Прочностной расчёт реактора с мешалкой - файл n1.doc

приобрести
Прочностной расчёт реактора с мешалкой
скачать (469.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc470kb.24.08.2012 03:33скачать

n1.doc




МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

ПОЛОЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ




Кафедра химической техники



КУРСОВАЯ РАБОТА



Прочностной расчёт реактора с мешалкой

По курсу: « Оборудование НПЗ»

Выполнил студент гр. 98-ХТ Рутковский К.В.
Проверил ст. преподаватель Вегера А.И.

Новополоцк 2001




Задание



Рисунок — Реактор с мешалкой
Исходные данные:




Оглавление





  1. Расчёт цилиндрической обечайки аппарата…………………………….. 3

  2. Расчёт толщины перехода между цилиндрической

и конической частью аппарата…………………………………………….... 7

  1. Расчёт конической части аппарата……………………………………….. .9

  2. Расчёт эллиптической крышки аппарата………………………………...12

  3. Расчёт плоской крышки люка……………………………………………….13

  4. Подбор мешалки……………………………………………………………...….14

  5. Расчёт толщины вала…………………………………………………………..15

  6. Расчёт сальникового уплотнения……………………………………….... 16

  7. Расчёт веса аппарата и подбор опор………………………………………..19

  8. Выбор фланцев…………………………………………………………………....21

  9. Расчёт укрепления отверстий………………………………………………..22



Литература……………………………………………………………………… 24

1 Расчёт цилиндрической обечайки аппарата





Расчёт проведём по формулам приведённым в [1].

Расчётная температура стенок: t = 250C.

Расчётное давление:

  1. внутри аппарата (для днища, обечайки корпуса и крышки) P1=1,7 МПа ;

  2. в рубашке P2=1,445 МПа.



Принимаем низколегированную сталь марки 16ГС по ГОСТ 14249-89 имеющую

  1. нормативное допускаемое напряжение [?]* =145 МПа при t = 250C ;

  2. предел текучести ?т = 218 МПа при t = 250C ;

  3. временное сопротивление (предел прочности) ?в = 444 МПа при t = 250C ;


Допускаемое напряжение:


  1. в рабочем состоянии:

[?] = ?·?т/nт = 1·218/1,5=145,33 МПа или [?] = ?·?в/nв =1·444/2,4=185 МПа,
где ? =1— поправочный коэффициент для листового проката,

nт=1,5— коэффициент запаса прочности в рабочих условиях,

nв=2,4— коэффициент запаса прочности в рабочих условиях.


  1. при гидравлических испытаниях:

[?]и = ?·?т20/nт=1·280/1,1=254,55 МПа,

где nт=1,1— коэффициент запаса прочности в условиях гидравлических испытаний,

?т20=280 МПа — предел текучести при t = 20C .



  1. при пневматических испытаниях:

[?]и = ?·?т20/nт=1·280/1,2=233,33 МПа,

где nт=1,2— коэффициент запаса прочности в условиях пневматических испытаний.
Принимаем меньшее значение [?] =145 МПа.
Коэффициент запаса устойчивости:

  1. для рабочих условий ny=2,4;

  2. для условий испытаний ny=1,8.


Расчётное значение модуля продольной упругости:

Для стали марки 16ГС при t = 250C и при t = 20C соответственно равны Е=1,76·105 МПа и Е20=1,99·105 Мпа.

Коэффициент прочности сварных швов:

Примем, что все швы выполнены стыковыми с двусторонним сплошным проваром, полуавтоматической сваркой. Длина контролируемых швов от общей длинны составляет 100 %, при этом коэффициент прочности сварных швов ? =1.
Прибавки к расчётным толщинам стенок:

  1. для компенсации коррозии и эрозии:

обечайки и днища корпуса с1=(П12)·?=(0,1+0,01)·20=2,2 мм,

крышки с11·?=0,1·20=2 мм,

где П1=0,1 мм/год –скорость коррозии в аппарате;

П2=0,01 мм/год –скорость коррозии в рубашке аппарата;

  1. для компенсации минусового допуска и уплотнения стенки элементов аппарата соответственно с2=0 и с3=0 , т. к. их сумма не превышает 5 % толщины листа.



