Размещено на http://www.allbest.ru/

5

5

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Минобрнауки России

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(технический университет)»

УГС 19.00.00 Промышленная экология и биотехнология

Направление подготовки 19.03.01 Биотехнология

Направленность Биотехнология

Факультет Механический

Кафедра Теоретических основ химического машиностроения

Учебная дисциплина Прикладная механика

Курс 3 Группа 274

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Тема ПРОЕКТИРОВАНИЕ АППАРАТА С МЕХАНИЧЕСКИМ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ

205.108.00.00.000.ПЗ.

Санкт-Петербург 2020



Минобрнауки России

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(технический университет)»

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

УГС 19.00.00 Промышленная экология и биотехнология

Направление подготовки 19.03.01 Биотехнология

Направленность Биотехнология

Факультет Механический

Кафедра Теоретических основ химического машиностроения

Учебная дисциплина Прикладная механика

Курс 3 Группа 274

Студент Вельдеррайн Парра Мария Фернанда

Тема: Проектирование аппарата с механическим перемешивающим устройством

Исходные данные к проекту:

Номер варианта задания _____108___ /___108____

(табл. А.1) (табл. А.2)

Источник:

1 Луцко, А. Н. Прикладная механика : учебное пособие / А. Н. Луцко, М. Д. Телепнев, Н. А. Марцулевич [и др.] ; под общ. ред. Н. А. Марцулевича -

Изд. 5-е, испр. - СПб. :СПбГТИ(ТУ), 2013. - 273 с.

Техническое задание на проектирование

Цель проекта: разработка в соответствии с исходными данными эскизного, технического проектов и фрагментов рабочей конструкторской документации на типовой вертикальный аппарат с механическим перемешивающим устройством. Аппарат предназначен для проведения процесса перемешивания в жидкофазной системе при заданных давлении, температуре и свойствах рабочей среды с сохранением работоспособности в рабочих условиях в течение заданного срока службы. Исходные данные для проектирования

Наименование	Обозначение	Величина	Размерность
Параметры корпуса
Обозначение корпуса Внутренний диаметр	31	2400 16.0	мм
	D
Номинальный объем	V		м3
Внутренние устройства	-
Параметры мешалки
Тип мешалки Диаметр мешалки	10	2000	мм
	dм
Частота вращения	n	40	об/мин
Мощность на перемешивание	NM	4,1	кВт
Технологические параметры
Избыточное давление в корпусе Остаточное давление в корпусе	Ри	0.3 0.05	МПа МПа
	Ро
Давление в рубашке	Рруб	0.35	МПа
Уровень жидкости	Нс	3.4	м
Температура среды	tc	60	°С
Параметры среды
Основной компонент	N??4??H	890	-
Плотность	Рс		кг/м3
Концентрация	Со	30	массовые %
Срок службы аппарата	Та	10	лет

Дата выдачи задания _________________

Дата предоставления проекта к защите _________________

Заведующий кафедрой _________________ Н.А. Марцулевч

(подпись, дата)

Руководитель ___________ _________________ _________________

(должность) (подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Задание принял(а) к выполнению __________________ _____________

(подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Календарный план выполнения курсового проекта

Этапы проектирования и их содержание	Срок выполнения	Отчетность
1 Техническое задание 1.1 Ознакомление с назначением и устройством аппарата 1.2 Заполнение бланка технического задания	1-я неделя	Заполненный бланк ТЗ
2 Эскизный проект 2 1 Определение расчетной температуры 2.2 Выбор конструкционных материалов 2.3 Определение допускаемых напряжений 2.4 Определение рабочего, расчетного, пробного и условного давлений 2.5 Выбор комплектующих элементов 2.6 Выполнение эскиза компоновки 2.7 Оценка надежности аппарата	3-я неделя	Эскиз компоновки аппарата
3 Технический проект 3.1 Расчет элементов корпуса аппарата 3.1.1 Определение коэффициентов прочности сварных швов и прибавки для компенсации коррозии 3.1.2 Определение расчетной толщины стенок оболочек из условия прочности 3.1.3 Определение расчетной толщины стенок оболочек из условия устойчивости 3.1.4 Определение исполнительной толщины стенок оболочек 3.1.5 Определение допускаемых давлений 3.1.6 Укрепление отверстий * 3.1.7 Фланцевые соединения 3.1.8 Опоры и монтажные цапфы аппарата 3.2 Расчет элементов механического перемешивающего устройства 3.2.1 Валы мешалок: а) расчет на прочность б) расчет на виброустойчивость г) расчет на усталость 3.2.2 Подшипники вала мешалки* 3.2.3 Мешалки* 3.2.4 Шпоночные соединения. Муфты 3.2.5 Уплотнения* 3.3 Оформление технической документации	9-я Неделя 12-я неделя	Пояснительная записка Чертеж общего вида аппарата
4 Рабочая конструкторская документация 4.1 Конструирование сборочной единицы аппарата 4.2 Заполнение спецификации 4.3 Конструирование деталей	13-я неделя	Чертеж узла аппарата, чертежи деталей
5 Защита проекта 5.1 Сдача выполненного проекта на проверку 5.2 Подготовка к защите проекта	15-я неделя	Защита проекта

*Выполняются по указанию преподавателя

Дата выдачи варианта______201___г. Срок защиты ________201___г.

