Горизонтальный цилиндрический аппарат с рубашкой для хранения этанола

Горизонтальный цилиндрический аппарат с рубашкой для хранения этанола

Содержание

Задание

.         Расчетная схема аппарата

.         Выбор конструкционного материала

.         Обечайка корпуса

.         Обечайка рубашки

.         Днище корпуса

.         Днище рубашки

.         Масса аппарата

.         Подбор седловой опоры

.         Расчет нагрузок в аппарате

.         Расчет корпуса на прочность

.         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

,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Ч10⁵ МПа [1c101];

предел текучести s_т = 240 МПа.

Нормативно допускаемое напряжение s* = 160 МПа

Допускаемое напряжение

 s = hs* = 0,9Ч160 =144 МПа

h = 0,9-поправочный коэффициент [3c15]

Прибавка на коррозию С = 1,0 мм

В качестве материала корпуса выбираем сталь 20

модуль упругости Е = 2,0Ч10⁵ МПа [1c285];

предел текучести s_т = 210 МПа.

Нормативно допускаемое напряжение s* = 147 МПа

Допускаемое напряжение

 s = hs* = 0,9Ч147 =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[s]₂₀/[s] МПа; 0,2 МПа)} =

= max{1,5Ч0,4 = 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

,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

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

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

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

,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[s]₂₀/[s]; 0,2)} =max{1,5Ч0,4 =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

=

,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

+ 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

.         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r = 0,785(2,844²-2,8²)Ч14,0Ч7750 =21151 кг

Масса обечайки рубашки

m_ор = 0,785(D_н²-D²)Lr = 0,785(3,016²-3,0²)Ч14,0Ч7750 = 8199 кг

Масса крышки корпуса 1618 кг

Масса крышки рубашки 641 кг

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r_в = 92,8Ч1000 = 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r_в =10,9Ч1000 =10900 кг

Вес аппарата при испытании

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

.         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

.         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) =

,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

.         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]

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.

.         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.

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

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