Расчет и конструирование аппарата с перемешивающим устройством

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Задание кафедры: произвести расчет и конструирование химического реакционного аппарата

Введение

1. Выбор материала

2. Расчетная часть

2.1.1 Определение расчетного давления в аппарате

2.1.2 Определение толщины стенки обечайки, нагруженной внутренним давлением

2.1.3 Расчет эллиптической крышки

2.2 Подбор и расчет привода

2.3 Выбор уплотнения

2.4 Расчет вала вертикального перемешивающего устройства

2.5 Расчет подшипников качения

2.6 Расчет мешалки

2.7 Расчет шпонки на смятие

2.8 Подбор муфты

2.9 Расчет опор-лап аппарата

2.10 Подбор штуцеров и люка

Заключение

Список использованной литературы

Задание кафедры: произвести расчет и конструирование химического реакционного аппарата

Номер варианта 36

Номинальный объем V, м³ 3,2

Внутренний диаметр D, мм 1600

Исполнение корпуса 11

Параметры мешалки

Шифр 21

Диаметр d_м, мм 500

Частота вращения n, мин^-1 400

Потребляемая мощность N, кВт 5,0

Давление в корпусе

Избыточное Р_и, МПа 0,9

Остаточное Р_о, МПа 0,01

Давление в рубашке, избыточное Р_руб, МПа 0,3

Уровень жидкости в корпусе 0,8

Параметры среды

Наименование HN0_3,

водный раствор

Температура t, ^оС 60

Плотность 1480

Концентрация, % 90

Введение

Выполнение курсового проекта по расчету и конструированию аппарата с перемешивающим устройством готовит студента к выполнению последующих проектов по специальным дисциплинам и дипломному проектированию. Студент получает навыки работы со справочной и методической литературой, нормативными документами, умение самостоятельного проектирования, то есть оформления расчетно-пояснительной записки, разработки и защиты проекта.

Собственно аппараты разделены по наиболее удобному для конструирования и расчета их на прочность признаку на три характерных вида: теплообменные, колонные и емкостные.

Отличительным признаком теплообменных аппаратов является наличие у них кожуха и труб независимо от положения аппарата (горизонтального или вертикального). Отличительным признаком колонных аппаратов является их вертикальное положение (при соотношении H/D>5), в которых имеются различные внутренние устройства в виде тарелок или насадки. К ним относятся также комбинированные или агрегатированные аппараты, представляющие собой расположенные друг над другом различные по конструкции и назначению несколько аппаратов, жестко соединенных между собой. Отличительным признаком емкостных аппаратов являются все горизонтальные и вертикальные (при соотношении H/D?5) аппараты, в которых могут быть различные специальные внутренние устройства, а также обогревающие или охлаждающие рубашки.

Перемешивание в жидких средах широко применяется в химической и биохимической промышленности для приготовления суспензий, эмульсий и получения гомогенных систем (растворов). Наибольшее распространение получило перемешивание с введением в перемешиваемую среду механической энергии из внешнего источника. Механическое перемешивание осуществляется с помощью мешалок, которым сообщается вращательное движение либо непосредственно от электродвигателя, либо через редуктор или клиноременную передачу. Известны также мешалки с возвратно-поступательным движением, имеющие привод от механического или электромагнитного вибратора. Процесс перемешивания механическими мешалками сводится к внешней задаче гидродинамики - обтеканию тел потоком жидкости.

При медленном движении в вязкой среде тела любой формы в тонком слое жидкости, примыкающем к его поверхности, образуется ламинарный пограничный слой, форма и толщина которого зависят от формы и размеров тела. При увеличении скорости движения происходит отрыв пограничного слоя от поверхности тела в точках, где скорость жидкости является наибольшей, например, у кромок вертикальной пластины, и образование турбулентного кормового следа за движущимся телом. Начало отрыва пограничного слоя характеризуется резким возрастанием сопротивления среды движению тела.

Окружная скорость имеет наибольшее значение на периферии мешалки, так как эта величина пропорциональна диаметру мешалки. В данной области, как следует из уравнения Бернулли, образуется зона пониженного давления, куда устремляется жидкость, находящаяся в аппарате. Это течение, а также радиальные потоки, возникающие под действием центробежных сил при вращательном движении мешалки, приводят к интенсивному перемешиванию содержимого аппарата.

Посредством перемешивания достигается тесное соприкосновение частиц, уменьшение пограничного слоя и непрерывное обновление, увеличение поверхности взаимодействия веществ, благодаря возрастанию степени турбулентности системы. Вследствие этого при перемешивании значительно ускоряются процессы массообмена, например растворение твердых веществ в жидкостях, процессы теплообмена и протекание многих химических реакций.

Перемешивание используют для ускорения процессов абсорбции, выпаривания, экстрагирования и других основных процессов химической технологии.

Основными характеристиками любого процесса перемешивания являются: расход энергии и эффективность перемешивания.

В различных процессах эффективность перемешивания определяется по-разному. Например, при суспендировании эффективность перемешивания характеризуется равномерностью распределения твердых частиц в жидкости и скоростью достижения достаточной равномерности. Если перемешивание применяется для интенсификации теплообмена, эффективность перемешивания может определяться возрастанием коэффициента теплоотдачи в перемешиваемой среде. При вращении лопасти мешалки, как при обтекании жидкостью любого движущегося в ней тела, энергия затрачивается на преодоление трения, а также на образование и срыв вихрей.

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 c помощью рубашки.

Механические перемешивающие устройства состоят из трех основных частей: собственно мешалки, вала и привода. Мешалка является рабочим элементом устройства, закрепляемым на вертикальном, горизонтальном или наклонном валу. Привод может быть осуществлен либо непосредственно от электродвигателя, либо через редуктор или клиноременную передачу.

Химические перемешивающие аппараты делают, как правило, вертикальной цилиндрической формы, так как она удобна при работе под давлением и лучше обеспечивает герметичность.

Конструкция аппарата должна предусматривать возможность внутреннего осмотра, очистки, промывки и продувки. Внутренние устройства, препятствующие осмотру, должны быть съемными. Рубашки допускается выполнять приварными. Аппараты должны иметь круглые люки для внутреннего осмотра, расположенные в удобных для обслуживания местах. При внутреннем диаметре аппарата более 800 мм диаметр лаза должен быть на менее 400 мм. Крышки люков должны быть съемными. Шарнирно-откидные или вставные болты, хомуты и зажимные приспособления крышек, лазов и фланцевых соединений должны быть предохранены от сдвига или ослабления. Для возможности проведения гидроиспытаний аппарат должен иметь для наполнения и слива воды, а также для поступления и удаления воздуха соответствующие штуцера. На вертикальных аппаратах эти штуцера должны быть расположены с учетом возможности проведения гидроиспытаний и в горизонтальном положении. Для подъема и установки аппарата на нем должны быть предусмотрены строповые устройства. Допускается использовать для этих целей имеющиеся на аппарате элементы, если прочность их не вызывает сомнений, что должно быть проверено расчетом. Все основные сварные соединения в аппаратах, как правило, должны быть стыковыми двухсторонними или с подваркой, быть доступными для осмотра и контроля. В местах присоединения опор к аппарату наличие сварных швов, как правило, не допускается. Если это не может быть выполнено, необходимо предусмотреть возможность контроля шва под опорой. При сварке отдельных элементов аппарата расстояние между краями смежных швов должно быть не менее большей толщины соединяемой стенки. Расположение отверстий для лазов, люков, и штуцеров, как правило, должно быть вне сварных швов, допускается как исключение устройства отверстий на швах при условии двустороннего провара швов и укрепления отверстий.

Частые причины выхода из строя машин и аппаратов химических производств - коррозия и повреждение наиболее ответственных узлов. Конструкция аппарата или машины зависит от параметров процесса (давление, температура, коррозионные свойства среды, наличие осадков и отложений, свойств конструкционных материалов и многих других).

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

1. 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. Также учитываются стоимость и технологические свойства материала, то есть возможность и простоту изготовления из него изделий заданной формы. В настоящее время широко используют сварные аппараты из углеродистой и легированной стали. При высокой температуре, а также при действии коррозионных сред применяют высоколегированные стали и сплавы.

Материалами для изготовления стальных сварных аппаратов являются полуфабрикаты, поставляемые металлургической промышленностью в виде листового, сортового и фасонного проката, труб, специальных поковок и отливок. Материалы должны быть химически и коррозионностойкими в заданной среде при ее рабочих параметрах, обладать хорошей свариваемостью и соответствующими прочностными и пластическими характеристиками в рабочих условиях, допускать холодную и горячую механическую обработку, а также иметь возможно низкую стоимость и быть недифицитными.

Наименование среды	HN03
Температура среды	60 оС
Срок службы аппарата	=20 лет
Коррозионная стойкость	П=0,1·10-3м/год
Рабочее давление	Ри=0,9 МПа
Концентрация	90%

Учитывая эти условия, выбираем материал по таблице 2,[3, с.8]:

Для корпуса, мешалки и вала - Сталь 0Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72

П - коррозионная стойкость материала

П=0,1•10 ^-3 м/год ( вполне стойкие), [3, с.8, табл.2];

- нормативное допускаемое напряжение (по ГОСТ 5632-72)

=139 МПа, [3, табл.3];

Е - расчётное значение модуля упругости

Е=2,00•10⁵ МПа - для легированной стали, [3, табл. 4];

- коэффициент линейного расширения

^t =16,6•10 ^-6 град ^-1 (для t от 20 до 100^оС), [3, табл. 6]).

Для болтов - Сталь 35ХМ

П=0,1•10 ^-3 м/год ( вполне стойкие), [3, с.8, табл.2];

=230 МПа, [3, табл.3];

Е=2,00•10⁵ МПа - для легированной стали, [3, табл. 4];

^t =13,1•10 ^-6 град ^-1 (для t от 20 до 100^оС), [3, табл. 6]).

Х - хром, Н - никель, Т - титан, М - молибден. За каждой из букв одной или двумя цифрами указывается примерное содержание данного элемента в процентах, отсутствие цифр означает, что содержание данного элемента составляет до 1,5%.

2. Расчетная часть

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

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[16].

По таблице 1.1 [6, с.1] определяем тип аппарата. Исполнение корпуса - 11, что соответствует типу 1 - аппарат с неразъемным корпусом с гладкой приварной рубашкой и эллиптическим днищем и крышкой. По таблице 1.2 [6, с.3] определяем тип мешалки и наличие внутреннего устройства. Шифр 21, это означает, что мешалка трехлопастная и присутствуют отражательные перегородки для ликвидации центральной воронки в перемешиваемой среде и интенсификации процесса перемешивания. Рекомендуемое расстояние от мешалки до днища корпуса h_м=d_м по таблице 2.1[6, с.5].

Параметры конструкции корпуса типа 11 по ОСТ 26-01-1246-75 по таблице 13 [1, с.29] для V=3,2 м³:

D=1600мм; D₁=1700мм; H_кор=1850мм

H₁=2120мм; H₂=1425мм; H₃=150мм;

H₄=260мм; L=750мм; L=250мм;

H₆=425мм; h=525мм; h₁=50мм;

b=160мм; д=8мм.

2.1.1 Определение расчетного давления в аппарате

Расчетное давление - это давление, при котором производится расчет на прочность и устойчивость элементов корпуса аппарата.

Рабочее давление - это максимальное внутреннее избыточное или наружное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса. Если отсутствуют причины, вызывающие повышение рабочего давления, то расчетное давление принимают равным рабочему.

Для аппаратов, заполненных жидкостью, необходимо также принимать в расчет гидростатическое давление, если его значение превышает 5% от избыточного давления.

,

где Р_расч - расчетное давление;

Р_и - избыточное давление в корпусе, задается условиями технологического процесса;

- гидростатическое давление:

,

где - плотность жидкой среды;

g=9,81 - ускорение свободного падения.

Н_ж - высота столба жидкости.

где Н_ж/D - уровень жидкости в корпусе,

D - внутренний диаметр корпуса.



Р_гидр учитывается, если оно превышает 5% от давления Р_и.

<5% - не учитывается.

Расчетное внутреннее давление

Расчет наружного давления, для проверки стенок корпуса на устойчивость.

Для элементов находящихся под рубашкой:

,

где - расчетное наружное давление.

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

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

Р_руб - избыточное давление в рубашке. Р_руб=0,3МПа.

2.1.2 Определение толщины стенки обечайки, нагруженной внутренним давлением

Определяем допускаемое напряжение для выбранного материала

,

где - допускаемое напряжение;

- поправочный коэффициент, учитывающий пожароопасность и взрывоопасность среды, среда не является взрыво- и пожароопасной;

- нормативное допускаемое напряжение.

Поправка для компенсации коррозии С к расчетным толщинам конструктивных элементов, находящихся в контакте с агрессивной средой, определяется по формуле:

,

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

- срок службы аппарата.

Расчет оболочек, нагруженных внутренним давлением

Цилиндрические обечайки являются одним из основных элементов химических аппаратов. Из одной или нескольких обечаек образуется цилиндрический корпус аппарата.

Расчет толщины стенки цилиндрической обечайки

, верно для ,

где D - внутренний диаметр корпуса;

- расчетное давление;

- допускаемое напряжение;

- коэффициент прочности продольного сварного шва обечайки (по ГОСТ 14249-80), для стыковых и тавровых швов с двусторонним проваром и выполненных автоматической сваркой по таблице 1.8 [15, с.15]:

C - поправка на коррозию; C=2 мм.

С₀ - прибавка для округления до стандартного значения.

, расчет верен.

Сталь толсто-листовая по ГОСТ 5681-57 с толщиной S=8мм.

2.1.3 Расчет эллиптической крышки

Днища, так же как и обечайки, являются одним из основных элементов химических аппаратов. Цилиндрические цельносварные корпусы как горизонтальных, так и вертикальных аппаратов с обеих сторон ограничиваются днищами. То есть понятие днище и крышка в данном случае взаимозаменяемы, следовательно, их параметры будут одинаковыми.

Толщина эллиптической крышки находится по формуле:

2.1.4 Расчет элементов аппарата при наружном давлении

При определении толщины оболочки аппарата проводят два расчета: предварительный и проверочный.

Предварительно определяют ориентировочное значение толщины стенки, а затем проверяют выбранную толщину на допустимое давление.

Предварительный расчет толщины стенки цилиндрической обечайки.

Из условия устойчивости и прочности:

.

n_у = 2,4 - коэффициент запаса устойчивости в рабочем состоянии;

Е = 2,00•10⁵ МПа - модуль продольной упругости для материала обечайки при расчетной температуре;

L - длина гладкой обечайки;

D - внутренний диаметр аппарата;

;

- расчетное наружное давление.

K₂ определяем по номограмме на рисунке 6.3 [15, с.104], где .

K₂ = 0,55.

Проверочный расчет

Проверяем допускаемое наружное давление.



Допускаемое давление из условия прочности:

Вспомогательный коэффициент:

Допускаемое давление из условия устойчивости:

Определяем допускаемое наружное давление:

Условие выполняется если

0,39 МПа < 0,55 МПа - условие выполняется.

Толщина стенки стандартного эллиптического днища, работающего под наружным давлением находится по формуле:

S_э = max+ С +С₀

S_э = max+2 + С₀ = max{6,1;2,3}+2+С₀=8,1+ +С₀=8,1+3,9=12мм.

Параметры эллиптического отбортованного днища по ГОСТ 6533-78 по таблице 7.2 [15, с.116] для D=1600мм и S_Д=12мм:

Н_Д=400мм;

h_ц=40мм.

Проверим допускаемое наружное давление:

Допускаемое давление из условия прочности:

Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости:

Где коэффициент К_э определяется по рисунку 7.11 [15, с.133]:

К_э=0,945.

Определяем допускаемое наружное давление:

Условие выполняется если

0,39 МПа < 0,7 МПа - условие выполняется.

Расчет толщины рубашки аппарата

Рубашки в химических аппаратах предназначаются для наружного нагревания или охлаждения обрабатываемых или хранящихся в аппарате главным образом жидких продуктов. Наибольшее применение имеют рубашки в вертикальных аппаратах. Более простыми и надежными в работе являются неразъемные рубашки, которые стандартизованы для сварной аппаратуры. Рубашки с эллиптическим и коническим днищем применяются при давлении меньше 1,6 МПа и температуре меньше 300?С.

Параметры неразъемной рубашки с эллиптическим днищем по ОСТ 26-01-984-74 по таблице 9.1 [15, с.164] для D=1600мм, D₁=1700мм, V=3,2м³:

F - площадь поверхностного теплообмена,

F=7,8 м²; Н=1349мм; Н₁=900мм;

D₂=200мм; h=30мм.

Толщина рубашки аппарата находится по формуле:

,

где Р_руб - избыточное давление в рубашке;

D₁ - диаметр рубашки.

Толщина днища рубашки находится по формуле:

Эскиз корпуса представлен на рисунке 1.



Рис.1.

2.2 Подбор и расчет привода

Приводом мешалки называют электродвигатель с передачей, установленный на вертикальной стойке.

Быстроходные мешалки соединяются с электродвигателем через клиноременную передачу. Приводы мешалок устанавливают на стойку (чугунную или стальную сварную), которую, в свою очередь, крепят к аппарату. На вал мешалки действуют разнообразные усилия. Вал нагружен крутящим моментом, а также осевой силой, зависящей от веса мешалки и давления в аппарате.

Определение мощности потребляемой приводом

,

где N_эл.дв. - мощность, потребляемая приводом;

N_вых. - мощность, потребляемая на перемешивании;

- 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.

N_ст=5,5 кВт.

Для двигателя полученной мощности по таблице рекомендован привод типа 4, привод с клиноременной передачей (таблица 9, [3, с.15]).

Исполнение привода - 1 - для установке на крышке (таблица 8, [3, с.14]).

Номинальное давление в аппарате - 1,6 МПа.

Габарит определяется по мощности и частоте вращений - габарит 2 (таблица 22, [3, с.30]).

Предельные осевые нагрузки находятся по таблице 23 [3, с. 30]:

[F]=5300Н.

Определение расчетного крутящего момента на валу:

,

где k_д - коэффициент динамической нагрузки для трехлопастной мешалки с перегородками k_д=1,2 [3, с.15];

Определение диаметра вала.

Из условия на прочность диаметр вала равен:

,

где [ф_кр] - допускаемое напряжение при кручении.

[ф_кр]=20 МПа[3, с.15].

Стандартный диаметр для габарита 2: d_в = 80мм.

Стандартный привод по условиям работы подшипников и наиболее слабых элементов конструкции рассчитан на определенное допустимое осевое усилие [F], которое для привода типа 4, исполнения 1, габарита 2 равно 5300.

Основные размеры привода в соответствии с ОСТ-26-01-1225-75 по таблице 24 [3, с.31].

d=80мм; L = 1100 мм; В = 620 мм;

H=1600 мм; H₁ ?820 мм; h₁ = 700 мм;

l₂=650мм; S ?18мм; D = 560 мм;

d₂=110мм; D₃=225мм; D₁ = 650мм;

d₃=30мм; D₄=190мм; m_прив = 700 кг.

Действующее осевое усилие на вал привода аппарата определяется по формулам:

где d - диаметр вала в зоне уплотнения;

А_упл - дополнительная площадь уплотнения;

А_упл=0,0045м² по таблице 3.2 [6, с.22];

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;

для dм=500мм масса трехлопастной мешалки m_меш=4,95кг по ОСТ 26-01-12-45-83 по таблице 4 [8, с.10];

m_муф - масса муфты, давление привод шпонка мешалка

для d=80мм масса фланцевой муфты m_муф = 50,6кг по ОСТ 26-01-1225-75 по таблице 26 [3, с.26];

L_в - длина вала;

с - плотность стали,

[6, с.13].

h_м - расстояние мешалки до днища корпуса,

h_м=d_m=500мм для трехлопастной мешалки[6, с.5].

L_в = 1850 +650 + 700 + 30 - 500 = 2730 мм.

G = (107,67+4,95+50,6)•9,81 = 163,22•9,81=1601,2 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]:

7172,3H < 5300 H - не выполняется.

-2632,3H < 5300 H.

Возьмем А_упл=0,002 м² и сделаем повторный расчет.

4894,3Н < 5300 H ,

-2407,3Н < 5300 H.

Привод подходит.

Эскиз привода представлен на рисунке 2.



Рис.2.

2.3 Выбор уплотнения

Назначение уплотнений - не допускать или по возможности уменьшать пропуск среды в месте ввода в аппарат движущихся частей. Несмотря на то, что узел уплотнения занимает сравнительно небольшую часть аппарата, от него зачастую зависит качество работы всей установки. Это осо-бенно относится при работе с ядовитыми и взрывоопасными средами и в аппаратах, работающих под вакуумом. Для вращающихся валов используют сальниковые и торцовые уплотнения.

Сальниковые уплотнения широко применяют в аппаратах, работающих под давлением P_и?0,6 МПа и при температуре в аппа-рате до 200°C. Сальниковые уплотнения не подходят нам по параметрам среды (P_и=0,9МПа). Поэтому подбираем торцовое уплотнение. Торцовое уплотнение состоит из двух колец - подвижного и неподвижного, которые прижимаются друг к другу по торцовой поверхности пружиной.

Торцовые уплотнения имеют следующие достоинства: в отличие от сальниковых при нормальной работе не требуется их постоянного обслуживания; правильно подобранные торцовые уплотнения отличаются большой износоустойчивостью и долговечностью; обладают высокой герметичностью. Самый ответственный элемент торцового уплотнения - пара трения. Качество уплотнения и надежность его работы зависят в основном от материала и качества обработки поверхностей трущихся колец. Одно из колец изготовляют из не менее твердого материала - графита, другое - из кислотостойкой стали, бронзы, твердой резины. Трущиеся поверхности должны быть смазаны, поэтому их помещают в смазочную ванну. В качестве смазки применяют дистиллированную воду, машинное масло, глицерин, этиленгликоль.

Расчет торцового уплотнения:

Расчетное осевое усилие определяется по формуле:

где р - избыточное давление в аппарате (со знаком плюс) или вакуум (со знаком минус);

d - диаметр вала мешалки в области уплотнения;

- дополнительная площадь в уплотнении, воспринимающая осевую силу давления;

G - вес вращающихся частей (мешалка, вал, соединительные муфты);

F_м - осевая гидродинамическая сила мешалки, берётся со знаком плюс при направлении вверх, в противном случае со знаком минус.

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

4894,3H < 5300 H

-8096,7 < 5300 H.

Условия выполняются. Выбранное торцовое уплотнение подходит.

Основные размеры торцового уплотнения по таблице 2 [8, с.5] для d=80мм:

D=330мм; D₁=280 мм; D₂=195 мм;

D₃=275 мм; H=280 мм; H₁=230 мм;

h=70 мм; d₁=27 мм; m_упл=60 мм.

Эскиз уплотнения представлен на рисунке 3.

Рис.3.

2.4 Расчет вала вертикального перемешивающего устройства

Валы предназначены для передачи крутящего момента вдоль своей оси и для поддержания вращающихся деталей машины. Валы вращаются в подшипниках. Опорные части валов называют цапфами или шейками. Форма вала по длине определяется распределением нагрузки и условиями технологии изготовления и сборки. Эпюры изгибающих моментов, как правило, непостоянны. Крутящий момент передается обычно по всей длине вала. Желательно, чтобы каждая насаживаемая на вал неразъемная деталь свободно (без натяга) проходила по валу до своей посадочной поверхности во избежание повреждения поверхностей.

Условия, обеспечивающие работоспособность вала перемешивающего устройства, определяются его расчетом на виброустойчивость, жесткость и прочность.

В рассматриваемых методах расчета валов принят ряд допущений.

1. Разъемный вал, соединенный жесткой муфтой, принят эквивалент-ным целому.

2. Силовое воздействие на вал уплотнительного устройства (сальникового или торцового) и податливость опор не учитываются.

