Горизонтальный цилиндрический аппарат с рубашкой для хранения этанола

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Задание

1. Расчетная схема аппарата

2. Выбор конструкционного материала

3. Обечайка корпуса

4. Обечайка рубашки

5. Днище корпуса

6. Днище рубашки

7. Масса аппарата

8. Подбор седловой опоры

9. Расчет нагрузок в аппарате

10. Расчет корпуса на прочность

11. Расчет седловой опоры

Литература

Горизонтальный цилиндрический аппарата с рубашкой для хранения этанола

Исходные данные (вариант 18):

Внутренний диаметр цилиндрической части- 2800 мм;

Количество опор - 4;

Расстояния между опорами 2,8 м;

Давление в аппарате - 0,4 МПа;

Давление в рубашке - 0,4 МПа;

Температура рабочей среды от 30 °С;

Температура в рубашке 10 °С;

Расстояние между кольцами жесткости - 2,8 м.

1. Расчетная схема аппарата

Принимаем диаметр рубашки D_р = 3000 мм.

а ? 0,2L, тогда длина цилиндрической части аппарата

L = 3l + 2•0,2L

0,6L = 3•2,8 = 8,4 м

L = 14 м; а = 2,8 м

Принимаем длину рубашки 14,0 м.

Днища аппарата - эллиптические, высота днища Н = 750 мм

Общая длина аппарата

L_общ = 14000 +2·750 = 15500 мм

Величина е характеризующая точку приложения Q_п

е = а + 2Н/3 = 2,8 + 2·0,75/3 = 3,30 м.

Рис. 1 Расчетная схема аппарата

2. Выбор конструкционного материала

В качестве материала корпуса и рубашки выбираем сталь 12Х18Н10Т

модуль упругости Е = 2,0?10⁵ МПа [1c101];

предел текучести ?_т = 240 МПа.

Нормативно допускаемое напряжение ?* = 160 МПа

Допускаемое напряжение

? = ??* = 0,9?160 =144 МПа

? = 0,9-поправочный коэффициент [3c15]

Прибавка на коррозию С = 1,0 мм

В качестве материала корпуса выбираем сталь 20

модуль упругости Е = 2,0?10⁵ МПа [1c285];

предел текучести ?_т = 210 МПа.

Нормативно допускаемое напряжение ?* = 147 МПа

Допускаемое напряжение

? = ??* = 0,9?147 =132 МПа

3. Обечайка корпуса

Обечайка может быть нагружена как наружным давлением, так и внутренним

За расчетное наружное давление принимаем максимальное давление в рубашке (при гидроиспытании)

Р_р = Р_{руб. г.и.} = 0,60 МПа

Расчетное внутреннее давление Р_р = Р_а = 0,4

Давление гидравлических испытаний

P_ги = max{1,5P[?]₂₀/[?] МПа; 0,2 МПа)} =

= max{1,5?0,4 = 0,60 МПа; 0,2 МПа}

принимаем Р_ги = 0,60 МПа.

Толщину стенки определяем по формуле:



где ц = 1,00 - коэффициент прочности сварного шва [3 c.17]

С₁ - поправка на округление

S = 0,40·2,8/(2·1,0·144-0,40) + 0,001 + C₁ = 0.005 мм

Толщина стенки обечайки в условиях гидроиспытаний

S = 0,60·2,8/(2·1,0·144-0,60) + 0,001 + C₁ = 0.007 мм

Принимаем толщину стенки обечайки S = 22 мм

Проверяем условие:

(S-C)/D < 0,

(S-C)/D = (0,022-0,001)/2,8 = 0,0075 < 0,1

Условие выполняется

Допускаемое давление внутри аппарата.

=

= 2,3·1,0·144(0,022-0,001)/(2,80+0,022-0,001) = 2,46 МПа

Условия Р_доп > Р_ги выполняется

Рассмотрим вариант действия наружного давления: в рубашке давление гидравлических испытаний 0,60 МПа, в аппарате атмосферное давление.

