Конструкция химического аппарата

Конструкция химического аппарата

На рис. I, I показан стальной аппарат с мешалкой. Он состоит из корпуса и перемешивающего устройства с приводом. Корпус включат в себя: цилиндрическую обечайку с приварным днищем и отъемной крышкой. Аппарат снабжен штуцерами, 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, закрепленной на опоре привода, приваренной к крышке аппарата. Выходной вал редуктора соединен с валом мешалки муфтой. Для герметизации аппарата в месте входа вала в крышку установлено уплотнение. Опорами вала являются  подшипники, расположенные в узле.

Указанные элементы и узлы являются общими для всех аппаратов. Конструкция и расчет этих элементов рассматриваются в следующих разделах.

Выбор материалов для изготовления деталей аппарата

Конструкционные материалы для изготовления     элементов химического аппарата выбирают в зависимости от химического и коррозионного действия среды, температуры и давления. При выборе материалов для аппаратов,    работающих при низких или высоких температурах,  необходимо учитывать,  что  механические  свойства материалов существенно изменяются в зависимости от температуры. Как правило, прочностные свойства металлов и сплавов повышаются при низких температурах и понижаются при  высоких. Так как основным способом изготовления    химических аппаратов является сварка, то одним из необходимых условий, определяющих выбор материала, является хорошая свариваемость.

Следовательно, к материалам, предназначенным для
изготовления   химических   аппаратов,              должны   предъявляться

следующие требования:

      1) химическая и коррозионная стойкость материала к перерабатываемой среде с учетом заданных технологических параметров (температура, давление и т.д.);

2) механическая прочность при заданных параметрах с учетом
требований, предъявляемых при испытании аппаратов (на прочность,
герметичность и т.п.) и эксплуатации;

3) технологичность, что предполагает в первую очередь
способность материала свариваться с обеспечением высоких
механических характеристик сварных соединений и коррозионной
стойкости их в агрессивной среде.

Последовательность выполнения проекта

Проект выполняется в следующей последовательности:

1-й этап - ознакомление с заданием, рекомендуемой литературой, требованиями, предъявляемыми к курсовому проекту;

2-й этап - выполнение расчётов элементов корпуса на прочность;

3-й этап - разработка эскизного варианта аппарата;

4-й этап - проектирование и расчет вала перемешивающего устройства;

5-й этап - выполнение графической части проекта;

6-й этап - защита проекта.

Одновременно с выполнением 2, 4, 5 этапов оформляется пояснительная записка.

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 емкостных аппаратов стандартизованы. Основными параметрами для выбора размеров корпуса являются внутренний номинальный объём V и внутренний диаметр D. На основании исходных данных на проектирование (внутренний объём V и внутренний диаметр аппарата D) определяется длина цилиндрической части корпуса l.

Корпусы аппаратов чаще всего работают в условиях статических нагрузок: под      избыточным внутренним давлением, вакуумом или наружным избыточным давлением.

Цилиндрические обечайки

Расчёт на прочность я устойчивость производится по ГОСТ 14249-89.

Расчет обечаек, нагруженных избыточным внутренним давлением. Толщину стенок определяют по формулам:

                                                                        S                             (1)

где, – давление в аппарате, МПа; – расчетное значение толщины стенки, мм; D – внутренний диаметр обечайки, мм; - допускаемое напряжение, МПа (зависит от марки стали и рабочей температуры). Марку стали выбирают в зависимости от свойств перерабатываемой среды, допускаемое напряжение .

Допускаемое внутреннее избыточное давление:

              (2)

Для стыковых и тавровых двухсторонних швов выполняемых автоматической сваркой, коэффициент прочности сварочного шва φ = 1; для тех же швов выполняемых вручную, φ = 0,9. Прибавка на коррозию  с   определяется по формуле c = V  ∙ T, где V – скорость коррозии (обычно применяют 0,1 – 0,2 мм/г), Т – срок службы аппарата (обычно принимают 10 -20 лет). Для материалов, стойких к перерабатываемой среде, и при отсутствии данных о скорости коррозии рекомендуют принимать с=2 мм. Толщину стенки, вычисленную по формуле (1) округляют в большую сторону до ближайшей стандартной толщины листа (2,4,5,6,8,10,12,14,16,18,20,22,24,26,28,30 мм, ГОСТ 10885-75).

Расчет толщины стенки обечайки

1)SR = 3.59                                S ≥ SR + 2;   S ≥ 3.59 + 2 = 5.59 ≈ 6

   S = 6

2) a) S = 6мм

[p] = 0.063 МПа

рруб  > [р]

0.2 > 0.063 – следовательно, увеличиваем толщину стенки обечайки.

б)S = 8мм

[p] = 0.174 МПа

0.2 > 0.174 -  следовательно, увеличиваем толщину стенки обечайки.

в) S = 10мм

[p] = 0.35 МПа

0.2 < 0.35 – следовательно, толщина стенки обечайки равна 10мм.

Днища и крышки аппаратов приварные

Толщину эллиптического отбортованного днища нагруженного внутренним давлением определяют по формулам:

1)

S                                             (3)

S≥SR + c

S≥3,586 + 2

S≥5,566

S≥6

2) a) S=6мм

рруб > [р]

0.2 > 0.082 – следовательно, увеличиваем толщину стенки

б)S=8мм

[р]=0,224мм

рруб < [р] – следовательно, толщина днища равна 8мм.

Крышки отъемные

Отъемные крышки присоединяются к корпусу с помощью фланцев. При определении толщины стенки эллиптической крышки используют формулу (3).

Устройства для присоединения трубопроводов

Присоединение технологических трубопроводов для подвода отвода различных жидкостей и газов, а также контрольно измерительных приборов и предохранительных устройств к аппарату производят с помощью штуцеров. Стальные фланцевые штуцера стандартизованы и представляют собой патрубки, выполненные из труб с приваренными к ним фланцами. Штуцера с плоскими приварными фланцами имеют гладкую уплотнительную поверхность (рис 3), их применяют при P≤1,6 МПа и t≤300ºC. Диаметр условного прохода зависит от типа крышки и диаметра корпуса. Размеры штуцеров выбирают по диаметру условного прохода D и условному давлению Py. Присоединение штуцеров к элементам корпуса производят с определенным вылетом.

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 м/у уплотнительными поверхностями фланцев, болтов (шпилек), гаек и шайб. В целях исключения самоотвинчивания гаек под действием приложенных нагрузок применяют пружинные шайбы или контргайки. Фланцевые соединения стандартизованы. По форме уплотнительной поверхности различают следующие типы фланцев: выступ-впадина, шип-паз и с гладкой поверхностью.

Фланцы плоские приварные с гладкой уплотнительной поверхностью применяют при p<2.5 МПа и t<300ºC. Размеры таких фланцев для аппаратов выбирают по внутреннему диаметру аппарата и условному давлению. Для герметизации фланцевого соединения применяют прокладки различной конструкции.

Плоские неметаллические прокладки используют для уплотнения гладких поверхностей фланцев. Прокладки из резины применяют в диапазоне температур от -30°С до 100°С и давлении до 0,6 МПа. Паронит выдерживает температуру до 400°С и давление до 2,5 МПа. Асбестовый картон применяют для прокладок при давлении до 1.6 МПа и температуре до 550°С. Фторопласт используют в диапазоне температур от -200СС до +250°С независимо от давления. Размеры прокладок выбирают по внутреннему диаметру аппарата D и условному давлению. Фланцы и прокладки, подобранные по стандартам, в расчёте не нуждаются.

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 Pr :

, где Dcn – средний диаметр прокладки, PR=0.6

2. Рассчитывают реакции прокладки:

3. Определяем болтовую нагрузку при сборке РБ1:

Принимают наибольшее значение из трех расчетных:

4. Проверяем прочность болтов при монтаже по условию:

условие выполняется.

5. Проверяем прочность болтов при эксплуатации:

условие выполняется.

т.к. оба условия выполняются, количество болтов равно 60.

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 и коническими днищами. Стойки служат для установки аппаратов на фундамент. Лапы (рис. 4) применяют для крепления аппаратов на несущих конструкциях или между перекрытиями. Лапы размешают на корпусе или рубашке на расстоянии L=(0.35±0.4) от уплотнительной поверхности фланцев.

Стандартные опоры вбирают по требуемой нагрузке с учетом условия Qтабл ≥ Qрасч , их не проверяют расчетом.

Расчетную нагрузку на одну опору Qрасч определяют следующим образом.

1. Задаются количеством опор z. Лап должно быть не менее двух, стоек не менее трех.

