Обечайка - это цилиндрический корпус аппарата, который работает под избыточным внутренним или внешним давлением.
Принимаем вид сварного шва и способ сварки:
- стыковой или тавровый с двусторонним сплошным проваром, выполненный автоматической или полуавтоматической сваркой;
- длина контролируемых шов от общей длины составляет 100%.
Принимаем φ=1 - коэффициент прочности сварных швов по таблице 14.7 [4, ст. 407].
Расчётную толщину стенки находим по формуле 15.3 [4, ст. 413]:
 (36)
где D - внутренний диаметр обечайки, мм;
Рраб - складывается из суммы избыточного давления в аппарате Ризб=Рабс-Ратм=0,17-0,1=0,07 и давления гидравлических испытаний Δр, МПа;
σд - допускаемое напряжение материала обечайки, которое определяем по рисунку 14.2 [4, ст. 406], МПа;
φ - коэффициент прочности сварного шва;
С - прибавка к расчётной толщине на коррозию, вычисляемая как произведение коррозионной проницаемости П (0,1 мм/год) на амортизационный срок службы τ (10 лет), мм.
 мм (37)
 Па, (38)
где Δр=ρ·g·H, по формуле (32)
Принимаем Рраб=0,071 МПа.
Толщина стенки обечайки с учетом прибавок по формуле (36):
 м.
Принимаем предварительную толщину стенки обечайки S=4 мм.
Проверяем условие применения формулы по уравнению 15.5 [4, ст. 412]:
 (39)
Условие выполняется: 0,0075 ≤ 0,1
Принимаем исполнительную толщину стенки обечайки S=4 мм.
Определим коэффициент ослабления крышки/днища отверстием. Выбираем максимальное отверстие d2=0,219 м (штуцер пара). Проверяем по фёормуле 15.14 [4, ст. 414]:
 (40)
Поскольку коэффициент ослабления крышкиотверстием φ меньше коэффициента сварного шва φ, в дальнейшем за расчётное значение коэффициента ослабления будем принимать
φ = φ0 = 0,45
По значению выражения определяем расчётную формулу номинальной расчётной толщины стенки S':
 , (41)
где Рраб - расчётное давление в аппарате, МПа.
Тогда номинальная расчётная толщина стенки крышки/днища будет определяться формулой 16.3 [4, ст. 453]:
 м, (42)
где Rв=D - внутренний радиус кривизны в вершине крышки/днища для стандартных крышек и днищ равен внутреннему диаметру обечайки, м.
Принимаем толщину стенки крышки и днища равную толщине обечайки S'=4 мм.
Из таблицы 16.1 [4, ст. 440] выбираем эллиптические отбортованные стальные днище и крышку 400×4-25-12Х18Н10Т по ГОСТу 6533-68.
Таблица 8 – Параметры днища и крышки
D
|
H
|
l
|
lS'
|
m
|
мм
|
кг
|
400
|
100
|
25
|
4
|
6,6
|
Рисунок 10 – Конструкция днища и крышек
3.5 Расчёт трубной решетки
Толщина трубных решеток зависит от диаметра развальцованных теплообменных труб и конструкции аппарата, поскольку напряжение, под действием которым находится и работает трубная решетка, определяется не только давлением рабочей среды, но и особенностями конструкции теплообменника.
Для одноходового испарителя с общим числом труб n=121 шт и ø 25×2 мм труб выбираем плоскую круглую трубную решетку типа XI рисунок 25.1 [4, ст. 634] с размещением трубок по вершинам правильного шестиугольника (шахматный пучок), трубы закрепленны в трубной решетке развальцовкой.
  
Рисунок 11 – Расположение труб в трубной решетке
Рисунок 13 – Крепление труб в трубной решетке развальцовкой
Рисунок 12 – XI тип конструкции плоской трубной решетки
Для данной схемы расположения запишем связь между общим количеством труб n, числом труб на диагонали b и на стороне a по уравнениям 362 и 363 [5, 154]:
n = 3∙a∙(a-1)+1 (43)
b = 2∙a-1 (44)
Из уравнения (43) находим, что а=6, тогда по уравнению (44) b=11. Расстояние между осями труб, или шаг, зависит от наружного диаметра d. Чаще всего t=(1,2÷1,4)d.
Принимаем по таблице 25.2 [4, ст. 636] шаг t=1,3·25=32,5 мм.