Тогда суммарная прибавка к расчёту толщины обечайки и днища корпуса будет:

с=с123=2,2 мм.

Прибавка к расчёту толщины крышки:

скр123=2 мм.
Расчётная длина цилиндрической обечайки корпуса:

Lр=L+L3=2470+548=3018 мм,

где — длина примыкающего элемента,
Расчётная толщина цилиндрической обечайки корпуса:

  1. при действии внутреннего избыточного давления

мм

  1. при действии наружного давления

мм

где К2= 1,25 — определили по номограмме при




исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки корпуса в первом приближении: мм.

Принимаем большее стандартное значение s =26(28) мм.
Проверка условий применимости расчётных формул

,

Условие применимости формул выполнено.
Допускаемое наружное давление:

  1. из условия прочности:

МПа;

  1. из условия устойчивости в пределах упругости:



где

;

с учётом обоих условий:

МПа — для s=26 мм;

Обечайка с толщиной 26 мм не удовлетворяет условию прочности, поэтому далее

расчёт проводим для обечайки с толщиной 28 мм.

МПа — для s=28 мм.
Допускаемое внутреннее давление на обечайку корпуса:
МПа
Осевое растягивающее усилие:

МН.

Допускаемое осевое растягивающее усилие:



Осевое сжимающее усилие:

МН.
Допускаемое осевое сжимающее усилие:

  1. из условия прочности



  1. из условия устойчивости в пределах упругости при рассчитывается по формуле:


с учётом обоих условий:

МН.
Условие устойчивости обечайки корпуса:

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

.
Условие устойчивости обечайки корпуса выполняется.

2 Расчёт толщины перехода между конической и цилиндрической обечайками



Примем для расчёта, что цилиндрическая и коническая обечайки соединены тороидальным переходом. Конструкция представлена на рисунке 1. Расчёт проведём по формулам приведённым в [1].



Рисунок 1 — Соединение конической и цилиндрической обечаек с тороидальным переходом

Проверка условий применимости расчётных формул:

; и .

Условие применимости формул выполнено.
Расчётная толщина переходной части:

мм,

где коэффициент формы ;

?=1,15 и ?Т=0,75 — определили по диаграммам;


?р=1— коэффициент прочности продольного шва.

Толщина переходной части:

мм.

Так как толщина тороидального перехода не может быть меньше чем толщина цилиндрической обечайки, то примем толщину перехода sT=28.
допускаемое внутреннее избыточное или наружное давление из условия прочности переходной части:


где коэффициент формы

,

?=0,7 и ?Т=0,75 — определили по диаграммам [1] для поверочного расчёта.
Расчёт длины переходных частей:




Допускаемая осевая растягивающая или сжимающая сила из условия прочности переходной части:



где

.
3 расчёт конической обечайки корпуса

Расчёт проведём по формулам приведённым в [1].
расчётный диаметр гладкой конической обечайки:


Расчётная толщина стенки по внутреннему давлению:

мм.
Толщина конической части:



Примем ближайшую стандартную толщину sк=14 мм.
Проверка на условие применимости формул:



Условие применимости формул выполнено.
Эффективная длинна конической обечайки:

мм.
эффективный диаметр конической обечайки при внешнем давлении:


Расчётная толщина стенки по наружному давлению:
,
где К2=1,1—определили по номограмме при

;

;

;
Толщина конической части:



Примем ближайшую стандартную толщину sк=24 мм.
Уточняем эффективный диаметр конической обечайки при наружном давлении:


Проверка на избыточное внутреннее давление:

МПа.
проверка на наружное давление:



где

  1. допускаемое давление из условия прочности



  1. допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости




значение коэффициента В1 определяем по формуле:



Далее произведём расчёт осевых усилий.

