Подбор и расчет элементов корпуса аппарата

2.1.Выбор размеров корпуса аппарата

Корпус аппарата состоит из цилиндрической обечайки, днища и крышки. Для нагревания или охлаждения обрабатываемых в аппарате продуктов аппарат снабжён приварной рубашкой. Типы и основные размеры емкостных аппаратов стандартизованы. Основными параметрами для выбора размеров корпуса являются внутренний номинальный объём V и внутренний диаметр D. Конструктивные схемы корпусов показаны на рис.2.1, а их основные размеры приведены в табл.1 - 4приложения. На основании исходных данных на проектирование (внутренний объём V и внутренний диаметр аппарата D) из указанных таблиц определяется длина цилиндрической части корпуса l. Размеры эллиптических (рис 2.3 а) и конических (рис 2.3 б) днищ выбираются по табл. 5 - 6 приложения. Конструкция корпуса аппарата с неразъёмной сварной рубашкой приведена на рис. 2.13.

Корпусы аппаратов чаще всего работают в условиях статических нагрузок: под избыточным внутренним давлением, вакуумом или наружным избыточным давлением.

2.2. Цилиндрические обечайки

Расчёт на прочность и устойчивость производится по ГОСТ 14249- 89.

Расчёт обечаек, нагруженных избыточным внутренним давлением. Толщину стенок определяют по формулам

(2.1)

где р_R - давление в аппарате, МПа; s_R - расчетное значение толщины стенки, мм; D - внутренний диаметр обечайки, мм; [s] допускаемое напряжение, MПа (зависит от марки стали и рабочей температуры). Марку стали выбирают в зависимости от свойств перерабатываемой среды по табл. 7, допускаемое напряжение

[s] - по табл. 8.

Допускаемое внутреннее избыточное давление

(2.2)

Для стыковых и тавровых двухсторонних швов, выполняемых автоматической сваркой, коэффициент прочности сварочного шва j=1;. для тех же швов, выполняемых вручную, j=0.9 .Прибавка на коррозию c определяется по формуле: c = V • Т, где V - скорость коррозии (обычно принимают 0.1 - 0.2 мм/г), Т - срок службы аппарата (обычно принимают 10-12 лет). Для материалов, стойких к перерабатываемой среде и при отсутствии данных о скорости коррозии рекомендуют принимать c=2 мм. Толщину стенки, вычисленную по формуле (2.1), округляют в большую сторону до ближайшей стандартной толщины листа (2,4,5,6,8,10,12,14,16,18, 20,22,24,26,28,30 мм, ГОСТ 10885-75).

Расчет цилиндрических обечаек, нагруженных наружным давлением. Под наружным давлением находятся вакуумные аппараты и аппараты с рубашками. Тонкостенные обечайки под действием наружного давления могут потерять первоначальную форму (устойчивость) с образованием нескольких волн смятия (рис.2.2). Давление, при котором оболочка начнет деформироваться, называется критическим.

Толщину стенки обечайки, нагруженной наружным давлением, приближенно определяют по формуле

где - давление в рубашке. Полученное значение толщины стенки следует проверить на допускаемое наружное давление по формуле (ГОСТ 14249-80)

а допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости рассчитывается по формуле

где Е - модуль упругости (табл.2.9); п_и - коэффициент устойчивости (для рабочих условий п_и =2.4); l_R - расчётная длина обечайки.

Для эллиптического днища l_R = l – 2h_ц + Н_D/3; для конического днища l_R = l – 2h_ц + т ах{R_вsina ; D/3tga}, где a - половина угла при вершине (рис.2.3), l - длина цилиндрической части корпуса.

Если в результате расчета окажется, что давление в рубашке больше допускаемого, определенного по формуле (2.4), т.е. , необходимо увеличить толщину стенки обечайки.

2.3. Днища и крышки аппаратов приварные

Толщину стенки эллиптического отбортованного днища (рис.2.3а) определяют по формулам:

а) днища, нагруженного внутренним давлением

(2.7)

б) днища, нагруженного наружным давлением

(2.8)

При действии наружного давления полученное значение толщины стенки s необходимо проверить по формуле (2.4). В этом случае допускаемое давление из условия прочности в пределах упругости:

, (2.9)

а допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости определяется по формуле

(2.10)

Толщину стенки конического отбортованного днища (рис.2.3 б) с углом при вершине 2a < 140⁰ , нагруженного внутренним давлением, рассчитывают следующим образом. Определяют толщину стенки цилиндрической части днища:

, (2.11)

где у - коэффициентформы днища, который выбирают по

табл. 10. в зависимости от угла a и отношения R_в /D (отношениявнутреннего радиуса отбортовки R_в к диаметру днища D). При D = 800 ¸1500 мм, R_в =160 мм; при D = 1600 ¸ 3000 мм, R_в = 200 мм.

