Разработка документации и чертежей для сооружения аппарата с перемешивающими устройствами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая

Разработка документации и чертежей для сооружения аппарата с перемешивающими устройствами

Введение

Аппараты с перемешивающими устройствами широко используются при проведении основных технологических процессов в химической и биохимической промышленности. На практике наибольшее распространение получил механический метод перемешивания жидких сред в аппарате, состоящем из корпуса и перемешивающего устройства. Отраслевыми стандартами Минхимнефтемаша установлены конструкции и параметры специальных составных частей аппаратов мешалки, что позволяет осуществить компоновку аппарата из типовых элементов (корпуса, мешалки, уплотнения вала, привода перемешивающего устройства по ОСТ 26-01-1205-95 в соответствии с частотой вращения мешалки, номинальным давлением в корпусе аппарата. Одновременно устанавливается тип уплотнения для вала мешалки: сальниковое или торцевое. Необходимо учитывать, что приводы типа 1 и 3 с концевой опорой в аппарате для вала мешалки не надежны в эксплуатации при воздействии абразивной или коррозионной активной среды на вал и вкладыши подшипника. Типоразмер мотор-редуктора выбирается в соответствии с заданной частотой вращения вала мешалки и потребляемой мощности электродвигателя. В аппаратах всех типов могут применяться внутренние теплообменные устройства - змеевик, либо непосредственный обогрев рабочей среды подачей горячего пара.

1. Задание кафедры: произвести расчет и конструирование химического реакционного аппарата

Номер варианта

Номинальный объем V, м³ 9

Внутренний диаметр D, мм 2320

Исполнение корпуса 01

Параметры мешалки

Шифр 10

Диаметр d_м, мм 35435

Частота вращения n, мин^-1 32

Потребляемая мощность N, кВт 6,0

Давление в корпусе

Избыточное Р_и, МПа 0,8

Остаточное Р_о, МПа 0,05

Давление в рубашке, избыточное Р_руб, МПа 0,89

Уровень жидкости в корпусе 1,0

Параметры среды

Наименование NH₄.водн.р-р

Температура t, ^оС 100

Плотность 1000

Концентраия , % 54

Выбор материала

Материалы, выбранные для деталей и сборочных единиц, должны обеспечить надежность аппарата и мешалки в работе и экономичность в изготовлении.

При выборе материала необходимо учитывать рабочую температуры в аппарате, давление и коррозионную активность рабочей среды. Учитывая эти условия, выбираем материал:

· Для корпуса - Сталь 35XM

2. Расчетная часть

Расчетная часть курсового проекта включает в себя проверочные расчеты составных частей аппарата с мешалкой по главным критериям работоспособности (прочность, устойчивость, термостойкость, коррозионная стойкость и т.д.).

2.1 Расчет геометрических частей аппарата

Расчет обечаек, днищ, крышек корпуса аппарата на прочность и устойчивость под действием внутреннего и наружного давления с учетом термостойкости и коррозионной стойкости материалов выполняется в соответствии с ГОСТ 14249-80.

Определение расчетного давления в аппарате

Расчетное давление - давление, при котором производится расчет на прочность и устойчивость элементов корпуса аппарата. По стандарту за рабочее давление принимается внутреннее давление среды в аппарате. Расчетное давление - это рабочее давление в аппарате без учета кратковременного повышения давления при срабатывании предохранительных устройств.

,

где Р_изб - избыточное давление среды. Задается условиями технологического процесса.

- гидростатическое давление;

с - плотность жидкой среды, .

.

g=9,8 - ускорение свободного падения.

Н_ж - высота столба жидкости.

Р_гидр учитывается, если оно превышает 5% от давления .

- не учитывается.

Расчетное внутреннее давление

.

Расчет наружного давления, для проверки стенок корпуса на устойчивость.

Для элементов находящихся под рубашкой:

,

где Р_а - атмосферное давление, Р_а=0,1МПа.

Р_о - остаточное давление. Р_о=0,01МПа.

Р_руб - избыточное давление в рубашке. Р_руб=0,35МПа.

Определяем допускаемое напряжение для выбранного материала

,

где - допускаемое напряжение

- поправочный коэффициент, учитывающий взрывоопасность среды ;

- нормативное допускаемое напряжение .