Руководитель___________________(ФИО)_______________(подпись)

Студент______группы____________(ФИО)_______________(подпись)

аппарат перемешивание жидкофазная система давление



Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТА

2ЭСКИЗНЫЙ ПРОЕКТ

2.1Расчетная температура

2.2Выбор конструкционных материалов

2.3Определение допускаемых напряжений конструкционного материала

2.4Определение рабочего, расчетного, пробного и условного давлений

2.5Выбор и определение параметров комплектующих элементов

2.6Оценка надежности выбранного варианта компоновки аппарата

3ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОЕКТ

3.1. Расчет элементов корпуса аппарата

3.1.1. Определение коэффициентов сварных швов и прибавки для компенсации коррозии

3.1.2Определение расчетной толщины стенок оболочек из условия прочности

3.1.3Определение расчетной толщины стенок оболочек из условия устойчивости

3.1.4Определение исполнительной толщины стенок оболочек

3.1.5Определение допускаемых давлений

3.1.6Укрепление отверстий

3.1.7Расчет фланцевых соединений люка

3.1.8Расчёт монтажных цапф корпуса и опор аппарата

3.2 Элементы механического перемешивающего устройства

3.2.1Расчёт вала мешалки на прочность и виброустойчивость

3.2.2Расчёт мешалок

3.2.3Расчёт шпоночного соединения ступицы мешалки с валом

3.2.4Расчёт муфт

Заключение

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Современное технологическое оборудование включает в себя разнообразные технические устройства: машины, аппараты и приборы. Машина -- это устройство, совершающее механические движения с целью выполнения полезной работы за счет преобразования энергии. Кинематической основой любой машины является механизм, т.е. устройство в виде системы тел, преобразующее движение одних тел в целесообразное движение других тел. Под термином аппарат в химической промышленности понимают устройство, в котором технологический процесс осуществляется за счет физико-химических превращений. Некоторые технологические процессы протекают при повышенных давлениях и температурах обрабатываемых сред, которые могут быть агрессивными, токсичными, взрывоопасными, пожароопасными, включать в себя дорогостоящие компоненты. Такие характеристики технологических процессов требуют повышенной безопасности и надежности оборудования.

Аппараты обычно оснащаются различными теплообменными устройствами, машинами, механизмами, а также приборами и устройствами, выполняющими функции контроля, измерения, регулирования и управления. Конструкционные материалы, используемые для изготовления элементов оборудования, должны обеспечивать прочность, коррозионную стойкость и термостойкость в условиях эксплуатации.

Проектирование - это разработка общей конструкции изделия.

Конструирование - это определение формы и размеров всех элементов общей конструкции изделия.

Проект - комплекс текстовых и графических документов, полученных в результате проектирования и конструирования, и предназначенных для изготовления, контроля и эксплуатации изделия.

При проектировании технологического оборудования необходимо обеспечить его высокое качество, т.е. совокупность свойств, обусловливающих функционирование оборудования в соответствии с его назначением. Качество характеризуется: технологической эффективностью, экономичностью, надежностью, удобством, простотой в обслуживании и эксплуатации, и другими свойствами. Технологическая эффективность устройства определяется эффективностью осуществляемого технологического процесса. Экономичность определяется общими затратами средств на проектирование, изготовление, монтаж, эксплуатацию и утилизацию оборудования после истечения его срока службы. Надежность - это свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение заданного срока службы (в химической промышленности обычно 10 - 15 лет).

При проектировании необходимо соблюдать последовательность проведения проектных работ и правила оформления технической документации (пояснительной записки, чертежей).



1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТА

Цель курсового проекта: Разработка в соответствии с исходными данными эскизного, технического проектов и фрагментов рабочей конструкторской документации на типовой аппарат с механическим перемешивающим устройством, предназначенный для проведения процесса перемешивания в жидкофазной системе при заданных давлении, температуре и свойствах рабочей среды, с сохранением работоспособности в рабочих условиях в течение заданного срока службы.

Задачи курсового проекта:

1. Выбор конструкционных материалов

2. Выбор комплектующих элементов

3. Определение толщины стенок оболочек

4. Расчет фланцевых соединений

5. Расчет опор и монтажных цапф аппарата

6. Расчет элементов механического перемешивающего устройства

7. Расчет мешалки.



2 ЭСКИЗНЫЙ ПРОЕКТ

2.1 Расчетная температура

Расчетная температура стенки - температура, при которой определяются физико-механических характеристики, допускаемые напряжения и приводится расчет на прочность элементов сосуда.

На практике (в том числе и в курсовом проектировании) за расчетную температуру принимают наибольшую температуру рабочей среды, но не ниже 20⁰C.

Таким образом,

t_p=t_c=60 ⁰С,

где tp - расчетная температура, ⁰С; tc - температура среды,

соприкасающейся со стенкой аппарата, ⁰С.

Для элементов аппарата, не имеющих контакта с рабочей средой или теплоносителем t_p=20 ⁰С.

2.2 Выбор конструкционных материалов

Экономичность изготовления и надежность в работе аппарата с мешалкой в значительной мере зависят от правильного выбора материалов. По марке материала подбирают допускаемые напряжения [у].

Материал выбирается по таблицам коррозионной стойкости и применимости. Так как среда -NH₄OH и t_c=60⁰C, в качестве основного материала выбираем сталь марки 12Х18Н10Т. Остальные материалы подбираем по таблицам применимости. Марки выбранных материалов, а также значения допускаемых напряжений при расчетной температуре [у] и при температуре 20⁰C - [у]₂₀ заносятся в таблицу 1: 

Таблица 1 - Основные материалы и допускаемые напряжений для элементов аппарата.

Элементы аппарата	Марка материала	Допускаемые напряжения
		у*	[у]	у20*	[у]20
Есть контакт с рабочей средой
1.Корпус
а) Обечайка, крышка, днище	12Х18Н10Т	179	179	184	184
б) Фланцы корпуса, люка	12Х18Н10Т	179	179	184	184
в) Люк, штуцеры	12Х18Н10Т	179	179	184	184
2.Внутренние устройства	12Х18Н10Т	179	179	184	184
3.Мешалка	12Х18Н10Т	179	179	184	184
4.Вал	12Х18Н10Т	107,5	107,5	110	110
5.Крепежные изделия мешалки: болт, гайка, шайба, шпонка	12Х18Н10Т	-	-	-	-
Нет контакта с рабочей средой
6.Рубашка	Ст3сп	151,5	151,5	154	154
7.Опоры аппарата, цапфы	Ст3сп	151,5	151,5	154	154
8.Крепежные изделия
а) Для фланцевых соединений	12Х18Н10Т	107,5	107,5	110	110
б) Для стойки привода, уплотнения, муфты	40	-	-	-	-

2.3 Определение допускаемых напряжений конструкционного материала

На основании ГОСТ Р 52857.1-2007 допускаемые напряжения материала корпуса для рабочих и нормальных (20 ⁰С) условий определяются по формулам.

[у] = з₁з₂ у^* [у]20 = з1з2 у*20,

Где у^* = 179 МПа - нормативно допускаемое напряжение при расчетной температуре для 12Х18Н10Т; у^*₂₀ = 184 МПа - нормативно допускаемое напряжение при t_р= 20⁰С для 12Х18Н10Т.

з₁- поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки рассчитываемого элемента (?₁ = 1 для листового проката, ?₁ = 0,8 для отливок, подвергающихся индивидуальному контролю неразрушающими методами);

?₂ - поправочный коэффициент, учитывающий степень опасности рабочей среды (для взрыво- и пожароопасных сред ?₂ = 0,9, в остальных случаях ?₂ = 1).

Так как для изготовления сварного корпуса аппарата, рубашки, опор, мешалок и других элементов используются заготовки из листового проката, то ?₁ = 1. Поправочный коэффициент ?₂=1, так как рабочая среда, не является взрывоопасной и пожароопасной средой.

После подстановки в вышеуказанные формулы получим:

[у] = 1·1·179 = 179 МПа

[у]₂₀ = 1·1·184 = 184 МПа

2.4 Определение рабочего, расчетного, пробного и условного давлений

Рабочее давление - максимальное внутреннее избыточное р_и давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса без учета гидростатического давления среды и без учета допустимого кратковременного повышения давления во время срабатывания предохранительного клапана или других предохранительных устройств. Рабочее давление - это избыточное давление газа над слоем жидкости, р_раб=р_и ,то есть р_раб= 0,3 МПа.

Гидростатическое давлениер_г- максимальное давление столба жидкости в аппарате, Па: р_г = с_с·g·H_с= 890·9,8·3,4 = 29654.8 Па

Где: ?_с = 890 - плотность рабочей среды, кг/м³; g = 9,8 - ускорение свободного падения, м/с²; Н_с = 3,4 м - уровень жидкости в аппарате, м.

Гидростатическое давление обычно существенно меньше рабочего. Относительную, в процентах, величину гидростатического давления?_р рассчитывают по формуле:

?_р=( р_г/ р_раб)100%

?_р=(29654.8/0,3·10⁶)·100% = 9.9%>5%,

следовательно, гидростатическое давление учитываем в вычислении расчетного внутреннего давления.

Расчетное внутреннее давлениер_рв - давление, на которое производится расчет на прочность, Па

рр.в = рраб + р_г

р_р.в= 0.3+0.03 = 0.33 МПа

При расчете на прочность стенок рубашки принимается:

рр.в. = рруб.,

р_р.в. = 0,35 МПа.

Наружное давление является основной нагрузкой для тех элементов аппаратов, которые находятся под рубашкой или работают при остаточном давлении, т.е. под вакуумом (рис.2).

Рис.1 Рис. 2 

а) эллиптическая крышка; Аппарат с теплообменной

б) цилиндрическая обечайка; рубашкой.

в) коническое днище с тороидальным переходом.

Рис. 1 ? Расчетные схемы эле- Рис. 2 ? Схема к определению ментов корпуса, нагруженных расчётного наружного давления внутренним давлением. действующего на элементы аппарата.

Расчетное наружное давление р_р.н определяется по формулам:

а) для элементов корпуса, не находящихся под рубашкой (крышка аппарата)

рр.н = ра-ро

р_р.н= 10⁵- 0,5·10⁵ = 0,5·10⁵ Па

где р_а= 10⁵- атмосферное давление, Па; р_о= 0,05 - остаточное давление в корпусе, МПа;

б) для элементов корпуса, находящихся под рубашкой (обечайка и днище):

рр.н = ра-ро+рруб

р_р.н= 10⁵-0,5·10⁵+3,5·10⁵ = 4,0·10⁵Па

Пробное давлениер_пр - максимальное избыточное давление, создаваемое при гидравлических (пневматических) испытаниях сосудов и аппаратов с целью проверки их на прочность и герметичность.

Пробное давление для сосудов, за исключением литых, определяется отдельно для корпуса и рубашки по формуле: р_пр = 1,25·р_р.в.·[у]20 ?[у],

а) для корпуса: р_пр = 1,25·0,33·184/179 = 0.42 МПа.

б) для рубашки:



р_пр = 1,25·р_руб.·[у]20 ?[у],

р_пр = 1,25·0,35·154/151,5 = 0,445 МПа.

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

Условное давление р_у - расчетное давление при температуре 20 ^?C , используемое при выборе и расчете на прочность стандартных элементов аппарата (узлов, деталей, арматуры). Условное давление рассчитывается по формуле:

р_у?р_р.в[у]20/[у] р_у? 0,33·(184/179) = 0,339 МПа

р_у= 0.4 МПа

Для элементов рубашки:

р_у?р_р.в[у]20/[у]

р_у? 0,35·(154/151,5) = 0,36 МПа

р_у= 0,4 МПа

где р_у- условное давление (МПа) выбирается из стандартного из ряда: 0,25; 0,3; 0,4; 0,6; 1,0, 1,6; 2,5 и т.д.

Таблица 2 - Расчетное, пробное, условное давление в аппарате

Элементы аппарата	Расчетное внутреннее рр.в, МПа	Расчетное наружное рр.н, МПа	Пробное давление рпр, МПа	Условное давление ру, МПа
корпус	Крышка	0,33	0,05	0,339	-
	Обечайка		0,4
	Днище		0,4
	Фланцы		-		0,4
	Люк				0,4
	Штуцеры				0,4

Размещено на http://www.allbest.ru/

5

5

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Обечайка	0,35	-	0,36	0,4
	Днище
	Штуцеры

2.5 Выбор и определение параметров комплектующих элементов

Выделяются следующие основные составные элементы аппарата с мешалкой:

1. корпус, включающий ряд элементов и устройств (обечайка, днище, крышка, змеевик, штуцеры, люки, труба передавливания, опоры корпуса, цапфы, фланцевые соединение отъёмной крышки корпуса и т.д.);

2. привод механического перемешивающего устройства, состоящий из мотор - редуктора;

3. вал мешалки;

4. мешалка;

5. муфта вала;

6. уплотнение вала мешалки. Типовые элементы сведены в таблицу 3.

