Projekt nr 1

Temat : Projekt zbiornika ciśnieniowego poziomego

Projektował : Mariusz Kopacki

Bydgoszcz 2001r

I. Dane:

• ciśnienie; p = 1,3 MPa

• objętość; V = 17 m³

• medium; kwas mrówkowy 15 % (HCOOH)

• dane literaturowe o kw . mrówkowym; gęstość14 % kw . mrówkowego - 1034,6 kg/m³

gęstość16 % kw . mrówkowego - 1039,4 kg/m³. Przyjmuję gęstość kwasu mrówkowego - 1037 kg/m³

II. Wymagania:

• obliczenia wytrzymałościowe

• rysunek złożeniowy

III. Tok obliczeń:

• wyznaczenie ciśnienia obliczeniowego „p_ow”

• obliczenie grubości ścianki cylindrycznej (walcowej) „g₀”

• obliczenie grubości ścianek dna dolnego:

1. obliczenie grubości ścianek na wyobleniu

• obliczenie grubości ścianki górnego dna wyoblonego

• dobór kołnierzy do zbiornika

• dobór włazu

• obliczenie króćca spustowego (ze względu na czas wypływu)

• dobór króćców:

1. dopływowego

2. odpływowego

3. odpowietrzającego

• obliczenie największej średnicy otworu, nie wymagającej wzmocnienia

• wnioski dotyczące wzmacniania otworów

• dobór podpór

III. Oznaczenia:

V_nom - objętość nominalna;

V_rzecz - objętość rzeczywista ;

L_c - długość części cylindrycznej ;

V_c - pojemność części cylindrycznej zbiornika ;

V_d - pojemność dna ;

F_w - wewnętrzna powierzchnia zbiornika

F_c - wewnętrzna powierzchnia części cylindrycznej ;

F_d - wewnętrzna powierzchnia dna ;

p_ow - ciśnienie obliczeniowe; [Pa]

p_rw - ciśnienie robocze; [Pa]

p_h - ciśnienie hydrostatyczne; [Pa]

g - przyśpieszenie ziemskie; [m/s²]

D_z - średnica zewnętrzna; [m]

D_w - średnica wewnętrzna; [m]

k - naprężenie dopuszczalne na rozrywanie; [Pa]

a - współczynnik ;

z - współczynnik wytrzymałościowy złącza ;

z_dop - współczynnik zakładu spawającego ;

t_os - temperatura obliczeniowa ścianki; [^oC]

R_e - wytrzymałość doraźna na zginanie ;

X_e - współczynnik bezpieczeństwa ;

ρ - gęstość medium; [kg/m³]

α - współczynnik ;

c - naddatek grubości; [m]

c₁ - naddatek grubości na minusową odchyłkę blachy; [m]

c₂ - naddatek grubości na korozję; [m]

c₃ - naddatek grubości ze względu na dodatkowe naprężenia pochodzące od ciśnienia; [m]

g₀ - obliczeniowa grubość ścianki; [m]

g - rzeczywista grubość ścianki; [m]

s - szybkość korozji; [m/rok]

t - czas pracy elementu; [lata]

A - powierzchnia lustra cieczy [m²]

A₀ - powierzchnia przekroju otworu wypływowego; [m²]

τ - czas wypływu; [s]

z_r - współczynnik wytrzymałości powłoki osłabionej otworami

m - całkowita; [kg]

m₀ - masa zbiornika; [kg]

m₃ - masa króćców; [kg]

m₄ - masa włazu z pokrywą; [kg]

m₆ - masa medium; [kg]

m_pł - masa płaszcza; [kg]

m_kł - masa kołnierzy; [kg]

b - szerokość podpory; (m)

R_m - wytrzymałość na rozciąganie ;

m_pust. - masa pustego zbiornika ;(kg)

m_med. - masa medium (kg)

H_c - maksymalna wysokość słupa cieczy w zbiorniku ;

K - naprężenia dopuszczalne ;

Y_{w -} współczynnik wytrzymałościowy ;

R_w - promień dna ;

R_w - promień kulistości dna ;

H_z - promień krzywizny dna eliptycznego ;

Dane	Obliczenia	Wyniki
Medium; kw . mrówkowy 15% p = 1,3 MPa V = 17m^3 Dw = 2,4m. prw = 1,3 MPa Przyjmuję: ρ =1037 kg/m^3 Re =24∗10^7 tos = 20^oC Xe =1,8 α = 1 c1 = 0,0008m. c3 = 0 t = 10 lat s=0,0001m/rok g = 18mm Dw = 2,4m. Rm = 40∗10^7 Dz = 2,44m k = 13,58∗10^7 pow = 1324415,1 Pa z = 0,64 Hz =0,654m Dz = 2,44m g = 0,018m Lc = 4m τ = 3600s φ = 0,62 Dw = 2,4m. pow =1324415,1MPa c2 = 0,001 g = 0,018m. k = 13,58∗10^7 a = 1 Dz = 2,44m. c2 = 0,001m d = 0,4m Dotw = 0,433m c2 = 0,001m h = g = 0,002m Dw = 2,4m Dz = 2,44m Lc = 4m. ρ = 7900kg/m^3 Dotw = 0,433m g = 0,01m ρ = 7900kg/m^3 d = 0,8m g = 0,01m ρ = 7900kg/m^3 d = 0,02m V = 20m^3 ρ = 1037kg/m^3 M.c= 27251,394 kg G = 267336,17 Lw = 5,28m Dw = 2,4m g = 0,018m c = 0,0018m M =30348N/m kg = 2,68∗10^8N/m^2 σg = 6,59∗10^5 N/m^2 g = 0,018m c = 0,0018m b = 0,350m G =267336,1N kg = 2,68∗10^8N/m^2 Dz = 2,44m. g g = 0,018m c = 0,0018m b = 0,350m P = 133668,085N kg = 2,68∗10^8N/m^2 Dz = 2,44m gn = 0,01m	1.Dobór materiału. Do obliczeń przyjmuję materiał konstrukcyjny stal St3S 2.Dobór wymienników zbiornika. Przyjmuję dobór wymiarów zbiornika na podstawie normy BN-64/2221-08: Vnom. = 20m^3Vd = 1,99m^3 Vrzecz. = 22,1 m^3Fw = 43,3m^2 Dw = 2400mm Fc = 30,2m^2 Lc = 4000mm Fd = 6,58m^2 Vc = 18,1m^3Ld = 5280mm hd = 640mm 3.Obliczanie płaszcza zbiornika(powłoki walcowej ) podlegającej ciśnieniu wewnętrznemu . 3.Wyznaczenie ciśnienia obliczeniowego „pow” pow = prw + ph ph = Dw∗g∗ρ = 2,4∗9,81∗1037 = 24415,1 Pa ] pow = prw + ph = 1,3∗10^6 + 24415,1 = 1324415,1 Pa 4.Obliczanie grubości ścianki powłoki walcowej „g0” g0 = (Dw∗p.ow)/[(2,3k∗z/a)-p.ow] 4.1.Obliczanie naprężenie dopuszczalnych. Re przyjmuję z normy wytrzymałościowej PN-61/H-84020 tos przyjmuję z normy PN-62/C60012 Re,to = Re∗1,019 - (0,09 tos/100) - 0,018(tos/100)^2 Re,to = 24,46∗10^7 N/m^2 Xe przyjmuję z normy DT/0-201/63 k = (Re,to/Xe) α = (24,46/1,8)∗1 = 13,58∗10^7 4.2.Obliczanie współczynnika wytrzymałościowego „z” Przyjmuję jednostronne złącze doczołowe bez podpawania; z = 0,8zdop z = 0,8∗0,8 = 0,64 4.3.Wyznaczanie współczynnika „a” Ponieważ β = (Dz/Dw)≤1,4; to a = 1,0 4.4.Obliczanie „g0” g0 = (2,4∗1324415,1)/[(2,3∗13,58∗10^7∗0,64) - 1324415,1] g0 = 0,016m. 4.5. Rzeczywista grubość ścianki „g” g = g0 + c c = c1 + c2 + c3 c2 = s∗t = 0,001 [m/rok] c = 1,8∗10^-3m g = 1,8∗10^-3 + 0,0160 = 1,78*10^-2 m Przyjmuję grubość blachy znormalizowaną wg normy BN-65/2001-02; g = 18mm 4.6.Obliczanie grubości blachy ze względu na sztywność powłoki „gsz.” gsztw = Dz/320∗(2,94∗10^8/Rm.) Dz = Dw + 2g Dz = 2,4 + 2∗0,018 = 2,44m gsztw = (2,44/320)∗(2,94∗10^8/40∗10^7) = 0,0056m. 0,014>0,0056 Warunek, że g> gsztw jest spełniony. 5.Obliczanie den wyoblonych. 5.1.Obliczanie grubości ścianki dna wyoblonego „g” . g = (Dz∗pow∗yw/4∗k∗z) + c Hz/Dz = hd + g/Dz = (0,64 +0,010)/2,42 = 0,27 Dla den pełnych bez otworów; ω = 0 współczynnik kształtu dna odczytany z norm dennic; yw = 1,9 g = (2,44∗1324415,1∗1,9/4∗13,58∗10^7∗0,64) + 0,0018 g = 0,0175m Wybieram dno eliptyczne toczone z blachy o grubości g = 18mm, wg normy BN-65/2002-02 5.2.Wymiary dna. Rw ≤ Dz Hz > 0,18∗Dz rw ≥ 0,1∗Dz ad. a) Rw = (Dz - 2g)^2/4(Hz - g) Rw = (2,44 - 2∗0,018)^2/4(0,654 - 0,018) Rw = 2,27m. Rw ≤ Dz 2,27≤2,44 ad. b) Hz > 0,18∗Dz 0,654>0,439 ad. c) rw = 2(Hz - g)^2/(Dz - 2g) rw = 2(0,654 - 0,018)^2/(2,44 - 2∗0,018) = 0,336 rw ≥ 0,1∗Dz 0,336 ≥ 0,244 6.Dobór włazu. Dobieram właz; Dnom = 400mm, Dotw = 433mm, wg normy BN-83/22211-2501 7.Dobór króćców. 7.1.Króciec odpływowy. AO = π∗H^2 + Lc∗2H H = 0,5Dw = 0,5∗2,4 = 1,2m AO = 3,14∗(1,2)^2 + 4∗2∗1,2 = 14,1216 m^2 A = AO/τ∗φ∗(2g)^1/2 = 14,1216/3600∗0,62∗(2∗9,81)^1/2 A = 0,00143 m^2 Dobieram króciec odpływowy; Dnom = 80mm, dla p = 1MPa wg, normy BN-75/2211-35 7.2.Króciec dopływowy. Dobieram króciec dopływowy taki sam jak odpływowy; Dnom = 80mm, dla p = 1MPa, wg normy BN-75/2211-32 7.3.Króciec odpowietrzający. Dobieram króciec odpowietrzający, Dnom = 20mm, wg normy BN-75/2211-32 8.Obliczanie wzmocnień dla otworów w zbiorniku. 8.1.Wyznaczanie największej średnicy otworu nie wymagającej wzmocnienia. Największa średnica otworu w powłoce walcowej, nie wymagająca wzmocnienia równa jest najmniejszej z trzech podanych wartości: d = 0,81(Dw(g - c2)(1- zr)]^1/3 d = 0,35Dz d = 0,2 zr = pow(Dw + g - c2)/[(2,3/a)k(g - c2) zr = 1324415,1(2,4 + 0,018 -0,001)/(2,3∗13,58∗10^7∗ ∗(0,018-0,001) zr = 0,603 ad. a) d = 0,81[2,4(0,018 - 0,001)(1 - 0,614)]^1/3 = 0,146m ad. b) d = 0,35Dz = 0,854m. ad. c) d = 0,2 Średnica największego nie wzmocnionego otworu w części walcowej może wynosić: d = 146mm 8.2. Obliczenie wzmocnienia otworu włazu. Średnica otworu wyciętego w płaszczu wynosi d = 400mm Jest ona większa od d = 146mm, zatem wymaga ona wzmocnienia. gw = [(d + 2c2)/2πd]g gw = [(0,4 + 2∗0,001)/(2∗3,14∗0,4)]∗0,01 = 0,0016m. Przyjmuję; gw = 2mm Fwzm = (Dotw + 2c2)g/2 Fwzm = (0,433 +2∗0,001)∗0,002/2 = 4,35∗10^-4m^2 Dwzm = Dotw + Fwzm /(h - c2) Dwzm = 0,433 + 4,35∗10^-4/(0,002 - 0,001) = 0,868m 9.Obliczenie masy aparatu. M.c = mmed + mpust gdzie: mpust - masa pustego zbiornika mmed - masa medium 9.1.Masa pustego zbiornika. mpust = mcz. walcowej + 2mdennic + mwłazu + mkróćców - - (motw. króćców + motw. włazu) 9.1.1.Masa części walcowej bez otworów. m = (0,25πDz^2 - 0,25πDw^2)∗ρ∗Lc m = [0,25∗3,14∗(2,44)^2 - 0,25∗3,14∗(2,4)^2]∗7900∗4 m = 4802,44 kg 9.1.2.Masa dennic. Masę dennic przyjmuję; m = 770 kg, wg normy PN-75/M.