4. Расчётная часть
4.1 Расчёт микрофильтрационной установки
Исходные данные: расход концентрируемого раствора - ;
начальная концентрация дрожжевых клеток в пиве - ;
концентрация дрожжевых клеток в пиве после концентрирования
раствора - ;
содержание дрожжевых клеток в пермеате не должно превышать ;
размер дрожжевых клеток: 9-112-3 мкм.
4.1.1 Выбор схемы проведения процесса разделения
Принципиально существуют два способа проведения процессов мембранного разделения - тупиковый и проточный.
Тупиковый используют редко, в основном на патронных мембранных элементах, хотя при введении регенерации мембран с помощью гидравлического удара обратным током пермеата со сбросом порции загрязнений из аппарата такой способ возможен и в других случаях.
При организации проточного процесса необходимо учитывать следующие обстоятельства:
по длине аппарата объемный расход разделяемого потока уменьшается за счет оттока пермеата. Пропорционально уменьшается линейная скорость жидкости вдоль мембраны и усиливается влияние КП;
по длине аппарата концентрация задерживаемых мембраной компонентов растет, пропорционально повышается и концентрация их в пермеате;
по длине аппарата давление над мембраной падает из-за гидравлического сопротивления в напорном канале, соответственно снижается движущая сила процесса;
глубокое концентрирование раствора требует каскадной схемы соединения аппаратов;
глубокая очистка раствора требует многоступенчатой схемы соединения аппаратов.
В проточных схемах используют две конфигурации потоков - прямоточную и циркуляционную в соответствии с рисунком 4.1
а - прямоточная; б - циркуляционная
Рисунок 4.1 - Принципиальная схема установок
В прямоточной установке разделяемая смесь однократно проходит через напорный канал мембранного аппарата (или аппаратов, если их несколько), в циркуляционном - многократно, для чего предусмотрен специальный циркуляционный контур с насосом. Циркуляционные установки применяются, когда крайне необходимо обеспечить высокую скорость потока в напорном канале (например, чтобы не происходило образование геля на мембране в процессе ультрафильтрации).
В циркуляционной схеме необходимая скорость потока достигается за счет циркуляционного насоса, установленного на обводной линии. Условно такая схема ближе к аппаратам идеального смешения. Основным для учета здесь является обстоятельство №2 - рост концентрации. Фактически во всем объеме циркуляционного контура находится концентрат, что понижает эффективность очистки пермеата.
В проектируемой мембранной системе будем использовать проточную схему осуществления процесса с циркуляционным контуром. Такая схема позволит обеспечить высокие скорости проведения процесса, что снизит негативное влияние концентрационной поляризации и избежать образования гелевых слоёв.
4.1.2 Выбор рабочих параметров процесса разделения
4.1.2.1 Температура.
С повышением температуры разделяемого раствора селективность мембран изменяется мало, а удельная производительность увеличивается в первом приближении обратно пропорционально вязкости пермеата (в том диапазоне температур, где мембраны не разрушаются от термических воздействий). Однако с повышением температуры возрастает скорость гидролиза полимерных материалов и сокращается срок службы мембран. Учитывая это, а также то, что использование теплообменников усложняет и удорожает процесс, мембранный процесс целесообразно проводить при температуре окружающей среды (обычно 20 - 25 °C). В тех случаях, когда технологический раствор, подвергаемый разделению, уже имеет повышенную температуру, экономически оправдана работа при температурах выше 25 °C.
4.1.2.2 Рабочее давление.
С увеличением перепада рабочего давления через мембрану возрастает движущая сила процесса и увеличивается удельная производительность мембран. Однако под действием давления полимерные мембраны подвергаются уплотнению, которое при достижении некоторого уровня, зависящего от структуры мембраны, может нейтрализовать эффект, связанный с повышением движущей силы. Кроме того, при высоких давлениях мембраны быстрее загрязняются находящимися в растворе микрочастицами, поскольку в этих условиях загрязняющим частицам легче внедриться в поры мембраны, а на поверхности мембраны образуется более плотный осадок задержанных микрочастиц, поэтому рекомендуемый перепад давления при проведении процесса микрофильтрации составляет порядка 0,05 - 0,15 МПа. Принимаем значение рабочего перепада давления равным 0,1 МПа.
4.1.2.3 Уровень pH среды.
