Методическое пособие к выполнению курсового проекта по механике
Расчет и конструирование химических реакционных
Емкостных аппаратов
Уфа - 2008
Составители: Васильев В.В., доцент, канд. техн. наук.
Зубаиров С.Г., профессор, доктор техн.наук.
Рецензенты: Ишемгужин Е. И., профессор, доктор техн. наук.
Кузеев Р.Н., профессор, доктор техн. наук.
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. Справочные таблицы к курсовому проекту по механике 4
1.1 Задание кафедры 4
1.2 Этапы курсового проектирования 5
1.3 Справочные таблицы к курсовому проекту по механике 6
Глава 2. Расчет корпуса аппарата 38
2.1 Конструктивные особенности корпусов аппаратов 38
2.2 Выбор комплектующих элементов и материалов 40
2.3 Расчет корпуса аппарата на прочность 42
2.4 Варианты конструкций корпусов 47
Глава 3. Расчет элементов механического перемешивающего устройства 55
3.1 Расчет мешалок 55
3.1.1 Типы и параметры мешалок 55
3.1.2 Расчет мешалок 69
3.1.3 Определение осевого усилия вала 72
3.1.4 Подшипники качения 72
3.2 Расчет вала вертикального перемешивающего устройства 72
3.2.1 Расчет вала на виброустойчивость 73
3.2.2 Проверка прочности на кручение и изгиб 75
3.2.3 Проверка на жесткость 79
Глава 4. Расчет опор корпуса химических аппаратов 80
4.1 Расчет опор 80
Глава 6. Уплотнение вращающихся валов 91
6.1 Сальниковые уплотнения 91
6.2 Торцовое уплотнение 93
6.3 Расчет уплотнений 94
Глава 7. Фланцевые соединения аппаратов 95
7.1 Фланцы 95
7.2 Расчет фланцевых соединений 98
Пример расчета 109
ЛИТЕРАТУРА 147
ВВЕДЕНИЕ
Справочные таблицы предназначены в помощь студентам технологических специальностей при выполнении курсового проекта по механике на тему: “Расчет и конструирование химических реакционных емкостных аппаратов”.
|
|
Выполнение курсового проекта по расчету и конструированию химических реакционных емкостных аппаратов готовит студентов к выполнению последующих проектов по специальным дисциплинам и дипломному проектированию. Студент получает навыки использования справочной и методической литературы, самостоятельного проектирования; оформления расчетно-пояснительной записки, разработки чертежей по выполненным расчетам и защиты проекта перед комиссией.
Аппараты с перемешивающими устройствами широко используются при проведении основных технологических процессов в химической и биохимической промышленности. На практике наибольшее распространение получил механический метод перемешивания жидких сред в аппарате, состоящем из корпуса и перемешивающего устройства. Отраслевыми стандартами Минхимнефтемаша установлены конструкции и параметры специальных составных частей аппаратов с мешалками, что позволяет осуществить компоновку аппарата из типовых элементов (корпуса, мешалки, уплотнения вала, привода перемешивающего устройства и т.д.) В частности привод выбирается по ОСТ 26-01-1205-95 в соответствии с частотой вращения мешалки, номинальным давлением в корпусе аппарата. Одновременно устанавливается тип уплотнения для вала мешалки: сальниковое или торцовое. Необходимо учитывать, что приводы типа I и 3 с концевой опорой в аппарате для вала мешалки не надежны в эксплуатации при воздействии абразивной или коррозионной активной среды на вал и вкладыш подшипника. Типоразмер мотор-редуктора (электродвигателя в сборе с редуктором) выбирается в соответствии с заданной частотой вращения вала мешалки и потребляемой мощности электродвигателя.
|
|
Глава 1. СПРАВОЧНЫЕ ТАБЛИЦЫ
к курсовому проекту по механике
1.1 Задание кафедры
Рассчитать и сконструировать химический реакционный емкостный аппарат. Результаты проекта представить в виде следующих технических документов:
1) Пояснительная записка к курсовому проекту
2) Сборочный чертеж химического аппарата на формате А1
3) Рабочие чертежи вала мешалки и втулки мешалки
4) Спецификация на текстовую и графическую документацию
1.2 ЭТАПЫКУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
1 неделя. 1. Введение (область применения, описание конструкции аппарата, назначение основных узлов, деталей).
