borisenko

ния. Барабанные (клетьевые) мешалки создают значительный осевой поток и применяются для проведения газожидкостных реакций, получения эмульсий, взмучивания осадков при отношении высоты столба жидкости в аппарате к диаметру мешалки не менее 10. Валы всасывающих (импеллерных) мешалок помещают внутри неподвижной газоподводящей трубы, на конце которой установлен статор с лопастями. Их применяют для обеспечения хорошего контакта газа с жидкостью при интенсивном перемешивании. Для перемешивания высоковязких сред и неньютоновских жидкостей применяют ленточные и шнековые мешалки.

1.2 Расчет механических перемешивающих устройств

Методика расчета перемешивающих устройств вертикальных емкостных аппаратов регламентируется руководящим нормативным документом С.-Петербург- ского филиала НИИХИММАШ РД 26-01-90-85. Этот расчет проводится для всех аппаратов с механическими мешалками (серийно выпускаемых и нестандартных) при проектировании и реконструкции любого химического производства. По результатам расчета выдаются разрешения на использование аппаратов для реализации конкретных процессов.

Рекомендуемый метод расчета пригоден для турбулентного режима перемешивания, когда значения центробежного критерия Рейнольдса

Здесь n – частота вращения мешалки (1/с),

n – кинематическая вязкость перемешиваемой среды (м2/с).

Целью расчета является проверка применимости аппарата выбранной конструкции для реализации конкретного технологического процесса.

Метод основан на составлении и решении уравнения, характеризующего ра-

где Мкр– крутящий момент, т.е. момент сил, создаваемых вращением лопастей мешалки,

Мкор, Мвн – моменты сил сопротивления вращению, возникающие на стенках корпуса аппарата и внутренних устройствах соответственно.

Такой подход обеспечивает возможность использования единых расчетных зависимостей для аппаратов с мешалками разных типов и различными внутренними устройствами. В качестве гидродинамической основы расчета используются характеристики профиля окружной скорости жидкости в аппарате, а при значительном сопротивлении внутренних устройств – осредненное значение окружной скорости. С их помощью определяется глубина центральной воронки и мощность привода мешалки, необходимая для осуществления перемешивания.

Документ РД 26-01-90-85 рекомендует следующие формулы для определения значений моментов сил, приложенных к перемешиваемой среде:

Мкр= zм×z×K1,

12

где zм – число мешалок на валу перемешивающего устройства, K1 - коэффициент мощности перемешивания;

аппарата,

g = l×H /D + p – параметр высоты заполнения аппарата (l = 4 для аппарата с отражательными перегородками и l = 8 – без перегородок, р = 2 для полностью заполненного и р = 1 для аппарата со свободной поверхностью жидкости),

vср – относительная осредненная окружная скорость течения жидкости в аппа-

рате;

где zв – число внутренних устройств в аппарате,

zi – коэффициент сопротивления i-го внутреннего устройства;

fi – площадь проекции i-го внутреннего устройства на плоскость, перпендикулярную направлению вращения мешалки;

ri – радиус установки i-го внутреннего устройства;

v(ri) – относительная окружная скорость жидкости на расстоянии ri от оси вращения.

а) б) в) г) д) е)

Рисунок 1.10 Внутренние устройства аппаратов с механическими мешалками

а) одиночная труба, б) одиночная пластина, в) отражательная перегородка г) отражатель (рассекатель), д) концентрический змеевик, е) секционный змеевик

13

-для отражательной перегородки: fоп = hоп×bоп, zоп = 2;

-для отражателя (рассекателя): fот = hот×dот + 2× bот×sот, zот = 1.5;

-для концентрического змеевика (и кольцевого барботера): zзм×fзм = zзм×p×dзм2,

где zзм, dзм – число витков и внешний диаметр трубы;

- секции секционного змеевика рассматриваются как отражательные перегородки.

Вид выражений, используемых для определения значений K1, vср и v(ri) при записи уравнения равенства моментов для конкретного аппарата зависит от суммар-

zв

ного сопротивления внутренних устройств (значения Rвн = åzi × fi ), типа мешалки

i=1

изначения ГD:

-при Rвн £ 0.1×D×H и ГD > 1.5 для мешалок с горизонтальными лопастями (ло-

пастных, пропеллерных, турбинных, дисковых)

Таким образом, при Rвн £ 0.1×D×H уравнение (1.1) записывается и решается относительно параметра y1, причем корень этого уравнения рекомендуется уточнять внутри отрезка [s1/(1-s2); (s1-1)/(1-s2)]. По найденному значению y1 определяется y2, а затем рассчитывается глубина центральной воронки:

hв =B×n2×dм2 /2×g,

где B – параметр глубины воронки, значение которого можно определить по эмпи-

рической зависимости B = -17.2 + e-0.2×y1+3.33 . Проверяется выполнение условия

H – hв > Hм,

где Hм – высота установки верхней мешалки над днищем аппарата.

14

Если условие не выполняется, т.е. жидкость не покрывает ступицу верхней мешалки и режим перемешивания нарушается, принимается решение об уменьшении выбранной частоты вращения мешалки n, заполнении жидкостью всего объема аппарата, установке в нем отражательных перегородок или использовании аппарата с эксцентрично установленным валом перемешивающего устройства.

При выполнении условия H – hв > Hм рассчитывается коэффициент мощности

При Rвн > 0.1×D×H окружная скорость жидкости в аппарате считается постоян-

ной: w = p×dм×n×vср, т.е. v(ri) = vср, а значение K1 определяется по формулам: K1 = 0.25 - 0.67×vср +0.5×vср2 – для мешалок с горизонтальными лопастями при ГD > 1.5;

K1 = (1 – vср)2 – для мешалок с вертикальными лопастями при ГD £ 1.5.

В этом случае уравнение (1.1) записывается относительно vср, а его корень уточняется внутри отрезка [0.001;2]. Известно его приближенное аналитическое решение:

Глубина воронки при Rвн > 0.1×D×H считается незначительной и не определяется, мощность перемешивания вычисляется по той же формуле, что и при Rвн ≤ 0.1×D×H, где KN = 4 ×zм×z×K1, а значение K1 рассчитывается через vср.

Номинальная мощность двигателя привода аппарата должна выбираться с учетом пусковых перегрузок Nп=Kп×N,

15

где коэффициент Kп принимает следующие значения:

-1.2 – для аппаратов с отражательными перегородками;

-1.3 – для аппаратов с другими внутренними устройствами;

-1.5 – для аппаратов без внутренних устройств и мешалок с горизонтальными лопастями при ГD > 1.5,

-2 – для аппаратов без внутренних устройств и мешалок с вертикальными ло-

пастями при ГD ≤ 1.5.

1.3Конструкции элементов приводов механических мешалок

Ваппаратах наиболее популярных конструкций привод осуществляется непосредственно от электродвигателя через редуктор или клиноременную передачу. Приводы мешалок обычно устанавливают на крышках аппаратов. Если аппарат футерован и вибрации недопустимы, то привод укрепляют над крышкой аппарата на специально изготовленной раме или кронштейне. Если на крышке сосуда или над ней места недостаточно, то привод располагают под сосудом. Это уменьшает необходимую длину вала, однако требует установки комплекса уплотнений, исключающе-

го утечки рабочей среды при вращении вала. Кроме электродвигателя и передаточного меха-

ские смещения, являющиеся следствием динамических нагрузок на вал от перемешиваемой среды. Особенно велика опасность динамических смещений, разрушающих подшипники и уплотнения, если вал не отбалансирован и в подшипниковых опорах имеется люфт d. В этом случае, см. рисунок 1.14, отклонение нижней точки вала от оси вращения можно определить из подобия треугольников: S = d×L/2×l, т.е. величина колебаний вала зависит от величины люфта d и отношения L/l.

Если не удается обеспечить выполнение условий виброустойчивости или жесткости консольного вала, то принимается решение об использовании однопролетного. Иногда, при больших частотах вращения, значительной массе вала и мешалок используют комбинированную схему вала – с двумя подшипниками качения в стойке и концевым подшипником скольжения.

Большинство мешалок представляют собой ступицу, к которой крепятся лопасти (сваркой или резьбовыми крепежными изделиями). Ступицы крепятся к валу с

дят в прорезь на конце вала и крепятся к ступице винтами. При конструировании мешалок учитываются условия их монтажа. Если аппарат небольшой (диаметром

единяют валы жестко по оси, применяются при n ≤ 250 об/мин. Муфта состоит из зубчатой обоймы, укрепленной на валу редуктора шпонкой и стопорным винтом, и

19

зубчатой втулки, посаженной на вал перемешивающего устройства с помощью шпонки. Зубья втулки входят во впадины обоймы.

В более скоростных приводах используют втулочно-пальцевые муфты (рисунок 1.19). Упругие втулки, надеваемые на отъемные пальцы, компенсируют небольшую несоосность валов и смягчают удары.

Уплотнения служат для герметизации аппаратов в месте прохода вала перемешивающего устройства через крышку. В зависимости от физико-химических характеристик перемешиваемых сред, требований производственной санитарии, техники безопасности и пожарной безопасности аппараты комплектуются сальниковыми, торцовыми и манжетными уплотнениями, гидрозатворами или имеют герметичный привод.

Нормалями НИИХИММАШа рекомендуется к изготовлению сальниковое

бронзы. Иногда сальник одновременно является опорой вала (подшипником скольжения). Тогда нажимная втулка снабжается устройством для подачи и распределения смазки, изготавливается из бронзы или имеет бронзовый вкладыш, зазор между втулкой и валом соответствует посадке скольжения. Для увеличения радиального усилия прижатия набивки к валу нижняя поверхность нажимной втулки и верхняя поверхность грундбуксы делаются конусными.

В качестве набивок чаще всего используются ФУМ, плетеный асбестовый шнур (сухой, пропитанный графитом, тальком или фторопластовой суспензией, с медной или алюминиевой проволокой внутри), просаленные хлопчатобумажные и пеньковые шнуры, войлочные кольца. С точки зрения химической стойкости и коэффициента трения лучшей набивкой является ФУМ, однако его применение ограничивает высокая твердость (при затяжке сальника требуются большие усилия) и высокая стоимость.

Сальниковые уплотнения применяются при давлениях в аппарате 0.6÷4 МПа, пропитанные набивки используются при температурах до 100 оС, ФУМ – до 250 оС,

20