Значения pH смещаются в сторону кислых или щелочных сред, что ускоряет гидролиз полимерных мембран. Особенно следует обратить внимание на значение pH моющих и дезинфицирующих растворов, т.к возможно растворение мембран. При микрофильтрации высокомолекулярных соединений верхний предел концентрации определяется значениями, при которых может начаться образование гелеобразного осадка на поверхности мембраны, или же концентрацией, при которой проницаемость становится неприемлемо низкой из-за чрезмерного возрастания вязкости разделяемого раствора.
В случае использования полимерных мембран рабочий интервал концентраций часто ограничивается значениями pH, которые не должны выходить за пределы 3 < pH < 8.
4.1.3 Выбор мембраны и определение её основных параметров
При выборе мембраны следует исходить из того что, что она должна обладать максимальной удельной производительностью при селективности, обеспечивающей выполнение требований к качеству пермеата (соответствие санитарным нормам, допустимым потерям растворённого вещества и т.д.). Кроме того, мембрана должна обладать высокой химической стойкостью по отношение к разделяемому раствору.
Определение истинной селективности производится по графику зависимости истинной селективности мембраны от отношения . График построен для интервала , в котором селективность имеет большие значения, обычно удовлетворяющее условиям разделения. Примем допущение, что в рабочем диапазоне концентраций разделяемого раствора истинная селективность остаётся постоянной.
Тогда критерий пригодности мембраны, т.е. минимальная допустимая её селективность по задерживаемому веществу, можно определить с помощью уравнения
. (4.1)
В качестве разделяющей принимаем полиамидную мембрану ММК 9, изготовленную из капрона. Для выбранной мембраны , что удовлетворяет условию .
.
Техническая характеристика мембраны ММК9
|
Средний диаметр пор, мкм
|
3
|
|
Производительность по дистиллированной воде
при p=0,05 МПа,
|
150…300
|
|
Производитель
|
ЗАО НТП "Владипор"
|
|
|
|
|
Для определения значения истинной селективности воспользуемся графиком, изображённым на рисунке 4.2
Из графика следует, что истинная селективность мембраны: . Условие пригодности мембраны выполняется, так как истинная селективность выбранной мембраны больше минимально допустимой.
Определяем удельную производительность мембраны по разделяемому раствору. Для этого сначала определяем удельную производительность мембраны по чистой воде:
, (4.2)
где константа проницаемости мембраны по воде, принимается по технической характеристике мембраны; , принимаем
;
- рабочий перепад давлений, МПа, .
.
Рисунок 4.2 - Зависимость истинной селективности мембраны от отношения диаметра молекул к диаметру пор
Основным фактором, снижающим удельную производительность, является повышение вязкости. Кинематическая вязкость пива при составляет ; плотность раствора [7]. Тогда динамическая вязкость раствора
. (4.3)
.
Кинематическая вязкость воды при той же температуре ; плотность [7]. Динамическая вязкость воды
. (4.4)
.
Тогда удельная производительность мембраны по разделяемому раствору
. (4.5)
.
4.1.4 Технологический расчёт мембранного аппарата
Определяем расход пермеата в первом приближении:
, (4.6)
где расход раствора на разделение, кг/с,
;
расход концентрата, кг/с;
селективность мембраны,
.
Определяем потребную площадь мембран по формуле
. (4.7)
.
По производительности по пермеату производим выбор мембранного модуля, . Принимаем мембранный модуль на основе полых волокон Syn+ 100.
Техническая характеристика мембранного модуля Syn+ 100
|
Производительность по фильтрату,
|
0,012-0,05
|
|
Внутренний диаметр, мм
|
200
|
|
Площадь поверхности мембран,
|
1,8
|
|
Производитель
|
Фирма "HELBIO"
|
|
|
|
|
Определим количество мембранных модулей :
, (4.8)
.
где площадь поверхности мембран одного модуля, принимается по паспортным характеристикам модуля, , .
Количество мембранных модулей в одном аппарате принимаем равным , тогда количество мембранных аппаратов в установке
. (4.9)
.
4.1.5 Уточнённый технологический расчёт мембранного аппарата
Проведём уточнённый технологический расчёт мембранного аппарата с учётом технологической схемы проведения процесса микрофильтрации.
Для создания высоких скоростей потока в схему установки включается циркуляционный насос, обладающий высокой подачей, но сравнительно небольшим напором, требуемым лишь для преодоления гидравлического сопротивления напорного канала.
