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.

втулке приварены две цилиндрические траверсы, на периферийную

Таблица 2.2

Тихоходные мешалки

часть которых опираются две плоские ленты шириной b с относитель-

ным шагом p = t/d

= 1,0. Ширина лопасти b = 0,1d.

Обо-

значе-

ние

Наимено-

вание

Диаметр мешалки d

, мм по

ГОСТ 20680−75 ОСТ 26−01−806–73

08 шнековая

От 1,8

до 5,0

80; 100;125; 160;

180; 200; 220; 250; 280;

320; 360; 400; 450; 500;

560; 630; 710; 800; 900;

1000; 1120; 1250; 1400;

1600; 1800; 2000; 2240;

2500; 2800

100; 140; 160; 200;

250; 300; 400; 500;

600; 710; 800; 900;

900; 1000; 1120;

1180

09 якорная От 1,05

200; 220; 250; 280; 300;

320; 360; 400; 450; 500;

530; 560; 600; 630; 710;

750; 800; 850; 900; 950;

1000; 1060; 1120; 1180

Не применяются

10 рамная до 1,3

1250; 1320; 1400; 1500;

1600; 1700; 1800; 1900;

2000; 2120; 2240; 2360;

2500; 2650; 2800; 3000;

3150; 3350; 3550; 3750;

4000; 4250; 4500; 4750

От 200 до 3000 со-

ответствует

ГОСТ 20680-75

11 ленточная

От 1,04

до 1,3

200; 300; 360; 450; 560;

630; 750; 850; 950;

1120; 1320; 1500; 1700;

1900; 2120; 2240; 2500;

2650; 2800; 3000; 3150;

3350; 3550; 3750; 4000;

4250; 4500; 4750

От 200 до 2800

соответствует

ГОСТ 20680-75

(отсутствуют диа-

метры 630; 850)

ленточная

со

скребками

От 1,04

до 1,1

560; 630; 750; 850; 950;

1120; 1320; 1500; 1700;

1900; 2120; 2240; 2500;

2650; 2800; 3000; 3150;

3350

1000; 1200; 1400;

1600; 1800; 2000

*Для механических мешалок

−

по ОСТ 26

−

1245−75.

Высота ленточной мешал-ки

принимается конструктивно в

зависимости от высоты корпуса

аппарата H

и уровня H жидкости

в нем. Ленточные мешалки ис-

пользуются в аппаратах, имею-

щих следующие геометрические

характеристики:

1, 0 3, 0

⎛⎞

≤≤

⎜⎟

⎝⎠

1, 04 Г 1, 3.

≤

Ленточные мешалки со скребками

используются для интенсификации

процесса теплоотдачи. Высота мешал-

ки H

принимается конструктивно, в

зависимости от высоты корпуса аппарата H' и уровня жидкости в нем. Эта высота

должна быть кратной 0,166t. Все размеры ленточной мешалки со скребками иден-

тичны размерам ленточной мешалки, однако применять эту мешалку наиболее ра-

ционально в аппаратах, имеющих относительную высоту корпуса

2,3 3,0.

=÷

Шнековая мешалка (рис. 2.16) состоит из цилиндрической втулки

(или вала), к наружной поверхности которой по винтовой линии прива-

рена плоская лента, имеющая шаг t. Шнековые мешалки, как правило,

устанавливают в циркуляционной трубе. Но возможны и другие спосо-

бы монтажа.

В случае установки шнековой мешалки в циркуляционной трубе

должны соблюдаться следующие конструкционные

соотношения между

отдельными размерами элементов аппарата:

ВТ

ММ

1, 8 Г 2,7, 0,14 0,30, 1,05 1,15;

1,0 3,0, const 1,0.

⎛⎞ ⎛⎞

≤≤ ≤≤ ≤≤

⎜⎟ ⎜⎟

⎝⎠ ⎝⎠

⎛⎞

′

⎛⎞

≤≤ ===

⎜⎟

⎝⎠

Рис. 2.15. Ленточная мешалка

Рис. 2.16. Шнековая мешалка:

а – в гладкостенном аппарате; б − в аппарате с отражательными

перегородками; в − в аппарате с циркуляционной трубой

В (табл. 2.3) приведены рекомендуемые типы мешалок в зависимо-

сти от назначения аппарата, а в (табл. 2.4) − основные характеристики

тихоходных мешалок [1].

