Разработка стадии синтеза в производстве эпоксидной смолы марки ЭД-16

Разработка стадии синтеза в производстве эпоксидной смолы марки ЭД-16

ВВЕДЕНИЕ

В данной курсовой работе производится разработка основного оборудования производства эпоксидных смол - реактора синтеза .

Эпоксидные смолы представляют собой группу искусственных смол, обладающих способностью переходить в твердое состояние при взаимодействии с рядом соединений, приобретая новые ценные физико-химические и диэлектрические свойства. Благодаря этому эпоксидные смолы нашли широкое применение в различных отраслях промышленности: электро- и радиотехнике, приборостроении, авиационной промышленности, судо-, автомобиле-, машиностроении.

Преимущественно эпоксидные смолы применяются для приготовления герметизирующих, пропиточных и заливочных изоляционных материалов, связующих для стеклопластиков, для изоляционных и защитных покрытий, клеев, а также для заливки малогабаритных изделий, изготовления пластмассовых штампов, форм и инструментальной оснастки для ремонтных работ и других целей.

В курсовом проекте производится выбор схемы производства, выбор и расчет реактора синтеза.

.        
ХАРАКТЕРИСТИКА ВОПРОСА ПО ЛИТЕРАТУРНЫМ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫМ ДАННЫМ. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

1.1     Анализ литературных и производственных данных

Реакционные аппараты - основное оборудование химических цехов. По сравнению с аппаратурой для физико-химических процессов они имеют ряд особенностей: химические реакции, как правило, сопровождаются значительным тепловым эффектом, следовательно, возникает проблема подвода или отвода тепла и регулирования температуры; большинство химических процессов протекает в присутствии катализаторов, что создает, в свою очередь, проблемы хорошего контакта реагирующих продуктов с катализатором, его загрузки, выгрузки и регенерации [1].

В зависимости от формы реактора, наличия или отсутствия перемешивающих устройств, вязкости и плотности реакционной смеси в реакторе могут создаваться различные гидравлические условия, от которых существенно зависит течение реакции.

Используют два типа проточных, т.е. непрерывного действия, реакторов с существенно различными условиями: емкостной реактор (реактор смешения) и трубчатый (реактор вытеснения), [7].

Емкостное реактор представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат высотой, как правило, один два диаметра, снабженный вращающейся мешалкой, установленной на вертикальном валу и штуцерами для отвода и подвода реагентов. Такой аппарат используют для проведения реакций в жидкой фазе. При интенсивной работе мешалки условия в нем близки к идеальному смешению и характеризуются постоянством концентраций реагирующих веществ и температуры по всему объему реактора, [8].

Трубчатые реакторы, в отличие от емкостных, не имеют перемешивающих устройств, в них перемешивание сведено к минимуму. Приблизительной теоретической моделью такого реактора является реактор вытеснения, в котором среда движется с постоянной скоростью подобно поршню. Концентрации веществ, участвующих в реакции плавно изменяется по длине аппарата и это изменение обусловлено только реакцией.

Выбор аппарата с перемешивающими устройствами и конструктивные особенности определяются характеристикой процесса, свойствами перемешиваемой среды, производительностью технологической линии, температурными параметрами процесса и давлением при котором процесс осуществляется.

При перемешивании в среду вводится дополнительная энергия, которая используется для перемешивания.

Известны различные методы ввода энергии в перемешиваемую среду: механический, циркулярный, струйный, пульсационный, барботажный, электромагнитный и магнитновихровой. В практике наибольшее распространение получил механический способ перемешивания жидких сред, осуществляемый путем механического воздействия рабочего органа (мешалки) на рабочую среду, [8].

Итак, исходя из описанной далее в п.3.1 технологии производства продукта, определяем, что реакцию процесса необходимо и целесообразно проводить именно в аппарате с перемешивающим устройством, так как для осуществления процессов в жидкой неоднородной среде используются именно такие аппараты. Под жидкой неоднородной средой понимается одно или многокомпонентная среда с неравномерной концентрацией и температурой, а также жидкая неоднородная система состоящая из дисперсной фазы распределяемой в жидкой среде. Такие реакторы являются наиболее распространенным видом аппаратов, применяемых в химической промышленности, они часто стандартизированы и выпускаются серийно, [8].

Характерные особенности реакторов котлов следующие, [8]:

·        аппарат комплектуется одним приводом, устанавливаемом на его крышке таким образом, чтобы ось выходного вала мотор-редуктора совпадала с осью вала мешалки, а ось вала мешалки совпадала с осью корпуса аппарата;

·        аппарат может иметь на валу одну, две и более мешалок;

·        аппарат может устанавливаться как без внутренних, так и с внутренними устройствами;

·        каждый аппарат может изготавливаться и быть разделен на аппараты: гладкостенные; с отражательными перегородками; секционные и аппараты с центральной циркулярной средой.

Так как мы имеем дело с жидкой средой и процесс организован периодически, то целесообразно выбрать аппарат емкостного типа.

Емкостные реакционные аппараты применяют для процессов, где основной является жидкая фаза (системы жидкость - жидкость, жидкость - газ, жидкость - твердое тело).

Они, как правило, имеют перемешивающее устройство. Емкостные аппараты с мешалками используют не только как химические реакторы, но и для различных физико-химических процессов - получение жидких компонентов и др.

Условия работы и конструкция емкостных аппаратов с мешалками весьма разнообразны. Они имеют емкость от 0,04 до 100 м3 и рабочее давление до 10 МПа.

В настоящее время в соответствии с ГОСТ 20680-85 химическим машиностроением могут быть изготовлены аппараты десяти типов.

Разнообразие конструкций жидкостных реакторов обусловлено использованием различных перемешивающих и теплообменных устройств, в зависимости от вязкости жидкости и теплового эффекта.

Мешалки предназначены для перемешивания и передачи механической энергии от динамических элементов аппарата к перемешиваемой среде.

ГОСТом 20680-85 - регламентируется двенадцать типов мешалок. Входящие в этот ряд мешалки отличаются одна от другой значение гидродинамического коэффициента сопротивления, определяющего значение критерия Kv.

На рисунке 1.1 показаны различные конструкции быстроходных мешалок.

Рисунок 1.1- Конструкции быстроходных мешалок

а) - трехлопастная мешалка; б) - винтовая мешалка; в) - открытая турбинная; г) - закрытая турбинная; д) - шестилопастная мешалка; е) - лопастная мешалка; ж) - трехлопастная эмалированная.

На рисунке 1.2 показаны различные конструкции тихоходных мешалок.

Рисунок 1.2 - Конструкции тихоходных мешалок.

а- якорная; б - якорная эмалированная; в - рамная мешалка; г - шнековая; д - ленточная; ; е - ленточная мешалка со скребками.

В зависимости от числа оборотов все применяемые мешалки условно могут быть разделены на тихоходные (лопастные, рамные, листовые и якорные) и быстроходные (турбинные и пропеллерные), имеющие частоту вращения более 8-10 с-1.

Под быстроходными понимаются мешалки, используемые для перемешивания при турбинном и переходных режимах движения жидкости, под тихоходными при ламинарном режиме движения жидкости.

Быстроходные мешалки могут использоваться в гладкостенных аппаратах, а также в аппаратах, оборудованных различными внутренними устройствами. Помимо этого мешалки с наклонными лопастями могут использоваться в аппаратах с циркуляционной трубой.

Тихоходные мешалки в основном применяют для гомогенизации и ускорения высоковязких и ньютоновских сред, интенсификации тепломассообмена и для осуществления некоторых других технологических операций.

Тихоходные мешалки, как правило, используются только в гладкостенных аппаратах, исключением является шнековая мешалка, которая может быть также использована в аппаратах с циркуляционной трубой и отражательными перегородками.

При выборе типа мешалки и ее параметров учитывают требования процесса, свойства жидкости (вязкость, наличие осадков и др.), форму аппарата и другие факторы.

Лопастные мешалки. Их относят к группе тихоходных. Недостаток - малая интенсивность перемешивания и отсутствие значительных вертикальных потоков, вследствие чего их не рекомендуется применять для взвешивания тяжелых осадков и работы с расслаивающимися жидкостями. Несмотря на это, лопастные мешалки широко применяют для различных процессов и в аппаратах значительного объема. Они просты по конструкции, обеспечивают удовлетворительное перемешивание жидкости.

Рамные мешалки. Эти мешалки применяют для аппаратов большой емкости до 100 м3. Они обеспечивают удовлетворительное перемешивание жидкостей с большой вязкостью.

Якорные мешалки. Применяют для обработки вязких, загрязненных и застывающих жидкостей. Лопасти такой мешалки создают интенсивное перемешивание непосредственно около стенок и очищают их от налипших осадков, если таковые имеются. Для особо вязких жидкостей применяют якорные мешалки с дополнительными вертикальными или наклонными планками. Общие недостатки всех тихоходных мешалок: громоздкость, значительные пусковые перегрузки, необходимость применения редукторов с большим передаточным отношением.

Листовые мешалки. Применяют сравнительно редко, в основном для маловязких сред. Для улучшения перемешивания в мешалке делают отверстия. Турбинные мешалки. Их относят к быстроходным, работающим по принципу центробежного насоса, т.е. они всасывают жидкость в середину и за счет центробежной силы отбрасывают ее к периферии. Таким образом, в отличие от лопастных, рамных и якорных мешалок, сообщающих жидкости в основном круговое движение, турбинные сообщают радиальное. Турбинные мешалки обеспечивают весьма интенсивное перемешивание.

Их можно применять в широком диапазоне вязкостей и плотностей перемешиваемых жидкостей, для подъема тяжелых суспензий, получения эмульсий, при химических процессах и др. Не рекомендуется применять турбинные мешалки для аппаратов большой емкости. В аппаратах с турбинными мешалками обязательная установка отражательных перегородок, если они отсутствуют, то образуется глубокая воронка, иногда доходящая до дна аппарата и перемешивание ухудшается.

Пропеллерные мешалки. Особенность их работы - значительные осевые потоки жидкости. Пропеллерные мешалки применяют для химических процессов растворения, эмульгирования, взмучивания и во многих других случаях. Пропеллерные мешалки не применяют в аппаратах с плоским дном, так как в углах образуются застойные зоны.

Поскольку в реакторе на различных стадиях присутствует не чистая эпоксидная смола, а ее растворы и эмульсии, общая вязкость среды невелика, и применяем быстроходные мешалки - трехлопастные стандартизированные (ГОСТ 20680-75) [9].

Внутреннее устройство в зависимости от условия работы также может быть весьма различным.

В качестве теплообменных элементов для аппаратов с мешалками применяют рубашки или змеевики.

Для поддержания оптимального температурного режима в реакторах используют различные теплообменные устройства, обеспечивающие нагрев или охлаждение реакционной массы. Выбор конструкции теплообменного устройства зависит прежде всего от теплового эффекта реакции, а также от температурных условий ведения процесса, гидравлического режима движения реагентов, физических, химических и теплофизических свойств теплоносителя.

Исходя из этих преимуществ выбираем для проектируемого реактора гладкую приварную рубашку в качестве теплообменного элемента и змеевик в качестве дополнительного теплообменного устройства.

В качестве приводов к аппаратам для перемешивания жидких сред обычно используются приводы моноблочные с мотор-редуктором, герметичные электроприводы и электродвигатели.

По своему конструктивному исполнению моноблочные приводы с мотор-редуктором могут быть выполнены в нормальном исполнении или в виде малогабаритных мотор-редукторов. Моноблочные приводы нормального исполнения могут иметь жесткое соединение валов мотор-редуктора и мешалки, клиноременную передачу и мотор-вариатор.

Аппараты для перемешивания жидких сред в зависимости от физико-химических характеристик и параметров этих сред, а также требований производственной санитарии, техники безопасности и пожароопасности комплектуются гидрозатворами, сальниковыми и торцовыми уплотнениями.

Гидрозатворы представляют собой уплотнительный узел предназначенный для предотвращения контакта газовой среды, заполняющей внутреннюю полость аппарата, с атмосферой.

Сальниковые уплотнения применяются для герметизации валов аппаратов при условии их работы с неагрессивными или малоагрессивными средами, находящихся под избыточным давлением, не превышающим 0,6 МПа, или под действием остаточного давления, большего 0,04 МПа.

Частота вращения валов, уплотнение которых осуществляется с помощью сальников должна находиться в пределах от 5 до 320 об/мин.

Сальниковые уплотнения без охлаждения с подводом смазывающей жидкости в зону уплотнения используются от минус 20 0С до плюс 70 0С, а с подводом жидкости в зону уплотнения могут работать при условном давлении до 2,5 МПа или остаточном давлении не ниже 20 мм.рт. столба.

Торцевые уплотнения получили широкое распространение благодаря следующим достоинствам:

-        в отличии от сальников при нормальной работе не требуется их постоянного обслуживания;

-        правильно подобранные торцовые уплотнения отличаются большой износоустойчивостью и следовательно долговечностью;

-        торцовые уплотнения обладают высокой герметичностью.

Торцовые уплотнения удовлетворительно работают в предельно тяжелых условиях под давлением (от 10-5 мм.рт.ст. до 45 МПа), температуре (от минус 200 0С до плюс 450 0С и выше при охлаждении), по скорости скольжения в парах трения (от 0 до 100 м/с и более), о агрессивности (концентрированные кислоты, щелочи, радиоактивные среды) и по абразивности сред (грунтовые, песковые, глинистые и т.п.), их изготавливают на валы любого размера (от нескольких миллиметров до 1500 мм и более в диаметре).

Исходя из приведенного выше обзора, целесообразно выбрать конструкцию реактора, представляющую из себя стальной цельносварной вертикальный аппарат емкостного типа, снабженный гладкой приварной теплообменной рубашкой, мешалкой турбинного типа мотор-редуктором с торцевым уплотнением.

1.2     Технико-экономическое обоснование

В данном разделе приводится сравнение существующего базового варианта аппарата с предлагаемым и проводится обоснование необходимости разработки нового аппарата.

Недостатки существующего базового варианта аппарата:

·        Сварка внутренних устройств и деталей реактора выполнена вручную.

·        Для изготовления аппарата используется дорогая сталь 12Х18Н10Т.

Основные предложения по разработке новой конструкции и технологии изготовления реактора:

·        Замена ручной электродуговой сварки на автоматическую сварку, что также приведет к уменьшению трудоемкости изготовления реактора.

·        Замена материала корпуса реактора на более дешевую сталь 08Х18Н6Т, что приведет к уменьшению стоимости аппарата.

Ориентировочная экономическая оценка основных предложений по разработке новой конструкции и технологии изготовления реактора Э определяется по формуле:

Э = Э1 + Э2;                                                        (1.1)

где Э1 - уменьшение трудоемкости изготовления;

Э2 - уменьшение стоимости конструкции.

Уменьшение трудоемкости изготовления.

Экономия за счет уменьшения трудоемкости изготовления определяется по формуле:

;                                               (1.2)

где = 132,6 руб/ч. - средняя сдельная почасовая тарифная ставка;

DТ = 20н/ч - приблизительное уменьшение трудоемкости за счет принятых технико-экономических решений в проекте.

Уменьшение стоимости конструкции

;                                           (1.3)

где m = 10500 кг - масса реактора;

С2 = 195 руб/кг - стоимость 1 кг стали 12Х18Н10Т, используемой в базовом варианте;

С1 = 143 руб/кг - стоимость 1 кг стали 08Х22Н6Т, используемой в проектируемом варианте.

Ориентировочная экономическая оценка основных предложений по разработке новой конструкции и технологии изготовления реактора 548652 руб.

2.  КОНСТРУКЦИЯ РЕАКТОРА

2.1 Описание проектируемой конструкции

Корпус реактора состоит из цилиндрической обечайки и приваренного к ней эллиптического днища. Сверху реактор снабжен крышкой, крепление которой к корпусу осуществляется с помощью фланцевого соединения.

Для нагрева и охлаждения содержимого реактора имеется гладкая теплообменная рубашка, выполненная в виде двух секций. Такая конструкция позволяет снизить расход теплоносителя на стадии конденсации смолы, в течение которой объем реакционной массы в аппарате мал.

Для интенсификации процессов тепло - и массообмена имеется перемешивающее устройство, состоящее из насажанных на вал мешалок. В данной конструкции применяются стандартизированные лопастные мешалки с углом наклона лопастей 24°. Мешалки в количестве четырех размешаются на вале на равных расстояниях друг от друга, их крепление к валу осуществляется с помощью шпонок и винтов. Вал с мешалками приводится в движение приводом (электродвигатель и мотор-редуктор), расположенным на стойке. Стойка крепится шпильками к бобышке, вваренной в крышку. Для уплотнения вала служит размещенный в крышке сальник.

Аппарат устанавливается в вертикальное положение на предусмотренные опоры (четыре опоры-лапы).

Т.к. теплообменная поверхность рубашки недостаточна (см. п.4.2, тепловой расчет стадии конденсации смолы), в реакторе устанавливается дополнительное теплообменное устройство - змеевик 10. Высота змеевика достаточна для его участия в охлаждении реакционной массы на стадии конденсации.

Для входа жидких реагентов, выхода паров, входа и выхода из змеевика охлаждающей воды в крышке реактора предусмотрен ряд штуцеров; имеются два смотровых лючка для наблюдения за ходом процесса, люк для отбора проб и люк-лаз для внутреннего монтажа, осмотра и ремонта реактора. В днище корпуса предусмотрен спускной клапан для слива содержимого реактора.

Реактор работает следующим образом. Через технологические штуцера в реактор загружаются исходные реагенты; затем при постоянном перемешивании и охлаждении реактора (путем подачи воды в нижнюю секцию рубашки и в змеевик) равномерно дозируется раствор щелочи и происходит конденсация смолы.

