Выбор комплектующих элементов

Выделяются следующие основные составные элементы аппарата с мешалкой:

1) корпус, включающий ряд элементов и устройств (змеевик, перегородки, крышка корпуса, фланцевое соединение отъёмной крышки и т.д.);

2) привод механического устройства;

3) вал мешалки;

4) мешалка;

5) муфта вала;

6) уплотнение вала мешалки

Каждый из перечисленных типовых элементов имеет несколько конструктивных разновидностей. Многообразие типовых элементов связано как с их функциональным назначением, так и с технологией их изготовления, определяющей стоимость изделия. Для обозначения разновидностей типового элемента используют такие термины, как тип и исполнение. Внутри каждого типа и исполнения типовые элементы отличаются друг от друга размерами и, как следствие, рабочими характеристиками. Тип и принятые размеры изделия в совокупности определяют его габарит или типоразмер.

 

Таблица 3 - Выбор типовых элементов аппарата

Типовой элемент	Исходные параметры для получения данных о типовом элементе или для выбора типового элемента	Параметры типового элемента
Корпус аппарата	Обозначение Объём, V Вн. Диаметр,D	Корпус ВЭЭ-1-14,0-2400 ГОСТ 9931-85 Ст3сп5 ГОСТ 380-94
Люк	Условный проход, Dл	Люк 2 – 500-0,6 ОСТ 26-2004-83 Ст3сп5 ГОСТ 380-94
Рубашка		Рубашка 2600-2600-0.4-2ост 26-01-984-82 Ст3сп5 ГОСТ 380-94
Опоры аппарата	Тип опоры Внутр.диаметр,D	Опора-лапа - 3 – 100 ГОСТ 26284-84 Ст3сп ГОСТ 380 - 94
Мешалка	Обозначение Диаметр вала, dм	Мешалка 03 – 2 - 800 АТК 24.201.17-90 Ст3сп ГОСТ 380 – 94
Привод. Тип и габарит	Мощность, NM частота, nm Рабочее давление, рраб	Привод 1-1 – 2 – 95 – 18,5 - 125
Вал	Материал стали	Вал мешалки 35 гост 1050-88
Муфта	Тип привода Диаметр вала	Муфта МУВП 65 - 1 ГОСТ 21425-93
Уплотнение	Рабочая среда Диаметр вала Условное давление	Двойное Торцевое Т4 –95- 0,25 –АТК 24.201.13-90

Оценка надежности выбранного варианта

Компоновки аппарата.

После завершения компоновки аппарата следует оценить надежность выбранного варианта с получением численных значений основных показателей надежности. Недостаточная надежность химической аппаратуры, помимо высокого уровня аварийности, чревата огромными экономическими потерями, обусловленными простоем оборудования, затратами на его ремонт, низким качеством получаемых продуктов. Поэтому уже на этапе проектирования закладывается необходимая степень надежности, которая затем на этапах изготовления и эксплуатации играет роль определяющего норматива.

Надежность химического оборудования – комплексное свойство, сочетающее безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Под безотказностью понимают свойство элемента оборудования непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение определенного периода времени. Количественно безотказность типовой химико-технологической аппаратуры в справочной литературе характеризуется величиной интенсивности отказов l, которую можно рассматривать как среднее число отказов в единицу времени. Для аппарата с механическим перемешивающим устройством:

l_S = l_к + l_пр + l_уп, (7)

где l_к, l_пр, l_уп - интенсивности отказа корпуса аппарата, его привода и уплотнения соответственно, час^-1;

l_S - интенсивность отказов аппарата в целом, час^-1.

Надежность корпуса аппарата зависит от наличия теплообменной рубашки и его исполнения: цельносварной или с отъемной крышкой. Надежность привода и уплотнения также определяются их конструкцией.

При известной интенсивности отказов аппарата вероятность его безотказной работы Р_АП(t) = e^-lSt.

Таблица 4 – Рекомендуемые значения интенсивностей отказов для элементов аппарата:

Комплектующие элементы аппарата	Интенсивность отказов l ×105, час-1
Обозначение корпуса
11;31	4,0
Тип привода
	9,0
Торцовое уплотнение	3,0

 

Вероятность безотказной работы Р_АП(t) позволяет также обоснованно выбрать продолжительность Т_э периодов эксплуатации аппарата между плановыми ремонтами. Этот параметр определяется еще на стадии проектирования.

Т_э = - . (8)

Предельная вероятность Р_пред, определяющая степень надежности оборудования, назначается в зависимости от свойств рабочей среды (токсичность, пожаро- и взрывоопасность), а также от рабочих параметров процесса. Для пожаро- и взрывоопасных рабочих сред и (или) тяжелых режимов функционирования (t_p и p_и ) в качестве предельного значения вероятности безотказной работы принимается значение 0,8; в остальных случаях – 0,6.

l_S = (4,0+9,0+13,0)*10^-5=16,5*10^-5 час^-1

Т_э = 1394,6 час

 

Технический проект

3.1. Расчёт элементов корпуса аппарата

3.1.1. Определение коэффициентов сварных швов и прибавки для компенсации коррозии

Оболочки аппаратов изготавливаются из стальных листов сваркой. Прочность материала в зоне сварного шва снижается из-за термического воздействия электрической дуги и ряда других факторов. В прочностные расчеты вводится коэффициент прочности сварного шва j £ 1, несколько уменьшающий допускаемые напряжения [s] материала. Величина коэффициента j принимается в соответствии с правилами Госгортехнадзора и зависит от назначения аппарата, типа сварного соединения, способа сварки и длины контролируемых швов.

