Расчет и конструирование аппарата с перемешивающим устройством

1. Введение

 

Выполнение курсового  проекта по расчету и конструированию  аппарата с перемешивающим устройством  готовит студента к выполнению последующих  проектов по специальным дисциплинам  и дипломному проектированию. Студент  получает навыки работы со справочной и методической литературой, нормативным документам, умение самостоятельного проектирования, то есть оформления расчетно-пояснительной записки, разработки и зашиты проекта.

Развитие химической и нефтехимической  промышленности требует создания новых  высокоэффективных, надежных и безопасных в эксплуатации технологических аппаратов.

В зависимости от назначения аппараты с перемешивающими устройствами могут быть изготовлены из нескольких материалов:

Легированная сталь 

Высокоуглеродистая сталь 

Титановые сплавы

Применение веществ, обладающих взрывоопасными и вредными свойствами, ведение технологических  процессов под большим избыточным давлением и при высокой температуре  обусловливает необходимость детальной  проработки вопросов, связанных с  выбором средств защита для обслуживающего персонала, с прочностью и надежностью узлов и деталей аппаратов. Перед химическим машиностроением поставлена задача создания и выпуска высокопроизводительного оборудования.

Химическое машиностроение должно внести большой вклад в развитие топливно-энергетического комплекса нашего государства.

Перемешивание в жидких средах широко применяется в химической и биохимической промышленности для приготовления суспензий, эмульсий и получения гомогенных систем (растворов). Наибольшее распространение получило перемешивание с введением в перемешивающую среду механической энергии из внешнего источника. Механическое перемешивание осуществляется с помощью мешалок, которым сообщается вращательное движение либо непосредственно от электродвигателя, либо через редуктор или клиноременную передачу. Известны также мешалки с возвратно-поступательным движением, имеющие привод от механического или электромагнитного вибратора.

Цель перемешивания  определяется назначением процесса. При приготовлении эмульсий для интенсивного дробления дисперсной фазы необходимо создавать в перемешивающей среде значительные срезающие усилия, зависящие от величины градиента скорости. В тех зонах аппарата, где градиент скорости жидкости имеет наибольшее значение, происходит наиболее интенсивное дробление диспергируемой фазы.

В случае гомогенизаций, приготовления суспензий, нагревания или охлаждения перемешиваемой гомогенной среды целью перемешивания является снижение концентрационных или температурных  градиентов в объеме аппарата.

Перемешивание используется для ускорения процессов абсорбции, выпаривания, экстрагирования и  других основных процессов химической технологии.

Основными характеристиками любого процесса перемешивания являются:

расход энергии и  эффективность перемешивания.

Отраслевыми стандартами Минхимнефтемаша установлены конструкции и параметры специальных составных частей аппаратов мешалки, что позволяет осуществить компоновку аппарата из типовых элементов (корпуса, мешалки, уплотнения вала, привода перемешивающего устройства по ОСТ 26-01-1205-95 в соответствии с частотой вращения мешалки, номинальным давлением в корпусе аппарата). В аппаратах всех типов могут применяться внутренние теплообменные устройства – змеевик, либо непосредственный обогрев рабочей среды подачей горячего пара с помощью рубашки.

Химические перемешивающие аппараты делают, как правило, вертикальной цилиндрической формы, так как она  удобна при работе под давлением  и лучше обеспечивает герметичность.

Частые причины выхода из строя машин и аппаратов  химических производств – коррозия и повреждение наиболее ответственных узлов. Конструкция аппаратов или машины зависит от параметров процесса (давление, температура, коррозионные свойства среды, наличие осадков и отложений, свойств конструкционных материалов  и многих других). Материалы, выбранные для деталей и сборочных единиц, должны обеспечивать надежность аппарата в работе и экономичность в изготовлении.

В данной работе рассматривается 2 тип аппаратов – с коническим отбортованным днищем, углом при  вершине конуса 90^о и эллиптической отъемной крышкой. Исполнение корпуса 31 с гладкой приварной рубашкой. Используется также мешалка типа 10: рамная, без внутреннего устройства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Выбор материалов  и комплектующих элементов

 

 

Материалами для изготовления стальных сварных аппаратов являются полуфабрикаты, поставляемые металлургической промышленностью.

 

Материалы должны быть химически  и коррозионностойкими в заданной среде при её рабочих параметрах, обладать хорошей свариваемостью и  соответствующими  прочностными и пластическими характеристиками в рабочих условиях, допускать горячую и холодную механическую обработку, а также, иметь возможно низкую стоимость и быть недефицитными.

При выборе конструкционного материала основным критерием является его химическая и коррозионная стойкость в заданной среде. Обычно выбирают материал, абсолютно или достаточной стойкий в среде при её рабочих параметрах и имеющий к расчетным толщинам на коррозию соответствующие прибавки в зависимости от срока службы аппарата. Вместе с тем следует учитывать и другие виды коррозии (межкристаллитную, точечную, коррозионное растрескивание), которым подвержены некоторые материалы в агрессивных средах. Другим критерием при выборе материала является расчетная температура стенок аппарата, а также, если эта температура является положительной, для аппаратов, устанавливаемых на открытой площадке или в неотапливаемом помещении, необходимо учитывать абсолютную минимальную зимнюю температуру наружного воздуха, при которой аппарат может находиться под давлением или вакуумом.

Таким образом, выбор  материала должен производиться  из учета его коррозионной стойкости  в заданной среде и рабочих  условиях.

 

 

Параметры среды

 

 

Среда	нефть
Температура ,	100
Плотность ,	840
Концентрация, %	----

 

 

 

Наиболее рациональным выбором является  сталь ОХ23Н28 М3Д3Т, т. к. она химически и коррозионноустойчива в данной среде при данной температуре (П 0,1 10^-3 м/год), наиболее экономически целесообразна, достаточно прочная и относительно дешевая, а также широко распространенная. Такой вид стали подходит для изготовления не только оболочки аппарата, но и мешалки и её приводного вала, а также для изготовления фланцевого соединения.

 

Коэффициент линейного  расширения в интервале температур от 20⁰С до 100⁰С для стали ОХ23Н28 М3Д3Т: 15,4 10^-6, 1/град, [с. 13, табл. 1.6].

Материал защитного  слоя – фторопласт-4 (ГОСТ 10007-62), [с. 12, табл. 1.5].

 

 

Корпус аппарата выбираем по ОСТ 26-01-1246-75 в соответствии с типом. Исполнение корпуса 31 с гладкой приварной  рубашкой, аппарат с коническим отбортованным  днищем, углом при вершине конуса 90⁰ и эллиптической отъемной крышкой. Привод выбираем по ОСТ 26-07-1225-75 в соответствии с частотой вращения мешалки и номинальным давлением в корпусе аппарата. Мотор-редуктор выбираем по заданной частоте вращения выходного вала и потребляемой мощности электрического двигателя.

Мешалка выбирается по ОСТ 26-01-1245-75 в соответствии с заданным типом и шифром: рамная. Рамные мешалки  относятся к числу тихоходных мешалок. Они имеют относительно большие размеры и малую скорость вращения.

 

При наличии в аппарате дополнительных устройств (змеевиков, труб и т.д.) а также при сильной шероховатости стенок сосуда расход энергии на перемешивание увеличивается. Аппарат типа 31 с шифром 10 не содержит внутренних устройств.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Описание среды

 

 

Рабочая среда данного  аппарата - нефть.

 

Физические  свойства нефти.

 

Нефть — жидкость от светло-коричневого (почти бесцветная) до тёмно-бурого (почти чёрного) цвета (хотя бывают образцы даже изумрудно-зелёной нефти). Средняя молекулярная масса 220—300 г/моль (редко 450—470). Плотность 0,65—1,05 (обычно 0,82—0,95) г/см³; нефть, плотность которой ниже 0,83, называется лёгкой, 0,831—0,860 — средней, выше 0,860 — тяжёлой. Плотность нефти, как и других углеводородов, сильно зависит от температуры и давления[1]. Она содержит большое число разных органических веществ и поэтому характеризуется не температурой кипения, а температурой начала кипения жидких углеводородов (обычно >28 °C, реже ≥100 °C в случае тяжелых не́фтей) и фракционным составом — выходом отдельных фракций, перегоняющихся сначала при атмосферном давлении, а затем под вакуумом в определённых температурных пределах, как правило до 450—500°С (выкипает ~ 80 % объёма пробы), реже 560—580 °С (90—95 %). Температура кристаллизации от −60 до + 30 °C; зависит преимущественно от содержания в нефти парафина (чем его больше, тем температура кристаллизации выше) и лёгких фракций (чем их больше, тем эта температура ниже). Вязкость изменяется в широких пределах (от 1,98 до 265,90 мм²/с для различных не́фтей, добываемых в России), определяется фракционным составом нефти и её температурой (чем она выше и больше количество лёгких фракций, тем ниже вязкость), а также содержанием смолисто-асфальтеновых веществ (чем их больше, тем вязкость выше). Удельная теплоёмкость 1,7—2,1 кДж/(кг∙К); удельная теплота сгорания (низшая) 43,7—46,2 МДж/кг; диэлектрическая проницаемость 2,0—2,5; электрическая проводимость от 2∙10⁻¹⁰ до 0,3∙10⁻¹⁸ Ом⁻¹∙см⁻¹.

Нефть — легко воспламеняющаяся жидкость; температура вспышки от −35 до +121°C (зависит от фракционного состава и содержания в ней растворённых газов). Нефть растворима в органических растворителях, в обычных условиях не растворима в воде, но может образовывать с ней стойкие эмульсии. В технологии для отделения от нефти воды и растворённой в ней соли проводят обезвоживание и обессоливание.

•  Химический состав нефти

• Общий состав

Нефть представляет собой  смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть— жидкие углеводороды (> 500 веществ или обычно 80—90% по массе) и гетероатомные органические соединения (4—5%), преимущественно сернистые (около 250 веществ), азотистые (> 30 веществ) и кислородные (около 85 веществ), а также металлоорганические соединения (в основном ванадиевые и никелевые); остальные компоненты— растворённые углеводородные газы (C₁-C₄, от десятых долей до 4%), вода (от следов до 10%), минеральные соли (главным образом хлориды, 0,1—4000 мг/л и более), растворы солей органических кислот и др., механические примеси (частицы глины, песка, известняка).

•  Углеводородный состав

В основном в нефти  представлены парафиновые (обычно 30—35, реже 40—50% по объёму) и нафтеновые (25—75%). В меньшей степени— соединения ароматического ряда (10—20, реже 35%) и смешанного, или гибридного, строения (например, парафино-нафтеновые, нафтено-ароматические).

 

 

Применение:

 

 

Сырая нефть непосредственно  почти не применяется. Для получения  из неё технически ценных продуктов, главным образом моторных топлив, растворителей, сырья для химической промышленности, её подвергают переработке. Нефть занимает ведущее место в мировом топливно-энергетическом балансе: доля её в общем потреблении энергоресурсов составляет 48 %. В перспективе эта доля будет уменьшаться вследствие возрастания применения атомной и иных видов энергии, а также увеличения стоимости и уменьшения добычи.

В связи с быстрым  развитием в мире химической и  нефтехимической промышленности, потребность  в нефти увеличивается не только с целью повышения выработки топлив и масел, но и как источника ценного сырья для производства синтетических каучуков и волокон, пластмасс, ПАВ, моющих средств, пластификаторов, присадок, красителей и др. (более 8 % от объёма мировой добычи). Среди получаемых из нефти исходных веществ для этих производств наибольшее применение нашли: парафиновые углеводороды — метан, этан, пропан, бутаны, пентаны, гексаны, а также высокомолекулярные (10—20 атомов углерода в молекуле); нафтеновые; ароматические углеводороды — бензол, толуол, ксилолы, этилбензол; олефиновые и диолефиновые — этилен, пропилен, бутадиен; ацетилен. Нефть уникальна именно комбинацией качеств: высокая плотность энергии (на тридцать процентов выше, чем у самых качественных углей), нефть легко транспортировать (по сравнению с газом или углём, например), наконец, из нефти легко получить массу вышеупомянутых продуктов. Истощение ресурсов нефти, рост цен на неё и др. причины вызвали интенсивный поиск заменителей жидких топлив.

 

 

3. Расчетная часть

Расчетная часть курсового  проекта включает в себя проверочные  расчеты составных частей аппарата с мешалкой по главным критериям  работоспособности (прочность, устойчивость, термостойкость, коррозионная стойкость и т.д.).

 

3.1.1. Расчет геометрических  частей аппарата

Расчет обечаек, днищ, крышек корпуса аппарата на прочность  и устойчивость под действием  внутреннего и наружного давления с учетом термостойкости и коррозионной стойкости материалов выполняется в соответствии с ГОСТ 14249-80.

 

Определение расчетного давления в аппарате:

 

Расчетное давление –  давление, при котором производится расчет на прочность и устойчивость элементов корпуса аппарата. По стандарту  за рабочее давление принимается внутреннее давление среды в аппарате. Расчетное давление – это рабочее давление в аппарате без учета кратковременного повышения давления при срабатывании предохранительных устройств.

 

[МПа],

где Р_изб – избыточное давление среды, Па. Задается условиями технологического процесса;

 - гидростатическое давление, Па;

ρ – плотность жидкой среды, .

.

g=9,81 - ускорение свободного падения,

Н_ж – высота столба жидкости.

Р_гидр учитывается, если оно превышает 5% от давления .

 - не учитывается.

Расчетное внутреннее давление

.

Расчет наружного  давления, для проверки стенок корпуса  на устойчивость:

 

Для элементов находящихся  под рубашкой:

,

где Р_а – атмосферное давление, Р_а=0,1МПа.

Р_о – остаточное давление. Р_о=0,02МПа.

 

 

За расчетную температуру  принимается температура среды  в аппарате.

Определяем допускаемое  напряжение для выбранного материала

 

,

где - допускаемое напряжение

 -поправочный коэффициент, учитывающий взрывоопасность среды ;

 - нормативное допускаемое напряжение, МПа. .

 

Поправка на коррозию

,