Расчет химического реактора

Перед расчетом определимся с выбором конструкционного материала в зависимости от необходимой химической стойкости. По табл.III.19. «Нержавеющие стали, сортамент, свойства и области применения» выбираем листовую сталь марки 03Х18Н11. Сварные соединения из этой стали, обладают высокой стойкостью против МКК в средах окислительного характера, не подвержены ножевой коррозии. Используется для сварного оборудования емкостного, теплообменного и трубопроводов. Применяется от -253 до +610 °С.

Разрушающее действие среды на материал учитываем введением прибавки С к номинальной толщине детали:

С=П•ф_а,

где ф_а — амортизационный срок службы аппарата (принимаем ф_а =20 лет);

П — коррозионная проницаемость, мм/год. По табл.III.21. «Коррозионная стойкость аустенитных и аустенитно-ферритных нержавеющих сталей» принимаем П=0,025 мм/год.

С=П•ф_а=0,025•20=0,5 мм

1. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ КРЫШКИ

АППАРАТА

Расчет толщины стенки эллиптической крышки, нагруженного избыточным внутренним давлением.

Толщину стенки крышки рассчитываем по формулам (52)-(54) [2]:

где, R=D с Н=0,25D.

0,0146 м.

s₁ = 14,6+0,5 = 15,1 мм Принимаем толщину крышки s₁ = 16 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление рассчитаем по формуле (54) [2]:

1,5564 МПа Проведем проверку на необходимость укрепления отверстия для штуцера.

Согласно формуле (26) [3]

0,1303 м где D_p=2D=2•2=4 м при х=0 согласно (5).

Толщину стенки крышки, при которой не требуется укрепление отверстия, определим подбором:

0,5498 м.

Исполнительная толщина крышки аппарата принимается s₁=25 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление:

2,4546 МПа Согласно ГОСТ 6533–78 по таблице 7.2 принимаем h₁=60 мм.

Проведем проверочный расчет по п. 3.3.1.4. [2]:

0,8=0,8•177,09>h₁.

Согласно условиям п. 3.3.1.4. принимаем толщину стенки 25 мм.

Расчет толщины стенки эллиптического днища, нагруженного избыточным наружным давлением.

Наружное избыточное давление принимаем равным атмосферному р=0,101 МПа, при абсолютном давлении внутри аппарата 0 МПа.

Толщину стенки днища рассчитываем по формулам (56)-(58) [2]

;

где К_э=0,9 для предварительного расчета.

{0,0040;0,0009}=4,0 мм.

Дальнейший расчет проводим из условия толщины стенки s₁=25 мм.

Определим допускаемое наружное давление по формуле (58) [2]:

где допускаемое давление [p]_п из условия прочности:

2,73 МПа, допускаемое давление [p]_Е из условия устойчивости в пределах упругости:

3,73 МПа, где К_э=0,91,

0,18.

Допускаемое наружное давление:

1,78 МПа Проверяем условие :

— условие соблюдается.

Принимаем эллиптическое днище с отбортовкой h₁=60 мм толщиной стенки s₁=25 мм по ГОСТ 6533–78.

2. РАСЧЁТ НА ПРОЧНОСТЬ СФЕРИЧЕСКОГО ДНИЩА

КОРПУСА

Толщину стенки сферического днища корпуса, нагруженного внутренним избыточным давлением, рассчитываем по формуле:

Расчетная толщина стенки днища

0,0060 м где R=0,5D с Н=0,25D; Р=р+ сgh=1,47•10⁶+1000•4,1•9,81=1,51 МПа; р — давление внутри аппарата — 1,47 МПа, с=1000 кг/м³ — плотность воды при гидроиспытании аппарата, h=L₁+L₂+L_к+0,5D₀=1200+1800+300+0,5•1600=4100 мм.

Толщина стенки с надбавкой:

s_1р = 6+0,5=6,5 мм;

Таким образом, по принимаем толщину стенки 8 мм Допускаемое внутреннее избыточное давление рассчитываем по формуле:

1,881 МПа Проверяем условие :

— условие соблюдается.