2. Выбор материалов.
3. Расчетная часть.
3.1. Расчет геометрических размеров аппарата (высота цилиндрической части обечайки, расчет толщины стенки обечайки и днища под действием внутреннего и наружного давления, выбор исполнительной толщины обечайки и днища).
2 неделя. 3.2. Подбор привода. Эскиз.
3.3. Выбор уплотнения. Эскиз.
3.4. Расчет элементов механического перемешивающего устройства.
3.4.1. Расчет вала мешалки (расчетная схема вала, проверка на отсутствие резонанса, проверка на изгиб и кручение, расчет на жесткость).
3.неделя. 3.4.2. Подбор подшипников качения (расчетная схема, подбор подшипников по динамической грузоподъёмности, эскиз)
3.4.3. Расчет мешалки. Эскиз.
4 неделя. З.5. Выбор и проверочный расчет опор аппарата. Эскиз.
|
|
3.6. Подбор муфты. Эскиз.
3.7. Подбор фланцевого соединения.
5 неделя. 3.7.1. Расчет уплотнения фланцевого соединения.
4. Подбор штуцеров и люков. Эскиз.
5. Заключение.
6. Литература
6 неделя. Общий вид аппарата в тонких линиях.
7 неделя. Общий вид аппарата. Чертеж 2-х узлов. Спецификации к общему виду и узлам.
8 неделя. Пояснительная записка. Допуск к защите курсового проекта.
| номер варианта | Номинальный объем, V м3 | Внутренний диаметр D, мм | Исполнение корпуса | Параметры мешалки | Давление в корпусе | Давление в рубашке, избыточное Pруб, МПа | Уровень жидкости в корпусе Нж /D | Параметры среды | ||||||||
| Наименование | Концентрация, % | |||||||||||||||
| Шифр | Диаметр dм, мм | Частота вращения n, мин -1 | Потребляемая мощность N 1 квт | Избыточ-ное Pи, МПа | Остаточное P0, МПа | Температура t, С | Плотность p, кг/м3 | |||||||||
| 0,8 | 1,3 | 0,01 | — | 1,2 | КОН, водный р-р | |||||||||||
| 2,4 | 0,85 | 0,02 | 0,35 | 1,0 | КОН, водный р-р | |||||||||||
| 0,3 | 1,25 | 0,05 | — | 0,8 | КОН, водный р-р | |||||||||||
| 2,5 | 0,8 | 0,05 | 0,8 | 0,8 | Нефть | — | ||||||||||
| 0,75 | 0,02 | 0,5 | 0,8 | Нефть | — | |||||||||||
| 3,6 | 1,35 | 0,01 | — | 0,6 | Нефть | — | ||||||||||
| 1,25 | 2,45 | 0,5 | 0,05 | 0,35 | 1,0 | HNO3, водный р-р | ||||||||||
| 1,25 | 0,4 | 0,25 | 0,02 | — | 1,0 | HNO3, водный р-р | ||||||||||
| 1,25 | 4,3 | 1,4 | 0,05 | — | 0,8 | HNO3, водный р-р | ||||||||||
| 1,25 | 2,5 | 0,9 | 0,01 | 0,35 | 0,8 | AlCl3, водный р-р | ||||||||||
| 1,25 | 1,0 | 0,5 | 0,01 | — | 0,8 | AlCl3, водный р-р | ||||||||||
| 1,25 | 4,0 | 0,25 | 0,05 | 0,25 | 0,6 | AlCl3, водный р-р | ||||||||||
| 1,6 | 3,5 | 1,5 | 0,02 | — | 1,2 | H2SO4, водный р-р | ||||||||||
