Проектирование аппарата с мешалкой

     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. Важнейшим среди перечисленных составляющих надежности является безотказность.

     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 λ, которую можно рассматривать как среднее число отказов в единицу времени.

     Интенсивность отказов для аппарата с механическим перемешивающим устройством определяется по формуле [1, с.30]:

     λ = λ_К + λ_ПР +λ_УП,     (9)

где λ_К, λ_ПР, λ_УП – интенсивности отказов корпуса аппарата, привода и уплотнения, час^-1.

Для корпуса  типа 30 интенсивность отказов составляет  λ_К = 1.5 · 10^-5 час^-1, для привода типа 1 – λ_ПР = 9 · 10^-5 час^-1, для торцевого уплотнения – λ_УП = 3 · 10^-5 час^-1 [1, таблица 5, с.31].

По формуле (9) получим:

                  λ = λ_К + λ_ПР +λ_УП =  1.5 · 10^-5 + 9 · 10^-5 + 3 · 10^-5 = 13.5 · 10^-5 час^-1 

     Вероятность безотказной работы является наиболее полной характеристикой надежности химико-технологической аппаратуры определяется по формуле [1, с.31]:

                              P_АП(t) = e^-λ·t       (10)

где t – время с начала эксплуатации аппарата, час^-1.

     Средняя продолжительность безотказной работы аппарата Т_СР определяется по формуле [1, с.31]:

                              Т_СР = 1 / λ       (11)

и в нашем  случае составляет

                  Т_СР = 1 / λ = 1 / (13.5 · 10^-5 час^-1) = 7407 часов.

     Продолжительность периодов эксплуатации аппарата между  обслуживанием и плановыми ремонтами  определяется по формуле:

                             Т_Э = -(1 / λ) · ln (P_ПРЕД),     (12)

где P_ПРЕД – предельная вероятность отказов, определяется свойствами рабочей среды (токсичность, пожаро- и  взрывоопасность) и рабочими параметрами процесса.

     В нашем случае (рабочая среда –  глицерин, t_С = 20°С, р_И = 0,8 МПа) предельная вероятность отказов составляет P_ПРЕД = 0.6 [1, с.32].

По формуле (12) получим:

            Т_Э = - (1 / λ) · ln (P_ПРЕД) = (1 / (13,5 · 10^-5 час^-1)) · ln (0.6) = 3784 часов. 
 
 

3. Технический проект

1. Расчёт  элементов корпуса  аппарата

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 расчёты вводится коэффициент прочности сварного шва φ = 0.9

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

       c =  П · Т_а,      (13)

где  с – прибавка для компенсации коррозии, м;

     П – скорость коррозии, м/год;

     T_a – срок службы аппарата, лет.

                             c =  П · Т_а = 0,0001 · 10 = 0,001м

2. Предварительный расчёт толщины стенок оболочек из условия  прочности

 

Необходимые толщины стенок оболочек, нагруженных  внутренним избыточным

давлением, определяются по уравнениям, полученным из условия прочности.

Расчёту подлежат элементы корпуса: цилиндрическая обечайка, эллиптическая крышка, эллиптическое  днище в местах сварки.

а)  Предварительный  расчёт цилиндрической оболочки:

Расчётная толщина  стенки цилиндрической обечайки из условия прочности

,    (14)

р_PB – расчётное внутреннее давление, Па;

D – внутренний диаметр обечайки, м;

[σ] – допускаемое напряжение, Па; 

φ – коэффициент  прочности сварного шва.

      5,5·10^-3 м. 

б)  Предварительный расчёт эллиптической крышки, для стандартных крышек

расчётная толщина стенки эллиптической крышки из условия прочности:

,    (15)

5,49 ·10^-3 м. 

в)  Предварительный  расчёт конической оболочки:

Расчётная толщина стенки конической обечайки из условия прочности

,   (16)

D_к = D – 2 · r (1-cos α)– диаметр основания конической обечайки без тороидального перехода, м;

r = 0.15D – расчетный радиус тороидального перехода, м;

α  = 45° – половина угла при вершине конуса; 

r = 0.27 м  D_к = D – 2 · r (1-cos α) = 1,64 м     (17)

                               7,09 ·10^-3 м.

 

3. Предварительный расчёт толщины стенок оболочек из условия устойчивости

 

а)  Расчёт толщины стенки цилиндрической обечайки из условия устойчивости:

Расчётная толщина стенки цилиндрической обечайки из условия устойчивости:

      ,     (18)

где р_PH – расчётное наружное давление, Па;

     n_y = 2.4 – коэффициент запаса устойчивости;

     l_Ц – расчётная длина цилиндрической обечайки, м;

     E – модуль продольной упругости материала оболочки, Па;

Расчетная длина  цилиндрической оболочки определяется по формуле [1, таблица 6, с.36]:

                              l_Ц = Н₁ + a₁ + a₂+b₁+b₂ ,    (19)

где H₁ – длина цилиндрической обечайки, м;

      a₁ – ориентировочная высота отбортованной части эллиптической крышки (днища), м (рис.14);

      а₂ – высота переходной части эллиптической оболочки, м (рис.14);

      b₁ 0.06 – ориентировочная высота отбортованной части конического днища, м

       - высота переходной части  конической оболочки, м. 

Рисунок 14. Схема к определению расчётной  длины цилиндрической оболочки l_ц.

Ориентировочная высота отбортованной части эллиптической  крышки

     а₂ = Н_эл/3,       (20)

где  Н_эл – высота эллиптической крышки без отбортовки.

     Н_эл = 0,25·D      (21)

H₁ = 1,7  м [1, таблица В.7, с.129], а₁ = 0,04 м [1, с.37], а₂ = (0,25·1,8)/3 = 0,225 м, [1, с.37], b₁=0.06 [1, с.37], м. 

По формуле (19) получим

                        l_Ц =  1,7+  0,04 + 0,225 + 0,06+0,14 = 2,165 м

с учётом того, что  Е = 2,15 · 10¹¹ Па получим:

      = 4,56 · 10^-3 м. 

б)  Расчёт толщины стенки эллиптической крышки из условия устойчивости:

Расчётная толщина  эллиптической оболочки из условия  устойчивости:

      ,     (22)

где  К – коэффициент приведения радиуса эллипса, K ≈ 0.9.

      2,37 · 10^-3м.  

в) Расчет толщины стенки конической оболочки из условия устойчивости:

                      ,     (23) 

                                  D_рк =  (D+D₀) / 2cosα = (1,8 + 0,108) / 2cos45° = 1,35м ,

                                   l_к =  (D - D₀) / 2sinα = (1,8 – 0,108) / 2sin45° = 1,20 м ,

где S_kp2-расчетная толщина стенки конической оболочки из условия устойчивости, м;

     p_pн - расчетное наружное давление для днища, Па ;

     n_y =2.4 – коэффициент запаса устойчивости;

     Е- модуль продольной упругости материала  оболочки, Па;

     D_pk-расчетный диаметр конической оболочки, м;

     D₀-внутренний диаметр штуцера для слива, м;

     l_k- расчетная длина конической обечайки, м;

      =45⁰-половина угла при вершине конуса;

     D- внутренний диаметр обечайки, м. 

                   = 3,03 · 10^-3м. 

4. Определение исполнительной толщины  стенок оболочек

 

     Исполнительную  толщину стенки определяют с учётом прибавки для компенсации

коррозии c и прибавки с₁ для округления толщины листа до стандартного значения.

Выражения для  определения исполнительной толщины  стенок оболочек имеют вид:

а) для цилиндрической оболочки:

s_Ц = s_ЦР + с + с₁,        (24)

где s_ЦР = max{s_ЦР1; s_ЦР2} = 5,5 ·10^-3 м.

Принимаем исполнительную толщину листа 10 мм, тогда с₁ = 2,5 мм,  что больше минусового допуска для данной толщины листа u = 0,8 мм:

     s_Ц = s_ЦР + с + с₁ = 5,5  + 2 + 2,5 = 10 мм.

б) для эллиптической оболочки (крышки):

s_Э = s_ЦР + с + с₁,        (25)

где s_ЭР = max{s_ЭР1; s_ЭР2} = 5,49 ·10^-3 м.

Принимаем исполнительную толщину листа 10 мм, тогда с₁ = 2,51 мм,  что больше минусового допуска для данной толщины листа u = 0,8 мм:

     s_Э = s_ЭР + с + с₁ = 5,49  + 2 + 2,51  = 10 мм. 

б) для конической оболочки (крышки, днища):

s_К = s_КР + с + с₁,        (26)

где s_КР = max{s_КР1; s_КР2} = 7,09 ·10^-3 м.

Принимаем исполнительную толщину листа 10 мм, тогда с₁ = 0,91  мм,  что больше минусового допуска для данной толщины листа u = 0,8 мм: