Зміст
1 Введення
2 Завдання кафедри
3. Вибір матеріалів
3.1 Розрахунок елементів корпусу апарату
3.2 Підбір і розрахунок приводу
3.3 Розрахунок ущільнення
3.4 Розрахунок елементів механічного перемішують
3.5 Підбір підшипників кочення
3.6 Підбір муфти
3.7 Розрахунок мішалки
3.7.1 Розрахунок шпонки на зминання
3.8 Розрахунок опор-лап апарату
3.9 Підбір штуцерів і люка
4. Висновок
5. Список використаних джерел
1. Введення
Апарати з пристроями, що перемішують широко використовуються при проведенні основних технологічних процесів в хімічній і біохімічної промисловості. На практиці найбільшого поширення набув механічний метод перемішування рідких середовищ в апараті, що складається з корпусу і перемішують. Галузевими стандартами Мінхімнефтемаша встановлені конструкції і параметри спеціальних складових частин апаратів мішалки, що дозволяє здійснити компонування апарату з типових елементів (корпусу, мішалки, ущільнення вала, приводу перемішують з ОСТ 26-01-1205-95 відповідно до частоти обертання мішалки, номінальним тиском в корпусі апарату. Одночасно встановлюється тип ущільнення для вала мішалки: сальникове або торцеве. Необхідно враховувати, що приводи типу 1 і 3 з кінцевими опорою в апараті для валу мішалки не надійні в експлуатації при впливі абразивної або корозійної активного середовища на вал і вкладиші підшипника. Типорозмір мотор-редуктора вибирається відповідно із заданою частотою обертання валу мішалки і споживаної потужності електродвигуна. В апаратах усіх типів можуть застосовуватися внутрішні теплообмінні пристрої - змійовик, або безпосередній обігрів робочого середовища подачею гарячої пари.
2. Завдання кафедри: зробити розрахунок і конструювання хімічного реакційного апарату
Номер варіанта 2
Номінальний обсяг V, м 1 березня
Внутрішній діаметр D, мм 1000
Виконання корпусу 01
Параметри мішалки
Шифр 23
Діаметр d м, мм 200
Частота обертання n, хв -1 630
Споживана потужність N, кВт 2,4
Тиск в корпусі
Надмірне Р і, МПа 0,85
Залишковий Р о, МПа 0,02
Тиск у сорочці, надлишкове Р руб, МПа 0,35
Рівень рідини в корпусі 1,0
Параметри середовища
Найменування KOH
Температура t, о С 100
Щільність 1280
2.1 Вибір матеріалу
Матеріали, вибрані для деталей і складальних одиниць, повинні забезпечити надійність апарату і мішалки в роботі і економічність у виготовленні.
При виборі матеріалу необхідно враховувати робочу температури в апараті, тиск і корозійну активність робочої середовища. З огляду на ці умови, вибираємо матеріал:
Для корпусу - Сталь X18H10T
3. Розрахункова частина
Розрахункова частина курсового проекту включає в себе перевірочні розрахунки складових частин апарату з мішалкою за головними критеріями працездатності (міцність, стійкість, термостійкість, корозійна стійкість і т.д.).
3.1 Розрахунок геометричних частин апарату
Розрахунок обичайок, днищ, кришок корпусу апарата на міцність і стійкість під дією внутрішнього і зовнішнього тиску з урахуванням термостійкості і корозійної стійкості матеріалів виконується відповідно до ГОСТ 14249-80.
Визначення розрахункового тиску в апараті.
Розрахунковий тиск - тиск, при якому проводиться розрахунок на міцність і стійкість елементів корпусу апарату. За стандартом за робочий тиск приймається внутрішній тиск середовища в апараті. Розрахунковий тиск - це робочий тиск в апараті без урахування короткочасного підвищення тиску при спрацьовуванні запобіжних пристроїв.
,
де Р хат - надлишковий тиск середовища. Задається умовами технологічного процесу.
- Гідростатичний тиск;
ρ - щільність рідкого середовища, .
