Проектирование и расчет химического аппарата с рамной мешалкой

Федеральное агентство по образованию

Российской Федерации

Казанский Государственный Технологический Университет

Пояснительная записка к курсовому проекту

по деталям машин

АВР 061.00. 00. ПЗ

Проектирование и расчет химического аппарата с рамной мешалкой

Задание на проектирование

Таблица 1.Параметры проектируемого аппарата.

№	Характеристика аппарата	Давление в аппарате, МПа	Давление в рубашке, МПа
	Внутренний объем, м3	Внутренний диаметр, мм	Тип	Исполнение
61	2	1200	ВЭП	2	1	0,15

№	Параметры среды	Параметры мешалки
	Наимено-вание	Темпера- тура	Концен-трация, %	Диаметр, мм	Частота враще-ния, об/мин	Мощ-ность на валу, кВт	Тип
61	Толуол	25	100	950	16	0,5	Рамная

1. Выбор и расчет элементов корпуса

1.1 Цилиндрические обечайки

Расчет на прочность и устойчивость проводится по ГОСТ 14249-89.

1.1.1 Расчет обечаек, нагруженных внутренним избыточным давлением

Толщина стенки определяется по формуле

Допустимое внутреннее избыточное давление ,

где Р-давление в аппарате, МПа; S_R-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. Для стыковых и тавровых двусторонних швов, выполняемых автоматической сваркой, коэффициент прочности сварного шва , для тех же швов, выполняемых вручную, .

Прибавка на коррозию С определяется по формуле С=V•T, где V-скорость коррозии(обычно принимают 0,1-0,2 мм/год), Т-срок службы аппарата(обычно принимают 10-12 лет). Для материалов, стойких к перерабатываемой среде, при отсутствии данных о проницаемости рекомендуют принимать С=2 мм.

Согласно таблице коррозионной стойкости материалов для толуола выбираем марку стали ВСт3, которая к данной среде устойчива к коррозии даже при 100°С.Нормативное допускаемое напряжение для данной стали возьмем при 100°С

=134 МПа. Коэффициент прочности сварного шва примем .



Срок службы 10 лет. Скорость коррозии 0,2 мм/год. Прибавка на коррозию С=V•T=0,2•10=2 мм/год

;.

Толщину стенки, вычисленную по этой формуле, округляют в сторону увеличения до ближайшей стандартной толщины листа (4, 6, 8, 10, 12, 14, 18, 20 мм). Примем S=8 мм.

Условие надежной эксплуатации (1,0 Мпа < 1,33 Мпа)соблюдается.

1.1.2 Расчет обечаек, нагруженных наружным избыточным давлением

Расчет обечаек, нагруженных наружным избыточным давлением, заключается в определении допускаемого наружного давления, т.к толщина стенки обечайки была определена ранее.

Допускаемое наружное давление:, где допускаемое давление, соответствующее условию прочности .

Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругих деформаций , где Е-модуль упругости, n_и - коэффициент устойчивости(для рабочих условий n_и=2,4), l_R-расчетная длина обечайки. Для аппаратов типа ВЭП : , где l-длина цилиндрической части корпуса; h_ц - высота отбортовки днища, H_D-высота днища.

Е=1,91•10⁵ МПа

l=1065 мм

H_D=300 мм

h_ц =25 мм

Условие надежной эксплуатации (0,15Мпа < 0,26Мпа) соблюдается.

1.2 Днища и крышки приварные

Толщина стенки эллиптического днища, нагруженного внутренним давлением определяется по формулам

. Тогда

Примем S=8 мм.

Толщина днища, нагруженного наружным давлением определяется по формулам

.Тогда

Примем S=8 мм.

Толщину необходимо проверить по формуле . В этом случае допускаемое наружное давление из условия прочности , а допускаемое наружное давление из условия устойчивости в пределах упругих деформаций.

Условие надежной эксплуатации (0,15 МПа < 0,34 МПа) соблюдается.

1.3 Расчет элементов рубашки

Толщину стенки цилиндрической части рубашки определяют по формуле

. Эллиптическое днище рассчитывают по формуле

. В качестве расчетного давления принимают давление в рубашке. Для корпусов с внутренним диаметром D ? 1800 мм диаметр рубашки принимают больше диаметра D на 100 мм.

,

Примем S=4 мм.

Допустимое внутреннее избыточное давление ,

Условие надежной эксплуатации (0,15 МПа < 0,41 МПа) соблюдается.

1.4 Крышки отъемные

Отъемные крышки присоединяются к корпусу аппарата с помощью фланцев.



мм,

1.5 Фланцевые соединения

Выбираем фланцы плоские приварные с гладкой уплотнительной поверхностью, т.к их применяют при Р ? 25 МПа и t ? 300°С

(0,6 МПа<25 МПа и 60°С< 300°С). Размеры фланцев выбирают по внутреннему диаметру аппарата и условному давлению:

Таблица 2.Фланцы для аппаратов стальные плоские приварные исполнения 2

(с гладкой исполнительной поверхностью ОСТ 26-426-82).

D, мм	Ру, МПа	Размеры, мм	Число отверстий, z
		Dф	Dб	D1	h	s	d
1200	1,0	1350	1310	1268	60	12	23	56

Примечание: d_б=М20



Рис.1. Фланец с гладкой уплотнительной поверхностью.

Для уплотнения во фланцах применяют прокладки различной конструкции. Плоские неметаллические прокладки применяют для уплотнения гладких поверхностей фланцев. Выберем прокладки из асбестового картона, т.к их применяют в диапазоне температур до 550°С и давлении до 1,6 МПа. Размеры прокладок выбирают по внутреннему диаметру аппарата и условному давлению:

Таблица 3. Прокладки из неметаллических материалов для стандартных фланцевых соединений стальных аппаратов(ОСТ 26-430-79).

D, мм	Dn для прокладок на 1.6 МПа, мм	dn для прокладок на 1.6 МПа, мм
1200	1267	1230

Толщина прокладок из асбестового картона h=2 мм.

Рис.2.Конструкция неметаллической прокладки.

Фланцы и прокладки, подобранные по стандартам в расчете не нуждаются.

При конструировании аппаратов выполняется проверочный расчет болтов в соответствии с ОСТ 26-373-82 по следующей методике:

1. Определим нагрузку, действующую на фланцевое соединение от внутреннего давления Р: , где средний диаметр прокладки .

2. Реакция прокладки , где b₀-эффективная ширина прокладки(b₀=0,5 b_n -при ширине прокладки b_n=0,5(D_n-d_n) ?15мм и при b_n>15мм), m=2,5 для прокладок из асбеста.

B_n=0,5(D_n-d_n)=0,5(1267-1230)=18,5мм, значит

3. Определим болтовую нагрузку при сборке . Это значение выбирают наибольшим из трех.

а), где q=20 МПа - для асбеста.

б) , где -допускаемое напряжение для материала болта при 20°С, -площадь поперечного сечения болта(мм²), -число болтов, равное числу отверстий Z во фланце. Материал болтов сталь ВСт3



в)

Выбираем .

4. Проверяем прочность болтов при монтаже по условию:

N_Б=56

5. Проверяем прочность болтов в период эксплуатации по условию:, где ,болтовая нагрузка в рабочих условиях .

1.6 Выбор штуцеров

Выбираем штуцера с плоскими приваренными фланцами(гладкая уплотнительная поверхность) ,т.к их применяют при t?300°С и давлении до 1,6 МПа. Размеры штуцеров выбирают по внутреннему диаметру аппарата и условному давлению :

Таблица 4. Диаметры условного прохода и установочные размеры штуцеров.

Внутренний диаметр аппарата, мм	Диаметры условного прохода Dу, мм	Установочные размеры, мм
	А	Б	В	Г	Е	Ж	И	К,К1	Л	М	D2	R1	R2	l1
1200	100	80	80	80		50	100	50	100	50	900	500	500	200

Таблица 5. Размеры штуцеров с фланцами стальными плоскими приварными (ОСТ 26-1404-76).

Ру, Мпа	Dу, мм	dт, мм	Размеры, мм	Число отверстий, z	Sт , мм	Нт , мм	Н , мм
			Dф	Dб	D1	h	d
1,0	50	57	130	110	90	13	14	4	3	155	120
	80	89	185	150	128	15	18	4	3	155	120
	100	108	205	170	148	15	18	4	4	155	120

Таблица 6. Диаметр резьбы болтов(шпилек) штуцерных фланцев.

d, мм	14	18
dб, мм	М12	М16

Рис.3.Расположение штуцеров на плоской крышке.



Рис.4.Расположение штуцеров на эллиптическом днище.

Рис.5. Конструкция штуцера с плоским приваренным фланцем.

1.7 Опоры аппаратов

1. Количество опор - 2(лапы-опоры 1 типа для аппаратов с рубашками без теплоизоляции).

2. Вес металла, из которого изготовлен аппарат: ,

где внутренняя поверхность корпуса F=13,4м², S=0,012м-исполнительная толщина стенок, -удельный вес металла. Коэффициент 1,1 учитывает вес фланцев, штуцеров и т.д.

3. Вес металлоконструкций, установленных на крышке аппарата:

4. Вес воды, заполняющей аппарат при гидравлических испытаниях:

, где V=2м³-внутренний объем аппарата, -удельный вес воды.

5. Максимальная нагрузка на одну опору:, где z=2-число опор,(при z=2).

Выбираем опоры по условию :

Таблица 7. Основные размеры(в мм)опор(лап) для вертикальных аппаратов, ОСТ 26-665-79.

Q, кН	а	а1	в	h	h1	S	К	K1	d	dб	fмах
25	125	155	155	295	16	8	25	40	24	М20	40

Рис.6. Конструкция лап.

2. Выбор и расчет комплектующих элементов привода

2.1 Выбор типа мотор-редуктора

Номинальная мощность электродвигателя должна быть не менее потребляемой: , где -мощность электродвигателя, кВт, -мощность на валу мешалки, кВт. По таблице 3.1 по частоте вращения тихоходного вала n=16об/мин определяем, что мотор-редуктор типа МПО2. Значения КПД элементов привода: -КПД механической передачи редуктора, -КПД подшипников качения, в которых крепится вал мешалки, -КПД, учитывающий потери мощности в торцевом уплотнении, -КПД, учитывающий потери в компенсирующих муфтах.

.

Выбираем мотор-редуктор

МПО2-10(мощность 0,8 кВт).

Таблица 8. Технические данные мотор-редуктора МПО2-10

Число оборотов тихоходного вала, об/мин	Мощность Р, кВт	Передаточное число	Типоразмер комплектующего электродвигателя
16	0,8	81,6	4А71В4

Таблица 9. Основные размеры (в мм) мотор-редуктора МПО2-10:

D1	D	D2	L1	L2	L3	L4	L5	d2	d1
270	300	330	80	110	16	6	430	М14	40

Таблица 10. Габаритные размеры (в мм) двигателей серии 4А по ГОСТ 19523-81 :

Типоразмер двигателя	71В
Lдв	285
Dдв	200

Рис.7. Мотор-редуктор МПО2-10.

2.2 Выбор типа муфты

1. Угловая скорость вращения вала: , где n-частота вращения мешалки.

1. Вращающий момент на валу:, где Р - мощность на валу мешалки, кВт.

2. Величина расчетного момента: , где -коэффициент режима работы, учитывающий условия эксплуатации( для рамных мешалок).

Выбираем втулочно-пальцевую муфту:

Таблица 11. Основные размеры втулочно-пальцевых муфт

(ГОСТ 21424-75), мм.

d		d1	D	L	l	B	С
40	510	80	170	226	100	55	6

Рис.8. Конструкция втулочно-пальцевой муфты.

2.3 Выбор стойки и опоры

По диаметру D расположения центров отверстий в опорном фланце(опорной поверхности) мотор-редуктора выбирают стойку, у которой центры отверстий в верхней опорной поверхности выполнены на том же диаметре D. Опору с помощью шпилек и гаек соединяют со стойкой. Поэтому диаметр центров отверстий под шпильки, выполненных на нижней опорной поверхности стойки, должен быть согласован с диаметром центров отверстий с резьбой в опоре.

Таблица 12. Размеры стойки под редуктор (в мм) :

№ стойки	D0	D1		D2	D3	D	B	Н	h	h1	S
2	670	500	610	270	330	300	360	650	24	28	12

Примечание: Высота стоек Н принимается конструктивно, поэтому в таблице указана минимальная высота Н.

Таблица 13. Размеры опоры под стойку (в мм):

№ опоры	d	D	D1	D2			B	d1	h	h1
2	50	670	500	148	170	610	360	70	22	40

Рис.9. Стойка под редуктор.



Рис.10. Опора под стойку.

2.4 Выбор уплотнения

Выбираем торцевое уплотнение(торцевые уплотнения применяются при переработке взрывоопасных сред при давлении до 2,5 МПа), т.к среда взрывоопасная, а давление 1,0 МПа.

В опоре предусмотрен ряд отверстий с резьбой М16 для установки уплотнения. Геометрические размеры уплотнения подбираются по диаметру вала в месте его входа в крышку и по диаметру центров отверстий с резьбой в опоре, который должен быть равен диаметру D₁ в уплотнении .

Таблица 14. Параметры и размеры торцевых уплотнений (в мм),

ОСТ 26-01-1243-81:

Тип уплотнения	Р, МПа	d	D	D1	D2	Н	Н1	h	Масса. кг
УТ 5016	1,6	50	205	170	148	240	210	46	10,4



Рис.11. Конструкция торцевого уплотнения.

3. Проектирование и расчет перемешивающего устройства

3.1 Определение размеров мешалки

Таблица 15. Размеры (в мм) рамных мешалок по ГОСТ 26-01-1245-83:

dм	d1	h	H	H1	H3	H4	H5	b	s	Масса, кг
950	45	90	950	360	1000	450	300	70	10	22

Положение ступицы мешалки на валу определяется расстоянием h_м от середины ступицы до днища аппарата. Для корпусов с эллиптическими днищами рамную мешалку располагают на расстоянии h_м , равном 0,1 диаметра мешалки. d_м=950 мм.

3.2 Проектный расчет вала

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

Угловая скорость вала: , где n-частота вращения мешалки.

Вращающий момент на валу:, где Р - мощность на валу мешалки, кВт.

Наименьший диаметр вала:. Здесь .

3.3 Конструирование вала и подшипникового узла

1. d₁=40 мм, .

2. d₂=d₁+(4…8)мм, d₂=d₁+4=44 мм

Размеры манжет выбирают по диаметру вала d₂:

Таблица 16.Резиновые армированные манжеты для валов(ГОСТ 8752-79). Основные размеры (в мм).

Диаметр вала d	Dупл	в
44	62	10

Толщина крышки S в месте установки манжеты S=8 мм.

3.d₃=d₂+(2…4)мм, d₃=d₂+4=44+4=48 мм.

Размеры гайки:

Таблица 17.Гайки круглые шлицевые, мм. ГОСТ 11871-80.

Резьба d	D	D1	Н	в	h	С
М48Ч1,5	75	60	12	8	4	1,6

Размеры шайбы стопорной многолапчатой

Таблица 18.Шайбы стопорные многолапчатые, мм. ГОСТ 11872-80.

Резьба d	d1	D	D1	l	в	h	S
М48Ч1,5	48,5	77	60	45	7,8	6	1,6

3. d₄>d₃, d₄=60 мм ,

Таблица 19. Размеры шарикоподшипников радиально-упорных однорядных ГОСТ 831-75:

Условное обозначение	Размеры, мм	Грузоподъемность, кН
		Динамическая Сr	Статическая С0
46211	d	D	B	50,3	31,5
	55	100	21

Рис.12. Подшипник радиально-упорный шариковый.

4. d_вт = d₄+(6…8)=55+8=63мм

5. d₅ ?d_{вт ,} d₅=60мм.

Размеры манжет выбирают по диаметру вала d₅ :

мешалка штуцер привод проектирование

Таблица 20.Резиновые армированные манжеты для валов(ГОСТ 8752-79). Основные размеры (в мм).

Диаметр вала d	Dупл	в
60	80	10

6. d₆ =50мм

7. d₇=d_ст=45мм.

3.4 Конструирование корпуса и крышек подшипникового узла

Толщина стенки корпуса . Диаметр d_в и число винтов z для крепления крышек к корпусу назначают в зависимости от диаметра отверстия под подшипник (равного наружному диаметру подшипника):

Таблица 21.

D, мм	dв	z
100-140	10	6

Наружный диаметр крышки . Диаметр центров отверстий под винты . Толщина крышки в месте установки винтов .

Таблица 22. Размеры винтов с цилиндрической головкой ГОСТ 1491-80:

d	D	H	l	l0
10	16	6	20-70	l0=l при l?30 l0=26 при l?35



Рис.13. Крышка подшипникового узла.

3.5 Проверочный расчет вала

Основными критериями работоспособности валов перемешивающих устройств является виброустойчивость и прочность.

3.5.1 Выбор расчетной схемы

Выбираем подвижное соединение валов мотор-редуктора и мешалки втулочно-пальцевой муфтой. Т.к. при этом вал опирается на два радиально-упорных подшипника качения, установленных в стойке привода, то такому конструктивному решению соответствует расчетная схема 3.

3.5.2 Определение длины расчетных участков для схемы 3

Длина вала определяется от середины верхнего подшипника до середины ступицы мешалки. Длина -длина участка вала от середины ступицы мешалки до середины нижнего подшипника. -расстояние от середины нижнего подшипника до середины верхнего подшипника. =131 мм, =1401 мм.

3.5.3 Расчет на виброустойчивость

1. Масса единицы длины вала: , где -плотность материала вала, d-диаметр вала в месте установки уплотнительного устройства, м.

2. Момент инерции поперечного сечения вала ,

3. Коэффициенты: , , где М_м - масса мешалки, кг; , L-значение длины соответствующих участков вала в метрах. ,

4. Определим коэффициент Критическая скорость вала , где -модуль продольной упругости вала.

5. Проверка выполнения условия ,<

3.5.4 Расчет на прочность

1. Эксцентриситет центра массы перемешивающего устройства , где -диаметр мешалки, м. м.

2. Приведенная масса мешалки и вала , где -коэффициент приведения распределенной массы вала к сосредоточенной массе мешалки. Для расчетной схемы 3 ,

3. Центробежная сила , где - радиус вращения центра тяжести приведенной массы.

4. Радиальные реакции в опорах , ,,

5. Построим эпюры изгибающих и крутящих моментов и определим величины изгибающих моментов в опасном сечении вала.

1 участок:

2 участок:

Для расчетной схемы 3 опасным является сечение под опорой B.

6. Напряжение изгиба и кручение в опасном сечении:

,

7. Расчет эквивалентного напряжения и проверка условия: . Значение допускаемого напряжения рассчитывается по формуле: , где -коэффициент концентрации напряжения, -минимальный запас прочности вала (ориентировочно=2), -предел выносливости материала. . Для 3 расчетной схемы в сечении с подшипником =1,5-2. Для ВСт3

3.5.5 Проверочный расчет шпонок

Призматические шпонки проверяют на смятие. Проверке подлежат 3 шпонки- в месте посадки полумуфты и в месте посадки мешалки. Условие прочности , где d-диаметр вала в месте установки шпонки, -рабочая длина шпонки со скругленными торцами, мм, =80-150 Н/мм²-допускаемое напряжение на смятие, -стандартные размеры.

Таблица 23. Шпонки призматические, мм, ГОСТ 23360-78.

Диаметр вала d	Сечение шпонки	фаска	Глубина паза	Длина l
	в	h		t1	t2
40	12	8	0,4-0,6	5	3,3	36-160
45	14	9	0,4-0,6	5,5	3,8



Рис.15. Шпонка призматическая.

Выберем длину двух шпонок 80 мм, а третьей 60мм:

1. при диаметре вала 40 мм:

2. при диаметре вала 45 мм:

3.5.6 Проверка пригодности подшипников

Радиальные нагрузки на подшипники равны радиальным реакциям в опорах.

При установке вала в шариковых радиальных подшипниках осевая сила , нагружающая подшипник, равна внешней осевой силе , действующей на вал: , где Р - давление в аппарате, G-вес вала и мешалки, -расчетный диаметр вала в месте уплотнения, установленного на крышке аппарата.



По таблице определяем значение коэффициента осевого нагружения е=0,68.

Осевые составляющие:

Т.к и , то осевые нагрузки

По таблице : x=0,41 и y=0,87.

Эквивалентная динамическая нагрузка: , где-коэффициент безопасности при круглосуточной работе, -температурный коэффициент.

Динамическая грузоподъемность: , где L_k=10 • 10³ - срок службы(ресурс) узла, n-число оборотов вала.

Подшипник пригоден.

Список использованной литературы

1. Шкляр Ю.Л., Островская Э.Н.: Проектирование химических аппаратов с механическими перемешивающими устройствами. Учебно-справочное пособие по курсовому проектированию; Казан.гос.технол.ун-т Казань, 2001. 2-е изд., перераб. и доп. 90с.

2. Попова Г.Н., Алексеев С.Ю. Машиностроительное черчение справочник. Л.: Машиностроение, 1986.

Размещено на Allbest.ru