Аппарат с механическим перемешивающим устройством (Мешалка с балкой)

Расчет производится по [4]Исходные данные для расчета: Внутренний диаметр аппарата D=1400 мм; Диаметр нижнего штуцера D1=100 мм; Марка стали 12Х18Н10Т;Максимальная температура среды t = 60 оС. Среда в аппарате H3PO4 (ортофосфорная кислота) Плотность среды ρ=1880 кг/м3;Концентрация 85%Давление Р= 1.0 МПа;Среда в рубашке (вода):Плотность среды ρ=1000 кг/м3; Давление Р= 0.3 МПа;Аппарат с коническим днищем (2α=90о); Коэффициент прочности сварных швов φ=1; Скорость коррозии П=0,1мм/год;Срок службы аппарата τ=15 лет; Прибавка на коррозию, С1= 0,1∙15 =1,5 мм. минусовой допуск на листовой прокат С2= 0,5 мм; Технологическая прибавка С3=0 мм;Суммарная прибавка, С=С1+С2+С3=1,5+0,5+0=2мм.Плотность среды в аппарате:

Найдем расчетное давление ваппарате:

Гидростатическое давление в аппарате: h=l-расчётнаядлинагладкойобечайки, мм,(таблица6),[2]; l=Н1-B1+b1+b2,где H1=650 мм, B1=150 мм — расстояние от приварной крышки до рубашки, b1=60 мм — ориентировочная высота отбортованной части конического днища, b2=r· sinα=0.15·D·sinα=148 мм — высота переходной части конической оболочкиl=650−150+60+148=708 мм.

Так как гидростатическое давление составляет менее 5% от давления в аппарате, то расчетное давление равноpр.о.=1.0МПа.Найдем расчетное давление врубашке:

Так как гидростатическое давление в рубашке составляет менее 5% от давления в рубашке, то расчетное давление равно pр.о.=0.3МПа.

3.10 Расчет цилиндрической обечайки при действии внутреннего давления.

При наличии внутреннего давления и отсутствии его в рубашке, обечайка нагружена только внутренним давлением. Рисунок 3.7 — Расчётная схема нагрузок на цилиндрическую обечайку от действия внутреннего давления.

Расчётная толщина стенки цилиндрической обечайки корпуса определяется поформуле:

где Рр.о. — расчётное избыточное давление, МПа;D- внутренний диаметр сосуда или аппарата, мм;[o] - допускаемое напряжение при расчётной температуре, МПа; φ- коэффициент прочности сварныхшвов. Для стали 12Х18Н10Т, допускаемое напряжение при температуре t=600C, равно []=179МПаКоэффициент прочности сварных соединений определяется в зависимости от конструкции и способа соединения. Так как принято, что швы с двухсторонним сплошным проваром выполняются автоматической сваркой, то значение = 1Расчетная толщина стенки равна:

Фактическое значение толщины стенки равно: S = Sр + c = 3.9 + 2 = 5.9мм.

ПринимаетсяминимальноезначениетолщиныобечайкиравнойS=6мм.Допускаемое давление в рабочем состояние определяется по формуле:

Р = 1.0 МПа [P] = 1.02МПа — условие выполняется3.

11 Расчет цилиндрической обечайки при действии наружного давления.

При отсутствии давления внутри аппарата и наличии давления в рубашке, цилиндрическая обечайка корпуса нагружена наружным давлением Рруи осевым сжимающим усилием F, с которым к обечайке прижимается днище корпуса от действия на него наружногодавления. Рисунок 3.8 -Расчётная схема нагрузок на цилиндрическую обечайку от действия наружного давления.

Расчётная толщина стенки цилиндрической трубы определяется по формуле:

где B — безразмерный коэффициент;

Е значение модуля упругости для данной марки стали при заданной температуре (E=2×105МПа);h= l = 0.708м- расчётная длина гладкой обечайки; Коэффициент В определяется поформулеB = max{1; 0,33} = 1Тогда расчётная толщина стенки цилиндрической трубы будет равна: Sр = max{5.5; 1.4} = 5.5мм.Фактическое значение толщины стенки будет равно: S= Sр + c = 5.5 + 2 = 7.5 мм, Принимается значение толщины равной S = 8 мм. Допускаемое давление из условия прочности определяется по формуле:

Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости определяется по формуле:

где.

В1- безразмерный коэффициент; Коэффициент В1 определяется по формулеB = min{1; 28.5} = 1Тогда допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости будет равно.

Допускаемое давление в рабочем состоянии определяется по формуле:

Р=0.3МПа≤[P]=0.39Па — условие выполняется.

На обечайку также действует осевое сжимающее усилие. Определим величину допускаемого осевого сжимающего усилия по формуле:

где допускаемое осевое сжимающее усилие [F]пиз условия прочности [F]п=(D+S-c1)(S-c1)[]=3.14(1.4+0.008−0.002)(0.008−0.002)· 179=4.74МНа допускаемое осевое сжимающее усилие [F]Е в пределах упругости из условия устойчивости.

Определим усилие F по формуле:

Проверка условия устойчивости производится поформуле:

Условие устойчивости выполняется. На основании произведённых расчётов имеем два значения толщины стенки цилиндрической обечайки — от внутреннего давления S=6мм и от наружного давления S=8мм. Выбираем максимальное значение, для надёжности конструкции, S=8мм.

3.12Расчет эллиптическойкрышки.

Рисунок 3.9- Расчётная схема действия нагрузок на эллиптическую крышку.

От внутреннего давления.

Расчётную толщину эллиптической крышки определим поформуле:

где R = D — радиус кривизны в вершине днища по внутренней поверхности, мм. Sк =Sк. р +с = 3.9 + 2 = 5.9ммокругляя, принимаем толщину стенки Sк=6мм. где R=D=1.4м — для эллиптических крышек. Допускаемое внутреннее давление в рабочемсостоянии:

Условие pр=1.0МПа<[p]=1.02МПа выполняется. По проведённым расчетам, окончательно принимаем толщину стенки эллиптической крышки sк=6мм.

3.13 Расчет коническогоднищ.

Днище, соединённое сцилиндрической обечайкой сваркой и находящееся вместе с ней внутри рубашки, может оказаться под действием либо внутреннего, либо наружного давления. Рисунок 3.10- Расчетная схема нагрузок на эллиптическое днище от действия внутреннего давления.

Расчётная температура внутри аппарата t=600C, расчётное давление на днище складывается из давления в аппарате pа=1.0МПа и гидростатического pг=gH, таким образом, как уже было рассчитано в п.

3.1, pд. р=1.0МПа (так как гидростатическое меньше, чем 5% от давления ваппарате).Так как швы выполняются автоматически с двухсторонним сплошным приваром, то коэффициент =1.Для стали 12Х18Н10Т, допускаемое напряжение при температуре t=600C, равно []=179МПа.Расчет длины переходных частей, мРасчетный диаметр гладкого конического днища без тороидального перехода, Dk=D -1.4 хa1 p хsin (45)Dk= 1.4 — 1.4 · 0.076 · sin (45) = 1.32мТолщина конического днища при действии внутреннего избыточного давления, мТолщина конического днища с учетом прибавки на коррозию, мsк= sк. д+ c = 0.0052 + 0.002 = 0.0072 мИзстандартногорядапринимаемближайшеебольшеезначениеsк= 8 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление, ПаР = 1.0МПа [P] = 1.15МПа — условие выполняется.

От наружного давления.

Рисунок 3.11 Расчетная схема нагрузок на коническое днище от действия наружного давления.

Расчётную толщину стенки определяют поформуле:

где lEэффективная длина конического днища, DE- эффективный диаметр конического днища. Эффективная длина коническогоднища:

где D1 — диаметр нижнего штуцера (Принимаем D1 = 100 мм, штуцер К) м. Эффективный диаметр конического днища: DE= max{1.06; —5.1} = 1.06 мЗначение коэффициента B1 вычисляется по формуле: B = min{1; 4.5} = 1Расчётная толщина стенки равнаSр = max{4.9; 1.87} = 4.9 мм.

Тогда исполнительная толщина стенки днища, с учётом добавки на коррозию с1=2мм:S= Sр. д+c1=4.9+2=6.9мм.

Принимаем Sд=8мм.

Допускаемое наружное давление определяем поформуле:

где допускаемое давление из условия прочности определяем по формуле:

а допускаемое давление из условия устойчивости определяем по формуле: B = min{1; 14.5} = 1тогда.

Условие pр=0.3МПа<[p]=0.44МПа выполняется. По проведённым расчетам, окончательно принимаем толщину стенки конического днища Sд=8мм.

3.14 Укрепление отверстий.

Расчет производится по [7]. Корпус аппарата снабжен необходимым количеством штуцеров и люкомлазом для осмотра и ремонта аппарата. Отверстия не только уменьшают несущую площадь материала корпуса, механически ослабляя конструкцию, но и вызывают высокую концентрацию напряжений вблизи края отверстия. Как показывают эксперименты, максимальные напряжения быстро уменьшаются по мере удаления от края отверстия, т. е. прирост напряжений носит локальный характер. Таким образом, при проектировании аппаратуры необходимо решать задачу о снижении повышенных напряжений в области отверстий до допускаемых значений за счет компенсации ослабления, вызванного наличиемвыреза. Рассчитаемотверстиедлялюкаd=0,25 м., находящегосяна эллиптическойкрышке. Определимрасчетнуютолщинустенкиукрепляемогоэлемента, крышкиаппаратаDр .4X=D/4=1.4/4=035 — расстояние от центра укрепляемого отверстия до оси эллиптической крышки.

Коэффициенты прочности сварных соединений:=1, 1=1Расчетные толщины стенок: SSр+cS3.5+2=5.5мм.

Принимаем S=6мм.

Расчетный диаметр отверстия в стенке цилиндра, dpd 2c 0.25  2  0.002  0.254 м. SS1р+cS1=0.7+2=2.7мм.

Принимаем S1=4мм.

Рассчитываем диаметр одиночного отверстия, не требующего укрепления. Так как dр = 254 мм Xdo= 68 мм отверстие необходимо укреплять. Выполнимэтоукреплениеспомощьюутолщенногоштуцера и накладного приварногокольца. Ширина зоны укрепления, прилегающей к штуцеру, при отсутствие накладного кольца, определяется по формуле:

Расчётный диаметр отверстия, не требующего дополнительного укрепления, определяется по формуле:

Расчётная длина внешней части круглого штуцера определяется по формуле: l1р = min{l1; 0.028} = 0.028 м = 28 мм. Расчётная длина внутренней части круглого штуцера определяется по формуле:

где S3 = S1 — исполнительная толщина внутренней части штуцера;cs1 — прибавка на коррозию к расчётной толщине стенки штуцера. иравна:

Длину внутренней части штуцера можно не учитывать. Принимаем l3р = 0 В случае укрепления отверстия утолщением стенки штуцера должно выполнятьсяусловие: l1р ∙ (S1 — S1р — cs) ∙ 31 + l3р ∙ (S3 —cs— cs1) ∙ 33 + lр ∙ (S — Sр — c) 0.5 ∙ (dр — dор) ∙Sр, где 31, 33,32- отношение допускаемых напряжений; Отношениедопускаемых напряжений равно 1, так как внутренняя часть сделана из одного металла. lр= L0 = 0.100 м- расчётная ширина зоны укрепления в окрестности штуцера или торообразной вставки;

и равно:

0.028 ∙ (0.004 — 0.0007 — 0.002) ∙ 1 + 0 + 0.1 ∙ (0.006 — 0.0035 — 0.002).

0.5 ∙ (0.254 — 0.04) ∙ 0.0035А1= 0.864 ∙ 10−4 м2 А = 3.75 ∙ 10−4 м2Условие укрепления одиночного отверстия: A1AУсловие: A1A не выполняется, следовательно необходимо установить накладное кольцо. Принимаем толщину кольца S2 = 3 мм.

Расчетная ширина накладного кольца вычисляется поформуле.

Тогда условие прочностиl1р ∙ (S1 — S1р — cs)∙ 31 + l3р ∙ (S3 — cs— cs1) ∙ 33 + l2р · S2 · 32 + lр∙ (S — Sр — c)0.5 ∙ (dр — dор) ∙ Sр, А1= 0.028 ∙ (0.004 — 0.0007 — 0.002) ∙ 1 + 0 + 0.003 ∙ 0.132 + 0.1∙ (0.006 — 0.0035 — 0.002) А=0.5 ∙ (0.254 — 0.04) ∙0.

354.

82∙ 10−4 м2X 3.75 ∙ 10−4 м2Условие укрепления выреза A1Aвыполняется.Рисунок3.

12 — Укрепление отверстия накладнымкольцом.

Заключение

По результатам расчетов можно утверждать, что спроектированный аппарат прослужит указанный срок при условии соблюдения рабочих параметров указанных в техническом задании:

Рабочее давление в аппарате 1.0 МПа Давление в рубашке 0.3 МПа Температура 60°СЧисло оборотов мешалки 63об/мин Обрабатываемая среда — H3PO4Все элементы аппарата, расчет которых приведен в курсовом проекте, удовлетворяют условиям прочности, жесткости, и устойчивости. По результатам расчёта, с учётом выполнения условия устойчивости, получаем следующие значения величин толщин стеноки диаметра вала:

Таблица3.

4Оболочкааппаратаs.мм.

КорпусаппаратаЦилиндрическаячасть8Коническаячасть8Эллиптическаякрышка6Массу аппарата в рабочем состоянии рассчитаем из условия того, что аппарат заполнен не полностью, а до уровня рубашки — Hc=1841−350- 50=1441мм, тогда: VpVц Vк, где Vц, и Vк — соответственно объёмы заполнения цилиндрической части и днища. Тогда полный объём составит: Vр=1.14+0.36=1.5м3Масса аппарата в рабочем состоянии: m=ρ∙Vр=1748∙1.5=2622 кг.

ВыводыВ ходе проделанной работы был разработан и спроектирован аппарат для перемешивания H3PO4. Имея исходные данные были проведены тепловой и параметрический расчет. Согласно расчетам выбран аппарат и приняты его составляющие, которые в дальнейшем были проверены в конструктивном расчета. Детали подбирались исходя из условий их максимальной стандартизации. Также было выполнено патентный поиск в ходе которого были рассмотрены различные конструкции подобных аппаратов. После выполнения расчетов было выполнен сборочный чертеж аппарата, максимально полно показывающий сущность и конструкцию аппарата с мешалкой. Кроме основного сборочного чертежа также выполнено сборочные чертежи корпуса, в котором отражены его конструкцию и способ сборки, а также чертежи самого перемешивающего устройства с его размерами. В соответствии с чертежами были составлены спецификации. Разработанный аппарат может быть применен для перемешивания и нагревания или охлаждения любых растворов и эмульсий не большой вязкости. За исключением вибо и пожаро опасных веществ, а также токсичных и едких веществ, вроде растворов кислот и щелочей. Список использованныхисточников.

Луцко, А. Н. Прикладная механика. Учебное пособие / А. Н. Луцко, М. Д. Телепнев, В. М. Барановский, В. А. Яковенко, В. З. Борисов, Н. А. Марцулевич. — Изд. 4-е, перераб. и доп. — СПб.: Изд-во СПбГТИ (ТУ), 2012.-272 с. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. Примеры и задачи. /М.Ф.Михалев, Н. П. Третьяков, А. И. Мильченко, В.В.Зобнин/под общ.

ред.М. Ф. Михалева.

М.: «АРИС», 2010. 309с. ОСТ 26−01−1225−75 Приводы вертикальные для аппаратов с перемешивающими устройствами. Типы, параметры, конструкции и основныеразмеры.

ГОСТ Р 52 857.

2 — 2007.

Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек. Введ.

2008;04−01. — М.:Госстандарт.

России: Издвостандартов, 2008. — 44с. АТК 24.

201.

13−90 Уплотнения валов торцовые для аппаратов с перемешивающими устройствами. Типы, параметры, конструкции и основныеразмеры.

ГОСТ Р 52 857.

1 — 2007.

Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования.Введ.

2008;04−01. -М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 2008. — 26с. ГОСТ Р 52 857.

3 — 2007.

Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Укрепление отверстий в обечайках и днищах при внутреннем и внешнем давлениях. Расчет на прочность обечаек и днищ при внешних статических нагрузках на штуцер. Введ.

2008;04−01. — М.:Госстандарт.

России: Изд-востандартов, 2008. — 34с. Воробьева, Г. Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств / Г. Я. Воробьева. — Изд. 2-е пер. и доп. — М.: Химия, 1975.-816с.