 м;
Номинальную расчётную толщину решетки посередине определяем по формуле 25.2 [4, ст. 636], исходя из данных для К в таблице 25.3 [4, ст. 637] для XI типа:
 , (46)
где  -допускаемое напряжение на изгиб материала решетки, МН/м2;
Р - расчётное давление в аппарате, МПа;
D - внутренний диаметр аппарата, м;
K - коэффициент, принимаемый в соответствии с типом решетки;
 - коэффициент ослабления решетки.
 м.
Так как данное значение вышло меньше 12 мм, то из конструктивных соображений и с учётом прибавок на коррозию и на округления размеров принимаем h=16 мм.
Привариваем трубную решетку вместе с фланцем к обечайке сплошным слоем.
3.6 Расчёт опорных лап
Общую массу аппарата рассчитываем по сумме масс деталей с учётом 20% прибавки на болты и прочее по формуле:
Мап=1,2(Моб+2Мдн+Мтр+2Мтр.реш.+Мфл), (47)
где Моб - масса обечайки, считающаяся по формуле:
Моб=D·H·π·S·ρ, кг (48)
где D - диаметр аппарата, м;
Н - высота аппарата, м;
S - толщина стенки обечайки, м;
ρ - плотность стали 12Х18Н10Т, кг/м3.
Моб = 0,4·2,5·3,14·0,004·7920 = 99,475 кг.
где Мдн - масса днища/крышки, равные 6,6 кг по таблице 16.1 [4, ст. 440].
где Мтр - масса всех труб аппарата, рассчитанная по формуле:
Мтр=hтр·δтр·π·n·ρ·dтр, кг (49)
где hтр - высота труб теплообменника, м;
δтр - толщина стенки труб теплообменника, м;
n - общее количество труб аппарата;
ρ - плотность стали 12Х18Н10Т, кг/м3.
Мтр = 1,5·0,002·3,14·121·7920·0,045 = 343,04 кг.
где Мтр.реш. - масса трубной решетки:
Мтр.реш.=Нтр.реш.·ρ· ·(D2-dн·n), кг (50)
где Нтр.реш. - высота трубной решетки, м;
D - диаметр аппарата, м;
ρ - плотность стали 12Х18Н10Т, кг/м3;
n - общее количество труб аппарата;
dн - наружный диаметр труб аппарата, м.
Мтр.реш.= 0,015·3,14·0,25·7920(0,4-121·0,025) = 7,869 кг.
где Мфл - масса фланцев, рассчитываемая по формуле:
Мфл=МI+MII+MIII+MIV, кг (51)
где МI - масса фланцев для штуцера входа бинарной смеси;
MII - масса фланцев для штуцера выхода пара;
MIII - масса фланца для штуцера входа греющего пара;
MIV - масса фланца для штуцера выхода конденсата.
Мфл = 0,95·2+4,73·2+4,73+0,29 = 16,38 кг.
Тогда по формуле (47) масса апппарата равна:
Мап = 1,2(99,475+2·6,6+343,04+2·7,869+16,38) = 585,4 кг.
Масса воды в аппарате для гидравлических испытаний:
 (52)
где Н - высота аппарата, м;
D - диаметр аппарата, м;
ρв - плотность воды, кг/м3.
 кг
Рассчитываем общую нагрузку на опоры:
Gобщ = (Мап+mв)·g = (585,4+313,37)·9,8 = 8807,95 Н.
Принимаем 3 опоры, тогда нагрузка на одну опору составит:
 .
Из таблицы 29.3 [4, ст. 674] принимаем опорные лапы типа III исполнения А для вертикальных цилиндрических аппаратов на нагрузку G=4000 Н.
При расчёте лап определяют размеры ребер. Отношение вылета к высоте ребра  рекомендуется принимать 0,5. Расчётную толщину ребра определяем по формуле 29.1 [4, ст. 677]:
 , (53)
где k - коэффициент, зависящий от соотношения В/δреб, принятый в начале 0,6;
z - количество ребер в опоре (принимаем 2);
n - число опор (лап);
В - вылет опоры, м;
Gобщ - общая нагрузка на опоры, МН;
σид - допускаемое напряжение на сжатие (принимаем 100 МН/м).
 м.
Принимаем толщину ребра 2 мм.
