Аппараты с перемешивающими устройствами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

чертеж мешалка корпус схема

Аппараты с перемешивающими устройствами широко используются при проведении основных технологических процессов в химической и биохимической промышленности. На практике наибольшее распространение получил механический метод перемешивания жидких сред в аппарате, состоящем из корпуса и перемешивающего устройства. Отраслевыми стандартами Минхимнефтемаша установлены конструкции и параметры специальных составных частей аппаратов с мешалками, что позволяет осуществить компоновку аппарата из типовых элементов (корпуса, мешалки, уплотнения вала, привода перемешивающего устройства и.т.д.). В частности привод выбирается по ОСТ 26-01-1205-95 в соответствии с частотой вращения мешалки, номинальным давлением в корпусе аппарата. Одновременно устанавливается тип уплотнения для вала мешалки: сальниковое или торцовое. Необходимо учитывать, что приводы типа 1 и 3 с концевой опорой в аппарате для вала мешалки не надёжны в эксплуатации при воздействии абразивной или коррозионной активной среды на вал и вкладыш подшипника. Типоразмер мотор - редуктор (электродвигателя в сборе с редуктором) выбирается в соответствии с заданной частотой вращения вала мешалки и потребляемой мощности электродвигателя. В аппаратах всех типов могут применяться внутренние теплообменные устройства - змеевики, либо непосредственный обогрев рабочей среды подачей горячего пара.

1.Задание кафедры

Номер варианта 41

Номинальный объём V, м3 4,0

Внутренний диаметр D, мм 1600

Исполнение корпуса 00

Параметры мешалки

Шифр 41

Диаметр dм , мм 400

Частота вращения n, мин-1 320

Потребляемая мощность N, кВт 1,2

Давление в корпусе

Избыточное Ри , МПа 0,2

Остаточное Ро , МПа 0,01

Уровень жидкости в корпусе Hж/D 1,2

Параметры среды

Наименование толуол

Температура t , оС 100

Плотность , кг/м3 870

2. Выбор материалов

Материалы, выбранные для деталей и сборочных единиц, должны обеспечивать надежность аппарата с мешалкой в работе и экономичность в изготовлении. При выборе материала необходимо учитывать рабочую (расчетную) температуру в аппарате, давление и коррозионную активность рабочей среды.

Химической средой в аппарате является толуол, рабочая температура среды - 100 оС, избыточное давление в корпусе аппарате 0,2 МПа.

Выбираем наиболее подходящий и относительно дешевый материал по таблице [5, табл. 2]. Для всех узлов деталей и аппарата выбираем сталь X18H10T по ГОСТ 5632-72;

П - коррозионная стойкость материала (П 0,110 -3 м/год ( вполне стойкие), [5, табл. 2];

[]* - нормативное допускаемое напряжение (по ГОСТ 5632-72) ([]*t=100 =139 МПа, [5, табл.3]);

Е - расчётное значение модуля упругости (Е=2,010 5 МПа - для легиро -ванной стали, [5, табл. 4]);

? - коэффициент линейного расширения (?t =16,610 -6 град -1 (для t от 20 до 100 оС), [5, табл. 6]).

3. Расчётная часть

3.1 Расчёт геометрических размеров корпуса аппарата

Расчёт обечаек, днищ, крышек корпуса аппарата на прочность и устойчивость под действием внутреннего и наружного давления с учётом термостойкости и коррозионной стойкости материалов должны выполняться в соответствии с ГОСТ 14249-80.

Для выполнения расчёта предварительно необходимо определить ряд параметров.

Расчётное давление - давление, при котором производится расчёт на прочность и устойчивость элементов корпуса аппарата.

Расчётное давление для элементов аппарата принимается, как правило, равным рабочему или выше его. Под рабочим давлением понимается максимальное внутреннее избыточное (Ри) или наружное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса, без учёта гидростатического давления среды.

Если на элемент аппарата действует гидростатическое давление, составляющее 5% и выше от рабочего, то расчётное давление должно быть повышено на эту величину:

Рр = Ри + Ргидр = Ри + gHж10 -6,

где Рр - расчётное рабочее давление для элементов аппарата, МПа;

Ри - избыточное рабочее давление среды, Па

- плотность жидкости, кг/м 3;

g - ускорение свободного падения (g=9,81 м/с),

Hж - расстояние от уровня жидкости до нижней точки рассчитываемого элемента, м.

Hж=1,2•D=1,2•1,600=1,92 м.

Рассчитаем гидростатическое давление:

Ргидр = gHж10 -6 = 8709,811,9210 -6 = 0,016 МПа

Условие Ргидр<0,05Ри не выполняется (0,016 > 0,01), следовательно гидростатическое давление учитываем.

Рр = 0,2+0,016= 0,216 МПа.

Определим расчётное наружное давление при проверке стенок корпуса на устойчивость для элементов корпуса, находящихся под рубашкой:

Ррн = Ра - Ро,

где Ррн - расчётное наружное давление, МПа;

Ра - атмосферное давление (Ра = 0,1), МПа;

РО - остаточное давление в корпусе аппарата, МПа;

Ррн = 0,1 - 0,01 = 0,09 МПа.

Определим расчётную температуру. За расчётную температуру принимается температура среды в аппарате (tрасч.= tср=100 оС).

Допускаемое напряжение для выбранного материала определим по формуле:

[] =[] *,

где [] - допускаемое напряжение, МПа;

[] *- нормативное допускаемое напряжение, МПа;

- поправочный коэффициент пожаро- и взрывоопасности (для данной среды =1,0).

[] = 1,0139 = 139МПа,

Поправка на компенсацию коррозии Ск:

Ск = ПLh ,

где П - скорость коррозии в рабочей среде (в толуоле П=0,110 -3 м/год);

Lh - срок службы аппарата (Lh = 20 лет)

Ск = 0,110 -320 = 2 мм.

3.1.1 Оболочки, нагруженные внутренним давлением

1.) Расчёт толщины стенки цилиндрической обечайки.

S = + Ск + С1 ,

где D - внутренний диаметр, мм;

[] - допустимое напряжение ([]=139 МПа);

?- коэффициент прочности продольного сварного шва обечайки (?=1,0);

Ск - прибавка на коррозию, мм;

С1 - дополнительная прибавка на округление до стандартной толщины листа, мм.

S = + 2 + С1 = 3,24 + С1 = 4 мм

(по таблице [5, табл. 7] - «Рекомендуемый сортамент листовой стали ГОСТ 5681-57»).

С1 = 4 - 3,24 = 0,76 мм.

2.) Расчёт эллиптической крышки.

Для стандартных крышек исполнительная толщина стенки

Sэ = + Ск + С1 ,

где Sэ - толщина стенки эллиптической крышки (днища), м

Sэ = + 2 + С1 = 3,24 + С1 = 4 мм.

 (по таблице [5, табл. 7] - «Рекомендуемый сортамент листовой стали ГОСТ 5681-57»).

С1 = 4 - 3,24 = 0,76 мм.

3.1.2 Оболочки, нагруженные наружным давлением.

1.) Расчёт толщины стенки цилиндрической обечайки

Толщина стенки цилиндрической обечайки предварительно определяется по формуле:

S = max{k2 D10 -2; 1,1 •} + Ск + С0 ,

Коэффициент k2 определяется по номограмме в зависимости от вспомогательных коэффициентов:

k1 = ; k3 = ; k4 = ;

где ny - коэффициент запаса устойчивости в рабочем состоянии

(ny = 2,4);

Е - модуль продольной упругости для материала обечайки при расчётной температуре стенки;

L - расчётная длинна гладкой обечайки, мм;

D - внутренний диаметр аппарата, мм;

Расчётная длинна гладкой обечайки:

L = Н2 - H6,

для данного аппарата по таблице [8, табл. 7]:

Н2=1825 мм;

H6 = 440 мм;

L = 1825 - 440 = 1532 мм,

k1 = =0,45 ;

k3 = = 0,96 ;

k4 = = 0,70 ;

По номограмме [5, рис.3.2.] определим коэффициент k2: k2 = 0,28;

S = max{0,28 160010 -2; 1,1 •} + 2 + С0 =

mах{4,48; 0,57} + 2 + С0 = 8 мм.

