Аппарат вертикальный с трёхлопастной мешалкой

Введение

  Химические  препараты предназначены для  проведения различных технологических  процессов в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и т.д. промышленности, а также для хранения и транспортировки различных химических веществ.

  В зависимости  от назначения (чаще всего от протекающего технологического процесса) различают  следующие химические аппараты: реактор, испаритель, теплообменник, колонна  и т.д. как правило, химические аппараты делают цилиндрической формы. Наибольшее распространение получило вертикальное расположение аппаратов.

  Для проведения ряда технологических процессов  применяют сварные стальные аппараты (реакторы с перемешивающими устройствами). Перемешивание обеспечивает интенсификацию процесса и часто является необходимым  условием его эффективного протекания.

  Аппарат состоит из корпуса и перемешиваемого  устройства с приводом. Корпус включает в себя цилиндрическую обечайку с  приводным эллиптическим днищем и отъёмной  эллиптической крышкой. Аппарат снабжён штуцером для подачи и слива продуктов.

  На крышке корпуса расположен люк для осмотра  и ремонтных работ внутри аппарата.

  Для наружного  нагревания отработанных продуктов  аппарат снабжён рубашкой. Аппарат  установлен на лапах.

  Привод  состоит из мотор редуктора, укреплённого на стойке, которая крепится на опоре, привариваемой к крышке аппарата.

  Выходной  вал мотор редуктора муфтой соединяется  с валом, на котором установлена  мешалка.

  Нижний  конец вала опирается на кольцевой  подшипник. 
 

1. Данные  для курсового  проекта
1. Характеристика аппарата

Внутренний  объём                                                                              3,2 м³

Внутренний  диаметр                                                                          1600 мм

Тип                                                                                                       ВЭЭ

Исполнение                                                                                         2 

2. Давление  в аппарате                                                                     1 МПа

3. Давление  в рубашке                                                                     0,2 МПа

4. Параметры среды             

Наименование                                                              NH₄OH водный раствор

Концентрация                                                                                   30 %

Температура                                                                                    25 ^оС 

5. Параметры мешалки

Диаметр                                                                                            360 мм

Частота вращения                                                                            180 об./мин. 

Мощность                                                                                         5 кВт

Тип                                                                                                 трёхлопастная 
 
 
 

1. Конструкция химического аппарата

  Стальной  аппарат с мешалкой состоит из корпуса и перемешивающего устройства с приводом. Корпус включает в себя: цилиндрическую обечайку с приварным  днищем и отъёмной крышкой. Аппарат снабжён штуцерами и т.д., которые служат для подачи исходных компонентов, выгрузки готовой продукции, установки контрольно-измерительных приборов и т.д. для поддержания заданного температурного режима ведения процесса аппарат имеет рубашку. Устанавливают аппарат на опоры стойки или боковые опоры лапы.

  Привод  состоит из моноблочного мотор-редуктора  или (электродвигателя с различными механическими передачами), который  устанавливается на стойке, закреплённой на опоре привода, приваренной к  крышке аппарата. Выходной вал редуктора  соединён с валом мешалки муфтой. Для герметизации аппарата в месте  входа вала в крышку установлено  уплотнение. Опорами вала являются подшипники, расположенные в узле. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Подбор  и расчёт элементов  корпуса аппарата
1. Выбор размеров корпуса аппарата

  Корпус  аппарата состоит из цилиндрической обечайки, днища и крышки. Для  нагревания или охлаждения обрабатываемых в аппарате продуктов аппарат  снабжён приварной рубашкой. Типы и основные размеры ёмкостных  аппаратов стандартизированы. Общим  критерием для выбора элементов  корпуса является внутренний номинальный  объём 3,2 м³ и внутренний диаметр 1600 мм.

Из таблицы 1, выпишем размеры корпуса типа ВЭЭ

Из таблицы 5, выпишем размеры эллиптических  отбортованных днищ

2. Цилиндрические  обечайки

     Расчёт на прочность и устойчивость производится по ГОСТ 14249 – 89.

    Расчёт обечаек, нагруженных избыточным внутренним давлением.

  Толщину стенок определяют по формулам

                                         .

    Допускаемое внутренне избыточное давление: 

  где  p_R – давление в аппарате, МПа p_R=1МПа;

  s_R – расчётное значение толщины стенки, мм;

  D – внутренний диаметр обечайки, мм  D=1600 мм;

   - допускаемое напряжение, МПа (зависит от  марки стали и  рабочей температуры).

  Марку стали  выбирают в зависимости от свойств  перерабатываемой среды по таблицы 7. Определим марку стали –  ВСт3.

  Допускаемое напряжение из таблицы 8. =139,625 МПа 

    Для стыковых и тавровых двухсторонних швов, выполняемых автоматической сваркой, коэффициент прочности сварного шва =1; для тех же швов, выполняемых в ручную, =0,9. Прибавка на коррозию c определяется по формуле , где V – скорость коррозии (обычно принимают 0,1 – 0,2 мм/г), T – срок службы аппарата (обычно принимают 10-12 лет). Для материалов, стойких к перерабатываемой среде, и при отсутствии данных о скорости коррозии рекомендуют принимать c=2 мм.

  мм

  Принимаем s=8 мм 

  Расчёт  цилиндрических обечаек, нагруженных наружным давлением.

  Под наружным давлением находятся вакуумные  аппараты и аппараты с рубашками. Тонкостенные обечайки под действием  наружного давления могут потерять первоначальную форму (устойчивость) с  образованием нескольких волн смятия. Давление, при котором оболочка начнёт деформироваться, называется критическим.

  Толщину стенки обечайки, нагруженной наружным давлением, приближённо определяется по формуле 

  где  - давление в рубашке, МПа МПа 

  Принимаем s=4 мм

   Полученное  значение толщины стенки следует  проверить на допускаемое наружное  давление по формуле (ГОСТ 1429-80) 

  Здесь допускаемое  давление из условия прочности определяется по формуле, полученной из уравнения  Лапласа: 
 

  а допускаемое  давление из условия устойчивости в  пределах упругости рассчитывается по формуле 

  где Е – модуль упругости, Е=1,985 МПа; n_u - коэффициент устойчивости (для рабочих условий n_u =2,4); l_R – расчётная длина обечайки.

  Для эллиптического днища 

  Здесь l длина цилиндрической части корпуса, l=1060 мм, - высота от бортовки днища, , - высота днища, , 
 
 

  Давление  в рубашке оказалось больше допускаемого, поэтому необходимо увеличить толщину  стенки обечайки.

  Примем  s=10 мм, тогда  
 
 

  В результате  расчёта давление в рубашке меньше, чем допускаемое, то принятые ранее  значения толщины оставляем неизменными.

3. Днища и крышки аппаратов приварные.

  Толщину стенки эллиптического отбортованного днища определяют по формулам:

  а) днища, нагруженного внутренним давлением  

         . 
 

  Принимаем s=8 мм

  б) днища, нагруженного наружным давлением

  . 

  .

  Принимаем s=4 мм

  При действии наружного давления полученное значение толщины стенки s необходимо проверить по формуле. В этом случае допускаемое давление из условия прочности  в пределах упругости: 
 

а допускаемое  давление из условия устойчивости в  пределах упругости определяется по формуле 
 

4. Расчёт  элементов рубашки

Толщину стенки цилиндрической части рубашки определяют по формуле 

где  p_R – давление в аппарате, МПа p_R=1МПа;

s_R – расчётное значение толщины стенки, мм;

D – внутренний диаметр обечайки, мм  D=1600 мм;

- допускаемое напряжение, МПа (зависит от  марки стали и  рабочей температуры).

  Эллиптическое днище рассчитывают по формуле 

  В качестве расчётного давления p_R принимают давление в рубашке. Для корпусов с внутренним давлением диаметр рубашки принимают больше внутреннего диаметра аппарата D на 100 мм. 

  Принимаем s=4 мм 

Принимаем s=4 мм

5. Крышки отъёмные

  Отъёмные  крышки присоединяются к корпусу  аппарата с помощью фланцев. Эллиптические  крышки состоят из стандартных днищ, сваренных стандартными фланцами.

