Подбор штуцеров и люков. Эскизы

Содержание

 

Введение  

2. Выбор материалов  
3. Расчётная часть  

3.1Расчёт геометрических размеров корпуса аппарата. Эскиз. 

    3.1.1  Оболочки, нагруженные внутренним  давлением 

    3.1.2  Оболочки, нагруженные наружным  давлением

3.2  Подбор  и расчёт привода. Эскиз 

     3.2.1  Определение мощности потребляемой  приводом  

     3.2.2  Определение расчётного крутящего  момента на валу 

     3.2.3  Определение диаметра вала 

3.3  Выбор  уплотнения. Эскиз  

3.4  Расчёт  элементов механического перемешивающего  устройства 

    3.4.1  Расчёт вала мешалки   

    3.4.2  Подбор подшипников качения. Эскиз   

    3.4.3  Расчёт рамной мешалки. Эскиз 

    3.4.4  Подбор шпонки.   

3.5  Выбор  и проверочный расчёт опор-лап аппарата. Эскиз 

3.6  Подбор  муфты. Эскиз  

3.7  Подбор фланцевого соединения. Эскиз 

4.  Подбор  штуцеров и люков. Эскизы 

5. Заключение    

6. Литература  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Быстрое развитие химической технологии и все возрастающее производство многочисленного химического оборудования, в том числе химической аппаратуры, требует создания высокоэффективных, экономичных и надежных аппаратов высокого качества, большинство из которых изготовляются из стали самой распространенной повсеместно технологией - сваркой. Выбор вида и принципиальной конструкции аппарата, определение его рабочих параметров, основных размеров, марок конструкционных материалов и других необходимых для конструктивной разработки и расчета аппарата на прочность данных производится проектировщиком (химиком-технологом) на основе выбранного процесса производства, химико-технологического расчета и особенности перерабатываемой среды. Химические аппараты предназначаются для осуществления в них химических, физических или физико-химических процессов (химическая реакция, теплообмен без изменения агрегатного состояния, испарение и т.п.), а также для хранения или перемещения в них различных химических веществ. Содержащиеся и перерабатываемые вещества в аппаратах бывают в разном агрегатном состоянии (чаще всего в жидком и газообразном), различной химической активности (по отношению к конструкционным материалам) - от инертных до весьма агрессивных, для обслуживающего персонала - от безвредных до токсичных и в эксплуатации - от безопасных до огне- и взрывоопасных. Различные химико-технологические процессы в аппаратах осуществляются при различных, свойственных каждому процессу, давлениях, и самых разнообразных температурах. Характер работы аппаратов бывает непрерывный и периодический, а установка их может быть стационарной (в помещении или на открытой площадке) и нестационарной (предусматривающей перемещение аппарата). Емкостные реакционные аппараты применяют для процессов, где основой является жидкая фаза (системы «жидкость-жидкость», «жидкость-газ», «жидкость - твердое тело»). Они, как правило, имеют перемешивающее устройство. Емкостные аппараты с мешалками используют не только как химические реакторы, но и для различных физико-химических процессов. Условия работы и конструкция емкостных аппаратов с мешалками весьма разнообразны. Внутреннее устройство в зависимости от условий работы также может быть различным. В качестве конструкционного материала для емкостных аппаратов с перемешивающими устройствами широко применяют углеродистую и кислотостойкую сталь, иногда титан и медь, реже чугун, алюминий и никель. Широко используют стальные эмалированные, футерованные и гуммированные аппараты.

 В качестве теплообменных  элементов в аппаратах с мешалками  применяют рубашки и змеевики. Рубашка конструктивно более  проста. Аппарат с рубашкой легче  очищать, однако площадь теплообмена рубашки ограничена поверхностью аппарата. Несмотря на разнообразие технологических целей, для которых применяется перемешивание, большинство из них сводится к улучшению тепло- и массообмена, получения равномерных смесей нескольких жидкостей, жидкости и твердого тела, жидкости и газа. Основная задача перемешивания - равномерное распределение вещества или температуры в перемешивающем объеме. Иногда перемешивание служит для эмульгирования одной жидкости в другой или диспергирования твердой фазы, а иногда для создания высоких скоростей среды около теплообменных поверхностей с целью интенсификации теплообмена. В настоящей работе приводится проектировочный расчет аппарата с рамной мешалкой для перемешивания глицерина при температуре 100 ^оС.

Рамные мешалки используются для  перемешивания жидкостей вязкостью  не более  мн сек/ и обогреваемых с помощью рубашки или змеевика, когда возможно выпадение осадка.

 

 

 

Рамные мешалки относятся к  числу тихоходных мешалок. Они имеют относительно большие размеры и малую скорость мешалки. При вращении эти мешалки очищают стенки и дно аппарата от налипших загрязнений. Рамная мешалка имеет форму, соответствующую внутренней форме аппарата.

При перемешивании в  механической мешалке есть 2 возможных режима - ламинарный и турнбуллентный. Ламинарный характеризуется интенсивностью перемешивания, жидкость плавно обтекает кромки лопасти мешалки, захватывается лопастями и вращается вместе с ними - перемешиваются только примыкающие к лопасти мешалки слои. С ростом числа оборотов возрастает сопротивление среды, вызванное турбулизацией пограничного слоя, и образуется турнбуллентный кормовой след в пространстве за движущимися лопастями.

Рабочая среда. Глицерин - бесцветная, вязкая, сиропообразная жидкость, без запаха, сладкая на вкус. Тяжелее воды, кипит при 290 ^оС, с водой смешивается в любых соотношениях. Мощное взрывчатое вещество. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор материала.

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.

Для таких параметров, как:

Наименование среды	Глицерин
Температура среды	100 оС
Срок службы аппарата	20 лет
Коррозионная стойкость	П=0,1 мм/год
Рабочее давление	Ри= 1,45 МПа

наиболее рациональным выбором является сталь 35ХМ, т.к. она химически и коррозионноустойчива в данной среде при данной температуре (П < 0,1 мм/год), наиболее экономически целесообразна, т.к. достаточно прочная и относительно дешёвая а т.ж. широко распространённая. Такой вид стали подходит для изготовления не только оболочки аппарата, но и мешалки и её приводного вала.

• Для корпуса – Сталь  35ХМ (ГОСТ 5632-72)
• Для мешалки и вала – Сталь 35ХМ (ГОСТ 5632-72)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.Расчёт геометрических размеров корпуса аппарата.

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

Для выполнения расчёта  предварительно необходимо определить ряд параметров.

 

Определение расчетного давления в  аппарате.

 

Расчетное давление – давление, при котором производится расчет на прочность и устойчивость элементов  корпуса аппарата. По стандарту за рабочее давление принимается внутреннее давление среды в аппарате. Расчетное давление – это рабочее давление в аппарате без учета кратковременного повышения давления при срабатывании предохранительных устройств.

 

,

где Р_и – избыточное давление среды. Задается условиями технологического процесса.

- гидростатическое давление;

ρ – плотность жидкой среды, .

.

g=9,8 - ускорение свободного падения.

Н_ж – высота столба жидкости.

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

5% Р_и =0,05 МПа

Условие Р_гидр<5% Р_и выполняется (0,0197<0,072), следовательно, гидростатическое давление не учитываем.

Расчетное внутреннее давление:

.

Расчет наружного давления для  проверки стенок корпуса на устойчивость.

 

Для элементов находящихся под  рубашкой:

,

 

 

где Р_а – атмосферное давление, Р_а=0,1МПа.

Р_о – остаточное давление. Р_о=0,02МПа.

Р_руб – избыточное давление в рубашке. Р_руб=0,35МПа.

 

 

 

Определяем  расчётную температуру. За расчётную температуру принимается температура среды в аппарате (t_расч.= t_ср=100 ^оС).

 

 

Определяем допускаемое напряжение для выбранного материала

Материал 35ХМ, ГОСТ 4543-71

 

,

где - допускаемое напряжение

- поправочный коэффициент, учитывающий  взрывоопасность среды ;

- нормативное допускаемое напряжение  . [1.С.11]

 

Поправка на коррозию:

,

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

- срок службы аппарата.

Модуль упругости легированных сталей при 100 ^оС равен: Е=2 МПа. [1.С.12]

 

3.1.1. Оболочки, нагруженные внутренним давлением

1)Расчет толщины стенки цилиндрической  обечайки:

,

где D – внутренний диаметр корпуса;

- расчетное давление;

- допускаемое напряжение;

- коэффициент прочности продольного сварного шва обечайки; для аппарата, сваренного ручной односторонней сваркой:

C – поправка на коррозию;

С₀ – прибавка для округления до стандартного значения.

