РОССИЙСКИЙ ХИМИКО – ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА Кафедра инженерного проектирования технологического оборудования ХИМИЧЕСКИЙ АППАРАТ С МЕХАНИЧЕСКИМ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ типа ВЭЭ0107 ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА 205.306.00.00.000. ПЗ Студент группы *-** *********** _________ (подпись) Руководитель проекта профессор Лясникова Н.Н. _________ (подпись) Оценка за курсовой проект ______________________________ «__»_________ 2020г. (подпись руководителя) Москва 2020 Техническое задание Номер варианта………………………………………………….. 306 Шифр корпуса…………………………………………………… ВЭЭ-01 Номинальный объем V, м3……………………………………… 20,0 Диаметр аппарата Da, мм ……………………………………….. 2800 Шифр мешалки ………………………………………………….. 07 Диаметр мешалки dм, мм ……………………………………….. 2000 Тип привода……………………………………………………… Тип 1 Мотор-редуктор………………………………………………….. МП02-15 Частота вращений n, об/мин…………………………………….. 31 Мощность мешалки N, кВт …………………………………….. 1,5 Давление в аппарате Pa, МПа…………………………………… 0,6 Остаточное давление в аппарате Pост, МПа……………………. 0,03 Давление в рубашке Pруб, МПа………………………………….. 0,4 Среда в аппарате ………………………………………………… H2O Температура среды Т,֯С …………………………………………. 100 Оглавление Техническое задание .............................................................................................. 2 Введение................................................................................................................... 4 1.Определение расчетных параметров химического аппарата ...................... 6 1.1. Выбор конструкционных материалов ......................................................... 6 1.2. Определение пробных давлений ................................................................... 6 1.3. Определение геометрических размеров аппарата ..................................... 6 1.4. Расчет элементов корпуса аппарата............................................................. 7 1.4.1. Расчет толщины стенки корпуса аппарата .............................................. 7 1.4.2. Расчет толщины стенки рубашки .............................................................. 8 1.5. Выбор фланцевого соединения ..................................................................... 8 1.6 Выбор привода .................................................................................................. 9 2. Расчет перемешивающего устройства .......................................................... 11 2.1. Выбор мешалки ............................................................................................. 11 2.2.Расчет лопастной мешалки на прочность .................................................. 13 2.3.Расчет шпонки в ступице мешалки ............................................................. 14 2.4. Расчет вала мешалки на виброустойчивость ........................................... 14 Выбор комплектующих элементов.................................................................... 16 3.1 Выбор штуцеров ............................................................................................. 16 3.2 Выбор люка ..................................................................................................... 17 3.3. Выбор опор ..................................................................................................... 17 3.4.Выбор сальникового уплотнения ................................................................ 19 Библиографический список ............................................................................... 20 3 Введение Химический аппарат с механическим перемешивающим устройством типа ВЭЭ– 01 предназначен для проведения различных физико–химических и механических процессов в жидких средах (растворах, суспензиях, эмульсиях), для протекания которых требуется поддержание повышенной температуры и давления. Интенсификацию процессов тепло- и массообмена обеспечивает механическое перемешивающее устройство с приводом типа 1. Химические аппараты данной конструкции применяются в промышленности для проведения органических и неорганических синтезов, протекающих при повышенных температурах и давлениях в агрессивных средах, а также требующих постоянного перемешивания реакционной массы. Кроме этого, аппараты применяются для получения различных жидкостных растворов и механических смесей. При разработке химического аппарата обеспечено соответствие правилам Госгортехнадзора. Основные параметры аппарата соответствуют ГОСТ 20680-75. Выбор материалов, методов испытания аппарата пробным давлением, а также требования к контрольной и предохранительной арматуре – в соответствии с ОСТ 26292 – 71. Правила изготовления, испытания, приемки аппарата – в соответствии с ОСТ 26011244 – 75. Химический аппарат с механическим перемешивающим устройством состоит из следующих основных частей: корпуса аппарата, крышки аппарата, рубашки аппарата, механического перемешивающего устройства. Корпус аппарата состоит из сваренных между собой цилиндрического днища и цилиндрической обечайки. Корпус аппарата предназначен для проведения в нем физико–химических процессов, а также для крепления к нему остальных частей аппарата, таких как: рубашка (приваренная сверху – к обечайке корпуса, снизу – к днищу), крышка аппарата (съемная, соединенная с корпусом с помощью фланцевого соединения), а также штуцера, приваренного к нижней части днища корпуса, для выгрузки продукта. 4 К крышке аппарата крепится стойка Тип 1, с закрепленным на ней сальниковым уплотнением, двумя подшипниковыми опорами (2 подшипника на нижней и 4 на верхней), и муфтой МУВП, соединяющей мотор-редуктор МП02-15, закрепленный в верхней части стойки, с валом лопастного перемешивающего устройства. Материалы болтов и гаек: сталь Ст35ХМ. Тип перемешивающего устройства – лопастной. Рубашка аппарата служит для подачи в нее через штуцер пара, обогревающего содержимое корпуса. Конденсат выходит из рубашки через штуцер, приваренный к нижней её части. Также к рубашке приварены четыре опоры. Для более равномерного распределения местной нагрузки от опоры на корпусе рубашки под опорой приваривается накладной лист. Материал корпуса, крышки, рубашки, мешалки и ее вала – сталь 10Х17Н13М2Т. Эта сталь выбрана потому, что она технологична в обработке, хорошо деформируется в холодной и горячих средах, т.е. обладает хорошей штампуемостью. Она хорошо сваривается всеми видами сварки и не требует обязательной термической обработки изделия после сварки. Но самое важное, что эта сталь отлично противостоит рабочей среде – воде, обладающей большой коррозийной активностью. Удорожание аппарата вследствие применения нержавеющей стали компенсируется долговечностью конструкции и повысившейся безопасностью её эксплуатации. 5 1.Определение расчетных параметров химического аппарата 1.1. Выбор конструкционных материалов Материал корпуса аппарата, рубашки, фланцев – 10Х17Н13М2Т Скорость коррозии: П = 0,1 мм/год Срок службы аппарата: Та = 10 лет Прибавка на компенсацию коррозии: Ск = П*Та = 0,1*10 = 1 мм Допускаемое напряжение [σ]t=100C = 139 МПа, [σ]t=20C =146 МПа Модуль упругости первого рода: Е = 2*105 МПа Материал болтов – сталь 35ХМ Допускаемое напряжение: [σ]б = 230 МПа 1.2. Определение пробных давлений Пробное давление для аппарата: Рпр = 1,25*Ра * [σ]t=20℃ = 1,25*0,6 * [σ]t=100℃ 146 = 0,8 МПа (1.1) = 0,6 МПа (1.2) 139 Пробное давления для рубашки: [σ]t=20℃ Рпр = 1,5*Рруб * [σ]t=100℃ = 1,5*0,4 * 146 139 1.3. Определение геометрических размеров аппарата Высота крышки аппарата: Нкр = 𝐷а 4 = 2800 4 = 700 мм (1.3) Высота отбортовки крышки: hотбкр = 60 мм Высота днища аппарата: Hдн = 𝐷𝑎 4 = 2800 4 = 700 мм (1.4) Высота отбортовки днища: Hднотб =60 мм Высота цилиндрической части аппарата: Нц.ч= (𝑉−𝑉кр−𝑉дн)∗4 П𝐷²𝑎 , (1.5) 6 где Vкр = Vдн = П𝐷3 𝑎 24 П𝐷3 𝑎 Нц.ч = 24 = = 3,14∗(2,8)³ 24 3,14∗(2,8)³ 24 = 2,874 м3 = 2,874 м3 (32,0−2,872−2,872)∗4 3,14∗2,8² = 2315 м = 2315 мм Высота обечайки: Ноб = Нц.ч – hкр отб– hднотб – 2*(150 – 15 + Нфл) = 4266 – 60 – 60 – 2*(150 - 15 + +105) = 1715 мм Принимаем Hоб=1800 мм Высота цилиндрической части рубашки: Hруб= 1600 мм Диаметр рубашки: Dруб = Da + 200 = 2800 + 200 = 3000 мм (1.6) 1.4. Расчет элементов корпуса аппарата 1.4.1. Расчет толщины стенки корпуса аппарата При воздействии внутреннего давления: Sц.ч.1 = 𝑃𝑎∗𝐷𝑎 2∗ 𝜑∗[𝜎]−𝑃𝑎 + 2*Cк + Со= 0,6∗2800 2∗0,7∗139−0,6 + 2*1 + Со = = 10,7 + Со =12 мм (1.7) При воздействии внешнего давления: Sц.ч.2 = Da*( Pан∗ny∗lp 0,4 2,08∗𝐸∗𝐷𝑎 ) + 2*Ск + Со , (1.8) где Ран = Рруб + Ратм – Рост = 0,4 + 0,1 – 0,03 = 0,47 МПа, E=2*105 МПа, ny = 2,4, lp = Нруб + hднотб + Sц.ч.2 = 2800*( Da 12 = 1600 + 60 + 0,47∗2,4∗1893 2,08∗2∗100000∗2800 2800 12 = 1893 мм, )0,4+ 2*1 + Со = 18,7+Co=20 мм. Выбираем Sц = max ( 12, 20) = 20 мм 7 1.4.2. Расчет толщины стенки рубашки Sруб = Рруб∗𝐷руб 2∗𝜑∗[𝜎]−𝑃руб + Ск + Со = 0,4∗3000 2∗0,7∗139−0,4 + 1 + Со = = 7,18 + Со = 9 мм (1.9) 1.5. Выбор фланцевого соединения Фланцы подбирают по условному проходу Dy=Da=2800 и условному давлению Pa=0,6 МПа ≤ Py=0,6МПа Рисунок 1.1 – Эскиз фланцевого соединения 8 Таблица 1.1 Основные размеры приварных фланцев и болтов для стальных аппаратов D0, мм D1, мм D2, мм D3, мм D4, мм D5, мм a, а1 , z, dб, l, Py, мм мм мм мм мм мм мм мм МПа M24 260 0,6 s, 2800 2950 2905 2856 2870 2853 22,0 18 h, d0, 12 105 27 92 1.6 Выбор привода По техническому заданию: мотор-редуктор МП02-15, мощность привода N=1,5кВт, частота вращения n=31 об/мин, привод тип – 1. Рисунок 1.2 – Эскиз стойки привода тип 1 9 Таблица 1.2 Основные размеры стойки привода типа 1 стойки Мотор редуктор привод Габарит 2 04 МП02-15 Размеры, мм d dB D1 D2 D3 D4 H1 H2 95 65 680 630 545 515 1545 795 Таблица 1.2 (продолжение) Размеры, мм Исполнение 3,4 l2 500 450 600 h2 h3 s d0 30 10 16 27 h1 520 Высота мотор-редуктора: H= 670 мм 10 8 Масса, кг l0 α, град H3 z 72 900 2. Расчет перемешивающего устройства 2.1. Выбор мешалки По техническому заданию: Диаметр мешалки dм=2000 мм, шифр мешалки – 07. Мешалка-лопастная, cтупица - разъемная Рисунок 2.1 – Эскиз лопастной мешалки Таблица 2.1 Основные размеры лопастной мешалки dм, d1, h, b, s, мм мм мм мм мм 2000 90 220 200 14 11 Допустимый крутящий момент, кНм Масса mМ, кг 3,0 76,0 Рисунок 2.2 – Эскиз разъемной ступицы Таблица 2.2 Основные размеры разъемной ступицы d1,мм h,мм d3,мм d5,мм 90 220 150 115 d6 М10 d7,мм d8,мм d9,мм c,мм c1,мм h2,мм s2,мм 78 17 12 36 115 130 28 12 2.2.Расчет лопастной мешалки на прочность Угловая скорость вала мешалки: ω = π*n/30 = 3,14*31/30 = 3,246 рад/с (2.1) Расчетный крутящий момент с учетом пусковых нагрузок: Кд∗N Мкр = ω = 2*1,5/3,249 = 0,9241 кН*м (2.2) где Кд – коэффициент динамичности нагрузки, Кд = 2 N-мощность двигателя привода, N=1,5кВт Рисунок 2.3 – Расчетная схема лопастной мешалки Изгибающий момент в сечении стыкового шва лопасти: Мкр Ми= 𝑧 = Мкр 2 = 924,13 2 = 462,065 Н*м, (2.3) где z – число лопастей (перекладин) мешалки. Определение положения центра тяжести сечения y1= 𝑏∙𝑠 2 ∙0,5+ℎ1 ∙𝑠∙(𝑠+0,5∙ℎ1 ) 𝑏∙𝑠+ℎ1 ∙𝑠1 = 200∙142 ∙0,5+43,2 ∙14∙(14+0,5∙43,2 ) 200∙14+43,2 ∙16,8 =5,7 мм, (2.4) y2=(s+h1)- y1= (14+43,2)- 5,7=51,5 мм, (2.5) где s1=1,2∙s=1,2∙14= 16,8 мм, h1 = 0,4∙d3- s1= 0,4∙150 -16,8 =43,2 мм, Определение осевого момента инерции Ix = = 𝑏∙𝑠3 12 + 𝑏 ∙ 𝑠 ∙ (𝑦1 − 0,5 ∙ 𝑠)2 + 200∙143 12 𝑠1 ∙ℎ13 12 + ℎ1 ∙ 𝑠1 ∙ (𝑦1 − 𝑠 − 0,5 ∙ ℎ1 )2 = + 200 ∙ 14 ∙ (5,7 − 0,5 ∙ 14)2 + 16,8∙43,23 12 + 16,8 ∙ 43,2 ∙ (5,7 − 14 − 0,5 ∙ 43.2)2 = 812172,23 мм4 (2.6) Расчетный осевой момент сопротивление сечения стыкового шва 13 𝐼 Wш =|𝑦| 𝑥 = 812172,23 51,5 𝑚𝑎𝑥 = 15770,3 мм3, (2.7) где ymax = max(y1, y2). Условие прочности для стыкового шва соединения лопасти со ступицей: 𝜎= МИ 𝑊ш = 231,031 42519,1∙10−9 = 29,3∙ 106 Па = 29,3 МПа ≤ [𝜎] = φ ∙ [𝜎]ш = 1∙ 139 MПа= =139 МПа, (2.8) где φ - коэффициент сварного шва, (принимаем за 1, т.к. лопасти мешалки приверены перпендикулярно к поверхности ступицы) [𝜎] – допускаемое напряжение для выбранного материала мешалки при расчётной температуре среды. 2.3.Расчет шпонки в ступице мешалки Условие прочности шпонки на смятие: σсм= Рсм Рсм = 2∙Мкр (𝑙−𝑏)∙(ℎ−𝑡)∙𝑑1 = 2∙0,9241 (200−25)∙(14−9)∙90∙10−9 = 23,47 ∙ 106 Па = 23,47 МПа < <[σ]см= 160 МПа. (2.9) где l, h, b, t- размеры шпонки (l=200мм, h=14мм, b=25мм,t=9мм) 2.4. Расчет вала мешалки на виброустойчивость Диаметр вала d= 95 мм. Расчетная длина вала L= 4050 мм=4,050 м Приведенная масса: mпр =mм+q∙mв = 76+ 225,238∙0,341= 152,806 кг, (2.10) где mм=76 – масса мешалки, mв= 225,238– масса вала: mв = ρст 𝜋∙𝑑∙𝑑 4 ∙𝐿 = 4,050∙3,14∙0,082 4 7,85 ∙ 103 = 225,238 кг (2.11) ρст – плотность материала вала (сталь), q – коэффициент приведения распределенной массы вала к сосредоточенной массе мешалки, определяющийся по формуле: 14 2 q= 4 8∙(𝑙⃑2)5 +140∙(𝑙⃑2) ∙(𝑙⃑1)3 +231∙(𝑙⃑2)∙(𝑙⃑1) +99∙(𝑙⃑1)5 420∙(𝑙⃑1)2 = 8∙(0,148)5 +140∙(0,148)2 ∙(0,852)3 +231∙(0,148)∙(0,852)4 +99∙(0,852)5 420∙(0,852)2 = 0,341 (2.12) где ⃑l1 , ⃑l2 – относительные длины ⃑l1 = 𝐿−𝑙2 = 4050−600 = 0,852; ⃑l2 = 𝑙2 = 𝐿 4050 𝐿 600 3415 = 0,148, где L – длина вала, l2 – расстояние между подшипниками Приведенная жесткость: Кпр= 3𝐸∙𝐼𝑥 (𝐿−𝑙2)2 ∙𝐿 3∙2∙1011 ∙3996171,3∙10−12 = (4,050−0,6)2 ∙4,050 Н = 49740 , (2.13) м где L – расчетная длина вала, Е – модуль упругости первого рода, Ix – осевой момент инерции поперечного сечения вала: 𝜋∙𝑑 4 Ix= 64 = 3,14∙0,0954 64 = 3996171,3 мм4; (2.14) Критическая угловая скорость вала: ωо = √ Кпр 𝑚пр =√ 49740 152,806 = 18,04 1 (2.15) с Условие виброустойчивости: ω 𝜔о = 3,246 18,04 = 0,18<0,7-вал жесткий (2.16) Расчетная длина вала L= 4050 мм=4,050 м (формула применима только для лопастной мешалки и аппарата ВЭЭ) Пояснение: кр L = 𝑙2 + ℎ1 + ℎосн + 𝐻кр + ℎотб + 2(150 − 15 + 105) + 𝐻об − 60 − 520 + 60 + 700 + 60 + 2 ∗ 240 + 1800 − 60 − 220: 2 = 4050мм 15 ℎмеш 2 = 600 + Выбор комплектующих элементов 3.1 Выбор штуцеров Рисунок 3.1 – Эскиз стального фланцевого тонкостенного штуцера Таблица 3.1 Основные размеры стального фланцевого тонкостенного штуцера Py, Dy, Dф, Dб, D1, dT, sT, МПа мм мм мм мм мм мм 50 140 110 90 59 3 80 185 150 128 91 4 100 205 170 148 110 5 200 315 280 258 222 6 0,6 16 h, мм HT, мм 13 15 19 d, мм n 14 215 4 18 220 8 3.2 Выбор люка Рисунок 3.2 – Эскиз стального загрузочного люка Таблица 3.2 Основные размеры стального загрузочного люка Рy, Dy dH×s D D6 H1 МПа 1 H2 2 h Число d6 1 болтов 2 мм 0,6 250 273×7 370 335 326 Z 328 240 16 22 М16 3.3. Выбор опор Вес аппарата: G = 1,5*ρH2O*V*g = 1,5*1*103*20*9,81 = 294300 Н = 294,3 кН (3.1) Усилие на одну опору: Q = G/n = 294,3 /4 = 73,58 кН < [Q] = 160 кН, Где n – число опор 17 (3.2) 8 Рисунок 3.3 – Эскиз лапы опорной сварной Таблица 3.3 Основные размеры опор (лап) для вертикальных аппаратов [Q], Тип кН опоры 160,0 1 a a1 b b1 c c1 h h1 S1 K K1 d 200 585 36 20 60 115 42 dб мм 300 330 390 - 65 18 - 3.4.Выбор сальникового уплотнения Рисунок 3.4 – Эскиз сальникового уплотнения Таблица 3.4 Основные размеры сальникового уплотнения d, мм 95 D, мм 290 D1, мм 255 D2, мм 232 d1, мм 120 d2 n1 z М12 8 4 19 H, мм 230 h, мм 110 b, мм 18 Масса, кг 27 1. 2. 3. 4. 5. Библиографический список Механика химических производств: учебное пособие для вузов/ А.А. Поляков. – 2-е изд., стереотип., Перепеч. с изд. 1995 г.- М.: Альянс, 2005. - 392 с. Инженерная графика: учебное пособие / В.М. Аристов, Е.П. Аристова. – М.: Путь ; [Б. м.] : Альянс, 2006. - 255 с. Методические указания № 4355. Расчет химического аппарата с механическим перемешивающим устройством: сост.: Л. Н. Аксенов [и др.]. - М.: РХТУ. Издат. центр, 2005. – 87. Методические указания по оформлению конструкторской документации курсового проекта по прикладной механике: учебно-методическое пособие/ сост.: С. И. Антонов, Е.П. Аристова, Н.Н. Лясникова, А.Е. Шерышев. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2016. - 32 с. Д.В. Зиновьев. Основы проектирования в Компас – 3D V17 – ДМК – Пресс, 2019 – 232 с. 20
