Беляев В.М., Миронов В.М., Тихонов В.В. Расчет и конструирование основного оборудования отрасли. Часть 1. Аппараты с механическими перемешивающими устройствами

Подождите немного. Документ загружается.

Так как в реакторе идеального смешения непрерывного действия

=const, то:

AAAA

AAA

VCCCX

tdC

vr r r

−

== = =

∫

где t – условное время пребывания реагентов в зоне реакции, и рабо-

чий объем реактора определится формулой:

tvV

Общий объем аппарата периодического и непрерывного действия

всегда несколько больше рабочего, потому что при перемешивании на

поверхности жидкости может возникать воронка или происходить вспе-

нивание реакционной массы. Чаще всего общий объем аппарата прини-

мается на 15−20 % больше рабочего.

Часто отношение высоты аппарата H к его диаметру D принимают

равным единице,

поэтому расчет размеров реактора можно определить

по уравнению:

DH==

Если же отношение высоты аппарата к его диаметру не равно еди-

нице, т. е. H:D=m, то:

DHmD

⋅π

При отсутствии химической реакции объем аппарата с мешалкой

определяется исходя из его заданной объемной производительности V

Тогда:

V =

где τ − время обработки среды и подготовительных операций для пе-

риодически действующих аппаратов, или среднее время нахождения

среды – для непрерывно действующих аппаратов.

Расчет размеров аппарата аналогичен расчету для реакторов.

ПРИМЕР 1.3. В аппарате идеального перемешивания непрерывного

действия происходит растворение соли с расходом 2400 кг/ч. Плотность

раствора − 1200 кг/м

, время пребывания раствора в аппарате − 20 мин.

Определить объем, диаметр и высоту аппарата, если отношение его вы-

соты к диаметру составляет 1,2.

РЕШЕНИЕ. Определим объем аппарата с мешалкой:

2400 3

6 м .

1200 1

⋅

== =

ρτ ⋅

Определим диаметр аппарата:

1, 2 м,

1, 2 3,14

== =

⋅π ⋅

откуда высота аппарата будет равна:

1, 2 1, 2 1, 44 м.

mD==⋅=

ПРИМЕР 1.4. В аппарате идеального перемешивания периодиче-

ского действия происходит растворение соли с расходом 2400 кг/ч.

Плотность раствора − 1200 кг/м

, время растворения соли − 20 мин,

время загрузки соли и воды 10 мин, время выгрузки раствора 10 мин.

Определить объем, диаметр и высоту аппарата, если отношение его вы-

соты к диаметру равно 1.

РЕШЕНИЕ. Определим объем аппарата с мешалкой при суммар-

ном времени работы аппарата 20+10+10 мин:

2400 3

3 м .

1200 2

⋅

== =

ρτ ⋅

Определим диаметр аппарата:

0,985 1 м,

3,14

D == = ≈

откуда высота аппарата будет равна:

1 м.

2. КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ УСТРОЙСТВ

ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ И ТЕПЛООБМЕНА

Наиболее часто в химическом машиностроении применяются бы-

строходные мешалки. Их можно разделить на мешалки, лопасти кото-

рых перпендикулярны плоскости вращения (лопастные, клетьевые, от-

крытые и закрытые турбинные), и мешалки, лопасти которых образуют

некоторый угол с плоскостью вращения [1].

Быстроходные мешалки могут использоваться в гладкостенных

аппаратах, а также в аппаратах, оборудованных различными внутрен

ними устройствами. Кроме этого, мешалки с наклонными лопастями

могут использоваться в аппаратах с циркуляционной трубой.

Трехлопастная мешалка (рис. 2.1)

представляет собой конструкцию, со-

стоящую из втулки с внутренним диамет-

ром d, к которой по наружному диаметру

вт

приварены три плоские лопатки под

углом 24

° к плоскости вращения мешал-

ки. Ширина b лопастей мешалки выбира-

ется равной 0.2d

(табл. 2.1). В практике

химического машиностроения применя-

ются винтовые мешалки с постоянным

шагом винтовой линии, литые с крыло-

видным профилем лопасти, сварные с по-

стоянной толщиной лопасти.

