raskim

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Казанский государственный технологический университет»

Э.Н. Островская, Т.В. Полякова

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ С МЕШАЛКАМИ

Учебное пособие

Казань 2006

ББК 34.42 УДК 621.10

Расчет и конструирование химических аппаратов с мешалками: учебное пособие/Э.Н.Островская, Т.В. Полякова; Казан.гос.тех-нол.ун-т. Казань, 2006.

курсовым проектом, рассмотрен расчёт элементов аппарата и перемешивающего устройства.

Представленное пособие может быть использовано при выполнении курсовых проектов по дисциплине «Прикладная механика» студентами всех форм обучения следующих направлений: 240900, 240800, 24500, 261200, 260600, 260200, 260500, 260300, 200500, 240400,240800, 220500, 240500.

Подготовлено на кафедрах «Детали машин» и «Теория машин и механизмов».

Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского государственного технологического университета

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. В.Н. Паймушин д-р техн. наук, проф. Г.С. Клетнев

@ Казанский государственный технологический университет

2

Введение

Выполнение курсового проекта является заключительным этапом изучения студентами дисциплины «Прикладная механика». Объектами проектирования являются емкостные аппараты с механическими перемешивающими устройствами.

При выполнении курсового проекта студенты решают следующие основные задачи:

а) выбор материалов и конструктивное оформление аппарата в соответствии с заданными технологическими параметрами протекающего процесса;

б) выполнение проверочных расчетов, позволяющих выявить соответствие аппарата требованиям эксплуатации.

Разработка конструкции аппарата и его расчет выполняются в соответствии с техническим заданием, которое, в свою очередь, определяется техническими требованиями, предъявляемыми к аппарату – уровень эффективности, надежности, безопасности, и характеристиками процесса, к которым относятся свойства перерабатываемой среды и параметры технологического процесса.

Производство химических заводов характеризуется большим разнообразием процессов, сырья и продуктов, режимов и параметров работы, поэтому оборудование здесь весьма разнообразно. Значительную долю всего химического оборудования составляет емкостная аппаратура, расчету и конструированию которой в программе подготовки инженера-технолога уделяется большое внимание. Для многих классов химического оборудования, таких как смесители, дробилки, диспергаторы, сепараторы, центрифуги, центробежные насосы и другие, характерны высокие скорости вращения, возможность интенсивных вибраций и динамических нагрузок на опоры, корпус и фундамент. Только тщательная проработка всех элементов конструкции, в первую очередь подвижных и опорных узлов, может обеспечить хороший технический уровень машины.

В данной работе приводится инженерная методика расчета элементов химического оборудования в соответствии с современными нормативными документами.

3

1.Общие сведения

1.1.Назначение и характеристики аппаратов

промышленности, а также для хранения и транспортировки различных химических веществ.

Взависимости от назначения (чаще всего от протекающего технологического процесса) различают следующие химические аппараты: реактор, испаритель, теплообменник, колонна и т.д.

Корпуса аппаратов по условиям протекания в них процессов должны быть достаточно прочными и в подавляющем большинстве случаев герметичными. Главным составным элементом корпуса является обечайка. Форма корпуса, а следовательно, и обечайки определяется химико-технологическими требованиями, предъявляемыми к аппарату, а также конструктивными соображениями и может быть цилиндрической, конической, сферической и т.д. Наибольшее распространение получили цилиндрические обечайки, отличающиеся простотой изготовления, рациональным расходом материала и хорошей сопротивляемостью давлению среды. Поэтому при конструировании аппаратов, если это не противоречит каким-то особым требованиям, предъявляемым к аппарату, рекомендуется применять цилиндрические обечайки.

Взависимости от назначения цилиндрические аппараты находят применение, как в вертикальном, так и в горизонтальном исполнении, причем предпочтение следует отдавать вертикальному исполнению, особенно для тонкостенных аппаратов, работающих под избыточным давлением. В таком случае исключаются дополнительные изгибающие напряжения в корпусе от силы тяжести аппарата и среды, характерные для горизонтальных аппаратов, лежащих на отдельных опорах.

Обечайки, работающие под наружным давлением или при вакууме в аппарате, подвержены опасности потери устойчивости (вдавливания стенки внутрь). Эта опасность возрастает при отклонении обечайки от правильной геометрической формы и с

4

увеличением ее длины. Поэтому длину целесообразно выбирать по возможности меньше. Применение цельных обечаек с отношением l / d > 5 не рекомендуется. В таких случаях на обечайке целесообразно предусматривать кольца жесткости, которые могут быть расположены как снаружи, так и внутри обечайки, что определяется конструктивными и технологическими соображениями.

Вещества, содержащиеся и перерабатываемые в аппаратах, бывают в разном агрегатном состоянии (чаще в жидком и газообразном, реже в твердом), различной химической активности по отношению к конструкционным материалам (от инертных до весьма агрессивных), от безвредных до токсичных для обслуживающего персонала и от безопасных до огне – взрывоопасных в эксплуатации.

Различные химико-технологические процессы в аппаратах осуществляются при различных, свойственных каждому процессу, давлениях - от глубокого вакуума до избыточного давления в несколько сот тысяч килопаскалей и самых разнообразных

периодический, полунепрерывный и непрерывный, а в зависимости от установки аппараты делятся на стационарные и нестационарные.

Все химические аппараты в зависимости от предъявляемых к ним технологических требований разделяются на подведомственные и не подведомственные Госгортехнадзору.

Подведомственными Госгортехнадзору являются аппараты, в которых под избыточным давлением (свыше 0,7 МПа) содержатся огне – и взрывоопасные и сильно токсичные среды; горючие и агрессивные среды, не зависимо от их рабочих параметров, и аппараты без избыточного давления, но при эксплуатации, в которых возможно повышение избыточного давления до 0,7МПа. Не подведомственными Госгортехнадзору являются все остальные аппараты, в том числе работающие под вакуумом и наливом.

Наиболее распространенным типом оборудования, используемого для проведения различных физических и химических процессов, являются аппараты с перемешивающими устройствами. Перемешивание обеспечивает интенсификацию процесса и часто является необходимым условием его эффективного протекания.

5

1.2.Конструкция химического аппарата

На рис.1.1 показан стальной аппарат с мешалкой. Он состоит из корпуса и перемешивающего устройства с приводом. Корпус 1 включает в себя: цилиндрическую обечайку с приварным днищем и отъемной крышкой 2. Аппарат снабжен штуцерами 3, 4 и т.д., которые служат для подачи исходных компонентов, выгрузки

типового

вид

Рис.1.1.Конструкция типового химического аппарата: а – общий вид; б - схема

готовой продукции, установки контрольно-измерительных приборов и

6

т.д. Для поддержания заданного температурного режима ведения процесса аппарат имеет рубашку 5 . Устанавливают аппарат на опоры- стойки или боковые опоры-лапы 6.

Привод состоит из моноблочного мотор - редуктора (или электродвигателя с различными механическими передачами) 7, который устанавливается на стойке 8, закрепленной на опоре привода 9, приваренной к крышке аппарата. Выходной вал редуктора 10 соединен с валом 12 мешалки 13 муфтой 11. Для герметизации аппарата в месте входа вала в крышку установлено уплотнение 14. Опорами вала являются подшипники, расположенные в узле 15.

Указанные элементы и узлы являются общими для всех аппаратов. Конструкция и расчет этих элементов рассматриваются в следующих разделах.

1.3.Выбор материалов для изготовления деталей аппарата

Конструкционные материалы для изготовления элементов химического аппарата выбирают в зависимости от химического и коррозионного действия среды, температуры и давления. При выборе материалов для аппаратов, работающих при низких или высоких температурах, необходимо учитывать, что механические свойства материалов существенно изменяются в зависимости от температуры. Как правило, прочностные свойства металлов и сплавов повышаются при низких температурах и понижаются при высоких. Так как основным способом изготовления химических аппаратов является сварка, то одним из необходимых условий, определяющих выбор материала, является хорошая свариваемость.

Следовательно, к материалам, предназначенным для

параметров (температура, давление и т.д.); 2) механическая прочность при заданных параметрах с учетом

требований, предъявляемых при испытании аппаратов (на прочность, герметичность и т.п.) и эксплуатации;

7

3) технологичность, что предполагает в первую очередь способность материала свариваться с обеспечением высоких механических характеристик сварных соединений и коррозионной стойкости их в агрессивной среде.

1.4. Последовательность выполнения проекта

Проект выполняется в следующей последовательности:

1-й этап - ознакомление с заданием, рекомендуемой литературой, требованиями, предъявляемыми к курсовому проекту;

2-й этап - выполнение расчётов элементов корпуса на прочность;

3-й этап - разработка эскизного варианта аппарата; 4-й этап - проектирование и расчет вала перемешивающего

устройства; 5-й этап - выполнение графической части проекта;

6-й этап - защита проекта.

Одновременно с выполнением 2, 4, 5 этапов оформляется пояснительная записка.

2. Подбор и расчет элементов корпуса аппарата

2.1. Выбор размеров корпуса аппарата

Корпус аппарата состоит из цилиндрической обечайки, днища и крышки. Для нагревания или охлаждения обрабатываемых в аппарате продуктов аппарат снабжён приварной рубашкой. Типы и основные размеры емкостных аппаратов стандартизованы. Основными параметрами для выбора размеров корпуса являются внутренний номинальный объём V и внутренний диаметр D. Конструктивные схемы корпусов показаны на рис.2.1, а их основные размеры приведены в табл.1 - 4 приложения. На основании исходных данных на проектирование (внутренний объём V и внутренний диаметр аппарата D) из указанных таблиц определяется длина цилиндрической части корпуса l. Размеры эллиптических (рис 2.3 а) и конических (рис 2.3 б) днищ выбираются по табл. 5 - 6 приложения. Конструкция корпуса аппарата с неразъёмной сварной рубашкой приведена на рис. 2.13.

8

Корпусы аппаратов чаще всего работают в условиях статических нагрузок: под избыточным внутренним давлением, вакуумом или наружным избыточным давлением.

в г

Рис. 2.1. Конструктивные схемы

корпусов

по ГОСТ 9931-82 а – тип ВЭЭ; б –

2.2. Цилиндрические обечайки

Расчёт на прочность и устойчивость производится по ГОСТ

9

1424989.

Расчёт обечаек, нагруженных избыточным внутренним давлением. Толщину стенок определяют по формулам

где рR - давление в аппарате, МПа; sR - расчетное значение толщины стенки, мм; D - внутренний диаметр обечайки, мм; [σ] допускаемое напряжение, MПа (зависит от марки стали и рабочей температуры). Марку стали выбирают в зависимости от свойств

Для стыковых и тавровых двухсторонних швов, выполняемых автоматической сваркой, коэффициент прочности сварочного шва ϕ=1;. для тех же швов, выполняемых вручную, ϕ=0.9 .Прибавка на коррозию c определяется по формуле: c = V • Т, где V - скорость коррозии (обычно принимают 0.1 - 0.2 мм/г), Т - срок службы аппарата (обычно принимают 10-12 лет). Для материалов, стойких к перерабатываемой среде и при отсутствии данных о скорости коррозии рекомендуют принимать c=2 мм. Толщину стенки, вычисленную по формуле (2.1), округляют в большую сторону до ближайшей стандартной толщины листа (2,4,5,6,8,10,12,14,16,18, 20,22,24,26,28,30 мм, ГОСТ 10885-75).

Расчет цилиндрических обечаек, нагруженных наружным давлением. Под наружным давлением находятся вакуумные аппараты и аппараты с рубашками. Тонкостенные

обечайки под действием наружного давления могут потерять первоначальную форму (устойчивость) с образованием нескольких

10