WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 16 |
Министерство образования Российской Федерации Томский политехнический университет В. М. БЕЛЯЕВ, В. М. МИРОНОВ КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ ОТРАСЛИ ЧАСТЬ I ТОНКОСТЕННЫЕ СОСУДЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ Учебное пособие Томск 2003 УДК 66.002.5.001.2(075.8) Беляев В. М., Миронов В. М. Конструирование и расчет элементов оборудования отрасли. Ч. I: Тонкостенные сосуды и аппараты химических производств: Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2003. – 168 с.

В пособии в краткой форме изложены теоретические и инженерные аспекты конструирования и расчета элементов тонкостенных сосудов и аппаратов химических производств, приведены примеры расчета. Приложение к пособию включает справочные данные по механическим свойствам материалов, которые необходимы при расчете элементов оборудования, а также требования к конструированию и изготовлению фланцевых соединений с необходимыми для расчета справочными материалами. Пособие подготовлено на кафедре общей химической технологии, соответствует программе первой части дисциплины «Конструирование и расчет элементов оборудования отрасли» по специальности 170500 – «Машины и аппараты химических производств» направления 655400 – «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», а также может использоваться при курсовом и дипломном проектировании студентами всех химических специальностей.

Печатается по постановлению Редакционно-издательского Совета Томского политехнического университета.

Рецензенты:

В. Л. Софронов – профессор кафедры машин и аппаратов химических производств Сибирского государственного технологического института, доктор технических наук;

Г. Г. Андреев – профессор кафедры технологии редких, рассеянных и радиоактивных элементов Томского политехнического университета, доктор технических наук.

Темплан 2003 © Томский политехнический университет, 2003 Основные условные обозначения с – прибавка к расчетному размеру;

с1 – прибавка для компенсации коррозии и эрозии;

сэ – прибавка на эрозию;

с2 – прибавка на компенсацию минусового допуска при прокате;

с3 – технологическая прибавка;

D – диаметр срединной поверхности обечайки;

Dн – наружный диаметр обечайки;

DВ – внутренний диаметр обечайки;

Dk – расчетный диаметр конуса;

Dпср – средний диаметр прокладки;

Е – модуль упругости материала;

Jk –момент инерции площади поперечного сечения кольца жесткости;

К – кольцевой момент;

М – меридиональный момент;

М0 – краевой момент;

[M]P – допускаемый изгибающий момент в пределах пластичности;

[M]E – допускаемый изгибающий момент в пределах упругости;

N – перерезывающая сила;

nT и nB – коэффициенты запаса прочности по пределу текучести и пределу прочности соответственно;

Р0 – краевая сила;

[P1]P – допускаемая сжимающая сила в пределах пластичности;

[P1]E – допускаемая сжимающая сила в пределах упругости;

рk – критическое наружное давление;

ру – условное давление;

рпр – пробное давление;

рR – расчетное давление;

р – рабочее давление;

[p] – допускаемое давление;

[p]p – допускаемое давление из условия прочности;

[p]E – допускаемое давление из условия устойчивости;

RВ – внутренний радиус оболочки;

s – исполнительный размер рассчитываемого элемента;

sR – расчетный размер рассчитываемого элемента;

Т – кольцевая сила, отнесенная к единице длины меридионального сечения;

U – меридиональная сила, отнесенная к единице длины кольцевого сечения;

П – проницаемость среды в материал (скорость коррозии), мм/год;

0 – линейная деформация от краевого эффекта;

- коэффициент уменьшения номинального допускаемого напряжения;

– коэффициент прочности продольного сварного шва;

k – коэффициент прочности сварного шва кольца жесткости;

Т – коэффициент прочности кольцевого сварного шва;

c – коэффициент прочности сварного шва конической обечайки;

[] – расчетное допускаемое напряжение, МПа;

ном – номинальное допускаемое напряжение, МПа;

Т и В – предел текучести и предел прочности материала, соответственно;

0,2 – условный предел текучести;

D – среднее значение предела длительной прочности за 105 часов при расчетной температуре;

1% – средний 1%-ный предел ползучести за 105 часов при расчетной температуре;

экв – эквивалентное напряжение;

max – максимальное напряжение;

min – минимальное напряжение;

m – меридиональное напряжение;

t – кольцевое напряжение;

tT – предел текучести материала стенки при ее температуре;

0 – угловая деформация от краевого эффекта;

– срок службы аппарата;

t T – параметр в формуле Саусвелла (2.15а).

ВВЕДЕНИЕ Целью механического расчета химического и нефтехимического оборудования является определение размеров отдельных элементов, обеспечивающих безопасную эксплуатацию машин и аппаратов за счет достаточной механической прочности, плотности разъемных соединений, устойчивости к сохранению формы и необходимой долговечности.

Конструкция аппарата должна предусматривать возможность внутреннего осмотра, очистки, промывки и продувки. Внутренние устройства, препятствующие осмотру, должны быть съемными. Рубашки допускается выполнять приварными. Аппараты должны иметь люки-лазы для внутреннего осмотра, расположенные в удобных для обслуживания местах. При наличии у аппарата съемных крышек или днищ и фланцевых штуцеров, обеспечивающих возможность внутреннего осмотра, лазы и люки в аппаратах не обязательны. Кожухотрубчатые теплообменники (за исключением испарителей с паровым пространством), а также аппараты с рубашкой для криогенных жидкостей допускается выполнять без лазов.