После этого производятся стадии водно-толуольных промывок и другие стадии.

2.2 Выбор конструкционных материалов

Поскольку эпихлоргидрин является коррозионной средой, элементы конструкций аппаратов, соприкасающиеся с ним (корпус и крышка реактора; крышки, трубная решетка и трубки конденсатора), следует изготавливать из коррозионно-стойкой стали. Выбираем сталь марки 12Х18Н10Т.

В качестве материала для изготовления элементов конструкций, не соприкасающихся с эпихлоргидрином (рабочие среды - вода, водяной пар), применяем сталь ВСт3сп, обладающую значительно более низкой стоимостью.

Скорость коррозии рассмотренных материалов соответственно составляют /8/: П1 = 0,01 мм/год; П2 = 0,1 мм/год.

В качестве материала прокладок принимаем паронит, стойкий к воздействию вышеупомянутых сред .

3. РАСЧЕТЫ РЕАКТОРА

3.1     Технологический расчет

.1.1 Расчет материальных балансов стадий производства ЭД-16

Данные для расчета:

среднее содержание примесей в смоле ЭД-16,%:
хлорид натрия	х1 = 0,001;
Эпихлоргидрин	х2 = 0,2;
гидроксид натрия	х3 = 1,25;
масса загружаемого дифенилолпропана	mДФП = 722,29 кг/т;
соотношения загружаемых компонентов по массе
дифенилолпропан: эпихлоргидрин: NaOH	100:85:37;
коэффициент поликонденсации	n = 0,59;
содержание примесей в дифенилолпропане	хп1 = 0,5%;
концентрация эпихлоргидрина в растворе	хщ = 90%;
концентрация гидроксида натрия в растворе	хщ = 44%;
содержание примесей в щелочи,%:
NaCl	хс = 3,8;
другие примеси Расчет ведем согласно /11/.	хп2 = 0,8.

Материальные балансы составляем в расчете на 1 тонну готовой смолы ЭД-16. Массовые доли потерь веществ и др. берутся в соответствии с технологическим регламентом .

Рассчитываем материальный баланс стадии приготовления конденсационного раствора.

Определяем состав и количество дифенилолпропана.

Общее количество вещества определяем по формуле:

, (3.1)

где mвещ - масса чистого вещества;

хприм - содержание примесей, %.

Масса технического дифенилолпропана по формуле (3.1) при mвещ = 722,29 кг; хприм = 0,5%:

Масса оставшегося компонента:

ост = mобщ - Smi, (3.2)

где mобщ - общая масса смеси;

Smi - сумма масс остальных компонентов.

Количество примесей в дифенилолпропане определяем по формуле (3.2), подставляя mобщ = 725,92 кг; Smi = 722,29 кг:

mост = 725,92 - 722,29 = 3,63 кг

Определяем состав и количество эпихлоргидрина.

Масса 100%-го эпихлоргидрина составляет:

,

где 85/100 - соотношение масс эпихлоргидрина и дифенилолпропана;

мДФП = 722,29 кг - масса дифенилолпропана.

Массу технического вещества определяем по формуле:

, (3.3)

где mвещ - масса чистого вещества;

хвещ - содержание чистого вещества, %.

Для эпихлоргидрина mвещ = 613,95 кг; хвещ = 90%:

Масса воды в техническом эпихлоргидрине определяем по формуле (3.2), подставляя mобщ= 682,17 кг; Smi = 613,95 кг:

mост = 682,17 - 613,95 = 68,22 кг

Определяем потери эпихлоргидрина.

Потери вещества находим по формуле:

п = jп×mвещ/100, (3.4)

где jп - доля теряемого вещества, %;

mвещ - масса вещества.

Потери эпихлоргидрина через воздушку смесителя при jп = 0,002%:

mп = 0,002×613,95/100 = 0,01 кг

Потери эпихлоргидрина через воздушку реактора при jп = 0,005%:

mп = 0,005×613,95/100 = 0,03 кг

Общее количество вещества определяем по формуле:

S= Smi (3.5)

Результаты расчета сводим в таблицу 3.1

Таблица 3.1 Материальный баланс стадии приготовления конденсационного раствора

Приход			Расход
№ п/п	Компоненты	кг/т	№ п/п	Компоненты	кг/т
1 1.1 1.2	ДФП технический ДФП Примеси	725,92 722,29 3,63	1	Конденсационный раствор	1468,05
			2 2.1  2.2	Потери ЭХГ Через воздушку смесителя Через воздушку реактора	0,04  0,01  0,03
2 2.1 2.2	ЭХГ 90%-ный ЭХГ 100%-ный Вода	682,17 613,95 68,22
3	Вода	60
Итого		1468,09	Итого		1468,09

Составляем материальный баланс стадий конденсации смолы и отгонки эпихлоргидрина.

Определяем состав и количество технической щелочи.

Количество 100%-го гидроксида натрия:

, (3.5а)

где 37/100 - соотношение масс NaOH и дифенилолпропана;

мДФП = 722,29 кг - масса дифенилолпропана.

Масса технического NaOH по формуле (3.3) при mвещ = 267,25 кг; хвещ = 44%:

Масса отдельного компонента:

 = xi×mобщ/100, (3.6)

где xi - содержание рассматриваемого компонента,%;

мобщ - общая масса смеси.

Масса NaCl по формуле (3.6) при хi = 3,8%:

mNaCl,щ = 3,8×607,39/100 = 23,08 кг

Масса примесей при хi = 0,8%:

mп,щ = 0,8×607,39/100 = 4,86 кг

Количество воды в технической щелочи согласно (3.2):

mост = 607,39 - (267,25 + 23,08 + 4,86) = 312,2 кг

Определяем состав готовой смолы.

Масса NaCl в смоле по формуле (3.6) при x1 = 0,001%:

m1 = 0,001×1000/100 = 0,01 кг

Масса эпихлоргидрина в смоле (x2 = 0,2%):

m2 = 0,2×1000/100 = 2 кг

Масса NaOH в смоле (x3 = 1,25 %):

m3 =1,25 ×1000/100 = 12,5 кг

Масса чистой смолы по формуле (3.2):

mост = 1000 - (0,01 + 2 + 12,5) = 985,49 кг

Рассчитываем материальный баланс реакции поликонденсации.

Суммарное уравнение реакции имеет вид:

(n+2)ЭХГ + (n+1)ДФП + (n+2)NaOH ® ЭДС + (n+2)NaCl + (n+2)H2O, (3.7)

где n = 0,59 - коэффициент поликонденсации;

ЭДС - эпоксидно-диановая смола.

Массу реагентов и продуктов реакции (3.7) определяем по формуле:

, (3.8)

где mсмолы = 985,49 кг -масса получаемой смолы;

а - стехиометрический коэффициент при соответствующем веществе;

M - мольная масса вещества, кг/кмоль;

Мсмолы - мольная масса смолы, определяемая в зависимости от коэффициента поликонденсации n:

смолы = 284n + 340, кг/кмоль (3.9)

Mсмолы = 284×0,59 + 340 = 507,56 кг/кмоль

Масса прореагировавшего эпихлоргидрина при а = n + 2, M = 92,5 кг/кмоль:

Масса прореагировавшего дифенилолпропана при а = n + 1, M = 232 кг/кмоль:

Масса прореагировавшего NaOH при а = n + 2, M = 40 кг/кмоль:

Масса образующегося NaCl при а = n + 2, M = 58,5 кг/кмоль:

Масса образующейся воды при а = n + 2, M = 18 кг/кмоль:

Определяем потери эпихлоргидрина.

Масса эпихлоргидрина, теряемого в вакуум-нейтрализаторах, определяем по формуле (3.4) при jп = 1,35% и mвещ = 613,91 кг:

mп = 1,35×613,91/100 = 8,29 кг

Потери эпихлоргидрина в атмосферу после санитарной колонны по формуле (3.4) при jп = 1,15%:

mп = 1,15×613,91/100 = 7,06 кг

Составляем материальный баланс реакции омыления эпихлоргидрина.

Массу NaOH, участвующего в побочных реакциях, определяем по формуле (3.2):

mNaOH = 267,25 - (+ 12,5) = 53,6 кг,

где 201,15 кг и 12,5 кг -масса NaOH, участвующего в целевой реакции и содержащегося в смоле соответственно.

Масса NaOH, участвующего в реакции омыления эпихлоргидрина:

mр = j×mNaOH/100, (3.9а)

где j = 96% -доля NaOH, омыляющего эпихлоргидрин.

mр = 96×53,6/100 = 51,46 кг

Реакция омыления эпихлоргидрина имеет вид:

ЭХГ + NaOH + H2O ® C3H8O3 + NaCl, (3.10)

где C3H8O3 - глицерин.

Массу реагентов и продуктов реакции (3.10) определяем по формуле:

, (3.11)

где M -мольная масса соответствующего вещества, кг/кмоль;

MNaOH =40 кг/кмоль - мольная масса NaOH.

Масса реагирующего эпихлоргидрина (M = 92,5 кг/кмоль):

Масса реагирующей воды (M = 18 кг/кмоль):

Масса образующегося глицерина (M = 92 кг/кмоль):

Масса образующегося NaCl (M = 58,5 кг/кмоль):

Определяем массу выпариваемых веществ.

Масса отгоняемого эпихлоргидрина по формуле (3.2):

mэ,отг = 613,91 - (2 + 456,16 + 119) = 27,75 кг,

где 2 кг; 456,16 кг; 119 кг - масса эпихлоргидрина в смоле и реагирующего по реакциям образования смолы и омыления эпихлоргидрина.

Масса эпихлоргидрина, возвращаемого в процесс:

э,в = j×mэ,отг/100, (3.11а)

где j = 80% - доля возвратного эпихлоргидрина;

mэ,отг = 27,75 кг - масса отгоняемого эпихлоргидрина.

mэ,в = 80×27,75/100 = 22,2 кг

Оставшаяся часть эпихлоргидрина отгоняется с водой в виде азеотропа с массовой долей эпихлоргидрина jэ = 75%. Его масса по формуле (3.2):

mэ,аз = 27,75 - 22,2 = 5,55 кг

Масса азеотропа по формуле (3.3):

Рассчитываем баланс по хлориду натрия.

Масса NaCl в реакционной массе:

mNaCl,рм = 23,08 + 294,18 + 75,26 - 0,01 = 392,51 кг,

где 23,08 кг; 294,18 кг; 75,26 кг - масса NaCl, вносимого NaOH,образующегося по реакции получения смолы и по реакции омыления соответственно.

Результаты расчета сводим в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 Материальный баланс стадий конденсации смолы и отгонки эпихлоргидрина

Приход			Расход
№ п/п	Компоненты	кг/т	№ п/п	Компоненты	кг/т
1  1.1 1.2 1.3 1.4	Конденсационный раствор ДФП ЭХГ Вода Примеси	1468,05 722,29 613,91 128,22 3,63	1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6	Реакционная масса NaCl Смола Вода Примеси в сырье Глицерин Продукты побочных реакций	2030,49 392,51 1000 461,86 8,49 118,36 49,27
2  2.1 2.2 2.3 2.4	Гидроксид натрия 44%-ный NaOH 100%-ный Вода NaCl Примеси	607,39 267,25 312,2 23,08 4,86
			2 2.1  2.2	Потери ЭХГ В вакуум-нейтрализаторах В атмосферу после санитарной колонны	15,35  8,29 7,06
			3	ЭХГ, отогнанный и возвращенный в процесс	22,2
			4	Азеотроп вода-ЭХГ	7,4
Итого		2075,44	Итого		2075,44

Рассчитываем материальный баланс стадии водно-толуольных промывок.

Масса толуола в водном слое после промывок определяем по формуле (3.4), подставляя jп = 1,375% и mвещ = 2200 кг:

mт,в.с = 1,375×2200/100 = 30,25 кг

Потери толуола в атмосферу через воздушку реактора при загрузке и в процессе промывки по формуле (3.4) при jп = 0,25%:

mп.т1 = 0,25×2200/100 = 5,5 кг

Количество толуола в толуольном растворе смолы по формуле (3.2):

mт,трс = 2200 - 30,25 - 5,5 = 2164,25 кг

Количество воды в водном слое после промывок определяем по формуле (3.5):

mв,в.с = 456,28 + 1200 = 1656,28 кг,

где 456,28 кг и 1200 кг - масса воды в реакционной массе и подаваемой на промывку соответственно.

Результаты расчета сводим в таблицу 3.3.

Таблица 3.3 Материальный баланс стадии водно-толуольных промывок

Приход			Расход
№ п/п	Компоненты	№ п/п	Компоненты	кг/т
1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6	Реакционная масса NaCl Смола Вода Примеси в сырье Глицерин Продукты побочных реакций	2030,49 361,86 1000 456,28 8,49 118,36  49,27	1 1.1 1.2	Толуольный раствор смолы Смола Толуол	3164,25 1000 2164,25
			2	Продукты побочных реакций	49,27
			3  3.1 3.2 3.3 3.4 3.5	Водный слой после промывок Вода Примеси в сырье Глицерин Толуол NaCl	2211,47 1661,86 8,49 118,36 30,25 392,51
2	Толуол для растворения смолы	2200
3	Вода для растворения NaCl	1200
			4	Потери толуола	5,5
Итого		5430,49	Итого		5430,49

Рассчитываем материальный баланс стадии выпаривания толуола и затаривания смолы в тару

Потери толуола в атмосферу после санитарной колонны определяем по формуле (3.4) при jп = 0,8% и mвещ = 2164,25 кг:

mп.т2 =0,8×2164,25/100 = 17,31 кг

Потери летучих веществ на стадии затаривания определяем по формуле (3.4) при jп = 0,006 % и mвещ = 1000 кг:

mп.л = 0,006×1000/100 = 0,06 кг

Масса толуола, возвращаемого после отгонки в процесс, определяем по формуле (3.2):

mт.в = 2164,25 - 17,31 = 2146,94 кг

Результаты расчета сводим в таблицу 3.4.

Таблица 3.4 Материальный баланс стадии выпаривания толуола и затаривания смолы

Приход			Расход
№ п/п	Компоненты	кг/т	№ п/п	Компоненты	кг/т
1  1.1 1.2	Толуольный раствор смолы Смола Толуол	3164,25 1000 2164,25	1	Смола ЭД-16	999,94
			2	Толуол, отогнанный и возвращенный в процесс	2146,94
			3	Потери толуола	17,31
			4	Потери летучих на стадии затаривания	0,06
Итого		3164,25	Итого		3164,25

.1.2 Расчет реактора синтеза эпоксидной смолы

Данные для расчета:

мощность установки	Gг = 2930 т/год;
годовой фонд рабочего времени	Т = 7200 ч/год;
предпочтительное время рабочего цикла	t = 16ч;
массы компонентов смеси в реакторе	см. табл.3.1¸4.4.

Определение свойств реакционной массы

Массы компонентов, входящих в состав реакционной массы, их массовые доли и плотности при температуре 60°С сводим в таблицу 3.5.

Массовые концентрации определяем по формуле:

 = mi /Smi, (3.12)

где mi - масса i-го компонента.

Плотность смеси определяем по формуле:

, (3.13)

Таблица 3.5 Состав и плотность реакционной массы

№ п/п	Наименование компонента	Масса mi, кг	Массовая доля xi	Плотность ri, кг/м3	Литература
1 2 3 4	Эпоксидная смола Вода Хлорид натрия Глицерин	1000 461,86 392,51 118,36	0,507 0,234 0,199 0,060	1150 983 2350 1229	/2/ /13/ /13/ /13/
S		1972,73	1	1230	-

Динамический коэффициент вязкости смеси принимаем равным вязкости эпоксидной смолы ЭД-16 при 60°С: m = 12 Па×с .

Теплоемкость и теплопроводность смеси принимаем равными теплоемкости и теплопроводности смолы. В связи с отсутствием экспериментальных данных эти свойства смолы определяем по эмпирическим формулам.

Теплоемкость смолы определяем по формуле /11, с.208/:

, (3.14)

где Ci - атомная теплоемкость химических элементов, входящих в состав смолы, Дж/(г×ат×К);

ni - число атомов соответствующих элементов;

М = 507,56 - молекулярная масса смолы.

Для углерода, водорода и кислорода в составе жидкого вещества атомные теплоемкости равны соответственно 11,72; 17,99; 25,1 Дж/(г×ат×К). Количественная формула смолы имеет вид С21Н24О4[C18H20O3]n, где n = 0,59 -коэффициент поликонденсации смолы.

Подставляем численные значения в формулу (3.14):

с = [(21 + 18×0,59)×11,72 + (24 + 20×0,59)×17,99 + (4 + 3×0,59)×25,1]/507,56 == 2,28 Дж/(г×К) = 2280 Дж/(кг×К)

Коэффициент теплопроводности смолы при 20°С определяем по формуле /11, (XVI.2)/:

, (3.15)

где А = 0,422×10-17 - коэффициент для неассоциированных жидкостей.

Коэффициент теплопроводности смолы при t = 60°С определяем по формуле /11, с.325/:

l = l20[1 + a(t - 20)], (3.16)

где a = -0,0012 - среднее значение коэффициента изменения теплопроводности.

l = 0,146[1 - 0,0012(60 - 20)] = 0,139 Вт/(м×К)

Определение объема и числа реакторов

Наибольшая степень заполнения реактора имеет место при проведении третьей стадии водно-толуольных промывок.

