CC BY
203ПРИНЦИП ВЫБОРА ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИХ АППАРАТОВ Хрюкин М.Б.
Хрюкин Михаил Борисович - бакалавр, студент, кафедра технической механики, Воронежский государственный университет инженерных технологий, г. Воронеж
Аннотация: в статье рассмотрены устройство и принцип работы перемешивающих аппаратов. Приведены особенности выбора параметров и размеров, используемых при проектировании мешалки.
Ключевые слова: перемешивающие аппараты, мешалки, основные размеры.
Перемешивание - один из наиболее распространенных процессов технологии химической и нефтехимической промышленности. Аппараты с перемешивающими устройствами используются для проведения разнородных технологических процессов. А значит вопрос создания мешалки с правильно подобранными параметрами является актуальным.
Традиционный вид оборудования для перемешивания- вертикальный цилиндрический аппарат с мешалкой (рис. 1), ось вращения которой совпадает с осью корпуса аппарата. Объем аппаратов с механическими мешалками составляет от 10 дм3 до 2000 м3.
Рис. 1. Аппарат с механической мешалкой: 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; 14 - вал; 15 - опорная лапа
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 Оо перемешивающие устройства подразделяются на две категории:
1) мешалки с вертикальными лопастями (якорные, рамные), которые принято использовать для перемешивания жидкостей повышенной вязкости при значениях О0 = 1,05...1,5;
2) мешалки с горизонтальными лопастями (лопастные, турбинные и другие), используемые при значениях Оо > 1,5.
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 (йв) и потребляемую мощность (М). При отрицательном ответе на этот вопрос возникает задача выбора оптимальной конструкции перемешивающего устройства. Эта задача актуальна для любых производств, где вертикальные емкостные аппараты в разные периоды эксплуатации могут входить в состав различных технологических систем и использоваться для осуществления разных процессов.
Методики расчета мешалок основаны на том, что при установившемся режиме течения жидкости должны выполняться условия равновесия всех приложенных к системе сил и моментов. При вращательном движении жидкости относительно оси аппарата условие равновесия моментов выражается в форме равенства крутящего момента, приложенного к жидкости при движении лопастей мешалки, и момента сопротивления на стенках, днище аппарата и установленных в сосуде внутренних устройствах. Такой подход обеспечивает возможность использования единых расчетных зависимостей для аппаратов с мешалками разных типов. В качестве исходных данных для расчета используются конструктивные характеристики аппарата с мешалкой, физические свойства перемешиваемой среды.
К числу основных параметров конструкции механического перемешивающего устройства вертикального емкостного аппарата относятся:
- тип мешалки, расчётной характеристикой которого является коэффициент её гидравлического сопротивления (£);
- число идентичных мешалок на валу перемешивающего устройства ^м);
- диаметр мешалок ^м);
- частота вращения вала перемешивающего устройства (п);
- диаметр вала перемешивающего устройства
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
пс1м
йец = ~ (1)
превышает 1000 [1]. Здесь V - кинематическая вязкость перемешиваемой среды, м2/с.
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 [2]. Профиль окружной скорости жидкости, перемешиваемой механическими мешалками в вертикальном емкостном аппарате, представлен на рис. 2.
Рис. 2. Профиль окружной скорости перемешиваемой среды: и - окружная скорость жидкости; г - текущий радиус; гт - радиус максимума окружной скорости; Б - 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 Лвн 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 меридиональная циркуляция.
Гидродинамический расчёт аппаратов с механическими мешалками включает расчёт затрат мощности на перемешивание и определение параметров, характеризующих эффективность перемешивания конкретной среды [4]. Методики расчёта различны в зависимости от соотношения значений Лвн и значения произведения 0,1БН: при Лвн < 0,1БН, когда осевая и радиальная составляющие скорости потока существенно меньше окружной, в качестве гидродинамической основы расчёта используется параметр профиля окружной скорости перемешиваемой среды а при Лвн > 0,1БН расчёт основан на использовании относительного осреднённого значения окружной скорости потока иср.
Для расчёта необходимы следующие исходные данные:
1. Конструктивные параметры аппарата: внутренний диаметр Б; высота заполнения аппарата рабочей средой без перемешивания Н.
2. Параметры перемешивающего устройства (табл. 1): тип мешалки (коэффициент её сопротивления £); коэффициент расхода мешалки кх, число мешалок на валу гм, диаметр мешалки dм; частота вращения вала мешалки п.
Таблица 1. Основные характеристики наиболее распространённых мешалок
Тип мешалки Рекомендуемые значения во =ОШм Коэффициент сопротивления ^ Коэффициент расхода &2
Лопастная 1,5 - 2,5 0,88 0,0013
Трёхлопастная (пропеллерная) 3 - 6 0,56 0,0028
Турбинная 3 - 6 8,4 0,0013
Якорная 1,15 - 1,5 1,28 0,0013
Рамная 1,1 - 1,3 1,28 0,033
Фрезерная 3 - 6 1,5 0,002
3. Параметры установленных в аппарате внутренних устройств: число внутренних устройств коэффициенты их гидравлического сопротивления С/, / = 1, ..., геометрические размеры каждого внутреннего устройства; радиусы расположения их вертикальных осей в аппарате г/, / = 1, ...,
4. Физические характеристики перемешиваемой среды: плотность р; кинематическая V или динамическая ц вязкость; средний диаметр взвешенных частиц; массовая или объёмная концентрация компонентов среды.
На вал предполагается установка нескольких мешалок, если отношение высоты заполнения аппарата (Н) к диаметру аппарата (Б) превышает 1,3, а именно:
1 о
—> 1,3 - условие установки на вал нескольких мешалок.
В случае установки на вал нескольких мешалок, предполагается установка одинаковых мешалок, с расстоянием между ними не менее диаметра мешалки.
Также, для нормальной работы перемешивающего аппарата, высота воронки не должна превышать разности высоты заполнения аппарата и высоты установки мешалки: Н - Им > Ьв.
Таким образом, установка дополнительных устройств, выбор типа мешалки, ее размеров, предполагает анализ и воспроизведение процесса перемешивания, при котором будут соблюдаться благоприятные условия для эффективной работы аппарата.
Список литературы
1. РД 26- 01- 90- 85 «Механические перемешивающие устройства».
2. Карпушкин С.В., Краснянский М.Н., Борисенко А.Б. Расчеты и выбор механических перемешивающих устройств вертикальных емкостных аппаратов. ТГТУ, 2009.
3. Беляев В.М., Миронов В.М., Тихонов В.В. Расчет и конструирование основного оборудования отрасли, Часть 1. ТПУ, 2008.
4. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Машиностроение. Л., 1970.
