Расчёт колоны

4.Розрахункова частина

Апарат діаметром 1000 мм оснащений двома шарами  насипної насадки, розподільними тарілками  ТСН- III і ТСН- II, опорними гратами, опорою, люками, днищами і фланцями. Корпус - суцільнозварною зі знімною кришкою.

Приєднання трубопроводів до апарату здійснюється за допомогою штуцерів.

 

4.1. Загальні відомості

Розрахункова температура: 20;;

Робочий тиск: 0,2 МПа(1 атм.);

Тиск при гідравлічних випробуваннях : 0,3МПа(3 атм.);

Матеріал: сталь Х18Н10Т;

Напруга, що допускається : [σ] = η · σд* = 1 · 146 = 146 МПа;

Модуль подовжньої пружності : Е = 2 · 105 МПа;

Коефіцієнт міцності зварних швів : φ = 1(стиковою з двостороннім суцільним проваром, виконаний автоматичним зварюванням) ГОСТ 14249-89.

 

4.2. Розрахунок товщини обичайки

Розрахунок товщини обичайки проводимо відповідно до ГОСТ 14249-89.

s ³ s_p+c,

де sp - розрахункова товщина стінки елементу посудини і апарату

Визначаємо відношення визначальних параметрів σд і p з урахуванням коефіцієнта φ:

[σ] / p · φ = 146 / 0,21 · 1= 695.238> 25.

Номінальну розрахункову товщину стінки обичайки для цього відношення визначаємо по формулі:

sр = Dв · p /  (2 · [σ] · φ-0.5*p)  = 1· 0,2 / (2 · 146 · 1-0.5*0.2) =0,68· 10^-3 м = 0,68 мм

З = Ск + Сэ + С0 = 0,5 + 0 + 0,28 = 0,78мм

Ск- Прибавка на корозію;

Сэ- прибавка на ерозію;

С0- конструктивна прибавка;

Товщина стінки обичайки з урахуванням  надбавок:

s = sр + C = 0,68+ 0,78 = 1,46 мм

 

З конструктивних міркувань  приймаємо товщину стінки  обичайки  

s = 8мм .          

Перевіримо умову(s - Ск)  / Dв ≤ 0,1 :

(8 – 0,5) / 1000 = 0,00075 < 0,1, т. е. умова виконана.

Визначимо тиск, що допускається, в  обичайці:

[P] = 2  * [σ] *  φ  *  (s - Ск)  /  (Dв +  (s - Ск))  = 2 *  146 *  1  *  (0,008 - 0,0005)  / (1 + (0,008 - 0,0005) = 1,453МПа.

Для гідравлічних випробувань:

Sр=1· 0,3/ 2 · 146 · 1=1,027 мм

S=1,027+0,78=1,807мм.

 

4.3. Розрахунок товщини днища і кришки

Днище і кришка циліндричного  апарату мають еліптичну форму. Розрахунок проводиться для умов випробувань.

Верхнє днище(кришка)

Толщину стенки s₁ следует рассчитывать по формулам

 

s₁ ³ s_1p+c,

Де R=D- радіус кривизни ГОСТ 14249-89.

Визначуваний коефіцієнт послаблення  днища отвором :

φ₀ =  (Dв - d)  / Dв =  (1 - 0,25)  / 1 = 0,75; φ0 < φ => φ = φ0.

Визначаємо відношення визначальних параметрів σ_д і p з урахуванням коефіцієнта φ:

[σ] / p *  φ_{0  =} 146 / 0,2* 0,75 = 0.973*10^-3> 25.

Номінальну розрахункову товщину стінки днища для цього  відношення визначаємо по формулі:

S1р= Dв *  p /  (2 *  [σ] *  φ0)  = 1* 0,3 / 2*146 * 0,75 = 10,3*10^-4м = 1,03мм.

Товщина стінки обичайки з урахуванням надбавок:

s = sр + C = 1,03+ 0,78 = 1,081мм. 

З конструктивних міркувань  приймаємо товщину стінки  обичайки  

s = 8мм .          

Перевіримо умову ((s - Ск)  / Dв) ≤ 0,125 :

(8 – 0,5) / 1000 = 0,00075 < 0,125, т. е. умова виконана.

Визначимо тиск, що допускається, в обичайці:

[p] = 2 *[σ] *φ0* (s - Ск)  /  (Dв +  (s - Ск))  = 2 *146 *0,75 *(0,008 - 0,0005)  / (1+ (0,008 - 0,0005) = 1,437 МПа.

Нижнє днище

Визначуваний коефіцієнт послаблення днища отвором :

φ₀ =  (Dв - d)  / Dв =  (1- 0,05)  / 1= 0,95; φ0 < φ => φ = φ0.

Визначаємо відношення визначальних параметрів σ_д і p з урахуванням коефіцієнта φ:

[σ] / p   φ_{0  =} 146 / 0,2   0,95 = 0,768*10^-3 > 25.

Номінальну розрахункову товщину  стінки днища для цього відношення визначаємо по формулі:

s_р= Dв *p /(2*[σ]*φ₀)  = 1*0,3 / 2 *146 *0,95 = 7,2*10^-4 м =0, 72 мм

Товщина стінки обичайки з урахуванням  надбавок:

s = sр+ C = 0,72+0,78 = 1,5 мм

 З конструктивних міркувань приймаємо товщину стінки  обичайки  

s = 8мм           

Перевіримо  умову (s - Ск)  / Dв ≤ 0,125 :

(8– 0,5) / 1000 = 0,00075< 0,125, т. е. умова виконана.

Визначимо тиск, що допускається, в обичайці:

[p] = 2*[σ]*φ₀*(s - Ск)  /  (Dв +  (s - Ск))  = 2*146 *0,95*(0,008 - 0,0005)  / (1 + (0,008 - 0,0005) = 1,554 МПа.

Конструктивні розміри  еліптичного днища приведені  у табл. 4.1

 

Табл. 4.1 Днище 1000 06Х18Н10Т ГОСТ 6533-68

Dв, мм	h, мм	hв, мм	Fв,  м2	VД, м3	D, мм	m, кг
1000	25	350	1,593	0,284	1696	106

Рис 4.3.1. еліптичне днище

 

4.4 Вибір і розрахунок фланцевого з'єднання

 

Конструкція фланця представлена на мал.4.4.1, а тип ущільнення — на рис.4,4.1. Фланцеві з'єднання(мал.4.4.1)- найбільш широко уживаються вид роз'ємних єднань в хімічному машинобудуванні, що забезпечує герметичність і міцність конструкцій, а також простоту виготовлення, розбирання і збірки. З' єднання складається з двох фланців, болтів і прокладення, яка встановлюється між поверхнями ущільнювачів і дозволяє забезпечити герметичність при відносно невеликому зусиллі затягування болтів.

По конструкції фланці можна розділити на цілі(рис.4.4.1, а, б), коли корпус апарату і фланець працюють під навантаженням разом, і вільні(мал. 4.4.1, в), коли корпус апарату розвантажений від дії моментів, що вигинають при затягуванні фланцевого з'єднання. Конструкція фланців значною мірою визначається  тиском робочого середовища  і вимогами мінімальних витрат годині на складання або розбирання з'єднання. Плоскі приварні фланці( рис 4.4.1, а) є плоскі кільця, приварені до краю обичайки по її периметру. Їх рекомендується застосовувати при умовному тиску від 0,3 до 1,6 МПа і температурі до 300  С.

 

 

а	б	в

Мал. 4.4.1. Типи фланців: а — плоский приварний; б — приварний встик; в - вільний

 

Фланці приварні в стик мають конічні втулки-шийки.

Втулку фланця приварюють стиковим швом до обичайки. Межі застосування фланців приведені в [2].

Вільні фланці представляють з  собі: кільця, діаметр отвору яких дещо більше зовнішнього діаметру обичайки, на якові їх вільно надягають. При  затягуванні фланець упирається у відбортовку обичайки або кільце, що приварюється до її краю. Такі фланці застосовують при умовному тиску до 1,6 МПа і температурі до 300  З, а число циклів навантаження не повинне перевищувати . Зазвичай їх застосовують в апаратах, що виготовляються з м'яких(мідь, алюміній) або крихких матеріалів(кераміка, стекло).

Так, як робочий тиск в апараті p = 0,2 МПа, то вибираємо плоскі приварні фланці(мал. 2а)

Конструктивні розміри фланця.

Товщина втулки прийнята =25мм, що задовольняє умові:

;     

мм

Товщина втулки за формулою:

;    

де  = 1,5 при D/ =1000/25=40 [1].

мм

Висота втулки за формулою:

;    

мм

Еквівалентна товщина втулки фланця

;   

мм

Діаметр болтового кілка за формулою::

;    

де u = 8 мм;

    - діаметр стяжних болтів, м

=20мм при =0,21МПа і D=1000мм

мм

приймаємо 1090мм.

Зовнішній діаметр фланця:

;    

а= 40мм для шестигранних гайок М20 [1]

мм

З конструктивних міркувань приймаємо  1130мм.

Зовнішній діаметр прокладення

;     

мм

е= 30мм при  =20мм [1]

Середній діаметр прокладення

;    

де b - ширина плоскої неметалічної прокладення, м

b= 15мм при D=1000мм [1]

мм

Кількість болтів за формулою:

;    

де  - крок розташування болтів, м

=(3÷3,8) = =70мм

Приймаємо 48(кратне 4).

Товщина фланця за формулою:

;    

де  = 0,27 при =0,2МПа і приварних встик фланців [1]

мм

Приймаємо =52мм.

Відстань між опорними поверхнями гайок для фланцевого з' єднання  з поверхнею ущільнювача типу «шпилька-паз»

;    

де  — товщина стандартної прокладення, м.

= 2 мм

мм

Навантаження, що діють на фланець.

Рівнодіюча внутрішнього тиску

;    

МН.

Реакція прокладення за формулою:

;   

де  =2,5 - для пароніту [1];

 – ефективна ширина прокладення, м.

;   

мм

МН.

Зусилля, що виникає від температурних деформацій за формулою:

;  

де  і - відповідно коефіцієнти лінійного розширення матеріалу фланців і болтів [1];

 – розрахункова температура неізольованих фланців;

 – розрахункова температура болтів;

МПа — для болтів із сталі 20;

 – площа поперечного перетину болта ;

 – кількість болтів, шт.;

 – податливості, відповідно болтів, прокладення, фланців, м/МН.

До;

До;

Податливість болтів:

;    

де  — розрахункова довжина болта, м;

;    

мм

Податливість прокладення :

;     

де  = 2000 МПа -для прокладення з пароніту [1];

Податливість фланця:

;     ;     

.

;     

 

при

Е= МПа — для фланця із сталі 20.

;    

;

.

Тоді

;   

МН.

Коефіцієнт жорсткості фланцевого з' єднання за формулою:

;  

Болтове навантаження в умовах монтажу  до подачі внутрішнього тиску

;    

де  = 20 МПа для - паронітової прокладення [1].

МН.

Болтове навантаження в робочих  умовах за формулою:

;    

МН

Приведень момент, що вигинає, за формулою:

;

де  = 136МПа; = 140 МПа - відповідно для матеріалу фланця при 20  З і розрахунковій температурі t= 401К [1].

Перевірка міцності і герметичності  з' єднання.

;     

 

де  =150Мпа= - для матеріалу болтів при 293К.

Умови міцності болтів виконуються:

Умова міцності неметалічної прокладення :

;    

де  =130 МПа — для прокладення з пароніту [1]

Умова міцності виконується:

Максимальна напруження в перетині фланця, обмеженому розміром за формулою:

;     

де D*=D=1м

;   

;

МПа.

Максимальна напруження в перетині фланця, обмеженому розміром, за формулою:

;    

де  = 2,2 при =1

МПа.

Окружна напруга в кільці фланця за формулою:

;    

МПа.

Напруження у втулці від внутрішнього тиску :

Тангенціальне:

;     

МПа.

Меридіональне:

;    

МПа.

Умова міцності для перетину фланця, обмеженого розміром

 

;

 

де  =220 МПа — напруження, що допускається, рівна межі текучості стали 12МХ при t=335К [1].

 

Умова міцності виконується.

 

Умова міцності для перетину, обмеженого розміром :

 

; 

де  =220МПа - для фланця із сталі 20

 

Умова міцності виконується.

 

Умова герметичності фланця: