Цели, объект и последовательность проектирования.

Оглавление

1. Цели, объект и последовательность проектирования. стр. 2

1.1. Цели и задачи проектирования. стр. 2

1.2. Общие сведения об аппаратах с механическим стр. 2

перемешивающим устройством.

1.3. Последовательность проектирования. стр. 6

2. Расчёт корпуса аппарата. стр. 8

2.1. Исходные данные. стр. 8

2.2. Материалы корпуса аппарата. стр. 9

2.3. Расчётные параметры и нормы. стр. 9

2.4. Расчёт корпуса аппарата, нагруженного внутренним стр. 11

давлением.

2.5. Расчет толщины стенки обогревающей рубашки стр. 13

2.6. Расчёт корпуса аппарата, нагруженного наружным стр. 14

давлением.

2.7. Расчёт фланцевых соединений. стр. 17

2.8. Расчёт штуцеров и люков. стр. 22

2.9. Расчёт опорных устройств. стр. 23

3. Выбор и расчёт перемешивающего устройства. стр. 27

3.1.Типы и характеристики мешалок. стр. 27

3.2. Выбор типоразмера привода к мешалке. стр. 27

3.3. Расчёт вала к мешалке. стр. 30

4. Список литературы. стр. 35

5. Приложение.

Цели, объект и последовательность проектирования.

1.1. Цели и задачи проектирования.

Изучение курса прикладной механики студентами химико-технологического факультета завершается, в соответствии с учебным планом, выполнением курсового проекта. Этот проект является для студентов, по сути дела, первой самостоятельной инженерной расчётной работой и синтезирует знания и навыки не только по прикладной механике, но и по другим общетехническим и общеобразовательным дисциплинам – инженерной графике, теоретической механике, математике, физике.

Цель проекта – привить и закрепить у студентов практические навыки инженерных расчётов, научит приёмам и методам выбора и проверочного расчёта типового технологического оборудования.

При выполнении любого технического проекта, в том числе и курсового, используются многообразные нормативные и справочные расчетно-технические материалы: государственные и отраслевые стандарты, нормали, технические условия и проч. Ознакомление с этими материалами и привитие практических навыков использования их является также одной из главных задач курсового проектирования в высших учебных заведениях.

В ходе курсового проектирования должен быть проявлен творческий подход к оценке конструкторских решений, с точки зрения соответствия их требованиям эксплуатации, с целью выбора оптимального варианта реализации конкретной технологической задачи.

Курсовой проект является самостоятельной работой студента, который и немеет ответственность за её качество. Согласно рекомендациям типовой по прикладной механике о выборе в качестве темы проекта механического устройства, характерного для отрасли техники, в которой будет работать выпускник ВУЗа – для студентов химико-технологического факультета в качестве основного объекта проектирования принимается ёмкостная химическая аппаратура с перемешивающим устройством.

1.2. Общие сведения об аппаратах с механическими перемешивающими устройствами.

Аппараты для перемешивания жидких сред, предназначенные для химического превращения исходного сырья в целевой продукт, эмульгирования, суспендирования, диспергирования и других гидромеханических и массообменных процессов применяются во многих химических и химико-фармацевтических производствах. Как правило, такие аппараты работают под давлением и зачастую снабжены теплообменными устройствами.

В связи с повышенной производственной опасностью аппаратуры, работающей под давлением, проектирование, изготовление и эксплуатация её должны осуществляться в точном соответствии с утвержденными Госгортехнадзором при Совете Министров СССР «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением», которые обязательны для всех организаций и предприятий, проектирующих, изготовляющих и эксплуатирующих такую аппаратуру

Наряду с этим, аппараты с перемешивающими устройствами должны удовлетворять следующим показателям надежности и долговечности:

а) наработка на отказ от 800 до 8000 часов (определяется конструкцией уплотнительного устройства вала);

б) ресурс до первого капитального ремонта не менее 17200 часов;

в) срок службы не менее 10 лет;

г) коэффициент технического использования не менее 0,93.

Аппараты должны иметь необходимые технологические штуцера для подвода и отвода продуктов, теплоносителя, для промывки, продувки, для установки предохранительных устройств, контрольно-измерительных приборов и аппаратуры.