 [1.С.13]

 

 

 

 

2)Расчет эллиптической крышки.

 

Для стандартных крышек исполнительная толщина стенки:

 

 [1.С.13]

 

3) Расчет конического  днища с тороидальным переходом.

Для стандартных днищ при угле конуса ^о толщина тороидальной части принимается равной толщине конического элемента:

 

,

 

где - толщина стенки конического днища, мм;

-расчетный диаметр конического  днища

  [1.С.13]

 

 

 

3.1.2. Оболочки, нагруженные наружным давлением

1). Расчёт толщины стенки цилиндрической обечайки

Коэффициент К₂ определяется по вспомогательным коэффициентам и :

  

n_у = 2.4 – коэффициент запаса устойчивости в рабочем состоянии;

Е = 1,91∙10⁵ МПа – модуль продольной расчетной упругости для материала обечайки при расчетной температуре; [1.С.12]

L – длина гладкой обечайки;

D – внутренний диаметр аппарата;

 

 

L = H₂ – H₆ = 1525 – 824 = 701 мм.

где H₂=1525 мм, H₆=824 мм [2.С.31] 

 

K₂ определяем по номограмме в учебнике Лощинского: K₂ = 0.4

[1.С.13] 

 

После предварительного определения толщины стенки обечайки проверим допускаемое наружное давление:

Допускаемое давление из условия прочности:

 

Вспомогательный коэффициент:

Допускаемое давление из условия устойчивости:

 

Определяем допускаемое наружное давление:

 

 

Для правильности последующих  расчётов, необходимо чтобы выполнялось условие:

0.43 МПа < 1,069 МПа – условие выполняется.

Эскиз корпуса представлен на рисунке 1.

 

 

 

 

 

 

 

2)Расчет конического днища.

После предварительного определения толщины стенки обечайки проверим допускаемое наружное давление:

 

                  

  Допускаемое давление из  условия прочности:

 

Допускаемое давление из условия устойчивости:

, где

 

- вспомогательный коэффициент:

, где

расчетная длина:

,

где =100 мм - диаметр нижнего штуцера [1.С.33];

=45 ^о  - угол при вершине конуса

 

Определяем  допускаемое наружное давление:

Для правильности последующих расчётов, необходимо чтобы  выполнялось условие:

 

0,55МПа 0,86МПа - условие выполняется

 

 

 

3.2 Подбор  и расчет привода

 

Тип привода подбирается  по ОСТ 26-01-1225-75 в зависимости от заданной частоты вращения и номинального давления в корпусе аппарата.

 

3.2.1.Определение мощности, потребляемой приводом

,

где N_эл.дв. – мощность, потребляемая приводом, кВт;                        

Nвых. – мощность, потребляемая на перемешивании, кВт;

- К.П.Д. подшипников, в которых  крепится вал мешалки,  [4.С.4].

- К.П.Д., учитывающий потери в  компенсирующих муфтах, [4.С.4].

- К.П.Д. механической части  привода,  [4.С.4].

- К.П.Д., учитывающий потери мощности в уплотнении, [4.С.4].

Выбираем стандартный по мощности двигатель  [1.С.15]. Для двигателя полученной мощности по таблице рекомендован привод типа 2, привод со встроенными в редуктор опорами вала мешалки. Исполнение привода – 1 (для установки на крышке). Номинальное давление в аппарате – 3,2 МПа. [1.С.14].

3.2.2.Определение расчетного  крутящего момента на валу:

,

где k_д – коэффициент динамической нагрузки для рамных мешалок k_д=2,0 [4.С.15].

3.2.3.Определение диаметра  вала.

Размер привода выбирается по диаметру вала:

,

где [τ_кр] – допускаемое напряжение при кручении, МПа.

[τ_кр]=20 МПа. [4.С.15].

 

d_станд. = 80 мм по ОСТ 26-01-1225-75. Габарит привода - 2. [1.С.19].

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 2 равно 21800 Н[1.С.23].  Действующее осевое усилие на вал привода аппарата определяется по формуле:

где d – диаметр вала в зоне уплотнения;

А_упл = – дополнительная площадь уплотнения; [4.С.22].     

G – масса вращающейся части привода;

F_м – осевая составляющая сила взаимодействия мешалки с рабочей средой.