Схема установки с циркуляционным контуром показана на рисунке 4.3
Принимаем величину кратности циркуляции r равной 0,7. Система имеет один циркуляционный контур. Схема работает следующим образом.
Исходный раствор с объёмным расходом и концентрацией подаётся насосом высокого давления на вход мембранного аппарат. Перед входом в аппарат к исходному раствору добавляется циркулирующий поток с расходом .
Рисунок 4.3 - Схема установки с циркуляционным контуром
После смешения образуется раствор с расходом и концентрацией , который поступает в аппарат, где происходит его концентрирование до концентрации . При этом образуется пермеат с расходом и концентрацией . Из аппарата раствор выходит с расходом и концентрацией . Часть его выводится из установки в виде концентрата с расходом , другая часть направляется циркуляционным насосом на смешение с исходным раствором.
Выход пермеата и концентрата, кг/с, в такой установке определяем по уравнениям:
; (4.10)
.
; (4.11)
.
Потребная площадь мембраны , , составляет:
. (4.12)
.
Окончательно принимаем выбранный ранее мембранный модуль и определяем их требуемое число:
; (4.13)
.
4.1.6 Учёт влияния концентрационной поляризации
Определим наблюдаемую селективность выбранной мембраны с учётом явления концентрационной поляризации по уравнению
, (4.14)
где - коэффициент массоотдачи, м/с,
- удельная производительность, рассчитанная по уравнениям переноса с учетом КП, м/с.
Коэффициент массоотдачи находят из диффузионного критерия Нуссельта , отсюда
, (4.15)
где - диаметр канала, м;
D - коэффициент диффузии, , принимаем коэффициент диффузии для дрожжевых клеток
.
.
Критерий Рейнольдса
. (4.16)
.
Так как критерий Рейнольдса , то значение можно рассчитать по уравнению:
, (4.17)
где коэффициент, учитывающий отношение : при
[8].
.
Тогда из уравнения (4.14) наблюдаемая селективность
. (4.18)
.
Величина КП определяется из выражения:
. (4.19)
.
4.2 Расчёт гидравлического сопротивления мембранной установки
Расчет гидравлического сопротивления прежде всего необходим для нахождения давления, которое должен развивать насос для подачи раствора в мембранный аппарат, и последующего выбора насоса. Кроме того, от гидравлического сопротивления зависит фактическая величина избыточного давления в аппарате, а ее нужно знать при механических расчетах (определение толщины стенок корпуса, фланцев и т.п.), при оценке возможного уплотнения мембран, в ряде случаев - для корректировки величины удельной производительности и селективности мембран.
Развиваемое насосом давление определяется по формуле
, (4.20)
где рабочий перепад давления через мембрану, ;
гидравлическое сопротивление потоку разделяемого раствора в аппарате, МПа;
гидравлическое сопротивление потоку пермеата в дренаже, МПа;
потери давления на трения по длине и в местных сопротивлениях в трубопроводах и арматуре, МПа;
потери давления, связанные с подъёмом жидкости на определённую геометрическую высоту, МПа.
Определяем каждую составляющую уравнения (4.20).
Гидравлическое сопротивление напорного канала . Расчёт проводим из условия, что разделяемый раствор подаётся внутрь волокон, а пермеат выводится из межволоконного пространства; выход пермеата - односторонний. Для расчёта данного вида сопротивления зададимся сперва геометрическими размерами волоконных мембранных элементов. Принимаем:
внутренний диаметр элемента ;
длина капилляра ;
поверхность фильтрования одного капилляра
.
Число элементов в модуле определим, разделив площадь фильтровальной поверхности модуля на площадь поверхности одного элемента
.
Определяем линейную скорость раствора внутри капилляра, м/с
, (4.21)
Здесь
. (4.22)
.
.
Гидравлическое сопротивление определяем по формуле
. (4.23)
.
Гидравлическое сопротивление потоку пермеата в дренаже . Определение гидравлического сопротивления в нашем случае проводится по формуле
. (4.24)
.
Потери давления по длине трубопровода и в местных сопротивлениях . Принимаем скорость движения жидкости для всасывающего и нагнетательного трубопровода . Тогда внутренний диаметр трубопровода d
, (4.25)
где - расход пива, поступающего на мембранную обработку, , .
.
Полученное значение внутреннего диаметра округляем до ближайшей стандартной величины по ГОСТ 8732-78 для стальных бесшовных горячедеформированных труб: [8].
Определим характер течения жидкости в трубопроводе по формуле (4.16)
.
т.е. режим течения жидкости турбулентный. Примем величину абсолютной шероховатости равной для новых стальных труб [8].
Определяем величину относительной шероховатости труб
. (4.26)
.
Для выбора расчётной зависимости для нахождения коэффициента вычисляем следующие отношения:
;
;
,
т. е .
Таким образом в трубопроводе имеет место смешанное трение, и расчёт проводим по формуле
. (4.27)
.
Определяем значения коэффициентов местных сопротивлений . На всасывающей линии имеются следующие виды местных сопротивлений:
вход в трубу с острыми краями: [8] ;
колено с углом : при внутреннем диаметре [8] ;
вентиль нормальный при полном открытии: при внутреннем диаметре [8] ;
выход из трубы: [8].
На нагнетательной линии имеются следующие виды местных сопротивлений: вход в трубу с острыми краями: [8] ;
колено с углом : при внутреннем диаметре [8] ;
вентиль нормальный при полном открытии: при внутреннем диаметре [8] ;
выход из трубы: [8].
Тогда
Принимаем длину трубопровода равной .
Тогда потери давления определяем по формуле
. (4.28)
.
Потери давления, связанные с подъёмом на геометрическую высоту . Принимаем геометрическую высоту подъёма жидкости равной . Тогда потери давления равны
. (4.29)
.
Тогда давление, развиваемое насосом, будет равно
.
4.3 Подбор вспомогательного оборудования
4.3.1 Подбор насоса
Определяем потребный напор насоса , м. вод. Ст
. (4.30)
Такой напор при заданной производительности обеспечивается одноступенчатыми центробежными насосами. Учитывая широкое распространение этих насосов в промышленности ввиду достаточно высокого КПД, компактности и удобства комбинирования с электродвигателями, выбираем для последующего рассмотрения именно эти насосы.
Определяем полезную мощность насоса , кВт
. (4.31)
.
Принимая КПД насоса , найдём мощность на валу двигателя, кВт:
. (4.32)
.
Заданной подаче и напору более всего соответствует центробежный насос марки СД 32/40б, для которого при оптимальных условиях работы:
производительность насоса, ;
напор, м вод. ст;
частота вращения вала, ;
тип электродвигателя АИР 112МВ6/950;
мощность двигателя, кВт ;
габаритные размеры насоса, мм .
Определим предельную высоту всасывания для выбранного насоса. Рассчитаем сперва запас напора на кавитацию , м
. (4.33)
.
По таблицам давлений насыщенного водяного пара найдём, что при давление насыщенного водяного пара [7]. Примем, что атмосферное давление равно , а диаметр всасывающего патрубка равен диаметру трубопровода. Тогда предельная высота всасывания равна
(4.34)
где потер напора во всасывающей линии, м:
, (4.35)
здесь - длина всасывающей линии, м, принимаем ;
сумма коэффициентов сопротивления на линии всасывания:
. (4.36)
.
.
Таким образом, расположение насоса на высоте 1 м над уровнем воды в ёмкости вполне возможно.
4.3.2 Подбор циркуляционного насоса
Определяем значения коэффициентов местных сопротивлений . На всасывающей линии имеются следующие виды местных сопротивлений:
вход в трубу с острыми краями: [8] ;
три колена с углом : при внутреннем диаметре [8] ;
вентиль нормальный при полном открытии: при внутреннем диаметре [8] ;
выход из трубы: [8].
На нагнетательной линии имеются следующие виды местных сопротивлений: вход в трубу с острыми краями: [8] ;
четыре колена с углом : при внутреннем диаметре [8] ;
выход из трубы: [8].
Тогда
Принимаем длину трубопровода равной .
Тогда потери давления, МПа, определяем по формуле (4.27)
.
Принимаем геометрическую высоту подъёма жидкости равной . Тогда потери давления, связанные с подъёмом жидкости на геометрическую высоту, МПа, определяются по формуле (4.28)
.
Тогда давление, развиваемое насосом, МПа, будет равно
.
Требуемая производительность насоса циркуляции определяется кратности циркуляции. Для разрабатываемой установки кратность циркуляции составляет 0,7, тогда требуемая производительность насоса, , равна
.
