Расчет весовых характеристик аппарата

Расчет веса аппарата.

1. Вес аппарата при рабочих условиях рассчитывается по формуле:

G_A = G_K + G_ИЗ + G_НУ + G_ВУ + G_Ж, (2.57)

где: G_K- вес корпуса, кН; G_ИЗ- вес изоляции, кН; G_НУ- вес наружных устройств, кН; G_ВУ- вес внутренних устройств, кН; G_Ж- вес жидкости, кН.

G_К = åG_Ц + åG_Д, (2.58)

где: G_Ц- вес цилиндрической части корпуса, кН; G_Д - вес днища, кН:

G_Ц = p • (D_В + s) • s • H_Ц •r_м• g, (2.59)

где: H_Ц – высота цилиндрической части корпуса, м; r_м – плот-ность металла, кг/м³,

G_Д =S_Д • s_Д • r_м • g ,(2.60)

где: S_Д- площадь днища, м²; s_Д- толщина днища, м.

Вес изоляции цилиндрической части корпуса:

G _ИЗц=p • (D_B + 2 • s + s_из.) • s_из ∙ H_Ц • r_из. • g, кН, (2.61)

где: s_из. – толщина изоляции, м; r_из. – плотность изоляции, кг/м³:

где: s_м.в.,s_Al- толщина минеральной ваты и фольги; r_м.в., r_Аl- плотность минеральной ваты и фольги.

Вес изоляции днищ:

G_ИЗд= F_д∙ s_из∙ r_из ∙ g, кН.(2.63)

Вес изоляций колонны:

G_ИЗ = G_ИЗц+ 2• G_ИЗд. (2.64)

Вес внутренних устройств определяется по формуле^[4]:

G_ВУ =n_м• М_м • g,(2.65)

где: n_м – число мешалок; М_м- масса маточника по ОСТ 26-01-

-1245-83;

Вес жидкости в рабочих условиях определяется по формуле:

где:H_Ж-высота слоя жидкости;r_ж-плотность жидкости;
V_д- объем днища.

1.Bес наружных устройств:

G_НУ = 0,1 • G_К. (2.67)

2.Bес аппарата при монтаже:

G_АМ = G_K + G_ИЗ + G_НУ + G_ВУ, кН.(2.68)

3. Максимальный вес аппарата определяется по формуле:

G_Amax = G_K + G_НУ + G_ВУ + G_из. + G_В, (2.69)

где G_В¾ вес воды:

Выбор опоры

Химические аппараты устанавливают на фундаменты или специальные несущие конструкциис помощью опор. Стандарт предусматривает три типа опор:

- тип 1(лапы) – для аппаратов с рубашками и без теплоизоляции;

- тип 2 (лапы) – для аппаратов с теплоизоляцией;

- тип 3 (стойки) – для аппаратов с эллиптическими и коническими днищами.

Стойки служат для установки аппаратов на фундамент.

Лапы применяют для крепления аппаратов на несущих конструкциях или между перекрытиями.

С учетом максимального веса аппарата G_Аmax по ОСТ 26-467-78 выбирается опора со следующими основными размерами:

- высота опоры H_1, мм;

- наружный диаметр кольца D_1, мм;

- диаметр D₂, мм;

- диаметр D_б, мм;

- толщина стенки опоры s₁, мм;

- толщина стенки опоры s₂, мм;

- толщина стенки опоры s₃, мм;

- число болтов z_б, шт.;

- диаметр отверстия под болт d₂, мм;

- диаметр болтов d_б.

2.7 Выбор комплектующих элементов привода^[5]

Привод состоит из мотор-редуктора, муфты, соединяющей выходной вал мотор-редуктора с валом мешалки перемешивающего устройства.

Мотор-редуктор установлен на стойке, которая крепится к опоре, привариваемой к крышке аппарата. В бобышке установлено уплотнение, предназначенное для герметизации аппарата в месте прохождения вала мешалки через крышку.

Определение мощности на валу мешалки

Исходными данными для определения мощности на валу мешалки служат мощность Р_дв и КПД мотор-редуктора:

Р_м = Р_дв • η_дв ,(2.71)

где: Р_дв – приводная мощность электродвигателя, кВт; η_дв – КПД мотор-редуктора.