С0=8 - 6,48=1,52 мм.

После предварительного определения толщины стенки обечайки проверим допускаемое наружное давление:

[Р] = ,

где [Рр] - допускаемое давление из условия прочности;

[РЕ] - допускаемое давление из условия устойчивости;

[Рр] = = =1,04 МПа ,

[РЕ] = ,

где

В1 = min{1,0; 8,15 } =

min{1,0; 8,15 } = min{1,0; 13,9} =1,0.

Тогда,

[РЕ] = = 0,13 МПа.

следовательно,

[Р] = = 0,13 МПа.

Для правильности последующих расчётов, необходимо чтобы выполнялось условие:

Ррн [Р]

Условие Ррн [Р] выполняется (0,09 МПа < 0,13 МПа), следовательно, толщину стенки из условия прочности примем равной S=8 мм.

2.) Расчёт толщины стенки стандартной эллиптической крышки, работающей под наружным давлением.

Толщина стенки стандартной эллиптической крышки, работающей под наружным давлением, определяется по формулам:

Sэ = max+ Cк + C1 = max=+ Cк + C1 =

=max{2,93; 0,52} + 2 + C1 = 5 мм.

C1 = 5 - 4,93 =0,07 мм.

Толщину стенки аппарата принимаем равной S=8 мм.

3.2 Подбор и расчёт привода

Тип привода подбирается в зависимости от расчётной мощности электродвигателя и заданной частоты вращения по таблице [5, табл. 9] и уточняется по таблице [5, табл. 8] в зависимости от избыточного давления в корпусе.

3.2.1 Определим мощность, потребляемую приводом

Nэл. дв = ,

где Nэл. дв - мощность, потребляемая приводом, кВт;

Nвых. - мощность, потребляемая на перемешивании, кВт;

_в - К.П.Д подшипников, в которых крепится вал мешалки,

_в = 0,91…0,99;

_муф. - К.П.Д, учитывающий потери в компенсирующих муфтах,

_муф = 0,99;

_прв. - К.П.Д, механической части привода, прив. = 0,85…0,97;

_упл. - К.П.Д, учитывающий потери мощности в уплотнении,

_упл. = 0,96…0,98.

Nэл. дв = = 1,37 кВт.

Выбираем стандартный и больший по мощности двигатель Nст. = 3,0 кВт (рекомендованный для данной частоты вращения), [5, табл. 9]. Для двигателя полученной мощности по таблице [5. табл. 9] рекомендован привод типа 2 (привод со встроенными в редуктор опорами вала мешалки, с частотой вращения выходного вала n=20 320 об/мин.). Исполнение привода - 1 (для установки на крышке). Номинальное давление в аппарате - 3,2 МПа.

3.2.2 Определим расчётный крутящий момент на валу

Т = 9,55 10 6 ,

где kд - коэффициент динамичности нагрузки (для трехлопастных мешалок в аппарате с перегородкой kд = 1,2).

Т = 9,55 10 6 = 49063 Нмм.

3.2.3 Определим диаметр вала.

Размер привода выбирается по диаметру вала

dв = ,

где [кр] - допускаемое напряжение при кручении, Па;

[кр] = 210 7 Па =20 МПа.

dв = = 23,06 мм

Учитывая, что для данной мощности привода и частоты вращения вала рекомендован габарит привода, а также условие виброустойчивости вала выполнимо при диаметре вала 65 мм, примем dстанд = 65 мм по ОСТ 26-01-1225-75. Габарит привода - 3.

Стандартный привод по условиям работы подшипников и наиболее слабых элементов конструкции рассчитан на определённое допустимое осевое усилие [F], которое для привода типа 2, исполнения 1, габарита 2 равно 13500 Н [5, табл. 17]. Действующее осевое усилие на вал привода аппарата определяется по формуле:

F = P - G Fм ;

Fвверх = Pизб. - G + Fм ;

Fвниз = - (Pатм. - Pост.) G Fм ;

где d - диаметр вала в зоне уплотнения;

Аупл. - дополнительная площадь уплотнения , м; Аупл. = 32,510 -4 м 2 по таблице [4, табл. 3.2];

G - масса вращающейся части привода;

Fм - осевая составляющая сила взаимодействия мешалки с рабочей средой;

G = (mв + mмеш. + mмуф.) g;

mв = ;

где mв - масса вала;

mмеш. - масса мешалки (по таблице [8, табл. 6] mмеш. = 3,7 кг);

mмуф. - масса муфты (по таблице [5. табл.26] mмуф.=26,4 кг);

Lв - длина вала;

- плотность стали, кг/см 3; = 7,8510 3 кг/см 3.

Lв = Hкор. + l2 + h1 + 30 - hм ;

где hм - расстояние мешалки до днища корпуса, мм; hм = dм,

hм = 400 мм ;

Lв = 2250+ 480+ 772 + 30 - 400 = 3132 мм;

mв = кг;

G = (81,54+ 3,7 + 26,4) 9,81 = 1095,2 Н.

Осевая составляющая сила взаимодействия мешалки с рабочей средой находится по следующей формуле:

Fм = 0,65 = 0,65 = 79,73 Н ,

Fвверх = 0,2 - 1095,2+ 79,73 = 297,8 Н ,

Fвниз = - (0,1 - 0,01.) - 1095,2- 79,73 = -1765,9 Н.

Сравниваем полученные значения сил Fвверх и Fвниз с допустимой нагрузкой F [F]:

297,8 Н 13500 Н; -1765,9 Н 13500 Н.

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

Основные размеры привода типа 2, исполнения 1, габарит 2 определяем по таблицам [5, табл. 14] и [5, табл. 16] в соответствии с ОСТ 26-01-1225-75.

dв=65мм; Н 1340мм; В = 695мм; L = 280мм; H1 = 758мм; h = 1375мм; h1 = 772мм; l2 = 480мм; S = 16мм; D = 430мм; D1 = 540мм; mприв. = 615 кг.

3.3 Выбор уплотнения

К данной конструкции мешалки в качестве уплотнения выбираем торцовое уплотнение под диаметр вала dв = 65 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 [6. табл. 2] определим основные размеры (мм) торцового уплотнения при d=65 мм:

D=270мм; D1 =240мм; D2 =165мм; D3 =235мм; H=260мм, H1 =220мм; h=60мм; d1 =18мм; mупл.= 58 кг.

3.4 Расчёт элементов механического перемешивающего устройства

3.4.1 Расчёт вала мешалки

1.) Составим расчётную схему вала (вал консольный).

Рис.

2.) Проверка вала на виброустойчивость.

Виброустойчивость вала мешалки проверяется по условию:

0,71 ,

где 1 - первая критическая угловая скорость, рад/с;

- угловая скорость вала;

= = = 33,5 рад/с.

Первая критическая скорость вала определяется по формуле:

₁ = ,

где Lв - расчётная длина вала, м;

Е - модуль упругости вала, Па;

J - модуль инерции поперечного сечения вала, м4;

mв - масса единицы длины вала , кг/м;

- плотность вала из стали, кг/м 3; = 7,8510 3кг/м 3;

? - корень частотного уравнения, основной тон.

J = = = 8,7610 -7 м4 ;

mв = = = 26,04 кг/м;

? вычисляется по номограмме [4, рис. 3.6], для этого вычислим относительную массу мешалки и относительную координату центра тяжести мешалки:

,

где - относительная масса мешалки, кг;

mмеш.- масса мешалки, кг;

== 0,05 кг.