.
g = 9,8 - Прискорення вільного падіння.
Н ж - висота стовпа рідини.
Р гідр враховується, якщо воно перевищує 5% від тиску .
- Не враховується.
Розрахункове внутрішній тиск
.
Розрахунок зовнішнього тиску, для перевірки стінок корпусу на стійкість.
Для елементів знаходяться під сорочкою:
,
де Р а - атмосферний тиск, Р а = 0,1 МПа.
Р о - залишковий тиск. Р о = 0,0 2 МПа.
Р руб - надлишковий тиск у сорочці. Р руб = 0, 35 МПа.
Визначаємо допустима напруга для обраного матеріалу
,
де - Напруга, що допускається
- Поправочний коефіцієнт, що враховує вибухонебезпечність середовища
;
- Нормативне напруга, що допускається
.
Поправка на корозію
,
де П - швидкість корозії в робочому середовищі. П = 0,1 ;
- Термін служби апарату.
Розрахунок оболонок, навантажених внутрішнім тиском
Розрахунок товщини стінки циліндричної обичайки
,
де D - внутрішній діаметр корпусу;
- Розрахунковий тиск;
- Напруга, що допускається;
- Коефіцієнт міцності поздовжнього зварного шва обичайки, для стикових і таврових швів з двостороннім проваром і виконаних автоматичним зварюванням:
C - поправка на корозію;
З 0 - надбавка для округлення до стандартного значення.
Розрахунок еліптичної кришки і еліптичних днища.
Розрахунок оболонок, навантажених зовнішнім тиском.
Визначаємо попередньо товщину стінки циліндричної обичайки.
n в = 2.4 - коефіцієнт запасу стійкості в робочому стані;
Е = 1.91 ∙ 10 5 МПа - модуль поздовжньої розрахункової пружності для матеріалу обичайки при розрахунковій температурі;
L - довжина гладкої обичайки;
D - внутрішній діаметр апарату;
L = H 2 - H 6 = 775 - 325 = 450 мм
K 2 визначаємо за номограмме підручнику Лощинська .
K 2 = 0.6
Перевіряємо допускається зовнішній тиск.
Допустиме тиск з умови міцності:
Допоміжний коефіцієнт:
Допустиме тиск з умови стійкості:
Визначаємо допустима зовнішній тиск:
Умова виконується якщо
0.43 МПа <0,551 МПа - умова виконується.
3.2 Підбір і розрахунок приводу
Визначення потужності споживаної приводом
,
де N ел.дв. - потужність, споживана приводом, кВт;
N вих. - Потужність, споживана на перемішуванні, кВт;
- К. П.Д. підшипників, в яких кріпиться вал мішалки,
- К. П.Д., що враховує втрати у компенсаційних муфтах,
- К. П.Д. механічної частини приводу,
- К. П.Д., що враховує втрати потужності в ущільненні,
Вибираємо стандартний по потужності двигун. Для двигуна отриманої потужності за таблицею рекомендований привід тіпа4, Виконання приводу - 1 Номінальний тиск в апараті - 1,6 МПа.
Визначення розрахункового крутного моменту на валу:
,
де k д - коефіцієнт динамічного навантаження для турбінних мішалок k д = 1,2
Визначення діаметра валу.
Розмір приводу вибирається по діаметру валу
,
де [τ кр] - допустиме напруження при крученні, МПа.
[Τ кр] = 20 МПа.
d станд. = 50 мм по ОСТ 26-01-1225-75.
Стандартний привід за умовами роботи підшипників і найбільш слабких елементів конструкції розрахований на певний допустимий осьове зусилля [F], яке для приводу типу 4, виконання 1, габариту 1 одно вгору 2500, вниз 2500. Чинне осьове зусилля на вал приводу апарату визначається за формулою:
де d - діаметр валу в зоні ущільнення;
А ущ - додаткова площа ущільнення, м;
G - маса частини приводу;
F м - осьова складова сила взаємодії мішалки з робочим середовищем.
G = (m в + m меш + m МУФ) ∙ g
де m в - маса вала;
m меш - маса мішалки, m меш = 1.5 кг.
m МУФ - маса муфти, m МУФ = 15,8 кг.
L в - Довжина валу;
ρ - щільність сталі, .
L в = 1100 +620 +350 +30-2 0 0 = 1 900 мм.
G = (29.27 + 1.5 +15,8) ∙ 9,81 = 456. 858 H.
Осьова складова сила взаємодії мішалки з робочим середовищем знаходиться за наступною формулою:
Порівнюємо отримані значення сил F вгору і F вниз з допустимим навантаженням [F]:
2258,488 H <2 травня 2000 H
- 244.167 H <5 лютого 2000 H.
Ескіз привід представлений на малюнку 2.
Торцеве ущільнення
Основні розміри:
d = 50 мм H = 260 мм
D = 270 H 1 = 220 мм
D 1 = 240мм h = 60 мм
D 2 = 155 мм d 1 = 12 мм
D 3 = 235 мм m = 50 кг
3.4 Розрахунок елементів механічного перемішують
Розрахунок вала перемішують на вібростійкість
Повинно виконуватися умова: ,
де ω 1 - перша критична кутова швидкість вала,
ω - кутова швидкість вала,
- Розрахункова довжина валу, м;
Відносна маса вала:
Е = 1,91 ∙ 10 5 - модуль пружності для матеріалу вала;
I - момент інерції поперечного перерізу валу, м 4;
α - корінь приватного рівняння, визначається за графіками.
.
Отже
0.7 ∙ 82.667 = 57.867
57.867 <65. 94 - умова виконується.
Розрахунок вала на міцність
Проведемо розрахунок вала на кручення і вигин.
Напруга від крутного і згинального моментів визначаються відповідно за формулами:
;
.
Розрахунковий згинальний момент М від дії наведеної відцентрової сили F ц визначається в залежності від розрахункової схеми вала
m пр - приведена зосереджена маса вала, кг;
r - радіус обертання центра ваги наведеної маси вала.
q - коефіцієнт приведення маси до зосередженої маси.
,
де - Ексцентриситет маси перемішують з урахуванням биття валу, м;
- Ексцентриситет центру маси перемішують, м;
σ - допустиме биття вала; .
Знайдемо реакції в опорах:
:
:
Перевірка:
- R A + R B - F ц = 0
-650.861 + 797,83 - 146,969 = 0
M A = 0
M B = l 2 ∙ R B = 0.35 ∙ 797,83 = 279,241 H ∙ м
;
.
22,7 МПа <125,1 МПа - умова виконується.
Розрахунок вала на жорсткість
Розрахунок вала на жорсткість полягає у визначенні допустимої величини прогину. Виготовляється з наступної умови:
J max. £ [J],
де [J] - допустимий прогин валу, в тому місці, де вал входить в апарат (в ущільнення), мм; [J] = 0,1 мм;
,
де I - осьовий момент інерції перерізу валу, м 4;
l 2 = 350 мм
l 1 = 1550 мм
- Умова виконується.
Визначимо кут повороту в сферичному підшипнику:
,
При цьому необхідно, щоб виконувалася умова q У £ [q], де найбільший дозволений кут повороту для радіальних сферичних шарикопідшипників [q] = 0,05 радий.
- Умова виконується.
3.5 Розрахунок підшипників кочення
Опора А: Вибираємо шарикопідшипники радіально-упорні лекго серії тип 209.
Діаметр 45 мм;
;
Отже: x = 1, y = 0.92
k T = 1.0 (до 125 о С),
k σ = 1.3 - коефіцієнт безпеки.
=
,
;
;
r = 3 (для кулькових підшипників)
- Умова виконується.
Опора В. Вибираємо підшипник кульковий радіальний сферичний дворядний (ГОСТ 28428-90) лекго серії, типу 1210.
C r = 22,8 кН.
- Умова виконується.
Ескіз розташування підшипників на валу представлений на малюнку 7
3.6 Підбір муфти
Муфта - пристрій, що служить для з'єднання валів між собою або з деталями, вільно насадженими на вали, з метою передачі обертаючого моменту.
Фланцева муфта.
d = 50 мм; n = 6
D = 190 мм, L = 110 мм
D 1 = 150 мм; l = 22 мм
d 0 = 90 мм; l 1 = 26 мм;
d 1 = 110 мм;
d 2 = 90 мм; b = 5 мм;
d 3 = 80 мм; l 2 = 22 мм;
d б = М12; m = 15,8 кг.
Ескіз муфти представлений на рисунку 8.
3.7 Розрахунок мішалки
Визначення відстані від осі до точки прикладання рівнодіючої сил, що діють на лопаті:
,
де R - радіус лопаті;
r - радіус маточини; r = 22,5 мм.
;
Визначаємо значення рівнодіючої сили
,
де T '- крутний момент на валу;
z = 6 - кількість лопатей турбінної мішалки;
Згинальний момент біля основи лопаті:
.
З умови міцності необхідний момент опору лопаті
,
Фактичний момент опору поперечного перерізу лопаті в місці приєднання її до маточини:
;
- Умова виконується.
Розрахункова товщина лопаті:
Ескіз мішалки представлений на рисунку 9.
3.7.1 Розрахунок шпонки на зминання
Вибираємо шпонку за ГОСТ 23360-78
Перевіримо на зминання
d валу = 50 мм - діаметр під маточину.
Умова міцності:
3.8 Розрахунок опор-лап апарату
Розмір опори-лап вибирається в залежності від внутрішнього діаметру корпусу апарату відповідно до ГОСТ 26-665-72.
Вибираємо типорозмір опори і визначаємо допустиме навантаження на опору:
Тип 1 Виконання 2.
a = 210 мм; h = 345 мм; d 0 = 35 мм;
a 1 = 250 мм; h 1 = 24 мм; d 1 = M30 мм;
a 2 = 150 мм; l = 120 мм; f = 60 мм;
b = 230 мм; S 1 = 12 мм; m = 14 кг;
b 1 = 170 мм; k = 35 мм; прокладних лист:
b 2 = 160 мм; k 1 = 60 мм;
c = 40 мм; R = 1100 мм;
c 1 = 120 мм; r = 30 мм;
Вибираємо типорозмір опори-стійки і визначаємо допустиме навантаження на опору-стійку:
Тип 3.Ісполненіе2.
a = 280 c = 40 K 1 = 150
a 1 = 230 c 1 = 120 r = 20
a 2 = 150 h = 490 d 0 = 35
b = 200 h 1 = 24 d 1 = M30
b 1 = 170 l = 120 m = 27,6 кг
b 2 = 160 S 1 = 14 [G] = 63000 Н
b 3 = 280 K = 15
Основна величина для розрахунку навантаження на одну опору:
де G мах - максимальна вага апарату, що включає вага апарату, футеровки, термоізоляції, різних конструкцій, що спираються на корпус апарату, максимальна вага продуктів, що заповнюють апарат або масу води при випробуванні.
,
де ;
Розрахунок опори-лапи
n = 4 - кількість опор-лап.
- Умова виконується.
2. Визначаємо фактичну площу підошви прокладного листа опор;
,
де a 2, b 2 - розміри підкладного листа;
3. Визначаємо необхідну площу підошви підкладного листа з умови міцності бетону фундаменту:
де - Допустиме питомий тиск для бетону марки 200.
- Умова виконується.
4. Перевіримо вертикальні ребра опор на стиск і стійкість.
Напруга стиснення в ребрі поздовжньому згині:
,
де 2.24 - поправка на дію неврахованих факторів.
k 1 - коефіцієнт, визначений за графіком залежно від гнучкості ребра λ
,
де - Гіпотенуза ребра для опори-лапи.
. Отже k 1 = 0.6
z p = 2 - число ребер в опорі;
S 1 = 12 мм - товщина ребра;
b = 230 мм - виліт ребра;
- Допустима напруга для ребер опори
k 2 - коефіцієнт зменшення допустимих напружень при поздовжньому згині k 2 = 0.6;
- Умова виконується.
5. Перевіримо на зріз міцності кутових швів, що з'єднують ребра з корпусом апарату:
- Загальна довжина шва при зварюванні;
- Умова виконується.
Ескіз опор-лап представлений на малюнку 10
Розрахунок фланцевого з'єднання
1) Розрахункова температура
C
C
2) Допустиме напруження
матеріал для шпильок Ст 20.
3) товщина втулки фланця
4) висота втулки фланця
5) діаметр шпильковий колу для плоско приварних
6) зовнішній діаметр фланців
а = 40, конструктивна добавка для розміщення гайок по діаметру фланців
7) зовнішній діаметр прокладки
е-нормативний параметр, що залежить від типу прокладки
8) середній діаметр прокладки
по-ширина прокладки
9) кількість шпильок необхідних для забезпечення герметичності з'єднання
3.9 Підбір штуцерів і люка
Підбір штуцерів і люків здійснюється відповідно з внутрішнім діаметром корпусу апарату D вн = 1000 мм.
Основні умовні діаметри штуцерів для корпусів з еліптичною кришкою по ОСТ 26-01-1246-75 представлені на ескізі штуцерів (рисунок 11).
У відповідності з внутрішнім діаметром апарату вибираємо люк з еліптичною кришкою і відкидними болтами.
Основні розміри представлені на ескізі люка (рисунок 12).
Висновок
Основною метою проекту була розробка документації, креслень для спорудження апарату. При цьому необхідною умовою було врахувати економічну сторону проектування, тобто економію конструкційного матеріалу: зменшення маси елементів апарату без збитку їх надійності та безпеки при експлуатації.
Після вибору конструктивного матеріалу складається розрахункова схема апарату з мішалкою, визначили його габаритні розміри і зробили розрахунок за основними критеріями працездатності. Розрахунок проводиться на самі необхідні умови, можливі при експлуатації.
Загальний вигляд апарата представлений на кресленні. Креслення основних вузлів виконується на форматах меншого розміру. Специфікація складається для креслення загального вигляду та креслення складальних одиниць.
У записці наведено основні розміри елементів хімічного апарату. Конструювання хімічного обладнання необхідно проводити з меншим використанням стандартних вузлів і деталей, простих у виготовленні і добре зарекомендували себе в процесі експлуатації.
Список використаних джерел
1. Дунаєв П.Ф., Льоліком О.П. Конструювання вузлів і деталей машин. - М: Вища школа, 1985.
2. Генкін А.Е. Обладнання хімічних заводів. - М: Вища школа, 1986.
3. Лащинський А.А., Толчинський А.Р. Основи коструірованія і розрахунку хімічної апаратури. Довідник -: Машинобудування, 1970.
4. Розрахунок і конструювання апаратів з пристроями, що перемішують: Методичні вказівки до курсового проекту з прикладної механіки / Укл. В.Л. Хлесткіна - Уфа, 1988.
5. Матеріали, типи приводів, муфти, люки: Довідкові таблиці / сост. В.Л Хлесткіна - Уфа, 1991.
6. Ущільнювачі валів і мішалки хімічних апаратів: Довідкові таблиці / сост. В.Л Хлесткіна - Уфа, 1885.
7. Фланцеві з'єднання: Методичні вказівки / сост. В.Л Хлесткіна - Уфа, 1991.
8. Розрахунок опор мішалки і корпусу хімічних апаратів: Методичні вказівки та довідкові таблиці / сост. В.Л Хлесткіна - Уфа, 1999.
9. ОСТ 26-665-75 Опори (лапи, стійки) вертикальних апаратів. Типи, конструкції і розміри. СРСР, 1973.
10. Розрахунок і конструювання машин та апаратів хімічних виробництв: Приклади і задачі / Под ред. М.Ф Михалева, 1984.