Розрахуние вертикального циліндричного резервуара
Міністерство
освіти і науки України
Національний
університет «Львівська політехніка»
Кафедра
хімічної інженерії
Розрахунково
- графічна робота
з
курсу
«Розрахунок
та конструювання машин та апаратів хімічної технології»
Виконав
Ст.
групи ХІ-41
Сабинін
О.
Прийняв
Гаврилів
Р.І.
Львів
2015
Завдання
Розрахувати вертикальний
циліндричний резервуар об’ємом V = 590 м3 для зберігання фосфорної кислоти C =
70%. Під час наповнення надлишковий тиск у резервуарі зростає до P = 14,6*10-3
Па. Резервуар експлуатують на відкритому майданчику за температури t = 30 ⁰С
і встановлюють на бетонну подушку. Термін експлуатації - 25 років.
Для вибору конструктивного матеріалу
скористаємось довідником [1]. Для зберігання 70 % фосфорної кислоти
рекомендують використовувати такі нержавіючі сталі: Х25Т, Х28, Х28АН, Х28Н4 та
інші. Проаналізуємо технологічні властивості вищеперечислених марок сталей.
Призначення сталі марки Х28 - для
обичайок, днищ, фланців та інших деталей апаратів, які не піддаються при
високих температурах дії постійних і змінних навантажень і призначені для
роботи з рідкими та газоподібними агресивними середовищами. В нашому випадку
кислота не є високо агресивним середовищем, те саме можна сказати і про
температуру. Тому марку сталі Х28 використовувати не доцільно.
Сталь марки Х28АН використовується
для обичайок, днищ та інших деталей зварних апаратів, призначених для роботи з
азотною, фосфорною та оцтовою кислотами при різних температурах аж до
температури кипіння, а також для апаратів харчової промисловості, для роботи з
середовищами середньої агресивності. Така сталь використовуєтсья для
виготовлення найбільш відповідальних вузлів і апаратів. Вміст нікелю значно
підвищує собівартість сталі, тому використовувати її економічно не вигідно.
Найбільш оптимальним варіантом серед
сталей можна назвати сталь марки 15Х25Т. Обичайки, днища, фланці та інші деталі
апаратів, які не піддаються впливу ударних навантажень, призначена для роботи з
засобами середної агресивності, переважно для розчинів гіпохлорида натрія,
фосфорної кислоти довільних концентрацій при температурі ≤ 70⁰С
та оцтової кислоти при температурі ≤ 40⁰С.
Також сталь характеризується високою корозостійкістю та жаростійкістю.
Швидкість корозії для такої сталі становить Vк = 0,01 мм/рік.
Згідно з рекомендаціями [2] товщину
стінок резервуару з урахуванням додатка на корозію приймаємо: бічної стінки S1
= 6 мм, днища Sд = 6 мм, кришки Sк = 6 мм.
Тоді
= Sд + Sк = 6 + 6 = 12 мм.
Оптимальний діаметр посудини при
цьому:
,
Згідно з рекомендаціями [2]
приймаємо діаметр зі стандартного ряду: D = 9500 мм.
Тоді висота апарату:
,
приймаємо H = 8500 мм.
Виходячи з розрахованого визначимо
реальний об’єм резервуару:
Номінальні ємкості резервуарів також
нормалізовані, тому отриманий об’єм необхідно узгодити з рекомендаціями
стандарту. В даному випадку об’єм стандартний.
Розрахуємо, на скільки реальний
об’єм відрізняється від заданого:
,
що є допустимим.
Густина 70%-го розчину фосфорної
кислоти ρ
= 1526 
.
Розрахуємо максимальний тиск, що діє
на стінку резервуару і зварювальний шов біля днища:
Перевіримо правильність вибору
товщини стінки резервуара з урахуванням додатка на корозію. Для цього визначимо
необхідну товщину стінки з формули:
Отримана товщина стінки є дещо
меншою від допустимої для діаметру 9.5 м. Прийнято приймати товщину стінки не
менше ніж 6 мм, тому збільшуємо її до 
Перевірку з’єднання біля днища здійснюють
з урахуванням згинального моменту, який викликаний крайовим ефектом у місці
з’єднання обичайки з днищем.
Резервуар виготовляють із окремих
листів, які зварюються в стик. Бічну поверхню резервуара до днища приварюють
двостороннім тавровим швом, катет якого необхідно розрахувати, враховуючи
реальне навантаження на катет.
Згинальний момент біля днища
резервуару на одиницю довжини периметра і товщину обичайки навантаженої
гідростатичним тиском розраховують за формулою:
де 
-
гідростатичний тиск рідини біля днища резервуару, Па;
- радіус
резервуару, м;
У нашому випадку на зварювальний шов
і стінку біля днища резервуара діятиме гідростатичний і надлишковий тиск.
Розрахуємо згинальний момент, який
діє по всьому периметру і товщині стінки:
де Р - максимальний тиск, що діє на
стінку апарата, Па;- периметр резервуара, м.
Міцність стінки перевіряють:
де 
-
пластичний момент опору одиниці довжини стінки, який розраховують за формулою:
Тоді для всього периметра
резервуара:
Тоді
Умова міцності стінки резервуара
виконана.
Міцність зварювальних швів
перевіряють за такою ж формулою:
де 
-
пластичний момент опору одиниці довжини шва, який розраховують за формулою:
Де 
(згідно
з рекомендаціями для з’єднання днища і бічної стінки вибираємо двосторонній
тавровий шов Т3, катет якого дорівнює товщині стінки).
Умова міцності таврового шва
виконана.
Згідно з рекомендаціями днище
резервуара виготовимо на 100 мм більшим за діаметр резервуара, що позитивно
вплине на міцність зварювального шва і матеріалу днища:
Враховуючи рекомендації [2], кришку
резервуару виготовимо конічною з восьми секторів,, які приварюють до восьми
кутників 2, до бічної поверхні і обрамленої кутником 3 і центрального кільця 4,
виготовленого з того ж кутника. З конструктивних міркувань діаметр центрального
кільця 4 призначимо 
. Кут конічної
кришки, згідно з рекомендаціями, приймемо таким - 
Тоді
висота кришки:
Довжину твірної 
визначимо
за теоремою Піфагора, як гіпотенузу прямокутного трикутника.
Розрахуємо затрати металу на
виготовлення резервуара.
Маса бічної поверхні вертикального
циліндричного резервуара
Маса днища резервуара
Маса кришки резервуара без
зміцнюючих елементів
Рис.1.
Розрахункова схема вертикального циліндричного резервуара
Для розрахунку маси елементів, які
зміцнюють кришку, необхідно вибрати кутник і розрахувати його розміри. З конструктивних
міркувань вибираємо кутник №12,5. З теореми подібності трикутників знайдемо
довжину 
кутника
2.
з якої
Рис.2.
Схема зміцнення кришки і поділу її на сектори: D - внутрішній діаметр
резервуара; d - діаметр кільця, яке підтримує сектори кришки.
Рис. 3. Розріз А-А елементів, які
зміцнюють кришку: 1 - бічна поверхня резервуара; 2 - кутник, що підтримує
кришку;3 - кутник, який обрамляє бічну поверхню; 4 - верхнє кільце, яке
підтримує сектори кришки
Маса кутника, який підтримує кришку
Маса кутника 3, який обрамляє бічну
поверхню
Маса кільця 4, яке підтримує сектори
кришки
Розрахуємо прогин кутників під
власною вагою і вагою кришки. Як видно на рисунку 2, кришка поділена на вісім
секторів, тобто на один кутник припадатиме восьма частина маси кришки.
Максимальний прогин кутника,
навантаженого масою 
, розраховують за
формулою
де 
маса
кутника плюс восьма частина маси кришки, кг
модуль Юнга
матеріалу, з якого виготовлена кришка, Па
осьовий момент
інерції перерізу кутника, 
максимально
допустимий прогин згідно зі стандартом.
Максимально допустимий прогин 
згідно
зі стандартом не повинен перевищувати відношення 
на
1 погонний метр.
Тоді у нашому випадку
Згідно з [1] 
,
.
Сила, яка діє на один кутник 2
де 
косинус
кута, під яким буде прикладено зусилля до кутника 2, тоді прогин кутника і
кришки резервуару:
В даній формулі видно, що прогин
кришки резервуара є значно меншим від допустимого, але необхідно зауважити, що
взимку на поверхні кришки може зібратись велика кількість снігу, тому запас
жорсткості кришки є необхідним і зменшувати її не потрібно.
Маса циліндричного резервуара
Розрахуємо питомі затрати металу для
виготовлення резервуару ( без урахування відходів металу при його виготовленні
) :
Питомі витрати металу на
виготовлення вертикальних циліндричних резервуарів, в основному, складають 18 -
50 кг/м3 в залежності від об’єму і конструкції резервуару. Умову виконано.
резервуар тиск днище гідростатичний
Список використаної літератури
1. Артурьев
В.И. Справочник конструктора мошиностроителя. В 3 т. Т 1-5е изд. перераб. и
лоп. - М.: Машиностроение, 1980 - 728с.
. Атаманюк
В.М. Розрахунок та конструювання ємнісних апаратів, які працюють під тиском не
більше 0,07 МПа: Конспект лекцій. - Львів Національний університет «Львівська
політехніка», 2001 - 99с.
. Лащинский
А.А. Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической апаратуры:
Справочник. - Л.: Машиностроение. - 1970. - 752с.
. Справочник
химика. - В 5-ти т. -2-е изд./Под ред. Б.Н. Никольевого - М.: - Химия, 1966.