 

G= (m_в + m_меш + m_муф) ∙g

где m_в – масса вала;

m_меш – масса мешалки, m_меш = 47 кг. [2.С.21].     

m_муф – масса муфты, m_муф = 18кг [1.С.36].     

L_в – длина вала;

ρ – плотность стали, .

где  h_м - расстояние мешалки до днища корпуса, мм; h_м = 0,3 d_м,

h_м=0.03*1250=375 мм.

L_в = 1900 +480 + 772 + 30 – 375 = 2358 мм.

G = (92,99+47+18)∙9,81 = 1549,88 H.

 

Осевая составляющая сила взаимодействия мешалки с рабочей средой находится 

по следующей формуле:

 

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

13055H < 21800 H

-1706,16H < 21800 H.

 

Условие F [F] выполняется, следовательно, привод подобран, верно, что обеспечит его нормальную работу.

 

Основные размеры привода типа 2, исполнения 1, габарита 2 определяем по      таблицам [1.С.19] и[1.С.22] в соответствии с ОСТ-26-01-1225-75.

В = 695 мм;     l₂ = 480 мм;

L = 280 мм;     S = 16мм;

H₁ =758 мм;     D = 430 мм;

h = 1375 мм;     D₁ = 540мм;

h₁ = 772 мм;     Н= 1580 мм;

m_прив = 615 кг.

 

Эскиз привода представлен на рисунке 2.

 

 

 

                                                                                                          

3.3 Выбор уплотнения.

 

 

  К данной конструкции  мешалки в качестве уплотнения выбираем торцовое уплотнение под диаметр вала d_в = 80 мм.

Торцовое уплотнение состоит из двух колец - подвижного и неподвижного, которые прижимаются  друг к другу по торцовой поверхности  пружиной. В торцовом уплотнении герметичность  обеспечивается путём контакта двух кольцевых поверхностей. Подвижное кольцо связывается с валом, неподвижное кольцо-с корпусом аппарата.

Торцовые уплотнения обладают рядом существенных преимуществ: они работают с незначительной утечкой  газа; в период нормальной работы не требуют обслуживания;

правильно подобранные  торцовые уплотнения отличаются большой  устойчивостью. Одинарное торцовое уплотнение состоит из следующих  основных деталей: сильфона, приваренного к стакану и неподвижному кольцу, вращающегося кольца и водила. Трущиеся кольца закрыты кожухом, связанным с фланцем. Водило крепится на валу аппарата и связано винтами с подвижной втулкой. В корпус сальников подаётся охлаждающая жидкость, которая служит также смазкой трущейся пары.

 

По таблице [3.С.5] определим основные размеры (мм) торцового уплотнения при d=80 мм:

D=330мм; D₁ =280мм;  D₂ =195мм;  D₃ =275мм;

 H=280мм,  H₁ =230мм;  h=70мм; 

d₁ =27мм;     m_упл.= 60 кг. 

                                                               

 

 

3.4 Расчет элементов  механического перемешивающего устройства

 

    3.4.1  Расчёт вала мешалки

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

 

 

В рассматриваемых методах расчета  валов принят ряд допущений:

1. разъемный вал, соединенный жесткой муфтой, принят эквивалентным 
   целому.
2. силовое воздействие на вал уплотнительного устройства (сальникового 
   или торцового) и податливость опор не учитываются.
3. участки вала, расположенные выше опоры, не учитываются.
4. соединительные муфты и изменение диаметра в пределах привода, 
   предусмотренные ОСТ 26-01-1225-75, не учитываются.
5. расчет жесткости консольного вала ведется по диаметру наибольшей 
   протяженности.

В качестве принципиальных схем для расчета валов вертикальных аппаратов с механическими перемешивающими устройствами приняты наиболее распространенные в практике аппаратостроения схемы конструкции однопролетных и двухпролетных консольных валов, имеющих по одной шарнирно-неподвижной опоре (сдвоенный радиально-упорный конический подшипник качения) и по одной шарнирно-подвижной опое (сферический двухрядный подшипник качения).

1)Составим  расчётную схему вала (вал консольный).

2) Проверка  вала на виброустойчивость.

Должно выполняться условие:

,

где ω₁ – первая критическая угловая скорость вала,

ω – угловая скорость вала, рад/с

 рад/с

- расчетная длина вала,м;

Е = 1,91∙10⁵ – модуль упругости для материала вала;

I – момент инерции поперечного сечения вала, м⁴;

m_в - масса единицы длины вала, кг/м; 

m_в = = = 39,44 кг/м;

– корень частного уравнения, определяется по монограмме.