Для возможности проведения гидроиспытаний аппарат должен иметь штуцера для наполнения и слива воды, а также для поступления и удаления воздуха (можно использовать технологические). На вертикальных аппаратах эти штуцера должны быть расположены с учетом возможности гидроиспытаний в горизонтальном положении.

Для подъема и установки аппарата на нем требуется предусмотреть строповые устройства. Допускается для этих целей использовать имеющиеся на аппарате элементы (горловины, штуцера, уступы и др.), если прочность их при этом не вызывает сомнений, что должно быть проверено расчетом.

1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ХИМИЧЕСКОМ МАШИНОСТРЕНИИ Специфические условия эксплуатации химического оборудования, характеризуемые широким диапазоном давлений и температур при агрессивном воздействии среды, определяют следующие основные требования к конструкционным материалам:

- высокая химическая и коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах при рабочих параметрах;

- высокая механическая прочность при заданных рабочих давлениях, температуре и дополнительных нагрузках, возникающих при гидравлических испытаниях и в период эксплуатации аппаратов;

- хорошая свариваемость материалов с обеспечением высоких механических свойств сварных соединений;

- низкая стоимость и недефицитность материалов.

1.1. Критерии работоспособности материала Работоспособность материала оценивается критериями: прочностью, жесткостью, устойчивостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью.

Критерий прочности предполагает три ее вида: статическую, циклическую и контактную.

На статическую прочность рассчитывают:

а) аппараты под постоянным внутренним давлением;

б) быстровращающиеся диски и оболочки;

в) элементы машин и аппаратов, находящиеся под постоянной нагрузкой.

На циклическую прочность рассчитывают детали, находящиеся под переменной нагрузкой (валы, зубчатые колеса, пружины и т.п.).

На контактную прочность рассчитываются такие элементы машин и аппаратов, как пара бандаж-ролик, кулачок-толкатель и т.д.

Критерий жесткости является основным для таких элементов, как рамы, корпусные детали машин, нагружаемые статически, валы передач и т.д.

Критерий устойчивости учитывается при расчете оболочек, нагруженных наружным давлением или сосредоточенными силами, при расчете длинных штоков, стержней, стоек и т.п.

Критерий износостойкости используют при выборе деталей, подверженных ударным и истирающим воздействиям, например деталей дробилок и мельниц.

Критерий химической и коррозионной стойкости является основным при выборе конструкционного материала. Обычно выбирается материал, абсолютно или достаточно стойкий в среде при ее рабочей температуре и концентрации.

1.2. Основные конструкционные материалы Конструкционные материалы, используемые в химическом машиностроении, условно делятся на четыре класса:

- стали;

- чугуны;

- цветные металлы и сплавы;

- неметаллические материалы.

Стали. Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 1-2 %. Кроме того, в состав стали входят примеси кремния, марганца, а также серы и фосфора.

Стали по химическому составу делятся на несколько групп:

- углеродистые обыкновенного качества;

- углеродистые конструкционные;

- легированные конструкционные и др.

Сталь углеродистую обыкновенного качества изготавливают 20 марок химического состава, приведенных в ГОСТ 380-88, ГОСТ 16523-88.

Сталь углеродистая обыкновенная делится на несколько категорий – 1, 2, 3, 4, 5, 6, чем больше номер, тем выше механическая прочность стали и ниже ее пластичность. По степени раскисления стали всех категорий изготавливают кипящими (кп), полуспокойными (пс) и спокойными (сп).

В табл. 1.1 приведены примеры использования углеродистой стали обыкновенного качества в химическом машиностроении.

Свойства углеродистой стали обыкновенного качества значительно повышаются после термической обработки, которая для проката может выражаться в его закалке, либо непосредственно после проката, либо после специального нагрева.

Таблица 1.Углеродистая сталь обыкновенная Сталь Назначение Ст3пс, Несущие элементы сварных и несварных конструкций, раСт3сп ботающих при положительных температурах Несущие элементы сварных конструкций, работающих при Ст3пс5, переменных нагрузках в интервале температур Ст3спот -30 до+425 °С Детали клепаных конструкций, трубные решетки, болты, Ст5пс, гайки, стержни и др. детали, работающие при температуСт5сп рах от 0 до 425 °С Например, термическое упрочнение листового проката из стали марок Ст3, Ст3кп при охлаждении в воде повышает предел текучести более чем в 1,5 раза при высоком (1526 %) относительном удлинении.





Термическая обработка низкоуглеродистых сталей не только улучшает механические свойства сталей, но и приносит значительный экономический эффект.

Стали углеродистые конструкционные выпускаются по ГОСТ 1050-следующих марок: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 45, 55, 58 и 60. В зависимости от степени раскисления по ГОСТ 1050-88, выпускаются следующие марки стали: 05кп, 08кп, 08пс, 10кп, 10пс, 11кп, 15кп, 18кп, 20кп и 20пс.

В табл. 1.2 приведены примеры, использования углеродистой конструкционной стали в химическом машиностроении.

Таблица 1.Углеродистая сталь конструкционная Сталь Назначение 08кп, 08пс, Патрубки, днища, испарители, конденсаторы, трубные ре08, 10кп, шетки, трубные пучки, змеевики и другие детали, рабо10пс, 10, тающие под давлением при –40 +425 °С 11кп Патрубки, штуцера, болты, трубные пучки, корпуса аппара15кп, 15пс, тов и другие детали аппаратов в котлотурбостроении и хи15, 20кп, мическом машиностроении, работающих под давлением 18кп, 20пс, при температурах –40 +425 °С, из кипящей стали –20, +425 °С Патрубки, трубные пучки и решетки, змеевики и штуцера, 10Гработающие при температурах до -70 °С под давлением Для улучшения физико-механических характеристик сталей и придания им особых свойств (жаропрочность, кислотостойкость, жаростойкость и др.) в их состав вводят определенные легирующие добавки.

Наиболее распространенные легирующие добавки:

- хром (Х) – повышает твердость, прочность, химическую и коррозионную стойкость, термостойкость;

- никель (Н) – повышает прочность, пластичность и вязкость сталей;

- вольфрам (В) – повышает твердость стали, обеспечивает ее самозакаливание;

- молибден (М) – повышает твердость, предел текучести при растяжении вязкости, улучшает свариваемость;

- марганец (Г) – повышает твердость, увеличивает коррозионную стойкость, понижает теплопроводность;

- кремний (С) – повышает твердость, прочность, пределы текучести и упругости, кислотостойкость;

- ванадий (Ф) – повышает твердость, предел текучести при растяжении, вязкость, улучшает свариваемость стали и увеличивает стойкость к водородной коррозии;

- титан (Т) – увеличивает прочность и повышает коррозионную стойкость стали при высоких (>800°С) температурах.

Обычно в состав легированных сталей входит несколько добавок. По общему содержанию легирующих добавок легированные стали делят на три группы:

- низколегированные – с содержанием добавок до 3 %;

- среднелегированные – с содержанием добавок от 3 до 10 %;

- высоколегированные – с содержанием добавок > 10 %.

В табл. 1.3 приведены примеры использования легированных сталей в химическом машиностроении.

Таблица 1.Легированные конструкционные стали Сталь Назначение Коррозионно-стойкие стали для применения в слабоагрессивных средах Азотная и хромовая кислоты различной концентрации при температуре не более 25 °С. Уксусная кислота концентрации 08Х13, <5 % при температуре до 25 °С. Щелочи (аммиак, едкий натр, 12Хедкое кали). Соли органические и неорганические при температуре не более 50 °С и концентрации менее 50 % Обладают повышенной твердостью, хорошей коррозионной 30Х13, стойкостью во влажном воздухе, водопроводной воде, в неко40Х13 торых органических кислотах, растворах солей и щелочей, азотной кислоте и хлористом натре при 20 °С 12Х17 Окалиностойкая – до 850 °С.

Заменители сталей 12Х18Н9Т, 17Х18Н9, 12Х18Н10Т для 10Х14АГ15, оборудования работающего в слабоагрессивных средах, а так 10Х14Г14Н4Т, же изделий, работающих при повышенных температурах (до 12Х17Г9АН+400 °С) и пониженной температуре (до -196 °С) Коррозионно-стойкие стали для сред средней агрессивности Заменители стали марки 12Х18Н10Т и 12Х18Н9Т для сварных конструкций, не подвергающихся воздействию ударных на08Х17Т, грузок при температуре эксплуатации не ниже -20 °С. Для труб 08Х18Т, теплообменной аппаратуры. Эксплуатировать в интервале 15Х25Т температур 400-700 °С не рекомендуется. Стойкие к действию азотной, фосфорной, лимонной, уксусной, щавелевой кислот разных концентраций при температурах не более 100 °С Заменитель сталей 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т. Обладает более высокой прочностью, чем эти стали, и используется для изго08Х22Н6Т, 08Х18Г8Н2Т товления сварной аппаратуры, работающей при температуре не выше 300 °С Заменитель стали 12Х18Н9Т для сварных и паяных конструк12Х21Н5Т ций 07Х21Г7АН5, Для сварных изделий, работающих при криогенных темпера12Х18Н9, турах (до –253 °С) 08Х18Н Окончание табл. 1.12Х18Н9Т, Высокая коррозионная стойкость по отношению к азотной, хо12Х18Н10Т, лодной фосфорной и органическим кислотам (за исключением 12Х18Н12Т уксусной, муравьиной, молочной и щавелевой), к растворам многих солей и щелочей, морской воде, влажному воздуху.

Неустойчивы в соляной, серной, плавиковой, горячей фосфорной, кипящих органических кислотах. Обладают удовлетворительной сопротивляемостью к межкристаллитной коррозии 08Х18Н12Б Обладает более высокой стойкостью, чем сталь 12Х18Н10Т.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 16 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.