Аппарат с перемешивающим устройством

Аппарат с перемешивающим устройством

Условия жёсткости и виброустойчивости выполняются, следовательно, вал перемешивающего устройства будет надёжно работать. Данный спроектированный аппарат можно изготовить и применять в промышленности.

   

      

     

 

Технические характеристики

1. Емкость номинальная 2 м

2. Коэффициент заполнения 0,7

3. Давление в аппарате 0,6 МПа

4. Поверхность теплообмена 5,4 м

5. Температура среды в аппарате 90 С

6. Скорость вращения мешалки 315 об/мин

7. мотор-редуктор типа МР-1-315-26-160-Ф1В

8. Материал аппарата (основной) - сталь 10

Технические требования

1 Вращение вала мешалки должно быть легким, без заедания, толчков и посторонних шумов

2 Направление вращения вала мотор-редуктора по часовой стрелке

3 Подшипниковые узлы набить консистентной смазкой ЦИАТИМ-221 ГОСТ 9433-80

4. Рубашку испытать на прочность и герметичность внутренним гидравлическим давлением 0,45 МПа в течении 15 минут.

5 Аппарат обкатать на воде в течение 6 часов, при этом не допускается:

                а) подтекание жидкости через уплотнения фланцевых соединений,

                б) нагрев подшипниковых узлов и торцового уплотнения вала мешалки более чем на 50С,

                в) подтекание смазки по валу мешалки.

Машины и агрегаты для проведения механических и гидромеханических процессов

Задание на проектирование

            Спроектировать емкостной вертикальный аппарат с механическим перемешивающим устройством и встроенным теплообменником.

Теплофизические характеристики рабочей среды внутри аппарата (теплоемкость, коэффициент теплопроводности, коэффициент температуропроводности и другие) - такие же значения, как для воды.

Содержание расчетно-пояснительной записки

Введение

Литературный обзор

Задание на проектирование

1. Технологические расчеты

1.1 Расчет оптимальных геометрических размеров аппарата

1.2 Расчет основных геометрических размеров мешалки

1.3 Расчет мощности, потребляемой перемешивающим устройством

1.4 Расчет теплообменника змеевикового типа

1.4.1 Тепловой расчет

1.4.2 Конструктивный расчет змеевика

2.Механические расчеты

2.1 Расчет корпуса аппарата на прочность

2.2 Выбор подшипниковой стойки

2.3 Расчет вала перемешивающего устройства

2.3.1 Расчет на виброустойчивость

2.4 Подбор сальниковое уплотнение вала

2.5 Выбор опор аппарата и строповых устройств по грузоподъемности        

Распределение частиц отдельных компонентов в исходной смеси случайно, на них может действовать сила тяжести может происходить сегрегация или седиментация. При помощи перемешивания стремятся достигнуть совершенного взаимного распределения частиц.

Совершенным, или полным, можно назвать такое перемешивание, в результате которого бесконечно малые пробы смеси, отобранные в любом месте перемешиваемой системы, будут иметь одинаковый состав, а температура в любой точке системы окажется одинаковой.

Для перемешивания необходимо движение перемешиваемых веществ. Способы приведения массы в движение, равно как и способы поддержания этого движения определяются особенностями среды, от свойств которой зависит характер смеси.

Перемешиваемые системы могут быть либо жидкостями, либо сыпучими веществами. Жидкости делятся на сжимаемые (газы) и несжимаемые (капельные). При рассмотрении процесса перемешивания целесообразно подразделять собственно жидкости на ньютоновские (т.е. такие, у которых при ламинарном течении имеется прямая пропорциональность между коэффициентом трения и градиентом скорости) и на неньютоновские.

Для перемешивания в резервуаре очень важны два обстоятельства:

1) степень турбулизации;

2) величина циркуляции, интенсивность которой определяется временем, необходимым для того, чтобы вся жидкость прошла через определенное сечение (обычно по периферии резервуара, по плоскости, описанной лопатками мешалки).    

Механическое перемешивание проводится с целью:

1. Смешения взаиморастворимых жидкостей

2.  Выравнивания температуры в объёме перемешиваемой среды;

3.  Распределения взвешенных частиц в объёме жидкости или предотвращения их оседания;

4.  Диспергирования капель жидкости или пузырьков газа;

5.  Интенсификации процессов теплообмена;

6.  Интенсификации процессов массообмена (чисто физического или в сочетании с химической реакцией).