Для определения корня частотного уравнения предварительно вычисляются:

-относительная координата центра  тяжести мешалки:

 

l₁ = L_в - l₂=2,358-0,8=1,558 м

-относительная масса мешалки:

 

Следовательно: =1,4

J = = = 2,01×10 ^-6 м⁴;

Определяем первую критическую  скорость:

 

ω₁ =

= 18,99 рад/с.

 

0.7∙18,99= 13,29;          6.59 рад/с<13,29 рад/с – условие выполняется.

 

     3)Расчет вала на прочность

 

Проведем расчет вала на кручение и изгиб.

Напряжение от крутящего  и изгибающего момента определяется по формулам:

=   ,  

= ,

Расчётный изгибающий момент М действия приведённой центробежной силы F_ц

определяется в зависимости  от расчётной схемы вала. Приведённая  центробежная сила (Н) определяется по формуле:

F_ц = m_пр. ²  r ,

где  m_пр. - приведенная сосредоточенная масса вала и перемешивающего устройства, кг;

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

Приведённая сосредоточенная  масса вала и перемешивающего  устройства (кг) определяется по формулам:

m_пр. = m_меш. + q  m_в  L_в ,

где   m_меш. - масса мешалки, кг; m_меш. = 47,0 кг;

m_в. - единичная масса вала, кг/м; m_в. = 39,44 кг/м;

L_в - длина вала, м; L_в = 2,358 м ;

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

q = ,

где  а₁ - относительная   координата   центра   тяжести   мешалки;   а₁ = 0, 85;

q = = 0,24

m_пр. = 47 + 0,24 × 39,44 × 2,358 =54,06 кг.

Радиус r определяем из формулы:

,

где  - эксцентриситет массы перемешивающего устройства с учётом биения вала, м;

е + 0,5×δ ,

где  е - эксцентриситет  центра  массы   перемешивающего  устройства, е = 0,14…0,2 мм;

δ - допускаемое биение вала; δ = 10 ^-3м.

0,2 × 10 ^-3 + 0,5 ×  10 ^-3 = 0,0007 м,

,

Определяем  центробежную силу:

F_ц = 54,06×6,59 ² × 0,001 = 2,347 Н.

Для определения максимального  изгибающего момента М, действующего на вал, найдём реакции в опорах R_А и R_В:

:

R_В = = 11,53 Н

:

R_А = = 9,18Н ;

 

 

Проверка:

-R_A + R_B – F_ц = 0

-9,18+11,53-2,347=0 - верно

M_A = 0

M_B = l₂∙R_B = 0.48∙11,53= 5,53 H∙м

МПа;

 

 

31,02МПа < 270МПа – условие выполняется.

 

4)Расчет  вала на жесткость

 

Расчет вала на жесткость  заключается в определении допускаемой  величины прогиба. Производится из следующего условия:

  ƒ_max. £ [ƒ] ,

где  [ƒ] – допускаемый прогиб вала, в том месте, где вал входит в аппарат (в уплотнение), мм;  [ƒ] = 0,1 мм;

ƒ ,

где I – осевой момент инерции сечения вала, м ⁴;

х = h₁ = 772 мм;    l₂ = 480 мм;   l₁ =2748 мм

ƒ

0,0076 мм<0,1 мм - условие выполняется.

Определим угол поворота в сферическом подшипнике:

,

При этом необходимо, чтобы  выполнялось условие q_В £ [q], где наибольший допускаемый угол поворота для радиальных сферических шарикоподшипников  [q] = 0,05рад.

0,002 рад < 0,05 рад - условие выполняется.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.2 Подбор  подшипников качения.

 

Опора А:  Выбираем шарикоподшипники радиально-упорные легкой серии  тип 46216 (ГОСТ 831-75).

Диаметр 80 мм;

; кН [24.15.С.464]

Определяем эквивалентную нагрузку по формуле:

,

где - коэффициент безопасности [7.6.С.118];

(при t 100 ^оС) - температурный коэффициент;

V=1- коэффициент вращения кольца;

Х - коэффициент радиальной нагрузки;

Y - коэффициент осевой нагрузки.

> е  Х=0,41, Y=0,87 [7.2.С.113]