Расчет фланцевого соединения

Введение.

Бумага офсетная предназначена для печатания иллюстрационно – текстовых изданий и изобразительной продукции офсетным способом. Исходя из этого, она должна иметь специфические печатные свойства. Для производства офсетной бумаги используем сульфатную лиственную целлюлозу марки ЛС2 с числом Каппа ≈ 40. Данная целлюлоза может производиться из балансовой лиственной древесины или технологической щепы.

Варку целлюлозы производим в установке непрерывной варки типа Камюр. Для варки целлюлозы, кроме древесины, необходим варочный раствор. Для сульфатной варки используется сульфатный белый щелок. Он имеет следующий состав:

NaOH + Na₂S + Na₂CO₃ + Na₂SO₄ + Na₂S₂O₃ + Na₂SiO₃

Процесс варки происходит в определенном технологическом режиме. В самом котле поддерживается избыточное давление 1,2 МПа, для того чтобы поддерживать в разных частях котла разную температуру. Температурный же режим в котле осуществляется исходя из графика:

Сначала дисперсия нагревается до 120°С, затем некоторое время осуществляется пропитка щепы щелоком (на графике это выражено прямым участком). После дисперсия снова нагревается до температуры варки 170 °С. Далее происходит варка целлюлозы (прямой участок графика). После варки целлюлозы поступает в зону диффузионной промывки, где она и охлаждается. Общее время варки – 5 часов.

1. Параметры сульфатной целлюлозы для выработки офсетной бумаги.

Целлюлоза сульфатная лиственная ЛС- 2, ГОСТ 28172-89

а) Механическая прочность при размоле в мельнице ЦРА до 60° Шр

- разрывная длина, 7200м.

- абсолютное сопротивление раздиранию, 45

б) Белизна, 85%

в) Сорность, шт. соринок площадью

- свыше 0,1 до 1,0 мм²,не более 60

- свыше 1,0 до 2,0 мм²,не более 5

- свыше 2,0 мм² - 0

г) Влажность, не более 20%

2.Схема и описание основных узлов установки «Камюр».

В установках непрерывной варки типа «Камюр» щепа из бункера 1 поступает через воронку 2 в дозатор – расходомер 3,который служит для подачи на варку определенного количества щепы. Питатель низкого давления в качестве запорного устройства разделяет зоны атмосферного 4 в дозаторе и избыточного в пропарочной камере 5. В пропарочной камере посредством нагрева щепы паром из неё удаляется воздух, что улучшает дальнейшую пропитку щепы в варочном котле.

Рисунок 1: Схема установки «Камюр»

В систему подается свежий пар и пары вскипания щелока из сепаратора 15 в соотношении 2 к 3. Давление в цистерне поддерживается пределах от 0,05 до 0,17 МПа. Дальше пропаренная щепа поступает в питающую камеру 6, где впервые контактирует со щелоком. Камера обеспечивает бесперебойную работу питателя высокого давления 7 и служит гидравлически затвором, препятствующим попаданию воздуха, пара и щепы в верхнюю часть варочного котла 8. Питатель высокого давления служит для подачи щепы и щелока в котел, а также разделяет зоны высокого давления в котле, где давление в варочной части составляет 1,05-1,2 МПа, и низкого давления в питающей камере.

Дисперсия, состоящая из щепы и щелока с гидромодулем m≈30, поступает в загрузочное устройство варочного котла 9, где происходит отделение избыточного щелока. В верхней части котла располагается зона пропитки щепы, ниже – зона нагрева 10. Из верхней части отбирают черный щелок в сепаратор 15, откуда пары вскипания отбираются в пропарочную камеру, а сгущенный щелок поступает на регенерацию.

Черный щелок из нижней части охлаждается в теплообменнике 14 и через центральную трубу вновь поступает в верхнюю часть зоны оттяжки крепкого черного щелока.

В нижней части котла происходит охлаждение массы и выдувка в выдувной резервуар 16.

Из выдувного резервуара, масса направляется на вибрационную сортировку а затем на промывку на вакуум фильтры.

Принцип действия установки.

Варочный котел установки «Камюр» предназначен для варки и горячей диффузионной промывки целлюлозы. Щепа транспортирующим щелоком вымывается из карманов питателя высокого давления в загрузочное устройство котла. Установки с производительностью 1200 т/сутки имеют два тракта подачи щепы, расходы на эксплуатацию варочной установки уменьшаются, надежность её работы повышается, а количество ремонтных работ и запасных частей сокращается.

