Расчет массы аппарата

7.8 Расчет массы аппарата

Масса корпуса аппарата

m_к = 0,785(D_н²-D_вн²)Нρ

где D_н = 2,36 м – наружный диаметр корпуса;

D_вн = 2,00 м – внутренний диаметр корпуса;

Н = 29 м – высота цилиндрической части корпуса

ρ = 7800 кг/м3 – плотность стали

m_к = 0,785(2,362-2,02)29·7800 = 845503 кг

Общая масса аппарата.

Принимаем, что масса вспомогательных устройств (штуцеров, фланцев и т.д.) составляет 10% от основной массы аппарата, тогда

m = 0,1(m_к + m_вс + m_д + m_кр) = 657771 кг = 6,45 МН

Масса аппарата заполненной водой при гидроиспытании.

Масса воды при гидроиспытании

m_в = 1000(0,785D_к² · H_ц.к + V_д + V_кр) =

= 1000(0,785·2,02·18,3 +0,26 + 1,42) = 66914 кг

Максимальный вес аппарата

m_max = m + m_в = 657771 + 66914 = 724685 кг = 7,10 МН

7.9.Расчет аппарата на сейсмическую нагрузку

Рисунок10 – расчетная схема аппарата

Отношение H/D = 32/2,0 = 16 > 15, следовательно, расчетная схема принимается в виде консольного стержня с жесткой заделкой. Условно разбиваем по высоте аппарат на 4 участка по 8 метров, вес участка принимается сосредоточенным в середине участка.

Период свободных колебаний:

,[8 c.2]

где Е – модуль продольной упругости Е = 2·10⁵МПа

 I – экваториальный момент инерции площади сечения верхней части корпуса аппарата относительно центральной оси (м⁴)

 = 3,14/64·[(2+2·0,18)4 – 24] = 0,74 м⁴

Тогда

Т = 1,8·32·(7,1·106·32/9,81·2·1011·0,74)^0,5 = 1 с^-1

Величина сейсмической силы в середине i-го участка.

При Н/D > 15

где К_с = 0,05 – сейсмический коэффициент при 8 балах [2 c.693];

 β = 0,55 - коэффициент динамичности;

 G_i – сила тяжести i-го участка.

Принимаем, что масса аппарата распределена по высоте равномерно, тогда

G_i = 7,10/4 = 1,78 МН

Предварительно рассчитываем суммы

∑G_ix²_i = 1,78(4,02+12,02+20,02+28,02) = 2393 МН·м²

∑G_ix⁴_i = 1,78(4,04+12,04+20,04+28,04) = 1,41·106 МН·м ⁴

Сейсмическая сила в середине каждого участка

Р₁ = 0,05·0,55·1,78·28,02·2393/1,41·106 = 0,0648 МН

Р₂ = 0,05·0,55·1,78·20,02·2393/1,41·106 = 0,0330 МН

Р₃ = 0,05·0,55·1,78·12,02·2393/1,41·106 = 0,0118 МН

Р₄ = 0,05·0,55·1,78·4,02·2393/1,41·106 = 0,0014 МН

Расчетный изгибающий момент в нижнем сечении опоры аппарата от сейсмической нагрузки при учете первой формы колебаний

= 0,0648·28,0+0,0330·20,0+0,0118·12,0+0,0014·4,0 = 2,616 МН·м

Расчетный изгибающий момент в том же сечении опоры с учетом влияния высших форм колебаний

М_с1 = 1,25М_с = 1,25·2,616 = 3,270 МН·м

Условие устойчивости:

, [8 c.2]

где N – суммарная осевая нагрузка

,

где к – коэффициент, учитывающий вес внутренних устройств

 γ – удельный вес материала

N = 0,804 МН

 [8 c.7]

где  - эмпирический коэффициент

 = 1/1+15,3[215·106/2·1011(2/0,18-0,001)]² = 1,53

[М] = 0,785·1,53·145·10⁶·2²·(0,18-0,001) = 125,2 МПа

N = 3,14·2·(1,18 – 0,001) ·1·145·10⁶ = 163 МН

0,804/163 + 3,27/125,5 = 0,03

0,03‹1 – условие выполняется.

7.10 Расчет опоры аппарата

Аппараты вертикального типа с соотношением Н/D > 5, размещаемые на открытых площадках, оснащают так называемыми юбочными цилиндрическими опорами, конструкция которых приводится на рисунке.

Рисунок11 – Опора аппарата

Принимаем толщину цилиндрической стенки опоры S= 20 мм.

Материал опоры сталь Ст 3 ГОСТ 380-88

σ_в = 380 МПа; σ_т = 220 МПа; Е = 2,10·10⁵ МПа; [σ] = 146 МПа

Диаметр опоры равен 2,80 м.

Размеры опорного кольца.

