Применение аппаратов с механическими перемешивающими устройствами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Цели и задачи проекта

2. Эскизный проект

2.1 Расчетная температура

2.2 Выбор конструкционных материалов

2.3 Определение допускаемых напряжений конструкционного материала

2.4 Определение рабочего, расчетного, пробного и условного давлений

2.5 Выбор комплектующих элементов

2.6 Эскиз компоновки аппарата

2.7 Оценка надежности эскизного варианта 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 Расчет допускаемых давлений

3.1.6 Расчет фланцевых соединений корпуса

3.1.7 Расчет монтажных цапф корпуса и опор аппарата

3.2 Элементы механического перемешивающего устройства

3.2.1 Расчет вала мешалки на прочность и виброустойчивость

3.2.2 Расчет шпоночного соединения ступицы мешалки с валом

3.2.3 Расчет муфт

Заключение

Список использованных источников

Введение

Общие сведения об аппаратах с мешалками

Аппараты с механическими перемешивающими устройствами применяются в различных отраслях промышленности, как в нефтяной, газовой, химической, так и в пищевой. Стальные аппараты с мешалками используются во многих технологических процессах на производствах. Основное назначение таких аппаратов - это не только хранение различных жидкостей, но и: перемешивание, эмульгирование, суспензирование, гомогенизация и др. Все эти процессы в аппаратах можно проводить с нейтральными жидкостями и эмульсиями, а также с пожаро- и взрывоопасными, агрессивными и токсичными средами, газожидкостными смесями и суспензиями. Аппарат - устройство, в котором технологический процесс осуществляется за счет физико-химических превращений.

Аппараты с механическими перемешивающими устройствами - самые распространенные в химической отрасли промышленности. Причина в том, что это - наиболее многофункциональное оборудование, способное работать как в периодических, так и непрерывных процессах в весьма широком диапазоне условий эксплуатации.

Конструкция аппаратов с перемешивающими устройствами зависит от их назначения и условий эксплуатации. Можно выделить несколько типов аппаратов с перемешивающими устройствами: цельносварные аппараты, разъемные химические реакторы для гомогенных и гетерогенных систем, разъемные химические реакторы с рубашкой и др. Разъемный аппарат комплектуется съемной крышкой, которая может быть снята для очистки внутренней поверхности или осмотра перемешивающего устройства. В зависимости от условий эксплуатации и назначения аппарата днища и крышки могут быть выполнены эллиптической, конической или плоской форм.

Аппараты обычно оснащаются различными теплообменными устройствами, 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.

Основными элементами аппарата являются корпус и механическое перемешивающее устройство. Корпус аппарата - герметически закрытый сосуд, находящийся под давлением, в котором осуществляется перемешивание. При эксплуатации при температуре ниже 0єС в конструкции аппарата предусматривается теплообменное оборудование для подогрева в виде змеевика или рубашки для предотвращения замерзания жидкости.

В зависимости от назначения различают корпуса с эллиптическим днищем и крышкой (ВЭЭ) или коническим днищем и эллиптической крышкой (ВКЭ). Механическое перемешивающее устройство (МПУ) состоит из привода, вала, муфты, уплотнения. В зависимости от назначения различают следующие виды мешалок - турбинная открытая, рамная, трехлопастная, лопастная.



1. Цели и задачи проекта

Цель курсового проекта - разработка в соответствии с исходными данными эскизного, технического проектов и фрагментов рабочей конструкторской документации на типовой вертикальный аппарат с механическим перемешивающим устройством. 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 др. Методики расчётов, используемые при проектировании аппарата с мешалкой, типичны, т. е. являются общими для многих других видов оборудования.

При выполнении курсового проекта решаются следующие основные задачи:

1) освоение основ методики проектирования;

2) 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;

3) выбор материалов и конструирование оформление аппарата в соответствии с заданными технологическими параметрами процесса;

4) выполнение проектных и проверочных расчётов типовых элементов по главным критериям их работоспособности, позволяющих выявить соответствие аппарата требованиям эксплуатации (при этом особое внимание следует обращать на вскрытие резервов работоспособности стандартизованных элементов и повышение производительности оборудования); 5) конструктивное оформление аппарата в соответствии с заданными технологическими параметрами процесса;

6) грамотный доклад и защита курсового проекта.



2. Эскизный проект

2.1 Расчетная температура

Механические характеристики материалов существенно изменяются в зависимости от температуры.

Расчетная температура - температура, при которой определяются физико-механические характеристики, допускаемые напряжения, также проводится расчет на прочность элементов сосуда. Расчетная температура определяется на основании тепловых расчетов или результатов испытаний.

где - расчетная температура стенок корпуса аппарата, ; - температура среды, соприкасающейся со стенкой аппарата, .

2.2 Выбор конструкционных материалов

При выборе марки стали учитываются ее коррозионная стойкость в рабочей среде. Нас удовлетворяют вполне стойкие стали, т.е. скорость коррозии не более 0,1мм/год. Согласно заданию, для среды 30% гидроксид калия при по таблицам коррозионной стойкости в качестве основного материала была выбрана сталь 12Х18Н10Т. Эту сталь будем использовать для корпуса, штуцеров, внутренних устройств, мешалки, вала, крепежных изделий внутренних устройств. Опоры и цапфы выполним из стали Ст3сп. Марки выбранных материалов, а также значения допускаемых напряжений при расчетной температуре, и при температуре , заносятся в таблицу:



Таблица 1 - Материалы и допускаемые напряжения элементов аппарата

Элементы аппарата	Марка материала	Допускаемые напряжения, МПа
		у*	[у]	у*20	[у]20
Есть контакт с внешней средой
1.Корпус:
а) обечайка, днище, крышка;	12Х18Н10Т	179	179	184	184
б) фланцы корпуса, люка;	12Х18Н10Т	-	-	-	-
в) прокладка уплотнительная;	ПЭ	-	-	-	-
2.Внутренние устройства	12Х18Н10Т	-	-	-	-
3.Мешалка	12Х18Н10Т	179	179	184	184
4.Вал	12Х18Н10Т	121,5	121,5	125	125
5.Крепежные изделия мешалки:
а) болт, гайка, шайба	12Х18Н10Т	-	-	-	-
б) шпонка	12Х18Н10Т	-	-	-	-
Нет контакта с рабочей средой
6.Рубашка	-	-	-	-	-
7.Опоры аппарата, цапфы	Ст3сп	151,5	151,5	154	154
8.Стойка привода	СЧ15	-	-	-	-
9.Крепежные изделия:
а) для фланцевых соединений:
- корпуса	12Х18Н10Т	107,5	107,5	110	110
б) для муфты вала (шпонка);	40	128	128	130	130
в)для уплотнения (шпилька)	40	128	128	130	130

2.3 Определение допускаемых напряжений конструкционного материала

На основании ГОСТ Р 52857.1-2007 допускаемые напряжения материалов для рабочих и нормальных условий определяются по формулам:

где , - нормативное допускаемое напряжение соответственно при расчетной температуре для выбранного материала и , МПа; - поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки рассчитываемого элемента; - поправочный коэффициент, учитывающий степень опасности рабочей среды.

- для корпуса (обечайка, крышка, днище).

Допускаемые напряжения для материалов других элементов аппарата следует принять:

2.4 Определение рабочего, расчетного, пробного и условного давлений

Рабочее, расчетное, пробное и условное давления относятся к параметрам, которые подлежат предварительному определению.

Рабочее давление - максимальное внутреннее избыточное давление, возникающее при нормальном протекании процесса без учета гидростатического давления среды и без учета допустимого кратковременного повышения давления во время срабатывания предохранительного клапана или других предохранительных устройств. Таким образом, рабочее давление - это избыточное давление газа над слоем жидкости, которое указывается в ТЗ, т.е.

Гидростатическое давление - максимальное давление столба жидкости в аппарате, Па:

где - плотность рабочей среды, , - ускорение свободного падения, , - уровень жидкости в аппарате, .

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

На элемент корпуса действует гидростатическое давление больше 5% от рабочего, поэтому его учитывают в расчетном давлении:

Расчетное внутренне давление - давление, на которое производится расчет элементов аппарата на прочность, Па. (Рисунок 1а).

Рисунок 1 - Расчетные схемы элементов корпуса, нагруженных внутренним давлением газа и жидкости



Рисунок 2 - Схема к определению расчетного наружного давления, действующего на элементы аппарата

Наружное давление является основной нагрузкой для тех элементов аппаратов, которые находятся под рубашкой или работают при остаточном давлении, т.е. под вакуумом (Рисунок 1б). Расчетное наружное давление определяется по формулам:

а) для элементов корпуса, не находящихся под рубашкой:

где - атмосферное давление, Па; - остаточное давление в корпусе, Па.

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

где принимается по тому из использованных материалов элементов (корпуса, фланцев, крепежа и др.) сосуда, для которого оно является наименьшим.

Условное давление - расчетное давление при температуре 20°C, используемое при выборе и расчете на прочность стандартных элементов аппарата.

где - условное давление, МПа, выбирается из стандартного ряда:

0.25, 0.3, 0.4, 0.6, 1.0, 1.6, 2.5.

Таким образом

Занесем все значения в таблицу.

Таблица 2 - Расчетное, пробное, условное давления в аппарате

	Элементы аппарата	Расчетное внутреннее давление, МПа	Расчетное наружное давление , МПа	Пробное давление , МПа	Условное давление , МПа
Корпус	Крышка	0.213	0,090	0.274	-
	Обечайка
	Днище
	Фланцы		-		0.3
	Люк
	Штуцеры

2.5 Выбор комплектующих элементов

Выбор привода аппарата производится поэтапно (по Приложению Ж [1]). Номинальная мощность электродвигателя выбранного привода должна быть больше мощности , затрачиваемой двигателем, как на перемешивание , так и на преодоление трения в элементах механизма. Мощность , потребляемая двигателем при работе рассчитывается по формуле:

где - расчетная мощность электродвигателя; - КПД подшипников, в которых крепится вал мешалки; - КПД, учитывающий потери в уплотнении; - КПД компенсирующей упругой втулочно-пальцевой муфты; - КПД механической передачи привода.

Значения КПД принимаются по таблице Ж.25 [1].

Проверяем условие по формуле (14).

, ,

2.6 Эскиз компоновки аппарата

В эскизном проекте изображен общий вид аппарата, дающий представление об его устройстве. Изображение выполнено с максимальными упрощениями в произвольном масштабе (в Приложении).

Результаты выбора типовых элементов занесем в Таблицу:



Таблица 3 - Типовые элементы аппарата и их условные обозначения

Типовой элемент	Условное обозначение типового элемента
Корпус аппарата и теплообменное устройство	Корпус ВЭЭ-2-1-1000 ГОСТ 9931-85, сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72 Змеевик (труба 57х3 ГОСТ 9940-81), сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72
Люк	Люк 2-100-0,3 ОСТ 26-2004-83, сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72 Прокладка В-100-0,3 ГОСТ 15180-86, паронит ПЭ ГОСТ 481-80
Цапфы монтажные	Цапфа 4-1-1-550 ГОСТ 13716-73, сталь Ст3сп ГОСТ 380-2005
Фланцы отъемной крышки	Фланец 5-1000-0,3-150 ГОСТ 28759.2-90, сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72 Прокладка 1-1000-0,3 ГОСТ 28759.6-90, паронит ПЭ ГОСТ 481-80 Фланец 4-1000-0,3-150 ГОСТ 28759.2-90, сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72
Опоры аппарата	Опоры стойки 1-1-4 АТК 24.200.03-90, сталь Ст3сп ГОСТ 380_2005
Мешалка	Мешалка 01-200 АТК 24.201.17-90, сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632_72
Привод	Привод 41-1-50-3,0-750 Стойка, чугун СЧ 15 ГОСТ 1412-85
Вал	Вал мешалки 50х2220, сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72
Муфта	Муфта МФ 500-40-1-1, сталь 40 ГОСТ 1050-88
Уплотнение	Уплотнение ТЗ-50-0,6 АТК 24.201.13-90

2.7 Оценка надежности эскизного варианта компоновки аппарата

Надежность химического оборудования - комплексное свойство, сочетающее безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Важнейшим среди перечисленных составляющих надежности является безотказность.

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



где , , , , , , , - интенсивности отказа корпуса аппарата, люка с подъемным устройством, трубы передавливания, привода, муфты, уплотнения, мешалки и вала соответственно, ; , - суммарные интенсивности отказов корпуса аппарата и его привода с перемешивающим устройством, соответственно. - интенсивность отказов аппарата в целом, .

При известной интенсивности отказов аппарата вероятность его безотказной работы определяется формулой: .

Вероятность безотказной работы является наиболее полной характеристикой надежности химико-технологической аппаратуры. Средняя продолжительность безотказной работы аппарата связана с вероятностью соотношением:

Вероятность безотказной работы позволяет также обоснованно выбрать продолжительность периодов эксплуатации аппарата между обслуживанием и плановыми ремонтами. Параметр , находится с помощью соотношения (18) из условия, что вероятность безотказной работы аппарата не может быть ниже некоторого предельного значения . Отсюда:

где - предельное значение вероятности безотказной работы.



3. Технический проект

3.1 Расчет элементов корпуса аппарата

3.1.1 Определение коэффициентов прочности сварных швов и прибавки для компенсации коррозии

Оболочки аппаратов изготавливаются из стальных листов сваркой. 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 , несколько уменьшающий допускаемые напряжения материала. Для данного аппарата общая длина швов 100%.

Свариваемые оболочки аппаратов с отъемными крышками соединяют двусторонним стыковым швом автоматической или полуавтоматической сваркой при 100% контроле швов.

Прибавка для компенсации коррозии к расчетным толщинам конструктивных элементов определяется по формуле:

где с - прибавка для компенсации коррозии, м; П - скорость коррозии м/год (для вполне стойких материалов ); - срок службы аппарата (амортизационный срок), 10 лет.

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 тонкостенных оболочек. Расчету подлежат элементы корпуса: цилиндрическая обечайка, эллиптическая крышка и эллиптическое днище в местах сварки.

а) Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки из условия прочности, :

где - расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки из условия прочности, ; - расчетное внутреннее давление, Па; - внутренний диаметр обечайки, ; [у] - допускаемое напряжение, МПа, Па; ц - коэффициент прочности шва.

б) Расчетная толщина стенки эллиптической крышки и днища из условия прочности, :

3.1.3 Определение расчетной толщины стенок оболочек из условия устойчивости

а) Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки из условия устойчивости, :

где- расчетная толщина стенки цилиндрического обечайки из условия устойчивости, ; - расчетное наружное давление (см. Таблица 2), Па; - коэффициент запаса устойчивости; - расчетная длина цилиндрической обечайки, ; Е - модуль продольной упругости материала оболочки, Па; D - внутренний диаметр обечайки, м.

При определении расчетной длины цилиндрической обечайки следует учитывать, что в аппаратах с отъемной крышкой без теплообменной рубашки волны смятия распространяются от фланца, захватывая часть днища (см. Рисунок 3).

Рисунок 3 - Схемы к определению расчетной длины цилиндрической оболочки .

- высота корпуса.

- высота элементов фланцевого соединения.

- ориентировочная высота отбортованной части конического днища.

- высота переходной части конической оболочки.



б) Расчетная толщина стенки эллиптической оболочки крышки и днища из условия устойчивости, м:

где D - внутренний диаметр обечайки, м; K?0.9 - коэффициент приведения радиуса кривизны эллипса; - расчетное наружное давление, действующее на днище или крышку, Па; - коэффициент запаса устойчивости; E - модуль продольной упругости материала оболочки при расчетной температуре, Па.

3.1.4 Определение исполнительной толщины стенок оболочек

Определение толщины стенок оболочек аппарата из условий прочности и устойчивости было предварительным. Для каждой оболочки из двух вычисленных значений толщины выбирают большее расчетное значение:

Окончательно исполнительную толщину стенки подбирают из ряда значений стандартной толщины листов. Выражения для определения исполнительной толщины стенок оболочек корпуса имеют следующий вид:

а) для цилиндрической оболочки



б) для эллиптической оболочки

Таблица 4 - Параметры толщины стенок оболочек.

Оболочка аппарата	Расчетная толщина стенки, мм	Прибавка на коррозию, мм	Минусовой допуск, мм	Исполнительная толщина, мм
	Из условия прочности	Из условия устойчивости
Корпус:
Цилиндрическая оболочка	5.953	2,729	1	0,8	8
Крышка	5.951	1,816	1	0,8	8
Днище	5.951	1,816	1	0,8	8

3.1.5 Расчет допускаемых давлений

Расчет допускаемых (предельных) внутренних давлений

а) для цилиндрической обечайки

Условие допускаемых внутренних давлений выполняется.

б) для эллиптической крышки и днища

Условие допускаемых внутренних давлений выполняется.

в) для стандартных изделий (фланец корпуса, люк, штуцеры и др.), выбранные по условному давлению из справочных таблиц соответствующих приложений:



г) для уплотнения вала мешалки:

где - максимальное избыточное давление, которое может обеспечить уплотнение в корпусе аппарата.

Результаты расчетов допускаемых давлений предварительно занесем в таблицу.

Таблица 5 - Допускаемые внутренние давления в аппарате, МПа.

Элементы аппарата	Фланец, штуцеры, люк	Уплотнение Рмах	Крышка	Обечайка	Днище	Общее для аппарата
Корпус	0,292	0.6	2.211	2.202	2.211	0,292
Рубашка	-	-	-	-	-	-

Расчет допускаемых (предельных) наружных давлений

а) для цилиндрической обечайки:

Условие допускаемых наружных давлений выполняется.

б) для эллиптической оболочки:



Условие допускаемых наружных давлений выполняется.

в) для уплотнения вала мешалки:

где - максимальное давление разрежения (вакуум), которое может обеспечить уплотнение в корпусе аппарата. , - соответственно атмосферное и минимальное остаточное давление для выбранного типа уплотнения.

Сведем значения допускаемых наружных давлений в таблицу.

Таблица 6 - Допускаемые наружные давления в аппарате, Мпа

Элементы корпуса	Крышка	Обечайка	Днище	Уплотнение	Общее для всех
Не находящиеся под рубашкой	0.7	1.049	0.7	0.097	0.097

3.1.6 Расчет фланцевых соединений корпуса

Расчет фланцевого соединения аппарата проводится на основе ГОСТ Р 52857.4-2007.

Так как фланцевые соединения (Рисунок 4) относятся к статически неопределимым системам, для расчета усилий, действующих на болты (шпильки) и на прокладку, предварительно необходимо определить податливость болтов и прокладки (податливость - величина обратная жесткости, равна отношению деформации к вызывающей ее силе). Поскольку жесткость фланцев, как правило, значительно больше жесткости эластичных и асбометаллических прокладок, податливостью фланцев можно пренебречь.

Рисунок 4 - Расчетная схема фланцевого соединения

Податливость болтов соединения, м/Н:

где - приведенная длина для болтов, м;

- общая высота дисков фланцевого соединения, м. h - высота диска фланца, м; Еб - модуль упругости материала болта, Па; dб - наружный диаметр резьбы болта, м; zб - число болтов в соединении; Aб - минимальная площадь поперечного сечения болта, м2.

Податливость прокладки , м/Н:



где b = 0.0145 - ширина прокладки, м; Dп.ср - средний диаметр прокладки, м. Dп - наружный диаметр прокладки, м; Ко = 0.9 - коэффициент обжатия; Еп20 - условный модуль сжатия материала прокладки при , 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 t0=20 °С; 2 - эксплуатация под давлением рабочей среды с температурой tр.

В условиях монтажа усилия затяжки болтов Fб1 и усилия сжатия прокладки Fп1 равны, т.е. Fб1 = Fп1. Усилие затяга контролируется при помощи специального динамометрического ключа. Эти предварительные усилия должны быть такими, чтобы сохранялась герметичность и в условиях эксплуатации, поскольку внутреннее давление, действуя на крышку и растягивая болты, снижает усилия на прокладку (Рисунок 5), которое может стать меньше усилия, обеспечивающего герметизацию.



Рисунок 5 - График зависимости усилий на болтах Fб и прокладке Fп от давления и температуры tp рабочей среды

Усилие от давления рабочей среды, Н:

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

где , - температура фланцев и болтов соответственно, . , (при наличии теплоизоляции). ; , - коэффициенты линейного расширения материалов фланцев и болтов, 1/град; , - модуль упругости материала болтов при и при рабочей температуре, Па.

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

где - коэффициент материала прокладки. - эффективная ширина прокладки.

Усилие затяжки Fб1, действующее как на болты, так и на прокладку при монтаже, принимается наибольшим из двух значений:

где qmin - минимальная удельная нагрузка на контактной поверхности прокладки, необходимая для заполнения неровностей уплотнительных поверхностей фланцев;

Температурное усилие в формуле (46) не учитывается, так как оно больше нуля. При действии рабочего давления усилие на болты возрастает (Рисунок 5):

Из рисунка следует, что усилие от действия рабочей среды распределяется между болтами и прокладкой, при этом фактическое усилие, которое испытывает прокладка в рабочих условиях, меньше чем при монтаже соединения.

Запас герметичности проверяется по формуле:

Условие герметичности (49) выполняется.

Проверка прочности болтов в условиях монтажа:

- допускаемое напряжение в материале болтов при 20 °С, Па.

Условие прочности болтов выполняется.

Проверка прочности болтов в рабочих условиях:

где - допускаемое напряжение в материале болтов при рабочей температуре, Па. Условие прочности болтов выполняется.

Проверка прочности материала прокладки:



где - допускаемая удельная нагрузка на прокладку, Па.

Условие прочности материла прокладки выполняется.

3.1.7 Расчет монтажных цапф корпуса и опор аппарата

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). Максимальный вес аппарата Gmax рассчитывается с учетом веса всех составных частей аппарата и максимального веса среды:

где Gk - вес корпуса вместе с теплоизоляцией, внутренними устройствами и уплотнением, Н; Gруб - вес теплообменной рубашки(отсутствует), Н; Gпр - вес механического перемешивающего устройства (привод, муфта, вал, мешалка), Н; Gс - максимальный вес среды в аппарате, Н.

Составляющие, входящие в формулу Gmax определяют путем вычисления (точно или приближенно) или по таблицам приложения, содержащим информацию о массе типовых элементов (привод, муфта и т.д.).

При приближенном вычислении веса корпуса, реальная оболочка заменяется цилиндром того же диаметра D (м), но с плоскими крышкой и днищем, в который можно вписать корпус аппарата высотой Н;



- масса люка, кг; - масса фланцев отъемной крышки корпуса, кг.

Так как рубашка отсутствует, .

Вес привода определяется по формуле:

где - масса мотор-редуктора, кг.

При расчете максимального веса рабочей среды предполагают, что аппарат с номинальным объемом V заполнен полностью наиболее тяжелой жидкостью (среда):

Максимальный вес полностью заполненного жидкостью аппарата, Н:

Масса пустого аппарата (указывается в основной надписи чертежа общего вида) рассчитывается по формуле (53), принимая :

Максимальная масса аппарата заполненного рабочей средой (указывается в перечне технических характеристик на чертеже общего вида) рассчитывается с использованием формул (56), (57), но в формуле (56) вместо номинального объема аппарата V подставляется значение рабочего объема аппарата Vp. Рабочий объем аппарата с уровнем заполнения Hc, :

где , , - соответственно объемы заполнения цилиндрической части корпуса, эллиптической части днища и эллиптической части крышки, :

где

Так как .

Это означает, эллиптическая крышка не заполняется рабочей жидкостью вообще (уровень заполнения аппарата средой ниже крышки).

Тогда

Соответственно, находим максимальный вес аппарата в рабочем состоянии:



Проверочный расчет опор-стоек выполняется по следующий методике:

а) Выбранный типоразмер опоры и цапфы проверяется на грузоподъемность по условиям:

Условие (61) не выполняется. Необходимо применить опоры с большей грузоподъемностью.

где Gоп и Gц - расчетные нагрузки на одну опору и цапфу, Н; Gmax - максимальный вес аппарата при эксплуатации, Н; zоп - число опор (для опор-стоек zоп = 3); zц - число цапф (zц = 2); Gдоп и Gдоп.ц. - допускаемая нагрузка на опору и грузоподъемность цапфы, Н.

Условия грузоподъемности выполняются.

б) Проверяется прочность бетона фундамента на сжатие:



где - напряжение в фундаменте под опорой, Па; ?- допускаемое напряжение для бетона при сжатии, Па; Ап = ab - площадь основания опоры-стойки, м2. напряжение давление сварной коррозия

Условие прочности выполняется.

в) Устойчивость ребер (косынок) опор-стоек проверяется по напряжению сжатия, Па:

где - допускаемое напряжение на устойчивость, Па; - критическое напряжение, Па; b, h, s - соответственно ширина, высота и толщина ребра, м;

=2 - число ребер в опоре; Е - модуль продольной упругости материала опор (при температуре t=0.85tc), Па. =5 - коэффициент запаса устойчивости.

Условие устойчивости выполняется.

3.2 Элементы механического перемешивающего устройства

3.2.1 Расчет вала мешалки на прочность и виброустойчивость

Выбор конструкционного материала вала

Вал изготавливается из коррозионностойкого материала. Выбор материала вала мешалки выполняется на этапе эскизного проекта. Допускаемые напряжения для материала вала и нормативные напряжения указаны в таблице 1.

Предварительный расчет вала на прочность

Поскольку диаметры всех участков вала предварительно определяются на этапе эскизного проектирования по типоразмеру привода, мешалки и муфты, то выполняется лишь проверочный расчет вала из условия прочности на кручение. При кручении опасным сечением вала является участок вала диаметром d1 в месте крепления ступицы мешалки (Рисунок 6). Диаметр вала на этом участке меньше чем диаметр всего вала d. Это сделано для удобства закрепления ступицы и предотвращения перемещения мешалки вдоль оси вала. Способ крепления неразъемных и разъемных мешалок отличается.

Рисунок 6 - Крепление неразъемной ступицы мешалки

Вал 1 (Рисунок 6) под неразъемную ступицу заканчивается проточкой, в которую вставляется кольцо 5 с прорезью, удерживающее мешалку на валу. В свою очередь кольцо 5 крепится к валу при помощи болтов 6. Крутящий момент с вала на ступицу передается шпонкой 3. Приблизительно на половину своей высоты шпонка утоплена в шпоночном пазе вала. Шпоночный паз ступицы выполнен по всей её длине.

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



где - коэффициент динамичности нагрузки; Nм - мощность потребляемая мешалкой на перемешивание, Вт;

- угловая скорость вала мешалки; n - частота вращения вала мешалки, об/мин.

Коэффициент определяется в зависимости от типа мешалки и наличия внутренних устройств аппарата. Для трехлопастной мешалки в аппарате без перегородок =1,3.

Полярный момент сопротивления сечения вала Wр (м3) в опасном сечении рассчитывается по формуле:

где d1 диаметр участка вала под ступицу определяется исходя из типа и диаметра мешалки dм, м.

Проверочный расчет вала заключается в проверке условия прочности на кручение:

где - допускаемые напряжения на кручение, Па .

Условие прочности вала выполняется.

Расчет вала на виброустойчивость



Рисунок 7 - К расчету вала на виброустойчивость: а) расположение вала с мешалкой в аппарате: 1 - быстроходная мешалка; б) прогибы сечении вала под воздействием центробежных сил (Fц - центробежная сила, действующая на мешалку, Н;

Расчет критической скорости выполняется на основе нормативного документа РДРТМ 26-01-72-82. Данные для расчета принимаются по техническому заданию, из эскиза компоновки и из расчетной схемы фланцевого соединения.

Длина консоли вала, расстояние от нижнего подшипника до середины ступицы, м:

где - высота корпуса аппарата; - высота опоры для стойки привода; - расстояние от нижнего подшипника в приводе до опоры под привод на крышке корпуса аппарата;- расстояние от днища корпуса до середины ступицы мешалки.

Полная длина вала, м:



где - длина пролета, т.е. расстояние между подшипниками, м.

Относительные длины консоли и пролета :

Масса вала, кг:

где d - диаметр вала, м; = 7850 кг/м3 - плотность стали.

Коэффициент приведения массы вала q вычисляется по формуле:

Правильность выполнения расчета контролируется по графику на рисунке 9.



Рисунок 8 - Коэффициент приведения массы вала

Осевой момент инерции поперечного сечения вала, м4:

Приведенная жесткость вала, Н/м:

Приведенная суммарная масса мешалки и вала, кг:

где m - масса мешалки.

Критическая угловая скорость вала в воздухе, рад /с:

Виброустойчивость вала проверяют по условию:

Гибкий вал:



где щ - угловая скорость вращения вала, рад/с.

Условие виброустойчивости выполняется.

Предельная угловая скорость для гибкого вала вносится в техническую характеристику аппарата и рассчитывается по формуле:

Определение сил, действующих на вал

Помимо кручения вал мешалки изгибается от действия неуравновешенной центробежной силы и поперечной гидродинамической силы . (Рисунок 9)

Рисунок 9 - Схема внешних и внутренних сил, действующих на вал.

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

В формуле (82) рекомендуется принять:

- допустимая величина эксцентриситета мешалки, м (эмпирическая формула).

- угловая скорость вала, рад/с;

- допустимая величина биения вала (эмпирическая формула);

- длина консольной части вала, м.

С учетом динамического прогиба Уд и приведенной суммарной массы мешалки и вала центробежная сила, Н:

Поперечная гидродинамическая сила , действующая на ротор (вал и мешалку) возникает в результате сложного взаимодействия лопастей мешалки с потоками жидкости. Среднее значение поперечной гидродинамической (с учетом гидродинамического сопротивления вала), Н.



где =0.006 - коэффициент сопротивления мешалки (для трехлопастной в данном аппарате); = 1.1 - коэффициент, учитывающий гидродинамическое сопротивление вала; - днище эллиптическое.

Расчет вала на статическую прочность

Максимальные значения нормальных и касательных напряжений определяются в опасном сечении, т.е. в месте расположения нижнего подшипника, где изгибающий момент максимален. (Рисунок 9).

где , - соответственно, осевой и полярный моменты сопротивления сечения вала, ; - длина консольной части вала, м; - диаметр вала, м.

- максимальный крутящий момент, .

Эквивалентные напряжения, рассчитанные по третьей теории прочности сравниваются с допускаемыми напряжениями:

Где - допускаемое напряжение материала вала при температуре не более (вал в месте расположения подшипника не должен иметь температуру выше указанного значения), Па.

3.2.2 Расчет шпоночного соединения ступицы мешалки с валом

Крутящий момент с вала на ступицу мешалки передается при помощи призматической шпонки (Рисунок 10), размещенной в шпоночных пазах вала и ступицы. Боковые грани на половине своей высоты шпонки испытывают напряжения смятия усм, а продольное сечение - напряжения среза фср. Шпонку рекомендуется изготавливать из того же материала, что и вал. Допускаемые напряжения [у] принимаются равными нормативным допускаемым напряжениям у*.

Для ступиц мешалок рекомендуется применять высокие шпонки, размеры поперечного сечения которых (Рисунок 10) выбираются исходя из диаметра вала d1 участке под ступицей.

Рисунок 10 - Схема к расчету шпоночного соединения

Длину призматической шпонки назначают конструктивно с учетом высоты ступицы h:

Полученное значение округляют до стандартного из ряда (по ГОСТ 23360-78).

.

Для шпоночного соединения (Рисунок 10) выполняется проверочный расчет на смятие.

Шпонка испытывает смятие с двух противоположных сторон: со стороны вала (на рисунке в поперечном сечении нижняя часть одной из боковых поверхностей), и со стороны ступицы (на рисунке верхняя часть противоположной боковой поверхности).

Сила, вызывающая смятие, Н:

где d1 - диаметр участка вала под ступицу мешалки (Рисунок 10).

Минимальная поверхность смятия (м2) определяется по формуле:

Условие прочности шпонки на смятие:

где - напряжение смятия на боковой поверхности шпонки, Па;

Условие прочности шпонки на смятие выполнено.



3.2.3 Расчет муфт

Муфта соединяет вал привода с валом мешалки и передает крутящий момент.

Типоразмер муфты зависит от типа привода и диаметра. В приводе типа 4 используется фланцевая полумуфта. Муфты, выбранные по диаметру вала при эскизной компоновке аппарата, проверяются на нагрузочную способность по условию:

где Трм - расчетный крутящий момент на участке вала под муфту, ; , ? - соответственно КПД подшипников, уплотнения и муфты, вводимые в расчет с учетом схемы привода.

- номинальный (допустимый) крутящий момент для выбранного типоразмера муфты, .

Условие на нагрузочную способность (94) выполняется.



Заключение

В данной курсовой работе был спроектирован аппарат с мешалкой, который состоит из элементов:

корпус, состоящий из обечайки, крышки, днища; змеевик;

фланцевое соединение корпуса, люк;

привод механического перемешивающего устройства;

трехлопастная мешалка; вал мешалки;

уплотнение вала мешалки;

муфта вала;

опоры-стойки и монтажные цапфы;

Были выбраны материалы, для элементов и устройств аппарата: Корпус выполнен из стали 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-752, также из этой стали выполнены: мешалка, вал, фланцы корпуса, люк, змеевик, крепежные изделия змеевика и мешалки. Опоры аппарата и монтажные цапфы выполнены из стали Ст3сп ГОСТ 380-2005.

Были выполнены проектные и проверочные расчеты, позволяющие выявить соответствие аппарата требованиям эксплуатации:

Интенсивность отказов для аппарата составляет ;

Средняя продолжительность безотказной работы (наработка на отказ) -

Исполнительные толщины стенок аппарата:

Обечайка - 8 мм, эллиптическое днище - 8 мм.

Рабочее давление в аппарате - 0,20 МПа

Предельное внутреннее в аппарате - 0,292 МПа;

Предельное наружное давление - 0,097 МПа;

Проверка прочности болтов в условиях монтажа:



Проверка прочности болтов в рабочих условиях:

Проверка прочности материала прокладки:

Максимальный вес полностью заполненного жидкостью аппарата:

Масса пустого аппарата:

Максимальный вес аппарата в рабочем состоянии:

Расчетный максимальный крутящий момент с учетом пусковых нагрузок определяется по формуле: .

Предельные угловые скорости для гибкого вала:

Максимальные значения нормальных и касательных напряжений:

Условие прочности шпонки на смятие:

Расчетный крутящий момент на участке вала под муфту:



Список использованных источников

1. Луцко А.Н. Прикладная механика : учебное пособие / А. Н. Луцко, М. Д. Телепнев, В. М. Барановский, В. З. Борисов, В. А. Яковенко, Н. А. Марцулевич - Изд. 4-е, перераб. и доп. - СПб.: Изд-во СПбГТИ(ТУ), 2012. - 272 с.

2. Иосилевич, Г.Б. Прикладная механика / Г.Б. Иосилевич, Г.Б. Строганов, Г.С. Маслов - М.: Изд-во «Робинс», 2011. - 351 с.

3. Мильченко, А. И. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств: Примеры и задачи / М.Ф. Михалев, Н.П. Третьяков, В.В. Зобнин - Л.: Машиностроение, 1984. - 301 с.

4. ГОСТ 20680-2002. Аппараты с механическими перемешивающими устройствами. Общие технические условия. - М.: Изд-во стандартов, 2002. - 20 с.

5. ГОСТ Р 52857.1 - 2007 - ГОСТ Р 52857.12 - 2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. - М.: Изд-во стандартов, 2008. - 79 с.

6. Мильченко, А.И. Особенности расчета типовых элементов химического оборудования. Корпуса аппаратов: текст лекций / А.И. Мильченко. - Л.: Изд-во ЛТИ им. Ленсовета, 1987. - 64 с.

Размещено на Allbest.ru