Загрузочное устройство предназначено для отделения от щепы избыточного транспортирующего щелока и более равномерному распределению щепы по всему поперечному сечению котла. После отделения избыточного щелока суспензия поступает в котел с необходимым для варки гидромодулем, т.е. с необходимым соотношением сухих веществ и всей жидкости. Суспензия, поступающая из питателя высокого давления в загрузочное устройство котла, имеет гидромодуль m≈30, а после удаления избыточного щелока 1:3.

В верхней части котла располагается зона пропитки, в которой щепа находится около 70 минут при температуре 105-110°. Ниже зоны пропитки находится зона нагрева, где производится нагрев содержимого котла щелоком, который отбирается через два пояса заборных сит. Пройдя через подогреватели он снова возвращается в зону нагрева через центральную трубу. При этом менее нагретый щелок, поступающий из зоны пропитки, вытесняется подогретым щелоком к заборным ситам. Благодаря радиальному движению подогретого щелока щепа поступающая из зоны пропитки нагревается до 150° С, а затем и до 175° С. Время нагрева приблизительно 40 минут. После зоны нагрева щепа поступает в зону варки с температурой 170°С, где находится около 70 минут.

Сваренная щепа, сохраняя свою форму, перемещается в зону экстракции крепкого черного щелока и горячей диффузионной промывки. Здесь крепкий горячий щелок радиально вытесняется охлажденным черным щелоком, поступающим из центральной трубы, и через сита отбирается в сепаратор, где отделяются пары вскипания, а затем направляется на регенерацию. Температура массы после удаления горячего щелока снижается до 130° С.

В нижней зоне промывки происходит дальнейшее охлаждение массы слабым черным щелоком с вакуум-фильтров. Он подается через ряд сопел, расположенных в нижней части котла. Он то и способствует вытеснению горячего черного щелока в зоне экстракции. При этом массы охлаждается до 100-110°С.

В днище варочного котла расположено разгрузочное устройство, состоящее из двухлопастной мешалки и приваренного к ней конуса. Через пустотелый вал мешалки подается слабый щелок с вакуум-фильтров, что способствует охлаждению массы и лучшему удалению её из котла. Наклонные скребки мешалки, а также две лопасти, осуществляют равномерную подачу массы со всего поперечного сечения котла к выдувному отверстию, расположенному в центре днища котла.

Варочный котел работает при внутреннем давлении 1,05-1,2 МПа, которое поддерживается закачкой слабого черного щелока в нижнюю часть котла. Диаметр котла ступенями возрастает к днищу, что способствует беспрепятственному движению щепы вниз и уменьшению вероятности залипания ее на ситах и центральной трубе. Каждый пояс сит разделен горизонтальным кольцом на два отделения: нижнее и верхнее. Каждое из отделений попеременно включается в работу через 1-1,5 минуты. Очередность в работе отделений уменьшает забивание сит. На современных котлах к тому же отверстия каждого последующего ряда смещаются по окружности на половину шага по отношению к отверстиям предыдущего ряда, благодаря чему уменьшается забивание сит щепой.

Состав варочного раствора:

В сульфатном белом щелоке вся щелочь состоит из следующих компонентов:

NaOH + Na₂S + Na₂CO₃ + Na₂SO₄ + Na₂S₂O₃ + Na₂SiO₃

Смесь едкого натра и сульфата натрия (NaOH + Na₂S) называют активной щелочью. В растворе также содержится некоторое количество карбонита натрия (Na₂CO₃) в результате неполного протекания реакции каустизации. Сумму активной щелочи и карбонита натрия называют общей титруемой щелочью. Остатки после регенерации черного щелока (Na₂SO₄ + Na₂S₂O₃ + Na₂SiO₃) так же содержаться в растворе в небольших количествах.

Состав сульфатного белого щелока характеризуется:

- степенью активности (0,82-0,85)

- степенью восстановления (0,92-0,96)

- степенью сульфидности (0,2-0,35)

- степенью каустизации (0,8-0,9)

3.Расчет геометрических размеров корпуса варочного котла установки «Камюр»

Исходные данные для расчета:

Q – производительность установки, 1200 тонн/сут.

W_щ – расчетная влажность щепы, 40%

ζ₁ – содержание плотной древесины в 1м³ варочного котла, 0,44 м³/м³

q₁ – выход целлюлозы из древесины, 48%

G_щ – расход активной щелочи, 16%

m – гидромодуль суспензии «щепа-щелок» в варочном котле, 2,5 кг/кг

P – рабочее давление внутри котла, 1,2 МПа

Т – максимальная рабочая температура в котле, 175°С

ω_ср – средняя скорость перемещения щепы в котле, 10,5 м/ч

Скорость движения щепы по зонам котла

ω₁ = 12-15 м/ч ω₄ = 5,5-7,5 м/ч

ω₂ = 10-12 м/ч ω₅ = 5,5-7,5 м/ч

ω₃ = 7,5-9,5 м/ч ω₆ = 12-14,5 м/ч

τ – рекомендуемое время пребывания щепы в реакционных зонах котла в минутах:

