Глава 2. Расчет корпуса аппарата

2.1. Конструктивные особенности корпусов аппаратов

Типы и основные параметры вертикальных аппаратов с мешалками регламентируются ГОСТ 20680-75, согласно которому для работы под давлением должны применяться следующие типы аппаратов:

тип 0 - с эллиптическим днищем и эллиптической съемной крышкой;

тип 1 - с неразъемным корпусом и эллиптическим днищем и крышкой;

тип 2 - с коническим отбортованным днищем, углом при вершине конуса 90° и эллиптической съемной крышкой;

тип 3 - с неразъемным корпусом и коническим отбортованным днищем, углом при вершине конуса 90° и эллиптической крышкой.

Устанавливается также ряд номинальных объемов и соответствующие значения высоты корпуса Н и внутреннего диаметра, аппарата D. Корпусы аппаратов могут изготовляться с теплообменными устройствами и без них. Обозначение корпусов должно соответствовать табл. 2.1.

Таблица 2.1

Обозначения исполнения корпуса

Исполнение корпуса аппарата	Тип аппарата
	0	1	2	3
Без теплообменного устройства	00	10	20	30
С гладкой приварной рубашкой	01	11	21	31

В аппаратах всех типов могут применяться внутренние теплообменные устройства - змеевики либо непосредственный обогрев рабочей среды подачей острого пара.

ГОСТ 20680-75 определяет типы, диаметры (d_М) мешалок и их обозначения в сочетании с различными внутренними устройствами

(табл. 2.2).

Рис. 2.1. Аппарат с турбинной открытой мешалкой

Рис 2.2. Аппарат с неразъемным корпусом

Таблица 2.2

Обозначения мешалок

Тип внутреннего устройства	Тип мешалки
	трехло-пастная	турбинная открытая	лопастная	рамная
Без внутреннего устройства	01	03	07	10
Отражательные перегородки	21	23	27	-
Змеевики	31	33	37	30
Перегородки, змеевик	41	43	47	-

Отраслевыми стандартами Минхимнефтемаша установлены конструкции и параметры специальных составных частей аппаратов с мешалками, что позволит осуществить компоновку аппарата из типовых элементов.

На рис. 2.1 и 2.2 даны примеры конструктивного оформления аппаратов с мешалками согласно действующим нормативным документам.

На рис. 2.1 изображен аппарат с турбинной открытой мешалкой, имеющий корпус с коническим отбортованным днищем 6 и рубашку 5, в которую подается теплоноситель. На съемной эллиптической крышке установлен привод с клиноременной передачей. Электродвигатель 2 крепится на стойке 3 привода с помощью кожуха I ременной передачи. Выходной вал 10 привода жестко связан фланцевой муфтой 9 с валом 8 мешалки. Частота вращения выходного вала привода составляет n=400...750 мин^-1. Люк 4 служит для осмотра и ремонтных работ внутри аппарата. Четыре отражательные перегородки 7 установлены для ликвидации центральной воронки в перемешиваемой среде и интенсификации процесса перемешивания.

На рис. 2.2 представлен аппараты с неразъемным корпусом. Для монтажа мешалки и ремонтных работ такие аппараты должны иметь люк-лаз 3 с диаметром проходного отверстия не менее 400 мм. Так как корпус не имеет сливного штуцера, для вывода продуктов установлена труба передавливания 5. Лопастная мешалка получает вращение от привода со встроенными в мотор-редуктор опорами вала мешалки. Привод содержит планетарный редуктор 7 и одноступенчатый цилиндрический редуктор 6, у которого верхний опорный подшипник выходного вала располагается в стакане 1. Привод этого типа имеет частоту вращения выходного вала в диапазоне n=20...320 мин^-1. Внутри опорной стойки 2 привода размещаются фланцевая муфта и уплотнение вала мешалки. Опоры-стойки 4 выполнены по ГОСТ 26-665-72 [14].

2.2. Выбор комплектующих элементов и материалов

Эскизная разработка конструкции аппарата сводится к выбору унифицированных комплектующих элементов: корпуса с внутренними устройствами, привода, мешалки, уплотнения вала мешалки. Корпус аппарата с внутренними устройствами выбирается по ГОСТ 26-01-1246-75 [7], опоры аппарата по ГОСТ 26-665-72 [14].

Высота цилиндрической обечайки определяется в соответствии с заданным диаметром и номинальным объемом V корпуса аппарата. Толщина стенок оболочки корпуса определяется из расчета.

Привод выбирается по ГОСТ 26-01-1225-75 [8] в соответствии с частотой вращения мешалки и номинальным давлением в корпусе аппарата. Типоразмер мотор-редуктора выбирается в соответствии с заданной частотой вращения выходного вала и потребляемой мощностью электродвигателя:

,

где - мощность, потребляемая приводом, кВт;

- мощность, потребляемая на перемешивание (по техническому заданию), кВт;

- КПД механической части привода, = 0,85...0.97;

- КПД подшипников, в которых крепится вал мешалки;

- КПД, учитывающий потери мощности в уплотнении;

- КПД, учитывающий потери в компенсирующих муфтах.

Опорные фланцы стойки привода должны соответствовать размерам опорных бобышек на крышке корпуса аппарата.

Вал мешалки выбирается на основании данных компоновки. Диаметр вала мешалки выбирается наименьшим для данного привода. Длины отдельных участков вала определяются из эскиза компоновки.

Положение ступицы мешалки на валу определяется в зависимости от расстояния мешалки до днища корпуса h_M. Рекомендуемые значения h_M - в зависимости от типа и диаметра d_M мешалки, типа корпуса аппарата (табл. 2.3).

Таблица 2.3

Положение ступицы мешалки на валу

Тип мешалки	Корпус с эллиптическим днищем	Корпус с коническим днищем
Трехлопастная турбинная открытая	hM= dM	hM=1,5 dM
Лопастная	hM=(0,1…0,3)dM	hM=1,5 dM
Рамная	hM=(0,01…0,05)dM	hM=0,3 dM

Мешалка (конструктивные размеры) выбирается по ГОСТ 26-01-1245-75 [18] в соответствии с заданным типом и диаметром d_M.

Выбор материалов. Материалы, выбранные для деталей и сборочных единиц, должны обеспечить надежность аппарата с мешалкой в работе и экономичность в изготовлении.

При выборе материала необходимо учитывать рабочую (расчетную) температуру в аппарате, давление и коррозионную активность рабочей среды. Стали со скоростью коррозии более 0,1...0,5 мм/год применять не рекомендуется.

2.3. Расчет корпуса аппарата на прочность

Расчетная часть курсовой работы должна включать проверочные механические расчеты составных частей аппарата с мешалкой по главным критериям работоспособности (прочность, устойчивость, термостойкость, коррозионная стойкость и т.д.).

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

Для выполнения расчета предварительно необходимо определить ряд параметров.

Расчетное давление - давление, при котором производится расчет на прочность и устойчивость элементов корпуса аппарата.

Расчетное давление для элементов аппарата принимается, как правило, равным рабочему или выше его. Под рабочим давлением понимается максимальное внутреннее избыточное или наружное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса, без учета гидростатического давления среды.

Если на элемент аппарата действует гидростатическое давле­ние, составляющее 5% и выше рабочего, то расчетное давление должно быть повышено на эту же величину.

, (2.1)

где - рабочее избыточное давление среды, Па;

=9,8 – ускорение свободного падения, м/с²;

– плотность жидкости, кг/м³;

– расстояние от уровня жидкости до нижней точки рассчитываемого элемента, м.

При расчете на прочность стенок рубашки принимается

,

где - рабочее давление теплоносителя, Па.

Расчетное наружное давление при проверке стенок корпуса на устойчивость определяется по формулам.

Для элементов корпуса без рубашки:

, (2.2)

где - расчетное наружное давление, Па;

=10⁵ - атмосферное давление, Па;

- остаточное давление в корпусе (при работе аппарата в условиях вакуума), Па.

Для элементов корпуса, находящихся под рубашкой:

_.

где – давление в рубашке, Па. (2.3)

Расчетная температура. За расчетную температуру принимается температура среды в аппарате.

Допускаемое напряжение для выбранного материала определяет­ся по формуле

, (2.4)

где - допускаемое напряжение, для данного типа материала, Па;

- поправочный коэффициент, учитывающий пожароопасность и взрывоопасность среды в аппарате;

- допускаемое напряжение, принятое для дальнейших расчетов, Па.

Для взрыво- и пожароопасных сред =0,9, в остальных случаях принимают =1,0.

Прибавка для компенсации коррозии к расчетным толщинам конструктивных элементов, находящихся в контакте с агрессивной средой, определяется по формуле

, (2.5)

где - скорость коррозии в рабочей среде, мм/год,

- срок службы аппарата, количество лет.

2.3.1. Оболочки, нагруженные внутренним давлением

1) расчет толщины стенки цилиндрической обечайки (рис. 2.1).[31]

, (2.6)

при , где - внутренний диаметр корпуса;

- расчетное давление;

- допускаемое напряжение;

- коэффициент прочности продольного сварного шва обечайки;

- прибавка на коррозию;

Рис. 2.3. Расчетные схемы корпусов аппаратов:

а) с эллиптическим днищем и крышкой;

б) со съемной крышкой, эллиптическим днищем и рубашкой;

в) со съемной крышкой и коническим днищем.

С - дополнительная прибавка на округление до стандартной толщины листа, которую определяют по минимальному значению ближайшей меньшей толщины листа сортамента.

Для стыковых и тавровых сварных швов с двухсторонним проваром, выполненных автоматической сваркой, допускается принимать φ=1,0, а при ручной сварке φ=0,95. Для односторонних сварных швов φ=0,9 [7].

2) расчет эллиптической крышки (днища) (рис. 2.3, а).

Для стандартных крышек исполнительная толщина стенки

, (2.7)

где – толщина стенки эллиптической крышки, м;

3) расчет конического днища с тороидальным переходом (рис. 2.3, в).

Для стандартных днищ при угле конуса α=45⁰ толщина цилиндрической части S_o принимается равной толщине конического элемента:

, (2.8)

где – толщина стенки конического днища, м;

D_p=0,8D - расчетный диаметр конического днища, м.

2.4. Расчет корпуса при нагружении наружным давлением

Расчетные схемы элементов корпуса представлены на рис. 2.3.

1. Толщина стенки цилиндрической обечайки предварительно определяется по формуле

. (2.9)

Коэффициент К₂ определяется по номограмме, приведенной на рис. 2.4, в зависимости от вспомогательных коэффициентов:

,

где = 2,4 - коэффициент запаса устойчивости в рабочем состоянии;

- модуль продольной упругости для материала обечайки при расчетной температуре стенки;

- расчетная длина гладкой обечайки (см. рис. 2.3);

- внутренний диаметр аппарата.

После предварительного определения толщины стенки обечайки проверяют допускаемое наружное давление по формуле

, (2.10)

где допускаемое давление из условия прочности

, (2.11)

а допускаемое давление из условия устойчивости

, (2.12)

где .

Рис. 2.4. Номограмма для расчета на устойчивость в пределах упругости обечаек, работающих под наружным давлением

2. Толщина стенки стандартного эллиптического днища, работающего под наружным давлением, определяется по формуле:

. (2.13)

3. Расчет конического днища. Толщину стенки предварительно определяют по формуле (2.9), условно считая оболочку цилиндрической.

После определения толщины стенки проверяют допускаемое наружное давление:

,

где - допускаемое давление из условия прочности;

- допускаемое давление из условия устойчивости.

; (2.14)

. (2.15)

Коэффициент .

За расчетную длину принимают

. (2.16)

Расчетный диаметр конической обечайки определяется по формуле

; (2.17)

где -внутренний диаметр аппарата;

- внутренний диаметр нижнего штуцера;

- угол при вершине конуса.

2.5. Варианты конструкций корпусов

Типы, параметры и размеры корпусов аппаратов

Таблица 2.4

Параметры конструкции корпуса типа 00 по ОСТ 26-01-1246-75

Ном. объем, м3	Размеры, мм										Рис. 2.5. Корпус типа 00
	D	H	H1	H2	L	h	h1	b	δ	H6
0,63	1000	950	1375	725	360	325	50	100	6	275
1,00	1200	1450	1700	1175	450	825	50	120		325
1,25		1100	1320	775	420	575	50			340
1,6		1650	1870	1325	450	925	50			350
2,0	1400	1550	1750	1175	450	725	50	140	8	375
2,5		1850	2050	1475	540	1025	50			390
3,2	1600	1850	2100	1425	540	925	50	160		425
4,0		2250	2560	1825	650	1325	50			440
5,0	1800	2230	2510	1740	550	1175	50	180		490
6,3		2780	3060	2290	650	1700	50			500
8,0	2000	2880	3230	2340	800		50	200		540
10,0	2200	2980	3310	2390	800		50	220		550

Таблица 2.5

Параметры конструкции корпуса типа 01 по ОСТ 26-01-1246-75 (размеры H₆, h, h₁, b, δ (табл. 2.4)

Ном. объем, м3	Размеры, мм									Рис. 2.6. Корпус типа 01
	D	D1	H	H1	H2	H3	H4	L	I
0,63	1000	1100	950	1160	675	100	220	-	200
1,0	1200	1300	1100	1320	775	110	240	540	250
1,25			1300	1520	975
1,6			1650	1870	1325
2,0	1400	1500	1550	1740	1175	150	260	650
2,5			1850	2100	1475			700
3,2	1600	1700	1850		1425			750
4,0			2250	2570	1825
5,0	1800	1900	2230	2520	1740
6,3			2780	3010	2290			950
8,0	2000	2200	2880	3270	2340		320		375
10,0	2200	2400	2980	3360	2390			1100

Таблица 2.6

Параметры конструкции корпуса типа 10 по ОСТ 26-01-1246-75

Ном. объем, м3	Размеры, мм										Рис. 2.7. Корпус типа 10
	D	H	H1	H2	L	h	h1	b	δ	H6
3,2	1600	1850	2100	1425	540	525	50	160	8	425
4,0		2250	2560	1825	650	1325				440
5,0	1800	2230	2510	1740		1175		180		475
6,3		2780	3060	2290		1700				490
8,0	2000	2880	3230	2340	800	1700		200		540
10,0	2200	2980	3310	2390		1700		220		590
12,5	400	3080	3420	2440	900	1650	100	240	12	640
16,0		3880	4400	3240		2450				650
20,0	2500	4180	4650	3490	1050	2650		260		690
25,0	2800	4480	5270	3740		2850		280		740
32,0	3000	4980	5720	4190		3250		300		790
40,0	3200	5700	6450	4850	-	3850		320		850
50,0	3000	7580	8330	5790	-	5850		300		840
53,0	3200	8300	9050	7450	-	6450		320		890

Таблица 2.7

Параметры конструкции корпуса типа 11 по ОСТ 26-01-1246-75; Размеры H₆, h, h₁, b, δ (табл. 2.6)

Ном. объем, м3	Размеры, мм									Рис. 2.8. Корпус типа 11
	D	D1	H	H1	H2	H3	H4	L	I
3,2	1600	1700	1850	2120	1425	150	260	750	250
4,0			2250	2570	1825
5,0	1800	1900	2230	2520	1740
6,3			2780	3070	2290			950
8,0	2000	2200	2280	2670	2340		320	950	375
10,0	2200	2400	2980	3360	2390			1100
12,5	2400	2600	3080	3380	2440		350
16,0			3880	4410	3240			1280
20,0	2600	2800	4180	4660	3490
25,0	2800	3000	4480	5270	3740				450
32,0	3000	3200	4980	5780	4190
50			7580	8380	6790			-

Таблица 2.8

Параметры конструкции корпуса типа 20 по ОСТ 26-01-1246-75

Ном. объем, м3	Размеры, мм									Рис. 2.9. Корпус типа 20
	D	H	H2	L	h	h1	b	δ	H6
0,63	1000	1225	950	330	275	50	100	6	600
1,00	1200	1385	1060	330	275		120		712
1,25		1585	1260	450	475		120		722
1,6		2035	1710		925		120		722
2,0	1400	1900	1525		625		140	8	824
2,5		2300	1925	540	1025		140		834
3,2	1600	2360	1935		925		160		936
4,0		2760	2335	650	1325		160		946
5,0	1800	2750	2260		1175		180		1048
6,3		3340	2850		1700		180		1058
8,0	2000	3500	2960	800	1700		200		1160
10,0	2200	3670	3080		1700		220		1282

Таблица 2.9

Параметры конструкции корпуса типа 21 по ОСТ 26-01-1246-75; Размеры H₆, h, h₁, b, δ (табл. 2.8)

Ном. объем, м3	Размеры, мм								Рис. 2.10. Корпус типа 21
	D	D1	H	H2	H3	H4	L	I
0,63	1000	1100	1225	950	80	240	330	200
1,0	1200	1300	1385	1060	100		330	250
1,25			1585	1260			500
1,6			2035	1710			540
2,0	1400	1500	1900	1525	125	260	630
2,5			2300	1925	150		700
3,2	1600	1700	2360	1935	150		750
4,0			2760	2335
5,0	1800	1900	2750	2250
5,3			3340	2850			950
8,0	2000	2200	3500	2960		320
10,0	2200	2400	3670	3080			1100	375

Таблица 2.10

Параметры конструкции корпуса типа 30 по ГОСТ 26-01-1246-75

Ном. объем, м3	Размеры, мм									Рис. 2.11. Корпус типа 30
	D	H	H2	L	h	h1	b	δ	H6
3,2	1600	2360	1935	540	925	50	160	8	936
4,0		2780	2335	650	1325		160		945
5,0	1800	2750	2250		1125		180		1048
6,3		3340	2850		1700		180		1058
8,0	2000	3500	2960	800	1700		200		1160
10,0	2200	3670	3080		1700		220		1272
12,5	2400	4035	3395	900	1850	100	240		1334
16,0		4335	3095		2150		240		1354
20,0	2600	4795	4105	1050	2450		260		1506
25,0	2800	5150	4420		2650		280		1618

Таблица 2.11

Параметры конструкции корпуса типа 31 по ГОСТ 26-01-1246-75 размеры H₆, h, h₁, b, δ (см.в табл. 2.10)

Ном. объем, м3	Размеры, мм								Рис. 2.13. Корпус типа 31
	D	D1	H	H2	H3	H4	L	I
3,2	1600	1700	2360	1939	150	260	750	250
4,0	1600	1700	2780	2335		260	750	250
5,0	1800	1900	2750	2260		260	750	250
6,3	1800	1900	3340	2850		260	950	250
8,0	2000	2200	3500	2960		320	950	375
10,0	2200	2400	3670	3080		320	1100
12,5	2400	2600	4035	3395		350	1100
16,0	2400	2600	4335	3695		350	1100
20,0	2600	2800	4795	4105		350	1280
25,0	2800	3000	5160	4420		350	1280	450

Таблица 2.12

Конструкция и основные размеры змеевика для корпусов типа 00

Ном. объем, м3	Размеры, мм						Змеевик		Рис.2.14. Корпус типа 00 со змеевиком
	D	D3	dм	h1	h2	L1	Dy, мм	Число витков
							К, К1
0,63	1000	700	360	500	300	360	50	5
1,00	1000	740		700	390
1,25	1200	900	380	940		380
1,6
2,0	1400	1060	400	890	370	400		6
2,5
3,2	1600	1200	500	1030	450	500	60	7
4,0
5,0	1800	1350	630	1080	430	630	70	7
6,3
8,0	2000	1550	700	1130		700	80	8
10,0	2200	1650	750	1180		750