осевая растягивающая сила действующая на коническую обечайку:

МН.
Допускаемая осевая растягивающая сила действующая на коническую обечайку:


осевая сжимающая сила действующая на коническую обечайку:

МН,

где эффективный диаметр конической обечайки при осевом сжатии

.
Допускаемая осевая сжимающая сила действующая на коническую обечайку при условии рассчитывается по формуле:



где

  1. допускаемая осевая сила из условия прочности

МН;


  1. допускаемая осевая сила из условия устойчивости в пределах упругости


Проверка на совместное действие нагрузок:

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

.

Условие устойчивости конической обечайки выполняется для стенки с толщиной обечайки 24 мм.

4 Расчёт эллиптической крышки аппарата


Расчёт проведём по формулам приведённым в [1].

Расчётная толщина крышки по внутреннему давлению:

мм,

где R=D1=1900 мм — радиус кривизны в вершине днища по внутренней поверхности.
толщина крышки с поправкой на коррозию:

мм
Расчётная толщина крышки по наружному давлению:

мм

Примем длину цилиндрической отбортованной части крышки h1=140 мм т.к. ,то стандартную толщину крышки выполняют не меньшей чем толщину обечайки: s1=28 мм.

Высота выпуклой части крышки без учёта цилиндрической части:

H=0,25 D1=0,251900=475 мм.
Проверка на условие применимости формул:

и

Условие применимости формул выполнено.
Допускаемое внутреннее давление:

Мпа >1,7 Мпа.


допускаемое наружное давление:

>0,101 МПа,

где

  1. допускаемое наружное давление из условия прочности

Мпа;


  1. допускаемое наружное давление из условия устойчивости в пределах упругости



Рассчитанная толщина крышки выдерживает приложенные давления и удовлетворяет условию прочности.

5 Расчёт плоской крышки люка


Расчёт проведём по формулам приведённым в [1].

Для расчёта выберем отъемную плоскую крышку люка с уплотнением по краю крышки, конструкция представлена на рисунке 2.




рисунок 2 — крышка люка с уплотнением по краю крышки.

Расчётная толщина крышки люка по внутреннему давлению:

,

где К=0,4 — коэффициент зависящий от конструкции крышки люка;

К0=1,0 — коэффициент ослабления для крышек люков без отверстий;

D3= Dл+100=500+100=600 мм — диаметр болтовой окружности;

Dр=D3=600 мм — расчётный диаметр крышки люка.
Тогда толщина крышки с поправкой на коррозию будет:

.

стандартную толщину крышки можно принять s1=28 мм.


Проверка на условие применимости формул:



Условие применимости формул выполнено.
Допускаемое внутреннее давление:

.

Условие прочности выполняется.
толщина крышки люка вне уплотнения будет:

,

где D2=Dл–40=500-40=460 мм —наименьший диаметр наружной утончённой части крышки люка. Тогда можно принять s2=20 мм.
6 Подбор мешалки


примем по [2] трехлопастную пропеллерную мешалку с D/dм=34. Тогда диаметр перемешивающего устройства будет: dм= D /(34 = 1,9/(34)=0,630,48 м. Примем стандартную мешалку с dм=0,56 м. Частота вращения для тихоходных мешалок принимается n=0,27 с-1.

Рассчитаем центробежный критерий Рейнольдса:

.

По графику из [2] определяем критерий мощности КN=0,8.
Мощность затрачиваемая на перемешивание жидкости будет:



где КN— критерий мощности;

n— частота вращения мешалки, с-1;

?— плотность перемешиваемой среды, кг/м3;

?— вязкость перемешиваемой среды, Па•с.


Примем потерю мощности на трение в уплотнительном устройстве 20% от мощности затрачиваемой на перемешивание жидкости, тогда мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения в уплотнениях вала мешалки будет:



Мощность привода мешалки рассчитывается по формуле:



где Кп=1,25 — коэффициент учитывающий влияние перегородок, для аппарата без них;

коэффициент учитывающий высоту уровня жидкости в аппарате;

Кi=1,1—коэффициент учитывающий наличие внутренних устройств (уровнемера и термопары);

?=0,9— к.п.д. привода мешалки.
Примем двигатель АОП2-71-6 с номинальной мощностью N=17 кВт и частотой вращения 970 об/мин.

7 Расчёт толщины вала



расчётные формулы взяты из [2].

Для определения диаметра вала находим расчётный крутящий момент:



где ;

n=0,27 c-1— частота вращения вала.
Диаметр вала мешалки рассчитывается по формуле:



где ?доп=20 МПа—допускаемое напряжение на кручение для валов из стали Ст6.

Примем из стандартного ряда диаметр вала 40 мм.

8 Расчёт сальникового уплотнения

По данным из [3] принимаем композиционную фторопласто-графитовую набивку, рассчитаную на давление до 10 МПа, температуру до 250єС для работы в агрессивной среде. Далее определим основные геометрические параметры для сальника конструкция которого представлена на рисунке 3.


Рисунок 3 — Конструкция сальникового уплотнения
Толщина набивки:



Округляем до стандартного значения 10 мм. Ширина сальниковой камеры равна толщине набивки.
Первоначальная высота набивки (до затяжки болтов):



Примем высоту набивки 70 мм.
высота набивки в рабочем состоянии:



где Кy=0,9 — коэффициент усадки набивки принимается по таблице из [].
Высота фонарного кольца:



Примем высоту фонарного кольца 20 мм.
Полная глубина расточки сальниковой камеры с учётом установки фонарного кольца для подвода запирающей жидкости и обеспечения направления нажимной втулки:



где 2sн— прибавка к высоте для обеспечения направления нажимной втулки.
Высота цилиндрической части нажимной втулки:



Примем высоту цилиндрической части нажимной втулки 34 мм.
Внутренний диаметр резьбы стяжных болтов:



где — внутренний диаметр сальниковой камеры;

р=1,7— давление в аппарате;

nб=6— количество болтов;

[?]р=25 МПа—допускаемое напряжение для болтов из условия длительной эксплуатации.

Примем из стандартного ряда болты М12.
Высота фланца нажимной втулки:



Высота грундбуксы:


Посадочный диаметр грундбуксы:



Примем посадочный диаметр грундбуксы 48 мм.
Зазор между валом и грундбуксой (валом и нажимной втулкой):



Примерно такой же зазор принимается между нажимной втулкой и сальниковой камерой.
Усилие затяга болтов для обеспечения герметичности:



где рг=1,7 МПа —давление герметичности;

k1=0,44— коэффициент бокового давления фторопласто-графитовой набивки;

k=(0,700,75)k1=(0,700,75)0,44=0,310,33— коэффициент бокового давления;

f1=0,06 — определена по графику;

?=1,55— для фторопласто-графитовой набивки;

— коэффициент статического трения;
Сила трения между набивкой и вращающимся валом:



где fкин=0,09 — коэффициент кинетического трения между валом и набивкой, определён по графику [3].
Момент трения в сальниковом уплотнении вала:


Мощность затрачиваемая на преодоление сил трения в сальнике:



Рассчитанная мощность затрачиваемая на преодоление сил трения в сальнике не превышает принятую ранее при расчёте мешалки (34 Вт).

9 Расчёт веса аппарата и подбор опор


Масса цилиндрической часта аппарата рассчитывается по формуле:



где ? — плотность металла, кг/м3;

D1 — диаметр обечайки, м;

L — длинна цилиндрической обечайки, м;

s— толщина обечайки, м.
Массу цилиндрической часта рубашки аппарата примем
Масса конической часта аппарата рассчитывается по формуле:

где ? — плотность металла, кг/м3;

D1 — больший диаметр конической обечайки, м;

Dш —меньший диаметр конической обечайки, м;

sк— толщина конической обечайки, м.
Массу конической часта рубашки аппарата примем
Масса эллиптической крышки аппарата рассчитывается по формуле:



где ? — плотность металла, кг/м3;

s — толщина эллиптической крышки, м;

F— площадь поверхности эллиптической крышки взята из [4], м2.
Масса плоской крышки люка аппарата рассчитывается по формуле:



где ? — плотность металла, кг/м3;

D=0,6+0,04=0,64 — внешний диаметр крышки люка, м;

s — толщина крышки люка, м.

Масса воды наливаемой в аппарат при испытании рассчитывается по формуле:



где ?в — плотность воды, кг/м3.
Масса аппарата с водой при испытаниях:


Вес аппарата при испытаниях:


Примем число опор n=3. Допустимая нагрузка одной опоры Qc=80 кН принятой из

[5], тогда вес приходящийся на одну стойку будет: Q0=196/3=65 кН<80 кН. Следовательно можно принять три стальных опоры, имеющих геометрические параметры приведённые в таблице 1. Конструкция самой опоры приведена на рисунке 4.

Таблица 1 — Размеры стальной сварной опоры


Qc

L

B

B1

B2

H

h

S

l

d

кН

мм

80

320

265

270

400

500

275

22

120

34



Рисунок 4— Лапа стальная сварная опорная




10 Выбор фланцев




Подберём стандартный фланец для ввода сырья в аппарат. Давление в аппарате 1,7 МПа, температура 250єС, среда агрессивная. При таких условиях эксплуатации примем фланец приварной встык с уплотнительной поверхностью «шип-паз», рассчитанный на условное давление 2,5 МПа и температуру от –70 до +600єС по [4]. Конструкция фланцевого соединения представлена на рисунке 5 .


Рисунок 5— Фланцевое соединение

В таблице 2 представим основные геометрические размеры фланцевого соединения, взятые по [4].
Таблица 2 — Геометрические размеры фланца приварного встык с уплотнительной поверхностью «шип-паз» по ГОСТ 12832-67

Py

Dy

Dф

Dб

D1

D2

D4

D5

D6

H

h

d

Число отверстий

МПа

мм




2,5

200

360

310

278

260

222

201

245

78

27

27

12


Остальные размеры определяются в зависимости от давления:

D3=D2–1=260–1=259 мм;

h0=3 мм;

h1=4 мм;

h3=4 мм;

h4=3 мм;

a1=11 мм;

a=a1–1=11–1=10 мм;

Болты с резьбой М24.
Обозначение фланца: фланец I (II) –200–25 ГОСТ 12832–67 .
Для обеспечения герметичного соединения фланцев необходимо применить плоскую металлическую прокладку с шириной 10–12 мм.


11 Расчёт укрепления отверстий




Произведём расчёт укрепления отверстия от люка в эллиптической крышке аппарата по методике описанной в [6].
Определим расчётный диаметр укрепляемой эллиптической крышки аппарата в

месте установки люка при H=0,25•D:



где — расстояние от центра укрепляемого отверстия до оси эллиптической крышки, примем 480 мм;

sш=16 мм— толщина штуцера люка;

d=0,5 м — внутренний диаметр штуцера люка.


Определим расчётный диаметр укрепляемой эллиптической крышки аппарата в месте установки штуцера для ввода сырья:



где — расстояние от центра укрепляемого отверстия до оси эллиптической крышки, примем 600 мм;

sш=10 мм— толщина штуцера ввода сырья;

d=0,2 м — внутренний диаметр штуцера ввода сырья.
Определим расчётный диаметр отверстия для смещённого штуцера люка в эллиптическом днище:

Расчётная толщина стенки укрепляемой эллиптической крышки:


Проверим на отсутствие влияния отверстия от штуцера для ввода сырья:



Так как b=480+600=1080 мм >586 мм, то следовательно отверстия можно считать одиночными.
Рассчитаем диаметр одиночного отверстия не требующего дополнительного укрепления:


Так как dp0 (525<1038), то дальнейший расчёт укреплений отверстий не требуется.

Литература





  1. ГОСТ 14249–89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на прочность.



  1. Иофе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии.–Л.: Химия, 1991.–352 с.



  1. Михалёв М.Ф., Третьяков Н.П., Мильченко А.И., Зобин В.В. Расчёт и конструирование машин и аппаратов химических производств.–Л.: Машиностроение, 1984.–301 с.




  1. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчёта химической аппаратуры. .–Л.: Машиностроение, 1970.–752 с.



  1. Чернин И.М. Кузьмин А.В., Ицкович Г.М. Расчёт деталей машин.–Минск.: Высшая школа, 1974.–592 с.



  1. ГОСТ 24755–89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на прочность укрепления отверстий.


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации