Типовой вертикальный аппарат с механическим перемешивающим устройством

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Аппараты с мешалками широко используются в химической и многих других отраслях промышленности. В качестве рабочей среды используются уксусная кислота - взрывопожароопасна. Перемешивание обеспечивает интенсификацию процессов тепло - и масса - обмена и часто является необходимым условием эффективного течения химических реакций. Конструкция аппарата должна обеспечивать его надёжную работу в заданном технологическом режиме в течении заданного срока службы. Химически аппараты подлежат периодическим проверкам и планово - предупредительным ремонтам.

Аппарат используется вертикального положения. На рисунке 1 изображены конструкции вертикальных аппаратов. Основными элементами аппаратов является корпус и механическое перемешивающее устройство. В общем случае оболочка корпуса состоит из цилиндрической части, соединенной с днищем и крышкой, которые имеют эллиптическую форму. Корпуса аппаратов стандартизованы (ГОСТ 9931-85). Типы и основные параметры вертикальных аппаратов с мешалками объёмом от 0,01 до 100 м³ регламентируются ГОСТ 20680-2002. Установлен ряд номинальных объёмов и соответствующие значения высоты корпуса Н и его внутреннего диаметра D.

Под корпусом аппарата понимают герметически закрытый сосуд, находящийся под давлением, в котором осуществляется перемешивание. Корпус вертикального аппарата с эллиптическим днищем и эллиптической крышкой (рис. 1, а) выполняется по ГОСТ 9931-85. Цилиндрическая оболочка 1 корпуса называется обечайкой. Корпус исполнения с отъёмной крышкой. В данном случае (рис. 1, б) для крепления крышки используется фланцевое соединение 3, которое обеспечивает герметичность разъёмного соединения крышки с корпусом. Отъёмная крышка позволяет проводить монтажные и ремонтные работы внутри корпуса. В приводимых примерах днище корпуса приварное. Переход от цилиндрической части к коническому 5 или эллиптическому 4 днищу должен быть плавным, что обеспечивается при помощи специального элемента (участка оболочки) - отбортовки. Отбортовка, состоящая из цилиндрического участка и торового сегмента, у конуса, уменьшает дополнительные напряжения, возникающие в зоне сопряжения оболочек различной формы, и позволяет вынести из этой зоны сварной шов, прочность которого обычно ниже, чем прочность оболочки в других зонах.

Для подачи или отвода тепла, а, следовательно, и для поддержания заданной температуры рабочей среды корпус аппарата оснащается теплообменными устройствами - наружными в виде теплообменной рубашки 6 (рис. 1,а).

Для загрузки исходных компонентов, отвода готовых продуктов, подвода теплоносителя, ввода датчиков контрольно - измерительных приборов используется штуцеры, расположенные на крышке, на обечайке и на днище (на рис. 1 позиции штуцеров не обозначены). Простейший штуцер состоит из патрубка ( отрезка трубы) и фланца. Люк 8 (рис. 1, б) в аппаратах с отъемной крышкой используется для осмотра мешалки и других внутренних устройств. Аппараты устанавливаются на фундамент при помощи опор - лап 11 (рис. 1, б). Применение того или иного вида опор диктуется высотой цеха (стандартная высота помещения 6 м), или же особенностями размещения технологической аппаратуры на нескольких уровнях цеха.

Механические перемешивающие устройства (МПУ) всех аппаратов (рис. 1) представляют собой конструкции, состоящие из привода, вала и мешалки. Большинство элементов механического перемешивающего устройства стандартизовано. Привод перемешивающего устройства аппаратов состоит из электродвигателя, механической передачи в виде редуктора (зубчатой передачи) или ременной передачи и стойки привода. Электродвигатель13 преобразует электрическую энергию в механическую. Редуктор 14 (рис. 1, а) передаёт вращательное движение от вала электродвигателя с понижением скорости вращения и увеличением крутящего момента на выходном валу 16 привода. Стойка привода 17, объединяя их в единый агрегат, служит для крепления элементов МПУ. . Выходной вал редуктора или мотор-редуктора при помощи муфты 18 фланцевой (рис. 1, б) соединяется с валом 19. На конце вала установлена мешалка 20: рамная (рис.1, а). Мешалка при вращении передает механическую энергию перемешиваемой среде.

Валы мешалок устанавливаются в стойках привода при помощи подшипников качения (на рис. 1 не показаны). Герметичность вращающегося вала обеспечивается торцовым уплотнением 22 (сальниковым или торцовым), которое крепится на крышке аппарата. Тип уплотнения зависит от величины давления в аппарате и от свойств рабочей среды.

Рисунок 1- конструкции аппаратов.

Цель и задачи проекта

Цель курсового проекта: Разработка в соответствии с исходными данными эскизного, технического проектов и фрагментов рабочей конструкторской документации на типовой вертикальный аппарат с механическим перемешивающим устройством. Аппарат предназначен для проведения процесса перемешивания в жидкофазной системе при заданных давлении, температуре и свойствах рабочей среды с сохранение работоспособности в рабочих условиях в течение заданного срока службы.

При выполнении курсового проекта студент решает основные задачи проектирования, в соответствии с календарным планом. На первом этапе производится ознакомление с назначением и устройством аппарата, после чего заполняется бланк технического задания;

На этапе эскизного проекта производится определение расчетной температуры, выбор конструкционных материалов, определение напряжений и давлений. Только после этого выбираются комплектующие элементы аппарата, выполнение эскиза и оценка надежности. Далее следует этап под названием «Технический проект». На данном этапе проектирования рассчитывают элементы корпуса ( расчеты на прочность сварных швов, толщины стенок(из условия прочности и устойчивости), допускаемые давления, фланцевые соединения, опоры и монтажные цапфы), далее рассчитывают элементы механического перемешивающего устройства (т.е. валы мешалок на прочность, виброустойчивость, сами мешалки, шпоночное соединение и муфты). Предпоследним является этап конструирования, на котором выполняются чертежи главного вида, отдельных деталей и заполнение спецификации. На финальном этапе производится защита проделанной работы преподавателю.



1. Эскизный проект

1.1 Выбор конструкционных материалов

Экономичность изготовления и надежность в работе аппарата с мешалкой в значительной мере зависят от правильного выбора материалов. В проекте материалы подбирается для тех элементов, которые рассчитываются по главным критериям работоспособности. Подбор материала для корпуса аппарата и для других его элементов подбираем по таблицам коррозионной стойкости и таблице применимости материалов для изготовления тех или иных элементов аппарата из стандартного проката.

В данном аппарате производится перемешивание 15-% уксусной кислоты (CH₃COOH) при температуре 20 єС. Исходя из этих данных выбираем вполне стойкую (П ? 0,1•10^-3 м/год) легированную сталь 12Х18Н10Т для корпуса аппарата по таблице Б.1[1] (коррозионная стойкость металлов, сплавов и защитных покрытий), потому что есть контакт с рабочей средой. А для рубашки (нет контакта с рабочей средой) выбираем углеродистую сталь Ст3сп5.

По таблице рекомендации по выбору сталей для изготовления элементов аппарата Б.2 [1] сталь 12Х18Н10Т применяется для изготовления оболочки корпуса, фланцев корпуса, люка, внутренних устройств, мешалки, вала и крепежных изделий мешалки (болт, гайка, шайба, шпонка).

Материал для рубашки, опоры стойки аппарата и цапфы - сталь Ст3сп5.

Материал для крепежных изделий фланцевых соединений, муфты вала (шпонка) и уплотнения (шпилька) - сталь 40.

Материал уплотнительной прокладки - фторопласт-4.



1.2 Расчетная температура

Расчетная температура стенки - температура, при которой определяются физико-механические характеристики, допускаемые напряжения и проводится расчет на прочность элементов сосуда.

На практике часто за расчетную температуру принимают наибольшую температуру среды, но не ниже +20єС. Таким образом,

t_р = t_с

t_р = 20єС,

где t_р - расчетная температура стенок корпуса аппарата, єС;

t_с - температура среды, соприкасающейся со стенкой аппарата, єС.

1.3 Определение допускаемых напряжений конструкционного материала

Допускаемые напряжения материалов для рабочих условий определяются по формуле:

[у] = з₁•з₂•у^*

[у]₂₀ = з₁•з₂•у^*

[у]= [у]₂₀,

т.к. температура среды 20⁰С.

Для корпуса, мешалки, опор аппарата:

[у]=1·0,9·184=165,6 МПа.

Для вала:

[у]=1·0,9·125=112,5 МПа

Для шпонки:

[у]=1·0,9·110=99 МПа

Для рубашки:

[у]=1·0,9·154=138,6 МПа

Для крепежных изделий:

[у]=1·0,9·130=117МПа

Где у^* - нормативное допускаемое напряжение при расчетной температуре для выбранного материала;

у^*₂₀ - допускаемое напряжение при расчетной температуре для выбранного материала, (см. табл. Б3[1]);

з₁ - поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки рассчитываемого элемента (з₁ = 1 для листового проката);

з₂ - поправочный коэффициент, учитывающий степень опасности рабочей среды (з₂ = 0,9 для взрывоопасных и пожароопасных сред).

Таблица 1 - Материалы и допускаемые напряжения элементов аппарата

Элементы аппарата	Марка стали	Допускаемые напряжения, МПа
		у*	[у]	у*20	[у]20
Есть контакт с рабочей средой
1 Корпус
а) Обечайка, крышка, днище	12Х18Н10Т	184	165,6	184	165,6
б) фланцы корпуса, люка	12Х18Н10Т	-	-	-	-
в) Прокладка уплотнительная	Фторопласт-4	-	-	-	-
2 Внутренние устройства	12Х18Н10Т	-	-	-	-
3 Мешалка	12Х18Н10Т	184	165,6	184	165,6
4 Вал	12Х18Н10Т	125	112,5	125	112,5
5 Крепежные изделия мешалки
а) болт, гайка, шайба	12Х18Н10Т	-	-	-	-
б) шпонка	12Х18Н10Т	110	99	110	99
Нет контакта с рабочей средой
6 Рубашка	Ст3сп	154	138,6	154	138,6
7 Опоры аппарата, цапфы	Ст3сп	184	165,6	184	165,6
8 Стойка привода	Ст40	-	-	-	-
9 Крепёжные изделия
а) Для фланцевых соединений	Ст40	130	117	130	117
б) Для муфты вала (шпонка)	Ст40	130	117	130	117
в) Для уплотнения (шпилька)	Ст40	130	117	130	117

1.4 Определение рабочего, расчётного, пробного и условного давлений

Рабочее, расчетное, пробное и условное давление относятся к параметрам, которые подлежат предварительному определению.

Рис. 2. Расчетные схемы элементов корпуса, нагруженных внутренним давлением: а - эллиптическая крышка; б - цилиндрическая обечайка; в - эллиптическое днище

Рабочее давление - это максимальное внутреннее избыточное р_и давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса без учета гидростатического давления среды и без учета допустимого кратковременного повышения давления во время срабатывания предохранительного клапана или других предохранительных устройств. Таким образом, рабочее давление - это избыточное давление газа над слоем жидкости, которое указывается в ТЗ,

Р_раб = Р_и = 0,60 МПа

Гидростатическое давление - это максимальное давление столба жидкости в аппарате:

Р_г = с_с•g•H_с = 1020·9,8·1,2 = 11995,2 Па = 0,012 МПа.

с_с - плотность рабочей среды, кг/м³;

g = 9,81 - ускорение свободного падения, м/с²

H_с - уровень жидкости в аппарате, м

Относительная величина гидростатического давления:

поскольку Дp<5%, то гидростатическим давлением в расчётах на прочность для обечайки и днища можно пренебречь.

Расчетное внутреннее давление р_р.в - давление, на которое производится расчет элементов аппарата на прочность (рис 2):

Для крышки, обечайки и днища аппарата:

P_РВ = P_раб=0,60 МПа

Для рубашки аппарата:

P_РВ = P_руб =0,45 МПа

P_руб- рабочее давление теплоносителя(по исходным данным).

Расчетное наружное давление р_р.н является основной нагрузкой для тех элементов аппаратов, которые находятся под рубашкой или работают при остаточном давлении. т.е. под вакуумом (рис. 3):

а) для элементов корпуса, не находящихся под рубашкой (крышка аппарата):

P_РН = P_a - P₀= 10⁵-0,01·10⁶= 0,09 МПа

где P_a = 10⁵ - атмосферное давление, Па;

P₀= 0,010 - остаточное давление в корпусе, МПа;

б) Для цилиндрической обечайки и днища:

P_РН = P_a - P₀ + P_руб= 10⁵-0,01·10⁶+0,45·10⁶=0,54 МПа

Пробное давление P_пр - это максимальное избыточное давление, создаваемое при гидравлических (пневматических) испытаниях сосуда на заводе изготовителе и на предприятии с целью проверки на прочность и герметичность:

Корпус аппарата:

P_пр=1,25·0,6·1=0,75 МПа

Рубашка аппарата:

P_пр=1,25·0,45·1=0,563 МПа

Условное давление Р_У - расчётное давление при температуре 20 ⁰С, используемое при выборе и расчёте на прочность стандартных элементов аппарата (узлов, деталей, арматуры):

Корпус аппарата:

Р_у=0,6·(165,6/165,6)=0,6 МПа =>0,6МПа

Рубашка:

Р_у=0,45·(138,6/138,6)=0,45МПа =>0,6МПа

Условное давление выбирается из ряда 0,25; 0,3; 0,4; 0,6; 1,0; 1,6… МПа

Таблица 2 - Расчетное, пробное, условное давление в аппарате.

Элементы аппарата	Расчетное внутреннее давление Рр.в, МПа	Расчетное наружное давление Рр.н, МПа	Пробное давление Рпр, МПа	Условное давление Ру, МПа
Корпус	Крышка	0,60	0,09	0,75	-
	Обечайка		0,54
	Днище
	Фланцы		-		0,6
	Штуцеры
	Люк
Рубашка	Обечайка	0,45	-	0,563	0,6
	Днище
	Штуцеры

1.5 Выбор и определение параметров комплектующих элементов

Элементы корпуса аппарата.

1.Корпус аппарата:

Корпус 01 (тип ВЭЭ - вертикальный с эллиптическим днищем и отъемной эллиптической крышкой с неразъемной рубашкой). Номинальный объём - V=1,25 м³, диаметр - 1200 мм

2.Фланцы, штуцеры корпуса (рубашки):

Внутренний диаметр D= 1200 Условное давление Р_у=0,6 МПа

3. Люк аппарата:

Люк загрузочный с плоской крышкой и уплотнительной поверхностью затвора шип-паз с внутренним диаметром D_у=150 мм, , Р_у=0,6 МПа, m=18 кг

4.Цапфы монтажные

Номинальный объем V=1.25м³, диаметр рубашки D_в=1300мм

5.Материал прокладки - фторопласт-4

6.Фланцы отъемной крышки:

Фланцы плоские приварные исполнения шип-паз, Внутренний диаметр D= 1200, условное давление , Р_у=0,6 МПа

7.Опора аппарата:

Опоры-лапы, исполнение 2, внутренний диаметр рубашки D_в=1300мм, [G]=10 кН.

Элементы механического перемешивающего устройства.

1.Мешалка

Тип мешалки - рамная - 10, диаметр - 950 мм, масса 22 кг, допустимый крутящий момент - Т_кр=8000 Н·м, диаметр вала под ступицу - 45 мм.

2.Привод

Поскольку число оборотов вала 100 об/мин, а мощность 1,1 кВт ( в таблице берем больше данного), то по таблице Ж2 подходит привод 2-ого типа. механический фланец штуцер

Тип привода - 2, исполнение 1, габарит 1 (МПО2-10). Мощность привода - 1,5 кВт. Диаметр вала - 50 мм, масса привода - 309 кг.

з₁ = 0,99 - КПД подшипников, в которых крепится вал мешалки;

з₂ = 0,99 - КПД, учитывающий потери в уплотнении;

з₃ = 0,98 - КПД компенсирующей УВП;

з₄ = 0,92 - КПД механической передачи привода.

N_м=1,1 кВт

N_д=1,24 кВт

3.Муфта фланцевая

Тип привода 2, габарит 1, исполнение 1, диаметр вала d=50мм.

4.Уплотнение торцовое

Рабочая среда - уксусная кислота, диаметр вала d=50мм, рабочее давление, Р=0,6 МПа

5.Опоры привода и уплотнения

Тип привода 2, исполнение 1, габарит 1, диаметр аппарата D= 1200 диаметр вала d=50мм тип уплотнения торцовое.

1.6 Оценка надежности выбранного варианта компоновки аппарата

Под надежностью понимается свойство изделия (детали, узла, машины) выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение заданного промежутка времени.

Интенсивность отказов сложного объекта складывается из интенсивностей отказов его составных частей:

л_? = л_?к + л_?пр

л_?к= л_к- интенсивность отказов корпуса аппарата;

л_?пр= л_пр+ л_м+ л_у+ л_меш+ л_в - интенсивность отказов привода с перемешивающим устройством;

л_?к = 9,5•10^-5 час^-1

л_?пр=(8 +0,5+3,0+0,8+1,0)•10^-5 = 13,3•10^-5 час^-1

л_? =(9,5+13,3)•10^-5 =22,8•10^-5 час^-1

где, согласно рекомендациям, л_к - интенсивность отказа корпуса аппарата, час^-1;

л_к - интенсивность отказа корпуса, час^-1;

л_пр - интенсивность отказа привода, час^-1;

л_м - интенсивность отказа соединительной муфты вала, час^-1;

л_меш - интенсивность отказа разъёмной мешалки, час^-1;

л_уп - интенсивность отказа уплотнения, час^-1;

л_в - интенсивность отказа вала, час^-1.

Вероятность безотказной работы Р_АП(t):

Средняя продолжительность безотказной работы Т_ср аппарата связана с вероятностью Р_АП(t) соотношением:

Т_ср = 1/ л_? = 1/(22,8·10^(-5))=4385,96 часа.

Параметр Т_э находится из условия, что вероятность безотказной работы аппарата не может быть ниже некоторого предельного значения Р_пред.,т.е:

Т_э = - (1/ л_?)•ln Р_пред = - 4385,96 • ln 0,8 =978,7 часа ? 40 дней

Где Р_пред - предельное значение вероятности безотказной работы, определяющее степень надежности оборудования (Р_пред = 0,8, т.к. рабочая среда - пожаро- и взрывоопасна).



2. Технический проект

2.1 Расчет элементов корпуса аппарата

2.1.1 Определение коэффициентов прочности сварных швов и прибавки для компенсации коррозии

Свариваемая оболочка аппарата с отъемной крышкой (корпус 01) соединяется двухсторонним стыковым сварным швом автоматической или полуавтоматической сваркой. В прочностные расчеты вводится коэффициент прочности сварного шва , несколько уменьшающий допускаемые напряжения [] материала ( = 1 при 100% контроле швов; = 0,9 при 50% контроле швов).

В данном случае среда пожаробезопасная, поэтому достаточно контролировать 100% длины сварных швов, поэтому = 1.

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:

,

где с - прибавка для компенсации коррозии, мм;

П - скорость коррозии м/год (П м/год);

Т_а - срок службы аппарата (амортизационный срок), лет.

С=2 мм, если есть рубашка, и коррозия со стороны рабочей среды и со стороны рубашки.

С=1 мм, если нет рубашки, и коррозия только с одной стороны элемента аппарата.

2.1.2 Определение расчетной толщины стенок оболочек из условия прочности

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

а) Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки (рис. 2, б), м:

где: S_цр- расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки из условия прочности, мм; р_рв - расчетное внутреннее давление, МПа;

D - внутренний диаметр обечайки, мм;

[] - допускаемое напряжение, МПа;

- коэффициент прочности сварного шва.

б) Толщина стенки эллиптической оболочки крышки (днища):

где р_р.в - расчетное внутреннее давление (см. табл. 2[1]), МПа.

Полученные значения расчётных толщин стенок подлежат сравнению с толщинами, рассчитанными из условия устойчивости и дальнейшему уточнению с учётом коррозии, и округлению до стандартной толщины листов.

2.1.3 Определение расчетной толщины стенок оболочек из условия устойчивости

При проектировании рассчитываются толщины стенок цилиндрической обечайки, эллиптической крышки, эллиптического или конического днища по зависимостям для коротких оболочек (стандартная теплообменная рубашка на устойчивость не рассчитывается, так как образование вакуума в ней не предполагается).

а) Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки:

Рис.3 Схема к определению расчетной длины цилиндрической оболочки l_ц

Где

D=1200 мм - внутренний диаметр обечайки;

р_рн - расчетное наружное давление (см. табл. 3[1]), МПа;

n_y = 2,4 - коэффициент запаса устойчивости;

Е=2,05*10^5- модуль продольной упругости материала оболочки, МПа;

Н₁=650 мм - общая высота цилиндрической части аппарата, (см. табл. В2[1]);

В₂ = 360 мм - высота элементов для плоских приварных фланцев;

В₃ = 50 мм - расстояние от фланца до рубашки;

а₁ = 40 мм- ориентировочная высота отбортованной части эллиптической крышки;

а₂ = 100 мм - высота переходной части эллиптической оболочки;

h=45 мм - высота диска фланца, (см. табл. Г1 [1]);

H=150 мм

С=15 мм

Н_эл =300 мм - высота эллиптической крышки без отбортовки.

б) Расчет толщины стенки эллиптической крышки из условия устойчивости:

Для днища

Для крышки

Где К = 0,9 - коэффициент приведения радиуса кривизны эллипса;

n_y = 2,4 - коэффициент запаса устойчивости;

р_р.н - расчетное наружное давление, действующее на днище или крышку, МПа.

D=1200 мм- внутренний диаметр обечайки

Е - модуль продольной упругости материала оболочки при расчетной температуре (табл. Б.4[1]), МПа.

2.1.4 Определение исполнительной толщины стенок оболочек

Для каждой оболочки из двух вычисленных значений толщины выбирают большее расчетное значение:

S_цр= max {S_цр1; S_цр2} = S_цр2 =

S_{эр кр}= max {S_эр1; S_эр2} = S_эр1 =

S_{эр дн}= max {S_эр1; S_эр2} = S_эд2 =

Окончательно исполнительную толщину стенки определяют с учетом прибавки для компенсации коррозии с и c₁ прибавки для округления толщины листа до стандартного значения. Прибавку c₁ в каждом уравнении подбирают так, чтобы толщина стенки оболочки совпала со стандартной толщиной листа, при этом c₁ должна быть не менее минусового допуска u на толщину листа (табл. 9[1]), т.е c_{1 ?} u.

Выражения для определения исполнительной толщины стенок оболочек аппарата имеют следующий вид:

а) для цилиндрической оболочки:

S_ц = S_цр + 2·с + с₁ = 4,70+ 2 + 1,3 = 8 мм > u=0,8 мм

б) для эллиптической крышки:

S_эр = S_{эр кр} + с + с₁ = 2,176 + 1 + 0,824 = 4 мм > u=0,4 мм

в) для эллиптического днища:

S_эр = S_{эр дн} +2·с + с₁ = 5,32 + 2 + 2,68 = 10 мм > u=0,8 мм



Таблица 3 Расчётная и исполнительная толщина стенок оболочки

Оболочка аппарата	Расчётная толщина стенки, мм	Прибавка на коррозию, с, мм	Минусовой допуск, u, мм	Исполнительная толщина стенки ,Sц, мм
	Из условия прочности	Из условия устойчивости
Корпус:
Цилиндрическая часть	2,178	4,70	2	0,8	8
Крышка	2,176	2,174	1	0,4	4
Днище	2,176	5,32	2	0,8	10
Рубашка*:
Цилиндрическая часть	3,4	-	2	0,6	6
Днище	5,2	-	2	0,8	8

^* Исполнительная толщина стенок стандартной теплообменной рубашки, изготовленной из углеродистой стали.

2.1.5 Определение допускаемых давлений

Допускаемые внутренние давления рассчитываются для каждого элемента корпуса. Из полученных значений выделяется наименьшее, которое принимается в качестве максимально допускаемого внутреннего давления для всего аппарата, т.е. наиболее слабый элемент определяет работоспособность(несущую способность) всего аппарата.

Аналогично определяют допускаемое внутреннее давление для рубашки.

В качестве допускаемого наружного давления в корпусе аппарата принимается наименьшее значение допускаемого наружного давления для элементов корпуса под рубашкой и без нее, а также максимального давления разрежения для уплотнения вала мешалки.

Расчет допускаемых внутренних давлений:

а) Для цилиндрической обечайки:

Для корпуса аппарата:

Для рубашки:

Где р_р.в - расчетное внутреннее давление (см. табл. 2[1]), МПа;

D - внутренний диаметр обечайки, мм;

[у] - допускаемое напряжение (см. табл. 1[1]), МПа;

ц - коэффициент прочности сварного шва;

с - прибавка для компенсации коррозии, мм;

u - минусовой допуск на стандартную толщину листа (см. табл.3[1]), мм;

S_ц - исполнительная толщина, мм.

б) Для эллиптической крышки (днища):

Для корпуса:

· Для крышки

· Для днища

Для рубашки:

Где р_р.в - расчетное внутреннее давление (см. табл. 2[1]), МПа;

с - прибавка для компенсации коррозии, мм;

u - минусовой допуск на стандартную толщину листа (см. табл. 3[1]), мм;

S_э - исполнительная толщина, мм.

д) Для уплотнения вала мешалки:

Где P_max - максимальное избыточное давление, которое может обеспечить уплотнение в корпусе аппарата.

Р_и - избыточное давление в корпусе аппарата.

Расчет допускаемых наружных давлений:

а) Для цилиндрической обечайки:

Где D - внутренний диаметр обечайки, мм;

Е - модуль продольной упругости материала оболочки при расчетной температуре (см. табл. Б4[1]), МПа;

р_р.н - расчетное наружное давление (см. табл. 2[1]), МПа;

n_y = 2,4 - коэффициент запаса устойчивости;

l_ц - расчетная длина цилиндрической обечайки, мм;

с - прибавка для компенсации коррозии, мм;

u - минусовой допуск на стандартную толщину листа (см. табл.3[1]), мм;

S_ц - исполнительная толщина, мм.

б) Для эллиптической оболочки:

Для крышки:

Для днища:

Где р_р.н - расчетное наружное давление (см. табл. 2[1]), МПа;

с - прибавка для компенсации коррозии, мм;

u - минусовой допуск на стандартную толщину листа (см. табл.3[1]), мм;

S_э - исполнительная толщина, мм;

К = 0,9 - коэффициент приведения радиуса кривизны эллипса.

в) Для уплотнения вала мешалки:

Где P_a, P_oy- атмосферное и минимальное остаточное давление, которое может выдержать уплотнение, МПа;

Таблица 4 - Условные и допускаемые внутренние давления в аппарате, МПа.

Элементы аппарата	Фланцы, штуцеры, люк	Уплотнение	Крышка	Обечайка	Днище	Общее для всех
Корпус	0.6	0.6	0.6062	1.48	1.979	0.6
Рубашка	0.6	?	?	0.722	1.105	0.6



Таблица 5 - Допускаемые наружные давления, МПа.

Элементы корпуса	Крышка	Обечайка	Днище	Уплотнение	Общее для всех
Не находящиеся под рубашкой	0.129	?	?	0,097	0,097
Находящиеся под рубашкой	?	0.70	0.986	?	0.70

2.1.6 Фланцевые соединения

Герметичность фланцевого соединения обеспечивается правильным подбором материала прокладки и учетом действующих усилий. Элементы фланцевого соединения (болты и прокладки) проверяются на прочность.

Рис.4 Расчетная схема фланцевого соединения: а) на стадии монтажа и герметизации (затяжки болтов); б) на стадии эксплуатации

Тип фланца: плоский приварной по ГОСТ 28759.2-90; тип затвора: шип-паз по ОСТ 26-2003-83, исполнение 2 и 3.

Податливость болтов соединения:

Где - приведенная длина для болтов.

- общая высота дисков фланцевого соединения.

h=45мм - высота диска фланца (см. табл. Г1 [1]);

s_п =2 мм - толщина прокладки (см. табл. 14[1]);

d_б=20 мм - наружный диаметр резьбы болта (см. табл. Г1 [1]);

Е_б20=205000 МПа - модуль продольной упругости материала оболочки при температуре 20єС (см. табл. Б4[1]);

z_б=44 - число болтов (см. табл. Г1 [1]);

А_б=225 мм² - минимальная площадь поперечного сечения болта.

Податливость прокладки:

где К₀=1 - коэффициент обжатия (см. табл. 14[1]);

b=14,5 мм - ширина прокладки (см. табл. Г1 [1]);

D_п=1247 мм - наружный диаметр прокладки (см. табл. Г1 [1]);

D_пср=D_п -b=1247-14,5=1232,5 мм - средний диаметр прокладки;

Е_б20=2000 МПа - модуль упругости материала прокладки при температуре 20єС (см. табл.14[1]).

Коэффициент внешней нагрузки:

Усилие от давления рабочей среды:

Усилие в болтах от температурных деформаций элементов фланцевого соединения (в условиях эксплуатации):

Т.к. температура среды вне аппарата и температура рабочей среды =20°C

t_ф = 0,96·t_р- температура фланцев;

t_б =0,85·t_р- температура болтов;

t₀=20°C - начальная температура;

Е_б20, Е_б - модуль упругости материалов болтов при 20єС и расчетной температуре (см. табл. Б3 [1]), МПа;

б_ф, б_б - коэффициенты линейного расширения материалов фланцев и болтов (см. табл. Б5[1]);

h_ф- общая высота дисков фланцевого соединения, мм.

Усилие (расчетное), которое должно быть приложено к прокладке, чтобы обеспечивалась герметичность в рабочих условиях:

где К_п=2,5 - коэффициент материала прокладки (см. табл. 14 [1]);

b₀ - эффективная ширина прокладки:

т.к. b = 14.5 мм < 15 мм > b₀ = b

Рис.5 График зависимости усилий на болтах F_б и прокладке F_п от давления р_рв рабочей среды (усилия в болтах от температурных деформаций элементов не учитываются).

Усилие затяжки F_б1, действующее как на болты, так и на прокладку при монтаже, принимается из двух значений наибольшее:

где q_min- минимальная удельная нагрузка на контактной поверхности прокладки.

При действии рабочего давления усилие на болты возрастает:

Запас герметичности:

где [n_г] =1,2- нормативный запас герметичности.

Запас герметичности получился меньше допустимого, поэтому увеличим нагрузку на прокладку до 22.5 МПа и повторим соответствующие расчёты:

Условие герметичности фланцевых соединений выполняется.

Проверка прочности болтов в условиях монтажа:

где z_б - число болтов (см. табл. Г1 [1]);

А_б - минимальная площадь поперечного сечения болта (см. табл. 15[1]), мм²;

[б_б]₂₀ - допускаемое напряжение в материале болтов при 20єС (см. табл. Б3[1]), МПа.

Проверка прочности болтов в рабочих условиях:

[_б] - допускаемое напряжение в материале болтов при рабочей температуре, МПа.

Проверка прочности материала прокладки:

- допускаемая удельная нагрузка на прокладку, МПа.

Условие прочности выполняется.

2.1.7 Расчет опор и монтажных цапф аппарата

Максимальный вес аппарата G_max рассчитывается с учетом веса всех составных частей аппарата и максимального веса среды.

Вес корпуса:

где D - внутренний диаметр обечайки, м;

с_ст - плотность стали, кг/м³;

S_max - исполнительная толщина стенки, м.;

m_Л = 18 кг - масса люка, (см. табл. В15[1]);

m_Ф=266.3 кг - масса люка, (см. табл. Г3[1]),

Вес теплообменной рубашки:

- примерная высота рубашки.

Вес привода:

где М_пр = 309 кг - масса привода (см. табл. Ж9[1]),

1,3 - коэффициент, учитывающий наличие муфты, вала, мешалки, уплотнения.

Максимальный вес среды: V_ном= 1.25 м³

где с - плотность наиболее тяжелой среды (с_среды > с_воды), кг/м³;

Maксимальный вес аппарата:

Вес пустого аппарата:

Рабочий объём среды и рабочий вес аппарата:

- объем, заполняемый эллипт. части днища аппарата,

- объем, заполняемый цилиндр. частью аппарата,

- минимальная высота уровня жидкости в цилиндрической части аппарата;

- объем, заполняемый эллипт. части крышки аппарата,

где h=300 мм = 0,45 м; D=1.2 м;

если , то жидкость будет заполнять эллиптическую часть крышки; если , то уровень жидкости будет ниже, чем эллиптическая часть и тогда,

где H=1,3 м;

- высота над цилиндрической частью, занимаемой жидкостью;

.

Проверочный расчёт опор и цапф:

а) Выбранный типоразмер опоры и цапфы проверяется на грузоподъемность:

где z_оп, z_ц - число опор-стоек и число цапф соответственно;

G_р.оп, G_р.ц - расчетные нагрузки на одну опору и цапфу, Н;

[G],[G]_ц - допускаемая нагрузка на опору (см. табл. Д1[1]) и грузоподъемность цапфы (см. табл. В14[1]).

б) Проверка прочности бетона фундамента на сжатие:

где у_ф - напряжение в фундаменте под опорой, МПа;

[у]_ф - допускаемое напряжение для бетона марки 200 при сжатии по ГОСТ 25192-82,

А_п - площадь основания опоры (размеры a,b см. табл. Д1[1]).

в) Прочность угловых сварных швов, соединяющих ребра опор-лап с корпусом аппарата, проверяют по условию:

- катет сварных швов;

- общая длина сварных швов;

- допускаемое напряжение для материала швов;

Где S и h - толщина и высота ребра (табл. Д1[1]);

Z_р=2 - число ребер в опоре;

- напряжение среза в швах, МПа;

- допускаемое напряжение материала опоры, МПа;

- коэффициент прочности швов таврового сварного соединения двухсторонним угловым швом и при 50% контроля длины швов.

2.2 Элементы механического перемешивающего устройства

2.2.1 Расчет вала мешалки на прочность и виброустойчивость

А) Расчет вала на прочность

Выполняется лишь проверочный расчет вала из условия прочности кручения. При кручении опасным сечением вала является участок вала диаметром d₁ в месте крепления ступицы мешалки ( рис 7).

При работе вал мешалки в месте ее закрепления испытывает кручение.

Расчетный максимальный крутящий момент с учетом пусковых нагрузок:

где К_Д - коэффициент динамичности нагрузки;

N_м - мощность потребляемая мешалкой на перемешивание, Вт;

- угловая скорость вала мешалки, рад/с;

n - частота вращения вала мешалки, об/мин.

Коэффициент К_Д определяется в зависимости от конструктивных особенностей мешалок и внутренних устройств аппарата. Для рамной мешалки К_Д =2.

Полярный момент сопротивления сечения вала W_р (мм³) в опасном сечении:

Где d₁ - диаметр участка вала под ступицу определяется исходя из типа и диаметра мешалки d_м (рис. Е.4[1]), мм.

Проверочный расчет вала заключается в проверке условия прочности на кручение:

- максимальные напряжения в сечении вала, МПа

где [ф]_кр = 0,5·[у] = 0,5•112.5=56,25 МПа - допускаемые напряжения на кручение.

. Условие прочности выполняется, вал мешалки обладает достаточной прочностью на кручение.

Рис.6 Крепление ступицы к валу.

б) Расчет вала на виброустойчивость:

Под виброустойчивистью вала понимают его способность работать с динамическими прогибами, не превышающими допускаемых значений. Динамические прогибы вала появляются в результате действия на вал неуравновешенных центробежных сил. Динамический прогиб направлен в сторону центробежной силы (рис. 7).

Рис.7 Зависимость динамических прогибов вала у_Д от угловой скорости ( -критическая скорость вала, соответствующая прогибу у_Д.max).

Сущность проверочного расчета вала на виброустойчивость заключается в определении его критической угловой скорости в воздухе, а затем в проверке условий виброустойчивости.

Рис.8 Схема к расчету вала на виброустойчивость

Длина консоли вала, т.е. расстояние от нижнего подшипника до середины ступицы(рис. 8, а):

где Н=1300 мм - высота корпуса аппарата (см. табл. В2[1]);

h₀ =50 мм - высота опоры для стойки привода (см. табл. В17[1]);

h₁=256 мм - расстояние от нижнего подшипника до опоры под привод на крышке корпуса аппарата (см. табл. Ж4[1]);

h_м- расстояние от днища корпуса до середины ступицы рамной мешалки (см. табл. Е4[1]).

Полная длина вала (рис. 8, в):

где l₂=0,45 м - длина пролета, т.е. расстояние между подшипниками.

Относительные длины консоли ₁ и пролета ₂:

Масса вала:

где с_ст - плотность стали, кг/м³;

d - диаметр вала, м.

Коэффициенты приведения массы вала:

Правильность выполнения расчета контролируется по графику на рисунке 9.

Рисунок 9. Коэффициент приведения массы вала

Осевой момент инерции поперечного сечения вала:

Приведенная жесткость вала:

Приведенная суммарная масса мешалки и вала:

где m_в - масса мешалки (см. табл. Е4[1]), кг.

Критическая угловая скорость вала в воздухе:

Виброустойчивость вала проверяем по условиям:

а) щ/щ_кр ? 0,7 - жесткий вал;

б) 1,3?щ/щ_кр? 1,6 - гибкий вал:

Следовательно, вал жесткий.

щ -угловая скорость вращения вала, рад/с.

Предельная угловая скорость для жесткого вала:

=287.3об/мин

2.2.2 Расчет мешалки

Мешалки предварительно проверяют по допустимому крутящему моменту [T]_кр ( см. табл. Е4[1]):

- условие выполняется

где Т_{кр max} - расчетный максимальный крутящий момент.

Рисунок 10 - Схема к расчету стыковых швов рамных мешалок.

Расчет рамной мешалки. Размеры мешалок принимаются по нормативному документу АТК 24.201.17-90 (рис. Е.4[1]).

Расчетная толщина перекладины S_ЛР и ребра жесткости S_РР:

Сила, вызывающая изгиб лопасти:

Где - расчетный максимальный крутящий момент, Н·м;

z_л = 4 - число лопастей у мешалки,

d_М = 0,95 м - диаметр мешалки.

Изгибающий момент М_и в месте приварки лопасти(перекладины) к ступице определяется с учетом условного радиуса приложения сосредоточенной гидродинамической силы:

где d_с = 95 мм - диаметр ступицы, (см. табл. Е5[1]).

Рекомендуемая высота сечения лопасти (перекладины) вместе с ребром жесткости:

Площади поперечных сечений лопасти (перекладины) и ребра жесткости:

где b=70 мм - ширина лопасти, ребра жёсткости, (см. табл. Е4[1]).

Расстояние между центрами тяжести сечений лопасти и ребра жесткости, мм

Расстояние от начала координат системы Z -Y (центр тяжести лопасти) до центра тяжести всего сечения (точка С рис. 7), мм:

Осевой момент инерции сечения стыкового сварного шва для лопасти с ребром жесткости относительно нейтральной оси У', мм⁴:

Координата опасных точек, в которых действуют максимальные напряжения при изгибе:

Осевой момент сопротивления сечения стыкового шва:

Проверка прочности мешалки в месте приварки лопастей (перекладин) к ступице выполняется по условию прочности на изгиб:

.

- условие прочности выполняется.

Где у-максимальное напряжение в материале шва;

[у]ґ-допускаемое напряжение для материала сварного шва;

[у]-допускаемое напряжение для материала мешалки при расчетной температуре;

ц=0,8-коэффициент прочности стыкового сварного шва для таврового соединения двусторонним швом при сварке вручную.

2.2.3 Расчет шпоночного соединения ступицы мешалки с валом

Крутящий момент с вала на ступицу мешалки передается при помощи призматической шпонки (рис. 11), размещенной в шпоночных пазах вала и ступицы. Боковые грани на половине своей высоты шпонки испытывают напряжения смятия у_см , а продольное сечение - напряжения среза ф_ср.

Рис.11 Схема к расчёту шпоночного соединения

Длины призматических шпонок назначают конструктивно с учетом высоты ступицы h_с:

Сила, вызывающая смятие:

где d₁ = 0,045 м - диаметр участка вала под ступицу мешалки.

Минимальная поверхность смятия определяется по формуле:

Условие прочности шпонки на смятие:

где _см - напряжение смятия на боковой поверхности шпонки, Па;

[]см =1,5·[] - допускаемые напряжения на смятие материала шпонки, МПа.

Условие прочности выполняется.

Т.к. лопасти мешалки заходят в крышку аппарата, то их высоту уменьшаем до 700 мм.

2.2.4 Расчет муфт

В приводе 2 типа - фланцевая муфта. Муфты, выбранные по диаметру вала при эскизной компоновке аппарата, проверяются на нагрузочную способность по условию:

Где - расчетный крутящий момент на участке вала под муфту, Н•м;

- соответственно КПД подшипников, уплотнения и муфты (табл. Ж.25[1]), вводимые в расчет с учетом схемы привода ( для типа привода 2 =1)

Т_ном - номинальный (допустимый) крутящий момент для выбранного типоразмера муфты (см. табл. Ж.20[1]), Н•м.



Заключение

В данной работе спроектирован аппарат, имеющий следующие основные показатели надежности:

В ходе расчетов аппарат оценивался по критериям работоспособности:

· прочность корпуса аппарата при рабочем давлении, исполнительная толщина стенок крышки, цил. обечайки и днища соответственно 4, 8 и 10 мм. Условия прочности выполняются, при рабочем давлении р_рв = 0,60 МПа и остаточном р_о = 0,010 МПа предельно допустимые внутреннее р_доп.в. и наружное р_доп.н. давления равны соответственно 0,6 и 0,097 МПа;

· Герметичность обеспечивается усилием затяжки . При этом запас герметичности n_г = , условия прочности болтов в условиях монтажа и эксплуатации выполняются, напряжения в материале болтов (сталь 12Х18Н10Т) равны соответственно 82,648 МПа и 83,303МПа при допускаемом напряжении 117 МПа; условие прочности материала прокладки выполняется, удельная нагрузка q равна 11,22 МПа при допускаемой удельной нагрузке 40 МПа;

· Грузоподъемность опор-лап и цапф и устойчивость ребер опор. Выбранный типоразмер опор-лап и цапф можно выбрать, так как расчетные нагрузки на одну опору G _р.оп и цапфу G _р.ц не превышают допустимых нагрузок на опору [G] и цапфу [G] _ц (6769.66 Н и 5315.74 Н; 10 и 10 кН соответственно). Также выполняются условия прочности бетона фундамента;

· прочность, виброустойчивость. Условие прочности выполняется, максимальные напряжения на кручение вала _кр меньше допускаемых напряжений на кручение [ф]_кр (11,75 МПа и 56,25 МПа соответственно). Вал виброустойчив и работает в дорезонансной зоне (жесткий вал), предельная угловая скорость щ _пр=рад/с;

· прочности мешалки в месте приварки лопастей к ступице. Условие прочности на изгиб выполняется, напряжения в материале швов (сталь 12Х18Н10Т) меньше допускаемых напряжений (0,133 МПа и 132,48 МПа соответственно);

· прочность шпонки на смятие. Условие прочности выполняется, напряжение смятия на боковой поверхности шпонки у_см меньше допускаемого напряжения [у]^? (37,0582 МПа и 248,4 МПа);

· нагрузочная способность муфт. Выбранный типоразмер муфты (муфта фланцевая) можно выполнять, так как расчетный крутящий момент на участке вала под муфту T_р.м.=214,39 Н·м меньше номинального крутящего момента для данного типоразмера муфты Т_ном= 5000 Н·м.

· Т.к. лопасти мешалки заходят в крышку аппарата, то их высоту уменьшаем до 700 мм.

Проведенные расчеты показали, что аппарат будет способен пройти испытания Госгортехнадзора и функционировать в течение заданного срока службы при нормальной эксплуатации.

Далее приведены техническая характеристика аппарата и технические требования на изготовление и испытание.

Техническая характеристика аппарата:

1. Объем номинальный - 1,25 м³, объем рабочий - 1,21м³.

2. Среда в аппарате: уксусная кислота, концентрацией 15 %, плотностью 1020 кг/м³, температурой 20⁰С.

3. Срок службы аппарата 10 лет.

4. Наработка на отказ - 978,7 часа.

5. Давление в корпусе рабочее: избыточное р_и = 0,6МПа,

остаточное р_о = 0,01 МПа.

6. Давление в корпусе предельное:

внутреннее р_рв = 0,6 МПа,

наружное р_рн = 0,7 МПа.

7. Давление в рубашке:

внутреннее р_руб = 0,45 МПа,

предельное р_рн = 0,6 МПа.

8. Мощность электродвигателя:

номинальная N = 1,5 кВт,

расчетная N_р = 1,24 кВт.

9. Привод: тип 2, исполнение 1, габарит 1

10. Частота вращения вала мешалки:

рабочая n = 100 об/мин ,

предельная n_пред = 287.3об/мин

11. Масса аппарата в рабочем состоянии не более 3т.

Технические требования на изготовление и испытания:

1. Аппарат изготовить и испытать в соответствии с ГОСТ 20680-2002 "Аппараты с механическими перемешивающими устройствами. Общие технические требования".

2. Аппарат подлежит регистрации в органах Ростехнадзора и должен соответствовать инструкции ПБ 03-576-03 "Правила устройства и безопасности эксплуатации сосудов, работающих под давлением".

3. Аппарат подвергнуть гидравлическому испытанию пробным давлением: корпус-0,75 МПа, рубашку-0,563 МПа.

4. Материал корпуса аппарата, внутренних устройств, мешалки, вала - легированная сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72; материал рубашки, опор аппарата, стойки привода - углеродистая сталь Ст3сп5 ГОСТ 380-2005 и крепежных изделий - сталь 40 ГОСТ 1050-88.

5.Допустимая скорость коррозии не более 0,1 мм в год для элементов аппарата не находящихся под рубашкой, и 0,2 мм в год для элементов под рубашкой.

6. Торцовое уплотнение должно соответствовать требованиям ОСТ 26-01-88-87 "Уплотнения валов торцовые для аппаратов с перемешивающими устройствами. Общие технические требования".

7.Фланцевые соединения корпуса с крышкой аппарата и люка должны соответствовать ГОСТ 28759.5-90 "Фланцы сосудов и аппаратов. Технические требования".

8. Конструкции корпуса типа ВЭЭ, исполнение 1 по ГОСТ 9931-85, штуцеров тип 1 по АТК 24.218.06-90 и ответных фланцев по ГОСТ 12820-80, мешалка по АТК 24.201.17-90.



Список использованных источников

1. Луцко, А.Н. Прикладная механика: учебное пособие / А.Н. Луцко, М.Д. Телепнев, Н.А. Марцулевич [и др]; под общ. ред. Н.А. Марцулевича - Изд. 5-е, исп. - СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2013. - 273 с.

Размещено на Allbest.ru

...