Особенно многочисленна последняя группа процессов, поскольку они могут протекать в различных неоднородных системах, таких как жидкость - жидкость, жидкость - газ или жидкость - твердое тело. В этих случаях интенсивность процесса может быть продиктована условиями создания двухфазной системы - эмульсии или суспензии.

Механическое перемешивание проводится в аппаратах, носящих общее название аппаратов с мешалками. В частных случаях эти аппараты могут называться реакторами, автоклавами или нитраторами, сульфонаторами и т.п.

Под степенью перемешивания (степенью однородности, показателем перемешивания) в общем случае следует понимать взаимное распределение двух или большего количества веществ после совершенного перемешивания всей системы. Степень перемешивания является, таким образом, своего рода показателем эффективности перемешивания, а также может быть использована для оценки интенсивности перемешивания.

Интенсивность действия перемешивающего устройства определяется временем достижения конкретного технологического результата при постоянной частоте вращения или частотой вращения перемешивающего устройства при постоянной продолжительности процесса.

Обычно интенсивность перемешивания определяется с помощью следующих величин:

1) число оборотов мешалки;

2) окружная скорость конца лопастей мешалки ;

3) критерий Рейнольдса для процессов перемешивания;

4) расходуемая на перемешивание мощность , приведенная к единице объема  перемешиваемой жидкости  или к единице массы перемешиваемой жидкости .

Каждая из перечисленных выше величин является соответствующей мерой интенсивности перемешивания для конкретного аппарата с мешалкой, работающего на конкретной системе (данной жидкости).

Эффективность перемешивания определяется количеством энергии затрачиваемой на перемешивание  для достижения  требуемого технологического эффекта. Таким образом, из двух аппаратов с мешалками более эффективно работает тот, в котором достигается определенный технологический эффект при более низкой затрате энергии. Эффективность перемешивания является также основой для оценки работы одного и того же аппарата (для выбора оптимального режима работы аппарата и оптимальных его размеров). Однако для того чтобы рассчитать эффективность перемешивания, необходимо знать уравнения, определяющие мощность, расходуемую на перемешивание, теплоотдачу, массоотдачу и т.д., не только для типовых систем, но и при переменных геометрических параметрах системы.

В движении перемешиваемых масс могут иметь место два вида движения: свободное и вынужденное. В технике самопроизвольное перемешивание почти не применяется, так как протекает слишком медленно. Для достижения перемешивания более быстрого, чем самопроизвольное, используют передачу массы или тепла посредством вынужденной конвекции, которая достигается направленным движением жидкости течением. Силы, действующие в жидкости её движения, могут быть двух видов: поверхностные и массовые. К поверхностным относят силы давления.

Массовые силы пропорциональны массе движущейся элементарной частицы и характеризуются ускорением. Сопротивление жидкости движению обуславливается внутренним трением жидкости, то есть её вязкостью.

     Процесс перемешивания осуществляется несколькими способами. Один из способов, перемешивание в сосудах с помощью механических мешалок, которые используются только для перемешивания капельных жидкостей. Механические мешалки создают в жидкости течение, вследствие чего обеспечивается её перемешивание. Наиболее широко применяются вращающиеся мешалки. Все применяемые мешалки разделяют на быстроходные и тихоходные. Под быстроходными понимаются мешалки, используемые для перемешивания жидких сред преимущественно при турбулентном и переходном режимах движения жидкости; под тихоходными - при ламинарном режиме движения жидкости.

     Для перемешивания жидких сред используют несколько способов:

Пневматический;

Циркуляционный;

Статический;

Механический с помощью мешалок.

     Пневматическое перемешивание осуществляют с помощью сжатого газа, пропускаемого через слой перемешиваемой жидкости. Для равномерного распределения газа в слое жидкости, газ подаётся в смеситель через барботёр. Барботёр представляет собой ряд перфорированных труб, расположенных у днища смесителя по окружности или спирали. Интенсивность перемешивания определяется количеством газа, пропускаемого в единицу времени через единицу свободной поверхности жидкости в смесителе.

     Циркуляционное перемешивание осуществляется с помощью насоса, перекачивающего жидкость по замкнутой системе смеситель-насос-смеситель. Интенсивность циркуляционного перемешивания зависит от кратности циркуляции, то есть отношения подачи циркуляционного насоса в

единицу времени к объёму жидкости в аппарате. В ряде случаев вместо насосов могут применяться паровые инжекторы.

     Статическое перемешивание жидкостей невысокой вязкости, а так же газа с жидкостью осуществляется в статических смесителях за счёт кинетической энергии жидкостей и газов. Простейшими статическими смесителями являются устройства с винтовыми вставками различной конструкции. Статические смесители устанавливают в трубопроводах перед реактором или другой аппаратурой или непосредственно в реакционном аппарате. Статические смесители используют так же при получении эмульсии.

     Механическое перемешивание используют для интенсификации гидромеханических процессов (диспергирования), тепло- и массообменных, биохимических процессов в системах жидкость-жидкость, газ-жидкость,    газ – жидкость - твёрдое тело. Осуществляют его с помощью различных перемешивающих устройств – мешалок.

     Мешалки представляют собой комбинацию лопастей, насажанных на вращающийся вал. Все перемешивающие устройства, применяемые в производствах, можно разделить на две группы:

В первую группу входят лопастные, турбинные и пропеллерные;

Во вторую – специальные – винтовые, шнековые, ленточные, рамные, ножевые и другие, служащие для перемешивания пластических и сыпучих масс.

      По частоте вращения рабочего органа перемешивающие устройства делятся на тихо- и быстроходные.

      Традиционный вид оборудования для перемешивания – вертикальный цилиндрический аппарат с мешалкой, ось вращения которой совпадает с осью аппарата. Такая конструктивная схема наиболее рациональна. В настоящее время в промышленности применяют различные модификации аппаратов для перемешивания. Объём аппаратов с мешалкой составляет от 10   до 2000  . Основными элементами таких аппаратов является корпус, привод, уплотнения, вал и мешалка. Корпус аппаратов традиционной конструкции имеет вертикальную цилиндрическую обечайку, крышку, на которой устанавливается привод мешалки, и днище. При работе под атмосферным давлением (“под наливом”) аппараты снабжаются плоскими крышками и днищами. На крышке размещаются патрубки, предназначенные для подвода и отвода веществ, для установки контрольно – измерительных приборов и т. п. Размещение патрубков на корпусе аппарата менее желательно.

      Для подвода и отвода теплоты корпуса аппаратов снабжаются теплообменными рубашками. Чаще всего используются гладкие рубашки, повторяющие форму корпуса аппарата. Приводом перемешивающего устройства практически всегда служит электродвигатель, соединённый с валом мешалки. Герметизация аппаратов достигается посредством торцовых, сальниковых и манжетных уплотнений, а так же гидрозатворов. Конструктивным элементом, непосредственно предназначенным для приведения жидкости в вынужденное движение, служит мешалка. В частности для перемешивания высоковязких сред при ламинарном режиме их течения применяют обычно шнековые, ленточные и скребковые мешалки.

      Шнековые мешалки могут применяться в сочетании с направляющей трубой.

      Скребковые мешалки используются почти исключительно для увеличения интенсивности теплообмена. В крупных аппаратах скребки устанавливают иногда в сочетании с ленточной мешалкой.

      Конструктивные типы мешалок, применяемых для перемешивания сред малой и средней вязкости при турбулентном режиме, гораздо более многочисленны.

      По величине отношения радиусов аппарата и перемешивающего устройства  мешалки подразделяются на две категории. Якорные и рамные мешалки применяются при значительных , их принято использовать для перемешивания жидкостей повышенной вязкости, особенно в случаях подвода или отвода теплоты через рубашку. Ко второй категории относятся лопастные, турбинные и другие мешалки, используемые обычно при ` . При расчётах мощности, поля скоростей и т. д. оказывается достаточным использование коэффициента сопротивления мешалки, который рассчитывается, исходя из геометрии лопастей. В связи с тем, что набор стандартных частей вращения, мощностей и крутящих моментов приводов ограничен, оказывается целесообразным применение мешалок с различными значениями коэффициента сопротивления. Целесообразность использования мешалок тех или иных конструкций часто определяется так же особенностями технологии изготовления.

     Интенсивность перемешивания в значительной мере зависит от наличия тех или иных внутренних неподвижных устройств. По функциональному назначению эти устройства могут быть разделены на три группы:

Устройства для организации потока;

Теплообменные устройства;

Технологические трубопроводы, а так же трубы для размещения контрольно – измерительных приборов.

     В качестве внутренних теплообменных устройств в аппаратах с мешалкой чаще всего применяют змеевики. Конструкция внутренних устройств и узлов их крепления должна обеспечивать возможность внутреннего осмотра и чистки аппарата. Предотвращение вибрации обеспечивается путём жёсткого крепления внутренних устройств к корпусу аппарата.