Проектирование аппарата с мешалкой

Содержание

Введение

      Аппараты  с мешалками широко используются в химической и многих других отраслях промышленности. В аппаратах этого типа проводятся многие гидромеханические и массообменные процессы в одно – и многофазных средах (растворах, эмульсиях, суспензиях). В качестве рабочей среды используются вещества с различными свойствами, в том числе агрессивные, взрывопожароопасные и токсичные. Процессы обычно проводятся при повышенных температурах, при избыточном давлении или вакууме. Перемешивание обеспечивает интенсификацию процессов тепло – и массообмена и часто является необходимым условием эффективного течения химических реакций. Конструкция аппарата должна обеспечивать его надёжную работу в заданном технологическом режиме в течение заданного срока службы. Химически аппараты подлежат периодическим проверкам и планово – предупредительным ремонтам.

      Аппараты  могут быть вертикальными и горизонтальными. Основными элементами аппарата является корпус и механическое перемешивающее устройство.  Корпуса аппаратов  стандартизованы (ГОСТ 9931-85). Типы и  основные параметры вертикальных аппаратов  с мешалками объёмом от 0,01 до 100 м3 регламентируются ГОСТ 20680-86. Установлен ряд номинальных объёмов и соответствующие значения высоты корпуса Н и его внутреннего диаметра D.

      Под корпусом аппарата понимают герметически закрытый сосуд, находящийся под  давлением, в котором осуществляется перемешивание. Корпусы вертикальных аппаратов выполняются по ГОСТ 9931-85 и могут быть двух типов:  ВЭЭ (вертикальный, эллиптическое днище, эллиптическая крышка). ВКЭ (вертикальный, коническое днище, эллиптическая крышка). Цилиндрическая оболочка корпуса называется обечайкой. Корпусы изготавливают двух исполнений: цельносварные или с отъёмной крышкой. В последнем случае для крепления крышки используется фланцевое соединение, которое обеспечивает  герметичность разъёмного соединения крышки с корпусом. Отъёмная крышка позволяет проводить монтажные и ремонтные работы внутри корпуса. В приводимых примерах днища корпусов приварные. Переход от цилиндрической части к коническому или эллиптическому днищу должен быть плавным, что обеспечивается при помощи специального элемента (участка оболочки) – отбортовки. 

      Отбортовка  уменьшает дополнительные напряжения, возникающие в зоне сопряжения оболочек с различными радиусами кривизны, и позволяет вынести сварной  шов из этой зоны.

      Для подачи или отвода тепла, а, следовательно, и для поддержания заданной температуры рабочей среды корпус аппарата оснащается теплообменными устройствами – наружными в виде теплообменной рубашки или внутренними в виде змеевика. Для загрузки исходных компонентов, отвода готовых продуктов, подвода теплоносителя, ввода датчиков контрольно – измерительных приборов используется штуцеры, расположенные на крышке, на обечайке и на днище. Люк используется для осмотра и проникновения человека внутрь корпуса с целью проведения ремонтных работ. В аппаратах с приварной крышкой  люк - лаз  диаметром не менее 400 мм предназначен для монтажа мешалки и ремонтных работ. В корпусе аппарата, могут устанавливаться различные внутренние устройства, например, четыре отражательных перегородки, которые предотвращают образование центральной воронки в перемешиваемой среде и интенсифицируют процесс перемешивания; труба передавливания используется для вывода продуктов через крышку аппарата за счет избыточного давления в корпусе. Аппараты устанавливаются на фундамент при помощи опор - лап или при помощи опор стоек. Применение того или иного вида опор диктуется высотой цеха (стандартная высота помещения 6 м), или же особенностями размещения технологической аппаратуры на нескольких уровнях цеха.

Механические  перемешивающие устройства (МПУ) всех аппаратов представляют собой конструкции, состоящие из привода, вала и мешалки. Привод перемешивающего устройства аппаратов состоит из электродвигателя, механической передачи в виде редуктора (зубчатой передачи) или ременной передачи и стойки привода. Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую. Редуктор или ременная передача  передают вращательное движение от вала электродвигателя с понижением скорости вращения и увеличением крутящего момента на выходном валу  привода. Стопка привода, объединяя их в единый агрегат, служит для крепления элементов МПУ. Выходной вал редуктора или мотор редуктора при помощи муфты  продольно - разъемной или фланцевой соединяется с валом. На конце вала установлена мешалка: трехлопастная, лопастная, рамная, турбинная открытая. Мешалка при вращении передает механическую энергию в перемешиваемую среду. Валы мешалок устанавливаются в стойках привода при помощи подшипников качения. В некоторых случаях для повышения виброустойчивости вала применяется концевой подшипник, на который опирается нижний конец вала. Герметичность вращающегося вала обеспечивается уплотнением (сальниковым или торцовым), которое крепится к крышке аппарата. Тип уплотнения зависит от величины давления в аппарате и от свойств рабочей среды.

1. Цель  и задачи проекта

  Цель  курсового проекта – развитие навыков практического применения знаний, полученных студентами в ходе изучения цикла общеинженерных дисциплин.