Определяем потребный напор насоса , м. вод. ст., по формуле (4.30)
Определяем полезную мощность насоса , кВт, по формуле (4.31)
.
Принимая КПД насоса , найдём мощность на валу двигателя, кВт, по выражению (4.32):
.
Заданной подаче и напору более всего соответствует центробежный насос марки СД 16/10б, для которого при оптимальных условиях работы:
производительность насоса, ;
напор, м вод. ст;
частота вращения вала, ;
тип электродвигателя 4А156В4Е3;
мощность двигателя, кВт .
4.3.3 Подбор ёмкостного оборудования и определение геометрических параметров
Для хранения рекуперированного пива принимаем цилиндрическую вертикальную форму ёмкости с эллиптическим днищем. Ёмкость снабжена: нижними сливами, штуцерами для заполнения, люками-лазами для осмотра и чистки, штуцерами для размещения приборов (уровнемеров и термометров). Ёмкость устанавливается на ровной площадке.
Объём жидкости в ёмкости, , определяется из уравнения
, (4.37)
где - время пребывания жидкости в ёмкости, ч., принимаем .
Геометрический объём жидкости больше рабочего на 10-15%, т.е. объём ёмкости:
.
Исходные данные для расчёта оптимальных геометрических размеров корпуса ёмкости:
объём аппарата V, ;
внутреннее давление в аппарате, МПа;
материал корпуса - листовой прокат из стали 10;
рабочая температура ,;
коэффициент прочности сварных швов ;
прибавка к расчётной толщине стенки , мм.
Из условия минимальных затрат материала на изготовление определим оптимальные размеры и массу корпуса аппарата с эллиптической крышкой и днищем.
Определим допускаемое напряжение, МПа
, (4.38)
где допускаемое напряжение стали Х18Н10Т при расчётной температуре, МПа, при [12] ;
принимаем , так как материал - листовой прокат.
.
Приведенное давление, МПа
. (4.39)
.
Оптимальный диаметр аппарата , мм, определяем по номограмме [12]. Соединив на номограмме точку с точкой прямой, найдём, что . Полученное значение диаметра аппарата является стандартным.
Длина цилиндрической части, м
. (4.40)
.
Внутренняя высота эллиптической части днища (крышки), м
. (4.41), .
Суммарная длина аппарата, м
. (4.42)
.
Комплекс
. (4.43)
.
Масса корпуса аппарата, кг
, (4.44)
где плотность для стали Х18Н10Т, ,
4.4 Расчёты, подтверждающие работоспособность изделия
4.4.1 Расчёт стенки цилиндрической обечайки
Стенка обечайки аппарата находится под действием внутреннего избыточного давления в соответствии с рисунком 4.4. При определении расчётной длины обечайки длина примыкающего элемента , м, определяется по формуле для выпуклых днищ.
, (4.45)
где внутренняя высота выпуклой части днища, м, .
.
Рисунок 4.4 - Расчётная схема аппарата
Тогда расчётная длина обечайки , м
. (4.46)
.
Расчётную температуру примем равной температуре обрабатываемой среды t ();
расчётное внутреннее давление , МПа - равным сумме рабочего давления в микрофильтрационном аппарате P и веса жидкости, находящейся в аппарате
,
здесь вес жидкости, находящейся в аппарате, МПа; ввиду незначительности дополнительной нагрузки на стенку обечайки со стороны веса обрабатываемой среды при определении толщины стенки аппарата эту нагрузку учитывать не будем, т.е. .
Модуль упругости для стали Х18Н10Т при температуре .
Допускаемое напряжение, МПа в рабочем состоянии
, (4.47)
где допускаемое напряжение стали Х18Н10Т при расчётной температуре, МПа, при [11] ;
.
при гидравлическом испытании
, (4.48)
где предел текучести стали Х18Н10Т, МПа, при [11].
.
Коэффициент запаса устойчивости:
в рабочем состоянии ;
при испытании .
Определим расчётные коэффициенты:
; (4.49)
.
; (4.50)
находится по номограмме [11].
.
Расчётная толщина обечайки корпуса в первом приближении
. (4.51)
.
. (4.52)
.
Критическая длина обечайки
. (4.53)
.
Определим, к какому типу обечаек относится рассчитываемая из следующего условия:
если расчётная длина , то обечайка является длинной;
если короткой.
