Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Комсомольский-на-Амуре государственный

технический университет»

Кафедра «Машины и аппараты химических производств»

ПРАКТИКУМ ПО

КОНСТРУИРОВАНИЮ И РАСЧЕТУ МАШИН И АППАРАТОВ ОТРАСЛИ

Комсомольск-на-Амуре 2012

УДК 621.822

Практикум по конструированию и расчету машин и аппаратов отрасли: методические указания к практическим работам по дисциплине «Конструирование и расчет машин и аппаратов отрасли» для студентов направления 151000 «Технологические машины и оборудование», профиль «Оборудование нефтегазопереработки» / сост. : М. Ю. Сарилов, А. Н. Охотникова. – Комсомольск-на-Амуре : ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», 2013. – 90 с.

Представлены механические расчеты оборудования нефтегазоперерабатывающих производств, таких как дробилки, сушильные аппараты, фильтры и теплообменные аппараты. А также рассмотрены вопросы расчета толщины стенки корпуса аппаратов, аппаратов с рубашками, укрепление отверстий, фланцевых соединений и опор. Даны примеры расчета и варианты заданий для самостоятельной работы.

Методические указания предназначены для студентов направления 151000 «Технологические машины и оборудование», профиль «Оборудование нефтегазопереработки».

Печатается по постановлению редакционно-издательского совета ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет».

Согласовано с отделом менеджмента качества.

Рецензент А. В. Ступин

Редактор Е. В. Колесникова

Содержание:

Введение 3

1 Дробилки. Расчет основных эксплуатационных показателей валковой дробилки 4

2 Расчет сушильного аппарата с псевдоожиженным (кипящим) слоем 10

4 Промышленные фильтры. Расчет производительности и прочности вертикальной конструкции автоматического фильтр-пресса 27

5 Расчет пластинчатых теплообменников 34

6 Расчет толщины стенки корпуса цилиндрических аппаратов 43

7 Расчет укреплений отверстий 50

8 Расчет аппаратов с рубашкой 57

9 Расчет фланцевых соединений 62

10 Расчет опор аппаратов 75

Список использованных источников 87

Введение

Дисциплина «Конструирование и расчет машин и аппаратов отрасли» является основной из базовых дисциплин для направления 151000 «Технологические машины и оборудования», профиль «Оборудование нефтегазопереработки». При этом большая роль отводиться изучению методов расчета машин и аппаратов, составляющих основу для проектирования новых и совершенствования действующих технологических установок нефтехимических предприятий.

Настоящее методическое пособие включает в себя механические расчеты основного химического оборудования и предназначено для студентов очного и заочного вида обучения, обучающихся по направлению 151000 «Технологические машины и оборудования», профиль «Оборудование нефтегазопереработки», необходимо при выполнении самостоятельной работы и курсовом проектировании.

В данном методическом указании излагаются основные соотношения для механических расчетов основного химического оборудования (машины для дробления и помола материалов, теплообменные аппараты и аппараты для разделения неоднородных сред). Приводятся примеры расчетов и задания для самостоятельной работы.

Также в методическом указании представлены конструкции отдельных частей аппаратов, и приведен механический расчет этих частей.

1 Дробилки. Расчет основных эксплуатационных показателей валковой дробилки

Цель работы: Ознакомиться с дробильными машинами, изучить их виды (классификации), принцип действия. Рассчитать основные эксплуатационные показатели валковой дробилки.

1.1 Основные сведения

Измельчение твердых, сыпучих материалов широко используется в химической промышленности, так как применение измельченных сыпучих материалов позволяет значительно активизировать химическое взаимодействие, растворение, обжиг, а также другие процессы, скорость протекания которых напрямую зависит от показателей удельной поверхности твердых тел, участвующих в реакциях. Классификация дробильных машин по способу воздействия на измельчаемый материал: дробилки, разрушающие материал сжатием (щековые, конусные, валковые) или ударом (роторные, молотковые).

1.2 Валковые дробилки. Область применения, принцип действия, классификация

Валковые дробилки применяют для среднего и мелкого дробления материалов высокой и средней прочности, а также для измельчения пластичных и хрупких материалов.

Рабочими органами валковой дробилки (рисунок 1.2.1) являются два параллельных цилиндрических валка 2 и 4, вращающихся встречно. Попадающий в рабочую зону кусок материала увлекается трением о поверхность валков и затягивается в рабочее пространство, где подвергается дроблению в результате раскалывания, излома и истирания. Поверхности валков бывают гладкие и рифленые. Валки монтируются в станине 1 в подшипника 3 и 6. Подшипники одного либо двух валков имеют пружинные опоры 5, которые могут перемещаться в направляющих при попадании в дробилку недробимого предмета. Вращение валка сообщается от электродвигателя через клиноременную передачу с частотой 75-190 мин-¹.

Рисунок 1.2.1 - Валковая дробилка: а — конструкция; б — схема

Максимальный размер кусков зависит от диаметра валков и размера разгрузочной щели. Так, диаметр гладкого валка должен в 20 раз превосходить размер камня, а при рифленых поверхностях валков — в 12 раз. Поэтому степень дробления составляет 4—12.

1.3 Расчет валковой дробилки

Соотношения для расчета основных параметров валковых дробилок – угла захвата, производительности, частоты вращения валков, усилий в деталях.

Угол захвата в валковых дробилках — это угол между двумя ка­сательными к поверхности валков в точках соприкосновения с дробимым материалом (рисунок 1.3.1). Кусок материала будет захва­тываться, если или .

Так же как у щековых и конусных дробилок, угол захвата у вал­ковых дробилок для нормального дробления не должен превышать двойного угла трения. При коэффициенте трения для реальных случаев f = 0,30—0,45, угол трения составляет = 16°40'—24°20'. На практике для гладких валков принимают = 16—24°, чтобы исключить выдавливание дробимых кусков из рабочей зоны. Зубчатые и рифленые валки обеспечивают лучшие условия захвата, поэтому = 20-30°.

Рисунок 1.3.1 - Расчетная схема валковой дробилки

Максимальный размер куска, захватываемого валками, можно определить по формуле

d_max=[D(1-k) + b]/k,

где k – коэффициент захвата (для гладких валков k = 0.954, для рифленых k = 0.92);

b – ширина выходной щели, м.

Производительность валковых дробилок Q, м³/с, можно вычислить, если представить процесс дробления как движение ленты материала. За один оборот валка через щель пройдет объем ленты материала V, м³:

V = DLb,

где D – диаметр валка, м,

L – длина валка, м.

Производительность дробилки при частоте вращения вала n

Q = 1,25DLbn,

где 1,25 – коэффициент, учитывающий возможное расхождение валков при работе; - коэффициент, учитывающий степень разрыхленности материала (для прочных материалов = 0,2-0,3, для влажных = 0,4-0,6).

Частота вращения валков n, об/с, валковой дробилки не должна превышать некоторого значения, при котором создаются неустойчивые условия захвата материала и возникают нежелательные колебания нагрузок.

Наиболее благоприятный режим работы наступает при окружной скорости валков _oпт = 3-6 м/с. Отсюда находится частота вращения валков

Максимально возможную частоту вращения валков определяют по формуле, предложенной проф. Л.Б. Левенсоном:

,

где f – коэффициент трения материала о валок (для прочных пород f > 0,3, для глин f < 0,45); d – диаметр куска исходного материала, м; - плотность измельчаемого материала, кг/м³.

Усилия в деталях валковой дробилки определяются нагрузкой, которая создается пружинами предохранительного устройства. Эта нагрузка зависит от многих факторов и может быть вычислена лишь приближенно.

Суммарное усилие дробления P, H,

Р =

где – предел прочности материала при сжатии, Па;

- длина дуги на участке измельчения материала, м.

Сила нажатия пружин подвижного валка должна обеспечивать суммарное значение P.

Для расчета мощности валковых дробилок можно рекомендо­вать эмпирические формулы. При переработке пород сред­ней прочности (мергель, известняк, уголь) для расчета N, Вт, ис­пользуется формула Аргаля

N = 47,6KL, Bt,

где К= 0,6(D /d) + 0,15 - коэффициент;

= Dn - окружная ско­рость валков, м/с.

Таблица 1.3.1 - Техническая характеристика валковых дробилок с гладкими (ГОСТ 18266-72) валками

Параметр	ДГ 400х250	ДГ 600х400	ДГ 800х500	ДГ 1000х500	ДГ 1500х600
Диаметр валка, мм	400	600	800	1000	1500
Длина валка, мм	250	400	500	550	600
max размер исходного куска, мм	20	30	40	50	75
Зазор между валками, мм	2-12	2-14	4-16	4-18	4-20
Частота вращения, об/с	2,38 3,33 4,75	2,00 2,50 3,16	1,20 1,66 2,42	0,95 1,50 1,92	0,63 1,00 1,26
Производительность, м3/ч	3-12	4-24	6-35	10-45,6	15-75
Мощность двигателя, кВт	8	22	30	40	55

1.4 Пример расчета валковой дробилки

Выбрать марку валковой дробилки для переработки 24 м³/ч мягкого известняка, имеющего куски средневзвешенным диаметром 73 мм. Продукт дробления должен иметь средневзвешенный размер 15 мм. Определить основные эксплуатационные показатели: частоту вращения валков (рассчитать по формуле, а затем выбрать ближайшее стандартное значение по табл.1.3.1); усилие, необходимое для дробления материала; мощность электродвигателя.

Механические свойства мягкого известняка:

плотность

предел прочности при сжатии

модуль упругости

При выборе типоразмера валковой дробилки учитываем, что размер между валками не может быть меньше среднего размера куска продукта дробления. С учетом заданных параметров по производительности и размеру куска по таблице 1.3.1 выбираем дробилку марки ДГ 1500х600, имеющую следующие технические характеристики: D=1,5м; d_max=0,0075м; b=4-20мм; Q=15-75м³/ч; N=55кВт.

Задавшись значением окружной скорости валка ω=4м/с, находим оптимальную частоту вращения валков n_опт, об/с:

Ближайшее рабочее значение частоты вращения валков дробилки принимаем равным n = 1 об/с. Тогда фактическая окружная скорость вращения валков равна:

.

Длина дуги на участке измельчения l, м:

где α=16ᵒ (0,279 рад)

Необходимое усилие дробления материала при длине дуги на участке измельчения Р, Н:

Мощность электродвигателя N, кВт:

1.5 Задача для самостоятельного решения

Задача: По таблице 1.3.1 выбрать марку валковой дробилки для переработки Q м³/ч известняка, имеющего куски средневзвешенным диаметром ,м. Определить основные эксплуатационные показатели: частоту вращения валков (рассчитать по формуле, а затем выбрать ближайшее стандартное значение по таблице 1.3.1); усилие, необходимое для дробления материала; мощность электродвигателя. Исходные данные в таблице 1.5.1.

Таблица 1.5.1 – Варианты для решения задачи

N варианта	Q,	, м
1	24	0,073	4	50	0,5	0,279
2	30	0,055	4	70	0,5	0,279
3	18	0,042	5	110	0,5	0,279
4	9	0,031	5	45	0,5	0,279
5	5	0,023	4	65	0,5	0,279
6	17	0,038	4	90	0,5	0,279
7	60	0,076	5	115	0,5	0,279
8	33	0,051	5	80	0,5	0,279
9	6	0,019	4	78	0,5	0,279
10	30	0,035	4	55	0,5	0,279