Курсовой по оборудованию водород Журович 2 раздел. 2 Конструктивный расчет основного аппарата 1 Описание работы основного аппарата

• Название: 2 Конструктивный расчет основного аппарата 1 Описание работы основного аппарата
• Дата: 04.06.2022
• Размер: 0.63 Mb.
• Имя файла: Курсовой по оборудованию водород Журович 2 раздел.docx
• Тип: Сборник; #569538
• страница: 2 из 4

2.2.4 Расчет укрепления отверстий

При расчете используются расчетные величины, отличающиеся от геометрических размеров [13, стр. 177].

Расчетный диаметр эллиптического днища определяем по формуле:

(2.9)

где х – расстояние от центра укрепляемого отверстия до оси эллиптического днища, м.



Расчетная толщина эллиптического днища:



Расчетный диаметр штуцера определим по формуле (таблица 11.2, стр. 184 [13]):

(2.10)
мм.

Расчетная толщина штуцера:

, (2.11)
мм.

Определение диаметра отверстий, не требующего дополнительного укрепления при наличии избыточной толщины стенки днища.

, (2.12)

где В₀ – ширина зоны укрепления.

мм,
мм

В связи с тем, что отверстие имеет диаметр меньший, чем d_0R , укреплять его нет необходимости.

Проверка возможности укрепления отверстия избыточным металлом днища штуцера.

Расчетная площадь вырезанного сечения:

, (2.13)
мм²

Расчетная площадь избыточного металла эллиптического днища:

, (2.14)

где b_1R – расчетная ширина зоны укрепления.

,

где l_k – расстояние от наружной стенки штуцера до ближайшего несущего элемента на укрепляемой стенке (кольца жесткости, фланцы, опоры).

Конструктивно принимаем b_1R=B_0.

мм²

Расчетная площадь избыточного металла внешней части штуцера:

, (2.15)

где l_1R – расчетная длина внешней части штуцера, участвующей в укреплении.



где l₁ – реальная длина штуцера [19, табл. 10.2]

l₁ = 300 мм, s₁ = 16 мм [15].

мм.

Принимаем l_1R=88,2 мм.

мм².

Проверяем выполнение условия:



– условие не выполняется.

Попытаемся укрепить отверстие за счет утолщенного штуцера, размеры которого принимаем по таблице 10.4, с. 177 [18], для которого D_у = 350 мм, d = 421 мм, s = 35 мм, H = 420 мм

Для утолщенного штуцера l₁=420 мм.

мм.

Принимаем l_1R=167,4 мм.

мм².

Проверяем выполнение условия:



– условие выполняется.

Следовательно, мы добились укрепления отверстия за счет применения утолщенного штуцера.

3.7 Расчет опоры аппарата

Химические аппараты устанавливают на фундаменты или специальные несущие конструкции с помощью опор. Схема опоры вертикального аппарата показана на рисунке 2.4.



Рис. 2.4 – Общий вид опоры

Для расчета опоры аппарата необходимо знать массу аппарата.

Масса аппарата находится по формуле:

(2.13)

где т_кр – масса крышки аппарата, кг,

т_об – масса средней части аппарата, кг,

т_кат – масса катализатора, кг.

Массу крышки аппарата находим по формуле:

(2.14)

где D - диаметр крышки, м,

s – толщина крышки, м,

Н – высота крышки, м

ρ_ст – плотность стали, для стали плотность равна 7850 кг/м³ (табл. II, стр. 510, [14]), тогда

кг.

Масса обечайки аппаратаравна:

(2.15)

где D – диаметр обечайки, м,

s – толщина обечайки, м,

Н – высота обечайки, м,

ρ_ст – плотность стали, кг/м³, для стали плотность равна 7850 кг/м³ (табл. II, стр.510, [14], тогда

кг.

Масса катализатора

(2.16)

где V – объем катализатора, м3. Объем катализатора равен 9,73 м3 [11].

ρ_{на с}– насыпная плотность катализатора, кг/м³. Для катализатора насыпная плотность равна 180 кг/м³, тогда

кг.

Массу распределительной решетки принимаем равной 250 кг. Массу штуцеров, фланцев принимаем равной 150 кг.

Следовательно, масса всего аппарата в рабочем состоянии будет равна:

кг.

