Аппарат вертикальный с механическим перемешивающим устройством (стр. 1 из 5)

Химические аппараты предназначены для ведения в них одного или нескольких химических, физических или физико-химических процессов. Перерабатываемые в аппарате вещества могут быть в любом агрегатном состоянии и различной химической активности. Различными могут быть температурные режимы и давления.

Характер работы аппаратов бывает непрерывный и периодический, а установка их может быть стационарной (в помещении или на открытой площадке) и не стационарной (предусматривающей или допускающей перемещение аппарата).

Аппараты с перемешивающими устройствами являются наиболее распространенным видом оборудования, используемого в химической технологии для проведения различных физических и химических процессов. Выбор аппаратов с перемешивающими устройствами и конструктивные особенности аппаратов определяются характеристикой процесса, свойствами перемешиваемой среды, производительностью технологической линии, температурными параметрами процесса и давлением, при котором процесс осуществляется. Такое многообразие факторов, влияющих на выбор конструкции, затрудняют задачу оптимального проектирования аппаратов. Решение этой задачи требует знания гидродинамических, физических и химических механизмов процесса, зависит от наличия конструкционных материалов, степени разработки стандартных конструкционных решений и от возможностей расчета нетривиальных конструкций в тех случаях, когда стандартные методы конструирования становятся неприемлемыми.

Столь сложные проблемы могут быть решены лишь на основе детального изучения отдельных характеристик оборудования с тем, чтобы на этой основе выбрать те основные параметры аппарата, которые ответственны за скорость протекания процесса в целом и оказывают влияние на конструктивное его оформление.

Расчет заключается в определении конструктивных размеров аппарата и в выборе на их основе стандартной конструкции аппарата.

Исходные данные

Объем аппарата V= 0,40 м³.

Внутренний диаметр аппарата D=800 мм.

Высота корпуса аппарата Н=950мм.

Внутреннее давление в аппарате Р= 1,0 МПа,

Давление в рубашке Р_руб =0,5 МПа.

Среда в аппарате: анилин.

Концентрация вещества: С* = 3%.

Температура среды в аппарате t= 20°С.

Срок службы аппарата τ = 5 лет.

Тип мешалки: лопастная.

Число оборотов мешалки в минуту n = 85 об/мин.

Плотность: ρ = 1020 кг/м³.

Коэффициент динамической вязкости: М= 4,4 Па∙с

Марка стали: 08Х18Н10Т, любая толщина.

Скорость коррозии: П = 0,1 мм/год.

Рисунок 1 - Корпус аппарата Вода пресная: 20К.

Расчет выполняем по методике, изложенной в [1] ÷ [6].

1. Выбор конструкционных материалов и их механических характеристик

Согласно задания проекта применяем высоколегированную сталь 08Х18Н10Т. Это сталь аустенитного класса, обладает стойкостью почти ко всем средам, хорошо деформируется в горячем и холодном состоянии, легко сваривается. Скорость коррозии этой стали принята П=0,1 мм/год.

Допускаемые напряжения и модуль упругости.

Для стали 08Х18Н10Т (табл. Б1, приложение Б) находим:

Допускаемое напряжение при температуре 20°С [σ] ²⁰ =168 МПа, модуль упругости Е²⁰=2·10⁵ МПа, при температуре 100°С значения этих характеристик следующие: [σ] ¹⁰⁰=156 МПа =156 Н/мм², Е¹⁰⁰=2·10⁵ МПа.

Для материала рубашки (сталь 20К) допускаемое напряжение и модуль упругости также находим линейным интерполированием аналогично рассмотренному:

при 20°С [σ] ²⁰=147 МПа, Е²⁰=1,99·10⁵ МПа,

при 100°С [σ] ¹⁰⁰=142 МПа, Е¹⁰⁰=1,91·10⁵ МПа.