- зона пропитки τ₁ = 70

- зона нагрева τ₂ = 35

- зона варки τ₃ = 70

- зона отбора горячих черных щелоков τ₄ = 10

- зона диффузионной промывки τ₅ = 55

- зоны выгрузки τ₆ = 3

Объем варочного котла V_общ определяется как сумма объемов реакционных зон

V_общ = V₁ + V₂ + V₃ + V₄ + V₅ + V₆;

Где

V₁ – объем зоны пропитки

V₂– объем зоны нагрева

V₃– объем зоны варки

V₄ – объем зоны отбора горячих черных щелоков

V₅ – объем зоны диффузионной промывки

V₆ – объем зоны выгрузки

Объем зоны пропитки:

Где G_щас – масса абсолютно сухой древесины, загружаемой в варочный котел, для получения 1кг. воздушно-сухой целлюлозы с выходом 48% от веса древесины, кг.

G_щас = 880*100/48 = 1833 кг.

V₁= 1833*700*70/24*60*0,44*450 = 315 м³

Высота зоны пропитки:

Внутренний диаметр корпуса котла в зоне пропитки:

По ГОСТ 9617-76 принимаем внутренний диаметр корпуса в зоне пропитки =5000мм.

Объем зоны нагрева:

Где - средний расход целлюлозы в зоне нагрева, согласно графику варки, 87%

- плотность загрузки в зоне нагрева(увеличивается на 10-20% по сравнению с плотностью загрузки в зоне пропитки)

= + = 0,44 + 0,15*0,44 = 0,51 м³/м³

V₂= 1833*700*35*0,87/24*60*0,51*450 = 118,2 м³

Высота зоны нагрева

Внутренний диаметр корпуса в зоне нагрева:

Принимаем D₁ = D₂= 5000 мм, для исключения сопротивления движению щепы.

Объем зоны варки определяется как сумма объемов волокон целлюлозы V_3,1; щелока V_3,2; и сухого остатка щелока V_3,3

где

Где ρ_в – плотность волокна целлюлозы; 1550 кг/ м³

q₃ – средний выход целлюлозы из древесины в зоне варки; 75%

Где V_щел – объем щелока, необходимого для варки 1 кг целлюлозы

ρ_щел – плотность щелока при t = 90°С и концентрации сухих веществ 30%; 1125 кг/ м³

Где G_м.в – масса минеральных взвешенных частиц в белом щелоке на 1т целлюлозы, кг

G_м_.в = G_Na2O*k₁

G_Na2O= G_акт / k₂

G_акт = G_щас*С_Na2O

Где G _Na2_O– масса Na₂O поступающая на варку с белым щелоком, кг

k₁ – коэффициент пересчета единиц Na₂O; 1,37

С_Na2_O– доли массы активной щелочи; 0,16

k₂ – коэффициент активности щелочи; 0,88-0,9

G_акт = 1833*0,16 = 293 кг.

G_Na2O= 293/0,88 = 333 кг.

G_м_.в = 333*1,37 = 456 кг.

Высота зоны варки:

Внутренний диаметр корпуса котла в зоне варки:

Согласно ГОСТ 9617-76 принимаем D₃ = 5500 мм.

Зона отбора черного щелока

Объем зоны отбора черного щелока определяем как сумму объемов: V_4,1 – объем занимаемый волокном, V_4,2 – объем занимаемый щелоком, V_4,3 – объем занимаемый сухим остатком щелока.

Где G_ос – масса сухого остатка в щелоке

Где q₃ = 100 – q₁ = 100 – 48 = 52 %

Отсюда

Следовательно

Объем зоны отбора черного щелока:

Высоту зоны определяем из

Находим внутренний диаметр

Для исключения сопротивления движению массы, примем диаметр корпуса в зоне отбора черного щелока равным диаметру корпуса в зоне нагрева, т.е. D₃ = D₄= 5500 мм.

Объем зоны диффузионной промывки находим аналогично, как сумму объемов

Следовательно

Высота зоны промывки:

Диаметр корпуса котла в зоне диффузионной промывки:

Принимаем D₅ = 5500 мм по ГОСТ 9617-76

Объем зоны выгрузки

Где V_6,1 – объем занимаемый волокном

V_6,2 – объем, занимаемый щелоком – будет определятся концентрацией целлюлозной массы на выходе в результате разбавления массы слабым щелоком. При концентрации массы 7% объем щелока на 1 тонну составит

Тогда

Высота зоны выгрузки:

Диаметр корпуса котла в зоне выгрузки:

Для обеспечения движения целлюлозной массы без дополнительного сопротивления принимаем по ГОСТ 9617-76 D₆ = 5600 мм.

