Вертикальный аппарат с перемешивающим устройством

Министерство образования и науки Украины

Восточноукраинский национальныйный университет

Рубежанский филиал

Кафедра ОФТМ

Пояснительная записка

к курсовому проекту по прикладной механике

«ВЕРТИКАЛЬНЫЙ АППАРАТ С ПЕРЕМЕШИВАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ»

Выполнил студент гр. ТД-.41

.Копылец Сергей

Руководитель проекта

Лихачёв А.И.

г. Рубежное, 2002 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Реферат

Задание на курсовой проект

Ведомость курсового проекта

Введение

1. Выбор материала

2. Расчет толщины обечайки корпуса

3. Расчет эллиптического днища

4. Расчет рубашки

5. Расчет на прочность укрепления отверстий

6. Расчет фланцевых соединений

7. Расчет перемешивающего устройства

8. Выбор привода перемешивающего устройства

9. Определение веса аппарата

10. Выбор опор аппарата

Список литературы

РЕФЕРАТ

Курсовой проекта содержит два листа графической части формата А-1 и пояснительную записку в «35» листов.

Ключевые слова – обечайка, днище, крышка, мотор-редуктор, фланец, патрубок, перемешивающее устройство, штуцер, технологическое отверстие, рубашка, уплотнение, выбор материала аппарата, определены расчетные параметры, выполнены расчеты толщины стенок обечайки, днища, рубашки, произведены расчеты на прочность укрепления отверстий, выбран тип фланцевого соединения, определена мощность на перемешивание, выбран привод перемешивающего устройства, подобраны опоры аппарата.

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

«Утверждаю»

Зав. кафедрой ОФТМ

Овчаренко В.В.

«ВЕРТИКАЛЬНЫЙ АППАРАТ С ПЕРЕМЕШИВАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ»

№ п/п	Наименование исходных данных	Единицы измерения	Величина параметров
1.	Объем аппарата v	м3	5
2.	Внутренний диаметр аппарата Д	мм	1800
3.	Высота аппарата Н	мм	2230
4.	Внутреннее избыточное давление Р	[мПа]	1.5
5.	Наружное избыточное давление РН	мПа	1.0
6.	Рабочая температура	оС	20
7.	Среда – HNO3 (100%) 	кг/м3	1510
8.	Срок службы 	лет	15
9.	Тип перемешивающего устройства – листовая мешалка

ВЕДОМОСТЬ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

№ опр	Фор­­мат	Обозначение	Наи­ме­нование	К-во	№ экз.	Приме­чание
1.	А1		Аппарат верти­кальный	1	1
2.	А1		Узлы аппара­та	1	1
3.	А4	КППМ4.160000000П.3	Поясни­тельная записка	1	1

ВВЕДЕНИЕ

Развитие химической и нефтехимической промышленности требует создания новых высокоэффективных, надежных и безопасных в эксплуатации технологических аппаратов. Применение веществ, обладающих взрывоопасными и вредными свойствами, ведение технологических процессов под большим избыточным давлением и при высокой температуре обусловливает необходимость детальной проработки вопросов, связанных с выбором средств защита для обслуживающего персонала, с прочностью и надежностью узлов и деталей аппаратов. Перед химическим машиностроением поставлена задача создания и выпуска высокопроизводительного оборудования. Химическое машиностроение должно внести большой вклад в развитие топливно-энергетического комплекса нашего государства.

Основной целью данного курсового проекта является изучение конструкций наиболее распространенных аппаратов химических производств, что достигается выполнением расчетов на прочность деталей и узлов, округленных рассчитанных параметров до стандартных значений, выполнением чертежей общего вида и узлов аппарата.

1. ВЫБОР МАТЕРИАЛА

Для изготовления сварных стальных аппаратов применяют полуфабрикаты, поставляемые металлургической промышленностью в виде листового, сортового и фасонного проката, труб, специальных поковок и отливок.

Материалы должны быть химически и коррозионностойкими в заданной среде, обладать хорошей свариваемостью и, соответственно, прочностными и пластичными характеристиками в рабочих условиях, допускать холодную и горячую механическую обработку.

При выборе конструкционных материалов основным критерием является его химическая и коррозионная стойкость в данной среде. Другим критерием является температура аппарата. Основным материалом для химического машиностроения являются коррозионностойкие стали различных марок, чугун, бронза и неметаллические материалы. С учетом агрессивности среды, температуры и давления аппарате для проектируемого аппарата выбираем высоколегированную сталь 08Х21Н6М2Т с допускаемым напряжением  = 233 МПа

2. РАСЧЕТ ТОЛЩИНЫ ОБЕЧАЙКИ КОРПУСА

Исходные параметры:

	Объем аппарата	V=5
	Внутренний диаметр аппарата	D=1800
	Высота аппарата	Н=2230 мм
	Внутреннее избыточное давление	Р= 1,5 МПа
	Наружное избыточное давление	Рн= 1,0Мпа
	Рабочая температура	200С
	Среда в аппарате	HNO3
	Долговечность аппарата
	Днище и крышка	эллиптические
	Крышка	Съемная
	Днище	Приварное
	Рубашка	гладкая, приварная
	Мешалка	Листовая

2.1. Для заданной среды (HNO₃) (табл. 1 МУ, стр.27) принимаем:

плотность ρ=1510 кг/м³

коэффициент динамической вязкости μ=0.8 н.с/м²

Для корпуса аппарата выбираем высоколегированную сталь марки 08Х21Н6М2Т. Эта сталь по способу выплавки спокойная, легко сваривается всеми видами сварки.

Для рубашки, в которой будет циркулировать горячая вода или водяной пар, принимаем по таблице № 1(МУ, стр.27) углеродистую конструкционную сталь 20К. Скорость коррозии принимаем П=0,05 мм/год для рубашки и П=0,1мм/год для корпуса, поскольку температура больше 20⁰С.

2.2. Допускаемые напряжения и модуль упругости:

а) для стали 08Х21Н6М2Т по таблице № 2 (МУ, стр.28) –

20⁰С =233МПа Е=2,0  10^-5 МПа

б) для стали 20К находим:

при 20⁰С ²⁰ = 147 МПа Е²⁰= 1,9910⁵ МПа

2.2.1. Высота корпуса аппарата при снятой крышке

, где

– высота элептической части крышки,

100 мм – размер, который ориентировочно учитывает высоту цилиндрической отбортовки крышки и толщину фланца крышки.

h₁=2230-(0,251800+100)=1680 мм

2.2.2. Высота жидкости в аппарате

h_ж=h₁-(50…100)=1680-(50…100)=1630…1580 мм

Принимаем к расчету. h_ж=1600 мм = 1,6 М

2.2.3. Расчетное внутреннее давление в аппарате

, где

Р_г – гидростатическое давление –

Рг= gh_ж=15109,811,6=23700Па=0,024МПа

g = 9,81 – ускорение свободного падения;

 = 1510 – плотность среды;

h_ж = 1600 – высота жидкости в аппарате.

Оцениваем величину гидростатического давления

р% =рг/р100=0,024/1,5 100=1,6%<5%

Р = 1,5 МПа – внутреннее избыточное давление в аппарате,

Если , то Р_Г не учитывается

2.2.3.1 Расчет обечайки корпуса

2.2.3.2 Толщина стенки обечайки при нагружении внутренним расчетным избыточным давлением

, где

 = 0,9 – коэффициент сварного шва. Обечайка имеет сварной шов.

Р_р = 1,5 Н/мм² – расчетное давление (см. п.3.3.3)

Д_вн = 1800 мм

[] = 233 Н/мм² – допускаемое напряжение (см. п.3.2)

S_R=(1,51800)/(22330.9-1,5)=6,46 мм

2.2.4. Толщина стенки обечайки при нагружении осевой растягивающей силой.

Осевая растягивающая сила

F_R=(²_)/4=(3.141800²1,5)/4=3,82 10⁶ H

Толщина стенки

S_R=F_R /()=(3,82 10⁶)/(3.1418002330.9)=3,22 мм

2.2.5. Толщина стенки обечайки, нагруженной наружным давлением. Для корпуса нагруженным давлением является давление в рубашке

P_H=1,0 МПа =1,0 н/мм²

2.2.6. Расчетная длина (высота) обечайки

, где

- принимается конструктивно для удобного выполнения сварки рубашки и корпуса;

l=1680-150-(2/3)0.251800=1230 мм

2.2.7 Толщина стенки обечайки

Коэффициент , где

= 2,4 – коэффициент запаса устойчивости при рабочих условиях.

К₁=(2,41,0)/(2,410^-6210⁵) = 5

E=210⁵ н/мм ² – модуль предельной упругости для стали 08Х21Н6М2Т (см. п.2.2.)

Коэффициент К₃=l/D =1230/1800 =0,68

Коэффициент К₂ определяем по таблице 6 (МУ, стр.30) в зависимости от К₁ и

K₂ =0.7

Толщина стенки

Принимаем S_{R max} = 12,6 мм

2.2.8 Из трех условий (п.2.4.1, п.2.4.2, п.2.4.3) получены три значения толщины стенки обечайки корпуса: 6,46;4,25;12,6мм из тех S_R =12,6 мм

2.2.8.1 Прибавки к толщине стенки обечайки

, где

С₁ – прибавка для компенсации коррозии и эрозии –

С₁ = С_к + С_э

С_э – прибавка для компенсации эрозии. С_э = 0, т.к. скорость движения среды в аппарате менее 20 м/с и отсутствует абразивные частицы.

мм, где

 = 5 лет долговечность,

П = 0,1 мм/год – скорость коррозии для стали 08Х21Н6М2Т

Таким образом

С₂ – прибавка для компенсации минусового допуска. Минусовой допуск выбираем по таблице 3. Для толщины от 8 до 20 мм С₂ = 0,8 мм.

С₃ – прибавка технологическая; учитывает утонение места при вальцовке; для толщины от 4 до 30 мм принимаем значение равным 0,3 мм: С₃ = 0,3 мм.

С=1,5+0,8+0,3 = 2,6 мм

Примечание: обечайка корпуса в наружной стороны омывается водой и паром, но при температуре 20…100⁰С вода (пар) не вызывают коррозии легированных сталей, поэтому принимаем П_нар = 0 мм/год.

2.2.8.2. Толщина стенки обечайки с учетом прибавок

мм

2.2.8.3 Исполнительная толщина стенки обечайки корпуса, принятая по стандарту (табл. 3)

S = 16 мм

2.2.8.4. Проверочные расчеты для обечайки корпуса

2.2.9. Допускаемое внутреннее избыточное давление при S=16 мм, С = 2,6 мм

Н/мм²

условие прочности

3,099> 1,5 Н/мм² – условие прочности выполняется

2.3.1. Допускаемая осевая растягивающая сила

[F_p] > F_p – условие прочности соблюдается.

2.3.2. Допускаемое наружное избыточное давление

, где

– допускаемое давление из условий прочности

Н/мм²

– допустимое давление из условий устойчивости в пределах упругости

, где

n_y = 2,4 – коэффициент запаса устойчивости при рабочих условиях

а) В₁ = 1,0

б)

Принимаем В₁ = 1,0

Н/мм²

Н/мм²

1,13 Н/мм² > 1,0 Н/мм²

> P_n, т.е. условие прочности выполняется.

2.3.3. Проверка обечайки корпуса при нагружении осевой сжимающей силой

Осевая сжимающая сила

Н

Допускаемая осевая сжимающая сила

, где

– допускаемая осевая сжимающая сила из условий прочности

Н

– допускаемая осевая сжимающая сила из условий местной устойчивости в пределах упругости.

При соотношении величину можно рассчитать по формуле

Н

– условие прочности выполняется.

2.3.4. Проверка на устойчивость обечайки корпуса при совместном действии наружного давления и сжимающей силы.

Условие устойчивости выполняется.

Так как проверочный расчет по всем нагрузкам удовлетворяет условиям прочности, окончательно принимаем исполнительную толщину стенки обечайки корпуса S = 16 мм.

3. РАСЧЕТ ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО ДНИЩА

Согласно заданию в аппарате предусмотренные эллиптические днища (нижнее днище и верхнее перевернутое днище – крышка).

Для днища корпуса аппарата принята сталь 08Х21Н6М2Т (см. п.2.2)

3.1. Толщина стенки днища, нагруженного внутренним расчетным избыточным давлением

мм

R – радиус кривизны в вершине днища,

для эллиптического днища R = D = 1800 мм

 = 1 – принимаем днище не сварное, а цельное, штампованное.

3.2. Толщина стенки днища, нагруженного наружным давлением

, где

К_э – коэффициент приведения радиуса кривизны эллиптического днища. Предварительно принимаем К_э = 0,9.

а) мм

б) мм

Из двух значений 10,99мм и 3,86мм принимаем большее – S_1R = 10,99 мм

Из полученных значений толщины 5,8мм и 10,99мм принимаем

S_1R = 10,99мм

3.3. Прибавка для днища

мм

С_э принимаем С_э = 0

С₂ – минусовый радиус на толщину

С₂ = 0,8 мм

С₃ = 0,3 мм (п.2.4.5)

мм

3.4. С учетом прибавок

мм

Исполнительная толщина стенки, принятая по стандарту S= 16 мм.

3.5. Для эллиптических днищ, если длина цилиндрической отбортованной части больше параметра , т.е. , то толщина стенки днища S₁ должна быть не меньше толщины стенки обечайки, т.е. . Определяем параметр = 124,24>50 мм,

Определяем h = 50 мм при толщине S = 16 мм и диаметре Д = 1800 мм по таблице 16.5 (стр.449).

Принимаем S₁ < S

S₁ = 16 мм

3.6. Проверочные расчеты для днища корпуса.

3.6.1. Допускаемое наружное давление на днище

Допускаемое наружное давление из условия прочности

Н/мм²

Допускаемое наружное давление из условия устойчивости в пределах упругости

Уточняем коэффициент радиуса кривизны К_э

п.3.3.1

Н/мм²

Н/мм²

. условие прочности выполняется

Принимаем к расчету толщину стенки днища S_1R = 16 мм.

3.6.2. Допускаемое внутреннее избыточное давление

н/мм²

– условие прочности выполняется

Масса эллиптического днища при Д = 1800 мм, S₁ = 16 мм – m_g = 486 кг (табл.16.1, стр.441)

4. РАСЧЕТ РУБАШКИ

Рубашка гладкая приварная (неотъемная). Для рубашки выбрана (см. п.3.1, 3.2) качественная углеродистая конструкционная сталь 20К.

Мпа (п.3.1)

Н/мм² (п.3.2)

4.1. Выбираем диаметр рубашки (табл.4) При диаметре аппарата 1800 мм находим Д_{рубашки} = 1900 мм;

а – зазор между днищем корпуса и рубашкой:

а = 30 мм

4.2. Высота рубашки с учетом днища

= 1680 мм (п.3.3.1)

= 150 мм (п.3.4.3.1)

м

4.3. Расчет обечайки рубашки.

4.3.1. Рубашка нагружена внутренним давлением, которое равно наружному давлению для корпуса аппарата:

МПа

4.3.2. Расчетное давление в рубашке

, где

Р_Г – гидростатическое давление в нижней части рубашки.

Нагрев аппарата производится горячей водой и паром

МПа, где

= 1000 кг/м³ – плотность воды,

h_p – высота рубашки (см. п.3.6.2)

Оцениваем величину гидростатического давления

Если , то Р_Г не учитывается. У нас Р% = 1.53%, поэтому

.

4.3.3. Толщина стенки обечайки рубашки от внутреннего расчетного давления

мм.

Н/мм²

– коэффициент сварного шва.

4.3.4. Осевая растягивающая сила для рубашки

Н

4.3.5. Толщина стенки обечайки рубашки от осевой растягивающей силы

мм

Из значений принимаем большее – 7.2 мм.

4.3.6. Прибавка к толщине стенки рубашки (см. п.3.4.5)

, где

мм

П_руб = 0,1 мм/год (Принимаем по табл. 1 при 20⁰С).

С₂ = 0,8 мм для толщины 8 мм. и более

С₃ = 0,3 мм.

С_руб = 1.5+ 0,8 + 0,3 = 2.6 мм

4.3.7. Толщина стенки обечайки рубашки с учетом прибавок

мм

4.3.8. Исполнительная толщина стенки обечайки корпуса, принятая по стандарту (табл. 3)

S_руб = 10 мм

4.4. Проверочные расчеты для обечайки корпуса

4.4.1. Допускаемое давление в рубашке

МПа

, т.е. – условие прочности выполняется

4.4.2. Допускаемая осевая растягивающая сила

[F_p]_руб > F_руб – условие прочности соблюдается.

4.5. Расчет днища рубашки. Поскольку корпус аппарата имеет эллиптическое днище, то и для рубашки тоже принимаем эллиптическое днище с диаметром Д_руб = 1900 мм.

4.5.1. Толщина стенки днища рубашки при нагружении внутренним давлением

мм

R – радиус кривизны в вершине днища,

для эллиптических днищ R = Д_руб = 1900 мм

 = 1 – коэффициент сварного шва; принимаем днище не сваренное из отдельных частей, а изготовленное из цельной заготовки.

4.5.2. Толщина стенки днища рубашки с учетом прибавок

мм

4.5.3. Исполнительную толщину днища рубашки принимаем согласно с табл.16.1 равной 10 мм.

При диаметре Д = 1900 мм и S_1руб = 10 мм находим по таблице 16.2 (стр.443) длину отбортованной части мм.

4.5.4. Допускаемое внутреннее давление на днище рубашки

МПа

МПа

– условие прочности соблюдается.

5. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ УКРЕПЛЕНИЯ ОТВЕРСТИЙ

5.1. На крышке аппарата предусматриваем люк и штуцеры: давильной трубы, два штуцера для технологических линий, для гильзы термометра, уровнемера, КИП.

Для люка и патрубков штуцеров принимается сталь 08Х18Н10Т, как и для всего корпуса аппарата.

Определяем (табл.5) размеры патрубков штуцеров и люка.

Диаметр аппарата Д = 1800 мм > 1600 мм, поэтому принимаем смотровой

люк d_y = 400 мм :

толщина стенки S = 10 мм,

наружный диаметр люка d_н = 420 мм,

внутренний диаметр d_в = 400 мм.

Выбираем (табл.7) размеры труб (ВМСт3сп) для патрубков штуцеров:

- патрубок технологического штуцера

d_y = 100 мм, d_н = 108 мм, S = 7 мм, d_в = 94 мм

- патрубка штуцера гильзы термометра

d_y = 50 мм, d_н = 56 мм, S = 3 мм, d_в = 50 мм

Примечание:

1. На рубашке предусмотрены штуцера ввода и вывода теплоносителя из стали 20К (как и материал рубашки)

d_y = 50 мм, d_н = 56 мм, S = 3 мм, d_в = 50 мм

2. В нижней части днища предусмотрен сливной штуцер из стали 10Х17Н13М2Т

d_y = 100 мм, d_н = 108 мм, S = 7 мм, d_в = 94 мм

Если давильная труба в конструкции аппарата не предусмотрена, то сливной штуцер обязателен, а при наличии давильной трубы этот штуцер можно и не предусматривать. В соответствии с вышеуказанным положением и малой величиной расстояния между мешалкой и стенкой корпуса (50 мм) давильную трубу в аппарате проектом не предусматриваем. Проектом предусмотрено устройство сливного штуцера.

5.2. Проверяем необходимость применения специальных мер по укреплению отверстий

5.2.1. В краевой зоне эллиптической крышки (днища) отверстия для люка и штуцеров следует расположить так, чтобы кромка отверстия находилась на расстоянии не менее 0,1Д от внутренней стенки крышки.