3. Участки вала, расположенные выше верхней опоры, в расчете не учитываются.

4. Соединительные муфты и изменение диаметра вала в пределах при-вода, предусмотренные ОСТ 26-01-1225-75, не учитываются.

5. Расчет жесткости консольного ведется по диаметру наибольшей протяженности.

В качестве принципиальных схем для расчета валов верти-кальных аппаратов с механическими перемешивающими устройствами приняты наиболее распространенные в практике аппаратостроения схемы конструкций однопролетных и двухпролетных консольных валов, имеющих по одной шарнирно-неподвижной опоре А (подшипник качения одиноч-ный или сдвоенный, воспринимающий осевую и радиальную нагрузку) и по одной шарнирно-подвижной опоре В (подшипник качения или скольжения, воспринимающий радиальную нагрузку). Концевой подшип-ник скольжения считается шарнирно-подвижной опорой, если его рабочая длина меньше или равна диаметру вала.

Расчет вала перемешивающего устройства на виброустойчивость

Расчет вала на виброустойчивость сводится к определению условий работы, при которых угловая скорость вынужденного вращения вала со на-ходится в определенном соотношении с частотой его собственных крутиль-ных колебаний щ₁, соответствующей критической частоте вращения вала.

Вал, вращающийся с частотой, меньшей чем первая критическая скорость (щ < щ₁), называется жестким. Если частота вращения вала превы-шает первую критическую скорость (щ>щ₁), то вал называется гибким.

В аппаратах с перемешивающими устройствами, как правило, применяются жесткие валы. Для предотвращения резонанса колебаний должно соблюдаться условие виброустойчивости для жесткого вала.

В принятых нерезонансных областях работы валов влияние сил со-противления рабочей среды незначительно.

На основании эскизной компоновки аппарата составляется расчетная схема вала.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Должно выполняться условие:

,

где щ₁ - первая критическая угловая скорость вала,

щ - угловая скорость вала,

- расчетная длина вала, м;

Относительная масса вала:

Е = 2,00•10⁵МПа - модуль упругости для материала вала;

J_x - момент инерции поперечного сечения вала;

б - корень частного уравнения, определяется по графикам.



По рисунку 225 [12, с.240] находим коэффициент .

41,87?0,7•62,45;

41,87<43,72 - 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;

r - радиус вращения центра тяжести приведённой массы вала.

q - коэффициент приведения массы к сосредоточенной массе.

,

где - эксцентриситет массы перемешивающего устройства с учетом биения вала;

- эксцентриситет центра массы перемешивающего устройства;

е=0,0002м [9, с.20];

у - допускаемое биение вала; .

Найдем реакции в опорах:

;

Проверка:

-R_A + R_B - F_ц = 0

-36,67+ 48,13- 11,46= 0

0=0 (верно)

Размещено на http://www.allbest.ru/

M_A = 0

M_B = -l₂•R_А = -0,65•36,67 = -23,84 H•м

М₃=-R_А•L+R_В•l₁=-36,67•2,73+48,13•2,08=0

;

.

3,08 МПа <139 МПа - условие выполняется.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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);

[J] = 0,1 мм;

,

J_x - момент инерции поперечного сечения вала;

l₂ = 650 мм

l₁ = 2080мм

- 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[9,с.20].

- условие выполняется.

2.5 Расчет подшипников качения

Размещено на http://www.allbest.ru/

F_r1=36,67 Н;

F_r2=48,13 Н;

F_а=F_вверх=4894,3 Н;

.

Опора А: Выбираем комбинацию из двух подшипников:

1) шариковый упорный двойной средней серии, тип 38315H (ГОСТ 7872-89) по таблице 24.19 [14,c.467].

d=75 мм; d₂=60мм; D=135мм;

H=44мм; H₁=79мм; a=18мм;

r=2,5мм; h=13мм.

Определим осевую нагрузку по формуле:

=;

К_Б = 1,3 - коэффициент безопасности по таблице 7.6 [14,с.118];

К_T = 1,0 - температурный коэффициент (до 100^оС) [14,с.117].

= Н.

Рассчитаем долговечность подшипника по формуле:

где a₁ - коэффициент, корректирующий ресурс в зависимости от надежности, находится по таблице 7.7 [14,с.119];

а₁=1 при вероятности безотказной работы Р_t=90%;

а₂₃ - коэффициент, корректирующий ресурс в зависимости от особых свойств подшипника,[14,с.119];

а₂₃=0,8 для шарикоподшипников (кроме сферических);

С-грузоподъемность; С_а - динамическая грузоподъемность, С_r - статическая грузоподъемность.

- эквивалентная нагрузка;

n - частота вращения подшипника;

p =3 - для шариковых подшипников.

- подшипник подходит.

2) шариковый радиальный однорядный легкой серии, тип 215 (ГОСТ 8338-75) по таблице 24.10 [14,c.459].

d=75 мм; D=130мм; B=25мм;

r=2,5мм; D_ш=17,462мм.

Определим радиальную нагрузку по формуле:

=;

V - коэффициент вращения кольца;

V=1 при вращении внутреннего кольца подшипника;

Х=0,56 - коэффициент радиальной нагрузки, находится по таблице 7.2 [14,с.113];

К_Б = 1,3 [14,с.118];

К_T = 1,0 [14,с.117].

=

Рассчитаем долговечность подшипника:

а₁=1, [14,с.119];

а₂₃=0,8 для шарикоподшипников (кроме сферических),[14,с.119].

5,1•10¹¹>10⁴- подшипник подходит.

Опора В.

Выбираем подшипник шариковый радиальный сферический двухрядный легкой серии, тип 1216 (ГОСТ 28428-90) по таблице 24.12 [14,c.460].

d=80мм; D=140мм; B=26мм; r=3мм.

Определим радиальную нагрузку по формуле:

=;

V=1 при вращении внутреннего кольца подшипника;

Х - коэффициент радиальной нагрузки, находится по таблице 24.12 [14,с.461];

е - коэффициент осевого нагружения,

е=0,16;

Х=0,65;

К_Б = 1,3 [14,с.118];

К_T = 1,0 [14,с.117].

=

Рассчитаем долговечность подшипника:

а₁=1, [14,с.119];

а₂₃=0,6 для шарикоподшипников сферических двухрядных,[14,с.119].

2,4•10¹⁰>10⁴- подшипник подходит.

Эскиз расположения подшипников на валу представлен на рисунке 8.



Рис.9

2.6 Расчет мешалки

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

,

где R - радиус лопасти;

r - радиус ступицы; d_ст=45мм по таблице 7 [8,с.18];

r = d_ст /2=45/2=22,5 мм.

;

Определяем значение равнодействующей силы

,

где T' - крутящий момент на валу;

z = 3 - количество лопастей лопастной мешалки;

б - угол наклона лопасти;

б=30?.

Изгибающий момент у основания лопасти:

.

Из условия прочности необходимый момент сопротивления лопасти

,

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

b - высота лопасти мешалки; b=100 мм [8,с.10];

S - толщина лопасти мешалки; S=6 мм [8,с.10].

Должно выполняться условие W_ф ? W.

- условие выполняется.

Расчетная толщина лопасти:

Параметры трехлопастной мешалки находим по таблице 4 [8,с.10]:

d_м=500мм; d=45мм; h=70мм;

b=100мм; s=6мм.

Эскиз мешалки представлен на рисунке 9.

Рис.9

2.7 Расчет шпонки на смятие

Выбираем призматическую шпонку (ГОСТ 23360-78) по таблице 24,29 [14,c.476]

Проверим шпонку на смятие

d_вала = 45мм - диаметр под ступицу.

Условие прочности:

Рис. 10. Шпонка

2.8 Подбор муфты

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

Подбор муфт, выбор её габаритов и основных размеров осуществляется по крутящему моменту (T = 155283 Н·мм) и диаметру вала (d_в = 80 мм).

В данном аппарате с перемешивающим устройством для соединения валов между собой применим наиболее распространённую в химическом машиностроении фланцевую муфту.

Фланцевая муфта применяется для соединения строго соосных валов. Муфта состоит из двух полумуфт, имеющих форму фланцев.

Фланцевая муфта обеспечивает надежное соединение валов и может передавать большие моменты.

По таблице 26 [3,с.36] по ОСТ 26-01-1226-75 определим основные размеры фланцевой муфты габарита 3, исполнения 2.

d = 80мм; D = 260мм; D₁ = 220 мм;

d₀ = 160 мм; d₁ = 180 мм; d₂ =150 мм;

d₃ = 135 мм; d_б = М16; n = 6;

L = 170 мм; l = 28 мм; l₁ = 38 мм;

b = 5 мм; l₂ = 28 мм; T ? 2200 H•м;

m = 50,6кг.

Эскиз муфты представлен на рисунке 11.



Рис.11

2.9 Расчет опор-лап аппарата

Размер опоры-лап выбирается в зависимости от внутреннего диаметра корпуса аппарата (D=1600 мм) в соответствии с ГОСТ 26-665-72.

Выбираем типоразмер опоры и определяем допускаемую нагрузку на опору по таблице 1 [1,с.5]:

Тип 1 Исполнение 2.

a = 210 мм; a₁ = 250 мм; a₂ = 150 мм;

b = 230 мм; b₁ = 170 мм; b₂ = 160 мм;

c = 40 мм; c₁ = 120 мм; h = 345мм;

h₁ = 24 мм; l = 120 мм; S₁ = 12 мм;

k = 35 мм; k₁ = 60 мм; R = 1100 мм;

r = 20 мм; d₀ = 35 мм; d₁ = M30;

f = 60 мм; m = 14 кг; [G]=63•10³Н.

Выбираем типоразмер опоры-стойки и определяем допускаемую нагрузку на опору-стойку по таблице 2 [1,с.7]:

Тип 3.Исполнение 2.

a = 280 мм; a₁ = 230 мм; a₂ = 150 мм;

b = 200 мм; b₁ = 170 мм; b₂ = 160 мм;

b₃ = 280 мм; c = 40 мм; c₁ = 120 мм;

h = 490мм; h₁ = 24 мм; l = 120 мм;

S₁ = 14 мм; k = 15 мм; k₁ = 150 мм;

r = 20 мм; d₀ = 35 мм; d₁ = M30;

m = 27,6 кг; [G]=63•10³Н.

Основная величина для расчета нагрузки на одну опору:

где n - число опор;

n =3 при расчете опор-стоек;

n =4 при расчете опор-лап;

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 ;

= +2•S=1600+2•12=1624мм;

Расчет опоры-лапы

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 на рисунке 1 [1,с.3] в зависимости от гибкости ребра л

,

где - гипотенуза ребра для опоры-лапы.

S₁ = 12 мм - толщина ребра;

b = 230мм - вылет ребра;

. Следовательно k₁ = 0,64.

z_p = 2 - число ребер в опоре;

- допускаемое напряжение для ребер опоры

k₂ - коэффициент уменьшения допускаемых напряжений при продольном изгибе. Для опор типа 1 k₂=0,6.

- 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 12.



Рис.12

Расчет опоры-стойки

n = 3 - количество опор-стоек.

- 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 на рисунке 1 [1,с.3] в зависимости от гибкости ребра л

,

где - гипотенуза ребра для опоры-лапы.

S₁ = 14 мм - толщина ребра;

b = 200мм - вылет ребра;

. Следовательно k₁ = 0,77.

z_p = 2 - число ребер в опоре;

- допускаемое напряжение для ребер опоры

k₂ - коэффициент уменьшения допускаемых напряжений при продольном изгибе. Для опор типа 3 k₂=0,6.

- условие выполняется.

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

- общая длина шва при сварке;

- условие выполняется.

Эскиз опор-стоек представлен на рисунке 13.

Рис.13

2.10 Подбор штуцеров и люка

Подбор штуцеров и люков осуществляется в соответствии с внутренним диаметром корпуса аппарата D_вн = 1600мм.

Основные условные диаметры штуцеров для корпусов с эллиптической крышкой по ОСТ 26-01-1246-75 представлены на эскизе штуцеров (рисунок 14).

В соответствии с внутренним диаметром аппарата выбираем люк с плоской крышкой и откидными болтами по таблице [3,с.39].

Dn=400мм; Sш=12 мм; h=28 мм;

a1=12 мм; Dн=610 мм; D5=460 мм;

D6=540 мм; H=280 мм; H1=190 мм;

d=22 мм;

болты

dд=М24; z=16

Эскиз люка изображен на рисунке 15.

Рис.14



Рис.15

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 использованной литературы

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

2. Расчёт опор химических аппаратов: Методические указания и справочные таблицы / сост. В.Г.Сынковская, В.Л Хлёсткина - Уфа, 1985.

3. Материалы, типы приводов, муфты, люки: Справочные таблицы / сост. В.Л Хлёсткина - Уфа, 2012.

4. Допуски и посадки: Методические указания / сост.Е.А.Митюрев, В.К.Загорский, Д.М.Хитин - Уфа, 1990.

5. Муфты: Методические указания по подбору и расчету муфт / сост. С.Г.Зубаиров, А.А.Комлев - Уфа, 2009.

6. Расчёт и конструирование аппаратов с перемешивающими устройствами: Методические указания к курсовому проекту по прикладной механике / Сост. В.Л. Хлёсткина - Уфа, 2009.

7. Фланцевые соединения: Методические указания / сост. В.Л Хлёсткина, В.Г.Сынковская - Уфа, 1987.

8. Уплотнения валов и мешалки химических аппаратов: Справочные таблицы / сост. В.Л Хлёсткина, В.Г.Сынковская - Уфа, 1886

9. Расчёт валов: Методические указания / сост. О.Г.Полканова, В.Л.Хлёсткина - Уфа, 2014.

10. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя /том 1,2,3 - Москва, 1980.

11. Г.А.Вихман, С.А.Круглов. Основы конструирования аппаратов и машин нефтеперерабатывающих заводов / - Москва, 1986.

12. А.Э.Генкин. Оборудование химических заводов. - Москва, 1986.

13. ГОСТ 14249-80 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность/ - Ленинград, 1983.

14. . П.Ф. Дунаев, О.П..Лёликов. Конструирование узлов и деталей машин. - Москва, 2003.

15. А.А.Лащинский. Коструирования сварных химических аппаратов. / Справочник - Ленинград, 1970.

16. А.А.Лащинский, А.Р.Толчинский. Основы коструирования и расчёта химической аппаратуры. / Справочник - Ленинград, 1970.

Размещено на Allbest.ru

...