Таблица 1.1 Исходные данные для курсового проектирования
Продолжение табл. 1.1
| l0 | ||||||||||||||||
| 1,6 | 2,1 | 0,8 | 0,05 | 0,3 | 1,2 | H2SO4, водный р-р | ||||||||||
| 1,6 | 2,4 | 0,45 | 0,05 | — | 1,0 | H2SO4, водный р-р | ||||||||||
| 1,6 | 2,4 | 0,25 | 0,01 | 0,5 | 1,0 | Нефть | — | |||||||||
| 1,6 | 5,0 | 0,2 | 0,02 | — | 1,4 | Нефть | — | |||||||||
| 1,6 | 2,1 | 0,9 | 0,01 | 0,35 | 1,2 | Нефть | — | |||||||||
| 2,15 | 1,55 | 0,01 | 0,5 | 0,6 | NH4OH, водн, р-р | |||||||||||
| 4,6 | 0,75 | 0,02 | — | 1,0 | NH4OH, водн, р-р | |||||||||||
| 2,2 | 0,25 | 0,02 | — | 1,0 | NH4OH, водн, р-р | |||||||||||
| 2,3 | 0,4 | 0,05 | 0,9 | 0,8 | Глицерин | — | ||||||||||
| 4,0 | 1,45 | 0,02 | 0,35 | 1,2 | Глицерин | — | ||||||||||
| 4,2 | 1,0 | 0,05 | — | 1,2 | Глицерин | — | ||||||||||
| 2,5 | 2,1 | 0,25 | 0,05 | — | 1,0 | HNO3, водный р-р | ||||||||||
| 2,5 | 2,0 | 1,0 | 0,01 | 0,3 | 1,0 | HNO3, водный р-р | ||||||||||
| 2,5 | 6,0 | 1,5 | 0,05 | — | 0,8 | HNO3, водный р-р | ||||||||||
| 2,5 | 2,3 | 0,55 | 0,02 | 0,3 | 0,6 | Глицерин | — | |||||||||
| 2,5 | 4,15 | 0,55 | 0,05 | 0,5 | 1,4 | Глицерин | — | |||||||||
| 2,5 | 1,9 | 0,75 | 0,05 | — | 1,2 | Глицерин | — | |||||||||
| 3,2 | 2,0 | 1,2 | 0,05 | — | 1,0 | H2SO4, водный р-р | ||||||||||
| 3,2 | 6,2 | 0,9 | 0,02 | 0,5 | 1,0 | H2SO4, водный р-р | ||||||||||
| 3,2 | 4,0 | 0,6 | 0,01 | — | 0,8 | H2SO4, водный р-р | ||||||||||
Продолжение табл. 1.1
| 3,2 | 4,85 | 0,3 | 0,02 | 0,35 | 0,8 | HNO3, водный р-р | |||||||||
| 3,2 | 9,3 | 0,95 | 0,05 | — | 0,8 | HNO3, водный р-р | |||||||||
| 3,2 | 5,0 | 0,9 | 0,01 | 0,3 | 0,8 | HNO3, водный р-р | |||||||||
| 3,2 | 4,3 | 1,45 | 0,02 | 0,35 | 1,4 | NH4OH, водн, р-р | |||||||||
| 3,2 | 5,5 | 0,2 | 0,02 | — | 1,2 | NH4OH, водн, р-р | |||||||||
| 3,2 | 4,0 | 0,4 | 0.05 | — | 1,4 | NH4OH, водн, р-р | |||||||||
| 3,2 | 4,0 | 0,35 | 0,05 | 0,5 | 1,2 | Толуол | — | ||||||||
| 1,2 | 0,2 | 0,01 | — | 1,2 | Толуол | — | |||||||||
| 4,5 | 0,95 | 0,01 | 0,3 | 1,2 | Толуол | — | |||||||||
| 6,0 | 1,5 | 0,02 | — | 1,0 | КОН, водный р-р | ||||||||||
| 7,2 | 0,5 | 0,01 | 0,35 | 1,0 | КОН, водный р-р | ||||||||||
| 3,0 | 0,9 | 0,01 | 0,3 | 0,8 | КОН, водный р-р | ||||||||||
| 4,2 | 1,0 | 0,05 | — | 0,8 | Нефть | — | |||||||||
| 2,5 | 0,5 | 0,05 | — | 1,0 | Нефть | — | |||||||||
| 21 | 4,0 | 0,95 | 0,02 | 0,3 | 1,4 | Нефть | — | ||||||||
| 4,35 | 0,8 | 0,01 | 0,5 | 1,2 | HNO3, водный р-р | ||||||||||
| 6,0 | 0,2 | 0,02 | — | 1,0 | HNO3, водный р-р | ||||||||||
| 3,5 | 0,25 | 0,05 | — | 1,2 | HNO3, водный р-р | ||||||||||
| 1,8 | 0,5 | 0,05 | 0,35 | 1,0 | AlCl3, водный р-р | ||||||||||
| 3,8 | 1,35 | 0,02 | 0,35 | 1,0 | AlCl3, водный р-р |
Продолжение табл. 1.1
| 8,3 | 0,85 | 0,01 | — | 1,0 | AlCl3, водный р-р | ||||||||||
| 2,0 | 1,2 | 0,02 | — | 0,8 | H2SO4, водный р-р | ||||||||||
| 0,8 | 0,02 | 0,3 | 0,8 | H2SO4, водный р-р | |||||||||||
| 2,5 | 0,5 | 0,05 | — | 1,4 | H2SO4, водный р-р | ||||||||||
| 1,0 | 0,2 | 0,01 | 0,5 | 1,2 | Нефть | — | |||||||||
| 8,2 | 0,4 | 0,01 | 0,3 | 1,0 | Нефть | — | |||||||||
| 5,6 | 0,25 | 0,05 | — | 1,2 | Нефть | — | |||||||||
| 6,3 | 4,5 | 0,7 | 0,05 | — | 1,2 | NH4OH, водн, р-р | |||||||||
| 6,3 | 2,5 | 1,3 | 0,02 | 0,5 | 1,2 | NH4OH, водн, р-р | |||||||||
| 6,3 | 4,0 | 0,7 | 0,01 | — | 1,0 | NH4OH, водн, р-р | |||||||||
| 6,3 | 3,8 | 1,2 | 0,02 | 0,4 | 0,8 | Глицерин | — | ||||||||
| 6,3 | 2,0 | 0,75 | 0,05 | — | 0,8 | Глицерин | — | ||||||||
| 6,3 | 2,15 | 0,45 | 0,02 | 0,4 | 0,8 | Глицерин | — | ||||||||
| 6,3 | 3,9 | 0,8 | 0,01 | — | 1,4 | HNO3, водный р-р | |||||||||
| 6,3 | 0,2 | 0,01 | 0,4 | 1,2 | HNO3, водный р-р | ||||||||||
| 6,3 | 4,1 | 0,75 | 0,02 | 0,35 | 1,4 | HNO3, водный р-р | |||||||||
| 6,3 | 9,2 | 0,8 | 0,05 | — | 1,2 | Глицерин | — | ||||||||
| 6,0 | 0,5 | 0,05 | — | 1,2 | Глицерин | — | |||||||||
| 5,0 | 0,5 | 0,01 | 0,9 | 1,2 | Глицерин | — | |||||||||
| 2,0 | 0,25 | 0,01 | — | 1,0 | HNO3, водный р-р |
Продолжение табл. 1.1
| 4,2 | 0,15 | 0,02 | 0,3 | 1,0 | HNO3, водный р-р | ||||||||||
| 6,0 | 0,45 | 0,02 | — | 0,8 | HNO3, водный р-р | ||||||||||
| 6,0 | 0,7 | 0,05 | 0,35 | 0,8 | H2SO4, водный р-р | ||||||||||
| 3,8 | 0,8 | 0,01 | — | 1,4 | H2SO4, водный р-р | ||||||||||
| 0,4 | 0,02 | 0,3 | 1,2 | H2SO4, водный р-р | |||||||||||
| 9,0 | 0,1 | 0,01 | 0,5 | 1,4 | HNO3, водный р-р | ||||||||||
| 3,5 | 0,2 | 0,02 | — | 1,0 | HNO3, водный р-р | ||||||||||
| 2,4 | 0,5 | 0,05 | — | 1,2 | HNO3, водный р-р | ||||||||||
| 0,8 | 0,02 | 0,3 | 1,2 | NH4OH, водн, р-р | |||||||||||
| 5,0 | 0,9 | 0,02 | — | 1,0 | NH4OH, водн, р-р | ||||||||||
| 6,0 | 0,55 | 0,01 | 0,35 | 1,0 | NH4OH, водн, р-р | ||||||||||
| 2,0 | 0,75 | 0,01 | — | 1,0 | Толуол | — | |||||||||
| 3,0 | 0,8 | 0,05 | 0,35 | 0,8 | Толуол | — | |||||||||
| 3,5 | 0,5 | 0,02 | — | 1,6 | Толуол | — | |||||||||
| 0,2 | 0,01 | 0,3 | 1,4 | КОН, водный р-р | |||||||||||
| 6,2 | 0,4 | 0,05 | 0,45 | 1,2 | КОН, водный р-р | ||||||||||
