Проектирование перемешивающего устройства

1.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

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 lid > 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 арсенала и от безопасных до огне - и 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 - 250°С до +950°С.

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 ие подведомственные Госгортехнадзору.

Подведомственными Госгортехнадзору являются аппараты, в которых под избыточным давлением (свыше 0,7 МПа) содержатся огне -- и взрывоопасные и сильнотоксичные среды; горючие и агрессивные среды, независимо от их рабочих параметров, и аппараты без избыточного давления, но при эксплуатации которых возможно повышение в них 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

Стальной аппарат с мешалкой. Он состоит из корпуса и перемешивающего устройства с приводом. Корпус! 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 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 (у).

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.

1.2.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.

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.

Внутренний диаметр Dв = 1800 мм

Длинна цилиндрической части L = 1880 мм

Внутренняя поверхность корпуса F = 17,7

Внутренний обьем V = 3000 мі

Длинна цилиндрической части l = 4665 мм

Внутренняя поверхность корпуса Fв = 63,5 мІ

2.2 Цилиндрические обечайки

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

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

где p_R - давление в аппарате, МПа; я_н - расчетное значение толщины стенки, мм; D - внутренний диаметр обечайки, мм; [о\ допускаемое напряжение, МПа (зависит от марки стали и рабочей температуры). Марку стали выбирают в зависимости от свойств перерабатываемой среды но табл. 7, допускаемое напряжение [а\ - по табл. 8.

Допускаемое внутреннее избыточное давление:

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

где р_ру6- давление в рубашке. Полученное значение толщины стенки следует проверить на допускаемое наружное давление по формуле (ГОСТ 14249-80)

Здесь допускаемое давление из условия прочности определяется по формуле

По результатам расчета должно быть 0,2 > 0,

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.

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.

где p_R - давление в аппарате, МПа; я_н - расчетное значение толщины стенки, мм; D - внутренний диаметр обечайки, мм; [о\ допускаемое напряжение, МПа (зависит от марки стали и рабочей температуры). Марку стали выбирают в зависимости от свойств перерабатываемой среды но табл. 7, допускаемое напряжение [а\ - по табл. 8.

Допускаемое внутреннее избыточное давление:

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

где р_ру6- давление в рубашке. Полученное значение толщины стенки следует проверить на допускаемое наружное давление по формуле (ГОСТ 14249-80)

Здесь допускаемое давление из условия прочности определяется по формуле

3. Расчёт и конструирование перемешивающего устройства

3.1 Конструктивные схемы крепления валов перемешивающих устройств

В большинстве аппаратов химической технологии с целью интенсификации проводимых процессов или непосредственно для перемешивания различных компонентов используются перемешивающие устройства, которые состоят из привода (в качестве приводов перемешивающих устройств в химических аппаратах применяют в большинстве случаев различные типы моноблочных мотор - редукторов 1) и вала 4 с мешалкой 5 (рис. 3.1, 3.2).

3.2 Подбор узлов и деталей перемешивающего устройства. Выбор типа уплотнения

Для герметизации аппарата в месте ввода вала в крышку используют сальниковые или торцевые уплотнения применяют в аппаратах для переработки нетоксичных взрыво- и пожаробезопасных сред при давлении до 0,6 МПа. Торцевые уплотнения (рис.3.3 б) используют в аппаратах для переработки кислых и щелочных сред при давлении до 2.5МПа. Размеры уплотнения выбирают при выполнении 4-го этапа работы.

Выбор типа мотор-редуктора. В качестве приводов могут быть использован мотор-редуктор типа ВОМ, ВДМ, МГЮ-1 и МПО-2 (рис 3.4, 3.5). Это агрегаты, в которых конструктивно объединены электродвигатель и редуктор. Исходными данными для выбора мотор-редуктора служат требуемая мощность мешалки Р_м и частота ее вращения п_м.=270 об/мин

Требуемую мощность электродвигателя Р„_р определяют по условию

где Р=8,5 кВт - мощность на валу мешалки,; п_п.=0,98КПД подшипников, в которых установлен вал (в соответствии с конструктивной схемой подшипникового узла); п_м.=0,97- КПД механической передачи (редуктора); п_у.=0,98 КПД, учитывающий потери мощности в уплотнении; п_м.=0,98- КПД, учитывающий потери в муфте. Значения КПД элементов привода принимают по табл. 28,

Выбор типа муфты. Для соединения вала мешалки с валом мотор-редуктора используют продольно-разъёмную, упругую втулочно-пальцевую или зубчатую муфты. С помощью продольно-разъёмной и зубчатой муфт возможно соединение валов одинакового диаметра, а с помощью упругой втулочно-пальцевой муфты -соединение валов разных диаметров. Тип муфты определяется конструктивной схемой опорного узла вала-

11родольно-разъёмные муфты (рис 3.6, табл.38) изготовляют для диаметров валов от 30 до 125 мм. Корпус с продольным разъёмом состоит из двух полумуфт. На наружные поверхности полумуфты надевают кольца, которые стягивают шпильками и гайками. За счёт конусности наружных поверхностей полумуфты кольцами прижимаются к соединяемым валам. Концы валов обрабатывают под фиксирующее кольцо, состоящее из двух половин, скрепляемых пружинами.

Размеры муфты подбирают по диаметру вала мотор-редуктора d, и расчётному моменту следующим образом:

1) определяют угловую скорость вращения вала:

2)