Аппараты должны иметь тепловую изоляцию во всех случаях, когда температура теплоносителя, используемого для подогрева, превосходит 45°С.

Типы и основные параметры вертикальных аппаратов с мешалками регламентируются ГОСТ 20680-75. В соответствии с этим стандартом предусматривается 10 типов аппаратов, указанные в таблице 1.2.1.

Таблица 1.2.1.

Типы аппаратов, работающих под давлением.

Тип аппа- рата

Конструктивные особенности аппарата

С эллиптическим днищем и эллиптической отъёмной крышкой.   С неразъёмным корпусом и эллиптическим днищем и крышкой.   С коническим отбортованным днищем (угол при вершине конуса 2α=90°) и эллиптической крышкой.   С неразъёмным корпусом, с коническим отбортованным днищем (угол при вершине конуса 2α=90°) и эллиптической крышкой.   С эллиптическим днищем и плоской отъёмной крышкой.   С неразъёмным корпусом, с эллиптическим днищем и плоской крышкой.   С коническим отбортованным днищем (угол при вершине конуса 2α=120°) и плоской отъёмной крышкой.   С неразъёмным корпусом, коническим неотбортованным днищем (угол при вершине конуса 2α=120°) и плоской отъёмной крышкой.   С плоским днищем и плоской отъёмной крышкой.   С неразъёмным корпусом, плоским днищем и крышкой.

Исполнение корпусов обозначаются в соответствии с таблицей 1.2.2.

Таблица 1.2.2.

Обозначение исполнений корпусов.

Исполнение корпусов аппаратов	Тип аппарата
Без теплообменного устройства   С гладкой приварной рубашкой

Обозначение мешалок и внутренних и внутренних устройств аппарата приведены в таблице 1.2.3.

Таблица 1.2.3.

Обозначение мешалок и внутренних устройств.

Типы внутренних устройств	Типы мешалок
трёхло- пастная	турбин- ная открытая	лопастная	рамная
Без внутренних устройств   Отражательные перегородки   Змеевик   Перегородки и змеевик				-     -

Коническое днище обычно применяется в тех случаях, когда это обусловлено технологическим процессом, исключающим применение эллиптических и плоских днищ (например, при необходимости непрерывного ил периодического удаления содержимого аппарата через нижний штуцер).

Угол конуса при вершине в конических днищах принимается 90^о или 120^о (в отдельных случаях до 150^о). Меньшие углы рекомендуется принимать для вязких жидкостей и суспензий, а также влажных, склонных к налипанию, порошкообразных и кусковых материалов; большие – для невязких жидкостей и сухих порошкообразных и кусковых материалов.

Крышка аппарата (обычно имеющая эллиптическую форму, реже – плоскую) крепится к обечайке с помощью фланцев и фланцевых болтов. Герметичность фланцевого соединения обеспечивается прокладкой, помещаемой между фланцами.

Вал привода перемешивающего устройства введён через центральное отверстие в крышке аппарата. Так как давление внутри аппарата обычно значительно отличается от атмосферного, то для обеспечения герметичности, ввод вала в корпус аппарата осуществляется через уплотнительное устройство той или иной конструкции.

С помощью соединительной муфты вал перемешивающего устройства соединен с редуктором, ведущий вал которого, в свою очередь, соединен с электродвигателем.

Стойка, на которой размещается редуктор и электродвигатель укреплена на крышке аппарата.

Для обогрева корпуса аппарата, он снабжён паровой (водяной) рубашкой, состоящей из цилиндрической обечайки и эллиптического (или конического днища).

Обогревающую жидкость подают в рубашку через нижний штуцер, а удаляют через верхний, чтобы рубашка всегда была заполнена теплоносителем. В случае паровой рубашки, пар подают через верхний штуцер, а конденсат отводят через нижний.

Аппараты, работающие под избыточным давлением выше 0,07МПа, в соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением», должны снабжаться предохранительными устройствами. В качестве таких устройств обычно используются предохранительные клапаны с вертикальным расположением штока и с рычагом для продувки.

Присоединение к аппарату различных трубопроводов (для подачи жидкости, газа) и установка контрольно-измерительных приборов (манометр, термометр, предохранительный клапан) осуществляется с помощью Фланцевых или резьбовых штуцеров.

Для загрузки в аппарат и выгрузки твёрдых кусковых материалов, периодической очистки стенок аппарата в процессе эксплуатации, а также для осмотра и ремонта внутренней полости аппаратов или узлов перемешивающих узлов, аппараты снабжаются герметически закрывающимися отверстиями, называемыми люками.

Люки размещаются либо на крышке аппарата, либо на его обечайке.

Выпуск готовой продукции осуществляется или через специальный разгрузочный штуцер в днище аппарата или с помощью трубы передавления, нижний конец которой опущен до днища, а верхний укреплен в крышке аппарата. Готовый продукт вытесняется через трубу передавления либо за счёт давления в аппарате, либо за счёт вакуума в приёмном сосуде, с которым соединена труба передавливания.

Установка аппарата на фундамент или на специальные несущие конструкции осуществляется с помощью подвесных боковых лап или привариваемых в нижней части аппарата опор-стоек.

1.3. Последовательность проектирования.

При выполнении курсового проекта разрабатываются следующие документы:

- расчётно-пояснительная записка (РПЗ);

- чертёж общего вида аппарата (ВО) с выносными элементами.

Исходным документом для разработки проекта является техническое задание, выдаваемое студенту преподавателем-руководителем проекта.

Проект выполняется поэтапно.

1-й этап – ознакомление с техническим заданием, рекомендуемой литературой и составление эскиза компоновки корпуса аппарата. Эскиз, согласованный с руководителем проекта используется в последующем при выполнении расчётов и чертежа общего вида аппарата.

2-й этап – выполнение расчётов на прочность и устойчивость конструктивных элементов корпуса аппарата. На этом этапе производится:

а) выбор и определение расчётных параметров и норм;

б) расчёт элементов корпуса, нагруженных внутренним давлением;

в) расчёт элементов корпуса, нагруженных внешним давлением;

г) выбор фланцев и проверочный расчёт фланцевого соединения;

д) определение необходимого количества штуцеров и их размещение на аппарате;

е) выбор типа и определение конструкции люков;

ж) проверочный расчёт опорных устройств.

3-й этап – выбор и расчёт перемешивающего устройства. При выполнении этого этапа производится:

а) определение конструктивных размеров мешалки;

б) выбор типоразмера мотора-редуктора и проверка его соответствия техническому заданию на проектирование;

в) выбор типоразмера стойки мотора-редуктора;

г) выбор уплотнительного устройства;

д) составление эскизной компоновки аппарата;

е) расчёт вала мешалки.

4-й этап – выполнение графической части проекта. Этап выполняется на основании эскизной компоновки корпуса и аппарата в целом, расчёта и подбора конструктивных элементов корпуса и перемешивающего устройства.

5-й этап – окончательное оформление расчётно-пояснительной записки.

6-й этап – подготовка к защите и защита курсового проекта. Выполненный проект, удовлетворяющий предъявляемым к нему требованиям и подписанный руководителем, допускается к защите. Защита проекта состоит из краткого сообщения студента о проделанной работе и ответов на вопросы членов комиссии. При оценке проекта учитывается не только техническое качество проекта, но и выполнение установленных сроков проектирования, самостоятельность и творческая инициатива, проявленные при проектировании.

2. Расчёт корпуса аппарата.

Целью расчёта корпуса аппарата является определение его соответствия заданным условиям эксплуатации, обеспечивающего требуемую работоспособность в течение всего срока службы. Расчёты проводятся как проверочные, с использованием действующих технических рекомендаций и нормативов.

2.1. Исходные данные.

Таблица 2.1.1.

Исходные данные.

вариант	параметры корпуса	внутр. давление в аппарате рВ, МПа	давление пара в рубашке, рП, МПа	темп-ра среды в аппарат, tС, С°	Параметры мешалки	тип опор
номиналь- ный объём, V, м3	исполнен.	материал	тип	диаметр, dМ, мм	частота вращения, nМ, об/мин	мощн. перемеши- вания, NМ,,КВт
	1,25		ВСт3	1,55	0,275					1,25	С

Таблица 2.1.2.

Параметры конструкции корпуса аппарата [2, стр.21, табл.П1.2]

Номиналь- ный объём аппарата, V, м3	Размеры в мм
D	D1	H	H1	H2	H3	H4	H6	L	l
1,25

2.2. Материалы корпуса аппарата.

Марки сталей для изготовления обечаек, днищ и крышек аппаратов указаны в техническом задании на курсовое проектирование.

Допускаемое напряжение при расчёте по предельным нагрузкам конструктивных элементов корпуса для углеродистых и низколегированных сталей определяется по выражению:

[1,стр14]

где σ_т, σ_в – предел текучести и временное сопротивление (предел прочности) при расчётной температуре, МПа.

n_т, n_в – коэффициенты запаса по пределу текучести и по пределу прочности, которые принимаются равными соответственно 1,5 и 2,4.

[σ] = [σ]₁ +

[σ]₁ = 134 (МПа); [σ]₂ = 131(МПа); [2, табл.П2.1, стр.23]

t₂ = 150 °C; t₁ = 100 °C; t=114 °C;

[σ] = = 133,16 МПа (сталь ВСт3, t_c=124 ^оС)

2.3. Расчётные параметры и нормы.

2.3.1. Под условным проходом D_У понимается номинальный внутренний диаметр аппарата. Фактический внутренний диаметр в зависимости от способа изготовления аппарата может несколько отличаться от номинального стандартного размера. Условные проходы установлены стандартом СЭВ 254-76.

D_У = 1200 мм[1,стр.15]

Внутренний диаметр корпусов цилиндрических сосудов и аппаратов, величина которых регламентирована ГОСТ 9931-79, совпадают с величинами условных проходов.

D_У = D_В = 1200 мм.

2.3.2. Расчётная температура, t_Р используется для определения физико-механических характеристик материала и допускаемых напряжений. При расчёте стенок корпуса, расчётная температура принимается равной температуре среды в аппарате t_С.

t_Р = t_С = 114 ^оС[1,стр.15]

Расчётная температура для фланцевых соединений принимается:

для фланцев без тепловой изоляции – 0,96 t_С = 109,44 ^°С, для болтов в этом случае – 0,95 t_С.= 108,3 ^°С.[1,стр.15]

2.3.3. Условное, рабочее и расчётное давление. Под условным давлением (р_У) следует понимать наибольшее избыточное давление при температуре среды 20 ^°С, при котором допустима длительная работа трубопровода или аппарата, имеющих данные размеры, обусловленные расчётом на прочность. Ряд условных давлений установлен ГОСТ 356-80.

р_У = 1,6 МПа.[1,стр.16]

Под рабочим давлением (р)для сосуда и аппарата принимается наибольшее внутреннее избыточное или наружное давление, возникающее при нормальном протекании процесса.

р = 1,55 МПа.[1,стр.16]

Расчётное давлением (р_Р) для конструктивных элементов сосуда и аппарата – давление, при котором производится их расчёт на прочность или устойчивость. Как правило, расчетное давление принимается равным рабочему давлению: р_РВ = р.

р_РВ = 1,55 МПа.[1,стр.16]

При расчёте на прочность (по внутреннему давлению) стенки обогревающей рубашки в качестве расчётного следует принимать рабочее давление теплоносителя (пара) р_П. Это же давление принимается в качестве расчётного при проверке на устойчивость части корпуса аппарата, находящейся над рубашкой.

р_П = 0,275 МПа.[1,стр.17]

2.3.4. Коэффициент прочности сварных швов φ, который вводят в расчётные формулы при расчёте сосудов и аппаратов, характеризует прочность сварного соединения в сравнении с прочностью основного материала. Значение этого коэффициента принимаются в зависимости от конструкции шва и вида сварки.

φ = 0,8[2, табл.П2.4, стр.25 ].

2.3.5. Прибавки к расчётным толщинам конструктивных элементов корпуса, учитываемые при расчёте, определяются по формуле:

С = С₁ + С₂ + С₃ , [1,стр.17]

где С – сумма прибавок к расчётным толщинам стенок, мм;

С₁ – прибавка для компенсации коррозии и эрозии, мм;

С₂ – прибавка для компенсации минусового допуска на стандартную толщину стального листа;

С₃ – прибавка технологическая, связанная с уменьшением толщины при технологических операциях в процессе изготовления аппарата (вытяжка, штамповка и проч.), мм.

Таким образом, исполнительная толщина стенки элемента аппарата S определяется как:

S > S_R + C [1, стр.18],

где S_R – расчётная величина стенки, мм;

Прибавка С₁ для компенсации коррозии и эрозии равна:

С₁ = π · τ + С_Э, [1,стр.18],

где π – глубинныё показатель коррозии, мм/год;

τ – срок службы аппарата, в годах;

С_Э– прибавка для компенсации эрозии, мм.

Для изготовления химических аппаратов, как правило, должны использоваться металлы, для которых глубинный показатель коррозии

π < 0,1 мм/год. Коррозионную стойкость материалов в различных средах можно найти в справочной литературе.

Прибавку С_Э рекомендуется учитывать лишь при высоких скоростях движения среды в аппарате (для жидких сред более 20 м/с) или при наличии в движущейся среде абразивных частиц, что в химико-фармацевтическом производстве встречается сравнительно редко.

Прибавки С₂ и С₃ учитывают лишь в тех случаях, когда их суммарная величина превышает 5% номинальной толщины листа:

С_Э = 1,00 (мм)

С₁ = 0,10 · 10 = 1,00 (мм)

С = С₁ + С₂ = 1,00 + С₂

2.4. Расчёт корпуса аппарата, нагруженного внутренним давлением.

2.4.1. Цилиндрическая обечайка.

Расчётная толщина стенки обечайки определяется выражением:

S_R = p_PB · Д / (2φ · [σ] - p_PB) [1, ф.1, стр.20]

Исполнительная толщина стенки обечайки находится из условия:

S ≥ S_R + C [1,ф.2, стр.20]

где S_R – расчётная толщина стенки обечайки, мм;

S – исполнительная толщина стенки обечайки, мм;

р_РВ – расчётное внутреннее давление, МПа;

Д – внутренний диаметр обечайки, мм;

[σ] – допускаемое напряжение для материала при расчётной

температуре, МПа;

φ – коэффициент прочности сварного шва;

С – сумма прибавок к расчётной толщине, мм.

S_R = =8,79 (мм),

С=1,6 мм [2, табл.П2.5, стр.26 ].

S ≥ 8,79 +1,60 = 10,39 (мм)

Принимаем S = 12,00 (мм).

Допускаемое внутреннее избыточное давление по условию прочности определяется как:

[р_В] = 2 [σ] · φ · S_R / (Д + S_R) [1, стр.20]

[р_В] = = 2,11 (МПа)

[р_В] > р_РВ , условие прочности выполняется.

2.4.2. Эллиптическая крышка (днище).

Для стандартных эллиптических крышек высота соответственно эллиптической части крышки (Н_К) (без учёта цилиндрической части отбортовки) принимается равной:

Н_К = 0,25 · Д [1,стр.20]

Н_К = 0,25 · 1200 = 300 (мм)

Радиус кривизны в вершине крышки (R) принимается равным:

R = Д [1, стр.20]

R = 1200 (мм)

Расчётная толщина стенки крышки (S_1R) вычисляется по формуле:

S_1R = p_PB · R / (2φ · [σ] - 0,5 p_PB) [1, стр.20]

S_1R = = 8,76 (мм).

Исполнительная толщина находится из условия:

S₁ ≥ S_1R + C [1, стр.21]

S₁ ≥ 8,76 + 1,60 = 10,36 (мм);

Принимаем S₁ = 12,00 (мм).

Допускаемое внутреннее избыточное давление определяется из условия прочности:

[р_В] = 2 [σ] · φ · S_1R / (0,5S_1R + R) [1, стр.20]

[р_В] = = 2,12 (МПа)

[р_В] > р_РВ, условие прочности выполняется.

2.5. Расчёт толщины стенки обогревающей рубашки.

2.5.1. Цилиндрическая обечайка обогревающей рубашки рассчитывается по тем же формулам, что и толщина стенки корпуса.

S_R = p_PB · D₁ / (2φ · [σ] - p_PB)

Исполнительная толщина стенки обечайки обогревающей рубашки находится из условия:

S ≥ S_R + C

р_РВ = р_П = 0,275 МПа;

S_R = = 1,68 (мм)

S ≥ 1,68 + 1,40 = 3,08(мм)

Принимаем S = 4,00 (мм).

Допускаемое внутреннее избыточное давление по условию прочности определяется как:

[р_В] = 2 [σ] · φ · S_R / (D₁ + S_R)

[р_В] = = 0,654 (МПа)

[р_В] > р_РВ , условие прочности выполняется.

2.5.2. Эллиптическое днище обогревающей рубашки рассчитывается по тем же формулам, что и толщина эллиптического днища корпуса.

S_ЭR = p_PB · R / (2φ · [σ] - 0,5 p_PB) [1, стр.20]

р_РВ = р_П = 0,275 МПа;

R=D₁=1300

S_ЭR = = 1,68 (мм).

Исполнительная толщина находится из условия:

S_Э ≥ S_ЭR + C [1, стр.21]

S_Э ≥ 1,68 + 1,40 = 3,08 (мм);

Принимаем S₁ = 4,00 (мм).

Допускаемое внутреннее избыточное давление определяется из условия прочности:

[р_В] = 2 [σ] · φ · S_ЭR / (0,5S_ЭR + R) [1, стр.20]

[р_В] = =0,655 (МПа)

[р_В] > р_РВ, условие прочности выполняется.

2.6. Расчёт корпуса аппарата, нагруженного наружным давлением.

2.6.1. Цилиндрическая обечайка.

Расчётная и исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки могут быть определены по выражениям:

S_ER = 1,122 · D^0,6 (р_РН · l_P / E)^0.4 [1, ф.3, стр.23]

S_E ≥ S_ER + C [1, ф.4, стр.23]

Допускаемое наружное давление [р_Н] определяется по выражению:

[p_H] = ( [p_H]_σ · [p_H]_E ) / { ( [p]_σ)² + ( [p_H]_E )² }^0,5 [1, ф.5, стр.23]

где [p_H]_σ – допускаемое давление из условия прочности, рассчитываемое по формуле:

[p_H]_σ = 2[σ] · S_ER / (D + S_ER), [1, ф.6, стр.23]

а [p_H]_E – допускаемое давление из условия прочности, определяется как:

[p_H]_E = 0,75Е · (D / l_P) · (S_ER / D)^2,5 [1, ф.7, стр.23]

В приведённых формулах использованы следующие обозначения:

S_ER – расчётная толщина стенки цилиндрической обечайки из условия

устойчивости, мм;

S_E – исполнительная толщина стенки обечайки, мм;

р_РН – расчётное наружное давление, МПа;

Е – модуль продольной упругости для материала обечайки при расчётной

температуре, МПа;

l_P – расчётная длина гладкой (неподкреплённой кольцами)

цилиндрической обечайки, этот параметр рассчитывается по

следующей формуле:

l_P = l_Ц + h + H_k/3

Е·10^-5 = Е₁ + ;

Е₁· 10^-5 = 1,91 (МПа); Е₂· 10^-5 = 1,86 (МПа);

t₁ = 100 °C; t₂ = 150 °C

Е·10^-5 = 1,91 + = 1,896 (МПа);

Е = 1,896 · 10⁵ (МПа);

р_РН = р_П = 0,275МПа;

l_P = l_Ц + h + H₆/3;

h = H – H₂ - H_K = 1300 – 975 - 300 = 25 (мм);

l_Ц = Н₂ –Н₆ – Н₃ = 975 – 340 - 110 = 525 (мм);

l_Р = 525 + 25 + 113 =663 (мм);

S_ER = 1,122·1200^0,6 ·(0,275· 663,00 / 1,896 · 10⁵)^0,4 = 4,91 (мм);

S_E ≥ 4,91+1,50 = 6,41 (мм);

Принимаем S_E = 8,00 (мм)

[p_H]_σ = 2 · 133,16 · 8,00 / 1208 = 1,76 (МПа);

[p_H]_E = 0,75 · 1,896 ·10⁵ · (1200/663)·(8,00 / 1200)^2,5 =0,93 (МПа);

[p_H] = (1,76 · 0,93) / (1,76² + 0,93²)^0,5=0,82 (МПа);