| 2,8 | 0,25 | 0,02 | — | 1,2 | КОН, водный р-р | ||||||||||
| 12,5 | 1,9 | 0,45 | 0,05 | — | 1,2 | Нефть | — | ||||||||
| 12,5 | 0,9 | 0,05 | 0,45 | 1,0 | Нефть | — | |||||||||
| 12,5 | 5,3 | 0,8 | 0,02 | 0,3 | 1,4 | Нефть | — |
Таблица 1.2 Коррозионная стойкость материалов
| Среда | Стали | Алюминий (ГОСТ 4784-65) | Медь (ГОСТ 859-66) | Полиэтилен (ВТУМХП 4138-55) | Фторопласт- 4 (ГОСТ 10007-62) | Резины | Эмаль кислотоупорная | ||||||||
| Наименование | Концентр., % (водный р-р) | t, 0C | Ст. 3; 10; 20 | 35 XM | X5M | X18H10T | X17H13M2T | 0X23H28 M3Д3Т | “КЩ” (ГОСТ 7338-65) | «Илирит» (ВТУ ПУ-103-61) | |||||
| З | |||||||||||||||
| Н | Н | Н | В | В | В | Н | Н | В | В | В | В | В | |||
| А1С1з | — | — | — | X | — | В | Н | Н | В | В | В | В | В | ||
| — | — | — | — | X | Н | Н | — | В | — | В | В | ||||
| В | В | В | В | В | В | X | Н | В | В | О | В | В | |||
| NH4OH | X | В | В | В | В | В | — | Н | — | В | — | — | В | ||
| кип. | X | — | — | В | В | X | — | Н | — | В | — | — | — | ||
| X | В | В | В | В | В | Н | В | В | В | В | В | Н | |||
| КОН | X | X | X | В | В | В | — | В | X | В | — | В | Н | ||
| кип. | — | Х | X | В | В | — | — | В | — | В | — | — | — |
Продолжение табл. 1.2
| Н | — | — | В | В | В | О | Н | В | В | X | Н | В | |||
| HNO3 | Н | — | — | В | В | В | Н | — | — | В | Н | — | В | ||
| кип. | Н | — | — | В | В | В | Н | — | — | В | — | — | В | ||
| Н | Н | Н | В | X | В | В | Н | Н | В | Н | Н | В | |||
| HNO30 | — | — | — | Н | Н | X | X | — | — | В | — | — | В | ||
| кип. | — | — | — | Н | Н | X | — | — | — | В | — | — | В | ||
| Н | Н | Н | Н | В | В | Н | — | В | В | В | В | В | |||
| H2SO4 | Н | Н | Н | Н | Н | X | Н | — | — | В | — | X | В | ||
| кип. | Н | Н | Н | Н | Н | — | — | — | В | — | — | В | |||
| Глице- рин (tкип. 2900C) | Н | В | В | В | В | В | В | В | В | В | В | В | В | ||
| Н Н | В — | В — | В В | В В | В В | В В | X — | Н — | В — | — — | Х — | — — | |||
| В | В | В | В | В | В | В | Н | Н | В | Н | В | В | |||
| Heфть | В | В | В | В | В | В | В | Н | — | В | — | — | — | ||
| кип. | В | В | В | В | В | В | В | Н | — | — | — | — | — |
Продолжение табл. 1.2
| Толуол (tкип. = 1100С) | — | кип. | В В X | — — — | — — — | В В В | В В В | В В В | В — — | В — — | Н Н — | В В В | Н — — | Н — — | В В В |
| Вода | — | кип. | X — | В — — | В — — | В В В | В В В | В В В | В В В | В В В | В — — | В В В | В Н — | В Н — | В В В |
Условные обозначения стойкости: В – для П ≤ 0,1∙10-3 м/год (вполне стойкие);
