Разработка документации, чертежей для сооружения аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Задание

Вариант: № 10

Номинальный объем V=1,25 м3

Внутренний диаметр D=1200 мм

Исполнение корпуса 01

Параметры мешалки:

Шифр 27

Диаметр dм=500 мм

Частота вращения n=80 мин-1

Потребляемая мощность N=2,5 кВт

Давление в корпусе:

Избыточное Ри=0,90 МПа

Остаточное Ро=0,01 МПа

Давление теплоносителя Рруб=0,35МПа

Уровень жидкости Нж/D=0,8 м

Параметры среды:

Наименование AlCl3

Температура t= 100 0С

Плотность 1090 кг/м3

Концентрация 10%



1.Введение

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.

Цель перемешивания определяется назначением процесса. При приготовлении эмульсий для интенсивного дробления дисперсной фазы необходимо создавать в перемешиваемой среде значительные срезающие усилия, зависящие от величины градиента скорости. В тех зонах аппарата, где градиент скорости жидкости имеет наибольшее значение, происходит наиболее интенсивное дробление диспергируемой фазы.

В случае гомогенизации, приготовления суспензий, нагревания или охлаждения перемешиваемой гомогенной среды целью перемешивания является снижение концентрационных или температурных градиентов в объеме аппарата.

При использовании перемешивания для интенсификации химических, тепловых и диффузионных процессов в гетерогенных системах создаются лучшие условия для подвода вещества в зону реакции, к границе раздела фаз или к поверхности теплообмена.

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.

При выборе перемешивающих устройств следует отдавать предпочтение той мешалке, которая потребляет при определяющем числе оборотов меньшую мощность.

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 26-01-1225-75 в соответствии с частотой вращения мешалки, номинальным давлением в корпусе аппарата). Одновременно устанавливается тип уплотнения для вала мешалки: сальниковое или торцевое. 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.

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

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.



2. Выбор материалов

Материалами для изготовления стальных сварных аппаратов являются полуфабрикаты, поставляемые металлургической промышленностью.

Материалы должны быть химически и коррозионностойкими в заданной среде при её рабочих параметрах, обладать хорошей свариваемостью и соответствующими прочностными и пластическими характеристиками в рабочих условиях, допускать горячую и холодную механическую обработку, а также, иметь возможно низкую стоимость и быть недефицитными.

При выборе конструкционного материала основным критерием является его химическая и коррозионная стойкость в заданной среде. Обычно выбирают материал, абсолютно или достаточно стойкий в среде при её рабочих параметрах и к расчетным толщинам на коррозию соответствующие прибавки в зависимости от срока службы аппарата. Вместе с тем следует учитывать и другие виды коррозии (межкристаллитную, точечную, коррозионное растрескивание), которым подвержены некоторые материалы в агрессивных средах. Другим критерием при выборе материала является расчетная температура стенок аппарата, а также, если эта температура является положительной, для аппаратов, устанавливаемых на открытой площадке или в неотапливаемом помещении, необходимо учитывать абсолютную минимальную зимнюю температуру наружного воздуха, при которой аппарат может находиться под давлением или вакуумом.

Таким образом, выбор материала должен производиться из учёта его коррозионной стойкости в заданной среде и рабочих условий.



Параметры среды

Среда	AlCl3, водный раствор
Температура ,	100
Плотность ,	1090
Концентрация, %	10

Учитывая эти условия, выбираем материал:

для корпуса - Сталь Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72);

для мешалки и вала - Сталь Х17Н13М2Т (ГОСТ 5632-72);

для крепежных изделий - Сталь 35ХМ (ГОСТ 5632-72).

Материал защитного слоя - фторопласт-4 (ГОСТ 10007-62). (табл.2, Справочные таблицы)



3. 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.).

3.1 Расчет геометрических размеров аппарата

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

Для выполнения расчета предварительно необходимо определить ряд параметров:

Расчетное давление - давление, при котором производится расчет на прочность и устойчивость элементов корпуса аппарата. Расчетное давление для элементов аппарат принимается, как правило, равным рабочему или выше его. По стандарту за рабочее давление принимается внутреннее давление среды в аппарате.

Если на элемент аппарата действует гидростатическое давление, составляющее 5% и более от рабочего, то расчетное давление должно быть повышено на эту же величину:

,

где Pгидр- гидростатическое давление столба жидкости, МПа;

- плотность жидкости, кг/м3;

g = 9,8 - ускорение свободного падения, м/с;

Hж - высота столба жидкости, м.

Высота столба жидкости находят перемножением внутреннего диаметра корпуса на отношение Hж/D: Hж=D•Hж/D=1200•0,8=960 мм. Таким образом, гидростатическое давление равно:

Ргидр =0,96•9,8•1090•10-6=0,0103 МПа

5%Ри =0,09•0,5=0,045 МПа

Влияние гидростатического давления можно не учитывать, т.к. оно составляет менее 5% от избыточного.

Расчетное наружное давление при проверке стенок корпуса на устойчивость:

Рр.н.=Ра-Ро+Рруб,

где Рр.н. - расчетное наружное давление, МПа;

Ра - атмосферное давление, МПа;

Ро - остаточное давление в корпусе, МПа;

Рруб - давление в рубашке, МПа.

Рр.н. = 0,1-0,01+0,35=0,44 МПа.

Расчетная температура. За расчетную температуру принимается температура среды в аппарате.

tрасч.=1000C

Допускаемое напряжение для выбранного материала:

= • ,

где - допускаемые напряжения, МПа

- нормативные допускаемые напряжения, МПа

- коэффициент пожаровзрывоопасности

* = 139 МПа, (табл.3, Справочные таблицы)

Т.к. АlCl3 не пожаро- и взрывоопасная среда, то коэффициент пожароопасности =1,0.

= 139•1,0 = 139 МПа.

Прибавка на коррозию рассчитывается:

Ck = П • Lh ,

где Ск - прибавка на коррозию, м;

П - скорость коррозии, м/год;

Lh=10 - заданная долговечность, лет.

Ск =10•0,3=3мм

Модуль упругости легированных сталей при 100 0С равен:

Е = 2,00•1011 Па. (табл.4, Справочные таблицы)

3.1.1 Оболочки, нагруженные внутренним давлением

1) расчет толщины стенки цилиндрической обечайки:

Толщину стенки цилиндрической обечайки, находящуюся под внутренним давлением рассчитывают:

,

где S - толщина цилиндрической обечайки, мм;

Рр - расчетное внутреннее давление, МПа;

D - внутренний диаметр, мм;

- допускаемые напряжения, МПа;

- коэффициент сварного шва;

Ск - прибавка на коррозию, мм;

Со - прибавка на округление до стандартного размера, мм.

Т.к. корпус аппарата сварной, то необходимо учитывать влияние сварного шва. Примем =1,0 как для аппарата со стыковыми и тавровыми швами с двухсторонним проваром, выполненных автоматической сваркой.

По сортаменту листовой стали выбираем толщину S=8 мм с учетом допускаемых отклонений от стандартной толщины и Со=1,1 мм. (табл.7, Справочные таблицы)

2) расчет эллиптической крышки и днища:

Так как днище неразъемное, то для удобства сварки и уменьшения краевых сил при переходе от одной толщины к другой, необходимо чтобы толщина стенок днища и цилиндрической обечайки была одинаковой.

Для стандартных крышек исполнительная толщина стенки:

где Sэ- толщина стенки эллиптической крышки, мм



По сортаменту листовой стали выбираем толщину S=10 мм с учетом допускаемых отклонений от стандартной толщины и Со=3,1 мм. (табл.7, Справочные таблицы)

3.1.2 Оболочки, нагруженные наружным давлением

1) Толщину стенки цилиндрической обечайки предварительно определяют по формуле:

где S - толщина стенки аппарата, мм;

K2 - коэффициент устойчивости;

D - внутренний диаметр обечайки, мм;

Pр.н. - расчетное наружное давление, МПа;

- допускаемое напряжение, МПа,

Ск - прибавка на коррозию, мм;

Со - прибавка на округление до стандартного размера, мм.

Коэффициент К2 находят по номограмме по вспомогательным коэффициентам К1 и К3. Коэффициент К1 находят:

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

Pр.н. - расчетное наружное давление, МПа;

Е - модуль упругости, МПа.

Коэффициент К3:

где L - длина цилиндрической части оболочки, мм;

D - внутренний диаметр, мм.

Длина цилиндрической части корпуса находят:

где Нкорп=1300 мм;(табл.11, Расчет опор химических аппаратов)

Н6=340 мм.

По номограмме из УМП {2} находим К2=0,55.

По сортаменту листовой стали, выбираем сталь толщиной 10 мм с учетом всех отклонений. (табл.7, Справочные таблицы)

После предварительного определения толщины стенки обечайки проверяют допускаемое наружное давление:

где давление из условия прочности:

,

а допускаемое давление из условия устойчивости:

Вспомогательный коэффициент B1 рассчитывают из соотношения:

Допускаемое давление равно:



Допускаемое давление больше расчетного наружного давления, 0,45?0,44 МПа.

2) толщина стенки эллиптического днища, работающего под наружным давлением, определяется:

По сортаменту листовой стали, выбираем сталь толщиной 10 мм с учетом всех отклонений. (табл.7, Справочные таблицы)

После этого проверяем допускаемое наружное давление:

Допускаемое давление из условия устойчивости находят:

Допускаемое давление равно:

Допускаемое давление больше расчетного наружного давления, 0,48?0,44 МПа.

3) расчет толщины рубашки:

Рр = Рруб

где S - толщина цилиндрической обечайки, мм;

Рр - расчетное внутреннее давление, МПа;

D - внутренний диаметр, мм;

- допускаемые напряжения, МПа;

- коэффициент сварного шва;

Ск - прибавка на коррозию, мм;

Со - прибавка на округление до стандартного размера, мм.

По сортаменту листовой стали выбираем толщину S=10 мм с учетом допускаемых отклонений от стандартной толщины и Со=3,92 мм. (табл.7, Справочные таблицы)

Толщины обечайки, крышки и днища подобраны верно.

Толщина стенки обечайки, днища и крышки с учетом наружного и внутреннего давления равна 6мм.

Эскиз корпуса представлен на рисунке 1.

3.2 Подбор привода

Для вращения мешалки подбирают стандартный привод в зависимости от частоты вращения мешалки и потребляемой ею мощности, внутреннему давлению и способу установки привода на аппарате.

Мощность привода рассчитывают:

где Nэл.дв. - мощность привода, кВт;

Nвых - мощность, потребляемая мешалкой, кВт;

з1 =0,97 - КПД механической части привода;

з2 =0,99- КПД подшипников;

з3 =0,98 - потери в уплотнении;

з4 =0,99 - потери в муфте.

Подбираем тип привода 2, исполнение 1 для установки на крышке аппарата, (табл.8, Справочные таблицы)

Мощность 3,0 кВт. (табл.15, Справочные таблицы)

Размер привода выбирается по диаметру вала. Найдём диаметр необходимого вала. Минимальное значение диаметра находят:

где d - диаметр вала, м;

Т? - крутящий момент на валу, Н•м;

[ф] - допускаемые напряжения кручения, Па.

Крутящий момент рассчитывают:

где Т? - крутящий момент на валу, Н•м;

Ку =2 - коэффициент динамической нагрузки;

Nэл.дв. - мощность привода, Вт;

n - частота вращения, об/мин.

Следовательно, подбираем габарит 1 с диаметром вала d=65 мм. (табл.24, Справочные таблицы)

Стандартный привод по условиям работы подшипников и наиболее слабых элементов конструкции рассчитан на определенное допустимое осевое усилие [F], которое для привода типа 2, исполнения 1, габарита 1 равно 14100. (табл.17, Справочные таблицы) Действующее осевое усилие на вал привода аппарата определяется по формуле:

где Аупл - дополнительная площадь уплотнения, м;

G - масса части привода, кг;

Fм - осевая составляющая сила взаимодействия мешалки с рабочей средой, Н.

G=(mв + mмеш + mмуф)•g

где mв - масса вала;

mмеш - масса мешалки, mмеш = 2,89 кг. (табл.3, Уплотнения валов и мешалки химических аппаратов)

mмуф - масса муфты, mмуф = 26,4 кг. (табл.26, Справочные таблицы)

Lв - длина вала;

с - плотность стали, .

Lв=Нкор.+l2+h1+30-hм

где Нкор -длина корпуса,мм; Нкор=1300мм. (табл.11, Расчет опор)

l2-расстояние между подшипниками, мм; l2=400мм. (табл.14, Справочные таблицы)

h1-длина вала мешалки, мм; h1=645мм. (табл.14, Справочные таблицы)

hм- расстояние от мешалки до днища корпуса,мм.

hм=0,3dм=150мм. (табл.2.1 Расчет и конструирование аппаратов)

Lв=1300+400+645+30-150=2225 мм.

mв=57,93 кг.

Аупл.=3250, т.к. уплотнение торцевое(d = 65мм). (табл. 2, Уплотнения валов и мешалки химических аппаратов)

G=(57,93+2,89+26,4)9,8=854,756 Н.

Fm=0,56 Т?/ dм=0,56644,6/0,5=722Н.

Fвверх.=0,9(3,14652/4 +3250)-854,756+722=5777Н.

Fвниз.=-(0,1-0,01)(3,14652/4+3250)-854,756+722=-1445,8Н.

Сравниваем полученные значения сил Fвверх и Fвниз с допустимой нагрузкой [F]:

5777H <14100H

-1445,8H<14100H. Условие выполняется

Основные размеры привода типа 2, исполнения 1, габарита 1 определяем по таблицам в соответствии с ОСТ-26-01-1225-75 (табл. 14, Справочные таблицы):

В = 575 мм; l2 = 400 мм;

L = 235 мм; S = 14 мм;

H1 =630 мм; D = 300 мм;

h = 1150 мм; D1 = 390 мм;

h1 = 645мм; mприв = 308 кг.

d=65;

Эскиз привода представлен на рисунке 2.

3.3 Выбор уплотнения

Подбираем торцевое уплотнение. Выбор уплотнения обусловлен высоким внутренним избыточным давлением:

Причем торцевое уплотнение обладает рядом преимуществ:

они работают с незначительной утечкой газа;

в период нормальной работы не требует обслуживания;

является более надежным, чем сальниковое уплотнение;

правильно подобранное торцевое уплотнение отличаются большой устойчивостью и долговечностью.

Самый ответственный элемент торцевого уплотнения - пара трения, состоящая из двух колец - подвижного( вращающегося) и неподвижного, которые прижимаются друг к другу по торцевой поверхности с помощью пружин. Обычно одно кольцо изготовляют из более твердого материала. Герметичность обеспечивается путем контакта двух кольцевых поверхностей. Наиболее широко применяются следующие материалы в различных комбинациях: кислотостойкая сталь, бронза, керамика, графит, фторопласт и твердая резина. Трущиеся поверхности должны быть отшлифованы и тщательно притерты. Одинарное торцевое уплотнение состоит из следующих основных деталей: сильфона 1, приваренного к стакану 2 и неподвижному кольцу, вращающегося кольца 3 и водила 5. Трущиеся кольца закрыты кожухом 6, связанным с фланцем. Водило крепится на валу аппарата и связано винтами с подвижной втулкой 4. Торцевое уплотнение подбираем по диаметру проходного вала, в нашем случае составляет 65мм. Основные размеры торцевого уплотнения представлены на рисунке 3.

Основные размеры торцевого уплотнения (табл. 2, Уплотнения валов и мешалки химических аппаратов):

d= 65 мм; H= 260 мм;

D= 270 мм; 220 мм;

240 мм; h= 60 мм;

165 мм; 18 мм;

235 мм; m= 50 кг.

3.4 Расчёт элементов механического перемешивающего устройства

3.4.1 Расчет вала мешалки

1) расчет вала на виброустойчивость

Виброустойчивость вала мешалки проверяется по условию:

щ ? 0,7?щ1

где щ1 - первая критическая угловая скорость вала, рад/с.

Первая критическая скорость определяется:

,

где щ1 - первая критическая скорость, рад/с,

б - корень частотного уравнения;

L - расчетная длина вала, м;

Е - модуль упругости, Па;

I - момент инерции поперечного сечения вала, м4;

mв - масса единицы длины вала, кг/м.

Момент инерции поперечного сечения вала находят:

где I - момент инерции поперечного сечения вала, м4;

d - диаметр вала, м.

Масса единицы длины вала рассчитывают:

,

где mв - масса единицы вала, кг/м;

d - диаметр вала, м;

с = 7,85?103 - плотность материала вала, кг/м3.

Для определения корня частотного уравнения предварительно вычисляют:

1. Относительная координата центра тяжести мешалки:

где a1 - относительная координата центра тяжести мешалки, мм;

L1 - длина консольной части вала, мм;

Lв - длина вала, мм.

Длина вала равна:

Lв=2225мм

L1= Lв- l2=2225-400=1825мм

2. Относительная масса мешалки:

где - приведенная масса вала;

m - масса мешалки, кг;

mв - масса единицы вала, кг/м;

L - длина вала, м.

По графику б = 2,1 (Рис. 3.4. Расчет аппаратов)

Таким образом, 8,37 < 49,48, условие виброустойчивости выполняется.

2) проверка на прочность производится из расчета на кручение и изгиб.

Напряжения от крутящего момента определяется:



где ф - напряжения кручения, МПа;

T' - расчетный крутящий момент, Н•мм2;

d - диаметр вала, мм.

Напряжения от изгибающего момента:

,

где у - напряжения изгиба, МПа;

М - изгибающий момент, Н•мм;

d - диаметр вала, мм.

Расчетный изгибающий момент М от действия приведённой центробежной силы Fц определяется из эпюры:

приведённая центробежная сила определяется:

Fц = mпр•щ2?r,

где Fц - центробежная сила, Н;

mпр - приведенная сосредоточенная масса вала и перемешивающего устройства, кг;

щ - круговая частота вращения вала, рад/с;

r - радиус вращения центра тяжести приведённой массы вала и перемешивающего устройства, м.

Приведенную сосредоточенную массу вала и перемешивающего устройства находят:

mпр = m + q•mв•Lв,

где mпр - приведенная масса вала и перемешивающего устройства, кг;

m - масса перемешивающего устройства, кг;

q - коэффициент приведения распределённой массы к сосредоточенной массе перемешивающего устройства,

mв - масса единицы длины вала, кг/м;

Lв - длина вала, м.

Коэффициент q рассчитывают в зависимости от расчетной схемы(табл. 3.1. Расчет аппаратов с перемешивающими устройствами):

,

где q - коэффициент приведения;

a1 - относительная координата центра тяжести мешалки.

Радиус r определяется:



где r - радиус вращения центра тяжести приведенной массы вала и перемешивающего устройства, м;

e' - эксцентриситет массы перемешивающего устройства с учетом биения вала, м.

щ - циклическая частота вращения вала, рад/с;

щ1 - резонансная частота, рад/с.

Эксцентриситет находят:

e' = e + 0,5?д,

где e' - эксцентриситет массы перемешивающего устройства с учетом биения вала, м.

e = 0,14…0,2 - эксцентриситет центра массы перемешивающего устройства, м;

д =10-3 - допускаемое биение вала, м.

mпр = 2,89 + 0,23•26,04•2,225 = 16,22 кг

e' = (0,15 + 0,5•1,0)•10-3 = 6,5•10-4 м

Fц = 16,22•8,372•0,69•10-3 = 0,784 Н

Находим реакции в опорах:

У МB =0

Fц•l1-RА•l2=0

RА=0,784•1,825/0,4=3,577 H

У MА =0

Fц•LВ-RB•l2=0

RB = 0,784•2,225/0,4=4,361H

Проверка: УY=0

-RА+ RB- Fц=0

-3,577+4,3661+0,784=0

МА=0

МВ= -RА• l2= -3,577•400=-1430,8 Н•мм

МС= -RА•Lв+ RB•l1= -3,577•2225+4,361•1825=0

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Напряжения от крутящего момента равны:

ф =644600/(0,2653)=11,74МПа.

ф ? [ф] ; 11,74?20 МПа, условие прочности кручению выполняется.

Напряжения от изгибающего момента равны:

у ? [у]; 0,052?139 МПа, условие прочности изгибу выполняется.

Эквивалентные напряжения находят:

,

где уэкв.. - эквивалентные напряжения, МПа;

у - напряжения изгиба, МПа;

ф - напряжения кручения, МПа.

Условия прочности для вала выполняются.

3) проверка вала на жесткость

Прогибы вала в паре трения уплотнения, а также углы поворота сечений вала в опорах рассчитывают (табл. 3.1. Расчет аппаратов)

где y - прогиб консольной балки, м;

и - угол поворота сечения вала в опорах, рад;

F - центробежная сила, Н;

E - модуль упругости, Па;

I - момент инерции поперечного сечения, м4;

l1 - длина консольной части вала, м;

l2 - расстояние между опорами вала, м;

x - текущая координата, м.



что меньше допускаемого, 0,0022мм ? 0,05 мм;

что меньше допускаемого, 0,09•10-5 рад ?0,05 рад. Условия жесткости выполняются.

3.4.2 Подбор подшипников качения

Для подшипников качения приводного вала мешалки, установленных в наиболее нагруженной верхней опоре, воспринимающей действие осевых и радиальных сил, выполняется проверочный расчет.

Радиальные нагрузки, действующие на подшипники валов стандартных аппаратов с мешалками, при соблюдении условия их виброустойчивости незначительны. Поэтому проверка нагрузочной способности подшипников выполняется по ОСТ 26-01-1225-75 в соответствии с условием:

F ? [F],

где F - расчетное осевое усилие, действующее на вал мешалки, Н.

При расчете подшипников качения сначала определяют эквивалентную нагрузку:

где Р - эквивалентная нагрузка, Н;

х - коэффициент радиальной нагрузки;

v - коэффициент нагрузки, учитывающий, какое из колец вращается, при вращающемся внутреннем кольце v =1,0;

Fr - реакция в опоре вала, Н;

Y - коэффициент осевой нагрузки;

Fa - осевая сила, Н;

К - коэффициент режима работы, при работе с небольшими перегрузками, К = 1,0;

К - температурный коэффициент, при рабочей температуре подшипника 100 0С, К = 1. (Дунаев, Леликов, с.117)

Долговечность подшипника определяется:

где L - долговечность подшипника, млн. оборотов;

а23 - коэффициент условий работы, а23=0,8;

С - динамическая грузоподъемность подшипника, Н;

Р - эквивалентная нагрузка, Н;

P- коэффициент тел вращения, для шариковых подшипников P = 3,0; для роликовых подшипников P = 3,3.

Далее определяют заданную долговечность в часах, которая должна быть больше допускаемой (допускаемая долговечность 10000часов):

где Lh,расч - заданная долговечность, часы;

L - долговечность, млн. оборотов;

n - частота вращения, мин-1.

Расчётная схема:

В верхнюю опору устанавливаем шариковый радиальный однорядный подшипник 212 (по ГОСТ 8338-75) и шариковый двухрядный упорный 38212. (по ГОСТ 7872-89)

В нижнюю опору устанавливаем шариковый радиальный сферический двухрядный 1213. (по ГОСТ 28428-90)

Опора А.

Расчёт подшипника 212.(Дунаев, Леликов)

С=52000Н, Fr = 3,577H=RA.

P=3,5771,01,0=3,577.

L=0,8(52000/3,577)3=2457781,1 млн. об.

Lh=2457781,11012/(6080)=512101210000часов. Условие выполняется.

Расчет подшипника 38312.

С=64000Н, Fa = 5777Н.

P=1,01,05777=5777Н.

L=0,8(64000/5777)3=1087,7 млн. об.

Lh=(1087,7106 )/(6080)=226604,210000 часов. Условие выполняется.

Опора В.

Расчёт подшипника 1213.

С=31000Н, Fr = 4,361 H, Fa = 1445,8Н, x=0,65; y=5,73.

P=(1,00,654,361)1,01,0=2,83Н.

L=0,8(31000/2,83)3=105,8 млн. об

Lh=(105,81012 )/(6080)=22042106 10000 часов., условие выполняется.

Эскиз расположения подшипников на валу представлен на рисунке 4.

3.4.3 Расчёт мешалки

Тип мешалки выбирается в зависимости от свойств рабочей среды в аппарате и заданной угловой скорости перемешивающего устройства. Для обеспечения условия прочности наибольший крутящий момент на валу не должен превышать значений допустимого крутящего момента.

Лопасти мешалки рассчитывают на изгиб. Для лопастей прямоугольной формы равнодействующая сил сопротивления приложена в точке, расстояние которой от оси:

r0=0,75(R4- r4)/( R3- r3),

где r0 - расстояние до точки приложения равнодействующей, мм;

R - радиус мешалки, мм;

r - радиус ступицы, мм.

R=250мм

Значение равнодействующей рассчитывают:

,

где F - равнодействующая сила, Н;

T' - крутящий момент, Н•мм;

F=80000/(1872)=214Н;

Изгибающий момент у основания лопасти:

M = F • (r0- r),

где М - изгибающий момент у основания лопасти, Н•мм;

F - равнодействующая сила, Н;

r0 - расстояние до точки приложения равнодействующей, мм;

r - радиус ступицы, мм.

М = 214•(187-35) = 32528Н•мм

Из условия прочности необходимый момент сопротивления лопасти равен:

,

где W - необходимый момент сопротивления, мм3;

М - изгибающий момент у основания лопасти, Н•мм;

- допускаемые напряжения изгиба, МПа.

= 139МПа

W=32528/139=234мм3

Для лопасти прямоугольного сечения фактический момент сопротивления поперечного сечения лопасти в месте присоединения её к ступице равен:

,

где Wф- фактический момент сопротивления,мм3;

b-ширина лопасти, мм.



W ? Wф - условие выполняется.

Эскиз мешалки представлен на рисунке 6.

3.4.4 Расчет шпоночного соединения

Для передачи вращательного движения от вала к мешалке используется шпоночное соединение. Выбираем шпонки призматические согласно ГОСТ 23360-78.

Подбираем шпонку для вала d =65мм

h =11мм

b =18мм

t1=5,5мм

t2=5,6мм

d+t1=35,8мм.

Длина шпонки:

lшп =hст-10=70-10=60мм

Расчетная длина шпонки:

lр = lшп -b=60-18=42мм

Напряжения смятия рассчитывают:

усм=4Т/(db lр),

где усм - напряжения смятия, МПа.

Т - крутящий момент на валу, Н•мм;

d - диаметр вала, мм;

b - ширина шпонки, мм;

lр - расчетная длина шпонки, мм;

усм=4644600/(651842)=42,6МПа

[усм] =139 МПа, усм<[усм] - условие выполняется.



3.5 Выбор и проверочный расчёт опор аппарата

Размер опоры лапы или стойки выбирается в зависимости от внутреннего диаметра корпуса аппарата в соответствии с ОСТ 26-665-72.

Расчет опор-лап.

Выбираем опоры-лапы типа 1, исполнение 2 (табл.1, Расчет опор)

1. Нагрузку на одну опору G1 рассчитывают:

где G1 - нагрузка на одну опору, Н;

Gmax - максимальный вес аппарата, Н;

n - число опор.

Gmax = g•(mап+mсреды.+mпр+mвала+mмуфты+mмеш+ mупл.),

где Gmax - максимальный вес аппарата, Н;

g = 9,8 - ускорение свободного падения, м/с;

mап - масса аппарата, кг;

mсреды - масса среды в аппарате, кг;

mпр - масса привода, кг;

mвала - масса вала, кг;

mмуфты - масса муфты, кг;

mмеш - масса мешалки, кг;

mупл - масса уплотнения, кг.

mап=942+2478,85+414=1955,7 кг

Mсреды = Vном•ссреды = 1,25•1090=1362,5 кг;

mпр = 308 кг, (табл.14, Справочные таблицы)

mмуфты =26,4 кг, (табл.26, Справочные таблицы)

mмеш =2,89 кг, (табл.4, Уплотнения валов)

mупл = 56 кг. (табл.2, Уплотнения валов)

Gmax =9,8•(1955,7+1362,5+308+57,93+26,4+2,89+56)=36940Н

G1=36940/4=9235Н.

Проверка опоры на грузоподъёмность по условию G1 < [G]

[G]= 63кН, (табл.1, Расчет опор) 9235 < 63000 - условие выполняется.

2. Фактическую площадь подошвы определяют:

Афакт = а2•b2 ,

где Афакт - фактическая площадь подкладного листа, мм2;

a2, b2 - размеры подкладного листа, мм.

Афакт = 150•160=24000мм2

Требуемая площадь подошвы из условия прочности фундамента:

,

где Атреб - требуемая площадь подкладного листа, мм2;

G1 - нагрузка на одну опору, Н;

[q] - допускаемое удельное давление на фундамент, МПа,

[q]=14 МПа - для бетона марки 200.

Атреб=9235/14=660мм2;

Афакт > Атреб - условие выполнется.

3. Вертикальные ребра опор проверяют на сжатие и устойчивость:

,



где у - напряжения сжатия в ребре при продольном изгибе, МПа;

G1 - нагрузка на одну опору, Н;

К1 - коэффициент гибкости ребра;

Zр = 2 - число ребер жесткости в опоре;

S1 - толщина ребра, мм;

b - вылет ребра, мм;

[у]=139-допускаемые напряжения для материала ребер опоры, МПа;

К2 - коэффициент уменьшения допускаемых напряжений при продольном изгибе, 0,6.

Коэффициент К1 определяется в зависимости от гибкости ребра л, рассчитываемому:

,

где л - гибкость ребра;

l - гипотенуза ребра, мм;

S1 - толщина ребра, мм.

Для опоры стойки величина l определяется из эскиза, а для опоры лапы рассчитывается:

,

По графику (рис.1, Расчет опор) определяем К1 = 0,63



5,9<83,4 МПа - условие выполняется.

4. Проверка на срез прочности угловых сварных швов, соединяющих рёбра с корпусом аппарата выполняется исходя из:

,

где ф - напряжения сдвига в ребре, МПа;

G1 - нагрузка на опору, Н;

Д =0,85?S1 - катет шва, мм;

L - общая длина швов, мм;

[ф] - допускаемое напряжение в сварном шве, МПа, (не более 80 МПа)

Д =0,85?12 = 10,2 мм

1,87<80 МПа - условие выполняется.

Эскизы опор-лап и опор-стоек представлены соответственно на рисунках 7 и 8.

3.6 Подбор муфты

В приводе 2 исполнении 1 габарита 1 установлена фланцевая муфта. Она применяется для соединения строго соосных валов. Муфта состоит из двух полумуфт, имеющих форму фланцев. Полумуфты насаживают на концы соединяемых валов и стягивают болтами. Для центрирования фланцев один из них имеет круговой выступ, а другой - соответствующую выточку. Полумуфта соединена с валом призматической шпонкой.

Фланцевые муфты обеспечивают надежное соединение валов, могут передавать большие моменты и дешевы по конструкции.

Для привода типа 2 исполнения 1 габарита 1 для диаметра вала 65мм подбираем муфту (табл. 26, Справочные таблицы)

Диаметр муфты 220 мм

Крутящий момент не более 1000 Н•м

Масса муфты 26,4 кг.

Эскиз муфты представлен на рисунке 9.

3.7 Расчет фланцевого соединения

В химических аппаратах для разъемного соединения труб, корпусов и отдельных частей применяются фланцевые соединения круглой формы.

Конструкция фланцевого соединения принимается в зависимости от рабочих параметров аппарата: плоские приварные фланцы - при Р?4,0 МПа и t ?300 0С применяют болты, а при Р ?4,0 МПа и t ?300 0С - шпильки.

Толщину втулки плоского приварного фланца рассчитывают:

S0?S,

где S0 - толщина втулки фланца, мм;

S - исполнительная толщина обечайки, мм.

S0=12мм

Высоту плоского приварного фланца рассчитывают:

где hв - высота втулки фланца, мм;

D - диаметр аппарата, мм;

S0 - толщина втулки фланца, мм;

Ск - прибавка на коррозию, мм.

Округляем hв=52мм

Диаметр болтовой окружности плоского приварного фланца рассчитывают:

,

где Dб - диаметр болтовой окружности, мм;

D - диаметр аппарата, мм;

S0 - толщина втулки фланца, мм;

dб - наружный диаметр болта, мм;

u - нормативный зазор между гайкой и втулкой (u =4…6 мм)

dб =20 мм (табл.2.2. Фланцевые соединения)

Наружный диаметр фланцев находят:

Dн ? Dб + а,

где Dн - наружный диаметр фланцев, мм;

Dб - диаметр болтовой окружности, мм;

а - конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца, мм.

а =40 мм (табл.2.4. Фланцевые соединения)

Dн = 1298+40=1338 мм

Наружный диаметр прокладки находят:

Dн.п. = Dб - е,

где Dн.п. - наружный диаметр прокладки, мм;

Dб - диаметр болтовой окружности, мм;

е - нормативный параметр, зависящий от типа прокладки, мм.

е =30 мм (табл.2.4. Фланцевые соединения)

Dн.п. = 1298-30=1268мм

Средний диаметр прокладки находят:

Dс.п. = Dн.п. - b,

где Dс.п. - средний диаметр прокладки, мм;

Dн.п. - наружный диаметр прокладки, мм;

b - ширина прокладки, мм.

b =20 мм (табл.2.5. Фланцевые соединения)

Dс.п. = 1268-20=1248мм

Количество болтов, необходимых для обеспечения герметичности соединения находят:

,

где nб - количество болтов, штук;

Dб - диаметр болтовой окружности, мм;

tш - рекомендуемый шаг расположения болтов, мм.

tш=3,8•20=76мм

Принимаем nб =54

Высота (толщина) фланца рассчитывается:

,



где hф - высота фланца, мм;

лф - поправочный коэффициент, принимается по рисунку;

D - диаметр аппарата, мм;

Sэк - эквивалентная толщина втулки, мм.

Эквивалентная толщина втулки рассчитывается:

,

где Sэк - эквивалентная толщина втулки, мм;

hв - высота втулки фланца, мм;

в1 - поправочный коэффициент на толщину;

S0 - толщина втулки фланца, мм.

лф = 0,48 (по рис. 2.3. Фланцевые соединения)

в1=2,5 (по рис. 2.3. Фланцевые соединения)

Высота фланца равна:

Принимаем hф =70мм.

Эскиз фланцевого соединения представлен на рисунке 10.



4. Подбор штуцеров и люков

Диаметры штуцеров выбираются по ОСТ 26-01-1246 в зависимости от

внутреннего диаметра корпуса: D =1200мм (табл. 27, Справочные таблицы)

Диаметры штуцеров:

Для загрузки «А» 150 мм

Резервный «Б» 100 мм

Резервный «В» 100 мм

Технологический «Г» 100 мм

Для трубы передавливания «Д» 65 мм

Для манометра «Е» 50 мм

Для термометра «Ж» М27х2

Вход и выход теплоносителя «М,МII» 50 мм

Для слива «О» 100 мм

Люк «П» 400 мм

Вылет штуцера 150мм

Эскиз штуцеров представлен на рисунке 11.

В соответствии с внутренним диаметром аппарата выбираем люк с плоской крышкой и откидными болтами на

Эскиз люка представлен на рисунке 12.



Заключение

Быстрое развитие химической технологии и химического оборудования, в том числе химической аппаратуры, требует создания высокоэффективных, экономичных и надёжных аппаратов.

Выбор вида и принципиальной конструкции аппарата. Определение его рабочих параметров, основных размеров, марок конструкционных материалов и других, необходимых для конструктивной разработки и расчёта на прочность данных производится проектировщиком на основе выбранного процесса производства, химико-технологического расчета и особенностей перерабатываемой среды. аппарат торцевой подшипник муфта

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.

В данной работе тип аппарата 01 - с эллиптической днищем и эллиптической отъёмной крышкой. Толщина стенки обечайки днища и крышки согласно проведённым расчётам равна 8мм. Был подобран привод типа 2 для установки на крышки аппарата мощностью 3,0 кВт. В аппарате применено торцевое уплотнение в связи с большим избыточным давлением в корпусе аппарата. Также был проведен проверочный расчет вала мешалки на виброустойчивость, прочность и жесткость. Из этого можно сделать вывод, что выбранный нами вал соответствует всем требованиям. Были проведены расчеты на прочность шпоночного соединения, опор лап аппарата, а также фланцевого соединения. В результате можно сделать вывод о том, что подобранный нами аппарат может безопасно эксплуатироваться в данных условиях на производстве.



Список использованных источников

1. Генкин А.Э. Оборудование химических заводов. - М.: Высшая школа, 2012.

2. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов деталей машин. - М.: Академия, 2011.

3. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов. - Л.: Машиностроение, 2010.

4. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: Справочник. - Л.: Машиностроение, 2009.

5. Методические указания ” Расчёт и конструирование аппаратов с перемешивающими устройствами ”. Уфа, УГНТУ, 2014.

6. Методические указания “ Расчёт опор химических аппаратов ”. Уфа, УГНТУ, 2009.

7. Методические указания “ Фланцевые соединения ”. Уфа, УГНТУ, 2011.

8. Методические указания “ Уплотнения валов и мешалки химических аппаратов ”. Уфа, УГНТУ, 2010.

9. Методические указания “ Расчёт валов ”. Уфа, УГНТУ, 1985.

Размещено на Allbest.ru

...