Для соединения вала мешалки с валом мотор-редуктора предусматривается муфта.

Определяем угловую скорость вращения вала:

где n – частота вращения мешалки.

Вычисляем вращающий момент на валу:

где Р – мощность на валу мешалки, кВт.

Перемешивающее устройство состоит из вала, разме-щенного в подшипниках, сальникового уплотнения и мешалки.

Проектный расчет вала

Расчет выполняют по напряжениям кручения. Целью расчета является определение наименьшего диаметра вала:

где τ = 10 ÷ 25 МПа.

Проверочный расчет вала

Основными критериями работоспособности валов перемешивающих устройств являются виброустойчивость и прочность. Прежде, чем приступить к расчету вала, необходимо

выбрать расчетную схему и определить длину расчетных участков вала.

Определение длины расчетных участков

(расчетная схема № 4)

Длину вала L = l₁ + l₂ и положение мешалки определяют из чертежа посредством замера с учетом масштаба.

Расчет на виброустойчивость

Определим массу единицы длины вала:

где: ρ – плотность материала вала; d – диаметр вала в месте уплотнительного устройства, м.

Вычислим момент инерции поперечного сечения вала:

Определим значение коэффициентов:

K= M_м / ( m × L ); α = l / L; α₁ = l₁ / L;

α₂ = l₂ / L; α₃ = l₃ / L,

где: М_м – масса мешалки, кг; l – длины соответствующих участков вала, м.

В соответствии с выбранной расчетной схемой определим коэффициент α.

Определим первую критическую скорость вала:

где Е – модуль продольной упругости вала.

Проверим выполнение условия:

ω <ω_{кр • 1;}

ω < 0,7 • ω_кр1.

Расчет на прочность

Расчет предусматривает определение эквивалентных нап-ряжений вала в опасных по прочности сечениях (в местах с наи-большим изгибающим моментом). Выбор таких сечений вы-полняем без построения эпюр изгибающих и крутящих момен-тов. Изгиб вала происходит под действием инерционных сил, возникающих вследствие несбалансированности масс мешалки и вала. Определим приведенную центробежную силу, создаю-щую изгибающий момент:

F_ц = М_пр • ω²• r, (2.78)

где: М_пр – приведенная масса мешалки, кг; r – радиусвращения центра тяжести приведенной массы, м.

Определим эксцентриситет центра массы перемешиваю-щего устройства:

е = 0,5 • 10³ + 0,03 • d_м, (2.79)

где d_м – диаметр мешалки, м.

Определим значение приведенной массы мешалки и вала

при трех перемешивающих устройствах:

М_пр = М_{м 1} + р• М_{м 2} + s• М_{м 3} + q• m• L, (2.80)

где: q – коэффициент приведения распределенной массы вала к сосредоточенной массе мешалки М_м1; р – коэффициент при-ведения массы М_м2 в точку закрепления массы М_м1; s –коэффициент приведения массы М_м3 в точку закрепления массы М_{м 2}.

Для расчетной схемы № 5:

Определим радиус вращения центров тяжести:

Определим радиальные реакции в опорах:

Опасным сечением является место в концевой опоре.

Определим напряжение изгиба:

где М_u – расчетный изгибающий момент вала в месте установки нижнего подшипника:

Касательные напряжения в вале:

где Т – расчетный крутящий момент на валу, Нм.

Результирующее напряжение в вале:

2.8 Пример расчета окислительной колонны

Исходные данные:

- производительность по сырью G_F= 90000 т/год;

- сырье – гудрон ромашкинской нефти с температурой размягчения 36 ^оС и плотностью 982 кг/м³;

- марка получаемого битума БНД 60/90 с температурой размягчения по КиШ 47 ^оС;

- условия процесса: удельный расход воздуха g_возд. = = 95 м³/т; температура t = 260^оС; давление Р = 0,5 МПа; объемная скорость подачи гудрона w = 0,30 ч^-1.

2.8.1 Расчет материального баланса колонны

Переведем производительность установки из размерности т/год в кг/ч по формуле (2.2). Для этого принимаем среднее число рабочих дней в году (n), равное 240:

G_f= 90 000 • 10³ / (240 • 24) = 15 625 кг/ч.