2.1 Определение требуемого теплового потока

Требования, предъявляемые к аппаратам в части интенсификации

теплообмена, в ряде случаев не могут быть выполнены только путем

использования корпусов аппаратов с гладкостенными рубашками или

рубашками из полутруб. В этих случаях для интенсификации теплоот-

вода в корпусе могут быть установлены змеевики специального типа.

Целью теплового расчета аппарата с перемешивающим устройст-

вом является

обеспечение требуемого теплового потока Q

через тепло-

обменные поверхности аппарата. Под тепловым потоком здесь понима-

ется поток тепловой энергии, передаваемый от среды с большей темпе-

ратурой к среде с меньшей. Величина теплового потока через каждое

теплообменное устройство, т. е. Q

, определяется коэффициентом теп-

лопередачи K

, площадью поверхности теплообмена F

и средней разно-

стью температур ΔT

ср.i

между перемешиваемой средой и теплоносите-

лем:

ср.

;

iii i

QKFT

⋅⋅Δ

λα

где α

− коэффициент теплоотдачи от перемешиваемой среды к стен-

ке теплообменного устройства, Вт /(м

·К);

s − толщина теплопередающей стенки, м;

λ − коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м·К);

− коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке тепло-

обменного устройства, Вт /(м

·К).

Таблица 2.3

Рекомендуемые типы мешалок в зависимости от назначения аппарата

Назначение аппарата

Рекомендуе-

мый тип ап-

парата

Рекомендуемый

тип мешалок

Гидродина-

мический

режим

Смешивание взаиморас-

творимых жидкостей, в

том числе при наличии

химической реакции

Без отража-

тельных пе-

регородок

Трехлопастная,

шестилопастная,

лопастная, клеть-

евая, эмалирован-

ные турбинная

открытая лопаст-

ная и трехлопаст-

ная с наклонными

лопастями

Турбулент-

ный

Смешивание взаиморас-

творимых жидкостей, в

том числе при наличии

химической реакции

С циркуля-

ционной

трубой

Трехлопастная,

шестилопастная,

винтовая с посто-

янным шагом

винтовой линии

Ламинар-

ный

С циркуля-

ционной

трубой или

без нее

Ленточная, шне-

ковая, рамная,

ленточная со

скребками*,

якорная эмалиро-

ванная

Продолжение табл. 2.3

Назначение аппарата Рекомендуе- Рекомендуемый Гидроди-

мый тип

аппарата

тип мешалок намиче-

ский ре-

жим

Перемешивание диспер-

сий в системе твердое

−

жидкое, в том числе для

растворения или прове-

дения реакции

С отражатель-

ными перего-

родками или

без них**

Шестилопастная,

лопастная, клетье-

вая, лопастная эма-

лированная и трех-

лопастная эмали-

рованная с наклон-

ными лопастями

Турбулент-

ный

С циркуляци-

онной трубой

Трехлопастная,

шестилопастная,

винтовая с постоян-

ным шагом винто-

вой линии

Ламинар-

ный

С циркуляци-

онной трубой

или без нее

Ленточная, шнеко-

вая, ленточная со

скребками*, якор-

ная эмалированная

Перемешивание диспер-

сий в системе жидкость

− жидкость (несмеши-

вающиеся между собой

жидкости), в том числе

для интенсификации

массообмена при нали-

чии химической реакции

С отражатель-

ными перего-

родками

Турбинная откры-

тая и закрытая,

шестилопастная,

клетьевая

Турбулент

ный

С отражателя-

ми

Трехлопастная

эмалированная

С циркуляци-

онной трубой

Трехлопастная,

шестилопасная,

винтовая с посто-

янным шагом вин-

товой линии

Ламинар-

ный

С циркуляци-

онной трубой

или без нее

Ленточная, шнеко-

вая, ленточная со

скребками*, якор-

ная эмалированная

Окончание табл. 2.3

Назначение аппарата

Рекомендуе-

мый тип ап-

парата

Рекомендуемый

тип мешалок

Гидроди-

намиче-

ский ре-

жим

Перемешивание диспер-

сий в системе жидкость

