Размещено на http://www.allbest.ru/

РОССИЙСКИЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

Пояснительная записка к курсовому проекту по прикладной механике 2110-1-1.5К-001

Химический аппарат с механическим перемешивающим устройством типа ВКЭ-21

Москва 2008



1. Техническое задание

Номер варианта 01

Тип аппарата ВКЭ-21

Номинальный объем V_a, м³ 1

Аппарат состоит из корпуса - 1 (обечайки), к которой приварено эллиптическое днище - 2; внизу находится штуцер - 3 для выпуска готовых продуктов. На гладкой рубашке - 4 имеются штуцера - 5,6 для ввода/вывода термостатической среды (вода, пар) и регистрации температуры. К рубашке также приварены опоры (3 - 4 шт.) аппарата в виде лап - 7, также приварены два строповых устройства - 8 для транспортировки полого аппарата. Через разъёмный фланец - 9 аппарат скреплён с эллиптической крышкой - 10, на ней установлен люк - 11. Также на крышке аппарата установлен штуцер - 12, предназначен для подачи реакционных ингредиентов, и установки измерительных приборов (манометров, термометров, прибор для измерения рН и другие). На крышке установлена рама привода - 13, на которой закреплён мотор - редуктор (мотор с редуктором) - 14, который через две подшипниковые пары - 15, муфту - 16 и уплотнение - 17 вращает вал - 18 с расположенной на его конце рамной мешалкой - 19, которая служит для гомогенизации реакционной смеси.

Внутренний диаметр аппарата D_a , м 1

Привод:

тип мешалки Рамная

шифр 10

n, об/мин 32

мощность N, кВт 0,2

Давление:

избыточное P_а , МПа 1,5

остаточное P_о , МПа 0,01

в рубашке P_р , МПа 1,3

Среда AlCl₃

Параметры среды:

плотность , кг/м³ 1090

температура C 20

Площадь обогрева F_a , м² 3

2. Подбор материалов

Материал корпуса аппарата, фланца, крышки, вала и мешалки для данной среды (10% раствора AlCl₃ при температуре равной 20°С), подбираем по [1] П-1 для вполне коррозионно-стойких материалов (В) : Сталь 08Х18Н10Т вал мотор редуктор привод

Т = 20C [] = 146 МПа

Е = 2*10⁵ Мпа, ^t = 16,6*10^-6 град^-1

Материал рубашки (вода при 20°С): Сталь 35ХМ

Материал болтов: Сталь 35ХМ

Материал прокладки: Фторопласт-4.

(Минус - дорогостоящий материал, течёт под действием давления; плюс - большой температурный режим)

3. Расчетная часть

Расчет основных размеров корпуса аппарата

Диаметр рубашки D_р (мм) рассчитывается по нижеприведенной формуле:

По [1] стр. 13 и ГОСТу высоту цилиндрической части без учёта высоты фланца и отбортовок днища и крышки следует назначить

H_ц = 1000 мм

Высота конического днища H_к :

По [1] П-7 и ГОСТу выбираем H_к = 566 мм

Высота рубашки h_р :

Выбираем h_р = 600 мм

Расчет толщин обечаек аппарата

Расчёт толщины эллиптической крышки аппарата

Толщина крышки аппарата S_к :

R_max = D_а ; [у] = зу^* ,

з = 1 поправочный коэффициент, учитывающий взрывои пожароопасность среды в аппарате (при равном 1 нет опасности гореть реакционной смеси) у^* определяем

По ГОСТу толщину стенки эллиптической крышки S_к следует назначить 6мм

В связи с тем, что крышка ослаблена различными отверстиями, примерно удваиваем толщину крышки

S_к = 12 мм

Расчет толщины рубашки

Толщина стенок рубашки определяется при воздействии внутреннего давления в рубашке и внешнего давления сжатия, равного разности внешнего атмосферного и внутреннего остаточного давления.

1. При воздействии внутреннего давления

= рабочее давление в рубашке аппарата

Где - толщина стенки цилиндрической обечайки рубашки аппарата, внутренний диаметр рубашки, прибавка на округление до стандартной толщины листа, коэффициент сварного шва,

поправка на коррозию,

Где скорость коррозии (для вполне стойких материалов, =0,1мм/год)

срок службы аппарата равный 10 годам, получим равное 1мм

расчетное допускаемое напряжение.

Допускаемое напряжение для выбранного материала корпуса определяется по формуле

Где поправочный коэффициент, учитывающий взрывои пожароопасность среды в аппарате.