Определяют толщину стенки конической части днища:

(2.12)

где .

	а

	а)		б)
		Рис. 2.3. Формы днищ: а - эллиптическая, б – коническая, в – построение эллиптического днища

Исполнительнуютолщину стенки принимают следующей

. (2.13)

Если коническое днище нагружено наружным давлением, то толщину стенки, полученную по формуле (2.13), проверяют на допускаемое наружное давление по формуле (2.4). При этом допускаемое наружное давление в пределах пластичности рассчитывают по формуле

, (2.14)

а допускаемое наружное давление из условия устойчивости - по формуле

, (2.15)го

где l_E=D/2sina; D_E=D/2cosa .

2.4. Расчет элементов рубашки

Толщину стенки цилиндрической части рубашки определяют по формуле (2.1), эллиптического днища - по формуле (2.7), толщину стенки конического днища - по формулам (2.11) и (2.12). В качестве расчётного давления Р_r принимают давление в рубашке. Для корпусов с внутренним диаметром D £1800 мм диаметр рубашки принимают больше внутреннего диаметра аппарата D на 100мм. Для корпусов с диаметром D >1800 мм диаметр рубашки принимают на 200 мм больше диаметра аппарата. Расположение рубашки на корпусе аппарата показано на рис 2.13.

2.5. Крышки отъёмные

Отъёмные крышки присоединяются к корпусу аппарата с помощью фланцев.

При определении толщины стенки эллиптической крышки используют формулу (2.7).

При расчете плоской крышки определяют толщину в средней части крышки s₁ и в месте уплотнения s₂ (рис 2.4).

		Рис. 2.4. Плоская отъемная крышка

Толщинy плоской крышки в средней части рассчитывают

по формуле

, (2.16)

где K=0,5. Расчетный диаметр D_R равен среднему диаметру прокладки D_сп,

Толщина крышки в месте установки прокладки s₂ = 0.8 • s₁ . Наружный диаметр крышки D_кр равен диаметру фланца D_Ф .

2.6. Фланцевые соединения

Фланцевые соединения применяют для разъёмного соединения составных частей корпуса, крышки с корпусом и т.д. На фланцах присоединяют к аппаратам трубы, арматуру. Соединение состоит из двух фланцев, прокладки, которую размещают между уплотнительными поверхностями фланцев (рис. 2.5 а), болтов (шпилек), гаек и шайб. В целях исключения самоотвинчивания гаек под действием приложенных нагрузок применяют пружинные шайбы или контргайки. Фланцевые соединения стандартизо­ваны. По форме уплотнительной поверхности различают следующие типы фланцев: выступ-впадина, шип-паз (исполнение 1) и с гладкой поверхностью (исполнение 2).

		г
		Рис. 2.5. Фланцевое соединение: а – фланцевое соединение корпуса с эллиптической крышкой; б – размеры плоского фланца; в – фланцевое соединение корпуса с плоской крышкой; г – неметаллическая прокладка

Фланцы плоские приварные с гладкой уплотнительной поверхностью (рис. 2.5) применяют при р < 2.5 МПа и t £300⁰С. Размеры таких фланцев для аппаратов выбирают по внутреннему диаметру аппаратa и условному давлению по табл.11. Для герметизации фланцевого соединения применяют прокладки различной конструкции [1].

Плоские неметаллические прокладки (рис 2.5 г) используют для уплотнения гладких поверхностей фланцев. Прокладки из резины применяют в диапазоне температур от -30°С до 100°С и давлении до 0 6 МПа. Паронит выдерживает температуру до 400⁰С и давление до 2.5 МПа. Асбестовый картон применяют для прокладок при давлении до 1.6 МПа и температуре до 550°С. Фторопласт используют в диапазоне температур от -200^СС до +250°С независимо от давления. Размеры прокладок выбирают по внутреннему диаметру аппарата D и условному давлению р_у по табл.12 .

Фланцы и прокладки, подобранные по стандартам, в расчёте не нуждаются.

При конструировании аппаратов выполняют проверочный расчёт болтов в соответствии с ОСТ 26-373-82 по следующей методике.

1.Определяют нагрузку, действующую на фланцевое соединение от внутреннего давления Р_R :

(2.17)(2.17)

где средний диаметр прокладки; D_сп = 0,5(D_п + d_п), (см. рис 2.5 г и табл.12).

2 . Рассчитывают реакцию прокладки

(2.18)

где: в_п - ширина прокладки; в_п = 0,5(D_п –d_п); m=1 - для прокладок из резины; m =2.5 - для прокладок из других материалов;

в₀ – эффективная ширина прокладки:

при вп ≤15мм,	во = 0,5вп
при во >15мм,	;

3.Определяют болтовую нагрузку при сборке Р_Б1.

Принимают наибольшее значение из трёх расчетных:

Р_Б1=p×D_сп×в₀×q, (2.19)

где q=20 МПа - для прокладок из паронита, резины и картона асбестового, q=10 МПа - для прокладок из фторопласта.

(2.20)

(2.21)

4.Проверяют прочность болтов при монтаже по условию

(2.22)

5.Проверяют прочность болтов в период эксплуатации

(2.23)

где и - допускаемые напряжения для материала болта при 20°С и при рабочей температуре (табл.13); n_Б – количество болтов (табл.11, n_Б = z); f_Б – площадь поперечного сечения стержня болта. Болтовая нагрузка в рабочих условиях:

(2.24)

Если условия (2.22) или (2.23) не выполняются, то увеличивают число болтов, но так, чтобы оно оставалось кратным четырём. Болты, винты, гайки и шайбы являются стандартными изделиями, их размеры приведены в табл. 14 - 20.

2.7. Устройства для присоединения трубопроводов

Присоединение технологических трубопроводов для подвода и отвода различных жидкостей и газов, а также контрольно-измерительных приборов и предохранительных устройств к аппарату производят с помощью штуцеров. Стальные фланцевые штуцера стандартизованы и представляют собой патрубки, выполненные из труб с приваренными к ним фланцами. Штуцера с плоскими приваренными фланцами имеют гладкую уплотнительную поверхность (рис.2.6), их применяют при Р£1,6МПа и t£300°С. Назначение штуцеров для аппаратов рассмотрено в табл. 21. Расположение штуцеров на эллиптических и плоских крышках приведено на рис 2.7, 2.8, расположение штуцеров на днищах - на рис. 2.9. Для входа и выхода теплоносителя на рубашке устанавливают два штуцера (K и K₁). Их расположение показано на рис.2.13. Диаметры условного прохода штуцеров в зависимости от типа крышки и диаметра корпуса указаны в табл. 22.

2.8. Опоры аппаратов.

Химические аппараты устанавливают на фундаменты или специальные несущие конструкции с помощью опор. Стандарт предусматривает три типа опор: тип 1 (лапы) - для аппаратов с рубашками и без теплоизоляции; тип 2 (лапы) - для аппаратов с теплоизоляцией; тип 3 (стойки) - для аппаратов с эллиптическими и коническими днищами. Стойки (рис.2.10) служат для установки аппаратов на фундамент. Расположение стоек на днищах показано на рис.2.11. Лапы (рис.2.12) применяют для крепления аппаратов на несущих конструкциях или между перекрытиями.

Лапы размешают на корпусе или рубашке на расстоянии L=(0.35 ¸ 0.4)D от уплотнительной поверхности фланцев (рис. 2.13).

Стандартные опоры выбирают по требуемой нагрузке с учетом условия Q_табл ³ Q_расч , их не проверяют расчетом.

Расчетную нагрузку на одну опору Q_расч определяют следующим образом.

1. Задаются количеством опор, z. Лап должно быть не менее двух (z=2;3;4), стоек - не менее трёх (z=3;4).

2. Определяют вес металла, из которого изготовлен аппарат:

(2.25)

где F - внутренняя поверхность корпуса, м², (см. табл. (1-4)); S - исполнительная толщина стенок, м; g - удельный вес металла, g= 78,5 . Коэффициент 1,1 учитывает: вес фланцев, штуцеров и т.д.

3. Определяют вес металлоконструкций, установленных на крышке аппарата (привод, стойка и т.д.):

G₂= 0,5 G_{1 .} (2.26)

4. Рассчитывают вес воды, заполняющей аппарат при
гидравлических испытаниях:

G₃ = V×g , (2.27)

где V – внутренний объем аппарата (см. исходные данные); - удельный вес воды,. g = 10 .

Рис.2.13. Расположение лап и штуцеров

K, K₁ для теплоносителя на корпусе

с неразъемной сварной рубашкой

5. Определяют максимальную нагрузку на одну опору:

(2.28)

где z - число опор; l = 1 (при z =2 и 3); l = 2 - при числе опор z = 4.

По табл. 24 или 26 выбирают опоры по условию Q_табл ³ Q_расч.