− жидкость, в том числе

для интенсификации

массообмена при нали-

чии химической реакции

С отража-

тельными пе-

регородками

Турбинная откры-

тая*** и закрытая,

клетьевая

Турбу-

лентный

С отражате-

лями

Трехлопастная,

эмалированная

1, 5

≥

С циркуляци-

онной трубой

Трехлопастная,

шестилопастная,

винтовая с посто-

янным шагом вин-

товой линии

Лами-

нарный

С циркуляци-

онной трубой

Шнековая

Без циркуля-

ционной тру-

бы

Якорная эмалиро-

ванная, ленточная

со скребками

Перемешивание диспер-

сий в системе жидкость

− жидкость (несмеши-

вающиеся между собой

жидкости), в том числе

для интенсификации

массообмена при нали-

чии химической реакции

С отража-

тельными пе-

регородками

Трехлопастная,

шестилопастная,

лопастная, клетье-

вая, турбинная от-

крытая, винтовая с

постоянным шагом

винтовой линии

Турбу-

лентный

при нали-

чии раз-

рыва

сплошно-

сти, вы-

званного

кавитаци-

ей

____________

* Применение рекомендуется только при наличии интенсивного те-

плообмена.

** Применение аппаратов без отражательных перегородок для сус-

пендирования частиц, плотность которых меньше плотности среды.

*** Применение рекомендуется только в составе узлов, используемых

для всасывания газа в жидкость.

Таблица 2.4

Основные характеристики тихоходных мешалок

Тип

мешалки

Рекомендации по применению

Рекомендуемые пределы

применения

преимущественному

ограничен-

ному

m, Па

⋅

Re V, м

Якорная

При низкой интен-

сивности перемеши-

вания

Размеры

суспензий

не более

величины

зазора

0,1−10 10−80 0,1−5

Рамная

При низкой интен-

сивности перемеши-

вания

—

1−100 10−80 0,1−10

Шнековая

При наличии в рабо-

чем объеме внутрен-

них устройств

Барботаж,

кипение

10−100 0,1−30 0,25−50

Шнековая

в направ-

ляющей

трубе

Перемешивание сус-

пензий, теплообмен

Размер сус-

пензий не

более зазо-

ра в трубе

10−500 0,1−80 1−20

Ленточная

Для аппаратов боль-

ших размеров, для

гомогенизации, сус-

пендирования

—

10−1000 1−80 0,25−100

Ленточная

со скреб-

ками

При интенсивном те-

плообмене, при зарас-

тании внутренних по-

верхностей теплооб-

мена

Наличие

абразивных

частиц

5−100 0,1−300 2−32

В процессе расчета необходимо из теплового баланса определить

требуемый тепловой поток, выбрать то или иное теплообменное уст-

ройство, рассчитать для него коэффициент теплопередачи и в итоге оп-

ределить действительный тепловой поток.

Эти расчеты проводят до тех пор, пока суммарный тепловой поток,

передаваемый через все выбранные теплообменные устройства, будет

не менее

требуемого, то есть пока не будет выполнено условие:

QQ≥

∑

Тепловой поток через теплопередающую поверхность принято рассчитывать

как сумму его составляющих:

TP MП

QQNQQ=± + + ±

где Q

− тепловой поток реакции экзотермической (+) или эндотерми-

ческой (−), Вт;

− тепло, вводимое в аппарат с материальными потоками, Вт;

N − мощность, вводимая в аппарат перемешивающим устройст-

вом, Вт;

− потери тепла в окружающую среду, Вт.

Значение Q

определяется термодинамическим расчетом по соответст-

вующей методике. Величина Q

принимается равной 10−15 % от обще-

го количества тепла. Знак (+) берется при подводе тепла, а знак (–) −

при отводе тепла. Величина Q

рассчитывается из теплового баланса

реактора.

Пусть G

, T

, C

соответственно массовые расходы (кг/с), темпера-

туры (К) на входе в реактор и теплоемкости (Дж/(кг⋅К) материальных

потоков, входящих в реактор; T,C − температура и теплоемкость среды

в реакторе, тогда:

iii i

QGCTCTG

=⋅⋅−⋅⋅

∑∑

где n – количество потоков, поступающих в реактор.

