(5.64)

МНм/м.

По графику (9стр.677) при к =0,22 определяем:

(5.65)

МНм/м

Параметр для нахождения сил, действующих на корпус:

(5.66)

По графику (9стр.678) при к =0,22 определяем значение k для В/Н=1, то kм=0,32, kк=0,75.

По графику (9стр.678) при =0,20 определяем коэффициент Dм.

(5.67)

По графику (9стр.678) при =0,20 определяем коэффициент Dк.

(5.68)

Откуда:

, МН/м (5.69)

МН/м

, МН/м (5.70)

МН/м

Суммарные напряжения сжатия в корпусе аппарата при толщине стенки S-C=0,005 в местах присоединения опоры.

- в меридиональном направлении:

, МПа (5.71)

- МПа

- в кольцевом направлении:

, МПа (5.72)

МПа

Так как суммарные напряжения меньше допустимого напряжения, то лапы могут привариваться непосредственно к корпусу, но так как в аппарате происходит конденсация раствора, а следовательно микроколебания, принимаем толщину подкладного листа S=10 мм.

Для аппарата диаметром 1000 мм выбираем опору по ОСТ26-467-78, тип 3, D2=1000 мм, Dб=1420 мм, D1=1560 мм.



Список литературы

1.Машины и аппараты химических производств. Примеры и задачи. Учебное пособие для Вузов. Под общ. Ред. В.Н. Соколова - Л.:Машиностроение, Ленингр. Отдел., 1982 г.-384 с.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов/ Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова.- 10-е изд., перераб. и доп.-Л.: Химия, 1987. -576 с.

3.ГОСТ 14249-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.

4.ГОСТ 24755-81. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. 5. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов:

Справочник. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1981. - 382 с. Укрепление отверстий

6. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств:

Примеры и задачи/ Под общ. ред. М.Ф. Михалева - Л.: Машиностроение,

Ленингр. отд-ние, 1984. - 301 с.

7. А.А Лащинский и А.Р. Толчинский. Основы конструирования и расчета

химической аппаратуры. Справочник./ Под ред. Н.Н. Логинова. М.-Л.:

1963 .-468 с.

Размещено на Allbest.ru