Астраханский государственный технический университет
Кафедра «Технологические машины и оборудование»
Декина ю. И. Конструирование и расчет элементов оборудования Курс лекций для студентов механических специальностей всех форм обучения:
240801.65 – Машины и аппараты химических производств
150400.68 – Технологические машины и оборудование
Астрахань 2009
ББК 34.42я7 УДК 664.002.5.001.24(075)
Д 28
Автор: к.т.н., доц. Кафедры ТМО Ю. И. Декина
Рецензент: д.т.н., профессор каф. «ПТМ и ММ» Б. М. Филяков
Декина Ю. И. Конструирование и расчет элементов оборудования: Курс лекций / Ч. 1, АГТУ. – Астрахань, 2009. – 76 с.,
Курс лекций по дисциплине «Основы расчета и конструирования машин и аппаратов химических производств» предназначен для самостоятельной подготовки и дистанционного образования специалистов химической промышленности
.
Учебное пособие утверждено на заседании кафедры ТМО «__» _______ 2009 г., протокол №
© Астраханский государственный технический университет
Оглавление
Лекция № 1 5
Тема: «Введение в курс «Конструкции и расчёта элементов оборудования»» 5
Лекция № 2 11
Тема: «Сведения о геометрии оболочек вращения. Безмоментная теория расчёта оболочек. Усилия и напряжения в оболочках» 11
Лекция № 3 17
Тема: «Безмоментная теория (мембранная теория оболочек)» 17
Лекция № 4 21
Тема лекции: «Моментная теория оболочек» 21
Лекция № 5 28
Тема: «Пластины» 28
Лекция № 6 33
Тема: «Пластины» (продолжение) 33
Лекция № 7 37
Тема: «Цилиндрические сосуды и аппараты, работающие под внутренним и внешним давлении (общие сведения). Определение напряжений при краевом эффекте» 37
Лекция № 8 42
Тема: «Устойчивость тонкостенных оболочек» 42
Лекция № 9 49
Тема: «Укрепление отверстий» 49
Лекция № 10 55
Тема: «Расчёт обечаек, нагруженных внешним давлением» 55
Лекция № 11 61
Тема: «Теплообменные аппараты» 61
Лекция № 12 66
Тема: «Составление алгоритма расчёта аппарата, на примере выпарного» 66
Лекция № 13 72
Тема: «Опоры» 72
Лекция № 14 76
Тема: «Расчёт аппаратов на ветровую нагрузку и сейсмические силы» 76
Список литературы 84
Лекция № 1
Тема: «Введение в курс «Конструкции и расчёта элементов оборудования»»
Структурная схема
Интенсивное развитие химической, нефте- и газоперерабатывающей промышленности России является одной из важнейших задач ученых, рабочих и инженерно-технических работников промышленности и строительства. В настоящее время химическая промышленность способна обеспечить народное хозяйство высококачественными, уникальными и ранее неизвестными техническими материалами, значение которых трудно переоценить. Бурный рост химической промышленности предусматривается и в дальнейшем. Выполнение программы развития химической промышленности в России потребует дальнейшего развития проектных и конструкторских работ по созданию эффективного и высоконадежного оборудования. Этим занимаются многие специалисты, но первая ступень приоритета отдается именно инженерам. Им поручено ведение авторского надзора за строительством и монтажом спроектированных производств, составление заказанных спецификаций на типовое оборудование, разработка и согласование чертежей нетипового оборудования с машиностроительными заводами, участие в пуске производства.
Основной целью проекта являются разработка документации, необходимой для сооружения промышленного объекта, обеспечивающего выпуск требуемой для народного хозяйства продукции определенного качества в заданном объеме и в установленные сроки с наилучшими технико-экономическими показателями при соблюдении необходимых санитарно-гигиенических условий труда. При проектировании химических производств ведущая роль принадлежит инженеру-технологу и инженеру-механику. Инженер-технолог разрабатывает технологическую схему производства, а инженер-механик подбирает типовое и разрабатывает нетиповое оборудование. Аппараты и машины химических производств предназначаются для осуществления в них какого-либо одного или одновременно нескольких химических, физических или физико-химических процессов (химическая реакция, испарение, конденсация, выпаривание, ректификация, абсорбция, адсорбция, сушка, смешивание, измельчение). Конструирование химического оборудования необходимо производить с максимальным использованием стандартизованных и нормализованных узлов и деталей, проверенных в изготовлении и хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации.
Отдельные элементы оборудования, так же, как и машины или аппараты в целом, должны быть технологичными в изготовлении, удобными в сборке, разборке, эксплуатации, транспортабельными и ремонтоспособными. Форма их должна быть простой, предпочтительно обтекаемой и одновременно удовлетворяющей эргономическим требованиям. Применение фланцевых, резьбовых и других разъемных соединений в аппаратах по возможности следует избегать, поскольку такие соединения сложнее, дороже в изготовлении и менее надежны в эксплуатации, чем неразъемные (сварные, паяные). Крышки, люки и другие узлы с разъемными соединениями должны предусматриваться в аппаратах только в тех случаях, когда это связано с технологическим процессом (периодической загрузкой или выгрузкой), а также с необходимостью частого осмотра внутренних устройств или специфическими условиями эксплуатации аппарата.
Многие из рассматриваемых элементов, независимо от вида и типа машины или аппарата, являются общими для оборудования химических производств. К таким общим элементам рассматриваемого оборудования относятся обечайки, днища, фланцевые соединения, укрепление отверстий в оболочках, узлы сопряжения оболочек, узлы уплотнений, валы, диски, быстроходные оболочки, тихоходные барабаны и др.
Конструкция аппарата или машины разрабатывается исходя из основных технических требований, предъявляемых к оборудованию, и условий его эксплуатации. К числу основных требований относятся назначение и среда, техническая характеристика (производительность, емкость, поверхность теплообмена, потребляемая мощность, частота вращения и т. д.), параметры технологического процесса (давление и температура), а также надежность и безопасность. Наряду с этим ведутся множество расчетов по главным критериям работоспособности.
Назначение и характеристика технологических аппаратов.
Технологические аппараты, как уже было указано, предназначены для осуществления в них химических, физических или физико-химических процессов (химических реакций, теплообмена без изменения агрегатного состояния, испарение, абсорбция, адсорбция, кристаллизация, сепарация, сепарация и т. п.), а также для хранения или перемещения в них различных веществ.
В зависимости от назначения, чаще всего по протекающему технологическому процессу, химические аппараты называются: реактор, теплообменник, испаритель, конденсатор и т. д.
Содержащиеся и перерабатываемые вещества в аппаратах бывают в разном агрегатном состоянии (чаще всего в жидком и газообразном, реже в твердом), различной химической активности (по отношению к конструкционным материалам) – от инертных до весьма агрессивных, для обслуживающего персонала – от безвредных до огне взрывоопасных.
Различные химико-технологические процессы в аппаратах осуществляются при различных, свойственных каждому процессу, давлениях – от глубокого вакуума до избыточного в несколько сот тысяч килопаскалей. И самых разнообразных температурах – от –250 до +900 °С.
Характер работы аппаратов бывает непрерывный и периодический, а установка их может быть стационарной (в помещении или на открытой площадке) и нестационарной (предусматривающей или допускающей перемещение аппарата).
Стальные сварные аппараты, в зависимости от содержащейся в них среды и ее рабочих параметров, с целью определения методов и объема контрольных операций для сварных соединений подразделяются на пять групп согласно ОСТ 26-291-94.
Все технологические аппараты, в зависимости от предъявляемых к ним технических требований, разделяются на подведомственные и не подведомственные Госгортехнадзору РФ.
Подведомственными Госгортехнадзору РФ являются аппараты, работающие при избыточном давлении свыше 0,7 МПа (без учета гидростатического давления), а также аппараты, работающие без избыточного давления, но при эксплуатации в которых возможно повышение давления свыше 0,7 МПа.
Не подведомственные Госгортехнадзору РФ – все остальные аппараты: аппараты вместимостью 0,025 м3, в которых произведение избыточного давления в МПа на вместимость в м3 не превышает 0,02; аппараты работающие под вакуумом.
Все аппараты наряду с наличием у них своих специфических устройств, как правило, состоят из следующих основных элементов и узлов: цилиндрического корпуса (из одной или нескольких обечаек), днища, крышки, штуцера (для присоединения трубной арматуры трубопроводов), устройств для присоединения контрольно-измерительных приборов, люков, опор, сварных и фланцевых соединений, строповых устройств.
Собственно аппараты разделены по наиболее удобному для конструирования и расчета их на прочность признаку на три характерных вида: емкостные, теплообменные и колонные.
Отличительным признаком емкостных аппаратов являются все горизонтальные и вертикальные (при соотношении H/D ≤ 5) аппараты, в которых могут быть различные специальные внутренние устройства, а также наружные обогревающие или охлаждающие рубашки.
Отличительным признаком теплообменных (преимущественно кожухотрубчатых) аппаратов имеющих наибольшее применение, является наличие у них теплообменной поверхности независимо от положения аппарата (горизонтального или вертикального).
Отличительным признаком колонных аппаратов является их вертикальное положение (при отношении H/D > 5), в которых имеются различные внутренние устройства в виде тарелок или насадок (в сорбционных или ректификационных колонн).
Все эти указанные элементы и узлы являются общими для всех аппаратов. Далее будут рассмотрены аппараты преимущественно цилиндрической формы, имеющие наибольшее применение в аппаратостроении [2].
Таблица 1