В соответствии с методикой расчета мощности в процессе ее опре-

деления требуются неоднократные обращения к графикам, что при рас-

чете на ЭВМ вызывает значительное увеличение машинного времени

счета. Для устранения этого недостатка при машинном счете все графи-

ки функций

(

)

yfx были аппроксимированы соответствующими

функциями или полиномами:

01 2

...

yc cxcx cx=+⋅+⋅++⋅,

где значения коэффициентов полиномов (с

) определялись при помощи

разработанной на кафедре ОХТ ТПУ программы, реализующей метод

Форсайта.

2.2. Гидродинамический расчет аппарата

Целью гидродинамического расчета является определение усредненных харак-

теристик поля скоростей в объеме аппарата, значений осевой и радиальной сил, дей-

ствующих на мешалку, глубины воронки и мощности перемешивания.

Поле скоростей в гладкостенных аппаратах является трехмерным и характери-

зуется окружной (тангенциальной) W

, радиальной W

и осевой W

составляющими

абсолютной скорости W (рис. 2.17). Сплошными линиями показаны траектории час-

тиц жидкости, имеющих равные скорости. В аппаратах такого типа W

> W

и W

, поэтому в рабочем пространстве преимущественно имеет место окружной по-

ток, в результате которого плоская поверхность жидкости, обозначенная при п = 0

буквой П, при п > 0 изменяется из-за образования воронки с профилем поверхности

. Максимальное повышение уровня у стенки аппарата обозначено через h

; пони-

жение уровня жидкости в центре воронки - через h

Рис. 2.17. Схема движения потоков жидкости в гладкостенном аппарате с

быстроходной мешалкой (правая часть рисунка) и расчетный характер

изменения окружной и радиальной скоростей движения (левая часть рисунка)

2.2.1. Порядок гидродинамического расчета аппарата

без внутренних устройств

2.2.1.1. Отношение диаметров аппарата и мешалки:

где D – диаметр аппарата, м;

– диаметр мешалки, м.

2.2.1.2. Число Рейнольдса

где n – частота вращения мешалки, 1/с;

ν – кинематическая вязкость перемешиваемой среды, м

/с.

2.2.1.3. Параметр высоты заполнения:

γ= +

где Н − высота заполнения аппарата средой (м);

р = 1 – для аппаратов со свободной поверхностью жидкости;

р = 2 – для полностью заполненного аппарата.

2.2.1.4. Параметры распределения скорости ψ

, ψ

связаны между собой зави-

симостью:

(

)

21 1 21

.ψ ψ =Φ −Φ ψ

Для быстроходных мешалок при

Г 15d,≥

05; 125,,

=Φ=. Для

тихоходных мешалок значения Ф

и Ф

являются функциями крите-

рия

Γ . Эти функции при 133

≤

могут быть представлены в виде

зависимостей:

;

21 20

−

Φ=

−

28 27

21 20

−

Φ=

−

Значения параметров распределения скорости ψ

и ψ

определяются путем ре-

шения уравнения равенства моментов относительно ψ

. Расчет проводится в сле-

дующей последовательности:

а) по типу мешалки и

Γ выбирается функция относительной средней ско-

рости:

– для мешалок с горизонтальными лопастями (лопастных, пропел-

лерных, турбинных и т.д.) и

Г 15

,≥

()

(

)

(

)

121 121

ср 1

104 05 21 ln(Г )

2Г

+ ψ + ψ ψ + +ψ +ψ ψ

⎡⎤

⎣⎦

ψ=

;

– для мешалок с вертикальными лопастями (якорных, рамных

и т. д.) и Г 133

,< :

()

(

)

(

)

121 121

ср 1

104 05 1751

Г 1

2Г 2Г

,, ,

+ψ+ψψ+ +ψ+ψψ

⎡⎤

−

⎣⎦

ψ= ⋅

;

б) по типу мешалки и

выбирается функция коэффициента

мощности перемешивания:

– для мешалок с горизонтальными лопастями (лопастных, пропел-

лерных, турбинных и т. д.) и

Г 15

,≥

() () ()

11 1 121 21

0 1 0 222 0 125K,, ,ψ= ψ+ ψ⋅ψψ+ ψψ

⎡

⎤

⎣

⎦

;

– для мешалок с вертикальными лопастями (лопастных, пропеллер-

ных, турбинных и т. д.) и

Г 133

() ()

11 1 21

K ψ=ψ+ψψ

⎡

⎤

⎣

⎦

;

в) по значению

Γ определяется коэффициент сопротивления кор-

пуса аппарата: