Расчёт мощности на перемешивание и определение глубины воронки

17

Содержание.

Введение………………………………………………………………………….2

Цели и задачи курсовой работы………………………………………………...11

1.Расчёт мощности на перемешивание и определение глубины воронки…..12

2.Подбор опор лап и проверка стенки аппарата под опорой…………………14

Список литературы………………………………………………………………17

Приложение 1…………………………………………………………………….18

        Введение

    Аппараты  с мешалками широко используются в химической и многих других отраслях промышленности. В аппаратах этого типа проводятся многие гидромеханические и массообменные процессы в одно – и многофазных средах (растворах, эмульсиях, суспензиях). В качестве рабочей среды используются вещества с различными свойствами, в том числе агрессивные, взрывопожароопасные и токсичные. Процессы обычно проводятся при повышенных температурах, при избыточном давлении или вакууме. Перемешивание обеспечивает интенсификацию процессов тепло – и массообмена и часто является необходимым условием эффективного течения химических реакций. Конструкция аппарата должна обеспечивать его надёжную работу в заданном технологическом режиме в течение заданного срока службы. Химически аппараты подлежат периодическим проверкам и планово – предупредительным ремонтам.

  Аппараты  могут быть вертикальными и горизонтальными. Основными элементами аппарата является корпус и механическое перемешивающее устройство.  Корпуса аппаратов  стандартизованы (ГОСТ 9931-85). Типы и  основные параметры вертикальных аппаратов  с мешалками объёмом от 0,01 до 100 м3 регламентируются ГОСТ 20680-86. Установлен ряд номинальных объёмов и соответствующие значения высоты корпуса Н и его внутреннего диаметра D.

     Под корпусом аппарата понимают герметически закрытый сосуд, находящийся под  давлением, в котором осуществляется перемешивание. Корпусы вертикальных аппаратов выполняются по ГОСТ 9931-85 и могут быть двух типов:  ВЭЭ (вертикальный, эллиптическое днище, эллиптическая крышка). ВКЭ (вертикальный, коническое днище, эллиптическая крышка). Цилиндрическая оболочка корпуса называется обечайкой. Корпусы изготавливают двух исполнений: цельносварные или с отъёмной крышкой. В последнем случае для крепления крышки используется фланцевое соединение, которое обеспечивает  герметичность разъёмного соединения крышки с корпусом. Отъёмная крышка позволяет проводить монтажные и ремонтные работы внутри корпуса. В приводимых примерах днища корпусов приварные. Переход от цилиндрической части к коническому или эллиптическому днищу должен быть плавным, что обеспечивается при помощи специального элемента (участка оболочки) – отбортовки. 

    Отбортовка  уменьшает дополнительные напряжения, возникающие в зоне сопряжения оболочек с различными радиусами кривизны, и позволяет вынести сварной  шов из этой зоны.

     Для подачи или отвода тепла, а, следовательно, и для поддержания заданной температуры рабочей среды корпус аппарата оснащается теплообменными устройствами – наружными в виде теплообменной рубашки или внутренними в виде змеевика. Для загрузки исходных компонентов, отвода готовых продуктов, подвода теплоносителя, ввода датчиков контрольно – измерительных приборов используется штуцеры, расположенные на крышке, на обечайке и на днище. Люк используется для осмотра и проникновения человека внутрь корпуса с целью проведения ремонтных работ. В аппаратах с приварной крышкой  люк - лаз  диаметром не менее 400 мм предназначен для монтажа мешалки и ремонтных работ. В корпусе аппарата, могут устанавливаться различные внутренние устройства, например, четыре отражательных перегородки, которые предотвращают образование центральной воронки в перемешиваемой среде и интенсифицируют процесс перемешивания; труба передавливания используется для вывода продуктов через крышку аппарата за счет избыточного давления в корпусе. Аппараты устанавливаются на фундамент при помощи опор - лап или при помощи опор стоек. Применение того или иного вида опор диктуется высотой цеха (стандартная высота помещения 6 м), или же особенностями размещения технологической аппаратуры на нескольких уровнях цеха.

Механические  перемешивающие устройства (МПУ) всех аппаратов представляют собой конструкции, состоящие из привода, вала и мешалки. Привод перемешивающего устройства аппаратов состоит из электродвигателя, механической передачи в виде редуктора (зубчатой передачи) или ременной передачи и стойки привода. Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую. Редуктор или ременная передача  передают вращательное движение от вала электродвигателя с понижением скорости вращения и увеличением крутящего момента на выходном валу  привода. Стопка привода, объединяя их в единый агрегат, служит для крепления элементов МПУ. Выходной вал редуктора или мотор редуктора при помощи муфты  продольно - разъемной или фланцевой соединяется с валом. На конце вала установлена мешалка: трехлопастная, лопастная, рамная, турбинная открытая. Мешалка при вращении передает механическую энергию в перемешиваемую среду. Валы мешалок устанавливаются в стойках привода при помощи подшипников качения. В некоторых случаях для повышения виброустойчивости вала применяется концевой подшипник, на который опирается нижний конец вала. Герметичность вращающегося вала обеспечивается уплотнением (сальниковым или торцовым), которое крепится к крышке аппарата. Тип уплотнения зависит от величины давления в аппарате и от свойств рабочей среды.

Лопастные мешалки

Простейшие лопастные мешалки имеют две плоские лопасти, установленные в вертикальной плоскости, т. е. перпендикулярно к направлению вращения (рисунок 1). Лопасти укреплены на вертикальном валу, который приводится во вращение от зубчатой или червячной передачи и делает 12 — 80 об/мин. Диаметр лопастей составляет примерно 0,7 диаметра сосуда, в котором вращается мешалка. При малых числах оборотов мешалки жидкость совершает круговое движение, т. е. вращается по окружностям, лежащим в горизонтальных плоскостях, в которых движутся лопасти. В этих условиях отсутствует смешивание различных слоев жидкости и интенсивность перемешивания низкая.

Интенсивное перемешивание достигается в результате появления вторичных потоков и вихревого движения жидкости. Вторичные потоки возникают под действием центробежных сил, вызывающих движение жидкости в плоскости вращения лопасти от центра сосуда к его стенкам. Вследствие этого в центре сосуда возникает пониженное давление, причем в область пониженного давления всасывается жидкость из слоев, лежащих выше и ниже лопасти. В результате в сосуде происходит циркуляция жидкости, показанная стрелками на рисунке 2. Вторичные потоки, складываясь с основным круговым движением жидкости, создают сложное движение, при котором происходит интенсивное перемешивание отдельных слоев. Интенсивность перемешивания возрастает с увеличением числа оборотов; однако еще быстрее увеличивается мощность, потребляемая мешалкой.

Рисунок 1 - Лопастные мешалки а - стальная; б - чугунная

.

Рисунок 2 - Циркуляция жидкости при перемешивании лопастными мешалками

При круговом движении жидкости на ее поверхности под действием центробежной силы образуется воронка (рисунок 2), глубина которой возрастает с увеличением числа оборотов. Образование воронки ведет к ухудшению использования емкости сосуда.

Для каждого случая опытным путем можно найти оптимальное число оборотов, при котором достигается необходимая эффективность перемешивания. Дальнейшее увеличение числа оборотов вызывает излишний расход энергии.

Вихревое движение жидкость приобретает при установке в сосуде с мешалкой отражательных перегородок в виде вертикально поставленных полос (рисунок 3). При обтекании жидкостью перегородок за ними образуется зона пониженного давления, в которой возникают вихри. При возрастании числа оборотов вихри отрываются от перегородок и движутся в направлении вращения лопасти. В случае дальнейшего увеличения числа оборотов возникает беспорядочное вихревое движение жидкости, при этом вихри соударяются друг с другом по всему объему жидкости. В этих условиях достигается высокая равномерность и интенсивность перемешивания. В то же время при наличии перегородок, препятствующих вращению всей массы жидкости, резко снижается глубина воронки. Обычно достаточно четырех симметрично установленных радиальных перегородок для улучшения перемешивания. Однако с установкой перегородок возрастает расход энергии на перемешивание.

Рисунок 3 - Перемешивание жидкости в сосудах с перегородками

Для лучшего перемешивания всего объема жидкости в сосуде на валу устанавливают несколько пар горизонтальных лопастей, т. е. применяют многолопастные, а также рамные мешалки (рисунок 4), состоящие из нескольких горизонтальных и вертикальных, а иногда и наклонных плоских лопастей. Рамные мешалки отличаются прочностью и пригодны для перемешивания вязких жидкостей .

Достоинства лопастных мешалок:

1) простота устройства и дешевизна изготовления;

2) вполне удовлетворительное перемешивание умеренно вязких жидкостей.

Недостатки:

1) малая интенсивность перемешивания вязких жидкостей,

2) непригодность для перемешивания легко расслаивающихся веществ.

Рисунок 4 - Рамная мешалка

Основные области применения лопастных мешалок:

1) перемешивание жидкостей небольшой вязкости;

2) растворение и суспендирование твердых веществ;

3) грубое смешение жидкостей.

Лопастные мешалки простого типа наиболее эффективны при перемешивании маловязких сред (до 100 спз).

Для перемешивания жидкостей с вязкостью свыше 2500 спз более пригодны рамные мешалки или лопастные мешалки в сосудах с отражательными перегородками.

В указанных областях применения лопастные мешалки обеспечивают хорошее перемешивание при небольшом расходе энергии. Лопастные мешалки непригодны для быстрого растворения, тонкого диспергирования, а также для получения суспензий, содержащих твердую фазу большой плотности.

Диаметры лопастей нормализованных лопастных мешалок: 400, 500, 550, 700, 850, 950, 1000 и 1400 мм [1].

Рамные мешалки выпускаются с рамами следующих размеров: 550X550; 650X600; 750X650; 950X850; 1140X900; 1340X950; 1540X1000; 1740X1200 мм (первая цифра - диаметр рамы D., вторая - высота рамы Н).

2. Пропеллерные мешалки

Лопасти пропеллерных мешалок (рисунок 5) изогнуты по профилю судового винта, т. е. с постепенно меняющимся наклоном, почти от 0° у оси до 90° на конце лопасти. Вращаясь в жидкости, лопасти действуют наподобие винта, а жидкость, окружающая пропеллер, как бы является гайкой и перемещается в направлении оси мешалки. Это осевое движение складывается с круговым перемещением жидкости, благодаря чему возникает ее винтовое движение. Если винтовая поверхность пропеллера правая, а вращение его происходит по часовой стрелке, то осевое движение жидкости направлено вверх и в сосуде возникает циркуляция жидкости, показанная на рисунок 5

Пропеллер имеет обычно три лопасти, причем на вертикальном валу, в зависимости от высоты слоя жидкости, устанавливают один или несколько пропеллеров. Диаметр лопастих веществ, обладающих малой плотностью; пропеллера равен 0,25—0,3 диаметра аппарата. Скорость вращения пропеллера составляет 160—1000 об/мин.

Рисунок 5 - Пропеллерная мешалка

Рисунок 6 - Пропеллерная мешалка с диффузором

Пропеллерные мешалки создают более интенсивные осевые потоки жидкости, чем лопастные, и, следовательно, более интенсивно перемешивают жидкость. Перемешивание пропеллерными мешалками улучшается при установке в аппарате отражательных перегородок или диффузора - короткого цилиндрического (иногда слегка конического) стакана, в котором помещается пропеллер (рисунок 6). Диффузор направляет циркуляцию жидкости в осевом направлении и благоприятно влияет на перемешивание в аппаратах с большим отношением высоты к диаметру, а также в аппаратах со змеевиками и другими внутренними устройствами.

Эффективность перемешивания в аппаратах большой емкости возрастает при эксцентричной установке пропеллеров или расположении вала пропеллерной мешалки под углом 10 - 20° к вертикали.

Достоинства пропеллерных мешалок:

1)интенсивное перемешивание,

2) умеренный расход энергии, даже при значительном числе оборотов,

3) невысокая стоимость.

Недостатки:

1) малая эффективность перемешивания вязких жидкостей,

2) ограниченный объем интенсивно перемешиваемой жидкости.

Пропеллерные мешалки применяются главным образом для следующих, целей:

1) интенсивное перемешивание маловязких жидкостей;

2)приготовление суспензий и эмульсий;

3) взмучивание осадков, содержащих до 10% твердой фазы, состоящей из частиц размером до 0,15 мм.

Пропеллерные мешалки перемешивают жидкость быстрее и интенсивнее лопастных мешалок, при умеренном расходе энергии, превышающем, однако, расход ее для лопастных мешалок.

Пропеллерные мешалки пригодны для проведения непрерывных процессов, но неприменимы для гомогенного смешивания, для смешивания вязких жидкостей (более 6000 спз), а также для смешивания жидкостей с твердыми веществами большой плотности.

Нормализованные пропеллерные мешалки выпускают с диаметром пропеллера 150, 200, 250, 300, 400, 500 и 600 мм.

3. Турбинные мешалки

Турбинные - мешалки бывают двух типов: открытые (рисунок 7, а и б) и закрытые (рисунок 7, в), имеющие лопастное в: колесо с каналами (наподобие рабочего колеса центробежного насоса). Турбинные мешалки работают при 100 - 350 об/мин и производят интенсивное перемешивание жидкости.

Рисунок 7 - Турбинные мешалки: а и б - открытые; в - закрытая с направляющим аппаратом

Открытые турбинные мешалки представляют собой, по существу, усовершенствованную конструкцию простых лопастных мешалок. Вращение нескольких лопастей, расположенных под углом к вертикальной плоскости, создает наряду с радиальными потоками осевые потоки жидкости, что способствует интенсивному перемешиванию ее в больших объемах. Интенсивность перемешивания возрастает при установке в сосуде отражательных перегородок.

Закрытые турбинные мешалки обычно устанавливают внутри направляющего аппарата, который представляет собой неподвижное кольцо с лопатками, изогнутыми под углом 45—90° (рисунок 7, в). Закрытые турбинные мешалки создают преимущественно радиальные потоки жидкости при небольшой затрате кинетической энергии. Образующиеся радиальные потоки жидкости обладают достаточно большой скоростью и распространяются по всему сечению аппарата, достигая наиболее удаленных его точек. Жидкость входит в мешалку через центральное отверстие и выходит по касательной к колесу. В колесе жидкость плавно меняет направление от вертикального (по оси) до горизонтального (по радиусу) и выбрасывается из колеса с большой скоростью. При таком направленном и многократно повторяющемся в единицу времени движении жидкости достигается быстрое и эффективное перемешивание ее во всем объеме сосуда (рисунок 8). Для улучшения и ускорения перемешивания (что особенно важно в аппаратах непрерывного действия) применяют турбинные мешалки с лопастями или колесами, расположенными на различной высоте.

Достоинства турбинных мешалок:

1) быстрота перемешивания и растворения,

2)эффективное перемешивание вязких жидкостей,

3)пригодность для непрерывных процессов.

Недостатком турбинных мешалок является сравнительная сложность и высокая стоимость изготовления. Области применения турбинных мешалок:

1) интенсивное перемешивание и смешивание жидкостей различной вязкости, которая может изменяться в широких пределах (мешалки открытого типа до 105 спз, мешалки закрытого типа до 5 • 105 спз);

2)тонкое диспергирование и быстрое растворение;

3) взмучивание осадков в жидкостях, содержащих 60% и более твердой фазы (для открытых мешалок — до 60%); допустимые размеры твердых частиц: до 1,5 мм для открытых мешалок, до 25 мм для закрытых мешалок.

Рисунок 8 - Перемешивание турбинной мешалкой.

Нормализованные турбинные мешалки выпускают с диаметром турбины 300, 400, 500 и 600 мм.

4. Специальные мешалки

Для перемешивания вязких жидкостей и пастообразных материалов применяют так называемые якорные мешалки с лопастями, изогнутыми по форме стенок и днища сосуда. Якорные мешалки очищают стенки аппаратов от налипающего на них материала, благодаря чему улучшается теплообмен и предотвращаются местные перегревы перемешиваемых веществ[2, 4].

Барабанная мешалка (рисунок 9) представляет собой лопастной барабан в виде так называемого беличьего колеса. Мешалки этой конструкции создают большую подъемную силу и потому весьма эффективны при проведении реакций между газом и жидкостью, а также при получении эмульсий, обработке быстро расслаивающихся суспензий и взмучивании тяжелых осадков.

Рисунок 9 - Барабанная мешалка

Рекомендуемые условия применения барабанных мешалок: отношение диаметра барабана к диаметру сосуда от 1:4 до 1:6, отношение высоты жидкости к диаметру барабана не менее 10.

Цель  и задачи курсовой работы.

Цель  курсовой работы – развитие навыков практического применения знаний, полученных студентами в ходе изучения цикла общеинженерных дисциплин.

  С учётом характера будущей инженерной деятельности, тема курсовой работы “Проектирование аппарата с мешалкой”. Аппарат с мешалкой – один из наиболее распространённых видов химико–технологического оборудования. Он состоит из типовых элементов, встречающихся во многих аппаратах различного назначения: корпус, привод, теплообменные устройства, фланцевые соединения, уплотнения валов и д.р. Методики расчётов, использующихся при проектировании аппарата с мешалкой, типичны для многих других видов оборудования.

  При выполнении курсовой работы были решены следующие основные задачи:

освоение основ методики проектирования;

выбор материалов и конструирование оформление аппарата в соответствии с заданными технологическими параметрами процесса;

грамотное использование общероссийских и отраслевых нормативных материалов (ГОСТы, ОСТы, правила Госгортехнадзора и т.п.), касающихся устройства, выбора рабочих параметров и правил эксплуатации оборудования предприятий химической промышленности;

1.  Расчёт мощности на перемешивание и определение глубины воронки.

Исходные данные:

D=1600мм-диаметр аппарата

dм=1320мм-диаметр мешалки

n=50об/мин - число оборотов мешалки

-плотность эмали

- вязкость эмали

Определяем значение критерия Рейнольдса

Так как Reм>>80, то расчёт ведём как для быстроходной мешалки.

Геометрический параметр

.

Глубина воронки, образующейся при вращении мешалки, определяется по следующей формуле:

0,68 м, где

В = 12 – коэффициент [1, c.71].

Мощность, затрачиваемая на перемешивание 

236,3Вт, где

KN = 4мK1= 41,280,015 = 0,0768 – критерий мощности;

 = 1,28 -  коэффициент сопротивления. [1, c.69].

Коэффициент К1 = 0,015[1, c.71]. (как и коэффициент В) значение которого находится по графику в зависимости от параметра Е, рассчитываемого по формуле:

              = 0,585

где               zм = 1 – количество мешалок;

          hж=1,8м – высота жидкости в аппарате

При определении мощности привода необходимо учитывать перегрузки, возникающие при пуске перемешивающего устройства в аппарате, заполнен­ном жидкостью, потери мощности в уплотнении Nу и потери на трение в под­шипниках и передачах. Необходимая мощность электродвигателя может опре­деляться по следующему соотношению[1, стр. 75]:

Определение мощности привода в первом приближении производится при Nm = 0 и = 0,9:

кВт

По полученному значению мощности и частоте вращения вала

n=50об/мин в соответствии с таблицей 3.31[1, стр.77] выбирается тип мотор-редуктора (I): электродвигатель N=1,5 кВт, тип ВАО22-4, кг

Размеры выходных элементов вала определяются по таблице 3.32 [1].

Основные параметры мотор-редуктора типа МПО определяются по таблице3.33 [1]:

      КПД=0,95

      масса без двигателя кг

Обозначение мотор-редуктора:

МПО2-10-50/1,5-Ф1В-ТУ2-056-223-84

Определяется ориентировочный диаметр вала мешалки, для этого необходимо определить значение вращающего момента на валу месильной части:

     Ориентировочный диаметр месильного вала определяем по формуле

=мм,

где []=20 МПа – заниженное значение допускаемого касательного напряжения.

Принимается диаметр мм.

2. Подбор опор лап и проверка стенки аппарата под опорой

Исходные данные

D=1600мм

Рр=0,6МПа-расчетное давление

Толщина стенки аппарата

Материал сталь Ст3сп

допускаемое напряжение для стали Ст3сп при t=20 0C [σ]=154МПа

Масса аппарата ,где

Мц - масса  цилиндрической части аппарата

Мэ- масса  эллиптического днища аппарата

Мп - масса плоского днища аппарата

Мпр - масса привода аппарата

Мм- масса мешалки аппарата

Мш - масса штуцеров аппарата

Мп - масса вала

Мф - масса фланца аппарата

Вес корпусных элементов аппарата

Вес привода  

Вес мешалки  

Вес штуцеров  

Вес вала  

Вес фланца  

Вес среды в аппарате

Вес аппарата со средой

Нагрузка на одну опору

,

где              к = 2 – коэффициент неравномерности нагрузки,

          n = 4 – число опор

Выбираем стандартную опору для стальных сварных цилиндрических аппаратов – исполнение 1

Опора 2-40000 ОСТ 26-655-79.

Рисунок. 1 Опора

b = 185мм; а1 = 190 мм; h1 = 20 мм; h =295 мм; К = 30 мм;; d =35 мм; dб = М24; fmax=50 мм; а =150 мм

Проверка прочности стенки аппарата под опорой-лапой

Предельное напряжение изгиба:

МПа , где

К2 = 1,25 – для рабочих условий;

=   , где

= 0,3;

Общее окружное мембранное напряжение:

МПа

,

где              s0 –толщина стенки рубашки в конце срока службы;

           е=0,5(b+fmax+s0+sn)=0,5(185+50+6+0)=120,5мм

Проверка несущее способности обечайки:

H , где

   , где

;

37,75 кН < 85,83кН , условие выполняется.

Подкладной лист не требуется.

Список использованной литературы

1.      Оборин В.Н. Конструирование и расчет технологического оборудования/ Оборин В.Н., Родный М.В., Веткин Ю.А. ; Учеб. пособие / ЯГТУ - Ярославль, 2003.

2.      Лащинский А. А., Основы конструирования и расчета химической аппаратуры:/ Лащинский А. А., Толчинский А. Р. ; Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1970. - 752 с.