Поправка на коррозию

,

где П - скорость коррозии в рабочей среде. П=0,1 ;

- срок службы аппарата.

Расчет оболочек, нагруженных внутренним давлением

Расчет толщины стенки цилиндрической обечайки

,

где D - внутренний диаметр корпуса;

- расчетное давление;

- допускаемое напряжение;

- коэффициент прочности продольного сварного шва обечайки, для стыковых и тавровых швов с двусторонним проваром и выполненных автоматической сваркой:

C - поправка на коррозию;

С₀ - прибавка для округления до стандартного значения.

Расчет эллиптической крышки и конического днища.

Расчет оболочек, нагруженных наружным давлением.

Определяем предварительно толщину стенки цилиндрической обечайки.

n_у = 2.4 - коэффициент запаса устойчивости в рабочем состоянии;

Е = 2,0•10⁵ МПа - модуль продольной расчетной упругости для материала обечайки при расчетной температуре;

L - длина гладкой обечайки;

D - внутренний диаметр аппарата;

мм

K₂ определяем по номограмме в учебнике Лощинского .

K₂ = 0.6

Проверяем допускаемое наружное давление.

Допускаемое давление из условия прочности:

Вспомогательный коэффициент:

Допускаемое давление из условия устойчивости:

Определяем допускаемое наружное давление:

Условие выполняется если

0.44 МПа < 0.68 МПа - условие выполняется.

Расчет толщины стандартного элиптического днища

мм

2.2 Подбор и расчет привода

Определение мощности потребляемой приводом

,

где N_эл.дв. - мощность, потребляемая приводом, кВт;

Nвых. - мощность, потребляемая на перемешивании, кВт;

- К.П.Д. подшипников, в которых крепится вал мешалки,

- К.П.Д., учитывающий потери в компенсирующих муфтах,

- К.П.Д. механической части привода,

- К.П.Д., учитывающий потери мощности в уплотнении,

Выбираем стандартный по мощности двигатель. Для двигателя полученной мощности по таблице рекомендован привод типа 1, Исполнение привода - 3 Номинальное давление в аппарате - 0,6 МПа.

Определение расчетного крутящего момента на валу:

,

где k_д - коэффициент динамической нагрузки для рамных мешалок k_д=2,0

Определение диаметра вала.

Размер привода выбирается по диаметру вала

,

где [ф_кр] - допускаемое напряжение при кручении, МПа.

[ф_кр]=20 МПа.

d_станд. = 110 мм по ОСТ 26-01-1225-75.

Стандартный привод по условиям работы подшипников и наиболее слабых элементов конструкции рассчитан на определенное допустимое осевое усилие [F], которое для привода типа 1, исполнения 3, габарита 4 равно вверх 9000, вниз 12000. Действующее осевое усилие на вал привода аппарата определяется по формуле:

где d - диаметр вала в зоне уплотнения;

А_упл - дополнительная площадь уплотнения, м;

G - масса части привода;

F_м - осевая составляющая сила взаимодействия мешалки с рабочей средой.

G=(m_в + m_меш + m_муф)•g

где m_в - масса вала;

m_меш - масса мешалки, m_меш = 139кг.

m_муф - масса муфты, m_муф = 58,3 кг.

L_в - длина вала;

с - плотность стали, .

L_в = 2980 +1130+ 30 - 36-630 = 3474 мм.

G = (259 + 139 + 58,3)•9,81 = 4476.3 H.

Осевая составляющая сила взаимодействия мешалки с рабочей средой находится по следующей формуле:

Сравниваем полученные значения сил F_вверх и F_вниз с допустимой нагрузкой [F]:

5362.6 H < 9000 H

-6230.1 H < 12000 H.

Основные размеры привода типа 1, исполнения 3, габарита 4 определяем по таблицам в соответствии с ОСТ-26-01-1225-75.

d = 110 мм; l₂ = 850 мм;

H=1910 S = 20 мм;

H₁ = 1180 мм; h₁ = 1130 мм;

m_прив = 2325 кг D₁ = 960 мм

Эскиз привода представлен на рисунке 2.