l = 2,8 м - расстояние между ребрами жесткости

Проверяем геометрическое условие

0,0052[0,60/2,0·10⁵·10^-6]^0,5 = 0,009

7,68[2,0·10⁵·10^-6/0,60]^0,5 = 4,4

l/D = 2,8/2,8 = 1,0

Условие выполняется

Толщину обечайки определяем по формуле

где С₁-поправка на округление

S = 0,0047·2,8(0,60·2,8/2,8·2,0·10⁵·10^-6)^0,4 + 0,001+ C₁ = 0.021 мм

Принимаем стандартное значение S = 0,022 м

Проверяем отношение

1,5(2(S-C)/D)^0,5 < l/D < (D/2(S-C))^0,5

1,5(2(0,022-0,0010)/2,8)^0,5 = 0,18

(2,8/2(0,022-0,0010))^0,5 = 8,2

0,180 < 2,8/2,8 = 1,0 < 8,2

Условие выполняется

Допускаемое давление

= 6,49·10^-6·2,0·10⁵·2,8[100(0,022-0,0010)/2,8]²[(100(0,022-0,0010)/2,8]^0,5/2,8= 0,63 МПа

Условие P_доп > P выполняется

4. Обечайка рубашки

Обечайка рубашки нагружена внутренним давлением.

Расчетное давление Р = Р_руб = 0,40 МПа

Давление гидравлических испытаний

P_ги = max{1,5P[?]₂₀/[?]; 0,2)} =max{1,5?0,4 =0,60 МПа; 0,2 МПа}

принимаем Р_ги = 0,60 МПа

Толщину стенки определяем по формуле

где ц = 1,00 - коэффициент прочности сварного шва

С₁ - поправка на округление

S_р = 0,4·3,0/(2·1,0·132-0,4) + 0,001 + C₁ = 0.005 мм

Толщина стенки обечайки в условиях гидроиспытаний

S_р = 0,60·3,0/(2·1,0·132-0,60) + 0,001 + C₁ = 0.008 мм

Принимаем толщину стенки обечайки S_р =10 мм

Проверяем условие:

(S-C)/D < 0,

(S-C)/D = (0,010-0,001)/3,0 = 0,0030 < 0,1

Условие выполняется

Допускаемое давление внутри аппарата.

=

= 2,3·1,0·132(0,010-0,001)/(3,00+0,010-0,001) = 0,91 МПа

Условия Р_доп > Р_ги выполняется

Расчет колец жесткости

Принимаем кольцо прямоугольной формы с размерами: s_к = 40 мм; h_к = 65 мм.

Расстояние между кольцами 2,8 м.

Расчетный момент инерции суммарного поперечного сечения кольца и части обечайки относительно оси, проходящей через центр тяжести суммарного поперечного сечения параллельно образующей обечайки

=

2,8[1,18·3,0³·0,60/2,0·10⁵ - (0,010-0,001)³]/12 = 2,21·10^-5 м⁴

определяем условие

F_к > 1,3PDl/у_т - l(S-C) = 1,3·0,6·3,0·2,8/220 - 2,8(0,010-0,001) = 0,0045 м²

Принимаем высоту кольца жесткости h_к = 0,07 м, тогда ширина кольца

s_к = F_к/h_к = 0,045·0,07 = 0,0064 м² принимаем s_к = 0,07 м

тогда поперечное сечение кольца жесткости

F_к = 0,07•0,07 = 0,0049 м²

Момент инерции площади поперечного сечения кольца

J_к = s_кh_к³/12 = 0,070·0,07³/12 = 2,0·10^-6 м⁴

Эффективная длина обечайки

l_э = s_к +1,1[D(S-C)]^0,5 = 0,070 +1,1[3.0(0,010-0,001)]^0,5 = 0,25 м

Площадь составной части обечайки

F₀ = l_э(S-С) = 0,25(0,010-0,001) = 2,3·10^-3 м²

Расстояние от центра тяжести кольца до середины поверхности обечайки

е = (h_к - S+C)/2 = (0,07 - 0,010 + 0,001)/2 = 0,0295 м

Расстояние от центра тяжести суммарного поперечного сечения относительно центральной оси

е₀ = F_ке/(F_к+F₀) = 0,0049·0,0295/(0,0049+0,0023) = 0,0201 м

Эффективный момент инерции суммарного поперечного сечения относительно центральной оси

J_х = 2,0·10^-6 + 0,0049(0,0295 - 0,0201)² +

+ 0,0023(0,010-0,001)²{1 + 12[0,0201/(0,010-0,001)]²}/10,9 =

= 3,47·10^-5 м⁴ > 2,21·10^-5 м⁴

Допускаемое внутреннее давление

[p] = min{[p]₁; [p]₂}

[p]₁ - допускаемое внутреннее давление, определяемое из условий прочности всей обечайки.

[p]₁ =

l_R = 2800 мм - расстояние между кольцами жесткости

[p]₁ = [2·132·1(0,010-0,001)+ 2·0,0049·132·1/2,8]/(3,0+0,010-0,001) =

=0,94 МПа

[p]₂ - допускаемое внутреннее давление, определяемое из условий прочности обечайки между двумя соседними кольцами жесткости.

[p]₂ =

= b²/D(s - c) = 2,8²/3,0(0,010- 0,001) = 290

где b = 2,8 м - расстояние между соседними кольцами жесткости

[p]₂ = [2·132·1(0,010-0,001)(2+290)]/[(3,0+0,010-0,001)(1+1,0·290)] =

= 0,77 МПа.

[p] = min{0,77; 0,94} = 0,77 МПа

Условие [p] > p_ги = 0,60 МПа выполняется.

5. Днище корпуса

Днище нагружено внутренним давлением.

Принимаем по ГОСТ 6533-78 днище эллиптическое.



где R = D - для стандартных днищ

ц = 1,00 - коэффициент прочности сварного шва [3 c.17]

Толщина стенки в рабочих условиях

S₁ = 0,4·2,8/(2·1·144-0,5·0,4) + 0,001 + C₁ = 0,005 м

Толщина стенки в условиях гидроиспытания

S₁ = 0,60·2,8/(2·1·144-0,5·0,60) + 0,001 + C₁ = 0,007 м

принимаем S₁ = S = 0,022 м

Допускаемое давление

=

= 2·1,0·144(0,022-0,001)/[2,80+0,5(0,022-0,001)] = 2,15 МПа

Условия Р_доп > Р_ги выполняется

Характеристика днища [2c442]:

h = 80 мм - высота борта днища;

V = 3,35 м³ - емкость днища;

m = 1618 кг - масса днища.

Рассмотрим вариант действия наружного давления: в рубашке давление гидравлических испытаний 0,60 МПа, в аппарате атмосферное давление.

где R = D = 2,8 м - для стандартных днищ;

отношение h_в/D = 0,70/2,8 = 0,25

отношение R/S = 2,8/0,025 = 112

при этих значениях К_э = 0,96 [2c. 454]

S₁ = 0,96·2,8(0,60/10^-6·2,0·10⁵)^0,5/300 + 0,0010+ C₁ = 0,017 м

принимаем S₁ = S = 0,022 м

Допускаемое давление

= 9·10^-6·2,0·10⁵[(0,022-0,001)100/0,96·2,8]² = 1,41 МПа

Условия Р_доп > Р_ги выполняется

6. Днище рубашки

Днище нагружено внутренним давлением.

Принимаем по ГОСТ 6533-78 днище эллиптическое.

где R = D - для стандартных днищ

ц = 1,00 - коэффициент прочности сварного шва [3 c.17]

Толщина стенки в рабочих условиях

S₁ = 0,4·3,0/(2·1·132-0,5·0,4) + 0,001 + C₁ = 0,005 м

Толщина стенки в условиях гидроиспытания

S₁ = 0,60·3,0/(2·1·132-0,5·0,60) + 0,001 + C₁ = 0,008 м

принимаем S₁ = S = 0,010 м

Допускаемое давление

=2·1,0132(0,010-0,001)/[3,0+0,5(0,010-0,001)]=0,79МПа

Условия Р_доп > Р_ги выполняется

Характеристика днища [2c442]:

h = 40 мм - высота борта днища;

V = 3,80 м³ - емкость днища;

m = 641 кг - масса днища.

7. Масса аппарата

Масса обечайки корпуса

m_о = 0,785(D_н²-D²)L? = 0,785(2,844²-2,8²)?14,0?7750 =21151 кг

Масса обечайки рубашки

m_ор = 0,785(D_н²-D²)L? = 0,785(3,016²-3,0²)?14,0?7750 = 8199 кг

Масса крышки корпуса 1618 кг

Масса крышки рубашки 641 кг

Общая масса аппарата с учетом массы вспомогательных устройств (опоры, штуцера и т.д. - 10%)