Винтовая мешалка с постоянным ша-

гом p винтовой линии (рис. 2.2) представ-

ляет собой втулку с наружным диаметром

вт

и внутренним диаметром d. К наруж-

ной поверхности втулки под углом 120° одна к другой приварены три

плоские лопасти

шириной b. При этом угол наклона β лопастей на диаметре d

вт

больше

угла наклона на диаметре d

, причем:

ВТ

tg tg ; tg

⎛⎞

β= α α=

⎜⎟

⎝⎠

От диаметра d

вт

до диаметра d

угол β изменяется при

сохранении p=const.

Диаметр d винтовой мешалки выбирается из ряда: 50, 75, 100, 150,

180, 200, 225, 250, 300, 325 и 350 мм. Отраслевой стандарт ограничивает

этот ряд максимальным диаметром d

= 250 мм.

Мешалки из этого ряда имеют p = 0,6; 0,8; 1,0 и 1,2 и втулочное отношение

ВТ

0,4

= Возможно также использование мешалок с втулочным отношением 0,3.

Рис. 2.1. Трехлопастная

мешалка

Винтовая мешалка с крыловид-

ным профилем лопасти (рис. 2.3)

представляет собой конструкцию, со-

стоящую из цилиндрической втулки в

внутренним d и наружным диаметром

вт

, заодно с которой отлиты три ло-

пасти сложной пространственной

крыловидной формы. Мешалка имеет

переменный по радиусу шаг, однако

этот шаг на внешнем ее диаметре ра-

вен единице.

Винтовая мешалка с постоянной

толщиной лопасти (рис. 2.4) пред-

ставляет собой конструкцию, со-

стоящую из цилиндрической втулки с

внутренним d и с наружным d

вт

диа-

метром, к периферии которой прива-

рены три лопасти постоянной толщи-

ны.

Лопасти винтовой мешалки

имеют форму лепестка с размерами,

определяемыми по выражениям

мм1 м

0,22 ; 0, 4 ; 0,064 .hdRdR d

Отметим, что изготовление литой

винтовой мешалки и мешалки с по-

стоянной толщиной лопасти требует

применения специального литья или

сложных штампов, что не позволяет

рекомендовать мешалки этого типа к

использованию.

В гидродинамическом же отно-

шении они лишь незначительно от-

личаются от трехлопастной мешалки, которую и следует применять

взамен винтовых мешалок. Приведенные

в настоящем пособии характе-

ристики винтовых мешалок следует использовать только для анализа

работы уже изготовленных мешалок.

Таблица 2.1

Быстроходные мешалки

Обо-

значе-

ние

Наименование

Диаметр мешалки d

, мм

по ГОСТ

20680

–75

по ОСТ

26–01–1245

Рис. 2.2. Литая винтовая

мешалка

крыловидным

профилем

лопасти

Рис. 2.3. Винтовая мешалка

01 трехлопастная

80; 100;

125; 160;

180; 200

От 100 до 1250 соот-

ветствует

ГОСТ 20680

–75, да-

лее применяются

только1320 и 1400.

Заменяется трехлопа-

стной

02 винтовая

220; 250;

280; 320;

Заменяется трехлопа-

стной

турбинная открытая

360; 400;

450; 500

От 80 до 1250

соответствует

ГОСТ 20680

–75,

далее применяются

только1320 и1400

04 турбинная закрытая

560; 630;

710; 800

05 шестилопастная

900; 1000;

1120; 1250;

1400; 1600;

1800;2000

От 100 до 1250

соответствует

ГОСТ 20680

–75, да-

лее применяются

только1320 и1400

06 клетьевая 2240; 2500;

От 80 до 1250

соответствует

ГОСТ 20680

–75

07 лопастная

весь указан-

ный выше ряд и

далее 2800; 3150;

