Конструктивный расчет выпарной установки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Выбор конструкционных материалов

 
           В химическом машиностроении применяются  главным образом черные металлы, а в некоторых случаях цветные  металлы и сплавы. Имеют также  широкое применение детали и изделия  из пластических масс. Аппаратура должна быть изготовлена ​​из материала, который должен отвечать определенным требованиям: быть стойким к воздействию среды, легко поддаваться обработке и по возможности, быть недорогим. Поскольку совместить все эти требования в одном материале невозможно, то выходят из этого, как ответственная эта деталь или нет, легко ли ее заменять, можно использовать доступные способы защиты и тому,подобное. 
Для оценки устойчивости материалов к воздействию агрессивной среды используют десятибалльную шкалу устойчивости - табл. 5.1.

Таблица 5.1. 
Десятибалльная шкала оценки коррозионной стойкости металлов

Группа стойкости	П, мм / год	Бал устойчивости
І. Вполне устойчивые	Меньше за 0,001	1
ІІ. Весьма устойчивы	0,001 - 0,005 0,005 - 0,01	2 3
ІІІ. Устойчивые	0,01 - 0,05 0,05 – 0,10	4 5
ІV. Пониженной устойчивости	0,10 - 0,50 0,5 – 1,0	6 7
V. Малоустойчивы	1,0 – 5,0 5,0 – 10,0	8 9
VІ. Неустойчивые	Более за 10,0	10

 

Углеродистая сталь обыкновенного  качества подразделяется на две группы и одну подгруппу. В группу А относится  сталь, поставляемая только по механическим свойствам, в группу Б - сталь поставляемая только по химическому составу, к  подгруппе В - сталь поставляемая по механическим свойствам и с  дополнительными требованиями по химическому  составу.

Выбираем конструкционный  материал, стойкий в среде кипящего раствора NaOH в интервале изменения концентраций от 4 до 10%. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17, имеющая скорость коррозии мене 0,1 мм в год, коэффициент теплопроводности ƛст=25,1 Вт/м·К.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            

 

3.Конструктивный расчет выпарной установки

3.1  Расчет обечайки греющей части аппарата.

Исходные данные по расчету:

Диаметр корпуса, м	0,96
Длина корпуса, м	6,1
Рабочее расчетное давление, МПа	0,5
Температура стенки, °С	150
Материал аппарата	Х17
Срок службы аппарата, лет	15
Допустимые напряжения, МПа	196,15
Модуль продольной упругости, МПа	2×105

 

Определяем, давление на которое  необходимо рассчитать аппарат :

р_R=р × rgh         (1)

р_R =0,5 × 10⁶ + 1000 × 9,81 × 6,1=1,06 × 10⁶ Па = 0,56 МПа.

Определяем расчетную толщину стенки :

                                                         (2)

Определим прибавку к расчетной  толщине стенки :

с=с₁+с₂+с₃  ,                                                   (3)

где    с₁= П × Т = 0,01 × 15 =1,4 мм=0,0015 м;

         с₂= ±0,8 мм = 0,0008 м ;

         с₃= 3 мм = 0,003 м.

Получим полную толщину стенки греющей камеры:

Определим максимально допустимое давление :

                                                                        (4)

Поскольку р_р < [р] то толщина обечайки рассчитана правильно.

 

3.2.1  Расчет обечайки сепаратора.

Исходные данные по расчету:

Диаметр корпуса, м	1,6
Длина корпуса, м	4,3
Рабочее расчетное давление, МПа	0,5
Температура стенки, °С	150
Материал аппарата	Х17
Срок службы аппарата, лет	15
Допустимые напряжения, МПа	196,15
Модуль продольной упругости, МПа	2×105

 

Определяем, давление на которое  необходимо рассчитать аппарат :

р_R=0,5 МПА

Определяем расчетную толщину стенки :

                                                     (5)

Определим прибавку к расчетной  толщине стенки :

с=с₁+с₂+с₃  ,

где    с₁= П × Т = 0,01 × 15 =1,4 мм=0,0015 м;

         с₂= ±0,8 мм = 0,0008 м ;

         с₃= 3 мм = 0,003 м.

Получим полную толщину стенки греющей камеры:

Определим максимально допустимое давление :

                                                                            (6)

Поскольку р_р < [р] то толщина обечайки рассчитана правильно.

3.3  Расчет фланцевого соединения.

3.3.1  Конструктивные размеры фланца.

Внутренний диаметр фланца D: 1600 мм.

Толщина обечайки S: 10 мм.

Толщина втулки принята S₀=11 мм, что удовлетворяет условию :

S<S₀<S×1,3     10<11<13

и

 S₀-S<5           11-10=1<5

Толщина S₁ втулки по формуле :

(7)

где

 

.

Тогда толщина втулки из ():

Высота втулки по формуле 

(8)

Отсюда 

Принимаем h_b=0,60 м.

Эквивалентная толщина втулки фланца :

(9)

Подставим и получим:

Диаметр окружности по формуле :

Dб>D + 2(S1+dб+U),

(10)

где

d_б=20 мм;

  U=6 мм - нормативный зазор между гайкой [2], т.1.40.

 D_б> 1600+2(48+20+6)=1748 мм.

Принимаем D_б=1760 мм =1,76 м.

Наружный диаметр фланца :

DH=Dб+а

(11)

где

а=40 мм - для шестигранных гаек М20 ([], т.1.41).

DH= 1760+40=1800 мм,

Принимаем D=1800 мм=1,8 м.

Наружный диаметр прокладки :

Dн.п.=Dб-e,

(12)

где

е=30 мм - для плоских прокладок  при d_б=20 мм.

Подставим значения и получим:

Dн.п.= 1760-30=1730 мм.

Средний диаметр прокладки  определяется по формуле:

Dc.п.=Dн.п.-в=1730-20=1710 мм.

(13)

где

в = 20 мм -  ширина  плоской  неметаллической прокладки для  диаметра аппарата

                           D=1600 мм.

Отсюда

Dc.п.= 1730-20=1710 мм.

Количество болтов по формуле :

(14)

Где

 t_m=5d_b=5×20=100 мм - шаг расположения болтов при р=0,1 МПа ([], т. 1.43)

Тогда

Принимаем n_b=56, кратное четырем.

Высота (толщина) фланца :

(15)

Где

 l=0,22 для р=0,1 МПа и приварных фланцев.

 Принимаем h_ф=50 мм.

Расстояние между опорными поверхностями гаек для фланцевого соединения с уплотнительной поверхностью типа шип-паз (ориентировочно) :

Lб.о.»2(hф+hп)

(16)

Где

 h_п=2 - высота стенки прокладки.

Отсюда

L_б.о.=2(50+2)=104 мм = 0,104 м,

3.3.2  Нагрузка действующая на фланец.

Равнодействующая внутреннего  давления определяется по формуле:

(17)

Тогда равнодействующая внутреннего  давления имеет значение:

Реакция прокладки по формуле :

(18)

Где

 к_пр=2,5 для паронита ;

      b₀ - эффективная ширина прокладки :

     

Тогда

Усилие возникающее от температурных деформаций :

(19)

где

a -  коэффициенты  линейного расширения  материала фланца (Х17)  и материала болта (35Х).

t_p=0,96t=96°С - расчетная температура легированных фланцев;

t_б=0,95 × 100=95°С - расчетная температура болтов;

Е_б=1,9 × 10⁵ МПа для болтов из стали 35Х;

f_б=2,35 × 10^-4 м² - дл болтов диаметром М20;

n_б=56 - количество болтов;

у - податливости болтов, фланцев  и прокладки, определяемые по формулам:

	(20)
	(21)
	(22)

где

Тогда подставим значения и получим:

Окончательно получаем по формуле (42):

 

Коэффициент жесткости фланцевого соединения находим по формуле:

(23)

Отсюда

 

Болтовая нагрузка в условиях монтажа до подачи внутреннего давления :

(24)

где р_пр=20 МПа - допустимое давление паронитовой прокладки.

Тогда

Болтовая нагрузка в рабочих  условиях :

F_б2 =  F_б1 + (1-К_ж)F_Д + F_t ,