У сосудов и аппаратов на давление свыше 0,07 МПа, предназначенных для взрывоопасных, или пожароопасных, или сильнодействующих ядовитых сред контролируется 100% общей длины швов. В остальных случаях - 50% общей длины швов. Оболочки цельносварных аппаратов (обозначение корпусов: 10, 11, 30, 31) соединяют односторонним стыковым сварным швом автоматической или полуавтоматической сваркой под слоем флюса (j = 0,9 при 100% контроле швов; j = 0,8 при 50% контроле швов).

Свариваемые оболочки аппаратов с отъемными крышками (обозначения корпусов; 00, 01, 20, 21) соединяют двусторонним стыковым сварным швом автоматической или полуавтоматической сваркой (j = 1,0 при 100% контроле швов; j = 0,9 при 50% контроле швов).

Как было отмечено выше, нефтепродукты являются пожаро- и взрывоопасной средой, следовательно φ=0,9 при 100% контроле швов.

Элементы аппарата, находящиеся в контакте с рабочей средой, из-за коррозии с течением времени уменьшаются по толщине. Прибавка для компенсации коррозии к расчетным толщинам конструктивных элементов определяется по формуле

с = П_*Т_а, (9)

где с - прибавка для компенсации коррозии, м; П - скорость коррозии м/год; Т_а - срок службы аппарата (амортизационный срок), лет.

Используемая сталь – ст3сп. Скорость коррозии в среде нефтепродуктов

с=0,0001_*10= 0,001 м=1 мм для элементов с двусторонним контактом с=2мм

Для элементов конструкции аппарата, имеющих защитные покрытия, с = 0. Для элементов с двусторонним контактом с коррозионной средой (например, стенка закрытая теплообменной рубашкой, лопасть мешалки и т.д.) принимается двойная прибавка для компенсации коррозии, т. е. 2_*с.

 

3.1.2. Предварительный расчет толщины стенок оболочек из условия прочности

Необходимые толщины стенок оболочек, нагруженных внутренним избыточным давлением, определяются по уравнениям, полученным из условий прочности. Несоблюдение условия прочности может привести к разрушению (разрыву) оболочки. Расчету подлежат элементы корпуса: цилиндрическая обечайка, эллиптическая крышка, эллиптическое или коническое днище в местах сварки.

Толщина стенок стандартной теплообменной рубашки, изготовленной из углеродистой стали задана и не рассчитывается. В случае применения в качестве материала рубашки легированной стали толщина стенки рубашки рассчитывается.

а) Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки из условия прочности(рис. 1 б),м:

s_цр1=р_рв*D/(2_*j_*[s] - p_рв), (10)

 

где р_рв - расчетное внутреннее давление, Па;

D - внутренний диаметр обечайки, м;

[s] - допускаемое напряжение, Па;

j - коэффициент прочности сварного шва

s_цр1=0,219*2400/(2*0,9*134,1-0,219)=2,2 мм

б) Расчетная толщина стенки эллиптической крышки из условия прочности (рис.1а), м:

s_эр1=р_рв*D/(2_*j_*[s] - 0,5_*р_рв), (11)

s_эр1= 0,219*2400/(2*0,9*134,1-0,5*0,219)=2,2 мм

 

3.1.3. Предварительный расчет толщины стенок оболочек
из условия устойчивости

Оболочки аппарата могут оказаться под воздействием наружного давления, большего, чем внутреннее давление (см. раздел 2.4). Такая ситуация имеет место при работе аппарата под остаточным давлением р₀ т. е. в условиях вакуума. Аварийная ситуация с образованием вакуума может возникнуть при сливе среды из аппарата, когда воздушный вентиль на крышке аппарата (воздушник) по недосмотру оказывается закрытым. В таких случаях из-за недостаточной толщины стенки оболочки происходит потеря устойчивости, т, е. правильная форма оболочки внезапно искажается. Оболочки, работающие под наружным давлением, принято делить на длинные и короткие. Длинные цилиндрические оболочки теряют устойчивость с образованием в поперечном сечении двух волн смятия. Более устойчивыми являются короткие оболочки: они теряют устойчивость с образованием трех, четырех или более волн смятия.