Доля воды, подаваемой на третью промывку, составляет jIII = 28% от общего количества подаваемой воды. Тогда масса воды при mв = 1200 кг по формуле (3.4) составит:

mвIII = 0,28×1200 = 336 кг/т смолы

Глицерин и NaCl отводятся из толуольного раствора смолы с водой; их масса на третьей стадии промывок при mг = 118,36 кг/т,:

mгIII = 0,28×118,36 = 33,14 кг/т смолы

mсIII = 0,28×392,51 = 109,90 кг/т смолы

Часть толуола (mт.п = 30,25 кг/т) также отводится с водой. Масса толуола при mт = 2200 кг/т составляет:

; (3.17)

Массы компонентов, входящих в состав смеси, их массовые доли и плотности при температуре 60°С сводим в таблицу 3.6. Массовые концентрации определяем по формуле (3.12), плотность смеси определяем по формуле (3.13).

Таблица 3.6 Состав и плотность смеси при третьей стадии промывок

№ п/п	Наименование компонента	Масса mi, кг	Массовая доля xi	Плотность ri, кг/м3	Литература
1 2 3 4 5	Эпоксидная смола Толуол Вода Хлорид натрия Глицерин	1000 2191,53 336 109,9 33,14	0,272 0,597 0,092 0,030 0,009	1150 828 983 2350 1229	/2/ /13/ /13/ /13/ /13/
S		3670,57	1	934	-

Объем смеси в реактора в расчете на 1т готовой смолы:

 = mIII/rIII, (3.18)

где mIII =3670,57 кг/т - масса смеси;

rIII = 934 кг/м3 - плотность смеси.

VIII = 3670,57/934 = 3,93 м3/т

Число реакторов определяем, исходя из условия:

, (3.19)

где hц - коэффициент полезного действия цикла, определяемый по формуле:

; (3.20)

Принимаем число реакторов z = 2.

Масса смолы, получаемой за один цикл работы реактора:

, (3.21)

Объем смеси в реакторе при максимальной загрузке составляет:

ж = VIIIGоп; (3.22)

ж = 3,93×3,66 = 14,4 м3

Принимаем максимальную степень заполнения реактора j = 0,85.

Номинальный объем реактора:

н = Vж/j ; (3.23)

н = 14,4/0,85 =16,9 м3

Принимаем значение объема реактора из стандартного ряда значений:

Vн = 16 м3

Степень заполнения реактора:

j = Vж/Vн; (3.23а)

j = 14,4/16 = 0,9

Принимаем значение диаметра реактора из стандартного ряда:

D = 2,2 м

Определяем размеры и частоту вращения мешалки.

Принимаем диаметр мешалки из стандартного ряда значений диаметров /4, табл.7/:

dм = 1400 мм = 1,4 м

Ширина лопасти мешалки /4, с.41/:

 = 0,2dм ; (3.24)

 = 0,2×1,4 = 0,28 м

Согласно рекомендациям /4, табл.9.1/ окружная скорость мешалки w = 3,8¸16 м/с. Принимаем w = 4,5 м/с.

Частота вращения мешалки составит:

 ; (3.25)

Принимаем значение частоты вращения мешалки из стандартного ряда /4, табл.9/:

n = 63 об/мин = 1,05 с-1

Тогда окружная скорость составит:

w = pdмn (3.26)

w = 3,14×1,4×1,05 = 4,62 м/с

3.1.3 Тепловой расчет реактора

Расчет ведем согласно /11/

Наиболее напряженной стадией по теплообмену является стадия конденсации смолы. Реакция конденсации - экзотермическая, ее тепловой эффект составляет q = 83,4 кДж/моль ЭХГ = 8,34×107 Дж/кмоль ЭХГ. Тепловой эффект реакции в пересчете на 1 кг смолы составит:

; (3.27)

где mЭХГ = 465,16 кг/т - масса ЭХГ, идущего на образование 1 т смолы;

МЭХГ = 92,5 кг/кмоль - мольная масса эпихлоргидрина.

Количество тепла, выделяющегося за операцию:

р = qрmсмолыGоп (3.28)

где mсмолы = 985,49 кг/т - масса чистой смолы (см. п.3.1);

Gц = 3,66 т/ц - производительность реактора за цикл работы.

Qр = 4,19×105×985,49×3,66 = 1,51×109 Дж/цикл

Тепло, уходящее из реактора с парами эпихлоргидрина:

и = rиmи, (3.29)

где rи = 670×103 Дж/кг - удельная теплота испарения эпихлоргидрина;

mи = 22,2 кг - масса испарившегося эпихлоргидрина .

Qи = 670×103×22,2 = 1,49×107 Дж/цикл

Тепловой поток от реакционной массы при времени конденсации tр = 4 ч = 14400 с:

 = (Qр - Qи)/tр (3.30)

 = (1,51×109 - 1,49×107)/14400 = 104000 Вт

В качестве теплоносителя принимаем воду. Начальную температуру воды принимаем равной t2н = 20°С; конечную температуру воды - равной t2к = 25°С.

Средняя температура теплоносителя:

2 = (t2н + t2к)/2 = (20 + 30)/2 = 22,5°С (3.31)

Свойства воды при t2 = 22,5°С /11, табл.XXXIX/:

Плотность	r2 = 997 кг/м3;
удельная теплоемкость	с2 = 4190 Дж/(кг×К);
динамический коэффициент вязкости	m2 = 9,51×10-4 Па×с;
кинематический коэффициент вязкости	n2 = 9,54×10-7 м2/с;
коэффициент теплопроводности	l2 = 0,604 Вт/(м×К).

Расход теплоносителя составит:

, (3.32)

Определяем коэффициент теплоотдачи от рабочей среды к стенке аппарата.

Центробежный критерий Рейнольдса для рабочей среды:

, (3.33)

где r1 = 1230 кг/м3 и m1 = 12 Па×с - соответственно плотность и динамический коэффициент вязкости рабочей среды.

.

Для трехлопастной мешалки в гладкостенном аппарате при Re1 = 211 критерий мощности KN = 0,8 /3, с.109/.

Мощность, затрачиваемая на перемешивание среды:

 = zмKNr1n3dм5, (3.34)

где zм - число мешалок.

Т.к. уровень жидкости в аппарате растет, zм = 1 в начале операции и zм = 2 в конце операции; подставляем в формулу (3.34) значение zм = 1,5:

N = 1,5×0,8×1230×1,053×1,45 = 9190 Вт

Коэффициент теплоотдачи от рабочей среды к стенке аппарата определяем по формуле /11, (116)/:

a1 = а2N0,29D-0,71 + а3N0,18D0,82, (3.35)

где а2, а3 - расчетные коэффициенты;

D = 2,2 м - внутренний диаметр аппарата.

Коэффициенты а2, а3 определяем по формулам /3, (117)¸(118)/:

а2 = 0,0237а1r10,58m1-0,54; (3.36)

а3 = 0,93а1r10,36m1-0,24, (3.37)

где а1 - коэффициент, определяемый по формуле /3, (119)/:

а1 = (с1l12)0,33, (3.38)

где с1 = 2280 Дж/(кг×К), l1 = 0,139 Вт/(м×К) - соответственно удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности реакционной массы.

а1 = (2280×0,1392)0,33 = 3,49

Подставляем значение а1 в формулы (3.36) и (3.37):

а2 = 0,0237×3,49×12300,58×12-0,54 = 1,34

а3 = 0,93×3,49×12300,36×12-0,24 = 23,2

Коэффициент теплоотдачи по формуле (3.35):

a1 = 1,34×91900,29×2,2-0,71 + 23,2×91900,18×2,20,82 = 240 Вт/(м×К)

Определяем коэффициент теплоотдачи от стенки аппарата к теплоносителю и коэффициент теплопередачи.

Критерий Прандтля для теплоносителя:

 (3.39)

Температуру стенки со стороны теплоносителя предварительно принимаем равной:

2стI = (t1 + t2)/2, (3.40)

где t1 = 62,5°С и t2 = 22,5°С - соответственно температура реакционной массы и средняя температура воды.

t2стI = (62,5 + 22,5)/2 = 42,5°С

Критерий Грасгоффа для рабочей среды:

2 = gHт3b2(t2ст - t2)/n22, (3.41)

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

Н2 - высота цилиндрической части рубашки; для ее определения найдем средний уровень жидкости в реакторе.

Объемы жидкости в начале и в конце стадии конденсации смолы определяем по формулам:

н = mнGц/rн; (3.42а)

Vк = mкGц/r2, (3.42б)

где mн = 1468,09 кг/т - масса конденсационного раствора (см. табл.3.1);

rн = 1200 кг/м3 - плотность;

mк = 2030,49 кг/т - масса смеси после конденсации смолы (см. табл.3.2).

Vн = 1468,09×3,66/1200 = 4,48 м3

Vк =2030,49×3,66/1230 = 6,04 м3

Средний объем рабочей среды:

ж = (Vн + Vк)/2 (3.43)

Vж = (4,48 + 6,04)/2 = 5,26 м3

Эллиптическое днище диаметром D = 2,2 м имеет следующие характеристики /6, табл.7.2/:

высота цилиндрической части отбортовки	hц = 0,06 м;
площадь поверхности	Fд = 5,66 м2;
Объем	Vд = 1,6155 м3.

Высота цилиндрической части рубашки, участвующей в теплообмене, составит:

; (3.44)

.

Подставляем численные значения в формулу (3.41):

Gr2I = 9,81×1,023×2,15×10-4(42,5 - 22,5)/(9,54×10-7)2 = 4,92×1010

Определяем произведение Gr2Pr2:

Gr2IPr2 = 4,92×1010×6,6 = 3,25×1011

Коэффициент теплоотдачи от стенки к теплоносителю определяем по формуле /11, с.120/:

a2 = csl2(Gr2Pr2)f/Н2, (3.45)

где сs и f - коэффициенты.

При Gr2Pr2 более 2×107: сs = 0,135; f = 0,330 /3, табл.19/.

a2I = 0,135×0,604(3,25×1011)0,33/1,02 = 503 Вт/(м×К)

Суммарное термическое сопротивление стенки:

, (3.46)

где r1, r2 - термические сопротивления загрязнений со стороны рабочей среды и теплоносителя соответственно;

sст = 0,016 м - толщина стенки;

lст = 17 Вт/(м×К) - коэффициент теплопроводности легированной стали /11, табл.3/.

Принимаем r1 = 10-4 м2×К/Вт; r2 = 1,7×10-4 м2×К/Вт /11,табл.3/.

Коэффициент теплопередачи:

 (3.47)

Уточняем значение температуры стенки со стороны теплоносителя:

, (3.48)

где Dtср - средняя разность температур рабочей среды и теплоносителя:

Dtср = t1 - t2 (3.49)

Dtср = 62,5 - 22,5 = 40°С

Приближение считается удовлетворительным при соблюдении условия /11, с.124/:

 ; (3.50)

e = |42,5 - 30,8|/|42,5 - 22,5| = 0,585 > 0,05

Т.к. условие (3.50) не выполняется, осуществляем второе приближение.

Критерий Грасгоффа для рабочей среды по формуле (3.41):

Gr2II = 9,81×1,023×2,15×10-4(30,8 - 22,5)/(9,54×10-7)2 = 2,04×1010

Gr2IIPr2 = 2,04×1010×6,6 = 1,35×1011

Коэффициент теплоотдачи от теплоносителя по формуле (3.45):

a2II = 0,135×0,604(1,35×1011)0,33/1,02 = 377 Вт/(м×К)

Коэффициент теплопередачи по формуле (3.47):

Температура стенки со стороны теплоносителя по формуле (3.48):

Проверяем условие (3.50):

e = |33,3 - 33,3|/|33,3 - 22,5| = 0,0 < 0,05

Т.к. условие (3.50) выполняется, окончательно принимаем коэффициент теплопередачи К = КII = 125 Вт/(м2×К).

Проверяем достаточность теплообменной поверхности.

Площадь поверхности теплообмена при конденсации смолы определяем по формуле:

 = p(D + sст)×Н2 (3.51)

 = 3,14(2,2 + 0,016)×1,02 = 7,10 м2

Тепловой поток через стенку аппарата:

ст = KFDtср ; (3.52)

ст = 125×7,1×40 = 35500 Вт

Проверяем условие достаточности поверхности теплообмена:

ст ³ Qтр, (3.53)

где Qтр - требуемый тепловой поток:

Qтр = Q + N; (3.54)

Qтр = 104000 + 9190 = 113200 Вт

Qст = 35500 Вт; Qтр = 113200 Вт;

Вт < 113200 Вт

Условие (3.53) не выполняется, следовательно, требуется дополнительное теплообменное устройство. Применяем змеевик.

Требуемый тепловой поток через змеевик:

зм = Qтр - Qст ; (3.55)

зм = 113200 - 35500 = 77700 Вт

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от рабочей среды к стенке змеевика.

Коэффициент теплоотдачи от перемешиваемой среды к встроенному в аппарат змеевику определяем по формуле /8, с.135/:

a1 = а4N0,22dзм-1Dзм-0,38, (3.56)

где а4 - коэффициент, определяемый по формуле:

где а1 = 3,49 - расчетный коэффициент (см. выше).

а4 = 0,15×3,49×12300,45120,34 = 29,9

a1 = 29,9×91900,22×0,056-11,96-0,38 = 3080 Вт/(м2×К)

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от стенки змеевика к теплоносителю и коэффициент теплопередачи.

С учетом возможности отложения солей на внутренней поверхности змеевика принимаем конечную температуру воды после змеевика t2к =40°С.

Среднюю температуру воды определяем по формуле (3.31):

t2 = (20 + 40)/2 = 30 °С

Свойства воды при t2 = 30°С /11, табл.XXXIX/:

Плотность	r2 = 996 кг/м3;
удельная теплоемкость	с2 = 4180 Дж/(кг×К);
динамический коэффициент вязкости	m2 = 8,04×10-4 Па×с;
кинематический коэффициент вязкости	n2 = 8,07×10-7 м2/с;
коэффициент теплопроводности	l2 = 0,618 Вт/(м×К).

Расход теплоносителя определяем по формуле (3.32), подставляя значение тепловой нагрузки Q = Qзм = 77700 Вт:

Скорость теплоносителя в змеевике:

, (3.58)

где dзм.вн - внутренний диаметр змеевика.

Змеевик изготавливается из трубы диаметром 57´3,5 мм; диаметр витков принимаем равным Dзм = 1,96 м. Внутренний диаметр змеевика dзм.вн = 56 - 2×3,5 =

= 49 мм = 0,049 м; наружный dзм = 0,056 м.

Критерий Рейнольдса для теплоносителя:

 (3.59)

Критерий Прандтля по формуле (3.39):

Предварительно принимаем температуру стенки со стороны теплоносителя по формуле (3.40):

t2стI = (62,5 + 30)/2 = 46,3°С

Коэффициент теплоотдачи от стенки змеевика к теплоносителю определяем по формуле /11, с.127/:

 ; (3.60)

где eт - поправочный коэффициент;

m2ст = 5,89×10-4 Па×с - динамический коэффициент вязкости воды при температуре t2ст = 46,3°С.

eт = 1 + 3,6dзм.вн/D; (3.61)

eт = 1 + 3,6×0,049/1,96

Определяем сумму термических сопротивлений стенки змеевика, подставляя sст = sзм = 0,0035 м:

Коэффициент теплоотдачи по формуле (3.45):

Средняя разность температур по формуле (3.49):

Dtср = 62,5 - 30 = 32,5°С

Уточняем температуру стенки со стороны теплоносителя по формуле (3.48):

Вязкость воды при t2стII = 29,7°С m2стII = 8,1×10-4 Па×с /11, табл.XXXIX/.

Приближение считается удовлетворительным при соблюдении условия:

 (3.62)

e = |5,89×10-4 - 8,1×10-4|/(5,89×10-4) = 0,375 > 0,3

Т.к. условие (3.62) не соблюдается, осуществляем второе приближение.

Коэффициент теплоотдачи по формуле (3.60):

Коэффициент теплоотдачи по формуле (3.45):

Уточняем температуру стенки со стороны теплоносителя по формуле (3.48):

Вязкость воды при t2стIII = 30°С m2стIII = 8,04×10-4 Па×с /11, табл.XXXIX/.

Проверяем условие (3.62):

e = |8,1×10-4 - 8,04×10-4|/(8,1×10-4) = 0,007 < 0,3

Т.к. условие (3.62) соблюдается, окончательно принимаем значение коэффициента теплопередачи Кзм = КI = 647 Вт/(м2×К).

Проверяем условие достаточности поверхности теплообмена.

Требуемая площадь поверхности теплообмена змеевика:

; (3.63)

Площадь поверхности змеевика, погруженного в реакционную массу:

зм = pdтрDзмzзм (3.64)

где dтр - диаметр трубы змеевика;

zзм = 12 - среднее число витков змеевика, погруженных в жидкость.

тр = (dзм + dзм.вн)/2 (3.65)

тр = (0,056 + 0,049)/2 = 0,0525 м

Fзм = 3,14×0,0525×1,96×12 = 3,88 м2

Проверяем условие достаточности поверхности теплообмена:

тр £ Fзм (3.66)

тр = 3,7 м2; Fзм = 3,88 м2;

,7 м2 < 3,88 м2

Условие (3.66) выполняется, следовательно, рубашка и змеевик обеспечивают полный отвод тепла от реакционной массы.

3.1.4 Расчет мощности перемешивания и подбор привода

Расчет мощности перемешивания производим для третьей стадии промывок.

Центробежный критерий Рейнольдса определяем по формуле (3.33), подставляя r1 = rIII = 934 кг/м3:

Для трехлопастной мешалки в гладкостенном аппарате при Reц = 160 критерий мощности KN = 0,85 /11, с.109/.

Мощность перемешивания определяем по формулу (3.34), подставляя

zм = 4; r1 = 934 кг/м3:

N = 4×0,85×934×1,053×1,45 = 19771 Вт

Определяем потери мощности в сальниковом уплотнении.

Толщину сальниковой набивки определяем по формуле /11, (9.18)/:

dн = (4¸5)10-2dв0,5,м, (3.67)

где dв = 0,115 м - диаметр вала мешалки.

dн = (4¸5)10-2×0,1150,5 = 0,014¸0,017 м

Принимаем dн = 0,015 м.