Так как 0,805<1,05, следовательно, обечайка короткая. Такие обечайки теряют устойчивость с образованием трёх, четырёх и более волн смятия.
Допускаемое внутреннее давление из условия прочности:
при рабочих условиях
. (4.54)
.
при испытании ,
. (4.55)
.
Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости, МПа:
в рабочих условиях
. (4.56)
где расчётный коэффициент, определяемый
. (4.57)
;
при испытаниях
. (4.58)
.
Допускаемое внутреннее давление с учётом условий прочности и устойчивости, МПа:
в рабочем состоянии
. (4.59)
при испытаниях
. (4.60)
.
Рассчитаем давление при гидравлических испытаниях (при )
, (4.61)
где допускаемое напряжение для стали Х18Н10Т, при температуре [11].
.
Проверим условия устойчивости обечайки:
в рабочих условиях (0,1<0,91);
при испытаниях (0,2<4,93).
Таким образом, условие устойчивости при гидравлических испытаниях выполняется.
4.4.2 Расчёт днища аппарата
Исходные данные:
расчётная температура днища равна температуре обрабатываемой среды ;
расчётное давление равно рабочему давлению в аппарате, ;
расчётный диаметр равен диаметру обечайки ;
материал - сталь Х18Н10Т;
давление гидравлического испытания рассчитано выше .
Расчет производим для эллиптического днища.
Расчётная толщина днища
, (4.62), где ;
предел текучести стали Х18Н10Т, МПа, при [11].
.
Исполнительная толщина стенки
. (4.63), .
Допускаемое давление, МПа
в рабочем состоянии
. (4.64)
;
при испытаниях
. (4.65)
.
Условия прочности и в рабочих условиях и при испытаниях выполняются:
0,1<1,96; 0,2<2,7.
4.4.3 Расчёт фланцевого соединения
Определим основные геометрические размеры фланцевого соединения мембранного аппарата для очистки продукта, проведем расчет на прочность и герметичность соединения, работающего под внутренним давлением. При этом будем использовать следующие данные:
Внутренний диаметр аппарата D, мм202
Толщина стенки корпуса S, мм4
Внутреннее давление в аппарате Р, МПа0,1
Рабочая температура t, 0С25
Прибавка к расчетной толщине стенки С, мм1
Коэффициент прочности сварных швов 0,9
Материал фланцевого соединения Сталь Х18Н9Т
Материал болтового соединения Сталь 35Х
4.4.3.1 Определение конструктивных размеров фланца
При рабочем давлении равном 0,1 МПа будем применять плоские приварные фланцы.
Толщина втулки фланца, мм, изображённого на рисунке 4.5 в соответствии с рекомендациями
, т.е. . Принимаем .
Высота втулки фланца, мм:
. (4.66)
.
Принимаем .
Рисунок 4.5 - Конструкция плоского приварного фланца
Диаметр болтовой окружности фланцев, мм:
(4.67)
где нормативный зазор между гайкой и обечайкой, мм, ;
наружный диаметр болта, выбираемый в зависимости от диаметра аппарата и рабочего давления в аппарате, мм: при и ; принимаем [11].
.
Принимаем .
Наружный диаметр фланца, мм:
(4.68)
где конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца, мм: для шестигранных гаек и [11].
.
Наружный диаметр прокладки, мм
, (4.69)
где нормативный параметр, зависящий от типа прокладки, мм: для плоских прокладок и [11].
.
Средний диаметр прокладки, мм
, (4.70)
где ширина прокладки, мм: при ширина плоской неметаллической прокладки ; принимаем [11].
.
Количество болтов, необходимое для обеспечения герметичности соединения:
, (4.71)
где шаг расположения болтов, выбираемый в зависимости от давления, м: при , принимаем
.
.
Принимаем .
Высота (толщина) фланца ориентировочно, м:
, (4.72)
где коэффициент: [11] ;
эквивалентная толщина втулки фланца, м:
, (4.73)
здесь коэффициент: при и [11].
.
.
Принимаем .
4.4.3.2 Расчёт на герметичность фланцевого соединения
Расчёт сводится к определению нагрузок при монтаже - и в рабочих условиях - .
Определим нагрузки, действующие на фланец, как показано на рисунке 4.6 Равнодействующая внутреннего давления, МН
. (4.74)
.
Реакция прокладки, МН
, (4.75)
где эффективная ширина прокладки, м: при [11] ;
коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки: для резиновой прокладки с твёрдостью от 0,76 до 1,2 МПа[11].
