Подбор и расчет элементов корпуса аппарата

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.

 

Учебное пособие содержит рекомендации по расчету и проектиро­ванию химических аппаратов, снабжённых мешалками. Предложена последовательность работы над 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

 

 

 

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.

Общие сведения

1.1. Назначение и характеристики аппаратов

 

Химические аппараты предназначены для проведения различных технологических процессов в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и т.д. промышленности, а также для хранения и транспортировки различных химических веществ.

В зависимости 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.

В зависимости 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 увеличением ее длины. Поэтому длину целесообразно выбирать по возможности меньше. Применение цельных обечаек с отношением 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 температурах - от – 250⁰С до +950⁰С.

Различают следующие режимы работы аппаратов: 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.

 

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

 

 

б)

а)

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

 

готовой продукции, установки контрольно-измерительных приборов и 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 изготовления химических аппаратов, должны предъявляться следующие требования:

1) химическая и коррозионная стойкость материала к перерабатываемой среде с учетом заданных технологических 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;

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.

 

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 - 4приложения. 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.

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

 

б

а

 

 

	вб		гвб

 

Рис. 2.1. Конструктивные схемы корпусов по ГОСТ 9931-82 а – тип ВЭЭ; б – тип ВЭП; в – тип ВКЭ; г – тип ВКП

 

2.2. Цилиндрические обечайки

 

Расчёт на прочность и устойчивость производится по ГОСТ 14249- 89.

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

 

(2.1)

 

где р_R - давление в аппарате, МПа; s_R - расчетное значение толщины стенки, мм; D - внутренний диаметр обечайки, мм; [ s ] допускаемое напряжение, MПа (зависит от марки стали и рабочей температуры). Марку стали выбирают в зависимости от свойств перерабатываемой среды по табл. 7, допускаемое напряжение

[ s ] - по табл. 8.

Допускаемое внутреннее избыточное давление

 

(2.2)

 

Для стыковых и тавровых двухсторонних швов, выполняемых автоматической сваркой, коэффициент прочности сварочного шва j =1;. для тех же швов, выполняемых вручную, j =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 волн смятия (рис.2.2). Давление, при котором оболочка начнет деформироваться, называется критическим.

Толщину стенки обечайки, нагруженной наружным давлением, приближенно определяют по формуле

(2.3)

(2.3)

 

 

где - давление в рубашке. Полученное значение толщины стенки следует проверить на допускаемое наружное давление по формуле (ГОСТ 14249-80)

(2.4)

 

(2.5)

(2.6)

Здесь допускаемое давление из условия прочности определяется по формуле, полученной из уравнения Лапласа:

 

а допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости рассчитывается по формуле

		(2.6)
		(2.6)
				(2.6)
	Рис.2.2.

 

где Е - модуль упругости (табл.2.9); п_и - коэффициент устойчивости (для рабочих условий п_и =2.4); l_R - расчётная длина обечайки.

Для эллиптического днища l_R = l – 2 h_ц + Н_D /3; для конического днища l_R = l – 2 h_ц + т ах { R_вsina; D/3tga }, где a - половина угла при вершине (рис.2.3), l - длина цилиндрической части корпуса.

Если в результате расчета окажется, что давление в рубашке больше допускаемого, определенного по формуле (2.4), т.е. , необходимо увеличить толщину стенки обечайки.

2.3. Днища и крышки аппаратов приварные

 

Толщину стенки эллиптического отбортованного днища (рис.2.3 а) определяют по формулам:

а) днища, нагруженного внутренним давлением

(2.7)

б) днища, нагруженного наружным давлением

(2.8)

При действии наружного давления полученное значение толщины стенки s необходимо проверить по формуле (2.4). В этом случае допускаемое давление из условия прочности в пределах упругости:

, (2.9)

а допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости определяется по формуле

 

(2.10)

Толщину стенки конического отбортованного днища (рис.2.3 б) с углом при вершине 2a < 140⁰, нагруженного внутренним давлением, рассчитывают следующим образом. Определяют толщину стенки цилиндрической части днища:

, (2.11)

где у - коэффициентформы днища, который выбирают по

табл. 10. в зависимости от угла a и отношения R_в /D (отношениявнутреннего радиуса отбортовки R_в к диаметру днища D). При D = 800 ¸1500 мм, R_в =160 мм; при D = 1600 ¸ 3000 мм, R_в = 200 мм.

Определяют толщину стенки конической части днища:

(2.12)

где .

 

б)

а)

Из двух значений, полученных по формулам (2.11) и (2.12), выбирают большее.

	а

 

	а)		б)
		Рис. 2.3. Формы днищ: а - эллиптическая, б – коническая, в – построение эллиптического днища

 

Исполнительнуютолщину стенки принимают следующей

. (2.13)

Если коническое днище нагружено наружным давлением, то толщину стенки, полученную по формуле (2.13), проверяют на допускаемое наружное давление по формуле (2.4). При этом допускаемое наружное давление в пределах пластичности рассчитывают по формуле

 

, (2.14)

а допускаемое наружное давление из условия устойчивости - по формуле

, (2.15)го

где l_E=D/2sina; D_E=D/2cosa.

2.4. Расчет элементов рубашки

 

Толщину стенки цилиндрической части рубашки определяют по формуле (2.1), эллиптического днища - по формуле (2.7), толщину стенки конического днища - по формулам (2.11) и (2.12). В качестве расчётного давления Р_r принимают давление в рубашке. Для корпусов с внутренним диаметром D £1800 мм диаметр рубашки принимают больше внутреннего диаметра аппарата D на 100мм. Для корпусов с диаметром D >1800 мм диаметр рубашки принимают на 200 мм больше диаметра аппарата. Расположение рубашки на корпусе аппарата показано на рис 2.13.

 

2.5. Крышки отъёмные

 

Отъёмные крышки присоединяются к корпусу аппарата с помощью фланцев.

При определении толщины стенки эллиптической крышки используют формулу (2.7).

При расчете плоской крышки определяют толщину в средней части крышки s₁ и в месте уплотнения s₂ (рис 2.4).

 

		Рис. 2.4. Плоская отъемная крышка

 

Толщинy плоской крышки в средней части рассчитывают

по формуле

, (2.16)

где K =0,5. Расчетный диаметр D_R равен среднему диаметру прокладки D_сп,

Толщина крышки в месте установки прокладки s ₂ = 0.8 • s ₁. Наружный диаметр крышки D_кр равен диаметру фланца D_Ф .

2.6. Фланцевые соединения

 

Фланцевые соединения применяют для разъёмного соединения составных частей корпуса, крышки с корпусом и т.д. На фланцах присоединяют к аппаратам трубы, арматуру. Соединение состоит из двух фланцев, прокладки, которую размещают между уплотнительными поверхностями фланцев (рис. 2.5 а), болтов (шпилек), гаек и шайб. В целях исключения самоотвинчивания гаек под действием приложенных нагрузок применяют пружинные шайбы или контргайки. Фланцевые соединения стандартизо­ваны. По форме уплотнительной поверхности различают следующие типы фланцев: выступ-впадина, шип-паз (исполнение 1) и с гладкой поверхностью (исполнение 2).

болтов

 

 

 

 

		б
	а

 

	б)

 

 

		г

 

 

	Рис. 2.5. Фланцевое соединение: а – фланцевое соединение корпуса с эллиптической крышкой; б – размеры плоского фланца; в – фланцевое соединение корпуса с плоской крышкой; г – неметаллическая прокладка

 

Фланцы плоские приварные с гладкой уплотнительной поверхностью (рис. 2.5) применяют при р < 2.5 МПа и t £300⁰С. Размеры таких фланцев для аппаратов выбирают по внутреннему диаметру аппаратa и условному давлению по табл.11. Для герметизации фланцевого соединения применяют прокладки различной конструкции [1].

Плоские неметаллические прокладки (рис 2.5 г) используют для уплотнения гладких поверхностей фланцев. Прокладки из резины применяют в диапазоне температур от -30° С до 100° С и давлении до 0 6 МПа. Паронит выдерживает температуру до 400⁰С и давление до 2.5 МПа. Асбестовый картон применяют для прокладок при давлении до 1.6 МПа и температуре до 550° С. Фторопласт используют в диапазоне температур от -200^СС до +250°С независимо от давления. Размеры прокладок выбирают по внутреннему диаметру аппарата D и условному давлению р_у по табл.12.

Фланцы и прокладки, подобранные по стандартам, в расчёте не нуждаются.

При конструировании аппаратов выполняют проверочный расчёт болтов в соответствии с ОСТ 26-373-82 по следующей методике.

1.Определяют нагрузку, действующую на фланцевое соединение от внутреннего давления Р_R:

(2.17)(2.17)

где средний диаметр прокладки; D_сп = 0,5(D_п + d_п), (см. рис 2.5 г и табл.12).

2. Рассчитывают реакцию прокладки

(2.18)

где: в_п - ширина прокладки; в_п = 0,5(D_п –d_п); m= 1 - для прокладок из резины; m =2.5 - для прокладок из других материалов;

в₀ – эффективная ширина прокладки:

при вп ≤ 15 мм,	во = 0,5 вп
при во > 15 мм,	;

3.Определяют болтовую нагрузку при сборке Р_Б1.

Принимают наибольшее значение из трёх расчетных:

Р_Б1=p×D_сп×в₀×q, (2.19)

 

где q =20 МПа - для прокладок из паронита, резины и картона асбестового, q =10 МПа - для прокладок из фторопласта.

(2.20)

(2.21)

4.Проверяют прочность болтов при монтаже по условию

(2.22)

5.Проверяют прочность болтов в период эксплуатации

(2.23)

где и - допускаемые напряжения для материала болта при 20°С и при рабочей температуре (табл.13); n_Б – количество болтов (табл.11, n _Б = z); f_Б – площадь поперечного сечения стержня болта. Болтовая нагрузка в рабочих условиях:

(2.24)

Если условия (2.22) или (2.23) не выполняются, то увеличивают число болтов, но так, чтобы оно оставалось кратным четырём. Болты, винты, гайки и шайбы являются стандартными изделиями, их размеры приведены в табл. 14 - 20.

2.7. Устройства для присоединения трубопроводов

 

Присоединение технологических трубопроводов для подвода и отвода различных жидкостей и газов, а также контрольно-измерительных приборов и предохранительных устройств к аппарату производят с помощью штуцеров. Стальные фланцевые штуцера стандартизованы и представляют собой патрубки, выполненные из труб с приваренными к ним фланцами. Штуцера с плоскими приваренными фланцами имеют гладкую уплотнительную поверхность (рис.2.6), их применяют при Р £1,6МПа и t £300 °С. Назначение штуцеров для аппаратов рассмотрено в табл. 21. Расположение штуцеров на эллиптических и плоских крышках приведено на рис 2.7, 2.8, расположение штуцеров на днищах - на рис. 2.9. Для входа и выхода теплоносителя на рубашке устанавливают два штуцера (K и K₁). Их расположение показано на рис.2.13. Диаметры условного прохода штуцеров в зависимости от типа крышки и диаметра корпуса указаны в табл. 22.

	Рис. 2.6. Штуцер

баб

а

Рис. 2.7. Расположение штуцеров на эллиптических крышках: а – для аппаратов D = 1000 -1200 мм; б – для аппаратов D = 1800 -3000 мм

баб

а

	Рис.2.8 Расположение штуцеров: а - на эллиптических крышках для аппаратов D = 1400-1600 мм; б – на плоских крышках

б)

Размеры штуцеров выбирают по диаметру условного прохода D и условному давлению Р_у (табл.23). Присоединение штуцеров к элементам корпуса производят с определённым вылетом (см. рис. 2.6. и табл.23).

Рис. 2.9 Расположение штуцеров на днищах аппаратов: а –на эллиптическом; б –на коническом

баб

а

а)

2.8. Опоры аппаратов.

 

Химические аппараты устанавливают на фундаменты или специальные несущие конструкции с помощью опор. Стандарт предусматривает три типа опор: тип 1 (лапы) - для аппаратов с рубашками и без теплоизоляции; тип 2 (лапы) - для аппаратов с теплоизоляцией; тип 3 (стойки) - для аппаратов с эллиптическими и коническими днищами. Стойки (рис.2.10) служат для установки аппаратов на фундамент. Расположение стоек на днищах показано на рис.2.11. Лапы (рис.2.12) применяют для крепления аппаратов на несущих конструкциях или между перекрытиями.

 

Рис.2.10. Стойки

 

 

Рис.2.11. Расположение стоек на днище аппарата

Рис.2.12. Лапы

 

Лапы размешают на корпусе или рубашке на расстоянии L=(0.35 ¸ 0.4) D от уплотнительной поверхности фланцев (рис. 2.13).

Стандартные опоры выбирают по требуемой нагрузке с учетом условия Q_табл ³ Q_расч , их не проверяют расчетом.

Расчетную нагрузку на одну опору Q_расч определяют следующим образом.

1. Задаются количеством опор, z. Лап должно быть не менее двух (z= 2;3;4), стоек - не менее трёх (z =3;4).

2. Определяют вес металла, из которого изготовлен аппарат:

(2.25)

где F - внутренняя поверхность корпуса, м², (см. табл. (1-4)); S - исполнительная толщина стенок, м; g - удельный вес металла, g= 78,5 . Коэффициент 1,1 учитывает: вес фланцев, штуцеров и т.д.

3. Определяют вес металлоконструкций, установленных на крышке аппарата (привод, стойка и т.д.):

G ₂ = 0,5 G _1. (2.26)

4. Рассчитывают вес воды, заполняющей аппарат при
гидравлических испытаниях:

G₃ = V×g, (2.27)

где V – внутренний объем аппарата (см. исходные данные); - удельный вес воды,. g = 10 .

 

Рис.2.13. Расположение лап и штуцеров

K, K₁ для теплоносителя на корпусе

с неразъемной сварной рубашкой

 

 

D	1000-1800	2000-2400	2600-3000
h	140	200	250
h1	300	300	400

 

5. Определяют максимальную нагрузку на одну опору:

(2.28)

где z - число опор; l = 1 (при z =2 и 3); l = 2 - при числе опор z = 4.

По табл. 24 или 26 выбирают опоры по условию Q_табл ³ Q_расч.