G_а = 1,1(21151+ 8199+2·1618+2·641) = 37255 кг

Масса воды при гидравлическом испытании

Рабочий объем аппарата

V_a = 0,785D_a²L + 2V_д = 0,785·2,8²·14,0 + 2·3,35= 92,8 м³

G_ва = V_a?_в = 92,8?1000 = 92800 кг

Рабочий объем рубашки

V_p = 0,785(D_рв²- D_ан²)L_p +2(V_д.р - V_д.а) =

= 0,785(3,0² - 2,844²)·14,0 + 2(3,80- 3,35) =10,9 м³

G_вр = V_р?_в =10,9?1000 =10900 кг

Вес аппарата при испытании

G = 37255+92800+10900 =140955 кг = 1,38 МН

8. Подбор седловой опоры

Вес приходящийся на одну опору

G = 1,38/4 = 0,345 МН = 345 кН

Выбираем седловую опору тип 2 исполнение 1 с нагрузкой 630 кН, основные размеры которой приводятся на рисунке

Опора 630-1510-2-1

9. Расчет нагрузок в аппарате

Реакция опоры аппарата

Q_i = ц_iG/z

z = 4 - число опор

ц_i - коэффициент определяемый в зависимости от отношения е/l₁=3,30/3=1,1

Для первой опоры ц₁ = 1,2; для второй ц₂ = 0,7, тогда

Q₁ = Q₄ = 1,2·1,38/4 = 0,41 МН

Q₂ = Q₃ = 0,7·1,38/4 = 0,24 МН

Изгибающий момент между опорами

М₁ = Q(f₁L - a) = 0,41(0,235·14,0 - 2,8) = 0,20 МН·м

f₁ = 0,235 коэффициент зависящий от отношений H/D и L/D

Изгибающий момент в сечении над опорой

М₂ = 0,125Gl²/(L+4H/3) =

0,125·1,38·2,8²/(14,0+4·0,75/3) = 0,090 МН·м

Горизонтальная сила (перпендикулярная к оси аппарата)

Р₁ = К₁₈Q_max = 0,24·0,41 = 0,098 МН

K₁₈ = 0,24 - при угле обхвата опорным листом д₁ = 140° [3c.299]

Горизонтальная сила (параллельная к оси аппарата)

Р₂ = 0,15Q_max = 0,15·0,41 = 0,062 МН

10. Расчет корпуса на прочность

Прочность стенки от совместного действия внутреннего давления и изгиба от реакции опор



K₆= 0,14 - при угле обхвата опорным листом д₁ = 140° [3c.299]

у₁ = 0,4·3,0/4(0,010 - 0,001) + 1,275·0,20/[3,0²(0,010 - 0,001)] = 36 МПа

у₂ = 0,4·3,0/4(0,010 - 0,001) + 1,275·0,090/[0,14·3,0²(0,010 - 0,001)] = 44 Мпа Условие у₂ = 44 МПа < ц[у] = 132 МПа выполняется

Напряжение среза в опорном сечении обечайки

ф = 2K₈Q_п/D(s - c)

К₈ = 0,65 - при угле обхвата 140 ° [3 c.297]

Q_п - перерезающая сила

Q_п = f₄Q = 0,43·0,41 = 0,176 МН

f₄ = 0,43 [3 c.296] коэффициент зависящий от отношений a/L и H/L

ф = 2·0,65·0,176/3,0(0,010 - 0,001) = 8 МПа

условие ф < 0,8[у] = 0,8·132 = 106 МПа выполняется

Напряжение растяжения в выпуклом днище

у₃ = 2К₉Q/D(s - c) + у₄

К₉ = 0,35 - при угле обхвата 140°

у₄ - напряжение в днище от внутреннего давления

у₄ = Р[R+0,5(s - c)]/[2ц(s - c)] =

= 0,4[3,0+0,5(0,010 - 0,001)]/[2·1(0,010 - 0,001)] = 67 МПа

у₃ = 2·0,35·0,41/3,0(0,010 - 0,001) +67 = 77 МПа

условие у₃ < 1,25[у] = 1,25·132 = 165 МПа выполняется.

Кольцевые напряжения в опорном сечении обечайки

в нижней точке

у₅₍₁₎ = К₁₀Q/(s - c)l_е

К₁₀ = 0,65 - при угле обхвата 140°

l_е - эффективная длина обечайки в сечении под опорой

l_e = B + 1,1(D(s - c))^0,5 = 0,45 + 1,1(3,0(0,010 - 0,001))^0,5 = 0,63 м

у₅₍₁₎ = 0,65·0,41/(0,010 - 0,001)0,63 = 47 МПа < [у] = 132 МПа

на гребне седловой опоры

у₅₍₂₎ = Q[(s - c)/4l_e + 1,5K₁₁]/(s - c)²

K₁₁ = 0,011 - вспомогательный коэффициент

у₅₍₂₎ = 0,41[(0,010 - 0,001)/4·0,63 + 1,5·0,011]/(0,010 - 0,001)² =102 МПа

условие у₅₍₂₎ =102 МПа < [у] = 132 МПа выполняется

Кольцевые напряжения в обечайке в зоне влияния кольца жесткости

у_в = -К₁₂Q/F + 0,5K₁₃QDy₁/J < ц[у]