.
Усилие, МН, возникающее от температурных деформаций, определяется по формуле:
, (4.76)
где соответственно коэффициенты линейного расширения материала фланца и болтов, : для фланцев, изготовленных из стали 35Х, при , для болтов, изготовленных из стали 35Х, при той же рабочей температуре [11] ;
соответственно температура фланца и болтов, : ,
[11] ;
соответственно податливости болтов, прокладки и фланца, определяются по формулам, :
Рисунок 4.6 - Схема нагрузок, действующих на фланец
, (4.77)
где модуль упругости материала болтов, МПа: [11] ;
площадь поперечного сечения болта, : при [11] ;
расчётная длина болта, м:
, (4.78)
где расстояние между опорными поверхностями головки болта и гайки, мм
,
здесь толщина прокладки, мм, принимаем ; диаметр отверстия под болт, [11] ;
.
.
, (4.79)
где коэффициент обжатия прокладки, для прокладки из резины принимаем ;
модуль упругости материала прокладки, МПа
. (4.80)
.
.
, (4.81)
где безразмерные параметры
; (4.82)
. (4.83)
.
;
.
коэффициенты, определяемые по формулам
; (4.84), .
; (4.85), .
модуль упругости материала фланца, МПа: [11].
Коэффициент жёсткости фланцевого соединения
. (4.86)
Болтовая нагрузка в условиях монтажа до подачи внутреннего давления, МН:
, (4.87)
где внешняя осевая растягивающая (+) или сжимающая (-) сила, Н, - в нашем случае;
внешний изгибающий момент, М=0;
минимальное давление обжатия прокладки, МПа: [11].
.
Болтовая нагрузка в рабочих условиях
. (4.88)
.
Приведенный изгибающий момент,
(4.89)
Условие прочности болтов:
; (4.90)
,
следовательно, условие прочности выполняется.
; (4.91)
,
следовательно, условие прочности выполняется.
Проверим условие прочности неметаллических прокладок
, (4.92)
где ;
- допускаемое давление на прокладку, МПа, [11].
,
следовательно, условие прочности прокладки выполняется.
Максимальное напряжение в сечении, ограниченное размером , МПа:
, (4.93)
где [11] ;
коэффициент: при и
[11].
.
Максимальное окружное напряжение в кольце фланца, МПа
. (4.94)
Напряжение во втулке от внутреннего давления, МПа
Тангенциальное
; (4.95)
;
Меридиональное
. (4.96)
.
Проверим условие прочности для сечения фланца:
, (4.97), где
при .
,
что меньше , следовательно, условие прочности выполняется.
Проверить условие герметичности фланцевого соединения по углу поворота фланца
, (4.98)
где допускаемый угол поворота фланца, рад, принимаемый для плоских приварных фланцев равным 0,013 рад [11].
,
что меньше 0,013, следовательно, условие герметичности фланцевого соединения выполняется.
4.4.3.3 Определение усилия затяжки фланцевых болтов
Выбираем максимальный момент затяжки в зависимости от диаметра болта: при диаметре болта 16 мм момент затяжки равен . Усилие затяжки, Н, определяем из формулы
, (4.99), откуда , (4.100)
где коэффициент, зависящий от вида покрытия болта, для болта без покрытия .
.
5. Технология изготовления основных деталей изделия
5.1 Технология изготовления фланцев
В качестве заготовок для изготовления фланцев используют поковки, штамповки, профильный прокат, бандажные и сварные заготовки. При выборе способа получения заготовки для фланца необходимо учитывать материал и габаритные размеры фланца, размеры сечения обода, коэффициент использования металла, трудоёмкость изготовления и другие факторы.
При штамповке фланцев на молотах обеспечиваются высокая производительность, точность размеров заготовок, в результате чего значительно уменьшается отход металла в стружку и снижается трудоёмкость обработки. Штамповка на кривошипных горячештамповочных прессах имеет ряд преимуществ перед штамповкой на молотах: повышается производительность труда и точность исполнения размеров поковки, увеличивается коэффициент использования металла в результате уменьшения штамповочных уклонов, уменьшается расход электроэнергии и улучшаются условия труда ...........
|
Гибку с последующей сваркой выгодно применять в том случае, когда сечение обода фланца относительно небольшое и когда материал фланца обладает хорошей свариваемостью.