В результате произведённых расчётов и полученной толщины сферического днища корпуса аппарата под внутренним давлением принимаем толщину сферического днища 8 мм.

Согласно ГОСТ 6533–78 по таблице 7.2 принимаем длину отбортованной части днища h₁=40 мм.

Проведем проверочный расчет по п. 3.3.1.4. [2]:

0,3=0,3•32,861.

Согласно условиям п. 3.3.1.4. принимаем толщину стенки равной толщине обечайки, рассчитанной в п. 3.2 — 12 мм.

Расчет толщины стенки полусферического днища, нагруженного избыточным наружным давлением.

Наружное избыточное давление принимаем равным атмосферному р=0,101 МПа, при абсолютном давлении внутри аппарата 0 МПа.

Толщину стенки днища рассчитываем по формулам (56)-(58) [2]

;

где К_э=1,0 для предварительного расчета.

{0,0018;0,0004}=1,8 мм.

Дальнейший расчет проводим из условия толщины стенки s₁=12 мм.

Определим допускаемое наружное давление по формуле (58) [2]:

где допускаемое давление [p]_п из условия прочности:

3,20 МПа, допускаемое давление [p]_Е из условия устойчивости в пределах упругости:

4,25 МПа, где К_э=1 [черт. 13; 2],

Допускаемое наружное давление:

2,04 МПа Проверяем условие :

— условие соблюдается.

Принимаем полусферическое днище с отбортовкой h₁=40 мм толщиной стенки s₁=12 мм по ГОСТ 6533–78.

Проведем проверку на необходимость укрепления отверстия для штуцера.

Согласно формуле (26) [3]

0,3029 м где D_p=2R=D=1,6 м (7).

Исполнительная толщина днища аппарата принимается s₁=12 мм.

3. РАСЧЁТ ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ

ОБЕЧАЕК РЕАКТОРА

3.1. Расчет цилиндрической обечайки диаметром 2000 мм Толщину стенки рассчитываем по формулам 8 и 9 [2]:

s s_Р+с где

где s_Р — расчетная толщина стенки, мм;

p — внутреннее избыточное давление (в нашем случае оно равно давлению внутри аппарата p =15 кг/см² = 1,47 МПа);

D — диаметр обечайки (D =2 м);

[] - допускаемое напряжение при расчетной температуре, МПа;

ц_р — расчетный коэффициент прочности сварного шва.

Принимаем вид сварного шва — стыковой с двусторонним сплошным проваром, выполняемый автоматической и полуавтоматической сваркой. По табл.20 приложения 5 найдем значение коэффициента прочности ц_р =1,0.

0,0132 м

s = 13,2+0,5 = 13,7 мм Принимаем толщину стенки s = 16 мм (см. п. 2).

Допускаемое избыточное внутреннее давление будет равным (формула 10 [2]):

1,72 МПа.

Определим допускаемое наружное давление по формуле 13 [2]:

где допускаемое давление из условий прочности определяем по формуле 14 [2]:

1,72 МПа Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости определяем по формуле 15 [2]:

где, расчетная длина обечайки l=L₁+l_3эл+l_3кон+L₂+l_3сф,; 0,14 м;; l=2,0+0,167+0,14+1,8+0,267=4,374 м

4,91

значит, выбираем B₁ = 1.

0,398 МПа

0,388 МПа Принимаем толщину стенки корпуса s=16мм.

Расчёт цилиндрической части корпуса нагруженной осевыми усилиями.

Толщина стенки обечайки нагруженной осевым растягивающим усилием должна соответствовать условию:

где 0,0066 м Осевое растягивающее усилие:

4,62 МН.

Допускаемое осевое растягивающее усилие:

=10,82 МН ?4,62 МН.

Условия s? s_p+c и [F]?F выполняются.