2.3 Расчет сальникового уплотнения

Предполагается, что герметичность уплотнения будет обеспечена, если баковое давление набивки на вал p_x в её нижней части будет не менее избыточного давления среды p_u. При этом требуемое давление втулки на сальниковую набивку будет равно:

,

где - коэффициент бокового давления сальниковой набивки, к = 0.3;

f - коэффициент трения между набивкой и валом, набивкой и стенкой камеры, f = 0.1

S_н - толщина набивки, S_н = 18мм;

h - высота набивки, мм, h = 130мм;

d - диаметр вала, d= 110мм.

d_к - диаметр камеры, d_к = 140 мм.

Усилие затяжки шпилек нажимной втулки находится по формуле:

,

z - число шпилек.

Шпильки проверяются на прочность по условию:

,

у - расчетное напряжение;

1,3 - коэффициент, учитывающий напряжения кручения, возникающие при затяжке шпилек;

d₁ - внутренний диаметр резьбы;

мПа

Эскиз уплотнения представлен на рисунке 3.

2.4 Расчет элементов механического перемешивающего устройства

Расчет вала перемешивающего устройства на виброустойчивость

Должно выполняться условие:

,

где щ₁ - первая критическая угловая скорость вала,

щ - угловая скорость вала,

- расчетная длина вала, м;

Относительная масса вала:

Е = 2,0•10⁵ - модуль упругости для материала вала;

I - момент инерции поперечного сечения вала, м⁴;

б - корень частного уравнения, определяется по графикам.

.

Следовательно

0.7•46.01 = 32.21

3,35 < 32.21 - условие выполняется.

Расчет вала на прочность

Проведем расчет вала на кручение и изгиб.

Напряжение от крутящего и изгибающего моментов определяются соответственно по формулам:

;

.

Расчетный изгибающий момент М от действия приведенной центробежной силы F_ц определяется в зависимости от расчетной схемы вала

m_пр - приведенная сосредоточенная масса вала, кг;

r - радиус вращения центра тяжести приведённой массы вала.

q - коэффициент приведения массы к сосредоточенной массе.

,

где - эксцентриситет массы перемешивающего устройства с учетом биения вала, м;

- эксцентриситет центра массы перемешивающего устройства, м;

у - допускаемое биение вала; .

Найдем реакции в опорах:

:

:

Рисунок 4. Эпюры крутящего и изгибающего моментов на валу

Проверка:

-R_A + R_B - F_ц = 0

-7.53 + 9.97 - 2,44 = 0

M_A = 0

M_B = l₂•R_B = 0.85•9.97 = 8.47 H•м

;

.

30 МПа < 230 МПа - условие выполняется.

Расчет вала на жесткость

Расчет вала на жесткость заключается в определении допускаемой величины прогиба. Производится из следующего условия:

J_max. [J] ,

где [J] - допускаемый прогиб вала, в том месте, где вал входит в аппарат (в уплотнение), мм; [J] = 0,1 мм;

,

где I - осевой момент инерции сечения вала, м ⁴;

l₂ = 850 мм

l₁ = 2.624 мм

- условие выполняется.

Определим угол поворота в сферическом подшипнике:

,

При этом необходимо, чтобы выполнялось условие _В [], где наибольший допускаемый угол поворота для радиальных сферических шарикоподшипников [] = 0,05 рад.

- условие выполняется.

2.5 Расчет подшипников качения

Рисунок 6. Расположение подшипников на валу

Опора А: Выбираем шарикоподшипники радиально-упорные легкой серии тип 1000821 по ГОСТ 8338.(из справочника «подшипники качения» Черменский)

Диаметр 105 мм;

;

Следовательно: x = 1,0 y = 0.92

k_T = 1.0 (до 125^оС), k_у = 1.3 - коэффициент безопасности.

= ,

; ;

r = 3 (для шариковых подшипников)

- условие выполняется.

Опора В. Выбираем подшипник шариковый радиальный сферический двухрядный легкой серии диаметром 2 тип 1221 по ГОСТ 28428.(из справочника «подшипники качения» Черменский)

d = 110 мм;

C_r = 74,1 кН.

- условие выполняется.

2.6 Подбор муфты

Муфта - устройство, служащее для соединения валов между собой или с деталями, свободно насаженными на валы, с целью передачи вращающего момента.

Продольно-разъемная муфта.

d = 110 мм; H₄=12

H₁=154 H₅=10

H₂=47 H₆=3

H₃=45 d₄ = 185 мм;

d₁ = 280 мм;

d₂ = 98 мм; d₅ = 195 мм;

d₃ = 108 мм; T = 12000 H•м;

d_б = М16 ; m = 58,3 кг.

Эскиз муфты представлен на рисунке 8.

2.7 Расчет мешалки

Определение расстояния от оси до точки приложения равнодействующей сил, действующих на лопасти:

,

где R - радиус лопасти;

r - радиус ступицы; r = 40 мм.

;

Определяем значение равнодействующей силы

,

где T' - крутящий момент на валу;

z = 2 - количество лопастей рамной мешалки;

Изгибающий момент у основания лопасти:

.

Из условия прочности необходимый момент сопротивления лопасти

,

Фактический момент сопротивления поперечного сечения лопасти в месте присоединения её к ступице:

;

- условие выполняется.

Расчетная толщина лопасти:

Эскиз мешалки представлен на рисунке 9.

2.7.1 Расчет шпонки на смятие

Выбираем шпонку по ГОСТ 23360-78

Проверим на смятие

d_вала = 110мм - диаметр под ступицу.

Условие прочности:

2.8 Расчет опор-лап аппарата

Размер опоры-лап выбирается в зависимости от внутреннего диаметра корпуса аппарата в соответствии с ГОСТ 26-665-72.

1. Проверочный расчет элементов опоры:

Выбираем типоразмер опоры и определяем допускаемую нагрузку на опору:

Тип 2. Исполнение 2.

a = 340 мм; h = 780 мм; d₀ = 42 мм;

a₁ = 380 мм; h₁ = 36 мм; d₁ = M42 мм;

a₂ = 250 мм; l = 150 мм; f = 360 мм;

b = 650 мм; S₁ = 20 мм; m = 137,8 кг;

b₁ = 290 мм; k = 60 мм; прокладной лист:

b₂ = 280 мм; k₁ = 180 мм;

c = 60 мм; R = 1600 мм;

c₁ = 200 мм; r = 40 мм;

Выбираем типоразмер опоры-стойки и определяем допускаемую нагрузку на опору-стойку:

Тип 3.Исполнение2.

a=360 c=60 K₁=250

a₁=400 c₁=200 r=40

a₂=250 h=840 d₀=42

b=340 h₁=35 d₁=M42

b₁=290 l=150 m=136кг

b₂=280 S₁=24 [G]=160000 Н

b₃=480 K=25

Основная величина для расчета нагрузки на одну опору:

где G_мах - максимальный вес аппарата, включающий вес аппарата, футеровки, термоизоляции, различных конструкций, опирающихся на корпус аппарата, максимальный вес продуктов, заполняющих аппарат или массу воды при испытании.

,

где ;

n = 4 - количество опор-лап.

- условие выполняется.

2. Определяем фактическую площадь подошвы прокладочного листа опор;

,

где a₂, b₂ - размеры подкладного листа;

3. Определяем требуемую площадь подошвы подкладного листа из условия прочности бетона фундамента:

где - допускаемое удельное давление для бетона марки 200.

- условие выполняется.

4. Проверим вертикальные ребра опор на сжатие и устойчивость.

Напряжение сжатия в ребре продольном изгибе:

,

где 2.24 - поправка на действие неучтенных факторов.

k₁ - коэффициент, определяемый по графику в зависимости от гибкости ребра л

,

где - гипотенуза ребра для опоры-лапы.

. Следовательно k₁ = 0.36

z_p = 2 - число ребер в опоре;

S₁ = 20 мм - толщина ребра;

b = 650 мм - вылет ребра;

- допускаемое напряжение для ребер опоры

k₂ - коэффициент уменьшения допускаемых напряжений при продольном изгибе k₂=0.4;

- условие выполняется.

5. Проверим на срез прочности угловых швов, соединяющих ребра с корпусом аппарата:

- общая длина шва при сварке;

- условие выполняется.

Эскиз опор-лап представлен на рисунке 10

Расчет фланцевого соединения

1) Расчетная температура

C

C

2) Допускаемое напряжение материал для болтов Ст 20.