Значит принимаем, при t= 20°С:

[σ] ²⁰ =168 МПа (1)

Е²⁰=2,00·10⁵ МПа (2)

2. Расчет основных элементов аппарата

2.1 Определение расчетных параметров аппарата

2.1.1 Высота корпуса аппарата

Высоту корпуса аппарата находим, используя рис.1:

h₁=H- (H_э+100), (3)

где Н_э=0,25·D- высота эллиптической части крышки,

100 мм - размер, который примерно учитывает высоту цилиндрической отбортовки крышки и толщину фланца крышки.

Получаем:

h₁=950- (200+100) = 950 - 300 = 650 мм.

2.1.2 Высота жидкости в аппарате

Обычно принимают высоту жидкости в аппарате меньше высоты корпуса аппарата на 50-100 мм, получаем:

h_ж=h₁- (50…100) = 650- (50…100) =600…500 м. (4)

Для расчетов принимаем h_ж=600мм=0,6 м.

2.1.3 Расчетное внутреннее давление в аппарате

Расчетное внутреннее давление в аппарате складывается из заданного внутреннего давления и гидростатического давления среды:

Р_Р=Р+Р_Г, (5)

где Р_Г - гидростатическое давление среды.

Очевидно:

Р_Г= ρ·g·h_ж=1020·9,81·0,6=6003,72 Па≈0,006 МПа, (6)

здесь g=9,81 м/с² - ускорение свободного падения,

ρ=1020 кг/м³- плотность среды (см. таблицу Б1 приложения Б).

Оцениваем величину гидростатического давления по сравнению с давлением в аппарате

ΔР%= (Р_Г/р) ·100= (0,006/1,0) ·100=0,6% (7)

Если ΔР% ≤ 5%, то гидростатическое давление не учитывают (если ΔР% > 5%, то расчетное давление равно Р_Р= Р)

В нашем случае расчетное давление равно

Р_Р= Р = 1,0 МПа.

2.2 Расчет обечайки корпуса

В процессе работы аппарата обечайка испытывает следующие деформации:

растяжение в окружном направлении от внутреннего давления,

растяжение по высоте аппарата от осевой растягивающей силы,

объемное сжатие от наружного давления (давление в рубашке).

2.2.1 Толщина стенки обечайки при нагружении внутренним расчетным избыточным давлением определяется выражением

, (8)

где φ - коэффициент прочности продольного сварного шва, который принимается в зависимости от типа сварного шва, вида сварки и длины контролируемых швов. Ориентировочно его значение принимают в пределах 0,65-0,9. Принимаем φ=0,9,Р_р =1,0 Н/мм² - расчетное давление,

D=800 мм - диаметр аппарата,

[σ] =168 Н/мм² - допускаемое напряжение для стали 08Х18Н10Т.

Получаем:

S_R=

2.2.2 Определение толщины стенки обечайки при нагружении осевой растягивающей силой

Осевая растягивающая сила:

(9)

Толщина стенки:

S_R=

(10)

2.2.3 Толщину стенки обечайки, нагруженной наружным давлением, находят из условия устойчивости обечайки от наружного давления

Рисунок 2 - К расчету высоты обечайки корпуса

Для корпуса аппарата наружным давлением является давление в рубашке

Рн =Р_руб = 0,5 МПа.

2.2.3.1 Расчетная длина (высота) обечайки

ℓ=h₁-ℓ^'-ℓ^″, (11)

где ℓ'=150 мм - принимается конструктивно для удобного выполнения сварки рубашки и корпуса.

ℓ^″= (2/3) ·Нэ= (2/3) ·0,25·D= (2/3) ·200=133,3мм, ([3], стр.12). (12)

Здесь ℓ^″- размер, учитывающий часть высоты эллиптического днища, влияющий на потерю устойчивости обечайки корпуса аппарата.

Получаем ℓ= 650-150-133,3 = 366,7 мм.

Принимаем ℓ= 370 мм (округляем в сторону увеличения).

2.2.3.2 Толщина стенки обечайки

Толщина стенки обечайки определяется по формуле