Конструкция химического аппарата

Конструкция химического аппарата

На рис. I, I показан стальной аппарат с мешалкой. Он состоит из корпуса и перемешивающего устройства с приводом. Корпус включат в себя: цилиндрическую обечайку с приварным днищем и отъемной крышкой. Аппарат снабжен штуцерами, 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. Устанавливают аппарат на опоры-стойки или боковые опоры-лапы.

Привод состоит из моноблочного мотор - редуктора (или электродвигателя с различными механическими передачами), который устанавливается на стойке, закрепленной на опоре привода, приваренной к крышке аппарата. Выходной вал редуктора соединен с валом мешалки муфтой. Для герметизации аппарата в месте входа вала в крышку установлено уплотнение. Опорами вала являются  подшипники, расположенные в узле.

Указанные элементы и узлы являются общими для всех аппаратов. Конструкция и расчет этих элементов рассматриваются в следующих разделах.

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.

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.

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. На основании исходных данных на проектирование (внутренний объём V и внутренний диаметр аппарата D) определяется длина цилиндрической части корпуса l.

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

Цилиндрические обечайки

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

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

                                                                        S                             (1)

где, – давление в аппарате, МПа; – расчетное значение толщины стенки, мм; D – внутренний диаметр обечайки, мм; - допускаемое напряжение, МПа (зависит от марки стали и рабочей температуры). Марку стали выбирают в зависимости от свойств перерабатываемой среды, допускаемое напряжение .

Допускаемое внутреннее избыточное давление:

              (2)

Для стыковых и тавровых двухсторонних швов выполняемых автоматической сваркой, коэффициент прочности сварочного шва φ = 1; для тех же швов выполняемых вручную, φ = 0,9. Прибавка на коррозию  с   определяется по формуле c = V  ∙ T, где V – скорость коррозии (обычно применяют 0,1 – 0,2 мм/г), Т – срок службы аппарата (обычно принимают 10 -20 лет). Для материалов, стойких к перерабатываемой среде, и при отсутствии данных о скорости коррозии рекомендуют принимать с=2 мм. Толщину стенки, вычисленную по формуле (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 толщины стенки обечайки

1)SR = 3.59                                S ≥ SR + 2;   S ≥ 3.59 + 2 = 5.59 ≈ 6

   S = 6

2) a) S = 6мм

[p] = 0.063 МПа

рруб  > [р]

0.2 > 0.063 – следовательно, увеличиваем толщину стенки обечайки.

б)S = 8мм

[p] = 0.174 МПа

0.2 > 0.174 -  следовательно, увеличиваем толщину стенки обечайки.

в) S = 10мм

[p] = 0.35 МПа

0.2 < 0.35 – следовательно, толщина стенки обечайки равна 10мм.

Днища и крышки аппаратов приварные

Толщину эллиптического отбортованного днища нагруженного внутренним давлением определяют по формулам:

1)

S                                             (3)

S≥SR + c

S≥3,586 + 2

S≥5,566

S≥6

2) a) S=6мм

рруб > [р]

0.2 > 0.082 – следовательно, увеличиваем толщину стенки

б)S=8мм

[р]=0,224мм

рруб < [р] – следовательно, толщина днища равна 8мм.

Крышки отъемные

Отъемные крышки присоединяются к корпусу с помощью фланцев. При определении толщины стенки эллиптической крышки используют формулу (3).

Устройства для присоединения трубопроводов

Присоединение технологических трубопроводов для подвода 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 приварными фланцами имеют гладкую уплотнительную поверхность (рис 3), их применяют при P≤1,6 МПа и t≤300ºC. Диаметр условного прохода зависит от типа крышки и диаметра корпуса. Размеры штуцеров выбирают по диаметру условного прохода D и условному давлению Py. Присоединение штуцеров к элементам корпуса производят с определенным вылетом.

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 м/у уплотнительными поверхностями фланцев, 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 и с гладкой поверхностью.

Фланцы плоские приварные с гладкой уплотнительной поверхностью применяют при p<2.5 МПа и t<300ºC. Размеры таких фланцев для аппаратов выбирают по внутреннему диаметру аппарата и условному давлению. Для герметизации фланцевого соединения применяют прокладки различной конструкции.

Плоские неметаллические прокладки 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 400°С 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 -200СС до +250°С независимо от давления. Размеры прокладок выбирают по внутреннему диаметру аппарата D и условному давлению. 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 Pr :

, где Dcn – средний диаметр прокладки, PR=0.6

2. Рассчитывают реакции прокладки:

3. Определяем болтовую нагрузку при сборке РБ1:

Принимают наибольшее значение из трех расчетных:

4. Проверяем прочность болтов при монтаже по условию:

условие выполняется.

5. Проверяем прочность болтов при эксплуатации:

условие выполняется.

т.к. оба условия выполняются, количество болтов равно 60.

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 служат для установки аппаратов на фундамент. Лапы (рис. 4) применяют для крепления аппаратов на несущих конструкциях или между перекрытиями. Лапы размешают на корпусе или рубашке на расстоянии L=(0.35±0.4) от уплотнительной поверхности фланцев.

Стандартные опоры вбирают по требуемой нагрузке с учетом условия Qтабл ≥ Qрасч , их не проверяют расчетом.

Расчетную нагрузку на одну опору Qрасч определяют следующим образом.

1. Задаются количеством опор z. Лап должно быть не менее двух, стоек не менее трех.

2. Определяют вес металла из которого изготовлен аппарат:

Конструктивные схемы крепления валов перемешивающих устройств

В большинстве аппаратов химической технологии с целых
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) и вала с мешалкой. Мотор редуктор установлен на стойке, которая крепится к опоре (бобышке, привариваемой к крышке аппарата). В опоре установлено уплотнение, предназначенное для герметизации аппарата в месте прохождения вала мешалки через крышку. В качестве опор для консольных валов обычно используются подшипники качения расположенные в стойке. Для увеличения виброустойчивости валов применяют также опоры скольжения, устанавливаемые обычно в нижней части корпуса аппарата.

Вал мешалки может иметь с тихоходным валом редуктора жесткое или подвижное соединение.

В приводах с жестким соединением валов редуктора и мешалки применяют, как правило, продольно-разъемную муфту. В качестве одной из опор вала мешалки используется нижняя опора выходного вала редуктора.

Второй опорой может быть опора качения 10, установленная в
стойке   6   аппарата     (рис.3Л   а),    или              опора   скольжения   12, установленная в нижней части корпуса аппарата.