WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 13 |
Министерство образования и науки Российской Федерации ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет» С.В. КАРПУШКИН, М.Н. КРАСНЯНСКИЙ, А.Б. БОРИСЕНКО РАСЧЁТЫ И ВЫБОР МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ЕМКОСТНЫХ АППАРАТОВ Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области химической технологии и биотехнологии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Машины и аппараты химических производств» Тамбов Издательство ТГТУ 2009 УДК 66.063.8(075) ББК Л111.3-5-02я73 К267 Рецензенты:

Научно-технический совет ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н.С. Артёмова Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Машины и аппараты химических производств» Ивановского государственного химикотехнологического университета В.Н. Блиничев Карпушкин, С.В.

К267 Расчёты и выбор механических перемешивающих устройств вертикальных емкостных аппаратов : учебное пособие / С.В. Карпушкин, М.Н. Краснянский, А.Б. Борисенко. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2009. – 168 с. – 100 экз. – ISBN 978-5-8265-0860-2.

Знакомит студентов с основными методиками и программным обеспечением расчёта параметров и определения оптимальной конструкции механического перемешивающего устройства вертикального емкостного аппарата.

Предназначено для студентов специальности 240801 «Машины и аппараты химических производств» дневной формы обучения и аспирантов, проводящих исследования в области оптимального конструирования емкостного оборудования.

УДК 66.063.8(075) ББК Л111.3-5-02я73 ISBN 978-5-8265-0860-2 © ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет» (ТГТУ), 2009 Учебное издание КАРПУШКИН Сергей Викторович, КРАСНЯНСКИЙ Михаил Николаевич, БОРИСЕНКО Андрей Борисович РАСЧЁТЫ И ВЫБОР МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ЕМКОСТНЫХ АППАРАТОВ Учебное пособие Редактор Т.М. Глинкина Инженер по компьютерному макетированию Т.Ю. Зотова Подписано в печать 13.11.Формат 60 84/16. 9,76 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № Издательско-полиграфический центр ТГТУ 392000, Тамбов, Советская, 106, к. ВВЕДЕНИЕ Перемешивание – один из наиболее распространённых процессов химической технологии. Аппараты с перемешивающими устройствами используются для проведения разнородных технологических процессов, таких как кристаллизация, абсорбция, экстрагирование, гомогенные и гетерогенные химические реакции и т.д. Исходя из физико-химической природы этих процессов, можно выделить несколько групп явлений, которые непосредственно связаны с условиями перемешивания:

1) распределение взвешенных частиц в объёме жидкости или предотвращение их оседания (перемешивание суспензий);

2) диспергирование капель жидкости или пузырьков газа (перемешивание несмешиваемых жидкостей, жидкости и газа);

3) смешение взаимно растворимых сред.

Таким образом, перемешивание можно рассматривать как способ интенсификации процессов распределения взвешенных или растворённых частиц, а также диспергирования капель и пузырьков в жидкости путём приведения её в вынужденное движение.

Традиционный вид оборудования для перемешивания [1, 2, 4, 5] – вертикальный цилиндрический аппарат с мешалкой, ось вращения которой совпадает с осью корпуса аппарата. Объём аппаратов с механическими мешалками составляет от 10 дм3 до 2000 м3. Основными элементами перемешивающих устройств таких аппаратов чаще всего являются:

- вертикально расположенный консольный или однопролётный вал, на котором размещены одна или несколько (до пяти) мешалок;

- уплотнение вала в месте его прохода через крышку аппарата;

- привод вала от электродвигателя через редуктор или клиноременную Аппарат с механической передачу;

мешалкой:

- муфта, соединяющая вал привода с валом мешалки.

1 – опорная стойка; 2 – днище;

3 – мешалка; 4 – обечайка;

5 – рубашка; 6 – крышка;

7 – труба передавливания;

8 – уплотнение; 9 – редуктор;

10 – электродвигатель;

11 – соединительная муфта;

12 – стойка привода; 13 – люк;

а) б) в) 14 – вал; 15 – опорная лапа г) д) Механические мешалки:

а – лопастная; б – трёхлопастная; в – открытая турбинная;

г – рамная; д – якорная Конструктивным элементом, непосредственно предназначенным для приведения жидкости в вынужденное движение, служит мешалка. Практика показывает, что большинство задач перемешивания может быть успешно решено путём использования ограниченного числа конструкций мешалок: лопастные, турбинные, трёхлопастные (пропеллерные), рамные, якорные. При этом для отдельных типов мешалок существуют наиболее характерные области применения и диапазоны геометрических соотношений.

По величине отношения диаметров аппарата и мешалки GD перемешивающие устройства подразделяются на две категории:

1) мешалки с вертикальными лопастями (якорные, рамные), которые принято использовать для перемешивания жидкостей повышенной вязкости при значениях GD = 1,05…1,5;

2) мешалки с горизонтальными лопастями (лопастные, турбинные и другие), используемые при значениях GD > 1,5.

Согласно [2], конструкция перемешивающего устройства должна отвечать следующим условиям:

- установка на вал нескольких мешалок допускается при невозможности обеспечить требуемый режим перемешивания одной мешалкой и если отношение высоты заполнения аппарата перемешиваемой средой Н к его диаметру D превышает 1,3;



- при размещении на валу нескольких мешалок их конструкция и размеры должны быть одинаковыми, расстояние между соседними мешалками не должно быть меньше их диаметра dм;

- высота установки нижней мешалки над днищем аппарата при GD > 1,5 должна быть в пределах (0,4…1)dм, но не выше H/2, а при D/dм 1,5 – в пределах (0,5…5) (D – dм), но не выше D/4.

Основой для разработки методики расчёта конструктивных параметров механических перемешивающих устройств является теория перемешивания в жидких средах, разработанная сотрудниками С.Петербургского филиала НИИХИММАШ. Наиболее полно эта теория приведена в работе [1], где изложены представления о физическом механизме перемешивания жидких сред, методика инженерного расчёта гидродинамики перемешивания, тепло- и массообмена, турбулентной диффузии и другие. На основе [1] создан руководящий нормативный документ [2], который регламентирует метод расчёта механических перемешивающих устройств промышленных аппаратов. В [2] изложены рекомендации по выбору конструкции перемешивающего устройства, методика расчёта мощности, затрачиваемой на перемешивание при турбулентном и ламинарном режимах, а также представлены алгоритмы расчёта продолжительности гомогенизации среды при перемешивании взаимно растворимых жидкостей, распределения концентрации компонентов по высоте и радиусу рабочего объёма аппарата для процессов, перемешивания суспензий, несмешиваемых жидкостей, жидкости и газа, подаваемого в аппарат через барботёр, а также для процесса растворения частиц твёрдой фазы. Последняя редакция руководящего документа [2] дополнена методом расчёта процесса перемешивания высококонцентрированных суспензий, приведённым в работе [7].

Целью расчёта параметров механического перемешивающего устройства является ответ на вопрос:

способно ли устройство обеспечить требуемые условия реализации указанных процессов в рассматриваемом аппарате при выполнении ограничений на геометрические размеры мешалки, глубину центральной воронки и потребляемую мощность. При отрицательном ответе на этот вопрос возникает задача выбора оптимальной конструкции перемешивающего устройства. Эта задача актуальна для любых производств (не только химических), где вертикальные емкостные аппараты в разные периоды эксплуатации могут входить в состав различных технологических систем и использоваться для осуществления разных процессов.

Гидродинамический расчёт перемешивающего устройства обычно дополняется механическими расчётами [3], в результате которых определяется необходимый диаметр его вала.

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОНСТРУКЦИИ МЕХАНИЧЕСКОГО ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ВЕРТИКАЛЬНОГО ЕМКОСТНОГО АППАРАТА К числу основных параметров конструкции механического перемешивающего устройства (МПУ) вертикального емкостного аппарата относятся:

- тип мешалки, расчётной характеристикой которого является коэффициент её гидравлического сопротивления ();

- число идентичных мешалок на валу перемешивающего устройства (zм);

- диаметр мешалок (dм);

- частота вращения вала перемешивающего устройства (n);

- диаметр вала перемешивающего устройства (d).

Рассмотрение методики выбора оптимальных значений этих параметров начнём с элементов теории перемешивания в жидких средах, положенных в её основу:

- соотношений, характеризующих пригодность МПУ фиксированной конструкции (значений, zм, dм, n) для создания в рассматриваемом аппарате необходимой гидродинамической обстановки;

- характеристик качества перемешивания различных сред, позволяющих сравнивать эффективность и необходимую интенсивность перемешивания конкретной среды устройствами разных конструкций.

1.1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЁТА ВЕРТИКАЛЬНЫХ ЕМКОСТНЫХ АППАРАТОВ В большинстве случаев промышленные аппараты с механическими мешалками реализуют турбулентный режим перемешивания, когда режимы обтекания лопастей мешалки и течения основной массы жидкости являются турбулентными. При этом значение центробежного критерия Рейнольдса n dм Reц = превышает 1000. Здесь – кинематическая вязкость перемешиваемой среды, м2/с.

1.1.1. Поле скоростей при турбулентном перемешивании При турбулентном режиме перемешивание жидкостей представляет собой результат двух одновременно протекающих процессов:

1) конвективного переноса достаточно крупных элементов объёма перемешиваемой среды с направленным потоком;

2) накладывающихся на конвективный перенос пульсационных движений различного масштаба.

Турбулентные пульсации и их интенсивность непосредственно связаны с характеристиками осредненного течения перемешиваемой среды. В связи с этим одним из необходимых элементов математического моделирования процесса перемешивания является описание гидродинамики осредненного течения жидкости в аппарате.

Формирование поля скоростей в потоке жидкости определяется следующими факторами:

- движущими силами, приложенными к жидкости извне;

- уравновешивающим эти силы гидравлическим сопротивлением на неподвижных поверхностях, ограничивающих поток;

- обменом энергией между соседними слоями жидкости [1].

Инженерная методика расчёта поля скоростей [1, 2] является полуэмпирической, т.е. предполагает использование коэффициентов гидравлического сопротивления и аппроксимирующих зависимостей, найденных на основании результатов измерений.





Результаты экспериментов, приведённые в [1], свидетельствуют о том, что радиальная и осевая составляющие скорости потока перемешиваемой жидкости, как правило, во много раз меньше окружной, значения которой почти не изменяются по высоте аппарата и практически не зависят от высоты расположения мешалки. Профиль окружной скорости жидкости, перемешиваемой механическими мешалками в вертикальном емкостном аппарате, представлен на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Профиль окружной скорости перемешиваемой среды:

u – окружная скорость жидкости; r – текущий радиус; rm – радиус максимума окружной скорости; D – внутренний диаметр аппарата Установка в аппарате неподвижных внутренних устройств (отражательных перегородок, труб, отражателей, змеевиков) приводит к уменьшению скорости окружного течения, увеличению радиальной и осевой составляющих скорости. Распределение скоростей в этом случае зависит, в основном, от величины суммарного гидравлического сопротивления Rвн внутренних устройств окружному потоку. В аппаратах с внутренними устройствами, обладающими высоким гидравлическим сопротивлением, все пространственные составляющие скорости оказываются близкими по величине и важнейшим элементом гидродинамической обстановки становится меридианальная циркуляция.

Гидродинамический расчёт аппаратов с механическими мешалками включает расчёт затрат мощности на перемешивание и определение параметров, характеризующих эффективность перемешивания конкретной среды. Методика расчёта [2] различна в зависимости от соотношения значений Rвн и значения произведения 0,1DH: при Rвн 0,1DH, когда осевая и радиальная составляющие скорости потока существенно меньше окружной, в качестве гидродинамической основы расчёта используется параметр профиля окружной скорости перемешиваемой среды 1, а при Rвн > 0,1DH расчёт основан на использовании относительного осреднённого значения окружной скорости потока uср.

Для расчёта необходимы следующие исходные данные:

1. Конструктивные параметры аппарата:

– внутренний диаметр D;

– высота заполнения аппарата рабочей средой без перемешивания H.

2. Параметры перемешивающего устройства (табл. 1.1):

– тип мешалки (коэффициент её сопротивления );

– коэффициент расхода мешалки k2;

– число мешалок на валу zм;

– диаметр мешалки dм;

– частота вращения вала мешалки n.

1.1. Основные характеристики наиболее распространённых мешалок Рекомендуе- КоэффициКоэффимые ент Тип мешалки циент расзначения GD = сопротивлехода kD/dм ния Лопастная 1,5 – 2,5 0,88 0,Трёхлопастная (пропеллерная) 3 – 6 0,56 0,Турбинная (открытая и закрытая) 3 – 6 8,4 0,Якорная 1,15 – 1,5 1,28 0,Рамная 1,1 – 1,3 1,28 0,Фрезерная 3 – 6 1,5 0,3. Параметры установленных в аппарате внутренних устройств:

– число внутренних устройств zв;

– коэффициенты их гидравлического сопротивления i, i = 1, …, zв;

– геометрические размеры каждого внутреннего устройства;

– радиусы расположения их вертикальных осей в аппарате ri, i = 1, …, zв.

4. Физические характеристики перемешиваемой среды:

– плотность ;

– кинематическая или динамическая µ вязкость;

– средний диаметр взвешенных частиц;

– массовая или объёмная концентрация компонентов среды.

1.1.2. Расчёт затрат мощности при турбулентном перемешивании Связь между условиями перемешивания и затратами мощности имеет вид [1, 2]:

N = KN n3dм, (1.1) где KN = C K1 zм – критерий мощности; K1 – коэффициент мощности (устанавливает связь её значения с 3,87, Rвн 0,1DH ;

характеристиками окружного течения жидкости в аппарате); C = 4, Rвн > 0,1DH.

Вид зависимостей для вычисления коэффициента мощности K1 зависит от критерия гидродинамического подобия GD = D/dм (отношения диаметров аппарата и мешалки), типа мешалки и суммарного гидравлического сопротивления внутренних устройств аппарата Rвн:

– при GD > 1,5 для мешалок с горизонтальными лопастями (лопастных, турбинных и т.п.) 0,11 + 0,2221 2 + 0,1252, Rвн 0,1D H ;

K1 = 0,25 - 0,67uср + 0,5uср, Rвн > 0,1D H ;

– при GD 1,5 для мешалок с вертикальными лопастями (рамных, якорных) (1 + 2 )2, Rвн 0,1D H ;

K1 = (1 - uср )2, Rвн > 0,1D H.

Взаимосвязь между параметрами профиля окружной скорости жидкости в аппарате 1 и 2 выражается соотношением 2 = -s1 - s21, где s1, s2 – параметры, зависящие от типа мешалки и значения GD:

– при GD > 1,5 для мешалок с горизонтальными лопастями s1 = 0,5, s2 = 1,25;

– при GD 1,5 для мешалок с вертикальными лопастями 7GD - 6 28GD -,.

s1 = s2 = 21GD - 20 21GD - Одним из основных принципов расчёта аппарата с механическим перемешивающим устройством является условие равновесия всех приложенных к системе сил и моментов при установившемся режиме [1].

При вращательном движении жидкости относительно оси аппарата условие равновесия выражается в форме равенства крутящего момента, возникающего при вращении лопастей мешалки, сумме моментов сил сопротивления, возникающих на стенках корпуса аппарата и установленных в нём внутренних устройствах:

Мкр = Мап + Мвн, (1.2) к где Mкр = zм K1 – крутящий момент; Mап = GD,75 u1,75 – момент сил сопротивления вращению, возср 2,2 Re0,ц H никающих на стенках корпуса аппарата, при этом = l + p – параметр высоты заполнения аппарата, D 8, Rвн 0,1DH; 1, если поверхность среды свободна ;

l = p = 4, Rвн > 0,1DH, 2, если аппарат заполнен полностью, zв 0,095, GD > 2;

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 13 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.