3) толщина втулки фланца

4) высота втулки фланца

5) диаметр болтовой окружности для плоско приварных

6) наружный диаметр фланцев

а=47,конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланцев

7) наружный диаметр прокладки

е- нормативный параметр, зависящий от типа прокладки

8) средний диаметр прокладки

в- ширина прокладки

9) количество болтов необходимых для обеспечения герметичности соединения

10) высота фланца ориентировочно:

;

11) болтовая нагрузка, необходимая для обеспечения герметичности соединения:

,

где R-реакция прокладки ,МН;

_,

b₀-эффективная ширина прокладки,м

при b15 b=b₀, при b15мм b=0.12

K_ПР- коэффициент прокладки

Р_р- расчетное давление,МПа

D_сп- средний диаметр прокладки,м

Fд- равнодействующая внутреннего давления;

P_ПP-минимальное давление обжатия прокладки

K_ж-коэффициент жесткости фланцевого соединения

Для определения k_ж вычисляются следующие величины :

- линейная податливость

h_п =30мм ,из табл.2.5 т.к. D= 2200 мм

k_п=1.0

Е_п=2000 МПа для паронита толщиной более 1мм

y_п=

-угловая податливость фланца;

из этого следует :

Болтовая нагрузка в рабочих условиях:

условия прочности болтов:

Условие выполняется следовательно количество болтов подобрано верно n=93

2.9 Подбор штуцеров и люка

Подбор штуцеров и люков осуществляется в соответствии с внутренним диаметром корпуса аппарата D_вн = 2200мм.

Основные условные диаметры штуцеров для корпусов с эллиптической крышкой по ОСТ 26-01-1246-75 представлены на эскизе штуцеров (рисунок 11).

В соответствии с внутренним диаметром аппарата выбираем люк с эллиптической крышкой и откидными болтами.

Основные размеры представлены на эскизе люка (рисунок 12).

Заключение

Основной целью проекта являлась разработка документации, чертежей для сооружения аппарата. При этом необходимым условием было учесть экономическую сторону проектирования, то есть экономию конструкционного материала: уменьшение массы элементов аппарата без ущерба их надежности и безопасности при эксплуатации.

После выбора конструктивного материала составляется расчетная схема аппарата с мешалкой, определили его габаритные размеры и произвели расчет по основным критериям работоспособности. Расчет производится на самые необходимые условия, возможные при эксплуатации.

Общий вид аппарата представлен на чертеже. Чертеж основных узлов выполняется на форматах меньшего размера. Спецификация составляется для чертежа общего вида и чертежа сборочных единиц.

В записке приведены основные размеры элементов химического аппарата. Конструирование химического оборудования необходимо производить с меньшим использованием стандартных узлов и деталей, простых в изготовлении и хорошо зарекомендовавших себя в процессе эксплуатации.

Список использованных источников

аппарат перемешивающий схема

1. Дунаев П.Ф., Лёликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин. - М: Высшая школа, 2008.

2. Генкин А.Э. Оборудование химических заводов. - М: Высшая школа, 1986.

3. Лащинский А.А., Толчинский А,Р Основы коструирования и расчёта химической аппаратуры. Справочник - :Машиностроение, 1970.

4. Расчёт и конструирование аппаратов с перемешивающими устройствами: Методические указания к курсовому проекту по прикладной механике /Сост. В.Л. Хлёсткина - Уфа, 1988.

5. Материалы, типы приводов, муфты, люки: Справочные таблицы / сост. В.Л Хлёсткина - Уфа, 2009.

6. Уплотнения валов и мешалки химических аппаратов: Справочные таблицы / сост. В.Л. Хлёсткина - Уфа, 2005.

7. Фланцевые соединения: Методические указания / сост. В.Л Хлёсткина - Уфа, 1991.

8. Расчёт опор мешалки и корпуса химических аппаратов: Методические указания и справочные таблицы / сост. В.Л Хлёсткина - Уфа, 1999.

9. ОСТ 26-665-75 Опоры (лапы, стойки) вертикальных аппаратов. Типы, конструкции и размеры. СССР, 1973.

10. Расчёт и конструирование машин и аппаратов химических производств: Примеры и задачи / Под ред. М.Ф. Михалёва, 1984.

Размещено на Allbest.ru

...