Внутренний диаметр кольца принимаем D₂ = 2,65 м

Наружный диаметр кольца принимаем D₁ = 3,12 м

Опорная площадь кольца

F = 0,785(D₁² – D₂²) = 0,785(3,122 – 2,652) = 2,13 м²

Момент сопротивления опорной площади кольца

W = π(D₁⁴ – D₂⁴)/32D₁ = π(3,124 – 2,654)/32·3,12 = 1,43 м⁴

Напряжение сжатия в стенке опоры с учетом отверстия для лаза

d = 0,5м

σ_с = G_max/[π(D+S) – d](s - c) =

= 7,10/[π(2,80+0,020) – 0,5](0,020-0,001) = 44,7 МПа

Напряжение на изгиб в стенке опоры

σ_и = М/π(D + s)2(s - c) =

= 3,270/π(2,80+0,020)2(0,020-0,001) = 6,9 МПа

Отношение

D/2(s - c) = 2,82/2(0,020– 0,001) = 74

по этой величине по графику [2c.418] находим коэффициенты:

k_и = 0,08; k_c = 0,06

K_c = 875σ_тk_c/E = 875·220·0,08/2,1·105 = 0,073

Kи = 875σ_тk_и/E = 875·220·0,06/2,1·105 = 0,055

Допускаемые напряжения на сжатие и изгиб в обечайке опоры

[σ_с] = К_сЕ(s - c)/D = 0,073·2,10·10⁵(0,020 – 0,001)/2,80 = 104 МПа

[σ_и] = К_иЕ(s - c)/D = 0,055·2,10·10⁵(0,020 – 0,001)/2,80 = 78 МПа

Устойчивость цилиндрической опоры

 = 44,7/104 +6,9/78 = 0,52 < 1

устойчивость обеспечена.

Максимальное напряжение на сжатие в сварном шве, соединяющем цилиндрическую опору с корпусом аппарата, при коэффициенте сварного шва φ_ш = =0,7

 =

7,10/0,7π(2,80+0,020)(0,020 – 0,001) + 4·3,270/0,7π(2,80+0,020)2(0,020– 0,001) = 99,6 МПа < [σ_с]

Максимальное напряжение сжатия на опорной поверхности кольца

7,10/2,13+ 3,270/1,43 = 5,6 МПа < 10 МПа

Номинальная расчетная толщина опорного кольца при l = 0,1 м

 1,73·0,1(5,6/146)^0,5 = 0,034 мм

с учетом прибавки на коррозию принимаем округляя размер s = 0,036 м

Наименьшее напряжение на опорной поверхности кольца:

при максимальной силе тяжести аппарата

 7,10/2,13 – 3,270/1,43 = 1,05 МПа

при минимальной силе тяжести аппарата

 6,45/2,13 – 3,270/1,43 = 0,74 МПа

Расчетным является наибольшее по абсолютной величине значение σ – при максимальной силе тяжести аппарата.

Общая условная расчетная нагрузка на фундаментные болты

Р_б = 0,785(D₁² – D₂²) ·σ = 0,785(3,122 – 2,652)1,05·10⁶ = 1,76 МН

Принимаем количество фундаментных болтов z = 8, тогда нагрузка на один болт

Р_б1 = 1,76/8 = 0,22 МН

Расчетный внутренний диаметр резьбы фундаментных болтов

 (4·0,22/π·453)^0,5 + 0,001 = 0,026 м

принимаем болты М42, у которых d₁ = 35,6 мм

Диаметр болтовой окружности

D_б = D + 2S + 0,12 = 2,80+ 2·0,020+ 0,12 = 2,96 м

Принимаем D_б = 3,00 м.

Заключение

колонна синтез карбамид

В данной работе проведены технологические расчеты колонны синтеза карбамида, работающей при давлении 28МПа, обеспечена ее герметичность за счет введения в конструкцию двухконусного обтюратора. Рассчитана толщина стенки корпуса колонны (0,18 м), а также эллиптического днища (0,12 м) и плоской крышки (0,55 м), проведена оптимизация размеров колонны методом последовательной частной оптимизации. Элементы аппарата рассчитаны на прочность и сейсмическую нагрузку. Также выполнены следующие чертежи:

- технологическая схема производства карбамида (2 листа формата А1);

- колонна синтеза карбамида (2 листа формата А1);

Список использованных источников

 

1.  Атрощенко В.И., Гелперин И.И. Методы расчетов по технологии синтеза связанного аммиака. 320с

2.  Сосуды и трубопроводы высокого давления: Справочник/ Хисматуллин Е.Р., Королев Е.М., Лившиц В.И. и др. – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.

3.  ГОСТ 25215-82: «Сосуды и аппараты высокого давления. Обечайки и днища. Нормы и методы расчета на прочность».

4.  Ложкин А.Ф., Рябчиков Н.М., Ведерников С.А.: Учебное пособие. Пермь. Пермский Политехнический институт, 1978 – 137с.

5.  ГОСТ 26303-84: «Сосуды и аппараты высокого давления. Шпильки. Методы расчета на прочность».

6.  ОСТ 26373-78 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность фланцевых соединений».

7.  Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И.: Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированиию – М: Химия, 1991 – 496с.

8.  51273-99: «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность».