Аппарат с мешалкой. Цель и задачи проекта. Эскизный проект
 Скачать 1.23 Mb.
|
|
СОДЕРЖАНИЕ Введение . Цель и задачи проекта . Эскизный проект .1 Выбор конструкционных материалов .2 Расчетная температура. .3 Выбор допускаемых напряжений конструкционного материала .4 Определение рабочего, расчетного, пробного и условного давлений .5 Выбор и определение параметров комплектующих элементов .6 Эскиз компоновки аппарата .7 Оценка надежности выбранного варианта компоновки аппарата . Технический проект .1 Расчет элементов корпуса аппарата .1.1 Определение коэффициентов прочности сварных швов и прибавки для компенсации коррозии .1.2 Определение расчетной толщины стенок оболочек из условия прочности .1.3 Определение расчетной толщины стенок оболочек из условия устойчивости .1.4 Определение исполнительной толщины стенок оболочек .1.5 Определение допускаемых давлений .1.6 Укрепление отверстий .1.7 Фланцевые соединения .1.8 Расчет опор и монтажных цапф аппарата .2 Расчет элементов механического перемешивающего устройства .2.1 Валы мешалок .2.2 Мешалки .2.3 Шпоночное соединение ступицы мешалки с валом .2.4 Муфты .2.5 Сальниковое уплотнение Заключение Список использованных источников ВВЕДЕНИЕ Современное технологическое оборудование включает в себя разнообразные машины, аппараты и приборы. Машина это устройство, совершающее механические движения с целью выполнения полезной работы за счет преобразования энергии. Кинематической основой любой машины является механизм, т.е. устройство в виде системы тел, преобразующее движение одних тел в целесообразное движение других тел. Под термином аппарат в химической промышленности понимают устройство, в котором технологический процесс осуществляется за счет физико-химических превращений. Технологические процессы протекают при определенных давлении и температуре обрабатываемой среды. Аппараты обычно оснащаются различными машинами, механизмами, приборами (устройствами, выполняющими функции контроля, измерения, регулирования и управления), а также теплообменными устройствами. При проектировании технологического оборудования необходимо учитывать следующие требования: экономичность и надежность. Экономичность определяется затратами средств на проектирование, изготовление, монтаж, эксплуатацию и утилизацию оборудования после истечения его срока службы. Надежность - это свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение заданного срока службы (в химической промышленности 10-15 лет). Проектирование - это разработка общей конструкции изделия. Конструирование - это определение формы и размеров всех элементов общей конструкции изделия. Проект - комплекс текстовых и графических документов, полученных в результате проектирования и конструирования, и предназначенных для изготовления, контроля и эксплуатации изделия. При проектировании необходимо соблюдать правила проведения проектных работ и оформления конструкторской документации. Особое внимание при проектировании, изготовлении и эксплуатации уделяется аппаратам, работающим под давлением к которым, в частности, относятся аппараты с мешалкой. На всех стадиях создания и эксплуатации эти аппараты должны удовлетворять таким документам как «Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» (Правила Госгортехнадзора), обязательные для всех предприятий и организаций, проектирующих, изготавливающих и эксплуатирующих сосуды, работающие под давлением; государственные стандарты (ГОСТ), имеющие силу закона; и другая нормативно- техническая документация, распространяемая на данную отрасль или завод (отраслевой стандарт - ОСТ; альбом типовых конструкций - АТК; технические условия - ТУ; руководящий документ - РД; методические указания - МУ; стандарт предприятия - СТП и прочее). Правила Госгортехнадзора (Комитет по надзору за безопасным ведением работ в промышленности и горному надзору) определяют требования к устройству, изготовлению, монтажу, ремонту, испытаниям и эксплуатации сосудов, работающих под давлением. За нарушения правил Госгортехнадзора предусматривается личная ответственность должностных лиц и инженерно-технических работников. Правила Госгортехнадзора распространяется на сосуды, работающие под избыточным давлением свыше 0,07 МПа без учета гидростатического давления среды. Такие сосуды подлежат обязательной регистрации в органах Госгортехнадзора. Сосуды устанавливаются на открытых площадках или в отдельных зданиях, маркируются и оснащаются запорной арматурой (вентили, клапаны), приборами для измерения давления, температуры, уровня жидкости, а также предохранительными клапанами. Техническое задание на проект содержит общие сведения о назначении, рабочих параметрах агрегата, эксплуатационных требованиях, сроках проектирования. Эскизный проект (ГОСТ 2.119-73,[2]) предусматривает обоснование выбора и разработку одного или нескольких вариантов изделия, и дает общее представление об устройстве и принципе действия агрегата, его параметрах, габаритах и стоимости. Технический проект (ГОСТ 2.120-73,[2]) опирается на результаты эскизного проекта и более подробно охватывает расчет и конструирование большинства деталей и узлов. После технико-экономического анализа с участием заказчика окончательно отбирается оптимальный вариант изделия. Рабочая конструкторская документация (ГОСТ 2.109-73,[2]) - заключительная стадия выполнения проекта, предусматривает разработку сборочных чертежей машины или аппарата, их сборочных единиц и деталей; спецификации на материалы, стандартные и покупные изделия; чертежи на упаковку и транспортировку, монтаж, испытания и т.д. На заводе изготовителе проектно-конструкторская документация изучается и используется для подготовки производства, т.е для приобретения необходимых материалов, комплектующих, наладки технологического оборудования, и для организации изготовления спроектированного оборудования. 1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТА Цель курсового проектирования - развитие навыков практического применения знаний, получаемых в ходе изучения цикла общеинженерных дисциплин. С учетом характера будущей инженерной деятельности, одной из тем курсового проекта предлагается «Проектирование аппарата с мешалкой». Аппарата с мешалкой - один из наиболее распространенных видов химико-технологического оборудования. Он состоит из типовых элементов, встречающихся во многих аппаратах различного назначения: корпус, привод, теплообменные устройства, фланцевые соединения, уплотнение валов и др. Методики расчетов, используемые при проектировании аппарата с мешалкой, типичны, т.е. являются общими для многих других видов оборудования. Основные задачи: а) освоение основ методики проектирования; б) выбор материалов и конструктивное оформление аппарата в соответствии с заданными технологическими параметрами процесса; в) грамотное использование общероссийских и отраслевых нормативных материалов (ГОСТы, ОСТы, правила Госгортехнадзора и т.п.), касающихся устройства, выбор рабочих параметров и правил эксплуатации оборудования предприятий химической промышленности; г) выполнение проектных и проверочных расчетов, позволяющих выявить соответствие аппарата требованиям эксплуатации (при этом особое внимание следует обращать на вскрытие резервов несущей способности стандартизованных элементов и повышение производительности оборудования); д) грамотный доклад и защита принятых технических решение на заседании комиссии по приему курсовых проектов. 2. ЭСКИЗНЫЙ ПРОЕКТ .1 Выбор конструкционных материалов Основным конструкционным материалом корпусов аппаратов, работающих под давлением в коррозионной среде и при высокой температуре являются стали, отличающиеся высокой прочностью, коррозионной стойкостью и термостойкостью. Выбираем основной конструкционный материал в соответствии с условиями эксплуатации рассматриваемого элемента аппарата. Качественные углеродистые стали: - ГОСТ 1050-88 К - ГОСТ 5520-79 .2 Расчетная температура Механические характеристики материалов существенно изменяются в зависимости от температуры. Расчетная температура стенки - температура, при которой определяются физико-механические характеристики, допускаемые напряжения и проводится расчет на прочность элементов сосуда. Расчетная температура определяется на основании тепловых расчетов или результатов испытаний. tp=tc=1000С,(1) где tр - расчетная температура стенок корпуса аппарата, 0С; tс - температура среды, соприкасающейся со стенкой аппарата, 0С. Для элементов аппарата, не имеющих контакта с рабочей средой или теплоносителем, tр=200С. .3 Выбор допускаемых напряжений конструкционного материала Допускаемые напряжения материалов для рабочих условий определяется по формуле [s]=h1h2s*,(2) где s - нормативное допускаемое напряжение при расчетной температуре для выбранного материала, Па; h1 - поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки рассчитываемого элемента (s=1 для листового проката, s=0,8 для отливок, подвергающихся индивидуальному контролю неразрушающими методами); h2 - поправочный коэффициент, учитывающий степень опасности рабочей среды (для взрыво- и пожароопасных сред 2=0,9, в остальных случаяхh2 =1). Нормативные допускаемые напряжения * для элементов корпуса из сталей марок 20,20К: *s20=147 МПа, *100=142 МПа [1]. [s]20=1*0,9*147*106=132,3*106Па=132,3МПа [s]100=1*0,9*142*106=127,8*106Па=127,8МПа Нормативные допускаемые напряжения * для валов и крепежных изделий фланцевых соединений из стали марки 20: *20=130МПа, *100=126МПа [1]. [s]20=1*0,9*130*106=117*106Па=117МПа [s]100=1*0,9*126*106=113,4*106Па=113,4МПа Таблица 1 Материалы и допускаемые напряжения элементов аппарата
.4 Определение рабочего, расчетного, пробного и условного давлений Рабочее, расчетное, пробное и условное давление относятся к параметрам, которые подлежат предварительному определению. Данные параметры устанавливаются в соответствии с правилами Госгортехнадзора ПБ 10-115-96 и ГОСТ 14249-89. Рабочее давление рраб - максимальное внутреннее избыточное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса без учета гидростатического давления среды и без учета допустимого кратковременного повышения давления во время срабатывания предохранительного клапана или других предохранительных устройств. Таким образом, рабочее давление - это избыточное давление газа над слоем жидкости, рраб=ри. рраб = ри.= 0,9 МПа(3) Гидростатическое давление рг - максимальное давление столба жидкости в аппарате, Па: рг=рсgНс,(4) где рс - плотность рабочей среды, кг/м3; g=9,8 - ускорение свободного падения, м/с2; Нс - уровень жидкости в аппарате, м. рг=840*9,8*3,6*10-6=0,03 МПа Гидростатическое давление обычно существенно меньше рабочего. Относительную, в процентах, величину гидростатического давления ∆р рассчитывают по формуле: ∆р=(рг/рраб)100%(5) ∆р=(0,03/0,9)*100%=3,3% Расчетное внутреннее давление рр.в - давление, на которое производится расчет элементов аппарата на прочность, Па. Если на элемент корпуса действует гидростатическое давление меньше 5% от рабочего, то его не учитывают. рг < 5% рраб =>не учитываем рр.в = рраб+рг(6) рр.в = 0,9МПа Расчетное наружное давление рр.н определяется по формуле: рр.н = ра-р0(7) где ра=105 - атмосферное давление, Па; р0 - остаточное давление в корпусе, Па; рр.н =105-0,05*106=0,05*106Па=0,05МПа Пробное давление рпр - максимальное избыточное давление, создаваемое при гидравлических (пневматических) испытаниях сосудов и аппаратов с целью проверки их на прочность и герметичность. рпр=1,25рр.в[s]20/[s]100(8) рпр=1,25*0,9*106*132,3*106/127,8*106=1,16*106Па=1,16МПа Условное давление ру- расчетное давление при температуре 200С, используемое при выборе и расчете на прочность стандартных элементов аппарата (узлов, деталей, арматуры). ру ≥ рр.в[s]20/[s]100(9) где ру - условное давление (МПа) выбирается из стандартного ряда: 0,25; 0,3; 0,4; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5 и т.д. ртр = 0,9*106*132,3*106/127,8*106=0,93*106Па=0,93МПа => ру = 1МПа Таблица 2 Расчетное, пробное, условное давление в аппарате
.5 Выбор и определение параметров комплектующих элементов Выделяются следующие основные составные элементы аппарата с мешалкой: ) корпус, включающий ряд элементов и устройств (змеевик, крышка корпуса и т.д.); ) привод механического перемешивающего устройства; ) вал мешалки; ) мешалка; ) муфта вала; ) уплотнение вала мешалки. .6 Эскиз компоновки аппарата На эскизе проставляют не все, а лишь конструктивные, габаритные, присоединительные и установочные размеры. Таблица 3 Рекомендуемое расстояние hм
.7 Оценка надежности выбранного варианта компоновки аппарата Надежность химического оборудования - комплексное свойство, сочетающее безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Под безотказностью понимают свойство элемента оборудования непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение определенного периода времени. λΣ=λк+λпр+λуп(10) где λк,λпр,λуп - интенсивности отказа корпуса аппарата, его привода и уплотнения соответственно, час-1; λΣ - интенсивность отказов аппарата в целом, час-1. λΣ=(1,5+11+3)*10-5=15,5*10-5 час-1 При известной интенсивности отказов аппарата вероятность его безотказной работы РАП(t) определяется формулой: РАП(t)=е-λΣt(11) РАП(t)=е-15,5*10-5t Средняя продолжительность безотказной работы аппарата Тср: Тср=∫РАП(t)dt=1/λΣ(12) Тср=1/15,5*10-5=6452 час Вероятность безотказной работы РАП(t) позволяет также обоснованно выбрать продолжительность Тэ периодов эксплуатации аппарата между обслуживанием и плановыми ремонтами. Параметр Тэ находится из условия, что вероятность безотказной работы аппарата не может быть ниже некоторого предельного значения Рпред ,т.е. е- λΣ Тэ= Рпред(13) Отсюда Тэ=-ln Рпред/ λΣ(14) Тэ=-ln 0.8/15.5*10-5=1440 час Предельная вероятность Рпред, определяющая степень надежности оборудования, назначается в зависимости от свойств рабочей среды (токсичность, пожаро- и взрывоопасность), а также от рабочих параметров процесса. Для пожаро- и взрывоопасных рабочих сред или тяжелых режимов функционирования (tp ≥ 2000с и ри ≥ 1МПа) в качестве предельного значения вероятности безотказной работы принимается значение 0,8. 3. ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОЕКТ .1 Расчет элементов корпуса аппарата .1.1 Определение коэффициентов прочности сварных швов и прибавки для компенсации коррозии В прочностные расчеты вводится коэффициент прочности сварного шва φ ≤ 1, несколько уменьшающий допускаемые напряжения [s] материала. Величина коэффициента φ принимается в соответствии с правилами Госгортехнадзора и зависит от назначения аппарата, типа сварного соединения, способа сварки и длины контролируемых швов. У аппаратов, предназначенных для взрывоопасных и пожароопасных веществ φ=0,9 при 100% контроле швов. Элементы аппарата, находящиеся в контакте с рабочей средой, из-за коррозии с течением времени уменьшаются по толщине. Прибавка для компенсации коррозии к расчетным толщинам конструктивных элементов определяется по формуле с=П*Та(15) где с - прибавка для компенсации коррозии, м; П - скорость коррозии м/год; Та - срок службы аппарата, лет. с=0,001*10=0,01м=1мм .1.2 Определение расчетной толщины стенок оболочек из условия прочности Несоблюдение условия прочности может привести к разрушению (разрыву) оболочки. а) Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки из условия прочности, м: Sцр1=(pрвD)/(2φ[s]-pрв)(16) где pрв - расчетное внутреннее давление, Па; D - внутренний диаметр обечайки, м; [s] - допускаемое напряжение, Па; φ - коэффициент прочности сварного шва. Sцр1=0,9*10-6*3 = 11,78*10-3м=11,78мм *0,9*127,8*10-6-0,9*10-6 б) Расчетная толщина стенки эллиптической крышки (днища) из условия прочности, м: Sэр1=(pрвD)/(2φ[s]-0,5pрв)(17) Sэр1=0,9*10-6*3 = 11,76*10-3м=11,76мм *0,9*127,8*10-6-0,5*0,9*10-6 .1.3 Определение расчетной толщины стенок оболочек из условия устойчивости а) Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки из условия устойчивости, м: Sцр2=D[(ppнnyeц)/(2,08ЕD)]0.4(18) где D - внутренний диаметр обечайки, м; ppн - расчетное наружное давление, Па; ny=2,4 - коэффициент запаса устойчивости; Е - модуль продольной упругости материала оболочки при расчетной температуре, Па; eц - расчетная длина цилиндрической обечайки (м), определяемая по формуле: eц=Н1+2а1+2а2 eц=3,3+2*0,04+2*0,25*3/3=3,88м | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||