нормативное допускаемое напряжение. Нормативное допускаемое напряжение стали при различных температурах приведены в [1] таблице П-3. Нормативное допускаемое напряжение для стали 08Х18Н10Т при температуре в 20 равна =146МПа

Для максимальной прочности цилиндрической части аппарата сварной шов целесообразнее сделать сплошным. Тогда коэффициент сварного шва будет равен =0,8 следовательно расчётное допускаемое давление равняется:

По ГОСТу толщину стенки рубашки аппарата следует назначить 8мм

2. При воздействии внешнего давления

По ГОСТу толщину стенки аппарата следует назначить 10мм



Где - определяется по номограмме (см.[1] рис.3.3)

Коэффициенты определяются по формулам

коэффициент запаса прочности (условие обеспечения устойчивости оболочки)

Е - модуль упругости, определяемый в [1] по таблице П-4. Модуль упругости для легированной стали при температуре в 20

Где расчетная длина цилиндрической обечайки, определяемая следующим образом

Где = 0.07778м

r_О = 0.1D_Р - радиус перехода, б = 45° для сосуда с коническим днищем

высота отбортовки

По ГОСТу толщину стенки рубашки следует назначить 8мм

По результатам расчетов толщину стенки цилиндрической обечайки принимают равной

Значит, толщину цилиндрической части рубашки аппарата принимаем равной 10мм.

Расчет толщины корпуса аппарата

Расчет толщины корпуса проводится при воздействии внутреннего и внешнего давлений, а толщина стенки принимается максимальной из вычисленных значений.

1. При воздействии внутреннего давления

Так как гидростатическое давление в нижней точке аппарата, равное не превышает на 5% рабочее избыточное давление, то расчетное внутреннее давление определяется по формуле , где рабочее давление аппарата

Где, - толщина стенки цилиндрической обечайки,

внутренний диаметр обечайки,

прибавка на округление до стандартной толщины листа,

коэффициент сварного шва,



поправка на коррозию,

Где скорость коррозии (для вполне стойких материалов, =0,1мм/год)

срок службы аппарата равный 10 годам, получим равное 1мм

расчётное допускаемое напряжение.

Допускаемое напряжение для выбранного материала корпуса определяется по формуле

Где поправочный коэффициент, учитывающий взрыво и пожароопасность среды в аппарате, поскольку среда не взрывои не пожароопасная то коэффициент будет равен =1

нормативное допускаемое напряжение. Нормативное допускаемое напряжение стали при различных температурах приведены в [1] табл. П-3.

Нормативное допускаемое напряжение для стали 08Х18Н10Т при температуре в 20 равна =146МПа

Для максимальной прочности цилиндрической части аппарата сварной шов целесообразнее сделать двусторонним встык сплошным. Тогда коэффициент сварного шва будет равен =1 следовательно расчетное допускаемое давление равняется:

По ГОСТу толщину стенки аппарата следует назначить 8мм

При воздействии внешнего давления

Расчетное наружное давление для корпуса аппарата находящегося под рубашкой находится по формуле



,

Где остаточное давление в рубашке,

рабочее давление в рубашке,

атмосферное давление в рубашке,

По ГОСТу толщину стенки аппарата следует назначить 8мм

Где - определяется по номограмме (см. [1] рис.3.3)

Коэффициенты определяются по формулам

коэффициент запаса прочности (условие обеспечения устойчивости оболочки)

Е - модуль упругости, определяемый по таблице П-4. Модуль упругости для легированной стали при температуре в 20



Где расчетная длина цилиндрической обечайки, определяемая следующим образом

Где == 0.07м

высота отбортовки

По ГОСТу толщину стенки аппарата следует назначить 10 мм

По результатам расчётов толщину стенки цилиндрической обечайки принимают равной

Значит толщину корпуса аппарата принимаем равной 10 мм.

Расчет толщины конического днища

Sкон. днища1 = К₂Da10^-2 + Со + Ск. 10мм.

Sкон. днища2 = + Со + Ск. 6мм

К₃ =

К₁ = 3.9

К₂ = 0.7

Sкон. днища принимаем 10мм.



[P_H] = = 0.95 < 1.08

[P]p =

[P]_E = = 1.3МПа

Принимаем Sкон. днища за 10мм

Подбор фланцев аппарата

Болты разрешается применять при условном давлении до 2,5 МПа и температуре до 300. Фланцевые соединения крышки с корпусом аппарата представлены двумя типами фланцев: плоские приварные и фланцы приварные встык (фланцы с шейкой). Конструктивные формы уплотнительных поверхностей регламентированы. Уплотнение типа выступ-впадина можно применять при давлении от 0,6 до 1,6 МПа. Следовательно, для нашего аппарата целесообразно назначить плоский приварной фланец типа выступ-впадина.

Расчётная сила осевого сжатия фланцев, требуемая для обеспечения герметичности соединения



Где Рабочее давление

Реакция прокладки

Средний диаметр прокладки, D₁ выбираем из [1] табл. П-8

Эффективная ширина прокладки

при

Где ширина прокладок подбираемая по табл. 3,4[1]. Т. к. материал прокладки фторопласт - 4 то ширину надо назначить в промежутки от 0,015м до 0,025м

Возьмём величину равной 24 мм, тогда

m Коэффициент, зависящий от материала прокладки который выбирается по табл. 3,3[1]. m - назначим 2,75

Усилие, возникающее от разности температур фланца и болта.



число болтов по табл. П-9[1] равно 44

площадь поперечного сечения болта по внешнему диаметру резьбы, которая может быть определена по формуле

наружный диаметр резьбы болта

внутренний диаметр резьбы равный 17,294 мм(ГОСТ 24705-81)

модуль упругости материала болта при рабочей температуре (см. табл. П-4[1]) равно МПа

коэффициенты линейного расширения материалов фланца и болтов, соответственно (см. табл. П-5[1])равны

ст. Х18Н10Т равно

ст. 35ХМ равно

-коэффициент, определяемый по диаграмме на рис. 3,6 [1]

=0,039

Расчётное осевое усилие для болтов принимается наибольшим из следующих трёх значений



Где усилие, действующие на болты при предварительном обжатии прокладки

удельная нагрузка на прокладку 10 МПа

Где - усилие затяжки болтов при монтаже

отношение допускаемых напряжений для материала болтов (см. табл. П-3 [1]) при монтаже (при температуре 20) и при расчётной температуре

коэффициент жёсткости фланцевого соединения равен 1,3 для соединения с фторопластовой прокладкой равнодействующая внутреннего давления.

-предельное усилие в болтовом соединении в процессе эксплуатации

Выполним проверку на прочность болтов по условию:



Где допускаемое напряжение для материала болтов при температуре

Прочность неметаллической прокладки проверяют по формуле:

Где - расчётное давление на прокладку при монтаже,

допускаемое давление для прокладки, равное 40 МПа

Подбор мотор-редуктора и стойки привода аппарата

Привод химического аппарата включает электродвигатель, механическую передачу (редуктор) и опорную стойку для крепления. В зависимости от физико-химических свойств среды, давления и температуры выбирается уплотнение - сальниковое или торцевое. Для данных условий (нетоксичная, взрывои пожаробезопасная среда, относительно низкая температура) выбирается сальниковое уплотнение с хлопчатобумажной набивкой. По величине требуемой мощности и оборотов вращения вала мешалки выбирается тип и размер мотор - редуктора - МПО2-10 (см. табл. П-15 [1]) по величине допускаемого крутящего момента выбираемого привода определяем в первом приближении диаметр вала мешалки

1 Уплотнение сальниковое

2 Мотор редуктор типа МПО2-10 обеспечивает вращение вала с вычислим приближенное значение КПД привода (табл.4.1 [1]):

КПД редуктора привода МПО2

КПД пары подшипников качения

КПД сальникового уплотнения

КПД муфты

потребляемая мощность привода

при выбираем конкретный мотор - редуктор МПО2-10 с номинальной мощностью 0,25кВт и допустимым крутящим моментом на валу

Предварительный диаметр вала равен

Устанавливаем тип стойки - 1. Выбранный мотор редуктор МП02-10, величина диаметра вала и тип мешалки позволяют конкретизировать стойку привода

Тип 1 габарит 2 (65мм)

Подбор мешалки

В зависимости от скорости вращения мешалки делят на тихоходные (лопастные, рамные, якорные, и некоторые другие), у которых окружная скорость конца лопастей составляет 1 - 1,5 м/c, и быстроходные (турбинные, пропеллерные и другие), имеющие окружную скорость концов лопастей 8 - 10 м/c.



В условии задана рамная мешалка, которая относится к классу тихоходных. Размеры мешалки берутся по таблице П-17[1], исходя из допустимого крутящего момента.

Проверка прочности стыкового шва соединения лопастей со ступицей мешалки выполняется по нормальным напряжениям при изгибе лопастей:

где допускаемое напряжение сварного шва.

коэффициент сварного шва

допускаемое напряжение для выбранного материала мешалки

соединение тавровое с двусторонним швом

расчётный изгибающий момент в сечении стыкового шва лопасти

число лопастей

расчётный крутящий момент

коэффициент динамичности для рамных мешалок

номинальная мощность на валу мешалки

смотри пункт «подбор привода мешалки»

КПД привода



по таблице П-15

выбираем мешалку по допустимому крутящему моменту по таблице П-17 и проверяем на прочность

Расчётный осевой момент сопротивления сечения стыкового шва определяется следующим образом.

У нас лопасть с ребром жёсткости.

осевой момент инерции относительно центральной оси х.

Определение положения центра тяжести сечения:



по таблице П-17[1]

Расчет вала: Расчет вала на виброустойчивость

Для безопасной работы конструкции установлены следующие ограничения, которые являются условием виброустойчивости:

угловая скорость вращения вала мешалки

первая критическая угловая скорость вала, равная частоте собственных поперечных колебаний вала с установленными на нём деталями



где -момент инерции поперечного сечения вала.

масса одного метра длины вала мешалки (для стали )

диаметр вала мешалки ()

Емодуль упругости материала вала при рабочей температуре ()

длина вала принимаем

-определяем по графику на стр. 31[1]

относительная координата центра мешалки

берём расстояние между опорами)

относительная масса мешалки

-масса мешалки

= 22кг

длина вала

По графику на определяем

Найдём :

Согласно условию виброустойчивости:

Условие виброустойчивости выполняется.

Расчет вала на прочность

Вал мешалки необходимо проверить на прочность из условия совместного действия изгиба с кручением.

Максимальный крутящий момент с учётом пусковых нагрузок определяется по формуле

коэффициент динамичности нагрузки

= 2 для рамных мешалок

номинальная мощность двигателя привода

= 0,25кВт угловая скорость вала мешалки

максимальный изгибающий момент от действия приведённой центробежной силы и опасное сечение вала определим из эпюры изгибающих моментов, построенной для расчётной схемы вала.

Приведённая центробежная сила определяется по формуле:



где приведённая сосредоточенная масса вала мешалки

радиус вращения центра тяжести приведенной массы вала и мешалки

коэффициент приведения распределённой массы вала к сосредоточенной массе мешалки

где эксцентриситет центра массы мешалки.

допускаемое биение вала =0,0001м

Для опасного сечения вала запишем условие прочности:

где нормальное напряжение

максимальное касательное напряжение

следовательно

Подбор муфты.

Основные муфты, применяемые в химическом машиностроении, стандартизованы. Согласно стандартам их подбирают по диаметрам соединяемых валов и по расчетному передаваемому вращаемому моменту

Где номинальный вращающий момент при установившемся режиме ( , )

коэффициент режима работы

= 1,8

выбираем упругую втулочно-пальцевую муфту с допустимы моментом на валу

т.к. радиальные и угловые смещения валов снижают долговечность резиновых втулок, нагружая валы дополнительной изгибающей силой, то необходимо провести проверку прочности пальца.

Условие прочности пальца



пальцы рассчитываются на изгиб в предположении, что палец как балка жёстоко закреплён одним концом и сила приложена сосредоточена посредине пальца.

поперечная сила, воздействующая на палец при передаче расчётного вращающего момента

число пальцев

диаметр окружности расположения пальцев

=120

длина пальца



для материала Ст45

прочность резиновых втулок проверяют по напряжениям смятия при допущении, что давление равномерно распределено по длине втулки:

длина втулки =36мм

-допускаемое напряжения смятия для резины.

для всех типов муфт выполняется проверочный расчёт шпоночного соединения.

Условие прочности шпонки на смятие

напряжение смятия на боковой поверхности шпонки

диаметр участка вала под муфту

У нас =65мм

расчётная длина шпонки



Выбираем шпонку

b - ширина шпонки из таблицы П-32[1]

допускаемое напряжение смятия для шпонки из сталей марок Ст45

Следовательно выбираем шпонку со следующими размерами

Подбор комплектующих

Подбор уплотнения

В химических аппаратах с перемешивающим устройством для герметизации места прохождения вращающегося вала сквозь неподвижную крышку применяют уплотнения. С этой целью используют сальниковые и торцевые уплотнители.

Сальниковые уплотнители не применяются при ядовитых пожарои взрывоопасных средах.

Так как хлористый алюминий AlCl₃ в растворе не ядовит то следует назначить сальниковое уплотнение.

Подбор люков

Ввиду малых размеров аппарата целесообразно назначить стальной загрузочный люк с плоской крышкой. Так как данный вид люков имеет минимальные размеры и значительно не будет влиять на устойчивость всей конструкции.

Размеры люка выбираем по таблице П-28[1]

Возьмём люк диаметром условного прохода 150мм



Подбор штуцеров

Все штуцера подбираются по таблице П-30[1]

Возьмем для аппарата 9 штуцеров

1. Штуцер для слива продукта назначаем с условным проходом в 150мм для максимальной скорости слива.

2. Два штуцера берём с условным проходом 65мм ввод вывод термостатической среды (для большей скорости циркуляции термостатической среды в рубашке).

3. Остальные штуцера берём с условным проходом 50мм

-Для отбора проб

-Установки манометра

-Установки термометра

-Два для ввода реактивов

-Слив конденсата

Подбор опор аппарата

Тип и размер опоры выбираются по допустимой грузоподъёмности

1. Вес цилиндрической части



2. Вес днища

3. Вес крышки

4. Вес фланцев

Н

5. Вес цилиндрической обечайки рубашки



6. Вес днища рубашки

вес сухого аппарата будет равняться

335,4+159,2+155,1+177,82+367+159,2=1353,72Н

1. Вес AlCl₃

2. Вес воды

вес жидкостей

10756,8+2086,5=12825,3Н

Вес комплектующих

Полный вес аппарата

1353,72+12825,3+700+220+140=15239,02Н=15,24Кн

Для противодействия дополнительным нагрузкам умножаем полный вес на 1.2

Получаем вес, равный 6 Кн

выбираем опору тип 3 допускаемый вес 10кНПроверяем площадь опоры подкладного листа из условия из условия прочности бетонного листа

допускаемое напряжение для бетона при сжатии

для бетона марки 200

Площадь одной опоры

смотри таблицу П-33

0,043>0,001

Прочность угловых сварных швов, соединяющих рёбра опор с корпусом аппарата, проверяют по условию

напряжение среза в швах

катет шва

общая длина шва

допускаемое напряжение для материала шва можно принять



Подбор строповых устройств аппарата

Строповые устройства подбираются по таблице П-34 [1], исходя из приходящихся на них нагрузок.

Нагрузки рассчитываются по формуле:

коэффициент перегрузки

коэффициент динамичности

коэффициент условий работы

при подъёме без траверсы

вес сухого аппарата

число строповых устройств

выбираем строповое устройство-тип1 с допускаемой нагрузкой на одно устройство 5Кн

Заключение

Аппарат для перемешивания фазовых систем (жидкость + жидкость; жидкость + твёрдое вещество) является одним из основных среди оборудования химического производства.

В данном проекте разработан емкостной химический аппарат для перемешивания жидкости воды и твердого вещества соли хлорида алюминия AlCl₃.

В пояснительной записке проведены расчеты на прочность корпуса и рубашки аппарата, болтовых и сварных соединений, проведен проверочный расчет консольного вала мешалки на виброустойчивость.

Работа над проектом позволила более детально ознакомиться с устройством химического аппарата.

Вертикальный аппарат типа ВКЭ

В исполнении с отъемной крышкой, которая соединяется при помощи фланца типа выступ-впадина который имеет 44 отверстия под болты размером М20

Допускаемое давление в аппарате 2МПа

При толщине стенок корпуса 10мм и крышки 12мм к аппарату приварена гладкая рубашка с допускаемым давлением 1,97Мпа при толщине стенок рубашки 10мм также в аппарате имеется загрузочный люк с диаметром условного прохода 150мм

К аппарату приварено 9 штуцеров плоских стальных, в аппарате также установлен электродвигатель с мощностью 0,25кВт который передаёт допустимый крутящий момент 800Нм на вал диаметром 65мм на конце которого находится разъемная ступица, на которую крепится мешалка.



Литература

1. Методические указания. Расчёт химического аппарата с механическим перемешивающим устройством. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2005, 87с.

2. Федоренко Б.Л., Шошин А.И. Справочник по машиностроительному черчению. Л.: Машиностроение, 1981, 325с.

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия.1973, 752с.

4. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов. Справочник. Л.: Машиностроение, 1981, 382с.

5. Поляков А.А. Механика химических производств. Л.: Химия, 1995, 391с.

6. Иванов М.Н. Детали машин. М.: Высшая школа, 1976, 367с.

7. Боголюбов С.К. Черчение. М.: Машиностроение, 1989, 333с.

8. Иванов М.Н., Иванов В.Н. Детали машин: Курсовое проектирование. М.: Высшая школа, 1975, 348с.

9. Методические указания. Детали и материалы машин химических производств. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2005, 87с.

10. ОСТ 26-373-78. Нормы и методы расчёта на прочность фланцевых соединений сосудов и аппаратов. М.: Минхимнефтемаш СССР, 1979, 10с.

Размещено на Allbest.ru

...