Уточняем значение k по графику на рисунке 29.2 [4, ст. 677]:
В/δреб = 85/2 = 42,5. Оставляем то же значение k=0,5.
Определяем общую длину сварного шва, используя h = B/0,5 = 0,17, по формуле (54):
Lш = 4(h+δреб) = 4·(0,17+0,002) = 0,688 м. (54)
Проверяем прочность сварного шва по формуле 29.2 [4,ст. 677]:
 < 0,7·Lш·hш·τсд (55)
где Lш - общая длина сварных швов, м;
hш - катет сварного углового шва (принимаем 8 мм), м;
τсд - дополнительное напряжение материала шва на срез (принимаем 80 МН/м2).
Условие выполняется: 0,003<0,308. Прочность обеспечена.
Рисунок 14 – Схема опоры вертикальных цилиндрических аппаратов
Таблица 9 – Основные размеры опор
G·102,МН
|
L
|
L1
|
L2
|
B
|
B1
|
B2
|
b
|
b1
|
H
|
h
|
s
|
a
|
a1
|
a2
|
R
|
d
|
dб
|
m
|
|
мм
|
кг
|
0,4
|
90
|
100
|
80
|
85
|
75
|
120
|
22
|
60
|
210
|
10
|
6
|
6
|
60
|
5
|
8
|
19
|
М10
|
2,56
|
4. Расчёт толщины тепловой изоляции
Примем температуру окружающего воздуха равную 20 °С, а температуру изоляции со стороны окружающей среды 40 °С и определим суммарный коэффициент теплоотдачи в окружающую среду лучеиспусканием и конвекцией по уравнению 4.71 [2, ст. 168]:
α=9,3+0,058·Δt=9,3+0,058·(40-20)=10,46 Вт/м2К (56)
где Δt - разность температур поверхности аппарата tст и окружающего воздуха t0, °С.
Удельный тепловой поток:
q=α(tст-t0)=10,46·(40-20)=209,2 Вт/м2.
Принимаем приближенно, что всё термическое сопротивление сосредоточено в слое изоляции, тогда:
q=α(tвн-t0) (tв-tст), (57)
где λu - коэффициент теплопроводности совелита (85% магнезии, 15% асбеста), равный 0,098 Вт/м2К по таблице XXVIII [2, ст.529];
tв - температура изоляции со стороны греющего пара, равная температуре греющего пара, °С.
Отсюда находим толщину изоляции по формуле (57):
 м.
Принимаем толщину изоляции равную 35 мм.
Заключение
В ходе выполнения курсовой работы были проведены расчет и проектирование теплообменного аппарата, предназначенного для испарения бинарной смеси хлороформ-бензол.
В работе произведен тепловой расчет аппарата, определена требуемая поверхность теплопередачи. По результатам этого расчета выбран нормализованный теплообменный аппарат.
В работе также проведены расчеты гидравлического сопротивления трубного пространства аппарата в рабочем состоянии, рассчитан и выбран насос, необходимый для подачи испаряемой смеси в аппарат. Обоснована и выбранная конструкция, как всего аппарата, так и отдельных его узлов.
С целью определения прочности и надежности аппарата проведены механические расчеты, определены толщины обечайки, днища и трубных решеток.
Список использованной литературы
1. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. - Стереотипное издание. Перепечатка с девятого издания 1973 г. - М.: Альянс, 2014.-752 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 ре. чл.-корр. АН СССР П. Г. Романкова. - 10-е изд., перераб. и доп. / Репринтное воспроизведение издания 1987 г. - М.: Альянс, 2013.-576 с.
3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/Г. С. Борисов, В. П. Брыков, Ю. И. Дытнерский и др. Под ред. Ю. И. Дытнерского, 3-е изд., стереотипное. М.: ООО ИД "Альянс", 2007.-496 с.
4. Лащинский А. А., Толчинский А. Р. Основы конструирования и расчёта химической аппаратуры: Справочник. 3-е изд., стереотипное. - М.: ООО ИД "Альянс", 2008.-752 с.
5. Машины и аппараты химических производств: Пособие по проектированию/И. И. Чернобыльский, А. Г. Бондарь, Б. А. Гаевский и др. Под ред. И. И. Чернобыльского, 3-е изд., перераб. и доп. - М.: "Машиностроение", 1974.-456 с. |
Скачать 1.24 Mb.