  С учётом характера будущей инженерной деятельности, тема курсового проекта “Проектирование аппарата с мешалкой”. Аппарат с мешалкой – один из наиболее распространённых видов химико–технологического оборудования. Он состоит из типовых элементов, встречающихся во многих аппаратах различного назначения: корпус, привод, теплообменные устройства, фланцевые соединения, уплотнения валов и д.р. Методики расчётов, использующихся при проектировании аппарата с мешалкой, типичны для многих других видов оборудования.

  При выполнении курсового проекта студенты решают следующие основные задачи:

• освоение основ методики проектирования;
• выбор материалов и конструирование оформление аппарата в соответствии с заданными технологическими параметрами процесса;
• грамотное использование общероссийских и отраслевых нормативных материалов (ГОСТы, ОСТы, правила Госгортехнадзора и т.п.), касающихся устройства, выбора рабочих параметров и правил эксплуатации оборудования предприятий химической промышленности;
• выполнение проектных и проверочных расчётов, позволяющих выявить соответствие аппарата требованиям эксплуатации (при этом особое внимание следует обращать на вскрытие резервов повышения несущей способности стандартизованных элементов и производительности оборудования);
• грамотные доклад и защиту принятых технических решений на заседании комиссии по приёму курсовых проектов.

  Курсовой  проект является самостоятельной работой  студента, который несёт полную ответственность  за её качество (правильность расчётов, оформление чертежей, чёткий доклад при  защите проекта) и своевременность выполнения всех этапов работ. Преподаватель – руководитель проекта направляет работу студента, консультирует по неясным вопросам, определяет степень завершенности отдельных этапов проектирования.  Этапы проектирования устанавливаются преподавателем в соответствии с календарным планом учебной дисциплины прикладная механика. При систематическом несоблюдении установленного кафедрой графика работ студент самостоятельно выполняет этапы курсового проекта. В этом случае преподаватель лишь оценивает готовность проекта к защите.

2. Эскизный  проект

1. Выбор конструкционных  материалов

     Экономичность изготовления и надёжность в работе аппарата с мешалкой в значительной мере зависят от правильного выбора материалов. В проекте материалы  подбираются для тех элементов, которые рассчитываются по главным критериям работоспособности. Первоначально подбирается основной конструкционный материал для корпуса, змеевика, опор, вала и т.д. Материалы для изготовления уплотнительных прокладок, болтов, шпилек можно выбирать при выполнении соответствующего раздела.

При выборе марки стали, прежде всего, учитывается  ее коррозионная стойкость в рабочей  среде. Рекомендуется применять  углеродистые или легированные стали  со скоростью коррозии не более 0,1 мм/год, т.е. вполне стойкие.

В соответствии с техническим заданием, используя при этом  справочные таблицы [1, таблицы Б.1, Б.1а, Б.5, Б.6, с.106-114], подбираем конструкционные материалы для соответствующих элементов аппарата с мешалкой.

Среда в аппарате – глицерин.

Марки материалов выбранных для изготовления аппарата приведены в таблице 1. 

2. Определение расчётной температуры

Механические  характеристики материалов существенно  изменяются в зависимости от температуры.

Расчётная температура стенки – температура, при которой определяются физико-механические характеристики, допускаемые напряжения и проводится расчёт на прочность элементов сосуда.

При положительных  температурах за расчётную температуру  стенки элемента аппарата следует принимать  наибольшее значение температуры. Таким  образом,

     t_P = t_C = 20 ⁰С,      (1)

где  t_P – расчётная температура стенок корпуса аппарата, ⁰С;

       t_C – температура среды, соприкасающейся со стенкой аппарата, ⁰С.

Для элементов  аппарата не имеющих контакта с рабочей  средой t_P = 20 ⁰С. 

3. Выбор допускаемых напряжений конструкционного материала

Допускаемые напряжения для рабочих условий  определяются по формуле:

     [σ] = η₁ · η₂ · σ*,     (2)

где  σ* - нормативное допускаемое напряжение при расчётной температуре для выбранного материала;

     η₁ – поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки рассчитываемого элемента;

     η₂ – поправочный коэффициент, учитывающий взрыво- и пожароопасность среды.

Для изготовления корпуса аппарата, опор, вала, мешалки  и других элементов используются заготовки из проката, для которых  η₁ =1 [1, c. 21].

     Среда в аппарате – глицерин – пожаробезопасная, поэтому принимаем  η₂ =1.

      В соответствии со справочными таблицами  определим для выбранных  материалов нормативные допускаемые напряжения при расчетной температуре и  при температуре 20°С [1, таблица Б.2, с.110-111], затем по формуле (2) определим допускаемые напряжения. Результаты вычислений приведены в таблице 1. 