  При определении  толщины стенки эллиптической крышки используют формулу 
 

  Принимаем s=8 мм

6. Фланцевые соединения

  Фланцевые соединения применяют для разъёмного соединения составных частей корпуса, крышки с корпусом и т.д. На фланцах  присоединяют к аппаратам трубы, арматуру. Соединение состоит из двух фланцев, прокладки, которую размещают между уплотнительными поверхностями фланцев, болтов (шпилек), гаек, шайб. В целях исключения самоотвинчивания гаек под действием приложенных нагрузок применяют пружинные шайбы или контргайки. Фланцевые соединения стандартизированы. По форме уплотнительной поверхности различают следующие типы фланцев: выступ-впадина, шип-паз (исполнение 1) и с гладкой поверхностью (исполнение 2).

  Фланцы  плоские приварные с гладкой  уплотнительной поверхностью применяют  при  и . Размеры таких фланцев для аппаратов выбирают по внутреннему диаметру аппарата и условному давлению по таблице 11. Для герметизации фланцевого соединения применяют прокладки различной конструкции.

  Из таблицы 11 выпишем размеры фланца

  Плоские неметаллические прокладки используют для уплотнения гладких поверхностей фланцев. Прокладки из резины применяют  в диапазоне температур от -30^оС до 100^оС и давлении до 0,6 МПа. Паронит выдерживает температуру до 400 ^оС и давление до 2,5 МПа. Асбестовый картон применяют для прокладок при давлении до 1,6 МПа и температуре до 500 ^оС. Фторопласт используют в диапазоне температур от -200 ^оС до +250 ^оС независимо от давления. Размеры прокладок выбирают по внутреннему диаметру аппарата D и условному давлению P_y по таблице 12.

  Фланцы  и прокладки подобранные по стандартам в расчёте не нуждаются,

  Из таблицы 12 выпишем размеры резиновой прокладки  толщиной 3 мм

  При конструировании  аппаратов выполняют проверочный  расчёт болтов в соответствии с ОСТ 26-373-82 по следующей методике.

1. Определяют нагрузку, действующую на фланцевое соединение от внутреннего давления P_R:

где D_cn средний диаметр прокладки;  
 

2. Рассчитывают  реакцию прокладки:

где b_n ширина прокладки; m=1 – для прокладок из резины; m=2,5 – для прокладок из других материалов; b₀ – эффективная ширина прокладки:  

3. Определяют  болтовую нагрузку при сборке Р_Б1.

Принимают наибольшее значение из трёх расчётных: 

где q=20 МПа – для прокладок из паронита, резины и картона асбестового, q=10 МПа – для прокладок из фторопласта. 
 
 
 
 

Принимаем Р_Б1=2616611,298 МПа

4. Проверяют прочность болтов при монтаже по условию

5. Проверяют прочность болтов в период эксплуатации

где и - допускаемые напряжения для материала болта при 20^oC и при рабочей температуре; ,

- площадь поперечного  сечения  стержня  болта,  - количество болтов, равное числу отверстий z во фланце.

Болтовая нагрузка в рабочих условиях:

, 

7. Устройство  для присоединения  трубопроводов

  Присоединение технологических трубопроводов  для подвода и отвода различных  жидкостей и газов, а также  контрольно-измерительных приборов и предохранительных устройств  к аппарату производят с помощью  штуцеров. Стальные фланцевые штуцера  стандартизированы и представляют собой патрубки, выполненные из с приваренными  к ним фланцами. Штуцера с плоскими приварными фланцами имеют гладкую уплотнительную поверхность, их применяют при P≤1,6 МПа и t≤300^oC. Назначение штуцеров для аппаратов рассмотрено в таблице. Для входа и выхода теплоносителя на рубашке устанавливают два штуцера. Диаметры условного прохода штуцеров в зависимости от типа крышки и диаметра корпуса указаны в таблице 22.

  Из таблицы 22 выпишем размеры диаметров условного  прохода и установочные размеры  штуцеров:

  Размеры штуцеров выбирают по диаметру условного  прохода D и условному давлению P_y. по таблице 23.

