
- •Методическое пособие к выполнению курсовых работ по прикладной механике Расчет и конструирование химических реакционных емкостных аппаратов
- •Глава 1. Справочные таблицы к курсовому проекту по механике 4
- •Глава 2. Расчет корпуса аппарата 38
- •Глава 3. Расчет элементов механического
- •Глава 4. Расчет опор корпуса химических аппаратов 80
- •Глава 5. Уплотнения вращающихся валов 91
- •Глава 6. Фланцевые соединения аппаратов 95
- •Глава 7. Пример расчета
- •Введение
- •Глава 1. Справочные таблицы
- •1) Сталь толсто- листовая
- •2) Сталь двухслойная
- •Глава II. Расчет корпуса аппарата
- •2.1. Конструктивные особенности корпусов аппаратов
- •2.2 Выбор комплектующих элементов и материалов
- •2.3 Расчет корпуса аппарата на прочность
- •2.3. Расчет корпуса при нагружении наружным давлением
- •Глава III. Расчет элементов механического перемешивающего устройства
- •3.1 Расчет мешалок
- •3.1.1 Типы и параметры мешалок
- •3.1.2 Расчет мешалок.
- •3.1.3 Определение осевого усилия вала
- •3.1.4 Подшипники качения
- •3.2 Расчет вала вертикального перемешивающего устройства
- •3.2.1 Расчет вала на виброустойчивость
- •3.2.2. Проверка прочности на кручение и изгиб
- •3.2.3. Проверка на жесткость
- •Глава IV. Расчет опор корпуса химических аппаратов
- •4.1. Расчет опор
- •Глава V. Уплотнения врашающихся валов
- •5.1 Сальниковые уплотнения
- •5.2 Торцовое уплотнение
- •5.3 Расчет уплотнений
- •Глава 6 фланцевые сооединения аппаратов
- •1.Выбор материала.
- •7.3 Расчетная часть
- •3.3Подбор уплотнения
- •7.3.6.1. Подбор подшипников.
- •3.6.2 Проверочный расчет.
- •3.10 Расчет фланцевого соединения
Глава 6 фланцевые сооединения аппаратов
6.1 Фланцы.
Фланцевые соединения - наиболее распространенный вид разъёмных соединений в химическом машиностроении, обеспечивающий прочность и герметичность, быструю сборку и разборку, простоту изготовления.
Соединение состоит из двух фланцев, уплотнительного устройства и крепежных элементов (болтов или шпилек, гаек, шайб) (рис. 6.1)
Рис. 6.1 Фланцевое соединение:
1 – фланцы; 2 – болт; 3 – прокладка
Шпильки применяют при условном давлении, свыше 1,6 МПа (условным называют избыточное давление при температуре 20 °С).
По конструкции фланцы можно разделить на цельные (рис. 6.2, а, б), когда корпус аппарата и фланец работают под нагрузкой совместно, и свободные (рис. 6.2, в), когда корпус аппарата разгружен от действий изгибающих моментов, возникающих при затяжке фланцевого соединения. Конструкция фланцев в значительной мере определяется давлением рабочей среды и требованиями минимальных затрат времени на сборку (разборку) соединения.
Плоские приварные фланцы рекомендуется [1] применять при условном давлении от 0,3 до 1,6 МПа и температуре до 300 °С.
Фланцы приварные встык имеют конические втулки-шейки. Утолщение у основания фланца (см. рис.6.2,б) делает его более жестким. Втулку фланца приваривают стыковым швом к обечайке.
Свободные фланцы (см. рис.6.2,в) представляют собой кольца, диаметр отверстия которых несколько больше наружного диаметра обечайки, на которую их свободно надевают. Такие фланцы применяют обычно в аппаратах изготавливаемых из мягких (алюминий, медь) или хрупких (стекло, керамика) материалов при условном давлении до 1,6 МПа и температуре до 300 °С; причем число циклов нагружения не должно превышать 2*103.
Конструктивные формы уплотнительных поверхностей регламентированы ОСТ 26-426-79 и ОСТ 26-427-79 и представлены. на рис. 6.3, а, б, в, г. Плоская уплотнительная поверхность (см. рис.6,3, а) применяется при внутреннем давлении до 0,6 МПа.
Уплотнительные поверхности обрабатываются, однако излишняя шлифовка поверхности не допускается. Иногда на поверхности нарезают несколько кольцевых канавок треугольного сечения, которые заполняются при затягивании соединения материалом прокладки.
Фланцы с выступом - впадиной (см. рис.6.3, б) обеспечивают соосность соединения, применяются при давлениях от 0,6 до 1,6 МПа.
Соединение типа "шип-паз" (см. рис. 6.3, в) используют в более ответственных соединениях при работе с ядовитыми веществами, в глубоком вакууме, при работе аппарата под внутренним давлением от 1,6 до 6,4 МПа.
Уплотнительные поверхности под металлическую прокладку (см. рис. 6.3, г) рекомендуются для давлений от 6,4 до 16 МПа.
Прокладки обеспечивают герметичность соединения. При затягивании соединения прокладки деформируются и заполняют все углубления на поверхности фланцев. Герметичность соединения возрастает с увеличением давления на прокладку, поэтому прокладки для фланцевых соединений высокого давления делают более узкими.
Рис. 6.2. Основные типы фланцев:
а – плоский приварной; б – приварной встык; в – свободный
В зависимости от условий работы для изготовления прокладок применяют различные материалы: металлы - алюминий, медь, сталь, никель, свинец; полимеры - фторопласты, полиэтилен, паронит, резина; комбинированные материалы - полимеры в сочетании с металлами, асбест в металлической обкладке и другие. Резиновые прокладки применяют для небольших давлений и температур (не более 50...70 °С). Очень распространен паронит. Представляет собой композицию, состоящую из асбеста, каучука и различных наполнителей. Прокладки из паронита применяют при температурах до 450 °С и давлениях до 6 МПа в
различных средах - в горячем воде, водяном паре, различных кислотах и растворителях (бензол, бензин и др.).
Асбест для прокладок используют в виде шнура или листового материала. Прокладки из него обладают высокой термостойкостью (до 500 °С) и кислостойкостью.
Металлические прокладки применяют для высоких давлений.
Комбинированные прокладки состоят из металлических и неметаллических материалов, которым металлическая армировка придает жесткость; а более пластичный неметаллический наполнитель обеспечивает герметичность соединений. Широко применяются асбометаллические прокладки, полимеры в сочетании с металлами.
Рис 6.3. Типы уплотнительных поверхностей фланцевых соединений:
а – гладкая уплотнительная поверхность;
б – выступ – впадина;
в – шип-паз;
г – под металлическую прокладку
6.2 Расчет фланцевых соединений.
Расчет стальных фланцевых соединений (фланцы приварные), аппаратов, работающих под внутренним давлением дан в соответствии с ОСТ 26-373-78 “Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность фланцевых соединений” [2].
Расчетные формулы применимы при отношении наружного диаметра фланцев (Dн) к внутреннему диметру аппарата (D) Dн/D≤2 для аппаратов c диаметром не менее 400 мм.
Расчету предшествует конструктивная проработка, при которой предварительно определяют основные размеры самого фланца, размеры прокладки. Таким образом, расчет фланцевого соединения является проверочным. Размеры фланцев, прокладки, болтов должны удовлетворять условиям герметичности и прочности.
6.2.1.Определяется расчетная температура элементов фланцевого соединения:
дляизолированного
соединения
tср=t;
для неизолированного соединения
tср =0,96t;
где
tср,
t
– расчетная температура соответственно
фланцев, болтов, обечайки.
6.2.2. Допускаемое напряжение для материала болтов:
[σ]δ = σT/nT.δ ,
где [σ]δ - предел текучести материала болтов;
nT.δ - коэффициент прочности по пределу текучести
nT.δ = 1,9 + 2,8
6.2.3.Толщина S1 втулки фланца (см. рис. 6.2) для приварного
S≤So≤1,3S, но всегда So-S≤5 мм;
для плоских приварных
So≥S,
где S - исполнительная толщина обечайки.
6.2.4.Толщина S1 у основания втулки приварного встык фланца (см. рис. 6.2, б)
,
при этом β1 принимается по рис. 7.2.
6.2.5. Высота hb втулки фланца:
приварного встык
,
где i - уклон втулки (i = 1/3);
плоского приварного
.
6.2.6. Диаметр болтовой окружности фланцев приварных встык
Dδ≥ D + 2(S1+d δ+u),
где u - нормативный зазор между гайкой и втулкой (u = 4:6 мм);
d δ - наружный диаметр болта (табл. 2.2.) плоских приварных
Dδ > D + 2 (2 So + d δ+u).
Наружный диаметр фланцев
Dн≥ D+а,
где а - конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца (табл. 6.4).
Рис. 6.4. Схема действия нагрузок на фланец в рабочих условиях
2.6.7. Наружный диаметр прокладки
Dн.п. = Dδ – е,
где е - нормативный параметр, зависящий от типа прокладки (см. табл. 6.4).
2.6.8. Средний диаметр прокладки
Dс.п. = Dн.п. – b,
где b - ширина прокладки принимается по табл. 6.5.
2.6.9. Количество болтов необходимых для обеспечения герметичности
,
где tш - рекомендуемый шаг расположения болтов, выбираемый по табл.6.3.
2.6.10. Высота (толщина) фланца ориентировочно
,
где λф = 0,3;
Sэк - эквивалентная толщина втулки;
.
2.6.11.Определяется болтовая нагрузка необходимая для обеспечения герметичности соединения, исходя из схемы нагружения (рис. 6.4).
При расчете определяются нагрузки для двух различных состояний: при монтаже – Fδ1 и в рабочих условиях – Fδ2.
Болтовая нагрузка в условиях монтажа
,
где Rп - реакция прокладки, МН;
Rп = π Dс.п.bо kδ pp,
где bо – эффективная ширина прокладки,
при
b≤15
мм bо
= b,
при b>15
мм
.
Таблица 6.1
Типы и пределы применения фланцев
Внутренний диаметр D, мм |
Внутреннее давление, МПа | |||||||||||||
плоские приварные |
приварные встык |
приварные встык под металлическую прокладку | ||||||||||||
0,3 |
0,6 |
1,0 |
1,6 |
0,6 |
1,0 |
1,6 |
2,5 |
4,0 |
6,4 |
6,4 |
8,0 |
10,0 |
16,0 | |
400-1600 1600-2000 2000-3200 3200-4000 |
+ + + + |
+ + + |
+ + + |
+ + |
+ |
+ + + + |
+ + +
|
+ +
|
+
|
+
|
+
|
+
|
+
|
+
|
Таблица 6.2
Рекомендуемые диаметры болтов (шпилек) в зависимости от давления и диметра, аппарата
Внутреннее давление Рp, МПа |
Диаметр аппарата, мм | |||||||
300 |
1000 |
1200 |
1400 |
1600 |
1800 |
2000 |
2200 | |
0 – 0,6 0,6 – 1,0 1,0 – 1,6 1,6 – 2,5 2,5 – 4,0 4,0 – 6,4 6,4 – 8,0 8,0 – 10,0 |
20 20 20 20 30 30 30- 36 36- 42 |
20 20 20 20 30 42 42 48 |
20 20 24 – 30 24 – 30 36 42 48 52 – 56 |
20 20 24 – 30 24 – 30 36 48 52- 56 56 – 64 |
20 24 – 30 24 – 30 24 – 30 36 48 52- 56 56 – 64 |
20 24 – 30 24 – 30 30 42 52 - - |
24 30 30 30 42 52 - - |
24 – 30 30 30 - - - - - |
Таблица 6.3.
Рекомендуемый шаг расположения болтов
Давление в аппарате Рp, МПа |
Шаг расположения болтов tш |
До 0,3 0,3 – 0,6 0,6 – 1,0 1,0 – 1,6 1,6 – 2,5 2,5 – 4,0 4,0 – 10,0 |
(4,2+5,0) dδ (3,8+4,8) dδ (3,5+4,2) dδ (3,0+3,8) dδ (2,7+3,5) dδ (2,3+3,0) dδ (2,1+2,8) dδ
|
Таблица 6.4
Вспомогательные величины для определения размера фланца
Диаметр болта dδ, мм |
Конструктивная добавка а, мм |
Конструктивная добавка е, мм
| ||
для гаек шестигранных |
для гаек с уменьшенным размером |
для плоских прокладок |
для прокладок овального свечения | |
20 22 24 27 30 36 42 48 52 |
40 42 47 52 58 60 80 92 97 |
36 40 42 47 52 63 69 80 86 |
30 32 34 37 41 48 55 61 65 |
50 52 57 60 64 71 78 84 88 |
Таблица 6.5.
Размеры прокладок
Прокладка |
Диаметр аппарата D, мм |
Ширина прокладки b, мм |
Плоские неметаллические
Плоские металлические
Плоские в металлической оболочке и зубчатые металлические
Овального и восьмиугольного сечения для р≥ 6,4 МПа
|
D≤1000 1000<D≤2000 D>2000
D≤1000 D>1000
D≤1600 D>1600
D≤600 600<D≤800 800<D≤1000 1000<D≤1600 |
12 - 15 15 - 25 25
10 - 12 12 - 15
12 - 18 13 - 25
12 - 13 16 - 22 18 - 28 22-42
|
Рис. 6.5 График для определения коэффициента β1
Рис.
6.6. График для определения коэффициента
λф:
1 – для плоских приварных фланцев;
– для сварных встык фланцев
Прочность болтов фланцевого соединения оценим по приближенной методике.[4] Сила , растягивающая одну шпильку или один болт, определяются в зависимости от внутреннего избыточного давления, внутреннего диаметра аппарата и числа болтов через силу то давления на крышку аппарата(рис.6.4).
Сила давления, приходящаяся на один болт
В зависимости от силы назначается сила предварительной затяжки болта для создания герметичности внутри аппарата
Коэффициент
затяжки назначается в пределах Кзат
= 1,5...4. Сила Fзат
увеличивается
на 30% для учета касательных напряжений
при закручивании гайки (коэф. 1,3). После
создания давления Ррасч,
в аппарате не вся сила F
идет на увеличение силы растяжения
болта Fзат
, а только часть ее ᴂF,где
коэффициент внешней нагрузки ᴂ
принимается
в пределах (0,2..0,3). В результате сила F
определяется по формуле
Соотношение конструктивныхразмеров задается из условия одновременного разрушения по трем видам: разрыву стержня болта по внутреннему диаметру резьбы d1, срезу выступов резьбы и смятию витков резьбы. Поэтому достаточно выполнения условия прочности на разрыв стержня резьбы
Таблица 6.6
Характеристика прокладок
Конструкция прокладки |
Материал прокладки |
Коэффициент kпр |
Удельное давление, МПа | |
Минимальное pпр |
Допускаемое [pпр] | |||
Плоская неметаллическая
Плоская металлическая**
Плоская асбестовая в металлической оболочке**
Металлическая овальная или восьмигранная**
|
Резина: мягкая твердая асбест листовой при толщине 1-3мм
паронит при толщине не более 1 мм
фторопласт-4 при толщине 1-3 мм
Алюминий марки АДМ
Латунь марки Л163
Сталь:
05кп
0ХI8НI0Т
Оболочка из алюминия
Меди или латуни
стали 05кп
стали O8ХI8НIOТ
Сталь:
05кп
0XI3
O8ХI8НIOТ |
0,5
1,0
2,5
2,5
2,5
4,0
4,75
5,5
6,5
3,25
3,5
3,75
3,75
5,5
5,5
6,5 |
2,0
4,0
20
20*
10
60
90
125
180
38
46
53
63
125
125
180 |
18
20
130
130
40 |
* Для сред с высокой проникающей способностью (водород, гелий, легкие нефтепродукты и др.)
р= 35 МПа,
** Для данной конструкций прокладки допускаемое удельное давление не регламентируется.
Задание кафедры: произвести расчет и конструирование химического реакционного аппарата.
Номер варианта 76
Номинальный объем V, м3 8
Внутренний диаметр D, мм 2000
Исполнение корпуса 31
Параметры мешалки
Шифр 10
Диаметр dм, мм 1600
Частота вращения n, мин-1 50
Потребляемая мощность N, кВт 6,0
Давление в корпусе
Избыточное Ри, МПа 0,8
Остаточное Ро, МПа 0,05
Давление в рубашке, избыточное Рруб, МПа 0,35
Уровень
жидкости в корпусе
0,8
Параметры среды
Наименование H2SO4
Температура t, оС 60
Плотность 840
Концентрация 40
Введение
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 не надежны 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.