Х – для П ≤ 1,0∙10-3 м/год (стойкие);
О – для П ≤ 3,0∙10-3 м/год (относительно стойкие);
Н – для П > 3,0∙10-3 м/год (нестойкие);
Таблица 1.3 Нормативные допускаемые напряжения σ, МПа, для сталей
| t, 0C | Ст. 3 по ГОСТ 3880-71 | 10 по ГОСТ 1050-60 | 20 и 20к по ГОСТ 1050-60 | 35ХМ по ГОСТ 4543-71 | Х5М по ГОСТ 5632-72 | Х18Н10Т, Х17Н13М2Т по ГОСТ 5632-72 | 0Х23Н28М3Д3Т по ГОСТ 5632-72 |
Примечание: Сталь 35ХМ рекомендуется для крепежных изделий
Таблица 1.4 Расчетные значения модуля упругости Е 10-11,Па
| Стали | Температур a t, °C | |||||||
| 10О | ||||||||
| Углеродистая Легированная | 1,99 2,00 | 1,91 2,00 | 1,86 1,99 | 1,81 1,97 | 1,71 1,91 | 1,55 1,81 | — 1,68 | — 1,53 |
Таблица 1.5 Предельные температуры использования материалов
| Материалы | ГОСТ или ТУ | tmin, 0C | tmax, 0С |
| Ст. З сп | ГОСТ 380-71 | -20 | +425 |
| 10, 20, 20 к | ГОСТ 1050-60 | -20 | +425 |
| 35XM | ГОСТ 4543- 71 | -40 | +425 |
| Х5М | ГОСТ 5632-72 | -40 | +560 |
| Х18Н10Т, Х17H13M2T | ГОСТ 5632-72 | -196 | +600 |
| 0X23H28M3Д3T | ГОСТ 5632 -72 | -60 | +400 |
| Алюминий АДО | ГОСТ 4784-65 | -253 | +150 |
| Медь M2,M3 | ГОСТ 859-66 | -269 | +250 |
| Полиэтилен | ВТУМХП4I38-55 | -60 | +75 |
| Фторопласт -4 | ГОСТ 10007-62 | -269 | +260 |
| Резина „ Илирит" | ВТУ ЛУ 109-61 | -30 | +80 |
| Резина „КЩ" | ГОСТ 7338-65 | -30 | +130 |
| Эмаль кислотоупорная | — | -20*) | +300 |
*) В покрытиях на углеродистых сталях
Таблица 1.6 Коэффициенты линейного расширения сталей αt∙106 1/град
| Марка стали | Температура t, °C | |||
| 20-100 | 20-200 | 20-300 | 20-400 | |
| Ст. З | 11,9 | 12,4 | 12,9 | 13,3 |
| 12,2 | 12,5 | 12,8 | 13,3 | |
| 12,0 | 12,4 | 12,9 | 13,3 | |
| 35ХМ | 13,1 | 13,3 | 13,8 | 14,2 |
| Х5М | 12,0 | 12,1 | 12,2 | 12,3 |
| Х18Н10Т | 16,6 | 17,0 | 17,2 | 17,5 |
| Х17Н13М2Т | 15,7 | 16,1 | 16,7 | 17,2 |
| 0Х23Н28М3ДЗТ | 15,4 | 15,8 | 16,2 | 16,6 |
| Толщина, мм | Допуск. откл., мм |
| 4............................................... | -0,4 |
| 5……....................................... | -0,5 |
| 6.............................................. | -0,6 |
| 8, 10, 12, 14, 16, 18, | |
| 20, 22, 24 | -0,8 |
| 26, 28, 30 | -0,9 |
| 32, 34 | -1,0 |
|
| Общая толщина, мм | Защитный слой, мм |
| 8, 10, 12, 14 | 2,0 ÷ 3,0 |
| 16, 18, 20 | 2,5 ÷ 3,5 |
| 22, 24,25, 28, 30 | 3,5 ÷ 5,0 |
| 32, 36, 40 | 4,0 ÷ 6,0 |
| 45, 48,50 | 4,5 ÷ 7,0 |
| 53, 55, 60 | 5,0 ÷ 7,5 |
Таблица 1.8 Типы и область применения приводов по ОСТ 26-01-1225-75