-35412 9.1.3.Masa włazu z pokrywą. Masę włazu z pokrywą przyjmuję; m = 165,4 kg, wg normy BN-83/22211-2501 9.1.4.Masa króćców. Masę króćców przyjmuję; m = 16 kg wg normy BN-75/2211-32 9.1.5.Masa otworu włazu. m = g[πDotw^2/4]ρ m = 0,01∗0,25∗3,14∗(0,433)^2∗7900 = 11,627 kg 9.1.6.Masa otworów króćców. a)masa otworów króćców: dopływowego i odpływowego m = g[πd^2/4]ρ m = 0,01∗0,25∗3,14∗(0,8)^2∗7900 = 0,397 kg b) masa otworu króćca odpowietrzającego m = g[πd^2/4]ρ m = 0,01∗0,25∗3,14∗(0,02)^2∗7900 = 0,025 kg mpust = 4802,44 + 2∗770 + 165,4 +16 - (11,627 + + 0,025 + 2∗0,397) = 6511,394 kg 9.2.Masa medium. mmed = V∗ρ = 20∗1037 = 20740 kg 9.3.Całkowita masa aparatu. Mc = mmed + mpust = 6511,394 + 20740 = 27251,394 kg 10.Dobór podpór. Zgodnie z normą BN-64/2212-04 wybieram podporę odmiany C dla D w =2,4 m o wymiarach: a = 2140mm c = 170mm b = 350mm z = 1050mm m = 2100mm g = 10mm n = 650mm e1 = 1900mm h = 740mm e2 = 290mm Masa jednej podpory wynosi m = 240kg. Zbiornik będzie ustawiony na dwóch podporach odmiany C. Dla aparatów ustawionych na dwóch podporach (J. Pikoń) reakcje podpór wynoszą: RA = RB = 0,5G czyli RA = RB = 0,5∗Mc∗9,81 = 133668,08 N G = Mcg = 27251,394∗9,81 = 267336,17 N stąd obliczeniowy moment gnący „M” wynosi: M = 0,0215∗G∗Lw M = 0,0215∗ 267336,17 ∗5,28 = 30348,0 N/m. Rozmieszczenie podpór w zbiorniku określono z zależności: l1 = 0,207Lw l1 - odległość podpory od końca zbiornika [m] stąd l1 = 0,207∗5,28 = 1,0m. Podpory wykonane ze stali węglowej St3S 11.Naprężenia zginające aparatu. σg = M/W ≤ kg W = 0,8Dw^2(g - c) = 0,8∗(2,4)^2∗(0,018 - 0,0018) W = 0,0746m^3 σg = 30348,0/0,0746 = 4,06∗10^5 N/m^3 4,06∗10^5 N/m^3 ≤ 2,68∗10^8 Warunek spełniono. 11.1.Naprężenie zginające pochodzące od podpór dla aparatu o dwóch łapach. Moment wytrzymałościowy elementu: W = [b + 8(g - c)](g - c)^2/6 W = [0,350 + 8(0,018 - 0,0018)](0,018 - 0,0018)^2/6 W = 2,097*10^-5m^3 P = 0,5G = 0,5∗26733617 = 1333668,085 N Naprężenie zginające pochodzące od podpór powinno być mniejsze od dopuszczalnego: σg = 0,02∗P∗Dz /W≤ kg gdzie ; P - relacja podpory ( N ) , W - moment wytrzymałościowy poprzecznego przekroju elementu ścianki aparatu nad podporą , odniesiony do osi x przechodzącej przez środek ciężkości tego przekroju równoległej do osi aparatu (m^3) σg = 0,02∗133668,085∗2,44/2,097*10^-5 = 3,11∗10^8 N/m^2 3,11∗10^8 ≤ 2,68∗10^8 Warunek nie został spełniony, stosuje nakładkę o grubości gn = g = 0,01m W = Ic + In + Fc[gn + 0,5(g - c) - y]^2 + Fn(y - 0,5gn)^2/y gdzie: Fc - obliczeniowa powierzchnia przekroju