Высоту набивки определяем по формуле /11, (9.18)/:

н = (4¸10) dн; (3.68)

н = (4¸10)×0,015 = 0,06¸0,15 м

Принимаем hн = 0,09 м.

Мощность, затрачиваемая на трение в сальниковом уплотнении /11, (9.17)/:

уп = 4dв2ndнр×ехр(0,2hн/dн - 1) (3.69)

где р » 0,1×106 Па - наружное избыточное давление в аппарате;

fтр = 0,08¸0,12 - коэффициент трения.

Принимаем fтр = 0,12.

Nуп = 4×0,1152×1,05×0,015×0,1×106ехр(0,2×0,09/0,015 - 1) =12,2 Вт

Мощность привода:

Nпр = (N + Nуп)/h ; (3.70)

где h = 0,85¸0,9 - коэффициент полезного действия привода мешалки.

Принимаем h = 0,85.

Nпр = (19771 + 12,2)/0,85 = 23274 Вт

Выбираем стандартный мотор-редуктор с частотой вращения n = 1,05 с-1 и мощностью N = 30 кВт.

3.2     Прочностной расчет основных элементов реактора

Расчет ведем согласно [12].

Данные для расчета:

внутренний диаметр корпуса аппарата		Dк = 2,2 м;
внутренний диаметр корпуса рубашки		Dр = 2,4 м;
наибольшее значение вакуумметрического давления в корпусе		рк = 0,085 МПа;
максимальное рабочее давление в рубашке		рр = 0,48 МПа;
теплоноситель при максимальном давлении в рубашке		водяной пар;
материал корпуса аппарата	сталь марки 08Х18Н10Т;
материал рубашки аппарата	сталь марки ВСт3сп;
проницаемость материала корпуса в рабочей среде			Пк < 0,05 мм/год;
проницаемость материала рубашки в рабочей среде			Пр = 0,1 мм/год;
срок службы аппарата		tа = 12 лет;
максимальная температура теплоносителя		t = 150°С;
высота столба жидкости в корпусе при гидроиспытании		Нк = 4,58 м;
высота столба жидкости в рубашке при гидроиспытании		Нр = 3,813 м.

3.2.1 Определение расчетных параметров

Расчетные температуры корпуса и рубашки реактора принимаем равными tR=150°C.

Механические свойства конструкционных материалов

Допускаемые напряжения для стали марки 08Х18Н10Т:

при температуре tR=150°C: [s] = 160 МПа /12, табл.1.4/;

при гидроиспытании:

, (3.71)

где sт20 = 236 МПа - напряжение текучести для стали марки 08Х18Н10Т при температуре 20°С /16, табл.3.8/;т = 1,1 - коэффициент запаса текучести /6, табл.1.7/.

Модуль продольной упругости для стали марки 08Х22Н10Т :

при температуре 20°C	Е20 = 2×105 МПа;
при температуре tR=150°C	Е = 1,99×105 МПа.

Допускаемые напряжения для стали марки ВСт3сп:

при температуре tR=150°C: [s] = 131 МПа ;

при гидроиспытании по формуле (3.71) при sт20 = 250 МПа :

Модуль продольной упругости для стали марки 10Х22Н10Т /6, табл.1.5/:

при температуре 20°C	Е20 = 1,99×105 МПа;
при температуре tR=150°C	Е = 1,86×105 МПа.

Наружное избыточное давление для расчета элементов корпуса:

нR = pк + pр ; (3.72)

нR = 0,085 + 0,48 = 0,565 МПа

Внутреннее избыточное давление для расчета элементов рубашки:

= pр =0,48 МПа.

Т.к. при данном давлении среда в рубашке - пар, гидростатическое давление не учитываем.

Пробное давление для корпуса аппарата (вакуум в рабочих условиях) :

пр = max{1,5 pнR [s]пр/[s]; 0,2}, МПа; (3.73)

pпр = max{1,5×0,565×215/146; 0,2} = max{1,25; 0,2} = 1,25 МПа

Гидростатическое давление столба воды при гидроиспытаниях:

гс = rвgHв×10-6, МПа, ; (3.74)

где rв = 999 кг/м3 - плотность воды при 20°C;= 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения;в - высота столба воды.

Для корпуса Hв = Hк = 4,58 м:гс = 999×9,81×4,58×10-6 = 0,045 МПа.

Гидростатическое давление следует учитывать, если оно превышает 5% от расчетного:

гс > 0,05 pпр (3.75)

гс = 0,045 МПа; 0,05 pпр = 0,05×1,25 = 0,063 МПа;

,045 МПа < 0,063 МПа

Т.к. условие (3.75) не выполняется, гидростатическое давление при гидроиспытаниях корпуса не учитываем.

Пробное давление для рубашки аппарата (0,07 МПа < pR < 0,5 МПа) :

пр = max{1,5pR [s]пр/[s]; pR + 0,2},МПа; (3.73б)

pпр = max{1,5×0,48×227/131; 0,48 + 0,2} = max{1,25; 0,68} = 1,25 МПа

Гидростатическое давление при гидроиспытаниях рубашки определяем по формуле (3.4), подставляя Hв = Hр = 3,813 м:гс = 999×9,81×3,813×10-6 = 0,037 МПа.

Проверяем условие (3.75):гс = 0,037 МПа; 0,05 pпр = 0,05×1,25 = 0,0625 МПа;

,037 МПа < 0,0625 МПа.

Т.к. условие (3.75) не выполняется, гидростатическое давление при гидроиспытаниях рубашки не учитываем.

Общее значение прибавки к расчетной толщине стенки:

= c1 + c2 + c3; (3.76)

где c1 - прибавка на коррозию и эрозию;- прибавка на минусовое значение предельного отклонения по толщине листа;- технологическая прибавка.

Т.к. значение проницаемости материала стенок корпуса П < 0,05 мм/год, принимаем c1 = 1 мм.

Для рубашки:

с1 = Прtа ; (3.77)

с1 = 0,1×12 = 1,2 мм

Для листового проката значение c2 = 0,8 мм.

Значение технологической прибавки c3 = 0.

Подставляем значения в формулу (3.77).

Для корпуса:= 1 + 0,8 + 0 = 1,8 мм

Для рубашки:= 1,2 + 0,8 + 0 = 2 мм

3.2.2 Расчет толщины стенки корпуса реактора

Расчетная схема обечайки показана на рисунке 3.3.

Расчетная схема обечайки

Рисунок 3.3 - Схема расчета обечайки

Толщина стенки определяется из условия прочности и проверяется на устойчивость от действия наружного избыточного давления.

Расчет ведется согласно /12, с.102/.

Толщину стенки обечайки, нагруженной наружным избыточным давлением, определяем по формуле:

 = max{K2D×10-2; 1,1pнRD/(2[s])}; (3.78)

где K2 - коэффициент, зависящий от коэффициентов K1 и K3;= Dк = 2,2 м - внутренний диаметр обечайки;

[s] = 146 МПа - допускаемое напряжение для материала обечайки.

Коэффициенты K1 и K3 определяем по формулам:

 ; (3.79)

где nu = 2,4 -коэффициент запаса устойчивости для рабочих условий;= 1,99×105 МПа - модуль продольной упругости для материала обечайки;- расчетная длина обечайки, определяемая по формуле:

= hо + hц + hд (3.80)

где hц = 0,06 м - высота цилиндрической отбортовки днища с диаметром D =2,2 м и толщиной стенки s = 12¼25 мм /6, табл7.2/;д = 0,55 м - высота эллиптической части днища с D = 2,2 м.= 1,61 + 0,06 + 0,55/3 = 1,85 м

Подставляем значения в формулу (3.79):

По номограмме /6, рис.6.3/ определяем значение коэффициента K2:

= f (2,84; 0,841) = 0,64.

Подставляем значения в формулу (3.78):

sR = max{0,64×2,2×10-2; 1,1×0,565/(2×146)} = max{0,0141; 0,0021} = 0,0141 м

Расчетную толщину стенки обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением, определяем по формуле:

, (3.81)

где j = 1 - коэффициент прочности сварного шва, выполненного автоматической сваркой, при контроле качества в объеме 100% /14, табл.1.8/.

Для условий гидроиспытания корпуса pR = pпр = 1,25 МПа; допускаемое напряжение [s] = [s]пр = 215 МПа:

Из расчетных значений толщины стенки, найденных ранее, выбираем наибольшее:= max{0,0141; 0,0064} = 0,0141 м

Исполнительную толщину стенки обечайки принимаем из ряда стандартных толщин листового проката согласно условию:

s ³ sR + с; (3.82)

³ 0,0141 + 0,0018 = 0,0159 м

Принимаем s = 0,016 м.

Проверяем устойчивость обечайки от действия наружного избыточного давления.

Допускаемое давление из условия прочности:

 ; (3.83)

.

Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости:

, (3.84)

где B1 - коэффициент, определяемый по формуле:

 ; (3.85)

Допускаемое наружное давление:

 ; (3.86)

.

Проверяем условие устойчивости:

 ; (3.87)

нR/[p] = 0,565/0,644 = 0,877 < 1

Условие устойчивости обечайки выполняется.

Силу, действующую на обечайку, определяем по формуле:

 = mg, (3.87а)

где m = 480 кг - масса части аппарата, сжимающей обечайку.

F = 480×9,81/106 = 0,0047 МН

Допускаемая осевая сжимающая сила из условия прочности определяется по зависимости:

[F]P = p(D + s - c)(s - c)[s] (3.87б)

[F]P = 3,14×(2,2 + 0,016 - 0,0018)(0,016 - 0,0018)×146 = 14,4 МН

Допускаемая осевая сжимающая сила из условия местной устойчивости в пределах упругости определяется по зависимости:

 (3.87в)

= 41,6 МН

Т.к. отношение L/D = 7,4/2,2 = 3,36 < 10, осевая сжимающая сила из условия местной устойчивости в пределах упругости составит:

= 41,6 МН

Допускаемая осевая сжимающая сила определяется по формуле:

 (3.87г)

= 13,6 МН

Проверяем условие устойчивости обечайки от действия осевой сжимающей силы:

 (3.87д)

 = 0,00035 < 1

Условие устойчивости обечайки от действия осевой сжимающей силы выполняется.

3.2.3 Расчет толщины стенки днища корпуса реактора

Расчетная схема днища показана на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Схема расчета днища

Расчет ведется согласно /12, с.132/.

Толщина стенки определяется из условия прочности и проверяется на устойчивость от действия наружного избыточного давления.

Толщину стенки днища, нагруженного наружным избыточным давлением, определяем по формуле:

, (3.88)

где Kэ = 0,9 - предварительное значение коэффициента приведения радиуса кривизны эллиптического днища;= D =2,2 м - радиус кривизны в вершине днища;= 2,4 - коэффициент запаса устойчивости для рабочих условий;

Е = 1,99×105 МПа и [s] = 146 МПа - соответственно модуль продольной упругости и допускаемое напряжение для материала обечайки.

Расчетную толщину стенки днища, нагруженного внутренним избыточным давлением, определяем по формуле:

, (3.89)

где j = 1 - коэффициент прочности сварного шва, выполненного автоматической сваркой, при контроле качества в объеме 100% /12, табл.1.8/.

Для условий гидроиспытания корпуса pR = pпр = 1,25 МПа; допускаемое напряжение [s] = [s]пр = 215 МПа:

.

Из расчетных значений толщины стенки, найденных ранее, выбираем наибольшее:= max{0,0101; 0,0064} = 0,0101 м

Исполнительную толщину стенки днища принимаем согласно условию (3.82):д ³ 0,0101 + 0,0018 = 0,0119 м

Из технологических соображений принимаем толщину стенки днища равной толщине стенки обечайки: sд = 0,016 м.

Проверяем устойчивость обечайки от действия наружного избыточного давления.

Допускаемое давление из условия прочности:

 ; (3.90)

Уточненное значение коэффициента приведения радиуса кривизны днища:

, (3.91)

где х - коэффициент, определяемый по формуле:

 ; (3.92)

.

Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости:

; (3.93)

.

Допускаемое наружное давление по формуле (3.86):

.

Проверяем условие устойчивости (3.87):нR/[p] = 0,565/0,761 = 0,742 < 1

Условие устойчивости днища выполняется.

3.2.4 Расчет толщины стенки рубашки реактора

Расчет ведется согласно /12, с.102/.

Толщина стенки определяется из условия прочности.

Расчетную толщину стенки обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением, определяем по формуле (3.11), подставляя рR = 0,48 МПа; диаметр обечайки D = Dр = 2,4 м; [s] = 131 МПа; j = 1:

.

Расчет рубашки для условий гидроиспытания не требуется при соблюдении условия:

рпр < ; (3.94)

рпр = 1,25 МПа;

,25 МПа > 1,12 МПа

Т.к. условие (3.94) не выполняется, требуется расчет толщины стенки для условий гидроиспытания.

Расчетную толщину стенки обечайки для условий гидроиспытания определяем по формуле (3.81), подставляя pR = pпр = 1,25 МПа; допускаемое напряжение [s] = [s]пр = 227 МПа:

.

Из расчетных значений толщины стенки, найденных ранее, выбираем наибольшее:= max{0,0044; 0,00663} = 0,00663 м

Исполнительную толщину стенки обечайки принимаем согласно условию (3.82):³ 0,0044 + 0,002 = 0,00863 м

Принимаем s = 0,01 м.

3.2.5 Расчет толщины стенки днища рубашки реактора

Расчет ведется согласно /12, с.132/.

Толщина стенки определяется из условия прочности.

Расчетную толщину стенки днища, нагруженного внутренним избыточным давлением, определяем по формуле (3.89), подставляя рR = 0,48 МПа; радиус кривизны в вершине днища R = Dр = 2,4 м; [s] = 146 МПа;

j = 1:

.

Расчетную толщину стенки обечайки для условий гидроиспытания определяем по формуле (3.89), подставляя pR = pпр = 1,25 МПа; допускаемое напряжение [s] = [s]пр = 227 МПа:

.

Исполнительную толщину стенки обечайки принимаем согласно условию (3.82):д ³ 0,00663 + 0,002 = 0,00863 м

Принимаем толщину стенки днища sд = 0,01 м.

3.2.6 Расчет вала перемешивающего устройства

Расчет ведется по РД РТМ 26-01-72-82

Данные для расчета:

длина вала	L = 5 м;
длина консоли	Lк = 1,845 м;
длина пролета	Lп = 3,155 м;
координаты центра тяжести мешалок	l1 = 1,43 м;
	l2 = 2,58 м;
	l3 = 0,575 м;
	l4 = 1,725м;
масса одной мешалки	mi = 93,5 кг;
координаты опасных сечений	z1 = 0,35 м;
	z2 = 0;
	z3 = 0,575 м;
предел выносливости материала	sт = 200 МПа;
предел прочности материала вала
модуль продольной упругости материала вала	Е = 1,99×1011 Па;
частота вращения вала	n = 63 об/мин;
мощность, потребляемая одной мешалкой	Ni = 4943 Вт;
плотность материала вала	r = 7850 кг/м3.

Расчетная схема вала приведена на рисунке 3.5

Предел выносливости материала вала /17, с.181/:

s-1 = (0,4¸0,5)sв ; (3.95)

эпоксидный смола мешалка вязкость

s-1 = 0,4×520 = 208 МПа

Производим расчет вала на виброустойчивость.

Относительная длина консоли:

ак = Lк/L ; (3.96)

ак = 1,845/5 = 0,369.

Относительная длина пролета:

ап = Lп/Lк ; (3.97)

ап = 3,155/1,845 = 1,71

Относительные координаты центра тяжести мешалки:

аi = li /L ; (3.98)

Подставляя значения в формулу (3.98), получаем:

а1 = 0,286; а2 = 0,516; а3 = 0,115; а4 = 0,345

Безразмерный динамический прогиб вала в центре тяжести мешалок в пролете и на консоли соответственно:

ауi = k1ап; ауj = f (аj; ап), (3.99)

где k1 = f (аi; ап) - коэффициент, определяемый по /17, рис.106/;(аj; ап) - определяется по /17, рис.105/.

Подставляя значения в формулу (3.99), получаем:

ау1 = 0,149; ау2 = 0,205; ау3 = 0,06; ау4 = 0,28

Угловая скорость вала:

w = pn/30; (3.100)

w = 3,14×63/30 = 6,60 рад/с

закрепления вала:

h = 3ап ; (3.101)

h = 3×1,71 = 5,13

Коэффициент, учитывающий условия виброустойчивости zd = 0,7 /17, табл.25/.

Безразмерный коэффициент:

; (3.102)

.

Приведенная масса мешалок:

 = mi×ayi2 ; (3.103)

Подставляя значения в формулу (3.103), получаем:B = 13,93 кг; m2B = 19,17 кг; m3B = 5,61 кг; m4B = 26,18 кг

Сумма приведенных масс деталей:

 = SmiB ; (3.104)

 = 13,93 + 19,17 + 5,61 + 26,18 = 64,89 кг.

Коэффициент приведения массы вала q = f (ап) = f (1,71) = 0,94 /17, рис.103/.

Подкоренные одночлены:

А1 = qfL2, м2 ; (3.105)

, м4 ; (3.106)

А1 = 0,94×8,25×10-5×52 = 0,00194 м2

.

Расчетный диаметр вала:

 ; (3.107)

.

Принимаем диаметр вала:

³ dр ; (3.108)

Принимаем d = 95 мм = 0,095 м.

Масса единицы длины вала:

 ; (3.109)

.

Относительная масса деталей:

аm = mB/(mв×L) ; (3.110)

аm = 64,89/(55,6×5) = 0,233

Корень частотного уравнения a = f (am; aк) = f (0,233; 0,369) = 1,53 /17, рис.104/.