Таблица 3 - Выбор типовых элементов аппарата

Типовой элемент		Исходные параметры для получения данных о типовом элементе или для выбора типоразмера элемента	Значения
	Элементы корпуса аппарата
Корпус аппарата	и	Обозначение корпуса: ВКЭ Объём, V = 16 м3 Диаметр корпуса, D = 2400 мм	Тип ВКЭ цельносварной с коническим отбортованным днищем
теплообменное устройство		и эллиптической крышкой с неразъемной рубашкой
Фланцы, штуцеры корпуса	Диаметр корпуса, D = 2400 мм Условный проход, Dу= 150 мм Dу= 80 мм Dу= 500 м	Штуцер для слива Штуцер для входа и выхода теплоносителя Люк
Люк	Условный проход Dу= 500 мм	Люк загрузочный со сферической крышкой и уплотнительной поверхностью затвора шип-паз
Цапфы монтажные	Номинальный объем, V = 16 м3 Диаметр корпуса, D = 2400 мм	Тип 4, исполнение 1
Опоры аппарата	Тип опоры: опора-лапа Внутр. диаметр рубашки, D= 2600 мм	Лапа опорная сварная с накладным листом, исполнение 2
Элементы механического перемешивающего устройства
Мешалка	Обозначение типа: 10 Диаметр dM= 2000 мм	Рамная мешалка
Привод (тип и габариты)	Мощность, Nн = 4,1 кВт Частота, nр = 40 об/мин Рабочее давление, Pраб=0,33 МПа	Тип 2 исполнение 1 габарит 2
Вал	Диаметр вала d = 80 мм
Муфта	Тип привода 1 Диаметр вала d = 80 мм	Муфта МУВП
Уплотнение	Рабочая среда: NH4OH Диаметр вала, d = 80 мм Рабочее давление, Pраб= 0,33 МПа	Двойное торцовое уплотнение типа Т3
Опоры привода и уплотнения	Привод тип 2 габарит 2 Диаметр аппарата, D = 2400 мм Диаметр вала, d = 80 мм	Опоры для установки стойки привода, бобышка для установки уплотнения вала на эллиптической крышке аппарата



2.6 Оценка надежности выбранного варианта компоновки аппарата

После завершения компоновки аппарата следует оценить надежность выбранного варианта с получением численных значений основных показателей надежности.

Под надежностью понимается свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение заданного промежутка времени. Надежность химического оборудования- это комплексное свойство, сочетающее безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Под безотказностью понимают свойство элемента оборудования сохранять работоспособное состояние в течение определенного периода времени. Количественно безотказность характеризуется величиной интенсивности отказов л, которую можно рассматривать как среднее число отказов в единицу времени. Для аппарата с механическим перемешивающим устройством:

л_? = л_к + л_пр+л_у;

л_? - суммарная интенсивность отказов аппарата в целом, час^-1. Подставив числовые значения в формулу, получим:

л_? = (1.5 +11,0+3,0) ·10^-5 = 15.5·10^-5 час^-1

При известной интенсивности отказов аппарата вероятность его безотказной работы определяется по формуле:

РАП(Т) = е????Т = е?15.5·10?5·87600 = 1.2681 · 10?6 где Т - период, для которого требуется рассчитать вероятность

безотказной работы аппарата (10 лет), час.

Средняя продолжительность работы (наработка на отказ) аппарата Т_срсвязана с вероятностью Р_АП(Т) соотношением:



6452 часов.

Вероятность безотказной работы Р_АП(Т) позволяет также обоснованно выбрать продолжительность Т_э периодов эксплуатации аппарата между обслуживанием и плановыми ремонтами.

Т_э = ? Т_срlnР_пр= ? 6452 · ????(0,6) = 3296 часов_, где Р_пр=0,6 - предельная вероятность, определяющая степень

надежности оборудования.



3. ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОЕКТ

3.1. Расчет элементов корпуса аппарата

3.1.1 Определение коэффициентов сварных швов и прибавки для компенсации коррозии

Прочность материала в зоне сварного шва снижается из-за термического воздействия электрической дуги и ряда других факторов. В прочностные расчеты вводится коэффициент прочности сварного шва ц?1 несколько уменьшающий допускаемые напряжения [?] материала. Величина коэффициента зависит от назначения аппарата, типа сварного соединения, способа сварки и длины контролируемых швов.

Поскольку внутри аппарата имеется взрывобезопасная и негорючая среда, давление до 2,5 МПа температура стенки ниже 400⁰С, то при изготовлении аппарата контролируется 50 % общей длины швов.

Оболочки цельносварных аппаратов соединяют односторонним стыковым сварным швом автоматической или полуавтоматической сваркой под слоем флюса, ц=0,8 при 50% контроле швов.

Элементы аппарата, находящиеся в контакте с рабочей средой, из-за коррозии с течением времени уменьшаются по толщине. Прибавка для компенсации коррозии к расчетным толщинам конструктивных элементов определяется по формуле:

с = П·Т_а= 0,1·10 =1,0 мм,

где с- прибавка для компенсации коррозии, м; П- скорость коррозии м/год (0,1·10^-3 м/год); Т_а= срок службы аппарата, лет (10 лет).

Так как стенка корпуса закрыта теплообменной рубашкой, то принимаем двойную прибавку для компенсации коррозии, т.е. 2с = 2,0мм.



3.1.2 Определение расчетной толщины стенок оболочек из условия прочности

Необходимые толщины стенок оболочек, нагруженных внутренним избыточным давлением, определяются по уравнениям, полученным из условий прочности. Расчету подлежат элементы корпуса: цилиндрическая обечайка, эллиптическая крышка, коническое днище в местах сварки.

а) расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки из условияпрочности:

б) расчетная толщина стенки эллиптической крышки из условия

прочности:

в) расчетная толщина стенки конического днища из условия

прочности:

3.1.3 Определение расчетной толщины стенок оболочек из условия устойчивости

Согласно условию устойчивости, расчетное наружное давление р_рн не должно превышать допускаемой величины. При проектировании рассчитываются толщины стенок цилиндрической обечайки, эллиптической крышки, конического днищапо зависимостям для коротких оболочек. Важнейшим геометрическим параметром, влияющим на устойчивость цилиндрической оболочки, является ее расчетная длина l_ц.

Расчетная длина рассчитывается по формуле:

?_ц = Н₁ - В₁ + a₁ + a₂ = 2,5 - 0,15 + 0,06 + 0,255 = 2,665 м

Ориентировочная высота отбортованной части конического днища, м:a₁ = 0,06 м

Высота переходной части конической оболочки, м:a₂ = ?? · ??????(??)=0,255 м

Расстояние от приварной крышки до рубашки, м:

В₁=0,15 м

а) Расчет толщины стенки цилиндрической обечайки, находящейся под

рубашкой из условия устойчивости, м:

р_рн - расчетное наружное давление (см. табл. 2), Па; n_y = 2,4 - коэффициент запаса устойчивости; l_ц - расчетная длина цилиндрической обечайки(м);

Е - модуль продольной упругости материала оболочки,Па (2·10¹¹ Па);

D - внутренний диаметр обечайки, м

б) Расчет толщины стенки эллиптической крышки, не находящейся подрубашкой из условия устойчивости соответственно:

Где S_эр2 - толщина стенки эллиптической крышки, не находящейся под рубашкой.

Где К?0,9 - коэффициент приведения радиуса эллипса;

в) Расчет толщины стенки конического днища, находящегося под рубашкойиз условия устойчивости соответственно:

Где ??_рк - расчетный диаметр конической оболочки

??₀- диаметр отверстия в днище под штуцер для слива

??_к - расчетная длина конической обечайки б

= 45° - половина угла при вершине конуса

3.1.4 Определение исполнительной толщины стенок оболочек

Определение толщины стенок оболочек аппарата из условий прочности и устойчивости (разделы 3.1.2 и 3.1.3) было предварительным. Для каждой оболочки из двух вычисленных значений толщины, принимают большее значение:

s_цр= max {s_цр1 = 0,002769 ; s_цр2 = 0,01392}, м

s_эр= max {s_эр1 = 0,002767 ; s_эр2 = 0,00328}, м

s_кр= max {s_кр1 = 0,00277 ; s_кр2 = 0,00955}, м

Окончательно исполнительную толщину стенки определяют с учетом прибавки для компенсации коррозии с и прибавки c1 для округления толщины листа до стандартного значения. Выражения для определения исполнительной толщины стенок оболочек корпуса имеют следующий вид:

а) Для цилиндрической оболочки:

s_ц= s_цр+2с+u= 13.92+2.0+с₁ = 18 мм

где с₁= (2,08 > 0,8) мм

б) для эллиптической крышки:

s_э= s_эр+ с+с₁ = 3.28+1.0+с₁ = 5 мм

где с₁ = (0.72> 0,5) мм

в) для конического днища

s_к= s_кр+ 2с+с₁ = 9.55+2.0+с₁ = 14 мм

где с₁ = (2,45> 0,8) мм

Прибавку c₁ в каждом уравнении подбирают так, чтобы толщина стенки оболочки совпала со стандартной толщиной листа, при этом c1 должна быть не менее минусового допускаu, т.е. c1?u

Для удобства, сведём значения расчетной и исполнительной толщины стенок оболочек в таблицу 4.

Таблица 4 - Параметры толщины стенок оболочек

Оболочка аппарата	Расчетная толщина стенки из усл. прочности, мм	Расчетная толщина стенки из усл. устойчивости, мм	Прибавка на коррозию c, мм	Минусовой допуск u, мм	Исполнительная толщина стенки, мм
		Корпус
Цилиндрическая оболочка (под руб.)	2.769	13,92	2	0,8	18
Днище (под руб.)	2.770	9.55	2	0,8	14
Крышка	2.767	3,28	1	0,5	5
		Рубашка*
Цилиндрическ ая часть	-	-	1	0,8	8
Днище	-	-	1	0,8	12

3.1.5 Определение допускаемых давлений

Важными техническими характеристиками аппарата являются максимально допускаемые внутреннееи наружное давления, которые определяют возможные технологические резервы. Под резервом понимают превышение допускаемого значения параметра над расчетным.

Допускаемые внутренние давления рассчитываются для каждого элемента корпуса. Из полученных значений выделяется наименьшее, которое принимается в качестве максимально допускаемого внутреннего давления для всего аппарата.

В качестве допускаемого наружного давления принимается наименьшее значение допускаемого наружного давления.

Расчет допускаемых внутренних давлений:

a)Для цилиндрической обечайки:

1,8 МПа ? 0,33 МПа

УП выполняется

б) Для эллиптической крышки:

р_р.в= 0,33 МПа

0,417 МПа ? 0,33 МПа

УП выполняется

в) Для конической обечайки:

р_р.в= 0,33 МПа

1,03 МПа ? 0,33 МПа

УП выполняется

г) для цилиндрической обечайки рубашки:

р_р.в= 0,35 МПа

0,576 МПа ? 0,35 МПа

УП выполняется

д) Для конического днища рубашки:



р_р.в= 0,35 МПа

0,735 МПа ? 0,35 МПа

УП выполняется

Сведем все значения допускаемых внутренних давлений в таблицу 5.

Таблица 5- Допускаемые внутренние давления в аппарате, МПа

Давление	Условное ру	Допускаемое внутреннее, рд.в
Элементы корпуса	Фланец, штуцеры, люк	Уплотнение рmax	Крышка	Обечайка	Днище	Общее для аппарата
Корпус	0,4	2,5	0,277	1,8	1,03	0,417
Рубашка	0,4	-	-	0,576	0,735	0,4

Расчет допускаемых наружных давлений:

а) Для цилиндрической обечайки:

р_р.н= 0,4 МПа

0,498 МПа ? 0,4 МПа

УУ выполняется

б) Для эллиптической крышки:



р_р.н= 0,05 МПа

0,274 МПа ? 0,05МПа УУ выполняется

в) Для конической обечайки:

р_р.н= 0,4 МПа

0,597 МПа ? 0,4 МПа

УУ выполняется

Сведем все значения допускаемых внутренних давлений в таблицу 6.

Таблица 6 - Допускаемые наружные давления в аппарате, МПа

Элементы корпуса	Крышка	Обечайка	Днище	Общее для аппарата
Не находящиеся под рубашкой	0,274	-	-	0,274
Находящиеся под рубашкой	-	0,498	0,597	0,498

3.1.6 Укрепление отверстий

Отверстия в оболочках аппарата, предназначенные для размещения штуцеров различного назначения и люка, снижают несущую способность корпуса и вызывают концентрацию напряжений вблизи края отверстия.

При использовании для оболочек корпуса и привариваемых к нему штуцеров одного материала расчёт укреплений отверстий выполняется следующим образом:

а) Определение наибольшего диаметра отверстия d₀ (мм) в оболочке, не требующий дополнительного укрепления:

где s, s_p - исполнительная и расчётная (из условия прочности) толщина стенки оболочки, мм; с - прибавка на коррозию, 1,0 мм; u - минусовой допуск на толщину s листа,0,8 мм; l_p - расчётная ширина зоны укрепления, м.

Т.к. люк расположен в эллиптической оболочке, то для расчёта примем:

где r - расстояние от оси оболочки до центра отверстия, 700 мм; D - внутренний диаметр корпуса, мм.

Условие укрепления отверстия за счет дополнительной стенки оболочки выполняется, если расчетный диаметр укрепляемого отверстия d_шр меньше диаметра d₀. Для люка:

где - внутренний диаметр штуцера или люка, 500 мм

d_ш = 0,502 > d₀= 0,082 мм



Рис.3 - Схема к расчёту укрепления отверстий: a) расчётная схема; б) укрепление отверстия накладным кольцом.

б) При невыполнении условия проводят проверку укрепления отверстия с учетом укрепляющего действия стенок штуцера и оболочки площадь продольного сечения выреза, подлежащая компенсации,

Площадь продольного сечения оболочки, участвующая в укреплении, м²:

Расчетные длины внешней и внутренней части штуцера, м:



где - исполнительная толщина стенки штуцера или люка, 0,008 м

??₁ = ??_1??• (??_ш ? ??_шр? ??) = 0,074 • (0,008 ? 0,0013 ? 0,001)=4,242 • 10^?4м²

??₃ = ??_3??• (??_ш ? 2 • ??) = 0,0274 • (0,008 ? 2 • 0,001) = 1,643 • 10^?4м²

где ??_шр - расчетная толщина стенки штуцера или люка вычисляется по формуле:

Условие укрепления отверстия за счет штуцера и оболочки выполняется если

A ? A₀ + A₁ + A₃,

0,582 • 10^?3 ? • 10^?4 + 4,242 • 10^?4 + 1,643 • 10^?4

0,582 • 10^?3 ? 7,300 • 10^?4

Условие укрепления отверстия за счёт стенки штуцера и оболочки выполняется.

3.1.7 Расчёт фланцевых соединений люка

Герметичность фланцевого соединения обеспечивается правильным подбором материала прокладки и учётом действующих усилий. Фланцевые соединения отъёмной крышки корпуса, люка и других штуцеров (заглушек) комплектуются прокладками, материал которых завит от коррозийной стойкости и термостойкости.

Так как фланцы относятся к статически неопределённым системам (рис.4), для расчёта усилий, действующих на болты (шпильки), и на прокладку, предварительно необходимо определить податливость болтов и прокладки (податливость - величина обратная жёсткости равна отношению деформации к вызывающей её силе). Поскольку жёсткость фланцев, как правило, значительно больше жёсткости эластичных и асбометаллических прокладок, податливостью фланцев можно пренебречь.

рис.4 - (а-на стадии монтажа и герметизации, б- на стадии эксплуатации)

Податливость болтов соединения, м/Н:

где

??_б = ?_ф+ 0,5??_б = 0,053 + 0,5 · 0,02 = 0,063 - приведённая длина для болтов, м

?_ф? 2? + ??_п + 0,001 = 2 · 0,025 + 0,002 + 0,001 = 0,053 - общая высота

дисков фланцевого соединения, м

h=0,025 - высота диска фланца, м

??_б20=2,0·10¹¹- модуль упругости материала болта при 20⁰С, Па

??_б=0,02- наружный диаметр резьбы болта, м

z_б=24 - число болтов в соединении

??_б=225·10^-6- минимальная площадь сечения болта, м²

Податливость прокладки, м/Н:

где К₀=0,9 - коэффициент обжатия

?? = а ? 1 = 0,0125 - ширина прокладки, м

??_п.ср= (??_п ? ??) = (0,543 -0,0125) = 0,5305-средний диаметр прокладки, м

??_п =0,543 - наружный диаметр прокладки, м

??_п20=2·10⁹- условный модуль сжатия материала прокладки при 20⁰С, Па

Коэффициент внешней нагрузки ??, т.е. доля усилия от давления рабочей среды, передаваемая на болты соединения рассчитывается с учетом податливости болтов и прокладки:

При расчете фланцевых соединений рассматривают два режима: 1 - монтаж - аппарат без давления с начальной температурой ??₀ = 20 °С; 2 - эксплуатация под давлением рабочей среды с температурой ??_р.

В условиях монтажа усилия затяжки болтов ??_б1 и усилия сжатия прокладки ??_п1 равны, т.е. ??_б1 = ??_п1. Эти предварительные усилия должны быть такими, чтобы сохранялась герметичность и в условия эксплуатации, поскольку внутреннее давление, действуя на крышку и растягивая болты, снижает усилия на прокладку (рис.5), которое может стать меньше усилия, обеспечивающее герметизацию.



Рис.5 - График зависимости усилий на болтах ??_б и прокладке ??_п от давления

Р_р.ви температуры ??_р рабочей среды .

Усилие от давления рабочей среды, Н:

Усилие в болтах от температурных деформаций элементов фланцевого соединения (в условиях эксплуатации), Н:

где ??_ф, ??_б- коэффициенты линейного расширения фланцев и болтов, 1/град; ??_ф,??_б-температура фланцев и болтов, ?, ??_ф = 0,96t_p(? 20?) и ??_б = 0,85t_p(?

20?), так как в аппарате отсутствует теплоизоляцияt₀=20?- начальная температура;

Е_б- модуль упругости материала болта при рабочей температуре, Па.

Е_б20- модуль упругости материала болта при температуре=20?, Па.

Усилие, которое должно быть приложено к прокладке, чтобы обеспечивалась герметичность в рабочих условиях, Н:



где ??_п = 2,5 - коэффициент материала прокладки;

??₀- эффективная ширина прокладки (??₀ = b при b ? 0,015 м, при b>0,015м), ??₀ = ?? = 0,0125 м.

Усилие затяжки ??_б1, действующее как на болты, так и на прокладку при монтаже, принимается из двух значений наибольшее, Н:

??б1`<??б1``

??_б1 = 2,082 · 10⁵Н

??_?????? - минимальная удельная нагрузка на контактной поверхности прокладки, необходимая для заполнения неровностей уплотнительных поверхностей фланцев.

Температурное усилие ??_?? в формуле учитывается в том случае, если ономеньше нуля (линейное расширение болтов больше, чем фланцев, что можетпривести к разгерметизации). Таким образом, предусматривается компенсация снижения усилия на прокладку в условиях повышенной температуры, путем увеличения усилия затяга болтов.

При действии рабочего давления усилие на болтывозрастает, Н:



Температурное усилие в формуле учитывается в том случае, если оно больше нуля (линейное расширение болтов меньше, чем у фланцев, что приводит к увеличению нагрузки на болты в рабочих условиях).

Запас герметичности проверяется по формуле:

1,742

Где [??_г]=1,2 - нормативный запас герметичности

Условие выполнятся, т.к. 1,742 ? 1,2

Проверка прочности болтов в условиях монтажа:

Условие выполняется

где коэффициент 1,3 учитывает крутящий момент, возникающий при затяжке болта из-за трения в резьбе;

[_б]₂₀=110 · 10⁶- допускаемое напряжение в материале болтов при 20?С, Па.

Проверка прочности болтов фланцевого соединения в рабочихусловиях:

Условие выполняется.

Проверка прочности материала прокладки:

Условие выполняется.

где [q] = 130 · 10⁶- допускаемая удельная нагрузка на прокладку, Па.

3.1.8 Расчёт монтажных цапф корпуса и опор аппарата

Опоры-лапы и опоры-стойки аппарата испытывают нагрузку от общего веса аппарата в рабочих условиях, а цапфы только от веса корпуса аппарата при монтаже (без привода и жидкости).

При приближенном вычислении веса корпуса G_к(Н), реальная оболочка заменяется цилиндром того же диаметра D (м), но с плоскими крышкой и днищем, в который можно «вписать» корпус аппарата высотой Н; толщина стенки принимается равной максимальной исполнительной толщине S_max.

где ??_ст = 7850 кг/м³ - плотность стали;

??_??- масса корпуса аппарата, кг;

Рассчитываем вес теплообменной рубашки:



Вес привода определяется ориентировочно, Н:

При расчете максимального веса рабочей среды, предполагают, что аппарат объемом V заполнен полностью наиболее тяжелой жидкостью

(рабочая среда), Н:

??_с = ??_ж???? = 910 · 10 · 16 = 145600 Н

Где ??_ж =max {??_??; ??_в}??_в= 910 кг/м³

Максимальный вес полностью заполненного жидкостью аппарата, Н:

??_??????= ??_к + ??_руб+ ??_пр+ ??_с=60535 + 29142 + 7380 + 145600=242657 Н

Рабочий объём аппарата с уровнем запольнения

Где ??_ц, ??_д, - соответственно объёмы заполнения цилиндрической части корпуса и эллиптической части днища, м³

??_ц = 0,25????²(Н_ц? 0,5?? ? 0,4??)=0,25·3,14·2,4²(3,0-0,5·2,4-0,4·0,36)=7,492 м³

Проверочный расчёт опор-лап и цапф

а) Выбранный типоразмер опоры и цапфы проверяется нагрузоподъёмность по условиям:



[G] = 100000 Н

Условие выполняется.

[G]_ц=80000 Н

Условие выполняется

Где ??_р.оп, ??_р.ц? расчетные нагрузки на одну опору и цапфу, Н; z_оп= 4, z_ц= 2- количество опор и цапф;

[G] и [G]_ц- допускаемая нагрузка на опору и грузоподъёмность цапфы

Б)Проверяется прочность бетона фундамента на сжатие:

[у]_ф=11 МПа (для марки 200); [у]_ф=18,5 МПа (для марки 300);

Условие выполняется.

Где ??_ф - напряжение в фундаменте под опорой, Па;

А_оп= ab = 0,19·0,27 = 0,0513 - площадь основания опоры, м²

в) Прочность угловых сварных швов, соединяющих ребра опор-лап с

корпусом аппарата, проверяют на срез.

Катет сварных швов:

?? = 0,85?? ? 3 мм

?? = 0,85 · 0,010 ? 9 ? 3 мм

Общая длина сварных швов:

Допускаемое напряжение для материала швов, Па:

Условие выполняется

Где s и h - соответственно толщина и высота ребра, м

??_??= 2 - число ребер в опоре ??_с - напряжения среза шва, Па

[??] - допускаемое напряжение для материала опоры

?? = 0,65 - коэффициент прочности таврового сварного соединения двусторонним угловым швом и при 50% контроля длины швов.

3.2 Элементы механического перемешивающего устройства

3.2.1Расчёт вала мешалки на прочность и виброустойчивость

В аппарате с мешалкой вал перемешивающего устройства составной - он состоит из вала привода и вала мешалки, которые соединены между собой муфтой.

1)Выбор конструкционного материала вала.

Вал изготавливается из коррозионностойкого материала: 12Х18Н10Т

2) Предварительный расчёт вала на прочность.

При работе вал мешалки в месте ее закрепления испытывает, главным образом, кручение. Расчетный максимальный крутящий момент с учетом пусковых нагрузок определяется по формуле:

щ = (р · ??)/30 = 3,14 · 40/30 = 4,187 рад/с

Где К_д=2 -коэффициент динамичности нагрузки, учитывающий перегрузки при включении привода;

??_м= 4,1 кВт- мощность, потребляемая мешалкой; щ- угловая скорость вала мешалки, рад/с;

??- частота вращения вала мешалки, об/мин.

Полярный момент сопротивления сечения вала в опасном сечении, м³:

Где d₁- диаметр участка вала под ступицу определяется исходя из типа и диаметра мешалки d_м, м

Рис. 6 - Крепление ступиц мешалок на валу: разъёмные. 3-шпонка, 4-лопасти, 7- вал под разъёмную ступицу, 8-полуступицы, 9болты полуступиц, 10-гайки, 11-шайбы



Проверочный расчёт вала заключается в проверке условия прочности на кручение:

Па

19,48·10⁶ < 53,8·10⁶ Па

Условие выполняется

Где

??_кр- максимальные напряжения в сечении вала, Па.

[??]_кр- допускаемые напряжения на кручение для материала вала при температуре t_p, Па.

3) Определение длины вала мешалки.

Рис.7

а) расположение вала с мешалкой в аппарате: 1 -Рамная мешалка

(Тип - 10)

б) прогибы сечений вала под воздействием центробежных сил (??_ц -

центробежная сила, действующая на мешалку; у_Д- динамический прогиб центра тяжести мешалки,);

в) расчетная схема вала;

г) приведенная расчетная схема вала

Длина консоли вала, т.е. расстояние от нижнего подшипника до средины ступицы (рис. 7), м:

ГдеН=4,482 - высота корпуса аппарата, м;

h₀=0,06 - высота опоры для стойки привода, м;

h₁=0,52 - расстояние от нижнего подшипника в приводе до крышки корпуса аппарата, м;

h_M1=0,3d_m+ Н_m=1,52 расстояние от днища корпуса до середины ступицы, м. Полная длина вала (рис.7), м:

l = l₁+ l₂ = 3,542+0,6 = 4,142 м

Где l₂=0,8 -длина пролёта, т.е. расстояние между подшипниками, м.

4) Расчёт вала на виброустойчивость.

Под виброустойчивистью вала понимают его способность работать с динамическими прогибами, не превышающими допускаемых значений. Сущность проверочного расчета вала на виброустойчивость заключается в определении его критической угловой скорости ??_кр в воздухе, а затем в проверке условий виброустойчивости.

Рис. 8 - Зависимость динамических прогибов вала у_д от угловой скорости ??(??_кр- критическая скорость вала, соответствующая прогибу у_д.??????). 

Зона I - В этой зоне виброустойчивы жёсткие валы, т.е. их динамические прогибы не превышают допускаемых значений. Гибкие валы виброустойчивы в зоне II. Длительная работа в зоне III - зоне повышенных допускаемых значений недопустима, так как может привести к нарушению условий жёсткости. Зона IV- зона неустойчивой работы вала с мешалкой в жидкости.

Относительные длины консоли ??1 и пролёта ??2:

Масса вала, кг:

Коэффициент приведения массы вала q вычисляется по формуле:

Правильность выполнения расчёта контролируется по графику (рис.9)

Рис.9 - Коэффициент приведения массы вала q=f(



Осевой момент инерции поперечного сечения вала, м⁴:

Приведённая жёсткость вала, Н/м:

Приведённая суммарная масса мешалки и вала, кг:

m_пр = m+qm_в= 175+0,212· = 209,63 кг

Где m=175 - масса мешалки, кг.

Критическая угловая скорость вала в воздухе, рад/с:

Виброустойчивость вала проверяется по условию:

а) Жесткий вал:

Условие выполняется.

б) Гибкий вал:

0,398 ? 1,3

Условие не выполняется.

Так как выполняется первое условие, то вал будет виброустойчив. Жесткий вал.

Предельная угловая скорость, рад/с:

5) Определение сил, действующих на вал.

Помимо кручения вал мешалки изгибается от действия неуравновешенной центробежной силы F_ци поперечной гидродинамической силы F_м(рис.8)_. Центробежная сила F_ц, вызванная несбалансированностью мешалки и вала, постоянна по величине, направлена от оси вала в сторону смещенного центра масс и условно приложена к середине ступицы мешалки.

Суммарный эксцентриситет, т.е. смещение центра масс мешалки относительно оси вращения из-за неточности изготовления и сборки мешалки - это сумма собственного эксцентриситета мешалки e_м и половины биения вала ??, т.е.

e = e_м+0,5?? = 1,657·10^-3+0,5·10^-3 = 2,157·10^-3

Где e_м=4·10^-4 ??=1,657·10^-3-допустимая величина эксцентриситета мешалки, м; ??=0,001- допустимая величина биения вала; ??-угловая скорость вала, рад/с.

Рис.10 - Схема внешних и внутренних сил, действующих на вал.



С учётом динамического прогиба у_д (рис.6 б) и приведённой суммарной массы мешалки и вала m_прцентробежная сила, Н:

??_ц = ??_пр??²(уд ± е) = ??_пр??²??|1/(1 ? (??/??_кр)²)| = 209,63· ² · 2,157 ·

10^?3 · |1/(1 ? (/)²)|= 9,42 Н

Поперечная гидродинамическая сила F_м, действующая на ротор (вал и мешалку) возникает в результате сложного взаимодействия лопастей мешалки с потоками жидкости. Среднее значение F_м, Н:

Где к_м=0,025 - коэффициент сопротивления мешалки;

к = 1 - днище эллиптическое; к_в?1,1- коэффициент, учитывающий гидродинамическое сопротивление вала.