Согласно условию устойчивости расчетное наружное давление р_рн (см. раздел 3.1.5) не должно превышать допускаемой величины. При проектировании рассчитываются толщины стенок цилиндрической обечайки, эллиптической крышки, эллиптического или конического днища по зависимостям для коротких оболочек (стандартная теплообменная рубашка на устойчивость не рассчитывается, так как образование вакуума в ней не предполагается):

а) Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки из условия устойчивости, м:

s_цр2=D_*(р_рн*n_у*l_ц/2,08_*E_*D)^0.4, (12)

где р_рн - расчетное наружное давление (см. табл. 3), Па;

n_у = 2,4 - коэффициент запаса устойчивости;

l_ц - расчетная длина цилиндрической обечайки (м);

Е - модуль продольной упругости материала оболочки, Па;

D - внутренний диаметр обечайки, м.

При определении расчетной длины цилиндрической обечайки l_ц следует учитывать, что в цельносварных аппаратах без теплообменной рубашки (рис. 3 а, б) волны смятия по высоте захватывают не только цилиндрическую обечайку, но и часть крышки и днища (включая отбортовку). В аппаратах с отъемной крышкой без теплообменной рубашки (рис. 3 в, г) волны смятия распространяются от фланца, захватывая часть днища. В аппаратах с теплообменной рубашкой (рис. 3 д, е, ж, з) расчетная длина l_ц включает часть цилиндрической обечайки корпуса, закрытой рубашкой, и часть днища. Ссылки на размеры корпусов и фланцев необходимые для расчета l_ц приведены на рис. 3 и в табл. 3.

Таблица 5 - Определение расчетной длины l_ц

Конструкция корпуса	Обозначение корпуса	Расчетная длина lц, м
Цельносварной с рубашкой: - эллиптическое днище		lц = H1 –B1+a1+a2

 

 

Рис. 3, Схемы к определению расчетной длины цилиндрической оболочки l_ц.

 

Корпус 11 Расчет длины цилиндрической части по формуле:

l_ц = H₁ –B₁+a₁+a₂

Е для Cт3сп 1,91*10¹¹ Па

H₁ = 2,4 м; a₁ =0.04 м; a₂ =0,25*2,4/3=0,2 м

B₁=0.15 м

l_ц=2.69 м

s_цр2=2400*((0,08*2,4*2690)/(2,08*1,91*10⁵ *2400)^0,4 =7.47 мм

 

б) Расчетная толщина стенки эллиптической оболочки из условия устойчивости, м:

s_эр2=K_*D_*(р_рн*n_y/0,26_*E)^0.5, (13)

где р_рн – расчетное наружное давление, действующее на днище или крышку, Па;

n_у = 2,4 - коэффициент запаса устойчивости;

Е – модуль продольной упругости материала оболочки при расчетной температуре,Па;

K» 0,9 – коэффициент приведения радиуса кривизны эллипса;

D – внутренний диаметр обечайки, м;

s_эр2=0,9_*2400*(0,08*2,4/0,26*1,91*10⁵ )^0,5 =4,24 мм

3.1.4. Определение исполнительной толщины стенок оболочек.

Определение толщины стенок оболочек аппарата из условий прочности и устойчивости (разделы 3.1.2 и 3.1.3) было предварительным. Для каждой оболочки из двух вычисленных значений толщины (s_цр1 и s_цр2; s_эр1 и s_эр2) принимают большее значение: s_цр, s_эр.

Окончательно исполнительную толщину стенки определяют с учетом прибавки для компенсации коррозии с (см. раздел 3.1.1) и прибавки c₁ для округления толщины листа до стандартного значения (см. табл. 6).

Таблица 6 - Размеры стальных листов. Сталь двухслойная

Сталь толстолистовая ГОСТ 19903-74	Минусовой допуск
s, мм	u, мм
	0,4
	0,5
	0,6
8,10,12	0,8

 

Выражения для определения исполнительной толщины стенок оболочек корпуса имеют следующий вид:

а) для цилиндрической оболочки

 

s_ц=s_цр + с + с₁, (14)

б) для эллиптической оболочки (крышки, днища)

s_э=s_эр + с + с₁, (15)

в) для конической оболочки (днище)

s_к=s_кр+ с + с₁

 

Прибавку c₁ в каждом уравнении подбирают так, чтобы толщина стенки оболочки совпала со стандартной толщиной листа (см. табл. 7), при этом c₁ должна быть не менее минусового допуска u на толщину листа (см. табл. 7).

 

 

s_цр1= 2,2 мм

s_цр2= 7,47 мм s_цр= 7,47 мм

s_ц=7,47+1+0,53=10мм

s_эр1= 2,2 мм s_эр2= 4,24 мм

s_эр= 4,24 мм

s_э=4,24+1+0,76=6мм

s_э=4,24+2+0,76=7 мм для днища

Поскольку в последующих расчетах неоднократно будут использоваться значения расчетной и исполнительной толщины стенок оболочек аппарата, их целесообразно свести в таблицу 7.

Таблица 7 - Расчётная и исполнительная толщина стенок оболочек

Оболочка аппарата	Расчётная толщина стенки, мм	Исполнит. Толщина стенки, мм	Коррозия за срок службы, мм	Мин. Доп. мм	С1, мм
Из условия прочности	Из условия устойчив.
Корпус:
1. Цил. Часть	2,2	7,47			0,8	0,53
2. Крышка	2,2	4,24			0,5	0,76
3. Днище	2,2	4,24			0,6	0,76