Полезный объем варочного котла составит

Общая высота реакционных зон:

Общая высота котла принимается с учетом высоты верхнего и нижнего днища котла и высоты загрузочных и разгрузочных штуцеров.

Средняя скорость движения щепы в котле:

4.Выбор материала корпуса котла. Расчет толщины стенки котла. Расчет верхнего и нижнего днища. Расчет укрепления отверстий в корпусе котла.

Выбор материала:

Поскольку варочный раствор содержит в себе NaOH и Na₂S, выбираем толстостенную коррозионно-стойкую, жаростойкую и жаропрочную сталь12Х18Н10Т ГОСТ 7350-77.

- временное сопротивление σ_в = 530 МПа.

- предел текучести σ_т = 235 МПа.

- относительное удлинение δ = 38 %

Расчет толщины стенки:

Где Sр – расчетная толщина стенки корпуса

Р- расчетное давление с учетом гидростатического столба жидкости

МПа

Р_раб – рабочее давление в котле, МПа

h_i – высота реакционной зоны, м

[σ]₂₀₀ – допускаемое напряжение при температуре 200°С, 160 МПа

ρ_см – плотность смеси, кг/м³

С₁, С₂ – концентрация волокна и щелока соответственно, %

ρ_в, ρ_щел – плотность волокна и щелока, кг/м³

Исполнительная толщина стенки элемента корпуса определяется из

где - сумма прибавок к расчетной толщине стенки: прибавка для компенсации коррозии и эрозии, прибавка на округление размера, технологическая прибавка, предусматривающая компенсацию уменьшения толщины стенки элемента в результате технологических операций (гибка, вальцовка).

φ – коэфф. прочности сварного шва.

Расчетная толщина сферической обечайки

R – радиус кривизны в вершине днища

Плотность смеси для участков корпуса:

Зона пропитки

при гидромодуле 2,5 С₁ = 28,5 % С₂ = 71,5 %

Зона нагрева

ρ_см2 = ρ_см1 = 858,5 кг/м³

Зона варки

С₁ = 24 % С₂ = 76 %

Зоны отбора черного щелока и диффузионный промывки

Плотность на этих участках сохраняется ρ_см3 = ρ_см4 = ρ_см5 = 1227 кг/м³

Зона выгрузки

С₁ = 6 % С₂ = 94 %

С учетом изменений плотности при движении щепы

На 4-м участке

На 5-ом участке

На 6-ом

Расчетная толщина стенки нижнего сферического днища равна

С учетом прибавки исполнительную толщину находим по

Результаты расчета толщин стенок цилиндрических обечаек сведем в таблицу:

№	Расчетный параметр	Ед. изм.	Расчетная формула	Значение параметров на участках котла

	Высота гидростатического столба	м	-		23,4	32,2	33,4	40,3	41,3
	Плотность смеси	кг/м³		858,5	858,5
	Рабочее давление	МПа		1,2	1,2	1,2	1,2	1,2	1,2
	Расчетное давление	МПа		1,34	1,4	1,5	1,53	1,61	1,62
	Внутренний диаметр	м		5,0	5,0	5,5	5,5	5,5	5,6
	Расчетная толщина стенки	м		0,021	0,022	0,024	0,024	0,025	0,025
	Прибавка			0,0075	0,0075	0,0075	0,0075	0,0075	0,0075
	Исполнительная толщина стенки	м		0,030	0,030	0,032	0,032	0,033	0,033

Расчет укрепления отверстий в корпусе котла.

В корпусе аппарата приходится вырезать отверстия для установки штуцеров, при этом стенка корпуса ослабляется. Чтобы сохранить прочностные условия стенки, отверстия укрепляют кольцом. Для сохранения прочности стенки корпусу должна быть возвращена расчетная площадь вырезанного отверстия в виде кольца вокруг отверстия.

Ширину кольца найдем по формуле:

F = 2F₁

- где S₁ – толщина кольца, м

b – ширина кольца

Принимаем

Следовательно, ширину кольца можно найти

Сведем результаты в таблицу

d, мм.
S, мм.
b, мм.

Расчет фланцевого соединения

Выбор конструкции ФС

Поскольку рабочая температура в установке не превышает 300°С и внутреннее давление составляет 1,2 МПа выбираем конструкцию фланца – плоский приварной.

Тип уплотнительных поверхностей фланца принимаем «выступ - впадина» исходя из того что давление не превышает 1,6 МПа.

Схема фланцевого соединения