Таблица 1. Материалы и допускаемые напряжения элементов аппарата

4. Определение рабочего, расчётного, пробного и условного давлений

  Рабочее давление – максимальное внутреннее избыточное p_И давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса без учёта гидростатического давления среды и без учёта допустимого кратковременного повышения давления во время срабатывания предохранительного клапана или других предохранительных устройств.

     p_И = 0.8 МПа 

     Расчётное внутреннее давление p_РВ – давление на которое производится расчёт на прочность. Расчётное давление принимают, как правило, равным рабочему или выше него.

     p_РВ = p_И + p_Г      (3)

     p_Г = ρ_С · g · H_C     (4)

где  p_И, p_Г – соответственно рабочее и гидростатическое давление, Па;

     ρ_С – плотность рабочей среды, кг/м³;

     g = 9.81 – ускорение свободного падения, м/с²;

     H_C – уровень жидкости в аппарате, м.

     p_Г = ρ_С · g · H_C = 1200 · 9,81 · 2.6 = 0.03 МПа,

Гидростатическое  давление составляет менее 5% от рабочего

                        p_Г / р_И = 0.1,

поэтому при  дальнейшем расчете учитывается [1, с.22]

p_РВ = p_И = 0,8 МПа;  

     Наружное  давление – основная нагрузка для тех элементов аппаратов, которые находятся под рубашкой или работают при остаточном давлении, т.е. под вакуумом.

     Расчётное наружное давление – p_РН определяется по формуле:

     p_РН = p_a – p₀      (5)

где  p_a = 10⁵ – атмосферное давление, Па;

        p₀ – остаточное давление в корпусе, Па;

     p_РН = 0.1·10⁶ – 0,05 · 10⁶ = 0,05 · 10⁶ Па.  

     Пробное давление p_ПР – максимальное избыточное давление, создаваемое при гидравлических (пневматических) испытаниях сосудов и аппаратов с целью проверки их на прочность и герметичность. Проверку проводят в соответствии с требованиями Госгортехнадзора на заводе изготовителе и на предприятии при периодическом освидетельствовании.

     Пробное давление определяется по формуле

                              p_ПР = 1,25 · р_РВ · [σ]₂₀ / [σ],    (6)

     Отношение [σ]₂₀ / [σ] принимается по тому из использованных материалов элементов (корпуса, фланцев, крепежа, штуцеров) сосуда,  для которого оно является наименьшим.

     p_ПР = 1,25 · 0.8 · 146 / 146 =  1  МПа 

     Условное  давление p_У – расчётное давление при температуре 20 ⁰С, используемое при выборе и расчёте на прочность стандартных элементов аппарата (узлов, деталей, арматуры). Условное давление рассчитывается по формуле:

                              p_У ≥ р_РВ · [σ]₂₀ / [σ]     (7)

                        p_У ≥ 0.8 · 146 / 146 =  0,8 МПа

Выбираем из стандартного ряда ближайшее большее  значение p_У = 1,0 МПа [1, с.24].

     Для удобства использования определенных величин при дальнейшем расчете  все рассчитанные значения давлений сведем в таблицу 2. 

       Таблица 2. Расчетное, пробное,  условное давление в аппарате

5. Выбор и определение  параметров комплектующих  элементов

Для уменьшения трудоемкости работы и исключения последующих  ошибок выбирая типовые элементы аппарата, используется алгоритм, приведенный в [1, с.25]. Основные характеристики выбранных элементов приведены в таблицах 3 - 14.

1. Корпус аппарата – корпус ВКЭ-1-6,3-1800 ГОСТ 9931-85 по ГОСТ 9931-85 [1, таблица В.7, с.128].

     Эскиз корпуса аппарата приведен на рис.1, основные размеры в таблице 3

                              Рисунок 1. Корпус аппарата

Таблица 3. Размеры  корпуса аппарата

Таблица 3. Продолжение

2. Крышка  – днище эллиптическое отбортованное ГОСТ 6533-78

Внутренний диаметр  D =1800мм, высота отбортовки h₁ = 40мм. [1, таблица В.9, с.132].

h = 0.25D = 450 мм.

Рисунок 2. Крышка корпуса

3. Днище корпуса – днище коническое отбортованное ГОСТ 12619-78

Внутренний диаметр  D =1800 мм, высота отбортовки h₃ = 50мм. [1, таблица В.10, с.132].

r = 200 мм; h2 = 982 мм, s = 6мм

Рисунок 3. Днище корпуса 

4. Размещение  и размеры штуцеров [1, таблица В.11, с.134].

Таблица 4. Диаметры условного прохода штуцеров и  люка на корпусе и рубашке

Рисунок 4. Схема расположения штуцеров, опор, цапф

Рисунок 5. Штуцер

Таблица 5. Размеры  штуцеров по АТК 24.218.06-90 [1, таблица В.12, с.137] Py = 1,0МПа

5. Люк – люк 2-400-1,0 ОСТ 26-2004-83 15Х5М по ГОСТ 20072-74

Таблица 6. Размеры люка [1, таблица В.15, с.143]

Рисунок 6. Люк аппарата 

6. Устройство строповое для монтажа  корпуса аппарата – цапфа 4-1-40-1000 ГОСТ 13716-73 15Х5М по ГОСТ 20072-74

Исходя  из номинального объема аппарата (V=6,3м³) можно предварительно выбрать размеры цапф с последующим уточнением по расчету [1, таблица В.13, с.139].

Радиус  кривизны поверхности кольца R=1000мм., т.к. внутренний диаметр корпуса D_В=1800мм 

Таблица 7. Размеры  цапф