Материал: Vasilyev_09_03_2017

Глава 7. Пример расчета

7.1.1 Исходные данные

Произвести расчет и конструирование химического реакционного аппарата.

Номинальный объем V, м³ 8

Внутренний диаметр D, мм 2000

Исполнение корпуса 31

Параметры мешалки

Шифр 10

Диаметр d_м, мм 1600

Частота вращения n, мин^-1 50

Потребляемая мощность N, кВт 6,0

Давление в корпусе

Избыточное Р_и, МПа 0,8

Остаточное Р_о, МПа 0,05

Давление в рубашке, избыточное Р_руб, МПа 0,4

Уровень жидкости в корпусе 0,8

Параметры среды

Наименование H₂SO₄

Температура t, ^оС 60

Плотность 1190

Концентрация 40

7.1.2. Основные положения

Основным узлом аппарата является корпус. Аналитический способ его расчета на прочность и устойчивость является приближённым [2, 4, 7, 8, 12, 13, 14, 17, 21, 23] и применяется для отладки работы с программой APM Winmachine [24, 25, 26, 27, 28, 29, 30]. Эта система основана на использовании численного метода конечных элементов и позволяет определить поле напряжений, запас устойчивости, резонансные частоты колебаний для всего корпуса аппарата.

Теоретические основы методов расчета изложены в трудах [1, 3, 5, 6, 9]. Конструирование химического аппарата основано на справочных пособиях [10, 11, 15, 18, 19, 20]. Уточнены современные тенденции машиностроения. Уплотнение вала выбрано торцовое [19]. Расчеты вала, подшипников и фланцевого соединения проведены по новым методикам. Оформление пояснительной записки и чертежей [16, 27] выполнено на основе современных ГОСтов. Материалы, использованы химически стойкие с добавками легирующих элементов никеля, хрома, молибдена.

Аппараты с перемешивающими устройствами широко используются при проведении основных технологических процессов в химической и биохимической промышленности. На практике наибольшее распространение получил механический метод перемешивания жидких сред в аппарате, состоящем из корпуса и перемешивающего устройства. Отраслевыми стандартами Минхимнефтемаша установлены конструкции и параметры специальных составных частей аппаратов мешалки, что позволяет осуществить компоновку аппарата из типовых элементов (корпуса, мешалки, уплотнения вала, привода перемешивающего устройства) по ОСТ 26-01-1205-95 в соответствии с частотой вращения мешалки, номинальным давлением в корпусе аппарата. Одновременно устанавливается тип уплотнения для вала мешалки: сальниковое или торцевое. Необходимо учитывать, что приводы типа 1 и 3 с концевой опорой в аппарате для вала мешалки ненадежны в эксплуатации при воздействии абразивной или коррозионной активной среды на вал и вкладыши подшипника. Типоразмер мотор-редуктора выбирается в соответствии с заданной частотой вращения вала мешалки и потребляемой мощности электродвигателя. В аппаратах всех типов могут применяться внутренние теплообменные устройства (змеевик) либо непосредственный обогрев рабочей среды подачей горячего пара.

7.2. Выбор материалов

Материалами для изготовления стальных сварных аппаратов являются полуфабрикаты, поставляемые металлургической промышленностью.

Материалы должны быть химически стойкими и коррозионно-стойкими в заданной среде при её рабочих параметрах, обладать хорошей свариваемостью и соответствующими прочностными и пластическими характеристиками в рабочих условиях, допускать горячую и холодную механическую обработку, а также иметь возможно низкую стоимость и быть недефицитными.

При выборе конструкционного материала основным критерием является его химическая и коррозионная стойкость в заданной среде. Обычно выбирают материал, абсолютно или достаточно стойкий в среде при её рабочих параметрах и к расчетным толщинам на коррозию, соответствующие прибавки в зависимости от срока службы аппарата. Вместе с тем следует учитывать и другие виды коррозии (межкристаллитную, точечную, коррозионное растрескивание), которым подвержены некоторые материалы в агрессивных средах. Другим критерием при выборе материала является расчетная температура стенок аппарата, а также, если эта температура является положительной, для аппаратов, устанавливаемых на открытой площадке или в неотапливаемом помещении, необходимо учитывать абсолютную минимальную зимнюю температуру наружного воздуха, при которой аппарат может находиться под давлением или вакуумом.

Таким образом, выбор материала должен производиться из учёта его коррозионной стойкости в заданной среде и рабочих условий [18] .

Для таких параметров, как:

• наименование среды: водный раствор серной кислоты;

• концентрация 40%;

• температура среды:60 °С.

Наиболее рациональным выбором является сталь ОХ23Н28М3Д3Т, т.к. она химически и коррозионноустойчива в данной среде при данной температуре (П < 1,0· мм/год), наиболее экономически целесообразна, достаточно прочная и относительно дешёвая, а также широко распространённая. Такой вид стали подходит для изготовления не только оболочки аппарата, но и мешалки и её приводного вала, а также для изготовления фланцевого соединения.

Коэффициент линейного расширения в интервале температур от 20 до 100°С для стали 0Х23Н28М3Д3Т: α^t=15,4×10^-6 1/^oC.

7.3. Расчетная часть

Расчетная часть курсового проекта включает в себя проверочные расчеты составных частей аппарата с мешалкой по главным критериям работоспособности (прочность, устойчивость, термостойкость, коррозионная стойкость и т.д.).

7.3.1. Расчет элементов корпуса аппарата

Расчет обечаек, днищ, крышек корпуса аппарата на прочность и устойчивость под действием внутреннего и наружного давления с учетом термостойкости и коррозионной стойкости материалов выполняется в соответствии с ГОСТ 14249-80.

Определение расчетного давления в аппарате

Расчетное давление – давление, при котором производится расчет на прочность и устойчивость элементов корпуса аппарата. По стандарту за рабочее давление принимается внутреннее давление среды в аппарате. Расчетное давление – это рабочее давление в аппарате без учета кратковременного повышения давления при срабатывании предохранительных устройств.

МПа,

МПа,

где – избыточное давление среды. Задается условиями технологического процесса.

– гидростатическое давление;

– плотность жидкой среды, .

.

=9,8 - ускорение свободного падения.

– высота столба жидкости.

учитывается, если оно превышает 5% от давления .

- не учитывается.

Расчетное внутреннее давление

.

Расчет наружного давления для проверки стенок корпуса на устойчивость:

для элементов, находящихся под рубашкой:

,

где – атмосферное давление, =0,1МПа;

– остаточное давление. =0,05МПа;

– избыточное давление в рубашке. = 0,35МПа;

Определяем допускаемое напряжение для выбранного материала:

, где - допускаемое напряжение ;

– поправочный коэффициент, учитывающий взрывоопасность среды ;

– нормативное допускаемое напряжение .

Поправка на коррозию

, где П – скорость коррозии в рабочей среде. П = 0,1 ;

- срок службы аппарата. лет

7.3.2. Подбор и расчет привода

Определение мощности потребляемой приводом

,

где – мощность, потребляемая приводом, кВт;

– мощность, потребляемая на перемешивании, кВт;

– КПД подшипников, в которых крепится вал мешалки, = 0,91…0,99

– КПД, учитывающий потери в компенсирующих муфтах, = 0,99;

– КПД механической части привода, = 0,85…0,97;

– КПД, учитывающий потери мощности в уплотнении, = 0,96…0,98.

Выбираем стандартный по мощности двигатель. Для двигателя полученной мощности по таблице рекомендован привод типа 2, привод со встроенными в редуктор опорами вала мешалки. Исполнение привода – 1 (для установки на крышке). Номинальное давление в аппарате – 3,2 МПа.

Определение расчетного крутящего момента на валу:

,

где – коэффициент динамической нагрузки для рамных мешалок =2,0

Определение диаметра вала.

Размер привода выбирается по диаметру вала:

,

где [τ_кр] – допускаемое напряжение при кручении, МПа.

[τ_кр]=50 МПа.

d_станд. = 60 мм по ОСТ 26-01-1225-75.

Стандартный привод по условиям работы подшипников и наиболее слабых элементов конструкции рассчитан на определенное допустимое осевое усилие [F], которое для привода типа 2, исполнения 1, габарита 2 равно 23400. Действующее осевое усилие на вал привода аппарата определяется по формуле:

А_упл – дополнительная площадь уплотнения, м;

G – масса части привода;

F_м – осевая составляющая сила взаимодействия мешалки с рабочей средой.

G=(m_в + m_меш + m_муф)∙g,

где – масса вала;

m_меш. – масса мешалки, m_меш. = 75 кг.

m_муф. – масса муфты, m_муф. = 16 кг.

– длина вала;

ρ – плотность стали, .

h_м=0,3d_м=0,3*1600=480;

L_в = 2660 +400+645 + 30 – 480 = 3255 мм.

G = (75+16+72.24)∙9,81 = 1601H.

Осевая составляющая сила взаимодействия мешалки с рабочей средой находится по следующей формулам:

Сравниваем полученные значения сил F_вверх и F_вниз с допустимой нагрузкой [F]:

5148 H < 23400 H,

׀-1080׀ H < 23400 H.

Условие выполняется.

Основные размеры привода типа 2, исполнения 1, габарита 2 определяем по таблицам в соответствии с ОСТ-26-01-1225-75.

В = 575 мм; l₂ = 400 мм;

L = 235 мм; S = 14мм;

H₁ = 630 мм; D = 300 мм;

h = 1150 мм; D₁ = 390 мм;

h₁ = 645мм; m_прив = 308 кг.

Конструкция привода представлена на рис. 7.1.