В рабочем состоянии нагрузка на опору составит:



Следовательно, по табл. 14.11, стр. 288 [18] выбираем опору цилиндрическую с Q_max = 0,32 МН (тип 3). Основные конструктивные размеры опоры

Таблица 2.4 – Основные размеры опоры

Диаметр опоры, мм	D1	D2	Dб	s1	s2	dб	Z
2500	2820	2350	2680	8	20	М30	8

3 Механические расчеты теплообменного оборудования
Выполним конструктивный расчет теплообменника Е-102. В теплообменнике Е-102 происходит охлаждение отходящих газов в количестве 41500,44 кг/ч водой с начальной температурой 105С и конечной температурой 250 С и давлением 4,05 МПа.

Конструктивный механический расчет обеспечивает прочность элементов в процессе эксплуатации. Для цилиндрических теплообменных аппаратов производится расчет следующих элементов конструкции: толщины стенок корпуса, крышек и днищ; трубных досок; фланцевых соединений.

Исходные данные для расчёта:

• 
  диаметр теплообменника D = 900 мм (0,9 м);
  
• 
  длина труб L = 6,0 м
  
• 
  давление: рабочее (P_раб) – 2,32 МПа;
  
• 
  расчётное (Р_расч) – 3,55 МПа;
  
• 
  температура рабочая (Т_раб) – 380^оС;
  
• 
  температура расчетная (Т_раб) – 410^оС;
  
• 
  среда– углеводороды, водород, взрывопожароопасная;
  

Расчёту на механическую прочность от внутреннего избыточного или наружного давления и внешних нагрузок должны подвергаться все основные элементы аппарата: обечайка, днище, крышка и др.

Группа материального исполнения – М₁. Материал: кожуха – В Ст3сп5 ГОСТ 14637-79; распределительной камеры и крышки – В Ст3сп5 ГОСТ 14637-89; трубы – сталь 10 ГОСТ 8733-87 [16].

Допускаемое напряжение [σ], МПа для конструкционных материалов из сталей для рабочих условий принимается по формуле (1) [12]:

[σ] = η · σ^*, (2.1)

где η – поправочный коэффициент (η = 0,8) [12];

σ^* – нормативное допускаемое напряжение, МПа.

Для данной марки стали при рабочей температуре σ^* = 81 МПа [12]. По формуле (2.1) получаем:

[σ] = 0,8 · 81 = 64,8 МПа.

3.1 Расчет толщины обечайки
Толщина стенки корпуса S цилиндрического аппарата, работающего с избыточным давлением P, определяется выражением:

(3.1)

где Р_расч – расчётное давление, МПа;

D – диаметр, мм;

φ – коэффициент прочности стыкового сварного шва, выполняемого вручную с одной стороны, при 100% длине контролируемых швов  = 1 [12];

с – поправка на коррозию, см (с = 2 мм) [18].

D_вн= 900 мм – внутренний диаметр корпуса;

м.

Принимаем стандартную толщину стенки s = 28 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление рассчитываем по формуле:

(3.2)

Подставляя численные значения, получим:

МПа.

Проверяем условие :

- условие соблюдается.

Таким образом,по [18] принимаем толщину стенки теплообменника мм.


3.2 Расчет толщины крышек и днищ
Днища и крышки изготавливаются из того же металла, что и корпус аппарата. В теплообменных аппаратах чаще всего применяются эллиптические или сферические днища с отбортовкой для обеспечения качественной сварки с цилиндрической части корпуса или крышки.

Толщина стенки днища (s₁, мм), нагруженного внутренним избыточным давлением, определяется по формуле 2.4 [13]:

; (3.3)

где R – радиус кривизны в вершине днища.

R = D­ – для эллиптических днищ с Н_Д=0,25 D.

Следовательно, из формулы 3.3 толщина стенки днища будет равна:

мм.

Толщина днища s₁, мм, рассчитывается по формуле 2.12 [13]:

s₁ = s_1P + c, (3.4)

где s₁ – толщина днища, мм;

s_1P – расчётная толщина днища, мм.

Подставив значения величин в формулу 2.10 получим:

S = 24,99 + 2 = 26,99 мм.

Принимаем толщину днища равной 28 мм. Допустимое внутреннее избыточное давление ([P], МПа), определяется по формуле 2.6 [13]:

; (3.5)

МПа.