Момент инерции сечения вала:

 ; (3.111)

.

Первая критическая угловая скорость:

 ; (3.112)

Проверяем условие виброустойчивости:

zd = w/w1 £ 0,7; zd ¹ 0,45¸0,55 (3.113)

zd = 6,6/36,6 = 0,18;

,18 < 0,7; 0,18 ¹ 0,45¸0,55

Условие виброустойчивости (3.113) выполняется.

Производим расчет вала на жесткость.

Эксцентриситет:

е = 10-3×w-2, м ; (3.114)

е = 10-3×6,6-2 = 2,30×10-5 м

Относительные координаты опасных по жесткости сечений в пролете:

 = zi/L ; (3.115)

= 0,35/5 = 0,07

Безразмерный динамический прогиб вала в опасных сечениях в пролете:

= k2aп, (3.116)

где k2 = f (аsi; ап) - коэффициент, определяемый по /17, рис.106/.= 0,024×1,71 = 0,041

Приведенные эксцентриситеты масс мешалок:

еiB = e/ay1 (3.117)

Подставляя значения в формулу (3.117), получаем:

е1B = 1,54×10-4 м; е2B = 1,12×10-4 м; е3B = 3,83×10-4 м; е4B = 8,21×10-5 м

Приведенная масса вала:

вВ = qmвL; (3.118)

mвВ = 0,94×64,89×5 = 305

Радиальные зазоры в опорах DА = 3×10-5 м /17, табл.3.5/; DБ = 15×10-5 м /9, табл.3.6/.

Смещение оси вала относительно оси вращения за счет зазоров в точках крепления мешалок и в опасных точках в пролете и на консоли соответственно:

Dli = (DА + DБ)(li/Lп) - DА ; (3.119)

Dzi = (DА + DБ)(zi/Lп) - DА ; (3.120)

Dlj = (DА + DБ)(lj + Lп)/Lп - D?А (3.121)

Подставляя значения в формулы (3.119)¸(3.121), получаем:

Dl1 = 5,16×10-5 м; Dl2 = 1,17×10-4 м; Dz1 = 1,00×10-5 м; Dz2 = 3×10-5 м;

Dl3 = 1,83×10-4 м; Dl4 = 2,48×10-4 м; Dz3 = 1,83×10-4 м

Начальная изогнутость вала в точке приведения eВ = 6×10-5 /17, табл.3.7/.

Смещение оси вала относительно оси вращения за счет начальной изогнутости вала:

eli = eВаyi ; (3.122)

ezi = eВаzi ; (3.123)

Подставляя значения в формулы (3.122) и (3.123), получаем:

el1 = 8,94×10-6 м; el2 = 1,23×10-5 м; el3 = 3,6×10-6 м; el4 = 1,68×10-5 м;

ez1 = 2,46×10-6 м.

Смещение оси вала относительно оси в точке приведения В за счет зазоров в опорах:

DВ = (DА + DБ)×L/Lп - DА, (3.124)

DВ = (3×10-5 + 15×10-5)×5/3,155 - 3×10-5 = 2,55×10-4 м

Приведенный к точке В эксцентриситет мешалок:

 (3.125)

Подставляя значения в формулу (3.125), получаем:

ЕВ = 2,32×10-5 м

Приведенный к точке В эксцентриситет вала с мешалками:

еВ = ЕВ + DВ + eВ, м; (3.126)

еВ = 2,32×10-5 + 2,55×10-4 + 6×10-5 = 3,38×10-4 м

Динамический прогиб оси вала в точке приведения:

 ; (3.127)

Динамическое смещение центра тяжести детали:

Аi = yBayi + Dli + eli + eli, м (3.128)

Подставляя значения, получаем:

А1 = 9,69×10-4 м; А2 = 1,04×10-3 м; А3 = 1,09×10-3 м; А4 = 1,17×10-3 м

Динамические смещения вала в опасных по жесткости сечениях:

Аzi = yBazi + Dzi + ezi, м (3.129)

Подставляя значения в формулу (3.129), получаем Аz1 = -7,1×10-6 м.

Динамическое смещение вала в точке приведения:

АВ = yB + DВ + еВ, м (3.130)

Подставляя значения в формулу (3.130), получаем АВ = 6,04×10-4 м.

Проверяем условие жесткости вала:

|Аz1| £ Ад1, (3.131)

где Ад1 = 10-4 м - допускаемое перемещение вала в месте установки сальникового уплотнения /17, табл.3.8/.

|Аz1| = 7,1×10-6 м; Ад1 = 10-4 м;

,1×10-6 м < 10-4 м

Условие виброжесткости вала (3.131) выполняется.

Производим расчет вала на прочность.

Сосредоточенная центробежная сила, действующая на мешалку:

Рi = miw2Аi (3.132)

Подставляя значения в формулу (3.132), получаем:

Р1 = 3,95 Н; Р2 = 4,24 Н; Р3 = 4,44 Н; Р4 = 4,77 Н

Центробежная приведенная сила:

РВ = mвВw2АВ (3.133)

Подставляя значения в формулу (3.133), получаем РВ = 7,74 Н.

Сумма моментов относительно опоры Б в пролете и на консоли соответственно:

МБп = SРi(Li - li) (3.134)

МБк = SРjlj (3.65)

Подставляя значения в формулы (3.134) и (3.135), получаем:

МБп = 9,25 Н×м; МБк = 10,8 Н×м

Реакция опоры А:

А = (МБп + МБк +РВLк)/Lп (3.136)

Подставляя значения в формулу (3.136), получаем RА = 10,9 Н

Сумма моментов относительно опоры А в пролете и на консоли соответственно:

МАп = SРili (3.137)

МАк = SРj(Lj + lj) (3.138)

Подставляя значения в формулы (3.137) и (3.138), получаем:

МАп = 16,6 Н×м; МАк = 39,8 Н×м

Реакция опоры Б:

Б = (МАп + МАк +РВL)/Lп (3.139)

Подставляя значения в формулу (3.139), получаем RБ = 30,1 Н

Изгибающий момент в опасных по прочности сечениях и на консоли:

Мzi = РВ(Lк - zi) + SРi(li - zi) (3.140)

Подставляя значения в формулу (3.140), получаем:

Мz2 = 41,6 Н×м; Мz3 = 27,2 Н×м

Крутящий момент в опасных по прочности сечениях:

= w-1SNi (3.141)

Подставляя значения в формулу (3.141), получаем:

М2 = 2247 Н×м; М3 = 2247 Н×м

Момент сопротивления вала в опасных по прочности сечениях:

 (3.142)

Эквивалентное напряжение в опасных по прочности сечениях

 (3.143)

Подставляя значения в формулу (3.143), получаем:

sэ2 = 2,67×107 Па; sэ3 = 2,67×107 Па

Допускаемое напряжение на прочность:

sдi = kms-1/(ksikзап), (3.144)

где km = 0,62 -значение масштабного коэффициента для легированной стали при d = 0,095 м/17, рис.3.19/;si - коэффициенты концентрации напряжений;зап = 2 - коэффициент запаса прочности.

Для скользящих посадок подшипника ks2 = 2; для шпоночных канавокs3 = 2.

sд2 =sд3 = 0,62×208/(2×2) = 32,2 МПа = 3,22×107 Па

Проверяем условие прочности:

sэi £ sдi (3.145)

sэ2 = sэ3 = 2,67×107 Па; sд2 =sд3 = 3,22×107 Па;

,67×107 Па < 3,22×107 Па

Условие прочности (3.145) выполняется.

4. Технология изготовления детали

.1 Цель раздела

Целью данного раздела является разработка технологического процесса изготовления змеевика, входящей в состав реактора, по следующим исходным данным:

годовая программа выпуска                         4 шт.

Эскиз детали приведен на чертеже.

4.2 Выбор вида производства

Т.к. годовая программа выпуска обечаек составляет 4 штуки, по типу производство относится к единичному. По форме организации работ - организация по типам оборудования.

4.3 Вид и размеры заготовки

Процесс изготовления змеевика включает в себя типовой технологический процесс изготовления полувитков с кромкой под приварку.

В качестве заготовки принимаем Трубу ф57х3,5 ГОСТ 8732-78, сталь В10Г2 ГОСТ 8731-74.

Количество труб ф57х3,5 определяется:

, (4.1)

где Lзм - длина змеевика, мм;

Lтр = 6000мм - длина трубы ф57х3,5;

 (4.2)

 (4.3)

Где Lвитка - длина витка, мм;= 6шт - количество витков

Подставим значения в формулу (4.1), получим:

Принимаем: N=7шт.

Размеры полувитков из труб отличаются от расчетных на величину:

 = - b1 + b2 + c, мм (4.4)

где b1 - величина зазора под сварку, мм;

b2 - припуск на обработку кромок, мм;

с - величина усадки сварного шва, мм.

Величина зазора под сварку согласно рекомендациям /26, таблица 68/ b1 = = 0,5 ¸ 2,5 мм. Принимаем b1 = 1 мм.

Припуск на обработку кромок b2 = 5 мм /17, таблица 79/.

Величина усадки сварного шва за один проход:

, мм, (4.5)

где k1 и k2 - коэффициенты, зависящие от числа проходов и марки стали. Для углеродистой стали при числе проходов, равному 1, k1 = 0,04; k2 = 1,32, /26 таблица 16/;

qн - погонная энергия сварочного нагрева, определяемая по формуле:

, (4.6)

где h - КПД дуги;

I - сила сварочного тока, А;

u - напряжение дуги, В;

v - скорость сварки, м/ч;

s = 8 мм - толщина свариваемого металла.

При автоматической сварке под флюсом КПД дуги h = 0,7 ¸ 0,8 /26, страница 32/. Принимаем h = 0,8.

Для нашего случая сила сварочного тока I = 480 ¸ 520 А, напряжение дуги u = = 28 ¸ 29 В, скорость сварки v = 23 м/ч /26, таблица 97/. Принимаем соответственно I = 520 А, u = 29 В и v = 23 м/ч. Тогда

Подставляем численные значения величин в формулу (4.5):

мм

Тогда

b = - 1 + 5 + 0,15 = 6,15 мм

Округляем полученное значение: b = 7 мм.

4.4 Определение режимов обработки

Эскиз заготовки, сведения об оборудовании, приспособлениях и применяемом инструменте в процессе обработки, а так же параметры об обработке, нормы времени и квалификация рабочих представлены на технологической карте изготовления днища.

Скорость резания рассчитывается по формуле [25]:

 (4.10)

где Т = 60мин. - среднее значение периода стойкости режущего инструмента;

S = 1,5мм/об - подача, принимается для токарно - карусельных станков;

Сs = 47 - коэффициент, зависящий от условий резания;

Н = 0,2; YO = 0,8 - табличные коэффициенты;

Кs - общий поправочный коэффициент.

Он рассчитывается по формуле:

 (4.11)

где  - коэффициент, зависящий от качества обрабатываемого материала;

 - коэффициент, зависящий от поверхности заготовки;

 - коэффициент, зависящий от материала режущей части резца (Т15К6);

 - коэффициенты, зависящие от параметра резца.

Тогда, подставив в формулу (4.4), получим:

Затем значение (4.4) подставим в (4.3), получим скорость резания:

 мм/мин.

Определим силу резания:

 (4.12)

где СР = 173 - постоянная для данных условий;

t = 15 мм - ширина лезвия резца;

XP = 0,73, YP = 0,67, nP = 0 - табличные значения;

КР - поправочный коэффициент.

Он рассчитывается как:

 (4.13)

где ;

- коэффициент, учитывающий изменения от табличных условий резания.

Подставив значения в (4.6), получим:

Значения (4.6) подставим в (4.5), получим:

кг

Рассчитаем мощность резания, необходимую на обработку:

 ; (4.14)

Подставив ранее полученные значения формул (4.5) и (4.3), получим:

кВт

Тогда мощность станка должна отвечать условию:

 ; (4.15)

где h = (0,7 - 0,8) - КПД станка

кВт

Принимаем токарно - карусельный станок модели 1525, имеющий следующие технические характеристики:

·   мощность главного электродвигателя 40кВт;

·   диаметр обрабатываемой заготовки до 2500мм;

·   диаметр планшайбы до 2500мм;

·   вес обрабатываемой детали до 13000кг;

·   число оборотов планшайбы 1,6 - 80 об/мин;

·   вертикальная и горизонтальная подача супортов 0,09 - 16 мм/об;

·   габаритные размеры 4495 ´ 6610 ´ 5445;

·   вес 35500кг.

4.5 Расчет технической нормы времени

Штучное время для нашей операции определяется по формуле [26]:

 ; (4.16)

где  - оперативное время;

a = (0,8 - 2,5)% - процент от оперативного времени, выражающий время технического обслуживания;

b = (2 - 13)% - процент от оперативного времени, выражающий время организационного обслуживания рабочего места;

g = (4 - 6)% - процент от оперативного времени, выражающий время перерывов на отдых и естественные надобности рабочего.

Оперативное время определяется по формуле:

 ; (4.17)

где tо - основное время, время , затрачиваемое непосредственно на изготовление детали;

tв - вспомогательное время, время вспомогательных действий рабочего непосредственно связанное с основной работой.

Основное время рассчитывается:

 ; (4.18)

где l = 8 мм - толщина стенки днища;

l1 = 13мм - величина врезания и перегиба инструмента;

n = 20об/мин - число оборотов, принимается по паспортным данным станка;

i = 2 - число проходов;

S = 3мм/об - подача, принимается по паспортным данным станка.

Подставив значения в формулу (4.11), получим:

мин.

На основе справочных данных вспомогательное время на весь комплекс действий для обработки заготовки диаметром до 2500мм на токарно - карусельном станке 1525 составляет tв = 5мин. Тогда, подставив в формулу (4.10), получим:

мин.

5. ТЕХНОЛОГИЯ СБОРКИ РЕАКТОРА

5.1 Анализ технологичности конструкции

При проведении анализа технологичности конструкции изделия ориентируются на технические показатели технологичности конструкции:

-        коэффициент стандартизации изделия сборочных единиц и деталей;

-        коэффициент унификации изделия, сборочных единиц и деталей.

5.1.1 Расчет показателей технологичности

Коэффициент стандартизации сборочных единиц

;                                                         (5.1)

где NССБ, NСБ - число стандартных и всех сборочных единиц;

NССБ = 2, NСБ = 10.

.

Коэффициент стандартизации изделий

   ;                                                         (5.2)

где NСD, ND - число стандартных и всех деталей;

NCD = 346, ND = 555.

.

Коэффициент стандартизации аппарата

                                                (5.3)

Из расчетов видно, что аппарат обладает высоким уровнем унификации и довольно высоким уровнем стандартизации

5.2 Выбор режима сварки

В качестве параметрамов режима автоматической сварки под слоем флюса являются: диаметр сварочной проволоки, величина сварочного тока, напряжение на дуге, скорость сварки, вылет электрода.

Режим автоматической сварки под слоем флюса выбираем в зависимости от толщины и марки свариваемой стали, типа соединения и формы разделки кромок, положения шва в пространстве, а также с учетом стабильного горения дуги, которое ухудшается с понижением сварочного тока

Расчет режима при сварке

Расчет ведем согласно [25, 26].

Исходные данные:

Марка стали - 08Х22Н10Т

Сварочная проволока св-05Х20Н9ФБС, флюс АН-26С. Односторонняя сварка без разделки кромок.

Выбираем силу сварочного тока, обеспечивающую полную глубину проплавления

;                                                        (5.4)

где КН - коэффициент пропорциональности, величина, которая зависит от условия проведения сварки.

При сварке под флюсом АИ-26С при постоянном токе обратной полярности КН = 1,5 мм/100А.

.

Определяем диаметр электродной проволоки по формуле:

;                                                      (5.5)

где i - допустимая плотность тока

Принимаем dэ = 5 мм.

Определяем скорость сварки по формуле:

;                                                               (5.6)

где А = 20 × 103 А×м/ч при dэ = 5 мм.

Определяем напряжение на дуге по формуле:

;                                          (5.7)

Определяем расчетную глубину проплавления по формуле:

где А = 0,28 - для нержавеющих сталей при сварке под флюсом низкоуглеродистой проволокой

qп - погонная энергия

Yпр - коэффициент формы провара

;                                                         (5.9)

Определяем коэффициент формы провара по формуле:

;                                (5.10)

где К - коэффициент, зависящий от рода тока и полярности. При i<120 А/мм2 при сварке постоянным током обратной полярности коэффициент К определяется по формуле:

;                                           (5.11)

Определяем ширину шва по формуле:

  ;                                               (5.12)

Определяем высоту усиления шва по формуле:

;                                               (5.13)

где FН - площадь наплавленного металла

;                                          (5.14)

где aН = 9,4 г/А×ч - коэффициент наплавки;

r = 7,8 г/см3 - плотность наплавленного металла

Полученные значения (В и С) попадают в поле допуска геометрических размеров сварного шва С4 по ГОСТ 8713-79. Сварка под флюсом. Соединения сварные.

Полученные значения режимов сварки попадают в поле рекомендуемых по ОСТ 26-291-94 «Сварка в химическом».

5.3 Расчет нормы времени на сварку

Определим штучное время tшт, мин по формуле:

;                                           (5.15)

где tо - основное время, мин;

tвсп - вспомогательное время, мин;

tобсл - время обслуживания рабочего места, мин;

tфиз - время на физические потребности.

Основное время tо, мин при автоматической сварки под слоем флюса определяется по формуле:

;                                                   (5.16)

где lо = 5,06 м - протяженность сварного шва;

Vсв = 30 м/ч - скорость сварки.

.

Вспомогательное время tвсп, мин определяется по формуле:

;                                                      (5.17)

где tв.ш - вспомогательное время, зависящее от длины свариваемого шва (связанное со швом);

tв.к - вспомогательное время, зависящее от свариваемой конструкции и типа оборудования.

При d=10 мм tв.ш = 4 мин на 1 метр шва

При lо = 5,06 м tв.ш = 20,1 мин.

tв.к = 10% × tо

tв.к = 0,1 × 10,1 = 1,0 мин.

Время обслуживания рабочего места и время на физические потребности принимаются в процентах от оперативного времени.

Принимаем tобсл = 5% × tопер       tфиз = 4% × tопер

tопер = tо + tвсп           ;                                               (5.18)

опер = 10,1 + 21,1 = 31,2 мин.

tобсл = 5% × tопер = 0,05 × 31,2 = 1,6 мин.

tфиз = 4% × tопер = 0,04 × 31,2 = 1,25 мин.

6. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПРИСПОСОБЛЕНИЯ

Роликовый стенд предназначен для вращения обечаек при механической зачистки кромок обечаек, а так же для процесса сборки и сварки.

Установка состоит из рамы 1, на которой смонтированы две пары обрезиненных роликоопор 2, 3, 4. Обечайка вращается от обрезиненных роликоопор, приводимых в движение электродвигателем с регулируемой частотой, а вращение инструмента осуществляется от электродвигателя 5 через вал 8, находящийся в трубчатой штанге. Для предотвращения съезжания обечайки с роликоопор предусмотрен упорный ролик 2.

Скорость вращения роликов может регулироваться, учитывая требования сварки или скорости зачистки кромок обечайки инструментом. Вращатели имеют бесступенчатую систему регулирования скорости вращения.

Техническая характеристика приспособления и требования к его изготовлению приведены на чертеже ДП-НГТУ-МХ09с-000-13.

Рисунок 6.1 Ролико-опорный стенд.

Для приспособления необходимо выбрать электродвигатель и цилиндрический редуктор.

Расчет редуктора электродвигателя ведется по /19, 20/

6.1 Выбор кинематической схемы

Рисунок 6.2 Кинематическая схема редуктор

6.2 Определение КПД передач и привода, выбор электродвигателя

 (6.1)

где -[1, с.4] - КПД зубчатой передачи с учетом опор.

Принимаем з3 = 0,97.

=0,98 - КПД соединительной муфты, [19, с.4]

 = 0,99 - КПД подшипников качения, [19, с.4].

В нашей схеме две зубчатые передачи и две соединительные муфты, одна пара подшипников качения приводного вала (не считая тех, которые служат опорами для зубчатых передач).

Потребная мощность электродвигателя:

, (6.2)

где - мощность на тихоходном валу.

 кВт.

По полученным данным по [19, табл.2.2] подбираем электродвигатель 4А132S4/1455 с параметрами   с учетом коэффициента скольжения S=2,7%

6.3     Кинематический расчет

Передаточное число привода:

 (6.3)

Из стандартного ряда принимаем

Передаточное число тихоходной передачи [19,с.7]:

 (6.4)

Принимаем стандартное значением и = 5

Передаточное число быстроходной передачи [1,с.7]:

иБ= (6.5)

Принимаем иБ = 8

Передаточное число редуктора

Определение вращающих моментов и частот вращения валов

Момент на тихоходном валу, [19, с. 8]

 ; (6.6)

где  - угловые скорости быстроходного и тихоходного валов соответственно.

 (6.7)

Момент на быстроходном валу [19, с.8]:

 (6.8)

Результаты расчетов сводим в таблицу 6.1

Таблица 6.1 Результаты расчётов

N=об/мин
Н м
Рад/с

Основываясь на полученных результатах, выбираем стандартный двухступенчатый редуктор 1Ц2У-200 с номинальным крутящим моментом на тихоходном валу Нм и передаточным отношением

.4 РАСЧЕТ ЗУБЧАТЫЧАТОЙ ЦИЛИНДРИТЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ

Выбор твердости, термической обработки, материал колес

При требуемой твердости колес НВ < 350, учитывая также возможный большой диаметр, заготовки колес выбираем по таблице 2.1 [19, с.8]. Для всех колес редуктора материал - сталь марки 40ХН.

Термическая обработка колес - улучшение , твердость HR = 48…53,

 =750МПа.

Термическая обработка шестерен - улучшение и закалка, твердость HRC = 48.. .53,

 = 750 МПа.

Средняя твердость колес: HRC ==50,5 .

Средняя твердость шестерен: HRC == 50,5 .

6.4.1Определение допускаемых напряжений

Д ля быстроходной передачи:

·        Допускаемое контактное напряжение на контактную выносливость:

 (6.10)

где -коэффициент долговечности;

 - предел контактной выносливости при нулевом цикле, табл. 8.9 [20, с.147];

SH = 1,1 - коэффициент безопасности при термической обработке - улучшение,

[20, с. 146];

=14HRC + 170 ; (6.11)

 ; (6.12)

где -число циклов перемены напряжзений. Принимаем по [Шб, табл.3.3]

действительное число циклов перемены напряжений.

= 573; (6.13)

где - угловая скорость, рад/с.

-время работы передачи. Принимаем по [Шб, с.39]

 принимаем =1.

·        Допускаемое напряжение изгиба:

 , (6.14)

где  -1 - коэффициент, учитывающий влияние двухстороннего приложения нагрузки - при односторонней нагрузке [20, с. 151];

-1,0- коэффициент безопасности, табл. 8.9 [20, с. 147];

=370МПа - предел выносливости зубьев по напряжениям изгиба [20, с. 147];

 - коэффициент долговечности, [20, с. 151].

 ; (6.15)

Д ля тихоходной передачи:

 по формуле (2.2):

.

Определяем по формуле (2.4) и по формуле (2.3) :

 принимаем =1.

·        Допускаемое контактное напряжение на контактную выносливость по формуле (6.10):

.

 по формуле (6.15)

·        Допустимое напряжение изгиба по формуле (6.14):

Так как разность твердости шестерни и колеса незначительна, то допускаемое напряжение для быстроходной ступени определяется следующим образом: [20 с. 145]

= min(,) (6.17)

= min(797,3;797,3) = 797,3 МПа

Допускаемые напряжения тихоходной передачи определяются :

= min(215;100) = 100 МПа.

6.4.2  Определение основных геометрических параметров для тихоходной передачи

Межосевое расстояние

, (6.18)

где = 4300 - [19, с. 10] - коэффициент для косозубых колес;

= 1,0 - [19, с. 10] - коэффициент концентрации нагрузки для прирабатывающихся

колес в режиме постоянной нагрузки;

- эквивалентный момент на колесе, [19, с. 11 ];

= 0,25...0,4- [19, с.11] - при несимметричном расположении опор.

Принимаем при НВ > 350 =0,25

и =  = 2

== 100 МПа = 100 106 Па.

= , (6.19)

где Т =108 Нм.

 ; (6.20)

где = 1,0 - коэффициент эквивалентности при постоянном режиме, табл. 2.4 [19, с. 12]

=.

Принимаем стандартное значение  = 315 мм.

Основные размеры колеса и модуль передачи

·        Предварительные размеры колеса

 (6.21)

мм

·        Ширина колеса

 (6.22)

 =

·        Модуль передачи

 (6.23)

где Кт = 5,8 - [19, с. 12] - коэффициент для косозубых колес;

 (6.24)

- эквивалентный момент на колесе, [19, с 12];

 (6.25)

= 1,0 - при постоянном режиме и термической обработке (улучшение) [19, с. 13]

Так как >, то =1 - см. п. 2.3

=1 = 108мм

м.

Значение модуля m округляем в большую сторону до ближайшего стандартного значения, m = 2 мм.

·        Число зубьев шестерни колеса. Фактическое передаточное число

Минимальный угол наклона зубьев зубчатых колес

 ; (6.26)

=arcsin()=

Суммарное число зубьев, [19, с 3]

 (6.27)

Принимаем =313, округляя в меньшую сторону до целого числа

Определяем действительное значение угла, [19, с. 13]

= arccos(m/(2aw )) (6.28)

= arccos(313  = 0,995

Для косозубых колес  = 8°...18°.

Число зубьев шестерни, [19, с.13]

 (3.29)

Значение  округляем в ближайшую сторону до целого числа. Принимаем  =104.

Так как  = 104>ZMIN =17cos3= 17-0,9953 =16,7, то передача выполняется без выносной коррекции, то есть коэффициент смещения

Число зубьев колеса

z2=- (6.30)

2 =313-104 = 209.

Фактическое передаточное число

 ; (6.31)

Отклонение от заданного передаточного числа

Согласно [19, с. 13] допустимое отклонение передаточного числа должно быть < 4. Окончательно принимаем иБ = 2.

Определение диаметров колес

·        Делительные диаметры d:

 , (6.32)

=104·2/0,995 = 210 мм

d=2a-d1 , (6.33)

d=2 315-102=528 мм

·        Диаметры окружностей вершин зубьев:

 ;  (6.34)

;

.

·        Диаметры окружностей впадин зубьев

 (6.35)

 (6.36)

 =368-2,5-2 = 363 мм

·        Ширина зубчатого венца шестерни, [20, с.98]:

 (6.37)

Принимаем стандартное значение= 90 мм.

Окружная скорость и усилия в зацеплении

·        Окружная скорость шестерни:

 (6.38)

Этой скорости соответствует девятая степень точности по табл. 2.4 [19, с. 15], однако, передача с 9-й степенью точности - это передачи с пониженной точностью, принимаемые в качестве открытых передач. В нашем случае зубчатая передача закрытая, общего машиностроения.

Принимаем степень точности 8.

·        Окружная сила

;  (6.39)

·        Радиальная сила

Fr = Ft· tg/cos; (6.40)

где  = 20° - стандартный угол.

·        Осевая сила

Fa = Ft·tg; (6.41)

6.4.3  Проверочный расчет зубчатой передачи на контактную выносливость

·        Расчетное контактное напряжение

 ; (6.42)

Принимаем для косозубых колес по [19,с.15]

=2,7·105

=1,1

Принимаем  по таблице2.9. [19,с.16] при U > 0,806 м/с, HB350 8 степени

точности = 1,1, зубья косые.

 =108 Н • м - смотри п. 2.3.1.

b2 = 0,078м

aW = 0,315 м

u= 4

.

=620 МПа<[]= 797,3 МПа - условие прочности зубчатой передачи на контактную выносливость выполняется.

Запас прочности

Такой запас прочности не является излишним, так как он меньше 10%.

6.4.4  Проверочный расчет зубчатой передачи на выносливость при изгибе

Коэффициент формы зубьев шестерни и колеса определяется по табл. 4.13 [20,с.101] в зависимости от эквивалентного числа зубьев.

 ; (6.43)

; .

; .

Так как соотношение  для шестерни меньше, то зубья шестерни имеют меньшую

прочность при изгибе, чем зубья колеса. Следовательно, дальнейший расчет ведем для зубьев шестерни.

·        Расчетное напряжение изгиба в зубьях колеса и шестерни

, (6.44)

где  =0,91 - для косозубых колес 8-й степени точности, [19,с.14];

- коэффициент концентрации нагрузки.

Принимаем = 1,0 - для прирабатывающихся колес при постоянной нагрузке, [l9.c.15];

- коэффициент динамической нагрузки, табл. 2.7 [19,с.15].

При НВ350 - U = 0,806м/с, KFU = 1,06, степень точности косозубого колеса 8.

;

FtE - эквивалентная окружная сила, [19,с.15].

=KFg·Ft

где Kfg = 1

967H (6.45)

1028,5Н

 = 797,3 МПа - условие прочности зубьев колеса по направлениям изгиба выполняется.

= МПа

=22,6 МПа < []2 =100 МПа - условие прочности зубьев шестерни по направлениям изгиба выполняется.

7. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА

Цель раздела: разработка мероприятий, направленных на исключение возможности производственного травматизма, отравлений, профзаболевании, а также загрязнения окружающей среды при изготовлении и эксплуатации разработанного в проекте реактора.

7.1 Характеристика опасных и вредных производственных факторов

Предприятиям химического машиностроения присущи следующие группы опасных и вредных производственных факторов [28]:

-        физические;

-        химические;

-        психофизиологические.

К физическим факторам относятся:

-        вращающиеся части машин и механизмов;

-        подвижные части производственного оборудования;

-        передвигающиеся изделия, заготовки и материалы;

-        повышенная запыленность и загазованность воздуха на участках пневмошлифовки;

-        повышенная температура воздуха, инфракрасное излучение на участках сварки и горячей штамповки;

-        искры и брызги расплавленного металла на сварочных участках;

-        повышенный уровень шума и вибрации на участках газовой резки, мехобработки, штамповки и пневмошлифовки;

-        радиоактивное излучение на участках рентгенконтроля сварных швов;

-        недостаточное освещение рабочей зоны;

-        повышенное напряжение электросети, замыкание которой может произойти через человеческое тело.

К химическим факторам относятся газы, выделяющиеся при сварке и термообработке, а именно: Fe2O3, Cr2O3, NO2, CO, MnO2. По характеру воздействия на организм человека они делятся на:

-        токсичные: Fe2O3, Cr2O3, NO2, CO;

-        влияющие на репродуктивную функцию: MnO2.

Все перечисленные вещества попадают в организм человека через органы дыхания.

К психофизиологическим факторам относятся:

-        статические и динамические перегрузки;

-        монотонность труда;

-        перенапряжение анализаторов;

-        эмоциональные перегрузки.

7.2 Санитарно-гигиенические мероприятия

.2.1 Токсические свойства обращающихся в производстве веществ. Меры и средства безопасности

Основные токсические вещества, образующиеся в производстве химической аппаратуры - это газообразные продукты, выделяющиеся при варке, газорезке, термообработке, а именно: CO, NO2, Cr2O3, MnO2, Fe2O3.

Характеристика наиболее токсичных веществ, образующихся в производстве приведена в таблице 7.1.

Таблица 7.1 - Характеристика токсических веществ, сырья, полупродуктов; продукта и отходов производства.

Наименование вещества	MnO2	Cr2O3	Fe2O3	Литература
Агрегатное состояние	аэрозоль дезинтеграции	аэрозоль конденсации	[7]
Класс опасности вещества	II	I	IV	[8]
ПДК воздуха рабочей зоны, мг/м3	0,2	0,01	15	[8]

Согласно [29] класс промышленного предприятия IV, ширина санитарно-защитной зоны не менее 300 м.

Для контроля наличия Cr2O3 устанавливается непрерывный контроль, предусматривающий применение системы самопишущих автоматических приборов, подающих сигнал о повышении уровня ПДК с погрешностью не более 25%.

Для контроля наличия MnO2 и Fe2O3 устанавливается периодический контроль, предусматривающий достоверность результатов.

Вредные вещества, образующиеся в производстве оказывают на организм человека следующие воздействия [30]

-        Cr2O3 - вызывает поражение органов дыхания, желудочно-кишечного тракта, почек;

-        MnO2 - вызывает изменение ЦНС, симптомы полиневрита;

-        Fe2O3 - поражает легочную ткань, влияет на кровеносную систему и углеводный обмен.

Все рабочие должны работать в брезентовых брюках и куртке, рукавицах и ботинках.

Электросварщики должны работать в спецрукавицах (от поражения электрическим током) и маске [31].

Котельщики должны работать в защитных очках без светофильтров и респираторе типов: ШБ-1, Лепесток-5, Лепесток-40, Систок-П, Систок-К, Систок-2П-В [31].

Сварщики должны работать в очках закрытого типа (для защиты глаз от ультрафиолетовых и инфракрасных лучей) со стеклами ГС-2, имеющих плотность светофильтров ГС-3 при расходе ацетилена до 750 л/ч, ГС-7 до 2500 л/ч, ГС-12 более 2500 л/ч [31].

7.2.2 Метеорологические условия. Вентиляция. Отопление

В сборочном цехе источниками тепловыделений являются сварочные стенды, поражающие дуги, искры и брызги расплавленного металла.

Количество тепла, выделяющееся в окружающую среду определяется по формуле:

;                                            (7.1)

где a - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2×К;

F - площадь поверхности дуги, м2

tд - температура дуги, 0С;

tв - температура воздуха, 0С;

n - количество сварочных аппаратов.

tд = 60000С;        tв = 180С; n = 12

Коэффициент теплоотдачи определяется по формуле [32]:

        ;                                                         (7.2)

где а, в - эмпирические коэффициенты;

а = 9,3; в = 0,058

Площадь поверхности дуги определяется по формуле

;                                                         (7.3)

где D - диаметр дуги, м;

L - длина дуги, м;

D = 2,5 × 10-3 м; L = 4 × 10-3 м.

Подставив численные значения в формулу (7.1) получим:

Избыток тепла определяется по формуле:

;                                                    (7.4)

где V - объем производственного помещения, м3;

 = a × b × c,                                                            (7.5)

где a, b, c - соответственно длина. Ширина, высота производственного помещения (сборочного цеха), м:

a = 42 м; b = 24м; c = 12 м.

V = 42 × 24 × 12 = 12096 м3.

Подставив численные значения в формулу (7.4) получим:

Вывод. Полученное значение избыточного тепла qизб, образующегося в процессе сварки входит в пределы допустимых норм для сборочного цеха qизб = 0,2 ¸ 0,5 кДж/(м3×ч)

Работа в сборочном цехе связана с ходьбой, перемещением грузов и использованием специнструментов. Согласно [33] примем категорию работ II-б; работы, связанные с ходьбой, перемещением грузов до 10 кг и сопровождающиеся умеренным физическим напряжением с энергозатратами 230-290 Вт.

Оптимальные и допустимые параметры метеорологических условия воздуха рабочей зоны для теплого и холодного периодов года приведены в таблице 7.2

Таблица 7.2 - Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне производственных помещений для холодного периода года [34]

Период года	Холодный
	Оптимальные	Допустимые
Параметры микроклимата:  - температура воздуха рабочей зоны, оС; - относительная влажность, %; не более - скорость движения воздуха, м/с.	17-19 60-40 Не более 0,2	Диапазон ниже оптимального	Диапазон выше оптимального
		15,0-16,9 15-75 0,2	19,1-22,0 15-75 0,4
Период года	Холодный
	Оптимальные	Допустимые
Продолжение таблицы 7.2
Параметры микроклимата:  - температура воздуха рабочей зоны, оС;  - относительная влажность, %; не более  - скорость движения воздуха, м/с.	19-21  60-40  Не более 0,2	Диапазон ниже оптимального	Диапазон выше оптимального
		16,0-18,9	21,1-27,0
		при 24о и менее -75 при 25о - 70 при 26о - 65 при 27о - 60
		0,2	0,5

Для теплого периода года оптимальные параметры микроклимата следующие: температура на 2-3% выше, чем для холодного периода, относительная влажность для всех категорий работ 60-40% скорость движения воздуха в зависимости от категории работ колеблется от 0,2 до 0,5 м/с.

На основе практических данных количество выделяющихся в воздухе рабочей зоны веществ: 0,01 кг/ч MnO2; 0,0011 кг/ч Cr2O3; 0,021 кг/ч Fe2O3.

Для обеспечения нормальных санитарно-гигиенических условий труда необходимо предусмотреть общеобменную вентиляцию.

Количество подаваемого воздуха определяется по формуле [34]:

;                                                     (7.6)

где G - масса вредных веществ, выделяющихся в рабочее помещение в единицу времени мг/ч;

СПДК - предельно допустимая концентрация (ПДК) вредных веществ, мг/м3;

СПР - содержание вредных веществ в подаваемом воздухе, мг/м3.

СПДК (MnO2) = 0,2 мг/м3; СПДК (Cr2O3) = 0,01 мг/м3; СПДК (Fe2O3) = 15 мг/м3;

СПР = 0 мг/м3

Подставив числовые значения в формулу (7.6) получим:

Поскольку каждое вещество не усиливает вредное действие другого, то примем количество подаваемого воздуха по максимальной величине [34]

V = 100000 м3/ч

Кратность воздухообмена определяется по формуле [34]:

,                                                                (7.7)

где V - объем воздуха для вентиляции помещения, м3/ч;

VП - объем помещения, м3.

Для большинства помещений химических производств при нормальном ведении технологического процесса К колеблется от 3 до 10 [34].

В сборочном цехе должно быть предусмотрено отопление: центральное водяное (температура воды 80 0С) и местное воздушное (температура воздуха 45 0С) [34].

          Характеристика производственного шума и вибрации.

Основными источниками шума являются сварочные генераторы, вентиляторы, комплект инструмента котельщика. Шум является: по характеру спектра - широкополосным, с непрерывным спектром; по временным характеристикам - постоянным (уровень шума изменяется во времени не более чем на 5 дБ) [35].

Источником вибрации является пневмошлифовальная машина. Вибрация является: по способу передачи - локальной; по временным характеристикам - постоянной (спектральной и корректировочный по частоте параметр изменяется во времени не более в 2 раза) [36].

Характеристика производственного шума представлена в таблице 7.3.

Таблица 7.3 - Характеристика производственного шума.

Параметры	Источник шума
	Сварочный генератор	Вентиляторы	Инструмент котельщика
Характеристика рабочего места	Периодические наблюдения	Периодические наблюдения	Непрерывные наблюдения
Среднегеометрическая частота, Гц	500	500	500
Уровень звукового давления, дБ	78	75	100
Эквивалентный уровень звука, дБ	80	80	96
Допустимый уровень звукового давления, дБ	83	80	96
Допустимый эквивалентный уровень звука, дБ	85	85	85

Для защиты от шума сварочного генератора следует установить защитный экран.

В качестве индивидуального средства защиты от шума следует использовать вкладыши противошумные «Антифоны» ТУ 400-28-152-76, предназначенные для защиты от широкополостного производственного шума с уровнем до 100 дБ [35].

7.2.4 Освещение производственных помещений

Работы в сборочном цехе относятся к работам малой точности, наименьший размер объекта 1-5 мм, разряд зрительных работ - V, подразряд- «б» [37].

Вид освещения - естественное (верхнее и боковое) и искусственно.

Нормативное значение коэффициента естественного освещения (КЕО) определяется по формуле [15]:

   ;                                               (7.8)

где еН - значение КЕО для естественного комбинированно освещения [37];

mN - коэффициент светового климата [37],

для Нижегородской области mN = 1

N - номер группы обеспеченности естественным светом.

еН = 1,8%

Подставив числовые значения в формулу (7.8) получим:

Виды искусственного освещения: рабочее и аварийное (освещение безопасности и эвакуационное). Система рабочего освещения - общая. Источник света - светильники с лампами ДРЛ типа 2РТС - 700У3, пыленепроницаемого исполнения [37].

Нормированная освещённость:

-         для рабочего освещения - 300 лк;

-         для освещения безопасности - не менее 2 лк;

-         для эвакуационного освещения - 0,5 лк.

Источник питания аварийного освещения - отдельный фидер центральной подстанции /44/.

Количество светильников определим по формуле [37]:

 (7.9)

где  = 300 лк - нормированная освещенность;

S=АÄ В= 42 Ä 24 = 1008 м2- площадь освещаемого участка;

К- 1,2 - коэффициент запаса;

Z = 1,15 - коэффициент минимальной освещенности;

Ф = 35000 лм - световой поток лампы ДРЛ - 700;

N- коэффициент использования светового потока, определяемый по индексу помещения i и коэффициентам отражения потолка (рпт), стен (рс) и пола(рпл).

Принимаем рпт = 50%, рс = 30%, рпл = 10%.

Индекс помещения [37]:

 (7.10)

где = 10 м - высота подвеса светильников.

Принимаем  = 0,57.

Для светильников с лампами ДРЛ соотношение L/Hp = 1,4.

Тогда расстояние межу рядами составит L = 14 м.

Принимаем число рядов светильников N = 2.

Подставив численные значения, получим:

 

Принимаем n = 22, расположение светильников в 2 ряда по 11 штук в каждом.

7.3     Электробезопасность. Защита от статического электричества. Молниезащита

Напряжение используемого электрического тока в сборочном цехе 380/220 В.

По степени опасности поражения электрическим током помещение особоопасное, так как железобетонные полы являются токопроводящими и существует возможность одновременного прикосновения человека к заземленным металлоконструкциям и механизмом и к металлическим корпусам электрооборудования с дугой [38].

В помещении должны быть предусмотрены следующие меры по защите от поражения электрическим током [38]:

-    все оборудование должно заземляться, сопротивление заземляющего устройства - не более 40 м;

-        все провода должны иметь изоляцию и не иметь повреждений;

-        места, где проводятся работы с использованием высоких напряжений должны ограждаться и обозначаться предупреждающими плакатами;

-        работы внутри аппарата должны производиться с использованием устройств, работающих на малом напряжении (менее 12 В).

Здание по взрывопожароопасности по ПЭУ не классифицируется, поэтому категория помещения по молниезащите - III [39].

Здание должно защищаться от прямых ударов молний и заноса высоких потенциалов по надземным металлическим коммуникациям [39].

Для защиты здания от заноса высоких потенциалов необходимо присоединить коммуникации на вводе в здание к заземлению защиты от прямых ударов молнии.

Для защиты от молний должны устанавливаться вертикальный стержневой молниеприемник; сопротивление заземляющего устройства не более 10 Ом [39].

7.4 Пожарная безопасность

Помещение сборочного цеха по взрывопожароопасности относится к категории Г - обращение негорючих веществ и материалов в горячем, раскаленном и расплавленном состоянии, процесс обработки которых сопровождается выделением лучистого тепла, искр и пламени.

Специальная защита для электрооборудования не требуется, исполнение открыто.

Материалы строительных конструкций здания (стены, перекрытия, полы) характеризуются как несгораемые, степень огнестойкости - I, предел огнестойкости стен RE 30, покрытий RE 30, несущих элементов RE 120 [40].

Здание должно иметь эвакуационные выходы - 2, расстояние от наиболее удаленной рабочей точки до эвакуационного выхода - 30 м.

На случай пожара в помещении должны быть установлены противопожарные щиты, ящики с песком, огнетушители типа ОП 10, а около помещения должны располагаться колодцы с пожарными гидрантами.

Для сигнализации о пожаре помещения должно быть оборудовано пожарной телефонной связью.

7.5 Основные требования безопасности к проектируемому оборудованию

.5.1 Требования к конструкции, конструкционным материалам и средствам защиты аппарата

Конструкция реактора должна:

-  иметь двойное торцевое уплотнение вала, фланцевые соединения, приваренные в стык (на штуцерах) с уплотнительной поверхностью шип-паз для исключения выделения взрывоопасной, токсичной среды и ее паров;

-        иметь клапан, предохраняющий аппарат от повышения давления. Клапан пружинный 17нт17ст. Характеристика клапана (при Рраб = 0,6 МПа):

диаметр входной 50 мм

условное давление входного штуцера 6,3 МПа

диаметр выходной 80 мм

условное давление выходного штуцера 4,0 МПа

диаметр седла клапана 30 мм

площадь сечения седла 706,5 мм2

коэффициент расхода 0,6

масса 39 кг

давление настройки Рнастр = 1,05×Рраб = 1,05×0,6 = 0,63 МПа

давление начала открытия Рн. откр = 1,1 ×Рраб = 1,1×0,6 = 0,66 МПа

Клапан комплектуется пружиной № 16.

-  иметь тепловую изоляцию, обеспечивающую температуру наружных поверхностей не более 400С для исключения ожогов;

-        иметь ограждения движущихся частей (вала) для исключения травматизма;

Применяемые конструкционные материалы должны быть:

-  коррозионностойкими и термостойкими;

-        безопасными и безвредными.

С учетом этого в качестве конструкционных материалов применяются:

-  для корпуса, вала, штуцеров - 08Х22Н6Т;

-        для рубашки - Вст3ст5;

-        для прокладок - паронит ПМБ.

В качестве средств защиты для данного аппарата должны быть предусмотрены:

-  заземление - для исключения поражений электрическим током, сопротивление заземляющего устройства - 4 Ом [38];

-        обозначение вращающихся открытых частей аппарата (вала и муфты) сигнальным цветом с указанием направления вращения.

7.5.2 Техническая характеристика аппарата

Разрабатываемый реактор обладает следующими характеристиками:

-      давление в корпусе: рабочее - 0,085МПа,

расчетное - 0,565 МПа;

-      давление в рубашке: рабочее - 0,48 МПа,

расчетное - 0,125 МПа;

-      давление в змеевике: рабочее - 0,4 МПа,

расчетное - 0,3 МПа;

-      температура среды - 150 0С;

-        температура теплоносителя - 60 0С;

-        номинальный объем - 32 м3;

-        диаметр корпуса (внутренний) - 2200 мм;

-        диаметр рубашки (внутренний) - 2400 мм;

-        высота - 7400 мм;

-        способ изготовления - сварной;

-        характеристика рабочей среды:

состав: эпоксидная смола;

не вызывает МКК;

не взрывоопасна;

пожароопасность по ГОСТ 12.1.004-16 - 4.

Группа сосуда по ОСТ 26-291-94 : 1

Класс герметичности по ОСТ 26-11-14-88 : 5

Аппарат подлежит действию "Правил" РОСТЕХНАДЗОРа

Аппарат подлежит регистрации в органах РОСТЕХНАДЗОРа

7.5.3 Котлнадзорность аппарата

Данный аппарат подлежит освидетельствованию и регистрации в органах Ростехнадзора. Для обеспечения проведения внутреннего осмотра предусмотрен люк. Периодичность освидетельствования ответственным по надзору - 1 раз в 2 года, инспектором Ростехнадзора - 1 раз в 4 года. Гидроиспытание пробным давлением под наблюдением инспектора Ростехнадзора - 1 раз в 6 лет.

Для контроля сварных швов используются неразрушающие методы, рентгенконтроль и гидроиспытания.

При регистрации и освидетельствовании аппарата органами Ростехнадзора проводятся гидроиспытания корпуса и рубашки.

Испытательная среда - вода, время выдержки - 20 мин, температура испытаний - 5-40 0С.

7.5.4 Механизация трудоемких и опасных работ при изготовлении аппарата

При изготовлении и монтаже данного аппарата для обеспечения и снижения опасности работ должны быть предусмотрены следующие средства механизации:

электромостовой кран грузоподъемностью 12,5 тонн марки КМБК-5К;

передвижные тележки;

автомобильный кран грузоподъемностью 10 тонн.

Техническое освидетельствование подъемно-транспортных средств проводится в следующие сроки:

внешний осмотр через 12 месяцев;

статические и динамические испытания через 3 года.

7.6 Экологичность проекта

.6.1 Источники загрязнений

Основными источниками загрязнений являются:

газы, выделяющиеся при сварке и термообработке: NO2 - 3,5 кг/год, CO - 17,3 кг/год, MnO2 - 17,3 кг/год, Cr2O3 - 1,9 кг/год, Fe2O3 - 36,3 кг/год;

пары, образующиеся при шлифовке и при истирании поверхностей строительных конструкций;

вещества, применяемые в процессе изготовления оборудования (ацетон, сольвент, уайт-спирит, азотная и соляная кислоты, силикатная эмаль, измельченная эмаль - фритта, шликер, кварцевый песок, металлическая дробь, эпоксидная смола, гексаметилендиамин);

пыль, образующаяся при шлифовке и истирании поверхностей строительных конструкций;

смывные воды, вода, остающаяся после проведения гидравлических испытаний;

опилки, стружки, обрезки материалов, образующиеся при изготовлении оборудования;

шум и вибрация, порождающиеся вентиляторами, сварочными генераторами, инструментом котельщика, кузнечно-прессовым оборудованием; уровень шума до 100 дБ.

7.6.2 Мероприятия по защите окружающей среды

Для защиты окружающей среды от перечисленных загрязнений должны быть предусмотрены:

-  для защиты атмосферы от газов и паров NO2, CO, Cr2O3, Fe2O3, MnO2 - санитарно-защитная зона шириной 100м, т.е. количество выделяющихся вредных газов и паров не велико, то применение их нейтрализации не обязательно;

-        для защиты атмосферы от пыли должны быть предусмотрены циклоны, устанавливаемые после вытяжных вентиляторов системы общей вентиляции; уловленная пыль утилизируется в почве;

-        для защиты гидросферы от смывных вод и вод гидроиспытаний, представляющих собой взвеси частиц металлов, стекла, красок, масел и других веществ, должны быть предусмотрены гидроциклоны;

-        для защиты почвы от твердых отходов должны быть предусмотрены их сбор, сортировка и вывоз на переработку;

-        для защиты атмосферы от шума и вибрации должна быть предусмотрена санитарно-защитная зона шириной 300 м, а также желательно использовать экранированные зелеными насаждениями.

Таким образом, разработанные в разделе мероприятия направлены на снижение риска:

-  производственных травм, отравлений и профессиональных заболеваний;

-        на снижение возможности возникновения пожаров и аварий;

-        на снижение вредного воздействия и на окружающую среду котельно-сборочного цеха ОАО «Дзержинскхиммаш».

8. ОРГАНИЗАЦИЯ И ЭКОНОМИКА ПРОИЗВОДСТВА

8.1 Цель раздела

Целью данного раздела является решение вопросов организации и экономика машиностроительного производства и основных экономических вопросов, а именно расчетов себестоимости аппарата и основных технико - экономических показателей проекта.

8.2 Определение режима работы цеха. Составление баланса рабочего времени, графика сменности

.2.1 Режим работы цеха

Сборочно - сварочные и слесарные работы, производимые в сборочном цехе, занимают 60 - 70% времени всего производственного цикла, а предшествующие заготовительные работы и механическая обработка, производимые в заготовительных цехах, работающих в одну смену, занимают 20 - 35% времени всего производственного цикла. С учетом этого во избежание простоев примем двухсменный режим работы.

Определение режима работы цеха. Составление баланса рабочего времени, составление графика сменности:

Общее число выходных дней в год составляет:

Среднегодовое количество часов при 8 - ми часовом рабочем дне равно:

Среднемесячная норма рабочего времени составляет:

При непрерывной работе общее рабочее время в год равно:

Среднемесячное время работы бригад при 8-ми часовом рабочем дне равно:

Среднегодовое количество бригад при 8 - ми часовом рабочем дне составляет:

8.2.2 Баланс рабочего времени

Баланс рабочего времени для сборочного цеха, работающего в две смены, на 2013 год представлен в таблице 8.1

Таблица 8.1 Баланс рабочего времени

Состав рабочего времени	Время работы
	дни	часы
Календарное время	365	8760
- выходные дни	106	2544
- праздничные дни	12	288
Номинальный фонд рабочего времени	247	1971
Невыходы:	34	272
- отпуск	24	192
- болезни	5	40
- уход за ребенком	3	24
- выполнение государственных обязанностей	1	8
- внутрисменные потери рабочего времени	1	8
Эффективный фонд рабочего времени	213	1707

Режим работы - непрерывный;

Количество смен - 2;

Продолжительность смены - 8часов;

После 4-х дней работы в данной смене следуют 48 часов отдыха;

8.2.3 График сменности

График сменности для сборочного цеха, работающего в две смены, представлен в таблице 8.2

Таблица 8.2 График сменности

Границы рабочего дня

Время

Будние дни с понедельника по пятницу

Предпраздничные дни

1-я

Начало работы

7:10

7:10

Конец работы

15:45

14:45

Перерыв на обед

35 мин.

35 мин.

Продолжительность рабочего дня

8 ч 00 мин

7 ч 00 мин

2-я

Начало работы

15:00

15:00

Конец работы

23:30

22:30

Перерыв на обед

30 мин.

30 мин.

Продолжительность рабочего дня

8 ч 00 мин

7 ч 00 мин

Выходные дни

суббота, воскресенье

После первой и второй смен следует однодневный выходной, а после третьей смены - двухдневный выходной:

- ая смена: 5 рабочих дня + 2 выходной день;

- ая смена: 5 рабочих дня + 2 выходной день.

Сменооборот составляет: 10 рабочих дней + 4 выходных = 14 дней.

8.3 Организационные работы

Построение графика планово - предупредительного ремонта.

Эффективный фонд рабочего времени работы определяется по формуле:

 (8.1)

где  - 365 дней = 8760 часов - номинальное время работы оборудования;

 - время простоя оборудования в ремонтах:

 (8.2)

где  = 72 часа;

 - время простоя оборудования в капитальном и текущем ремонтах.

Время работы оборудования между ремонтами = 8630 часов,

= 2880 часов.

Длительность межремонтного цикла:

 (8.3)

Количество текущих ремонтов за межремонтный цикл:

 (8.4)

Время простоя в текущих ремонтах за время цикла:

 (8.5)

Общее время простоя системы в ремонтах:

 (8.6)

Общее время ремонта за год:

 (8.7)

Структура межремонтного цикла:

….... Т  Т  К …....

Построение графика плановопредупредительного ремонта основного технологического оборудования.

График ППР представлен в таблице 8.3

Таблица 8.3 График ППР

Месяц

Январь

Февраль

Март

Апрель

Май

Июнь

Июль

Август

Сентябрь

Октябрь

Ноябрь

Декабрь

2010

К

Т

Т

2011

Т

Т

Т

2012

Т

Т

Т

2013

Т

Т

Т

2014

Т

Т

Т

2015

Т

К

Т

8.3 Расчет себестоимости аппарата

.3.1 Исходные данные на 2013 год

Стоимость материалов за 1 кг

Прокат черного металла Цч = 27 руб.

Прокат нержавеющий Цн = 143 руб.

Литье 12Х18Н10Т Цл.н. = 400 руб.

Трубы из нержавейки Цт.н. = 330 руб.

Отходы черного металла Цотх.ч. = 5 руб.

Отходы нержавеющего металла Цотх.н. = 30 руб.

Стоимость покупных комплектующих Ск = 93900 руб.

Стоимость вспомогательных материалов Свсп. = 365000 руб.

Процент транспортно-заготовительных расходов Кт.р. = 2,6 %

Процент премии Кпр = 40%

Процент дополнительной заработной платы Д = 15%

Норма отчислений в пенсионный фонд на социальное и медицинское страхование Нсс = 32,1%

Норма отчислений на возмещение износа инструментов целевого назначения и прочие специальные расходы Нин = 2,1%

Норма отчислений на содержание и эксплуатацию оборудования На=107,8%

Цеховые расходы Нц = 150%

Общезаводские расходы Но.з. = 150%

Внепроизводственные расходы Нвн. = 0,8%

8.3.2 Затраты на сырье и материалы за вычетом возвратных отходов

Данные для расчета приведены в таблице 8.3.

Таблица 8.3 - Расход материалов на изготовление аппарата.

Наименование	Ед. изм-я	Чистый вес		Норма расхода		Цена за ед.	Сумма, руб.
		Проект	Базовый вариант	Проект	Базовый вариант		Проект	Базовый вариант
Прокат	кг.					руб.
08Х18Н6Т		10388		14428		143	2063204
12Х18Н10Т			10388		14428	195		2813460
Вст3		2400	2400	2800	2800	27	75600	75600
Трубы
08Х18Н6Т		1155		1305		330	430650
12Х18Н10Т			1155		1305	360		469800
Литье
08Х22Н6Т		998		998		355	399200
12Х18Н10Т			998		998	400		354290
Итого							2581654	3713150

Расчет ведется параллельно для проектируемого и базового варианта (1 - проектируемый аппарат, 2 - базовый аппарат)

Затраты на сырье и материалы за вычетом возвратных отходов рассчитываются по формулам:

                                    (8.2)

                                  (8.3)

где mi - норма расхода i-го металла, кг;

mотх.i - вес отходов i-го металла (разность между нормой расхода и чистым весом), кг;

Цi - цена 1 кг i-го металла, руб;

Цотх.i - цена 1 кг отходов i-го металла, руб;

8.3.3 Расходы на покупные комплектующие изделия и полуфабрикаты определяются по формулам

;                                                 (8.4)

;                                                 (8.5)

8.3.4 Расходы на вспомогательные материалы. Эти расходы определяются по формулам:

;                                               (8.6)

;                                           (8.7)

8.3.5 Стоимость топлива и энергии

Данные по топливу и электроэнергии приведены в таблице 8.4.

Таблица 8.4 - Данные по топливу и электроэнергии.

№ п/п	Потребитель	Расход эл.энергии на единицу продукции, кВт/ч		Расход газа на единицу продукции, м3/ч		Время работы, час.
		Проект	Базовый аппарат	Проект	Базовый аппарат	Проект	Базовый аппарат
1.	Сварочный генератор,станки, приспособление	3450	3450	-	-	-	-
2.	Освещение и прочее	630	630	-	-	-	-
3.	Нагревательная печь	75	75	14	14	2,28	2,28
4.	Стенд. газовой резки	-	-	10,8	10,8	27	27
	Итого:	4155	4155	24,8	24,8	29,28	29,28

Стоимость электроэнергии рассчитывается по формуле:

;                                                               (8.8)

где Цэ = 6,5 руб/кВт - цена электроэнергии

Рэi - расход электроэнергии i-го потребителя

Стоимость газа (топлива) рассчитывается по формуле:

;                                                               (8.9)

где Цг(т) - цена газа за м3 (топлива);

Qi - расход газа (топлива) i-го потребителя, [м3 /ч] ;

ri - время работы i-го потребителя, [час].

Стоимость кислорода:

Стоимость пропана:

8.3.6 Основная зарплата производственных рабочих

Уменьшение трудоемкости изготовления реактора произошло за счет:

1.       Замены ручной дуговой сварки на автоматическую при сварке самого корпуса и сварке его с днищем.

2.       Замены приварки рубашки к корпусу.

В базовом варианте рубашка приваривается к аппаратному фланцу. В проектируемом варианте рубашка отбортовывается и приваривается к корпусу, за счет чего происходит уменьшение трудоемкости изготовления.

Для того, чтобы рассчитать основную зарплату с учетом премии, необходимо знать среднюю сдельную почасовую тарифную ставку.

Она определяется по формуле:

      ;                                                         (8.10)

где Сi - тарифная ставка рабочего i-ой профессии;

Пi - процент от общего объекта работ.

Сборочно-сварочные работы составляют 65% от общего объема работ, при этом почасовая тарифная ставка составляет 150 руб.

Механические работы составляют 30%, почасовая тарифная ставка 136,8 руб.

Слесарные работы составляют 5% от общего объема, почасовая тарифная ставка 128,4 руб.

Подставив числовые значения в формулу (8.10) получим:

Тогда затраты на основную зарплату, с учетом премий по проектируемому и базовому аппарату, определяется по формулам:

                                           (8.11)

                                           (8.12)

где Т1 = 864,42 н/ч - трудоемкость изготовления проектируемого аппарата;

Т2 = 880,86 н/ч - трудоемкость изготовления базового аппарата.

8.4.7 Дополнительная зарплата основных производственных рабочих рассчитывается по формулам

                                                         (8.13)

                                                        (8.14)

8.4.8 Отчисления в пенсионный фонд, на социальное и медицинское страхование определяются по формулам

                                        (8.15)

                                       (8.16)

8.4.9 Расходы на возмещение износа инструментов и прочие специальные расходы, определяются по формулам

                                                  (8.17)

                                                 (8.18)

8.3.10 Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования определяются по формулам

                                          (8.19)

                                           (8.20)

8.3.11 Цеховые расходы определяются по формулам

                                                        (8.21)

                                                       (8.22)

8.3.12 Общезаводские расходы определяются по формулам

                                           (8.23)

                                          (8.24)

8.3.13 Производственная себестоимость определяется по формулам

; (8.25)

; (8.26)

где См - затраты на сырье и материалы за вычетом возвратных отходов;

Рк - расходы на покупные комплектующие;

Рвсп - расходы на вспомогательные материалы;

Сэ - стоимость электроэнергии;

Сг(т) - стоимость газа (топлива);

Зо - затраты на основную зарплату;

Зд - затраты на дополнительную зарплату;

Осс - отчисления в пенсионный фонд на социальное и медицинское страхование;

Рин - расходы на возмещение износа инструментов целевого назначения и прочие специальные расходы;

Рсэ - расходы на содержание и эксплуатацию оборудования;

Рц - цеховые расходы;

Ро.з. - общезаводские расходы.

8.3.14 Внепроизводственные расходы определяются по формулам

;                                                     (8.27)

;                                                      (8.28)

8.3.15 Полная себестоимость аппарата определяется по формулам

;                                                     (8.29)

8.4.16 Оптовая цена определяется по формуле

;                                                (8.31)

где Нбпр = 20% - процент прибыли

Калькуляция себестоимости аппарата (базовый и проектируемый вариант) приведены в таблице 8.5.

Таблица 8.5 - Калькуляция себестоимости реактора

№ п/п	Наименование статей	Базовый вариант, руб.	Проектируемый вариант, руб.	Отклонение
1	Затраты на сырье и материалы	3724749,4	2868741,1	-856008,3
2	Комплектующие изделия	96341,4	96341,4	-
3	Вспомогательные материалы	374490	374490	-
4	Энергия и топливо	46311	46311	-
5	Зарплата производственных рабочих основная дополнительная отчисления на социальное и медицинское страхование	178766 26815 14345,8	175428 26314 64760	-3338 -501 -50714
6	Износ инструмента целевого назначения	4317,2	520092	-80
7	Цеховые расходы (включая расходы на содержание и эксплуатацию оборудования)	529990	411554	-9898
8	Общезаводские расходы	308373,3	302613,3	-5760
9	Производственная себестоимость	5303561,1	447590,8	-828470,3
10	Непроизводственные расходы	42428,5	35800,7	-6627,8
11	Полная себестоимость	5346928,5	4515128,7	-831800
12	Оптовая цена	6874435	5418196	-1456239

8.4 Расчет прибыли и рентабельности

.4.1 Прибыль от реализации определяется по формуле

;                                            (8.32)

8.4.2 Налог на прибыль находится по формуле

;                                                 (8.33)

где Нн = 0,2 - норма налога на прибыль

8.4.3 Прибыль, остающаяся предприятию, находится по формуле

;                                            (8.34)

8.4.4 Рентабельность аппарата, как конечного продукта производства, определяется по формуле

;                                            (8.35)

8.4.5 Затраты производства на один рубль товарной продукции определяется по формуле

;                                                   (8.36)

.

8.5 Технико-экономические показатели проекта

На основе приведенных расчетов необходимо составить сравнительную таблицу технико-экономических показателей.

Таблица 8.6 - Сравнительная таблица технико-экономических показателей.

№ п/п	Наименование показателей	Ед. измерения	Базовый вариант	Проектируемый вариант	Отклонения
1	Расход материальных ресурсов	Кг	10500	10500	-
2	Трудоемкость изготовления	н/ч	880,86	864,42	-16,44
3	Себестоимость	руб.	5728696	4515163	-1213533
4	Оптовая цена	руб.	6874435	6874435*	-
5	Рентабельность	%	10,8	34,8	24
6	Прибыль, остающаяся предприятию	руб.	872005	1887445	1145440
7	Общая экономия	руб.		548652

*Примечание: Так как ценовая политика предприятия-изготовителя направлена на максимилизацию прибыли, то оптовую цену аппарата в проектируемом варианте оставим неизменной, то есть:

Вывод

В результате выполненных расчетов в базовом и проектируемом вариантах общая экономия «Э» составила 548652 руб. Себестоимость и трудоемкость изготовления реактора уменьшилась соответственно на 2652 руб., 16,44 н/ч; прибыль, остающаяся предприятию, увеличилась на 1145440 руб. вследствие принятых экономических предложений, предложений по технологии изготовления и применения в проектируемом варианте более дешевого материала, чем в базовом.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.     Химические реакторы и печи: учеб. пособие / В.М. Ульянов; Нижегород. Гос. Техн. ун-т. Н.Новгород, 2006.

2.       Курсовые проекты конструкторского направления: Методические указания по курсовому проектированию для студентов направления 240801 всех форм обучения/ НГТУ. Сост.: А.И.Пронин и др. - Нижний Новгород, 1998.

.         Отчет по производственной практике.

.         Манусов Е.Б., Буянов Е.А. Расчет реакторов объемного типа. - М.: Машиностроение, 1978.

.         Машины и аппараты химических производств. Учебник под редакцией И.И. Чернобыльского. М.: Машиностроение, 1989.

.         Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Учебник для вузов. Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. - М.: Химия, 1995.

.         Васильцов Э.А., Ушаков В.Г. Аппараты для перемешивания жидких сред: Справочное пособие. - Л.: Машиностроение, 1979.

.         Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. - М.: Химия, 1967.

.         Викторов М.М. Методы вычисления физико-химических величин и прикладные расчеты - Л.: Химия, 1977.

10.   Машины и аппараты химических производств: Примеры и задачи. Учебное пособие для студентов втузов, обучающихся по специальности «Машины и аппараты химических производств»/ И.В.Доманский, В.П.Исаков, Г.М.Островский и др. Под общ. ред. В.Н.Соколова. - Л.: Машиностроение, 1982.

11.     Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов. Изд. 10-е, пер. и доп./ К.Ф.Павлов, П.Г.Романков, А.А.Носков.; Под ред. П.Г.Романкова - Л.: Химия, 1987.

.         Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. - Л.: Машиностроение, 1981.

.         Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. Примеры и задачи: Учебное пособие для студентов втузов/ М.Ф.Михалев, Н.П.Третьяков, А.И.Мильченко, В.В.Зобнин.; Под общ ред. М.Ф.Михалева. - Л.: Машиностроение, 1984.

.         Справочник технолога машиностроителя Т2.

.         Егоров М.Е. и др. «Технология машиностроения». Учебник для ВУЗов. Издание 2-е доп. М.: Высшая школа, 1978.

.         Справочник технолога-машиностроителя в двух томах. Издание 3, переработанное. Том 1 под ред. канд. техн. наук А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. М.: Машиностроение, 1972.

.         РД. РТМ 26-01-72-82 Валы вертикальных аппаратов с перемешивающими устройствами. Методы расчета.

.         ПБ 03-576-03 Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением.

19.   Детали машин. Курсовое проектирование: Учеб. пособие для машиностроит. спец. техникумов.- М.: Высшая школа, 1984г. - 336с., ил.

20.   Проектрирование механических передач: учебное пособие для ВУЗов/ С.А.Чернавский, Г.А.Снесарев, Б.С. Козинцов и др. - 6-е изд. перераб. и доп. - М: «»

21.     Расчет цилиндрических обечаек, нагруженных внутренним избыточным давлением: Методические указания по расчету на ЭВМ "Электроника Д3 - 28" по курсу "Расчет и конструирование химического оборудования" для студентов специальности 0516 всех форм обучения. Сост. Н.А.Кудрявцев, В.А.Карандеев, И.А.Лунюшкина. - Дзержинск, 1987. - 15 с.

.         ГОСТ 26202-84 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность обечаек и днищ от воздействия опорных нагрузок.

23.   Справочник технолога-машиностроителя Т 2.

24.     Егоров М.Е. и др. «Технология машиностроения». Учебник для ВУЗов. Издание 2-е доп. М.: Высшая школа, 1978.

.         Никифоров А.Д. Типовые технологические процессы изготовления аппаратов для химических производств - М.: Машиностроение,1979.

.         А.И. Акулов, Г.А. Бельчук «Технология и оборудование сварки плавлением». - М.: Машиностроение, 1977-350 с.

.         Грачева К.А. «Экономика, организация и планирование сварочного производства: Учеб. пособие для студентов ВУЗов, обучающихся по специальности «Оборудование и технология сварочного производства». - М.: Машиностроение, 1984-386 с.

.         ГОСТ 12.0.003-74. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация - М.: Изд. Стандартов, 1974.

.         СанПин 2.2.1/2 1.1.1200-03 Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и других объектов.

.         Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов I-VIII групп. Справочник под ред. Филова В.М. Т 1,2 - Л.: химия, 1989.

.         Средства индивидуальной защиты работающих на производстве. Каталог - справочник под ред. Ардасенова В.И. - М.: Профиздат, 1988.

.         Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию под ред. Ю.И. Дытнерского - М.: Химия, 1983.

.         СанПин 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений. - Минздрав России, 1996.

.         Охрана труда в химической промышленности. Г.В. Макаров, А.Я, Васин, Л.К. Маринина, П.И. Софинский, В.А. Старобинский, Н.И. Торопов. - М.: Химия, 1989-496 с.

.         ГОСТ 12.1.003-83 (1999). Шум. Общие требования безопасности. - М.: Изд. Стандартов, 1983.

.         ГОСТ 12.1.012-90 (2001). Вибрационная безопасность. Общие требования - М.Изд. Стандартов, 1990.

.         СНиП 23-05-95 (2003). Естественное и искусственное освещение

.         Правила устройства электроустановок (ПУЭ) - М.: Минстрой России, 1995.

.         Инструкция по проектированию и устройству молниезащиты зданий и сооружений РД 34.12.

.         Система нормативных документов в ГПС МВД России. Определение категорий помещений и зданий по взрывопожароопасности и пожарной опасности - МТУ ГПС МВД России, 1996.