  Из таблицы 23 выпишем размеры штуцеров: 
 

    Присоединение штуцеров к элементам корпуса производят с определённым вылетом.

8. Опоры аппаратов

  Химические  аппараты устанавливают на фундаменты или специальные несущие конструкции  с помощью опор. Стандарт предусматривает  три типа опор: тип 1 (лапы) – для  аппаратов с рубашками и без  теплоизоляции; тип 2 (лапы) – для  аппаратов с теплоизоляцией; тип 3 (стойки) – для аппаратов с  эллиптическими днищами. Стойки служат для установки аппаратов на фундамент. Расположение стоек на днищах показано на рисунке. Лапы применяют для крепления аппаратов на несущих конструкциях или между перекрытиями.

  Стандартные опоры выбирают по требуемой нагрузке с учётом условия Q_табл.≥ Q_расч, их не проверяют расчётом.

  Расчётную нагрузку на одну опору определяют следующим образом.

1. Задаются количеством опор, z.  Лап должно быть не менее двух, стоек – не менее трёх.
2. Определяют вес металла, из которого изготовлен аппарат:

где F – внутренняя поверхность корпуса, м², F=10,9 м²; S – исполнительная толщина стенок, м, S=10+8+4+8=30 мм = 0,03м; - удельный вес металла, кН/м³; коэффициент 1,1 учитывает: вес фланцев, штуцеров и т.д. 

3. Определяют  вес металлоконструкций, установленных на крышке аппарата (привод, стойка и т.д.):

4. Рассчитывают  вес воды, заполняющей аппарат  при гидравлических испытаниях:

где V – внутренний объём аппарата, V=3,2 м³; - удельный вес воды, =10 кН/м^3.

5. Определяют максимальную нагрузку на одну опору:

где - число опор; *=1 (при z=2 и 3); *=2 – при числе опор z=4. 

  По таблицам 24 или 26 выбирают опоры по условию  Q_табл.≥ Q_расч.

  Из таблицы 24 выпишем размеры опор для аппарата (стойки):

3. Расчёт  и конструирование  перемешивающего  устройства
1. Конструктивные схемы крепления валов перемешивающих устройств

  В большинстве  аппаратов химической технологии с  целью интенсификации проводимых процессов  или непосредственно для перемешивания  различных компонентов используются перемешивающие устройства,  которые  состоят из привода (в качестве приводов перемешивающих устройств в химических аппаратах применяют в большинстве  случаев различные типы моноблочных  мотор-редукторов) и вала с мешалкой. Мотор-редуктор установлен на стойке, которая крепится к опоре (бобышке), привариваемой к крышке аппарата. В опоре установлено уплотнение, предназначенное для герметизации аппарата в месте прохождения  вала мешалки через крышку, В качестве опор для консольных валов обычно используются подшипники качения, расположенные  в стойке. Для увеличения виброустойчивости  валов применяют также опоры  скольжения, устанавливаемые обычно в нижней части корпуса аппарата.

  Вал мешалки  может иметь с тихоходным валом  редуктора жёсткое или подвижное  соединение.

  Привод  с подвижным соединением валов  мотор-редуктора и мешалки используется в аппаратах, где условное давление достигает 3,2 МПа. В приводе такого типа обычно используется упругая втулочно-пальцевая  или зубчатая муфта, с помощью  которой осуществляется гибкая передача вращающего момента от выходного  вала мотор-редуктора к валу мешалки. Вал мешалки устанавливается либо в опорах качения, которые закрепляются в стойке привода, либо в качестве верхней опоры используются подшипники качения, а нижней опорой является подшипник скольжения. При этом одна из опор, как правило, нижняя выполняется подвижной и служит для восприятия радиальных нагрузок, а верхняя – неподвижной, она предназначена для восприятия осевых сил. 

2. Подбор  узлов и деталей  перемешивающего  устройства.

Выбор типа уплотнения

  Для герметизации аппарата в месте ввода вала в  крышку используют сальниковые или  торцевые уплотнения.

  Торцевые  уплотнения используют в аппаратах  для переработки кислых и щелочных сред при давлении до 2,5 МПа. Размеры  уплотнения выбирают при выполнении 4-го этапа работы.