Проверяем условие :

- условие соблюдается.

Это означает, что выбранное днище удовлетворяет условиям работы.


3.3 Расчет и подбор штуцеров и фланцев
В теплообменник согласно технологической схеме входит смесь газов в объеме 77718,02 м³/с (при н.у.) при температуре 410 ^оС.

Рассчитаем объемный расход газов в условиях при входе в теплообменник Е-101 по формуле

(3.6)

где Т0, Р0 – соответственно стандартные температура и давление (Т0 = 273 К, Р0 = 101325 Па);

Т, Р – соответственно температура (в К) и давление (в Па) в реакторе;

V – расход газа при н.у., м3/ч;

Смесь вводится в теплообменник при температуре 410 ^оС, тогда

м³/с.
Примем, что газовая смесь вводится в теплообменник со скорость 25 м/с [16].

Расчет штуцеров сводится к определению внутреннего диаметра штуцера [16]:

d_ш= , (3.7)

где ω – скорость подачи потока, м/с;

V_c – объемный расход смеси, м³/с.

Определим внутренний диаметр штуцера для ввода смеси в теплообменник по формуле (2.13).

d¹_ш = = 0,346 м.

На основании полученных данных, выбираем из стандартного ряда штуцер с условным проходом D_у = 350 мм [13, с. 94].

Газовая смесь выводится из теплообменника при температуре 265 °С, тогда

м³/с.

Определим внутренний диаметр штуцера для вывода газовой смеси из теплообменника по формуле (3.7).

d²_ш = = 0,308 м.

На основании полученных данных, выбираем из стандартного ряда штуцер с условным проходом D_у = 350 мм [13, с.94].

В теплообменник вводится питательная вода при температуре 105 ^оС и образуется водяной пар с температурой 250 ^оС и давлением 4,05 МПа. Паропроизводительность теплообменника по водяному пару составляет 30,5 кг/с.

Рассчитаем объемный расход питательной воды на входе в теплообменник по формуле

(3.8)

где ρ – плотность воды при температуре 105 оС (равна 954,5 кг/м3 [14]). Подставляя численные значения, получим:

м³/с

Примем, что питательная вода вводится в теплообменник со скорость 1,5 м/с [16]. Тогда внутренний диаметр штуцера для ввода питательной воды в теплообменник по формуле (3.7).

d³_ш = = 0,164 м.

На основании полученных данных, выбираем из стандартного ряда штуцер с условным проходом D_у = 200 мм [13, с. 94].

Рассчитаем объемный расход водяного пара по формуле

, (3.9)

где 22,4 – объем 1 кмоля газа в стандартных условиях, м3;

Т0, Р0 – соответственно стандартные температура и давление (Т0 = 273 К, Р0 = 101325 Па);

Т, Р – соответственно температура (в К) и давление (в Па) в реакторе.

тв.п.– масса водяного пара, кг/с;

Мв.п.– молярная масса водяного пара, кг/кмоль.

Тогда

м³/с.

Примем, что водяной пар выводится из теплообменника со скорость 25 м/с [16]. Тогда диаметр штуцера для вывода водяного пара равен:

м.

На основании полученных данных, выбираем из стандартного ряда штуцер с условным проходом D_у = 350 мм [13, с. 94].

Выбираем фланцы приварные встык с выступом и впадиной. Основные размеры подобранных фланцев к штуцерам в таблице 2.3. (таблица 13.3, с. 217 [13]).
Таблица 3.1 – Основные размеры подобранных фланцев к патрубкам

Патрубок	Dу	Dф	Dб	Н	h	d	Z
1	350	570	510	120	48	33	16
2	350	570	510	120	48	33	16
3	200	405	345	113	41	33	12
4	350	595	525	144	56	40	16

Выбираем конструкцию и материал прокладки по рекомендациям по выбору прокладок, ОСТ 26. 260. 454-99.

Выбираем прокладку СНП, которая рассчитана на Р_у > 10 МПа, и температуры от –200 до 600.

СНП прокладки ОСТ 26.260.454-99 изготавливают из стального центрового (наружного) кольца. Спираль намотана уплотнительной лентой (наполнитель, графитовая фольга) и внутренним кольцом, сделанным из специальной стали. СНП изделия созданы путем намотки чередующихся полосок металла и присадочного материала.