Выход готового продукта рассчитываем по формуле (2.3). Значение «γ» берется в зависимости от температуры размягчения готового продукта (для нашего случая – 47 ^оС). Согласно зависимости, приведенной на стр. 51, значение «γ» составляет 97,3 % мас.:

G_б= 97, 3 • 15 625 /100 = 15 203 кг/ч.

Общий расход воздуха рассчитываем по (2.4):

G_возд. = 95 • 15 625 • 1,293 / 1000 = 1919,3 кг/ч.

Количество азота рассчитываем по (2.5):

GN₂ = 0, 77 • 1 919,3 = 1 478 кг/ч.

Количество подаваемого кислорода рассчитываем по (2.6):

Gо₂ = 0,23• 1 919,3 = 441 кг/ч.

Количество остаточного кислорода в газах окисления рассчитываем по (2.7). Значение «α» (% об.) определяем из рис. 2.2. Для этого размерность расхода воздуха в кг/ч переводим в м³/ч:

1 919,3 кг/ч / 1,293 кг/м³ = 1 484 м³/ч.

При данном расходе воздуха «α» = 1,8 % об. Тогда:

G^/о₂ =1,8•1 919,3 / 100 = 35 кг/ч;

Количество израсходованного кислорода рассчитываем по (2.8):

G^//о₂ = 441 – 35 = 406 кг/ч.

Количество образующегося СО₂ рассчитываем по (2.9):

Gсо₂ = 0,3 • 406 • 44/ 32 = 167 кг/ч.

Количество образующейся воды рассчитываем по (2.10):

Gн₂о = 0,65 • 406 • 18/16 = 297 кг/ч.

Количество гудрона, пошедшее на образование СО₂ и Н₂О, рассчитываем по (2.11):

G = (167 – 0,3 • 406) + (297 – 0,65 • 406) = 78 кг/ч,

что составляет:

(78 / 1 5625) • 100 = 0,5 % мас. от сырья.

Количество углеводородных газов, образующихся в процессе, принимаем равным 2 % мас., что согласно (2.12) составляет:

G_у.г. = 2 • 15 625 /100 = 312, 8 кг/ч.

Расчет жидких продуктов в составе отгона произведем с учетом соблюдения материального баланса. Для этого по произведенным расчетам составим материальный баланс (табл. 2.6).

Таблица 2.6. Материальный баланс колонны окисления.

Показатели	% масс.	кг/ч	т/сут.	т/год
Взято: 1. гудрон 2. воздух	12,28	15 625 1 919,3		90 000 11 054
Итого	112,28	17 544,3		101 054
Получено: 1. Битумдорожный 2. Азот 3. Кислород 4. Углекислыйгаз 5. Водяныепары 6. Углеводородныегазы 7.Отгон	97,3 9,45 0,2 1,1 1,9 2,0 0,33	15 203 1 478 312,8 51,5	364,9 35,5 0,9 7,5 1,23	87 576 8 520 1 684 1 802
Итого	112,28	17 544,3		101 054

Согласно табл. 2.6 значение К₂, то есть % мас. отгона, равно 0,33. Подставляя эту величину в (2.13), рассчитываем количество отгона:

G_ж = 0,33 • 15 625 /100 = 51,5 кг/ч.

2.8.2 Расчет теплового баланса колонны

Произведем расчеты для определения температуры сырья на входе.

Приход тепла

1.Приход тепла с сырьем вычисляем по (2.14):

Q_с = 15625 •∙t • 2 = 31250 • t, кДж/ч.

2. Тепло, выделяющееся при окислении гудрона, вычисляется по (2.15). Энтальпию окисления гудрона определяем по данным графика рис. 2.3, зная температуру размягчения битума (47 ^оС) и температуру окисления гудрона(260^оС):
I = 220 кДж/кг. Тогда:

Q_р = 15 625 • 220 = 3 437 500 кДж/ч.

3. Тепло с воздухом на окисление вычисляем по (2.16). Температура воздуха, идущего на окисление – t_возд= 50⁰С; теплоемкость воздуха при t_возд,с_возд = 1,023 кДж/кг• К:

Q_{возд =} 1 919,3∙• 1,023∙• 50=98172 кДж/ч.

Всего приход тепла по (2.17):

Q_приход = 3 437 500 + 31 250 • t + 98 172 =

= 3 535 • 672 + 31 250 • t, кДж/ч. (а)

Расход тепла:

1.Расход тепла с битумом вычисляем по (2.17а):

Q_Б = 15 203 • 2,1 •∙260 = 8 300 838 кДж/ч.

2.Расход тепла с газами окисления и с отгоном вычисляем по (2.18):

Q_г.о. = (1 478+35+167+297+312,8+51,5)•1,26•260 = 767 010 кДж/ч.

3.Потери тепла в окружающую среду принимаем 6 % от тепла, приходящего в колонну, то есть:

Q_ок.ср. = 0,05 • (3 535 672 + 3 1250 • t) =176 784 + 1562 • t, кДж/кг.

Всего расход тепла по (2.23) составляет:

Q_{расх .}= 8 300 838 +767 010 +176 784+ (1562• t)=9 244 632+156• t, кДж/кг. (б)

Определим температуру сырья на входе в колонну (t) по (2.24):

3 535 672 + 31 250• t = 9 244 632 + 1 562• t;

t = (9 244 632 – 3 535 672) / (31250 – 1562) = 192,3^оС;

Зная температуру сырья на входе в колонну, определяем истинные значения прихода и расхода тепла по (а) и (б).

Общий расход тепла:

Q_расх. = 9 244 632 + 1 562 • 192,3 = 9 545 000 кДж/кг.

Общий приход тепла:

Q_прих. = 3 535 672 + 31 250 • 192,3 = 9 545 000 кДж/кг.

2.8.3 Механический расчет колонны окисления

2.8.3.1 Расчет геометрических размеров окислительной

колонны

Реакционный объем рассчитываем по (2.29):

V_р = 15625 /( 982 • 0,3) = 53 м³.

Принимаем диаметр колонны D = 3,4 м. Тогда площадь живого сечения колонны по (2.30) составит:

S = 3,14 ∙ (3.4)² / 4 = 9,07 м².

Полезная высота слоя по (2.31):

h₁ = 53 / 9,07 = 5,84 м.

Высота газового пространства по (2,32):

h ₂ = 3,4 / 2 = 1,7 м.

Общая высота колонны:

Н = 5,84 + 1,7 = 7,54 м.

Скорость подачи воздуха в условиях процесса по (2.34):

Линейная скорость воздуха по (2.35):

U = 0,161 / 4,91 = 0,03 м /с.

Расчетная скорость воздуха в колонне не превышает до-
пустимых значений (0,1÷0,12 м/с), и, следовательно, можно счи- тать правильными принятые размеры окислительной колонны.

2.8.3.2 Конструкция колонны и условия эксплуатации

Расчетная температура T_R – это температура для опре-деления физико-механических характеристик конструкцион-ного материала и допускаемых напряжений. Она определяется на основании теплового расчета или результатов испытаний. Если при эксплуатации температура элемента аппарата может повыситься до температуры соприкасающейся с ним среды, расчетная температура принимается равной рабочей, но не менее 20 °С. Проектируемый аппарат снабжен изоляцией, пре-пятствующей охлаждению или нагреванию элементов аппаратов внешней средой. Рабочая и расчетная температуры аппарата – Т = 300 °С.

Рабочее давление P – максимальное избыточное давление среды в аппарате при нормальном протекании технологического процесса без учета допускаемого кратковременного повышения давления во время действия предохранительного устройства.

Расчетное давление P_R – максимальное допускаемое рабочее давление, на которое производится расчет на прочность и устойчивость элементов аппарата при максимальной их тем-пературе. Как правило, расчетное давление может равняться ра-бочему.

Расчетное давление может быть выше рабочего в следующих случаях:

- если во время действия предохранительных устройств давление в аппарате может повыситься более, чем на 10 % от рабочего, то расчетное давление должно быть равно 90 % давления в аппарате при полном открытии предохранительного устройства;

- если на элемент действует гидростатическое давление от столба жидкости в аппарате, значение которого свыше 5 % рас-четного, то расчетное давление для этого элемента соответст-венно повышается на значение гидростатического давления.

Поскольку аппарат снабжен предохранительным клапаном и рабочее давление P > 0,07 МПа, то расчетное давление нахо-дим по формуле (2.36):

P_R1=1,1 • 0,5 = 0,55 МПа.

Пробное давление для испытания аппарата определим по формуле (2.37), где [s] ²⁰ – допускаемое напряжение материала при 20°С; [s] ²⁰ = 170 МПа; [s] ^tR – допускаемое напряжение материала при расчетной температуре t = 300 °С,: [s] ³⁰⁰ = 134 МПа:

Условное давление для выбора узлов и фланцевых соединений определим по формуле (2.38):

По условиям работы аппарата, как в рабочих условиях так и в условиях монтажа, ремонта, нагрузок от веса и ветровых нагрузок выбираем сталь 16 ГС, область применения от – 40 °С до + 475 °С, по давлению не ограничена. Выбрали по ОСТ 26-291-94, ГОСТ 5520-89 сталь 16 ГС.

Допускаемые напряжения

Определим допускаемое напряжение для стали 16 ГС с толщиной стенки свыше 18 мм при Т_Р =300 °С. По ГОСТ 14249–– 89: [s] = 134 МПа.

Модуль продольной упругости

Выбираем расчетное значение модуля продольной упругости:

Е = 1,75• 10⁵ МПа.

Прибавки к расчетным толщинам конструктивных элементов

Прибавку на коррозию металла принимаем равной:

с₁ = 3 мм.

Прибавка на минусовое значение по толщине листа:

с₂= 0,3 мм.

Коэффициент прочности сварных швов.

Корпус имеет продольные и кольцевые сварные швы. Применим автоматическую сварку под слоем флюса со сплош-ным проваром. Для корпуса аппарата выбираем стыковые швы.

Приварка штуцеров будет выполняться вручную с подваркой корня шва, и значение коэффициента прочности сварных швов принимаем равным:

j = 0,85.

2.8.3.3 Расчет на прочность и устойчивость корпуса

Расчет обечайки нагруженной внутренним избыточным давлением.

Цель расчета: расчет на прочность, определение толщины стенки аппарата, удовлетворяющей условиям прочности.

Расчетная схема аппарата приведена на рис. 2.5.

Исходные данные для расчета:

- расчетное давление P_R = 0,55 МПа;

- диаметр колонны D = 3400 мм;

- допускаемое напряжение при T = 300 °С [s] = 134 МПа;

- коэффициент прочности сварного шва j = 0,85;

- общая прибавка к толщине металла С = 3,3 мм.

Толщина стенки аппарата определяется по формулам (2.39), (2.40):

s³ 8,22 + 3,3 = 11,52 мм.

Принимается исполнительная толщина стенки сосуда
s = 18 мм. Допускаемое внутреннее избыточное давление для обечайки по формуле (2.41):

МПа.

Условия применения расчетных формул по (2.42):

0,0043 < 0,1.

Условие выполняется.

Расчет днищ

Цель расчета: расчет на прочность, определение толщины эллиптического днища удовлетворяющего условию прочности. Расчетная схема эллиптического днища приведена на рис. 2.6.

Исходные данные для расчета:

· расчетное давление P_R = 0,55 МПа;

· диаметр колонны D = 3400 мм;

· допускаемое напряжение при T = 300 °С [s] = 134 МПа;

· коэффициент прочности сварного шва j = 0,85;

· общая прибавка к толщине металла С = 3,3 мм.

Для данной обечайки выбираются эллиптические отбортованные днища.

Толщина стенки днища определяется по формулам
(2.43) – (2.45):

H = 0,25 • 3400 = 850 мм;

R = 3,4 м;

мм;

S_D = 8,21 + 3,3 = 11,51 мм.

Принимаем толщину днищ стандартного значения S₁ = 18 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление для днища, определяется по формуле (2.46):

МПа.

Условия применения расчетных формул для эллиптических днищ (2.47):

Условие выполняется. Определим длину цилиндрической отбортованной части днища (2.48):

,

h₁ >179 мм.

Принимаем h₁=200 м.

Расчет обечайки, нагруженной наружным давлением

Исходные данные для расчета:

· расчетное наружное давление P = 0,1 МПа;

· диаметр колонны D = 3400 мм;

· допускаемое напряжение при T = 300 °С, [s] = 134 МПа;

· коэффициент прочности сварного шва j = 1,0;

· общая прибавка к толщине металла С = 3,3 мм;

· модуль продольной упругости при расчетной температуре Е = 1,71 · 10⁵ МПа;

· внутреннее избыточное давление при гидроиспытании P_пр = 0,2 МПа;

· длина цилиндрической обечайки L₀ =14000 мм;

· толщина стенки s = 18 мм определена ранее.

Так как толщина стенки была определена ранее, выпол-няем расчет по допускаемому наружному давлению (2.49), где допускаемое давление, соответствующее условию прочности, находим по (2.50):

Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругих деформаций по (2.51):

L₀ = 14 000 мм; h₁ = 200 мм; H_D = 873 мм; n_u= 2,4.

Коэффициент В₁ вычисляем по (2.52).

Сначала по (2.53) находим:

l = 14 000 + 2 • 200 + 2 • ( 873 / 3) = 14 982 мм.

тогда по (2.51):

Отсюда по (2.49)

Условие р < [P] выполняется.

Толщина днища, нагруженного наружным давлением

Принимаем толщину днищ стандартного значения
s = 18 мм; радиус кривизны в вершинe днища R = D = 3400 мм.

По формуле (2.56) находим:

К_э – коэффициент приведения радиуса кривизны эллиптического днища определяем по формуле (2.55):

Допускаемое наружное давление для оболочки определяется по формуле (2.54):

[P] – допускаемое наружнее давление по (2.49):

Условие р < [P] выполняется

2.8.3.4 Выбор стандартных штуцеров

По технологии производства или эксплуатационным требованиям в стенках аппаратов, днищах и крышках делают отверстия для люков-лазов, загрузочных приспособлений, штуцеров и т.д.

Основные размеры патрубков, стандартных стальных фланцевых тонкостенных штуцеров по ОСТ 26-1404-76, ОСТ 26-1410-76 приведены в табл. 2.7.

Таблица 2.7. Основные размеры патрубков, стандартных сталь-ных фланцевых тонкостенных штуцеров по ОСТ 26-1404-76, ОСТ 26-1410-76

Обозначение Штуцера	Ду, мм	dТ, мм	Давление ус-ловноеPу, МПа	S1, мм	Hт, мм
М1 –М5
А1
N24
N5, N7, N20
N1, N2, N4, N6, N12, N23, N27, N29
N10, N17, N19, N22, N25, N30			2,5
N3, N9, N11, N1, N16, N18, N21, N26, N31			1,6

2.8.3.5 Расчет весовых характеристик аппарата

Расчет веса аппарата

Вес цилиндрической части корпуса определим по (2.59):

G_Ц = 3,14 • (3,4 + 0,018) • 0,018 • 14,0 • 7850 • 9,81 = 208,276 кН.

Вес днища рассчитаем по (2.60):

G_Д = 13,3 • 0,018 • 7850 • 9,81 = 18,435 кН.

Тогда вес корпуса по (2.58):

G_K = 208 276+2 • 18,435 = 245,146 кН.

Известно:

S_м.в. = 0,1 м; s_Al = 0.8×10^{-3 м;}

r_м.в. = 250 кг/м³; r_Al = 2500 кг/м³.

Определим плотность изоляции по (2.62):

Найдем вес изоляции цилиндрической части корпуса по (2.61):

G_из.ц= 3,14 • (3,4+2 • 0,018+0,1008) • 0,1008 • 14,0 • 267,85 • 9,81 = 41,180 кН.

Вес изоляции днищ (2.63):

G_ИЗд=13,3 • 0,1008 • 267,85 • 9.81 = 3,522 кН.

Вес изоляций колонны по (2.64):

G_из= 41,180 + 2 • 3,522 = 48,224 кН.

Вес внутренних устройств определяется по (2.65).

Известно:

n_м= 3 шт.; М_м=75 кг.

G_Ву = 3 • 75 • 9,81 = 2,207 кН.

Вес жидкости в рабочих условиях определяется по (2.66):

H_Ж = 9,0 м; r_ж = 900 кг/м³; V_д = 5,7 м³.

Bес наружных устройств рассчитаем по ( 2.67):

G_н.у. = 0,1 • 245,146 = 24,515 кН.

Вес аппарата при рабочих условиях рассчитаем по (2.57):

G_A = 245,146 + 48,224 + 24,515 + 2,207 + 771,402 =

= 1091,494 кН.

Bес аппарата при монтаже рассчитаем по (2.86):

G_A.М = 245,46 + 48,224 + 24,515 + 2,207 = 320,092 кН

Максимальный вес аппарата определяется по (2.69).

Вес воды по (2.70):

Тогда:

G_max= 245,146 + 24,515 + 2,207 + 48,224 + 1358,139 =1578,231 кН.

2.8.3.6 Выбор опоры

С учетом максимального веса аппарата G_А = 1578,231 кН по ОСТ 26-467-78 выбирается опора 3 типа с кольцевым опорным поясом со следующими основными размерами:

· высота опоры H₁ = 3 200 мм;

· наружный диаметр кольца D₁ = 3680 мм;

· диаметр D₂ = 3500 мм;

· диаметр D_б = 3800 мм;

· толщина стенки опоры s₁ = 20 мм;

· толщина стенки опоры s₂ = 20 мм;

· толщина стенки опоры s₃ = 20 мм;

· число болтов z_б = 36 шт.;

· диаметр отверстия под болт d₂ = 35 мм.

2.8.3.7 Выбор комплектующих элементов привода^[6]

Привод состоит из мотор-редуктора, муфты, соединяющей выходной вал мотор-редуктора с валом мешалки, перемешивающего устройства.

Мотор-редуктор установлен на стойке, которая крепится к опоре, привариваемой к крышке аппарата. В бобышке установлено уплотнение, предназначенное для герметизации аппарата в месте прохождения вала мешалки через крышку.

Определим мощность на валу мешалки.

Исходными данными для определения мощности на валу мешалки служат мощность Р_дв и КПД мотор-редуктора:

Р_м = Р_дв ∙ ή_дв = 160 ∙ 0,9 = 144 кВт.

Р_дв – приводная мощность электродвигателя – 160 кВт;
ή_дв – КПД мотор-редуктора – 0,9.

Для соединения вала мешалки с валом мотор-редуктора предусматривается муфта.

Определяем угловую скорость вращения вала:

где n – частота вращения мешалки.

Вычисляем вращающий момент на валу:

где: Р – мощность на валу мешалки, кВт.

Перемешивающее устройство состоит из вала, разме-щенного в подшипниках, сальникового уплотнения и мешалки.

Проектный расчет вала

Расчет выполняют по напряжениям кручения. Целью расчета является определение наименьшего диаметра вала.

Проверочный расчет вала

Основными критериями работоспособности валов пере-мешивающих устройств являются виброустойчивость и проч-ность. Прежде чем приступить к расчету вала, необходимо выб-рать расчетную схему и определить длину расчетных участков вала.

Выбор расчетной схемы

Подвижное соединение валов упругой втулочно-паль-цевой муфтой. Расчетная схема № 4.

Определение длины расчетных участков

Длина вала L = l₁ + l₂ . Положение мешалки определяют из чертежа замером с учетом масштаба.

L = 14120 + 580 = 14700 мм.

Расчет на виброустойчивость

-Определим массу единицы длины вала:

где: ρ = 7,85 кг/м³ – плотность материала вала; d – диаметр вала в месте уплотнительного устройства, м.

Вычислим момент инерции поперечного сечения вала:

.

Определим значение коэффициентов:

К = M_м / mL = 75 •3 / (157,7 • 14,7) = 0,097;

α₁ = ℓ₁ / L = 14,12 /14,7 = 0,96;

α₂ = ℓ₂ / L= 0,58 /14,7 = 0,039;

α= ℓ / L = 12,42 /14,7 = 0,84;

α₃ = ℓ₃ / L = 10,72 /14,7 = 0,72,

где: M_м = 75 кг – масса мешалки; ℓ, ℓ₁, ℓ₂, ℓ₃ – длины соответствующих участков вала, м.

В соответствии с выбранной расчетной схемой определим коэффициент α = 4,75.

Определим первую критическую скорость вала:

^,

где Е = 2 • 10¹¹ – модуль продольной упругости вала.

Проверим выполнение условия:

ω < ω_кр1 = 12,56 < 21,063;

ω < 0,7ω_кр1 = 12,56 < 14,74.

Условие выполнено.

Расчет на прочность

Расчет предусматривает определение эквивалентных нап-ряжений вала в опасных по прочности сечениях (в местах с наибольшим изгибающим моментом). Выбор таких сечений выполняем без построения эпюр изгибающих и крутящих мо-ментов. Изгиб вала происходит под действием инерционных сил, возникающих вследствие несбалансированности масс ме-шалки и вала. Определим приведенную центробежную силу, создающую изгибающий момент:

F_Ц = М_пр ∙ ω² ∙ r,

где: М_пр – приведенная масса мешалки, кг; r – радиус вращения центра тяжести приведенной массы, м.

Определим эксцентриситет центра массы перемешиваю-щего устройства:

е = 0, 5 • 10³ + 0,03 • d_м = 0, 5 • 10³ + 0,03 • 1,05 = 0,032 м,

где d_м– диаметр мешалки, м.

Определим значение приведенной массы мешалки и вала при трех премешивающих устрйствах:

М_пр = М_{м 1} + р ∙ М_{м 2} + sМ_{м 3} + q ∙ m ∙ L =

= 75 + 15,3 ∙ 75 + 28,9 ∙ 75 +22, 29 ∙157,7 ∙ 14,7 = 55 062 кг,

где: q – коэффициент приведения распределенной массы вала к сосредоточенной массе мешалки М_м1; р – коэффициент приведения массы М_{м 2} в точку закрепления массы М_{м 1}; s – коэффициент приведения массы М_{м 3} в точку закрепления массы М_{м 2}.

Для расчетной схемы 5:

Определим радиус вращения центров тяжести:

Приведенная центробежная сила

F_ц = М_пр • ω² • r = 55 062 • 12,56² • 0,05 = 434 311 Н.

Определим радиальные реакции в опорах

Для пятой схемы:

Опасным сечением является место в концевой опоре.

Определим напряжение изгиба:

где М_и – расчетный изгибающий момент вала в месте установки нижнего подшипника.

Расчетный крутящий момент на валу:

Т = 11465 Нм.

Касательные напряжения в вале:

Результирующее напряжение в вале:

Условие выполняется

2.9 Расчет вспомогательного оборудования

Расчет сепаратора заключается в определении требуемой температуры газообразных продуктов окисления после конденсатора холодильника.

Расчет производится по стандартной методике однократного испарения (конденсации) [20].

Расчет и выбор конденсатора-холодильника

Конденсатор-холодильник предназначен для охлаждения и конденсации газообразных продуктов окисления после окислительной колонны.

Целью расчета является нахождение поверхности теплообмена конденсатора холодильника и выбор по этой поверхности соответствующего конденсатора-холодильника по ГОСТу.

В основе расчета лежит уравнение теплового баланса конденсатора-холодильника:

Q = G_отг [I₁^п•е₁ - I₂^ж • е₂]+ G_в.п. [С_в.п.• (t₁–t₃) +

+ l_в.п.+ С_в • (t₃–t₂)] = G_в • С_в • (t₅ – t₄),(2.91)

где: G_отг, G_в.п, G_в – количества отгона, водяных паров и воды, кг/ч; I₁^п, I₂^ж – энтальпия паров отгона при температуре входа и жидкого отгона при температуре выхода из конденсатора – хо-лодильника, кДж/кг; С_в.п – теплоемкость водяного пара, равная приблизительно 0,48 кДж/(кг ∙ ^оС); t₁, t₂ – начальная и конечная температуры отгона, ^оС; t₃ – температура конденсации паров воды^оС; t₄, t₅ – соответственно начальная и конечная температура воды,^оС; l_в.п – теплота конденсации водяных паров, кДж/кг.

Q = G_в ∙ С_в∙ (t₅ – t₄) (2.92)

Количество воды, необходимое для снятия тепла:

Определяется поверхность теплообмена на основе основного уравнения теплопередачи:

где: К – коэффициент теплопередачи, Вт / (м² · К), рассчитывается по [21]; θ – средняя логарифмическая разность температур, град.;

Расчет водоотделителя

В водоотделитель поступает смесь, состоящая из углеводородного отгона и воды; температура смеси определяется из расчета конденсатора-холодильника.

Определяется секундный расход смеси (м³/с). Плотность воды ρ = 1000 кг/м³, плотность отгона при температуре выхода из конденсатора-холодильника находится по [22].

Секундный расход смеси:

Диаметр принимается равным 0,5–2,0 м.

Практическое се