3550

От 125 до 2240

соответствует

ГОСТ 20680

–75

Турбинные открытые мешалки (рис. 2.5) представляют собой кон-

струкцию, состоящую из цилиндрической втулки с внутренним (d) и

наружным (d

вт

) диаметрами, на периферии которой установлен кольце-

вой диск диаметром

2 м

0,75dd=

, несущий на себе шесть плоских лопа-

стей, равномерно расположенных по его окружности. Длина каждой ло-

пасти равна l = 0,25d

. Внутренний диаметр расположения лопастей ра-

вен

1 м

0,5 .dd=

Высота лопасти равна b = 0,2d

. Открытые турбинные

мешалки выпускаются в двух исполнениях: неразъемные (исполнение

1) − на весь диапазон диаметров; разъемные (исполнение 2) − на диа-

метры 450−1400 мм.

Турбинные закрытые мешалки (рис. 2.6) в отличие от открытых имеют плоские

лопасти конической формы с углом при вершине 22°30'. Лопасти с обеих сторон за-

крыты коническими дисками. Размеры d

, d

Закрытая турбинная мешалка может быть использована для подачи газа в пе-

ремешиваемую жидкость. В этом случае, ее обычно монтируют в центральной вса-

сывающей трубе, имеющей на нижнем конце конический элемент, на периферии ко-

торого расположены неподвижные отражательные ребра, способствующие увеличе-

нию объема засасываемого газа и степени его дисперсности. При этом оптимальное

значение осевого зазора s

opt

между наружной конической поверхностью мешалки и

внутренней поверхностью статора должно выбираться из соотношения

opt

0,001 0,02,

⎛⎞

≤≤

⎜⎟

⎝⎠

при котором обеспечивается максимальная подача воздуха

в перемешиваемую жидкость.

и l для закрытых мешалок определяются

по тем же формулам, что и для открытых,

при этом s

= s

= s.

Рис. 2.4. Винтовая

мешалка

с постоянной

толщиной

лопасти

Рис. 2.5. Турбинные открытые

мешалки:

а − неразъёмная; б − разъёмная

Шестилопастные мешалки

(рис. 2.7) состоят из втулки с внут-

ренним (d) и наружным (d

вт

) диа-

метрами, к цилиндрической по-

верхности которой под углом

α = 45° к плоскости вращения ме-

шалки приварено шесть лопастей.

Геометрические размеры шестило-

пастной мешалки такие же, как и у

трехлопастной мешалки.

Клетьевые мешалки (рис. 2.8)

представляют собой цилиндриче-

скую втулку, к наружной поверх-

ности которой приварены четыре

фигурные лопасти, скрепленные

бандажами. К

внутренней поверх-

ности бандажей приварены узкие

плоские лопасти, расположенные

равномерно по окружности между

фигурными лопастями.

Лопастные мешалки состоят

из втулки, к цилиндрической по-

верхности которой под углом 90° к

плоскости ее вращения приварены

две плоские лопасти (рис. 2.9).

Мешалки изготавливаются неразъ-

емными и разъемными. Весь ряд

мешалок, начиная с d

= 80 мм и

кончая d

= 2240 мм включитель-

но, изготавливается неразъемным. При этом для сохранения прочности,

начиная с d

= 710 мм, мешалки имеют укрепляющие ребра, толщина

которых равна толщине лопастей мешалки s. Длина укрепляющих ребер

выбирается из соотношения l

= 0,63d

; суммарная ширина укрепляю-

щих ребер − b

= 1,5b, где b − ширина лопасти (b = 0,1d

). Разъемные

лопастные мешалки изготавливают, начиная с d

= 710 мм.

Рис. 2.6. Турбинная

закрытая

мешалка

Рис. 2.7. Шестилопастные мешалки

Рис. 2.8. Клетьевые мешалки

Рис. 2.9. Лопастные мешалки:

а − неразъёмная; б − разъёмная

Рис. 2.10. Лопастные эмалированные мешалки

Лопастные эмалированные мешалки (рис. 2.10) представляют со-

бой конструкцию, состоящую из вала и полых лопастей, приваренных к

валу таким образом, чтобы внутренние полости этих лопастей сообща-

лись между собой. Все поверхности вала и лопастей покрывают стекло-

эмалью.

Эмалированные мешалки могут устанавливаться в гладкостенных

эмалированных аппаратах или в аппаратах с отражательными перего-

родками (рис. 2.11). Эмалированные отражательные перегородки пред-

ставляют собой четыре плоские трубы, закрепленные на патрубках в

крышке аппарата. Отражательные перегородки могут быть заменены на

отражатели, которые также представляют собой цилиндрическую по-

лую трубу диаметром d

, перпендикулярно поверхности которой прива-

рены две плоские лопасти шириной b

При этом принимают:

≈ 0,05D, b

≈ 0,07D и l ≈ 0,175D.

Зазор δ

выбирают из интерва-

ла δ

= (0,025 – 0,125)D.

В аппарате обычно используется три

или четыре отражателя, так как в этом слу-

чае асимметрия потока жидкости и ради-

альная сила, действующая на вал мешалки,

будут минимальными.

Высота лопасти двухлопастной

эмалированной мешалки составляет

b=0,1d

, трехлопастной − b=0,122d

двухлопастной (α = 45°) − b=0,14d

Тихоходные мешалки в основном

применяют для гомогенизации и ус-

реднения высоковязких и неньюто-

новских сред, интенсификации тепломассообмена и для осуществления

некоторых других технологических операций. Стандартные тихоходные

мешалки можно разделить на мешалки, лопасти которых перпендику-

лярны плоскости вращения, и мешалки, лопасти которых образуют угол

наклона с плоскостью их вращения.

Тихоходные мешалки,

как правило, используются только в гладко-

стенных аппаратах, исключением является шнековая мешалка, которая

может быть также использована в аппаратах с циркуляционной трубой

и с отражательными перегородками.

Якорная мешалка (рис. 2.12) состоит из цилиндрической втулки, к

наружной поверхности которой приварены две профилированные лопа-

сти. Профиль лопастей мешалки соответствует внутренней поверхности

корпуса аппарата: в

нижней своей части лопасти имеют эллиптическую

или коническую форму, а в верхней они представляют собой две пло-

ские вертикальные пластины, торец которых параллелен цилиндриче-

ской части корпуса аппарата. Наружный диаметр якорной мешалки вы-

бирается в соответствии с данными (табл. 3.2).

Разновидностью якорной мешалки является якорная эмалированная

мешалка, выполняемая из полых труб,

приваренных перпендикулярно к

цилиндрической поверхности вала (рис. 2.13). При этом высоту H

толщину b определяют по формулам: H

= 0,6d

, b = 0,1d

Рис. 2.11. Эмалированная

мешал-

ка

гладкостенном эмалирован-

ном аппарате

Рамная мешалка (рис. 2.14) состоит из одной или двух цилиндриче-

ских втулок, к наружным поверхностям которых приварены две плоские

радиальные лопасти, на периферии которых установлены по одной пло-

ской профилированной лопасти.

Рис. 2.14. Рамные мешалки

В зависимости от размеров рамные мешалки выпускаются неразъ-

емными (исполнение 1) для диаметров 200−1600 мм и разъемными (ис-

полнение 2) для диаметров 800−3000 мм. При этом разъемные мешалки

изготавливаются двух вариантов: мешалки с диаметром 300−1600 мм

имеют одну разъемную ступицу, а мешалки с диаметром 1700−3000 мм

− две разъемные ступицы. Оба типа мешалок

приспособлены к исполь-

зованию в аппаратах с эллиптическим или коническим днищем. При из-

готовлении рамных мешалок выдерживаются следующие соотношения

их основных размеров:

мм1 м

0,152 ; 0,82 ; 0,3 .rdRdlld====

Ленточные мешалки (рис. 2.15, 2.19) представляют собой конст-

рукцию, состоящую из вертикального вала, на котором на равном рас-

стоянии одна от другой установлены цилиндрические втулки. К каждой

Рис. 2.12. Якорная мешалка

Рис. 2.13. Якорная эмалированная

мешалка из

полых

труб