2. Определяют вес металла из которого изготовлен аппарат:

Конструктивные схемы крепления валов перемешивающих устройств

В большинстве аппаратов химической технологии с целых
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 жесткое или подвижное соединение.

В приводах с жестким соединением валов редуктора и мешалки применяют, как правило, продольно-разъемную муфту. В качестве одной из опор вала мешалки используется нижняя опора выходного вала редуктора.

Второй опорой может быть опора качения 10, установленная в
стойке   6   аппарата     (рис.3Л   а),    или              опора   скольжения   12, установленная в нижней части корпуса аппарата.

В этих исполнениях вторая (нижняя) опора служит для восприятия радиальных нагрузок. Восприятие осевой нагрузки осуществляется радиально-упорным подшипником мотор - редуктора. В связи с тем что максимальная осевая сила, которую может одержать этот подшипник, ограничена, эти схемы используются  для аппаратов с избыточным давлением не более 0,6 МПа.

Привод с подвижным соединением валов мотор    редуктора мешалки используется в аппаратах, где условное давление достиг, 3,2 -МПа. В приводе такого типа обычно используется упругая втулочно-пальцевая или зубчатая    муфта, с помощью которой осуществляется гибкая передача вращающего момента выходного вала мотор - редуктора к валу мешалки. Вал мешалки устанавливается либо в опорах качения, которые закрепляются в стойке  привода,  либо в качестве верхней опоры используется 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. 

Подбор узлов и деталей перемешивающего устройства.

Выбор типа уплотнения.

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

Сальниковые уплотнения применяют в аппаратах для переработки нетоксичных взрыво- и пожаробезопасных сред при давлении до 0,6 МПа. Торцевые уплотнения (рис. 5) используют в аппаратах для переработки кислых и щелочных сред при давлении до: 5МПа. Размеры уплотнения выбирают при выполнении 4-го этапа работы.

Выбор типа мотор – редуктора

В качестве приводов могут быть использованы мотор - редукторы типа ВОМ, ВДМ, МПО-1 МПО-2 (рис. 6) Это агрегаты, в которых конструктивно объединены электродвигатель и редуктор. Исходными данными для выбора мотор -редуктора служат требуемая мощность мешалки Р частота ее вращения пм. По табл. выбирают типоразмер мотор - редуктора по условию Рдв > Ртр , пТ = пм, где Рдв - мощность электродвигателя; nТ - частота вращения выходного (тихоходного) вала мотор - редуктора. Требуемую мощность электродвигателя Ртр, определяют по условию

где Рм – мощность на валу мешалки, кВт; η1 – КПД подшипников, в которых установлен вал (в соответствии с конструктивной схемой подшипникового узла); η2 – КПД механической передачи (редуктора); η3 – КПД, учитывающий потери мощности в уплотнении; η4 – КПД, учитывающий потери в муфте.

Рд в≥ Ртр, Рд в – мощность двигателя.

3 > 2,74

n = 63 об/мин, P = 3кВт, МПО2 – 10, передат. число u = 22,8

Типоразмер комплект эл. дв. 4А100S4 

Выбор типа муфты

Для соединения вала мешалки с валом мотор - редуктора используют продольно-разъёмную, упругую втулочно-пальцевую или зубчатую муфты. С помощью продольно-разъёмной и зубчатой муфт возможно соединение валов одинакового диаметра, а с помощью упругой втулочно-пальцевой муфты -соединение валов разных диаметров. Тип муфты определяется конструктивной     схемой опорного узла вала.

Продольно-разъёмные муфты (рис. 7) изготовляют для диаметров валов от 30 до 125 мм. Корпус с продольным разъёмом состоит из двух полумуфт. На наружные поверхности полумуфты надевают кольца, которые стягивают шпильками и гайками. За счёт конусности наружных поверхностей полумуфты кольцами прижимаются к соединяемым валам. Концы валов обрабатывают под фиксирующее кольцо, состоящее из двух половин, скрепляемых пружинами.