у_к = -К₁₂Q/F - 0,5K₁₃QDy₁/J < ц[у]

K₁₂ = 0,32 - при угле обхвата 140°

K₁₃ = 0,04 - при угле обхвата 140°

F - расчетная площадь поперечного сечения обечайки

F = l_эф(S - c) = 0,63(0,010 - 0,001) = 0,0057 м²

J - эффективный момент инерции площади F.

y - расстояние от центра тяжести расчетного сечения до обечайки

y = е + S/2 = 0,0295+ 0,010/2 = 0,0345 м

у_в = -0,32·0,41/0,0057 - 0,5·0,04·0,41·3,0·0,0345/(3,47·10^-5) =

= -47 < ц[у] = 132 МПа.

у_к = -0,32·0,41/0,0057 + 0,5·0,04·0,41·3,0·0,0345/(3,47·10^-5) =

= 2 < ц[у] = 132 МПа.

11. Расчет седловой опоры

Площадь опорной плиты принимается конструктивно и должна удовлетворять условию

F_пR = Q_max/[у_бет]

[у_бет] = 10 МПа - допускаемое напряжение сжатия бетона фундамента, для марки бетона 500. у_бет = 0,41/0,3·2,64 = 0,52 МПа

Условие у_бет < [у_бет] выполняется

Расчетная толщина опорной плиты

s_пR = 2,45b(K₁₉у_бет/1,1[у_п])^0,5



К₁₉ = 0,46 - коэффициент зависящий от отношения b/a = 140/635= 0,220;

а = 635 мм - расстояние между поперечными ребрами;

b = 140 мм - ширина поперечных ребер.

s_пR = 2,45·0,14(0,46·0,52/1,1·132)^0,5 = 0,014 м

принимаем исполнительную толщину опорной плиты s_пR = 0,015 м

Расчетная толщина ребра 1

s_pR > 42P₁/(1,1[у]D) = 42·0,098/(1,1·132·3,0) = 0,0094 м

принимаем s_pR = 0,010 м.

Сжимающая нагрузка на единицу длины ребра

q = 1,2Q_max/l_общ = 1,2·0,41/3,94 = 0,125 МН/м

l_общ - общая длина всех ребер

l_общ = а(m - 1) + 2bm = 0,635(5 - 1) + 2·0,14·5 = 3,94 м

m = 5 - число ребер на опоре.

Расчетная толщина ребер из условия устойчивости

s_pR > q/[у_кр]

[у_кр] - допускаемое напряжение на устойчивость

[у_кр] = min(у_т/3; у_кр/5) = min(220/3 = 73 МПа; 19 МПа)

принимаем [у_кр] = 19 МПа

у_кр = 3,6Е(s_p/h₂)² = 3,6·2,00·10⁵(0,010/0,88)² = 94 МПа

h₂ = 880 мм - высота крайнего ребра

s_pR > 0,125/19 = 0,0066 м

Условие выполняется

Условие прочности опоры при действии изгибающей силы Р₂

у = Р₂h₁/W

h₁ = 0,2 м - высота средней опроы

W - момент сопротивления горизонтального сечения по ребрам у основания опоры.

W = [BL³ - 2(B - b)l³]/6L =

= [0,3·2,64³ - 2(0,3 - 0,14)1,27³]/(6·2,64) = 0,307 м³

у = 0,062·10³·0,2/0,307 = 40,4 МПа < 132 МПа

Условие прочности опоры при действии изгибающей силы Р₂ при приварной опоре

у = 0,5P₂(h₁ + h₂)/W = 0,5·0,062·10³(0,2+0,88)/0,307 =109 МПа < 132 МПа

Литература

цилиндрический обечайка горизонтальный

1. А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Л.:Машиностроение.- 1970. - 710 с.

2. Расчет сосудов. Учебное посбие. Иваново.-1981.

3. А.А. Лащинский. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. - Л.:Машиностроение, 1981. -382с.

Размещено на Allbest.ru