Осевое сжимающее усилие рассчитываем по формуле (21) [2]:

Допускаемое осевое сжимающее усилие:

— из условия прочности (22) [2]

3,14•(2+0,016−0,0005)•(0,016−0,0005)•112=10,99 МН

— в пределах упругости из условия устойчивости (23) [2]

[F]_Е = min{[F]_E1;[F]_E2}

но при условии l/D=4,374/2,0=2,187<10 [F]_Е = [F]_E1 ,

тогда [F]_E1 находим по формуле (24) [2]

51,91 МН с учетом обоих условий по формуле (21) [2]:

=10,75 МН Осевое сжимающее усилие — это усилие прижатия днища к обечайке атмосферным давлением, которое может быть рассчитано (Приложение 3 «Пример расчета аппарата"[5]):

F=0,25?р?(D+2s)²•p=0,25•3,14•(2,0+2•0,016)²•0,101=0,33 МН Так как обечайка корпуса при атмосферном давлении и отсутствия давления внутри аппарата работает под совместным действием наружного давления 0,1 МПа и осевого сжимающего усилия F, должно выполняться условие устойчивости:

Проверяем условие устойчивости:

0,29?1

Устойчивость обечайки корпуса с толщиной стенки 16 мм выполняется.

Принимаем толщину стенки обечайки s=16 мм.

3.2. Расчет цилиндрической обечайки диаметром 1600 мм Толщину стенки рассчитываем по формулам 8 и 9 [2]:

s s_Р+с где

где s_Р — расчетная толщина стенки, мм;

p — внутреннее избыточное давление (в нашем случае оно равно давлению внутри аппарата p =15 кг/см² = 1,47 МПа);

D — диаметр обечайки (D =1,6 м);

[] - допускаемое напряжение при расчетной температуре, МПа;

ц_р — расчетный коэффициент прочности сварного шва.

Принимаем вид сварного шва — стыковой с двусторонним сплошным проваром, выполняемый автоматической и полуавтоматической сваркой. По табл.20 приложения 5 найдем значение коэффициента прочности ц_р =1,0.

0,0106 м

s = 10,6+0,5=11,1 мм Принимаем толщину стенки s = 12 мм.

Допускаемое избыточное внутреннее давление будет равным (формула 10 [2]):

1,60 МПа.

Определим допускаемое наружное давление по формуле 13 [2]:

где допускаемое давление из условий прочности определяем по формуле 14 [2]:

1,60 МПа Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости определяем по формуле 15 [2]:

где, расчетная длина обечайки l=L₁+l_3эл+l_3кон+L₂+l_3сф,; 0,14 м;; l=2,0+0,167+0,14+1,8+0,267=4,374 м

4,08

значит, выбираем B₁ = 1.

0,264 МПа

0,260 МПа Принимаем толщину стенки корпуса s=12мм.

Расчёт цилиндрической части корпуса нагруженной осевыми усилиями.

Толщина стенки обечайки нагруженной осевым растягивающим усилием должна соответствовать условию:

где 0,0057 м Осевое растягивающее усилие:

3,22 МН.

Допускаемое осевое растягивающее усилие:

=7,65 МН ?3,22 МН.

Условия s? s_p+c и [F]?F выполняются.

Осевое сжимающее усилие рассчитываем по формуле (21) [2]:

Допускаемое осевое сжимающее усилие:

— из условия прочности (22) [2]

3,14•(1,6+0,012+0,0005)•(0,012−0,0005)•112=6,52 МН

— в пределах упругости из условия устойчивости (23) [2]

[F]_Е = min{[F]_E1;[F]_E2}

но при условии l/D=4,374/1,6=2,73<10 [F]_Е = [F]_E1 ,

тогда [F]_E1 находим по формуле (24) [2]

27,52 МН с учетом обоих условий по формуле (21) [2]:

=6,34 МН Осевое сжимающее усилие — это усилие прижатия днища к обечайке атмосферным давлением, которое может быть рассчитано (Приложение 3 «Пример расчета аппарата"[5]):

F=0,25?р?(D+2s)²•p=0,25•3,14•(1,6+2•0,012)²•0,101=0,21 МН Так как обечайка корпуса при атмосферном давлении и отсутствия давления внутри аппарата работает под совместным действием наружного давления 0,1 МПа и осевого сжимающего усилия F, должно выполняться условие устойчивости:

Проверяем условие устойчивости:

0,90?1

Устойчивость обечайки корпуса с толщиной стенки 12 мм выполняется.

4. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ КОНИЧЕСКОЙ ОБЕЧАЙКИ

РЕАКТОРА И НЕТОРОИДАЛЬНОГО ПЕРЕХОДА

4.1 Расчетные параметры Расчетные длины для нетороидальных переходов (рис. 1) рассчитываем по формулам:

Рис. 1. Соединение цилиндрической и конической обечаек.

Расчетный диаметр гладкой конической обечайки с нетороидальным переходом

.

Расчетный коэффициент сварных швов по табл. 4 [2]

Толщина стенки конической обечайки где

4.2. Толщина стенки нетороидального перехода Толщина стенки перехода определяется по формуле (108) [2]

где [(109) 2].

Коэффициент в₃ определяем по формуле (97) [2]

где коэффициент в=1,45 находим по черт. 27 при условиях и 0,013;

Толщина стенки

0,020 м, тогда s₂=20+0,5=20,5 мм.

Принимаем s₁=s₂=22 мм Допускаемое внутреннее избыточное давление из условия прочности переходной части

1,65 МПа.

Допускаемое наружное избыточное давление из условия прочности переходной части

0,64 МПа.

где коэффициент в=3,75 находим по черт. 27 при условиях и 0,001;

Условие прочности выполняется.

Расчетные длины нетороидального перехода

0,17 м

0,15 м

4.3. Толщина стенки конической обечайки

0,0171 м

1,832 м.

согласно условию =17,1+0,5=17,6 мм принимаем толщину стенки конической обечайки s_к=0,018 м Допускаемое внутреннее избыточное давление определяем по формуле (87) [2]

2,38 МПа Согласно условиям п. 5.2.7 принимаем толщину стенки нетороидольного перехода 22 мм.

Толщину стенки обечайки, нагруженную избыточным наружным давлением в первом приближении определяем по п. 2.3.2.1. согласно п. 5.3.2.2.

s s_Р+с, где

Коэффициент К₂=0,15 определяем по номограмме черт. 5 [2];

при 0,53; 0,12,

где 0,283 м,

=

=max{2,427; -10,851}=2,427 м

max{0,004; 0,0012}=0,004 м.

Толщина стенки s s_Р+с=4+0,5=4,5 мм, исполнительная толщина стенки принимается s=22 мм Допускаемое наружное давление определяем по формуле:

где допускаемое давление из условия прочности

1,84 МПа;

и допускаемое давление из условия устойчивости

10,43 МПа где ,

86,11

значит, выбираем B₁ = 1.

1,81 МПа Толщина стенки конической обечайки, нагруженной осевыми усилиями

s_к s_кр+с где s_кр=0,0005 м.

Допускаемая осевая растягивающая сила (п. 5.4.1. 2])

8,55 МН Допускаемая осевая сжимающая сила (п. 5.4.2. [2])

где допускаемая осевая сила из условия прочности

14,82 МН и допускаемая осевая сжимающая сила из условия устойчивости в пределах упругости

49,95 МН где 2,772 м.

Соединение обечаек без тороидального перехода Допускаемая осевая растягивающая или сжимающая сила перехода из условий п. 5.4.3. 2]

где коэффициент формы в₅=max{1,0;(2в+1,2)}.

По диаграмме черт. 28 в=1,5, тогда в₅=2•1,5+1,2=4,2

3,60 053 МН.

Проверяем условие устойчивости:

0,11?1

Устойчивость перехода с толщиной стенки 12 мм выполняется.

5. РАСЧЕТ МАССЫ АППАРАТА И ПОДБОР ОПОР

Массу аппарата определяем как массу корпуса аппарата и массу воды, заливаемой для гидравлического испытания аппарата.

5.1. Масса корпуса аппарата

5.1.1. Масса крышки со штуцером и фланцами Площадь поверхности крышки F_к=4,71 м² (табл. 7.2 [7]).

М_к=F_к•s?с=4,71?0,025?7850=924,34 кг Массу штуцера и фланца принимаем 45 кг Масса фланца крышки М_фк=(3,14•2,185²•0,¼−3,14•2²•0,¼)•7850=477,10 кг.

Общая масса М₁=924+45+477=1446 кг

5.1.2. Масса обечайки диаметром 2000 мм М_о2000=(3,14•2,032²•1,2/4−3,14•2²•1,2/4)•7850=954,09 кг.

Масса фланца обечайки М_фо= М_фк=477 кг Общая масса М₂=954+477=1431 кг

5.1.3. Масса конической обечайки М_ок=1185,64 кг

5.1.4. Масса обечайки диаметром 1600 мм М_о800=(3,14•1,624²•1,8/4−3,14•1,6²•1,8/4)•7850=858,26 кг.

5.1.5. Масса днища со штуцером и фланцем Площадь поверхности днища F_д=2,15 м² (табл. 7.8 [7]).

М_д=F_д•s?с=2,15?0,012?7850=202,53 кг Массу штуцера и фланца принимаем 20 кг Общая масса М₅=202+20=222 кг Общая масса аппарата М=1446+1431+1186+858+222=5143 кг

5.2. Объем аппарата

5.2.1. Объем эллиптической крышки примем как объем сферической крышки

V₁=2•3,14•1³/3=2,09 м³

5.2.2. Объем обечайки диаметром 2000 мм

V_о2000=3,14•2²•1,2/4=3,77 м³.

5.2.3. Объем конической обечайки

V_ок=3,06 м³

5.2.4. Объем обечайки диаметром 1600 мм

V_о1600=3,14•1,6²•1,8/4=3,62 м³.

5.2.5. Объем днища

V₅=2•3,14•0,8³/3=1,07 м³

V=2,9+3,77+3,06+3,62+1,07=14,42 м³

Масса воды М_в=14,42•1000=14 420 кг Общая масса аппарата М=5143+14 420=19563 кг Принимаем округленно 20 000 кг

5.3. Подбор опор аппарата Сила с которой аппарат воздействует на опоры

Q_о=20 000•9,81=196 200 Н Принимаем количество опор для аппарата — 4, тогда сила действующая на одну опору

Q=196 200/4=49 050 Н=49 кН Согласно табл. 14.1 принимаем опору типа 1 (лапа) с накладным листом по ОСТ 26−665−79.

Опора 1−6300 ОСТ 26−665−79 имеет следующие типоразмеры, мм

Размеры накладного листа по ОСТ 26−665−79, мм

Н=490; В=300; с=24; s_н=16.

Принимаем: Накладной лист 1−6300−16 ОСТ 26−665−79.

Используемая литература

1. Конструкционные материалы: Справочник/Б.Н. Арзамасов, В. А. Брострем, Н. А. Буше и др.; Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова. — М.: Машиностроение, 1990. — 688 с.; ил.

2. ГОСТ 14 249–89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. — М.: Издательство стандартов, 1989. — 79с.

3. ГОСТ 24 755–89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность укрепления отверстий. — М.: Издательство стандартов, 1989. — 79с.

4. Тимонин А. С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Т.1. — Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. -852 с.

5. Михалев М. Ф. и др. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств: Примеры и задачи. — Л.: Машиностроение, 1984. -301 с.

6. К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.Л.:Химия, 1987.

7. Лащинский А. А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. — Л.: Машиностроение, 1981. — 382 с., ил.

8. Смирнов Г. Г., Толчинский А. Р., Кондратьева Т. Ф. Конструирование безопасных аппаратов для химических и нефтехимических производств. — Л.: Машиностроение, 1988. -303 с.