Размеры муфты подбирают по диаметру вала мотор – редуктора и расчетному моменту следующим образом:

1) Определяют угловую скорость вращения вала:

2) Вычисляют вращающий момент на валу:

3) Определяют величину расчетного момента:

Размеры:

d1=115         H=140         d=40       d5=75

d2=32           H2=20         H3=20     dб= м 10

d3=38           H1=58         d4=95      m=5.5кг

Выбор стойки и опоры

Стойка имеет вид усечённого конуса, выполняемого из чугуна, с тремя опорными поверхностями. На верхней опорной поверхности монтируют мотор - редуктор, для чего в этой поверхности предусмотрены сквозные отверстия. Средняя поверхность служит для установки подшипникового узла, нижняя опорная поверхность предназначена для соединения стойки с опорой (бобышкой). Для удобства монтажа и демонтажа мотор - редуктора под опорной поверхностью предусмотрены окна размером 50x70 мм. Опора представляет собой бобышку с центральным отверстием размером d для вала и двумя рядами периферийных отверстий резьбой для крепления стойки и уплотнения. Для установки опоры эллиптических крышках путём сварки предусмотрено кольцо.

Опоры, устанавливаемые на плоских крышках, таких колец не имеют. Их приваривают непосредственно к крышке аппарата. Следует отметить, что высота стоек Н принимается конструктивно.

Выбор опор и стоек осуществляют после подбора мотор - редуктора и определения его габаритных и присоединительных размеров. По диаметру D расположения центров отверстий в опорном   фланце мотор – редуктора выбирают стойку, у которой центры отверстий в верхней опорной поверхности  выполнены на том же диаметре D. Опору с помощью болтов соединяют со стойкой. Поэтому диаметр Dm центров отверстий, выполненных на нижней опорной поверхности стойки, должен быть согласован с диаметром Dm центров отверстий с резьбой в опоре (рис 3.9, 3.10).

В опоре предусмотрено глухое отверстие D2  для установки уплотнения. Геометрические размеры уплотнения подбирают по диаметру D2 и уточняют по диаметру вала d5 на выходе из подшипникового узла, а именно: значение диаметра отверстия в уплотнении d должно быть ближайшим к значению d5.

Последовательность проектирования и расчета перемешивающего устройства

Проектирование и расчет перемешивающего устройства осуществляют в следующей последовательности:

1) выполняют проектный расчет и конструирования вала и подшипникового узла;

2) разрабатывают эскизную компоновку перемешивающего устройства;

3) выполняют проверочный расчет вала;

4) проверяют пригодность подшипников, уточняют конструкцию подшипниковых узлов.

Проектный расчет и конструирование вала и подшипникового узла

Расчет выполняется по напряжениям кручения. Целью расчета является определение наименьшего диаметра вала. Исходными данными являются мощность на валу и частота вращения мешалки.

1) Определяют угловую скорость вращения вала:

2) Вычисляют вращающий момент на валу:

3) Определяют наименьший диаметр вала:

наименьший диаметр вала равен 40 мм.

Конструирование вала и подшипникового узла

Конструкция вала определяется деталями, которые на нём крепятся, Конструктивным оформлением подшипниковых узлов и способом соединения вала перемешивающего устройства с валом редуктора.

Для соединения валов применяют разные типы муфт. Соединение вала редуктора с валом перемешивающего устройства продольно - разъёмной муфтой считают жёстким. Втулочно-пальцевая и зубчатая муфты образуют подвижное соединение валов.

Подшипниковый узел (рис. 9) состоит из корпуса внутри которого установлен один радиальный или два радиально. упорных подшипника качения. Для фиксации вала в осевом направлении предусмотрена круглая шлицевая гайка, которая предохраняется от самоотвинчивания стопорной многолапчатой шайбой. Корпус закрыт крышками, в сквозных отверстиях которых установлены манжетные уплотнения.

Рассмотрим порядок конструирования консольного вертикального вала с одним подшипником качения.

1) Верхний конец вала соединяют с валом редуктора стандартной муфтой. В случае жесткого соединения валов продольно – разъемной муфтой, его диаметр d1 рекомендуют принимать равным диаметру d выходного вала редуктора. Длину этого участка вала принимают равной l1 = (1…1.5)d1 и уточняют по размерам муфты.

2) Диаметр вала d2 под уплотнение (в крышке подшипникового узла) берут равным d1 + (4…7) мм и округляют до ближайшего стандартного из ряда: 30,32,34,36,38,40,42,45,48,50,53,56,60,67,75,80,85,90,90,95,100,105,110,120.  Длина этого участка l2 определяются конструктивно с учетом размеров верхней крышки: l2 = (b + s) + 10мм, где b – ширина манжеты, s = 5 – 8 мм – толщина крышки в месте установки манжеты. Размеры манжетных уплотнений выбираются по диаметру вала d2.

3) Диаметр участка с резьбой под шлицевую гайку d3 = d2 + (2…4) мм должен быть согласован с размером резьбы в гайке. Длинна данного участка l3 = (H + S) + 5 мм.

4) Следующий участок вала предназначен для посадки подшипника. Его диаметр d4 > d3 должен быть согласован с диаметром отверстия внутреннего кольца подшипника. На стадии эскизного проекта первоначально принимают шариковые радиально – упорные подшипники легкой серии. Длинна этого участка вала равна l4 = В + 5, где В – ширина подшипника.

5)  Для нижнего упора подшипника диаметр вала увеличивают: d5 = d4 + (6…8) мм. Длина l5 этого участка вала принимается конструктивно аналогично l2 с учетом размеров нижней крышки подшипникового узла l5 = (b + s) + 10 мм. Размеры манжеты выбираются в зависимости от диаметра d5..

6) Диаметр d6 следующего участка вала необходимо согласовать с диаметром отверстия в сальниковом или торцевом уплотнении.

7) Участок вала d7 в месте посадки мешалки принимают равным диаметру отверстия в ступице мешалки.

d1 = 40      l1 = 60     d2 = 45     l2 = 28     d3 = 48     l3 = 18.6

d4 = 50      l4 = 20     d5 = 56     l5 = 28      d6 = 50    d7 = 60

Конструирование корпуса и крышек подшипникового узла

После    определения    геометрических    размеров    ступеней    вала определяют   размеры  деталей,   входящих   в   подшипниковый узел.

Толщину стенки корпуса подшипникового узла s принимают равной 10-12 мм. Диаметр резьбы винтов da для крепления крышек к корпусу и их число z назначают в зависимости от наружного диаметра подшипника D:

Наружный диаметр крышки DK = D + 4dв. Диаметр центров отверстий под винты Dв = D + 2dв. Толщина крышки в месте установки винтов δ = 8 ± 10 мм. Толщина крышки   в  месте  установки      манжеты δ = 5 ± 8 мм. Остальные размеры крышек (рис. 10) зависят от размеров манжеты, размер l принимается конструктивно.

В конструкции, представленной на рис. 10, для удобства монтажа подшипников часть внутренней поверхности корпуса (между торцами подшипников) выполняют на 2 мм больше, чем диаметр подшипника D длина этой части корпуса равна длине распорной втулки. К корпусу приварен фланец толщиной δ = 10 мм с отверстиями d = 1.1dв для крепления подшипникового узла в стойке привода.

Разработка эскизного проекта перемешивающего устройства

Эскизную компоновку выполняют масштабе 1:1 на миллиметровой бумаге формата А2 или А1. Для получения представления о конструкции и размерах деталей перемешивающего устройства достаточно одной проекции.

Последовательность выполнения эскизного проекта:

1. Провести осевую линию в середине короткой стороны листа.

2. В верхней части листа вычертить верхнюю опорную поверхность стойки. Определить положение верхнего торца выбранной муфты. Для этого от верхней опорной поверхности стойки отложить вниз отрезок              L2 – L1.

3. От полученной линии отложить вниз отрезок, равный длине выбранной муфты L (H). Последняя линия будет являться торцом участка вала d2.

4. Отступив вниз примерно на 10 мм, провести линию, определяющую положение верхней крышки подшипникового узла, следующая линия определяет толщину крышки в месте установки манжетного уплотнения. 

5. Между              внутренней поверхностью крышки и торцом участка вала диаметром d3 оставить примерно 10 мм.

6. Вычертить контуры круглой шлицевой гайки и стопорной шайбы.

7. Вычертить по контуру подшипник.

8. От торца подшипника отложить примерно 5 – 7 мм. Этим определяется положение внутренней поверхности нижней крышки.

9. Вычертить контуры нижней крышки и участка вала диаметром d5.

10. От наружной поверхности нижней крышки отложить примерно 20 мм. Этим определяется положение торцевого уплотнения.

11. Вычертить контуры выбранного уплотнения, крышки и корпуса подшипникового узла. Уплотнение и стойку закрепить на опоре привода.

Проверочный расчет вала

Основными критериями работоспособности валов перемешивающих устройств являются виброустойчивость и прочность.

Прежде чем приступить к расчёту вала, необходимо выбрать расчётную схему и определить длину расчётных участков вала.