elementu ścianki [m^2], Fn - obliczeniowa powierzchnia przekroju poprzecznego nakładki [m^2], Ic - osiowy moment bezwładności powierzchni Fc względem osi przechodzącej przez środek ciężkości powierzchni Fc równoległej do osi aparatu [m^4], In - osiowy moment bezwładności powierzchni Fn względem osi przechodzącej przez środek ciężkości powierzchni Fn równoległej do osi aparatu [m^4], y - odległość od niższej powierzchni nakładki do osi przechodzącej przez środek ciężkości powierzchni Fc + Fn równoległej do osi aparatu(m) . Fc = [b + 8(g - c)](g - c) Fc = [0,35 + 8∗(0,018 - 0,0018)]∗(0,018 - 0,0018) Fc = 0,0077m^2 Fn = (b + 4gn)gn Fn = (0,35 + 4∗0,01)∗0,01 = 0,0039m^2 Ic = Fc(g - c)/12 Ic = 0,0077(0,018 - 0,0018)/12 = 1,904∗10^-5m^4 In = Fngn^2/12 In = 0,0039∗(0,01)^2/12 = 3,2∗10^-8m^4 y = Fc[gn + 0,5(g - c) + 0,5Fngn]/(Fc + Fn) y = 0,0077[0,01 + 0,5(0,018 - 0,0018) + 0,5∗0,0039∗0,01/ /(0,0077 + 0,0039) y = 0,01202m W = Ic + In +Fc[gn + 0,5(g - c) - y]^2 + Fn(y - 0,5gn)^2/y W = 1,04∗10^-5 + 3,2∗10^-8 + 0,0077∗[0,01 + + 0,5∗(0,018 - 0,0018) - 0,01202]^2 + + 0,0039∗(0,01202 - 0,5∗0,01)^2/0,01202 W = 0,64m^3 W ≥ 0,02PDz/kg 0,64 ≥ 0,02∗133668,085∗2,44/2,68∗10^8 0,64 ≥ 2,43∗10^-5 Warunek został spełniony. We wnętrzu zbiornika zastosowałem wykładzinę gumową ( guma + ebonit ) , służącą do ochrony przed działaniem kwasu mrówkowego . LITERATURA: 1.J.Pikoń, „Podstawy konstrukcji aparatury chemicznej” cz. 1 i 2 PWN Warszawa 1979 2.BN-64/2212-04 „Podpory poziomych aparatów cylindrycznych 600-3000 mm . Wymiary . ` 3.BN-64/2221-08 „Zbiorniki cylindryczne poziome i pionowe z dnami elipsoidalnymi. Główne wymiary”. 4.PN-66/M.-35412 „Dna elipsoidalne stalowe o średnicy wewnętrznej od 600-4000 mm Wymiary”. 5.R.Koch, A.Noworyta „Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej”. WNT Warszawa 1992 6.BN-83/2211-2501 „Włazy z pokrywą płaską z dnem eliptycznym na ciśnienie nominalne 1,6; 2,0; 2,5; 4,0MPa”. 7.BN-64/2211-04 „Podpory aparatów poziomych”.	pow = 1324415,1Pa Re,to = 24,46∗10^7 N/m^2 k = 13,58∗10^7 z = 0,64 a = 1,0 g0 = 0,0160m. c2= 0,001 [m/rok] c = 1,8∗10^-3m g = 18mm Dz = 2,44m gsztw = 0,0056m g = 0,0175m g = 18mm Rw = 2,27m rw = 0,336 AO = 14,1216m^2 A = 0,00143m^2 D = 80mm D = 80mm D = 20mm zr = 0,603 d = 146mm gw = 2mm Fwzm = 4,35∗10^-4m^2 Dwzm = 0,868m m = 4802,44 kg m = 770 kg m = 165,4 kg m = 16 kg m = 11,627 kg m = 0,397 kg m = 0,025 kg mpust = 6511,394kg mmed = 20740 kg M.c = 27251,394kg G = 267336,17 N M = 30348 N/m W = 0,0746m^3 σg = 4,06∗10^5 N/m^2 W = 2,097*10^-5m^3 P = 133668,085 N gn = 0,01m Fc = 0,0077m^2 Fn = 0,0039m^2 In = 3,2∗10^-8m^4 y = 0,01202m W = 0,64m^3

12

---