2.6. Технологические расчеты

2.6.1. Технологический расчет основного оборудования

Объем реакционной смеси определяем по формуле (2.1):

V=V_ап*0,8 (2.1.)

где V_ап – объем аппарата, м³;

0,8 - степень заполнения аппарата.

V=25*0,8=20 м³

V_эхг=16000 л=16 м³

V_Н2SO4=570 л=0,57 м³

V_пф=3548,03 кг*0,96=3,41 м³

V_{реак.смеси}= V_эхг + V_Н2SO4 + V_пф = 16 + 0,57 + 3,41 = 19,98 м³

Таким образом, объем реактора будет 25,0 м³.

Расчет объема сборников:

Количество отгоняемого ЭХГ и формаля равно:

V=2239,95*1,2+25,34*1,3=2721 л=2,721 м³;

Объем сборников 20 м³.

Таким образом, после 6 часов процесса отгона необходимо сливать сборник.

2.6.2. Расчет количества оборудования

1. Производительность 4000 тонн

2. За одну операцию получается 12,55 тонн формаля

3. Рассчитаем количество операций 4000/12,55=319

4. Число часов работы 5904 часов; Время цикла 36 часов

5. Рассчитаем производительность одного аппарата

5904/36*12,55=1968 (тонн)

4000/1968=2,03 (шт.) - необходимое количество реакторов

Дополнительно к 2 реакторам подберем еще 2 реактора, по причине того, что перерабатываемая среда агрессивная и оборудование требует постоянного ремонта. Один из дополнительных реакторов используем в качестве аварийной емкости.

Подбор количества оборудования:

1. Количество реакторов:

3 шт- основные аппараты с мешалкой, вакуум + 1 ед. дополнительного аппарата который в случае необходимости может быть использован в качестве аварийного реактора или емкости;

2. Циклон для улавливания пыли параформальдегида -1 ед.;

3. Конденсаторы – 3 ед.;

4. Емкости для ЭХГ с объемом V= 100 м³ – 1 ед.;

5. Центробежные насосы – 1 шт. + 1 шт. резервный

6. Мерник для кислоты с объемом V= 1,25м³ – 1 ед.;

7. Бункер – 1 ед;

8. Дозатор -1 ед.;

9. Вакуумные насосы – 1 шт. + 1 шт. резервный

10. Емкость для серной кислоты -1 шт.;

2.6.3. Механический расчет

Исходные данные для расчетов:

Расчеты произведены согласно методике ГОСТ 14249-80, ГОСТ 24755-81, ГОСТ 26-01-949-80

1. Диаметр аппарата - 2800 мм;

2. Рабочее давление в аппарате - 0,6 МПа;

3. Рабочее давление в рубашке - 0,6 МПа;

4. Высота жидкости в аппарате - 3,65 м

5. Гидростатическое давление - 0,055МПа, т.к. гидростатическое давление превышает более 5% от рабочего то P_p (расчетное) составляет:

P_p= P_раб +P_τ= 0,6+0,055=0,655 МПа

6. Расчетная температура стенки аппарата +200^оС

7. Материал:

Корпуса – сталь 08 ТУ 14-1-3172-81

Рубашки – сталь ВСm 3пс 4 ГОСТ 380-71

Расчетную длину ι обечайки корпуса в зоне рубашки определяем по формуле (2.2.):

ι = L+h+H/3, (2.2.)

где L- расстояние цилиндрической части обечайки аппарата в зоне рубашки, м;

h- длина цилиндрической части днища аппарата, м;

H – высота выпуклой части днища без учета цилиндрической части, м.

ι = 2,84+0,08+0,7/3=3,153 м

Допускаемое напряжение [σ] определяем по формуле (2.3) [3, с.393]:

[σ]=η* σ ^ж, (2.3.)

где σ ^ж – нормативное допускаемое напряжение при Т= +20^оС

для стали 08ТУ 14-1-3172-81-127 МПа

при Т=+20^оС: для стали BCm 3 nc4 – 126 МПа

для стали 08 покрытой стеклоэмалью УЭС – 300 при поправочном коэффициенте η= 1

σ= К *γ* η, [σ] =127*1*0,8*1=101,6 МПа

где К – коэффициент, учитывающий снижение допускаемых напряжений в композиции «эмаль - металл» по сравнению с допускаемыми напряжениями в неэмалированном металле для принятой стали и эмали, К=1;

γ - коэффициент, учитывающий снижение прочности композиции «эмаль – металл» с ростом температуры выбираем=0,8.

Предел текучести при температуре = 20^оС

Для стали BCm 3nc – δ_T²⁰=250МПа

Для стали 08 - δ_T²⁰=200МПа

При температуре = +200^оС

Для стали BCm 3nc - - δ_T²⁰⁰=189МПа

Для стали 08 – δ_пр=250/1,1=227МПа

Допускаемое напряжение при пробном давлении определяем по формуле:

σ _пр= σ _T²⁰/1,1

Для стали 08 – σ _пр=200/1,1=181,8 МПа

Для стали BCm 3nc - σ _пр=250/1,1=227 МПа

Модуль продольной упругости стали 08 выбираем как,

при Т= +20^оС Е=1,99*10⁵МПа

при Т=+200 ^оС Е=1,81*10⁵МПа

Коэффициент прочности стыковых сварных соединений определяем по таблице 13.3. [3, с.395]:

φ =0,9 для корпуса аппарата;

φ = 0,65 для рубашки аппарата

Исполнительная толщина стенки корпуса аппарата определяем по формуле (2.4.):

S= S_p +C, (2.4.)

где С - величина прибавки к расчетным толщинам;

С=С₁+С₂+С₃=(0+0+2) =2 мм,

где С₁ – прибавка, учитывающая коррозию металла со стороны не защищенной эмалью С₁=0;

С₂ – прибавка на эрозию обычно не учитывается С₂=0;

С₃ – прибавка для компенсации минусового допуска С₃=2 мм.

Пробное давление для корпуса аппарата:

P_пр=1,25 P_пр* σ ^ж ₂₀/ σ ^ж ₂₀₀=1,25*0,655*127/101,6=1,02МПа

Пробное давление для корпуса рубашки:

P_пр=1,25 P_пр* σ ^ж ₂₀/ σ ^ж ₂₀₀=1,25*0,6*140/126=0,83МПа

Коэффициент запаса устойчивости η_у при расчете аппарата на устойчивость в соответствии с ГОСТ 14249-80.

η _у= 2,4 – для рабочих условий,

η_у= 1,8 – для условий испытания и монтажа

Расчет корпуса аппарата

Расчет толщины обечайки диаметром 2800 мм, работающей под внутренним давлением.

Расчетную толщину обечайки определяем по формуле (2.5.), [3,с.395]:

S=Р_рD/([σ]*φ-P_р) +С, (2.5.)

где Р_р – расчетное давление, МПа;

D – диаметр аппарата, мм;

[σ] - допускаемое напряжение;

φ - коэффициент прочности стыковых сварных швов;

S = 0,655*2800/(101,6*0,9-0,655)+2= 22,2 мм

Принимаем S= 25 мм

Расчет толщины обечайки корпуса, работающий под наружным давлением.

Расчетную толщину обечайки определяем по формуле (2.6), [3,с.397]:

S= 10 ^-2 *К₂* D +С, (2.6.)

Коэффициент К₂ определяем по номограмме [3, рис.13.1., с.396].

К₂ = 0,81

S = 10 ^-2*0,81*2800 +2=24,7 мм

Допускаемое наружное давление определяем по формуле (2.7.), [3,с.397]:

____________

[р]= [р]_р / √1+ ( [р]_р / [р]_Е)² , (2.7.)

где [р]_р – допускаемое давление из условия прочности, МПа;

[р]_Е – допускаемое давление из условия устойчивости, МПа.

______________

[р]= 1,655/ √1+(1,655/0,722)²= 0,662 МПа

Допускаемое давление из условия прочности определяем по формуле (2.8.):

[р]_р = 2[σ]*(S-C)/ [D +(S-C)], (2.8.)

[р]_р = 2*101,6*(25-2)/ [2800+(25-2)] =1,655 МПа

Допускаемое давление из условий устойчивости в пределах упругости определяем по формуле (2.9.), [3,с.397]:

___________

[р]_Е =(18*10^-6*Е/η_уВ₁)* D /ι*[100*(S-C)/ D]²*√100(S-C)/ D), (2.9.)

где Е – модуль продольной упругости стали 08, Е= 1,81*10 ⁵ МПа;

η_у – запас устойчивости равен 2,4;

В₁ = 1;

ι – расчетная длина, мм.

[р]_Е =(18*10^-6*1,81*10⁵)/(2,4*1)*(2800/3150)*[100(25-2)*/2800]²*

_______________

*√100*(25-2)*/2800 = 0,722 МПа

Допускаемое давление из условий устойчивости в пределах упругости при гидроиспытании определяем по формуле, [3,с.397]:

_________

[р]_Е =((18*10^-6*Е)/η_у*В₁)*D/ ι *[100(S-C)/D]²*√100(S-C)/D

[р]_Е=(18*10^-6*1,99*10⁵/1,8*1)*2800/3153*(100(25-2)/2800)²*

_____________

* √100(25-2)/2800) = 1,06 МПа

Расчет толщины днища диаметром 2800 мм, работающего под внутренним давлением.

Расчетную толщину днища определяем по формуле (2.10):

S=Р_р* D /(2*[σ]*φ-0,5Р_р)+С (2.10.)

S = (0,655*2800)/(2*101,6*0,9-0,5*0,655)+2=12,0 мм

Примем S=28, тогда

Допускаемое давление, МПа:

Р=(2σ*φ*(S-C))/(1,3*D+0,6*(S-C))=(2*101,6*0,9*(28-2))/(1,3*2800+0,6(28-2)=1,3

Толщина стенки при пробном давлении, работающей под наружным давлением:

S_пр=(1,3Р_пр* D)/(2*σ_пр φ -0,5Р_пр)=(1,3*1*2800)/(2*181,8*0,9-0,5*1)=11мм

Расчетную толщину днища определяем по формуле (2.11.), [3, с.398]:

___________________

S= (K_э*R/510)* √ n_у*P/10^-6*E +C, (2.11.)

где R – радиус кривизны в вершине днища равен для эллиптических днищ R = D;

K_э – коэффициент можно принять равным 0,9.

___________________

S = (0,9*2800/510)*√2,4*0,655/10^-6*1,81*10⁵) + 2=16,52 мм

Принятая толщина днища

S₂=28 мм

Допускаемое наружное давление:

[р]=[р_р]/(1+([Р_р]/ [Р]_Е))^1/2=1,87/(1+(1,87/1,10))^1/2=1,14 МПа

Допускаемое давление из условия прочности в пределах упругости:

[р]_Е =(18*10^-6Е/η_у)*(100(S-C)/ D )²/(100*(S-C)/2800)^1/2=((18*10^-6*1,81*10⁵)/2,4)*

*(100*(28-2)/2800)²/(100*(28-2)/2800)^1/2=1,10 МПа

Расчет укрепления отверстий в аппарате

Расчет укрепления отверстий в обечайке аппарата толщиной 25мм от внутреннего давления.

Наибольший допустимый диаметр отверстия, не требующего дополнительного укрепления, определяем по формуле (2.12.), [6, с.58]:

________

d₀ = 2*[(S-С)/ S_р – 0,875) * √ D_р (S-С) - С], (2.12.)

где S=25 мм - исполнительная толщина стенки;

D_р – расчетный внутренний диаметр,

D_р = D= 2800 мм;

С=1мм – прибавка на коррозию и минусовый допуск;

S_р – расчетная толщина стенки, мм.

Расчетная толщина стенки рассчитывается по формуле (2.13.), [6, с.58]:

S_р = P_р* D /2 *[σ] - P_р (2.13.)

где P_р- расчетное давление, МПа;

D - диаметр аппарата, мм;

[σ ]– допускаемое напряжение, МПа.

S_р = 0,655*2800 / 2*101,6- 0,655 = 9,05 мм

___________

d₀ = 2*[(25-1)/ 9,05 – 0,875) * √ 2800* (25-1) - 1]= 916 мм

Следовательно, отверстия не требуют укрепления.

Расчет укрепления отверстий в днище рубашки толщиной 28 мм от внутреннего давления

Наибольший допустимый диаметр отверстия, не требующего дополнительного укрепления определяется по формуле:

________

d₀ = 2*[(S-С)/ S_р – 0,875) * √ D_р (S-С) - С],

где S=28 мм - исполнительная толщина стенки;

D_р – расчетный внутренний диаметр,

D_р = 2D= 5600 мм;

С=1мм – прибавка на коррозию и минусовый допуск;

S_р – расчетная толщина стенки, мм.

Расчетная толщина стенки рассчитывается по формуле:

S_р = P_р* D /2 *[σ] - 0,5*P_р = 0,655*2800 / 2*101,6- 0,5*0,655 = 9,04 мм

___________

d₀ = 2*[(28-1)/ 9,04 – 0,875) * √ 5600* (28-1) - 1]= 1633 мм

Следовательно, отверстия не требуют укрепления.

Расчет корпуса рубашки

Расчет толщины обечайки рубашки диаметром 3000мм, работающей под внутренним давлением

Расчетную толщину обечайки рубашки определяем по формуле:

S=(Р_р* D)/( 2 [σ]*φ-Р_р)+С=(0,655*3000)/(2*126*0,65-0,655)+2= 14мм

Примем S=14

Допускаемое давление:

Р=(2[σ]*φ*(S-C))/(D+(S-C))=(2*126*0,65*(14-2)/(3000+(14-2)=0,652МПа

Толщина стенки при пробном давлении:

S_пр=(Р_пр* D)/(2 [σ_пр]* φ *Р_пр)==(0,9*3000)/(2*227*0,65*0,9)=10 мм

Расчет толщины эллиптического днища рубашки, работающего под внутренним давлением.

Расчетная толщина днища:

S=(P_р* D)/( 2 [σ]*φ-0,5*Р_р)+С=(0,655*3000)/(2*126*0,65-0,5*0,655)+2=14мм

Примем S=14

Допускаемое давление:

Р=2[σ]*φ*(S-C)/( D +0,5(S-C))=(2* 126*0,65*(14-2))/(3000+0,5(14-2)=0,65 МПа

Толщина стенки при пробном давлении:

S=(Р_пр* D)/(2[σ]*φ*-0,5Р_пр)+С=(0,83*3000)/(2*227*0,65-0,5*0,83)=8,4 мм

Расчет укрепления отверстий в рубашке

Расчет укрепления отверстий в обечайке рубашки толщиной 14мм от внутреннего давления.

Наибольший допустимый диаметр отверстия, не требующего дополнительного укрепления, определяем по формуле (2.12.), [6, с.60]:

________

d₀ = 2*[(S-С)/ S_р – 0,875) * √ D_р (S-С) - С],

где S=14 мм- исполнительная толщина стенки;

D_р – расчетный внутренний диаметр,

D_р = D= 3000 мм;

С=1мм – прибавка на коррозию и минусовый допуск;

S_р – расчетная толщина стенки, мм.

Расчетную толщину стенки рассчитываем по формуле (2.13.):

S_р = P_р* D /2 *[σ]- P_р = 0,655*3000 / 2*126- 0,655 = 7,81 мм

___________

d₀ = 2*[(14-1)/ 7,81 – 0,875) * √ 3000* (14-1) - 1]= 310 мм

Следовательно, отверстия не требуют укрепления.

Расчет укрепления отверстий в днище рубашки толщиной 14 мм от внутреннего давления

Наибольший допустимый диаметр отверстия, не требующего дополнительного укрепления, определяем по формуле (2.12.), [6, с.60]:

________

d₀ = 2*[(S-С)/ S_р – 0,875) * √ D_р (S-С) - С],

где S=14 мм - исполнительная толщина стенки;

D_р – расчетный внутренний диаметр,

D_р = 2D= 6000 мм;

С=1мм – прибавка на коррозию и минусовый допуск;

S_р – расчетная толщина стенки, мм.

Расчетную толщину стенки рассчитываем по формуле (2.13.):

S_р = P_р* D /2 *[σ] - 0,5*P_р = 0,655*3000 / 2*126- 0,5*0,655 = 7,81 мм

___________

d₀ = 2*[(14-1)/ 7,81 – 0,875) * √ 6000* (14-1) - 1]= 439 мм

Следовательно, отверстия не требуют укрепления.