При получении заготовок ковкой с последующей прокаткой на кольцепрокатном стане большая степень проработки материала фланца во всех направлениях, отсутствие сварного шва, сравнительно высокий коэффициент использования металла являются основными достоинствами этого способа изготовления заготовок для фланцев.
Получение заготовок, сваренных из отдельных секторов, применяют, как правило, для фланцев больших размеров, изготовляемых из проката большой толщины (более 40 мм) или из марок сталей, на которые отсутствует стандартный профильный прокат.
5.2 Технология изготовления эллиптичеких днищ
Днища можно изготовлять штамповкой на прессах, методом обкатки роликами, электрогидравлической и электромагнитной штамповкой, ручным выдавливанием на станках и ручной выколоткой. Наибольшее распространение в промышленности находят два первых способа изготовления днищ.
Любой технологический процесс изготовления днищ состоит из трёх групп операций: изготовление заготовок; формования; завершающих операций. Формование эллиптических днищ производят как из холодных, так и горячих заготовок. Горячее формование, как правило, применяют в том случае, если недостаточной является мощность оборудования или заготовка днища имеет склонность к складкообразованию в процессе формования.
1 - подставка; 2 - кольцо-матрица; 3 - прижим; 4 - пуансон; 5 - пуансонодержатель; 6 - заготовка днища
Рисунок. 5.1 - Унифицированный штамп для штамповки днищ
Формование днищ методом штамповки на прессах в соответствии с рисунком 5.1 производится следующим образом: заготовка с помощью транспортёра подаётся в нагревательную печь для равномерного нагрева до требуемой температуры. Нагретая заготовка специальными захватами извлекается из печи и подаётся на транспортёр, с помощью которого транспортируется к штампу, находящемуся под прессом. Затем заготовку устанавливают на протяжное кольцо и штампуют, как правило, за одну операцию.
В процессе штамповки нагретая заготовка быстро охлаждается и, сокращая свои размеры, напрессовывается на пуансон. Для облегчения съёма отштампованного днища пуансон, предназначенный для горячей штамповки, выполняется из двух частей: грибка и формирующего кольца. Заготовка снимается при ходе пуансона вверх.
Формование днищ методом обкатки заготовок роликами осуществляют из холодных и горячих заготовок. При формовании днищ методом обкатки роликами холодных заготовок предварительно из плоской заготовки штампуют выпуклую часть днища на прессе.
Рисунок 5.2 - Схема процесса изготовления днищ методом обкатки на машине "Болдрини"
В отечественной промышленности для формования днищ методом обкатки роликами наибольшее применение нашла машина фирмы "Болдрини", изображённая ни рисунке 5.2.
Предварительно отштампованную выпуклую заготовку устанавливают центральным отверстием на ось 17, а затем перемещением тележки 15 - на определённое расстояние (соответствующее диаметру готового днища) относительно формующего ролика 12. Затем положение заготовки фиксируется прижимом пневмоцилиндра 4. Заготовку для уменьшения вибраций поджимают двумя ведущими роликами 13. В результате вращения формующего ролика 12 заготовка 14 вращается против часовой стрелки, а нажимной (формующий) ролик 11 постепенно формует профиль отбортованной части днища, обкатывая металл заготовки днища по профилю ролика 12. После окончания процесса обкатки проверяют размеры днища без снятия его с машины. Для снятия готового днища от него отводят ролики 13, 12, 11, поднимают пневмоцилиндр 4 вверх, после чего нижняя тележка вместе с днищем перемещается в крайнее левое положение для беспрепятственного снятия днища с помощью грузоподъёмных средств.
Завершающие операции предусматривают разметку днищ для подрезки торца и разметку отверстий, подрезку торца, обработку отверстий, термообработку, очистку поверхностей, контроль и клеймение днища.
5.3 Изготовление обечайки
Наиболее часто для изготовления обечаек используются двухвалковые листогибочные машины.
1 - гибочный упор; 2 - верхний валок; 3 - изгибаемый лист; 4 - стол; 5 - нижний валок; 6 - нижний валок; 7 - верхний валок; 8 - изгибаемый лист; 9 - упругое покрытие - полиуретан, а - с гибочным упором; б - с упругим покрытием нижнего валка
Рисунок 5.3 - Схема изготовления обечаек
На рисунке 6.3 изображена схема получения цилиндрической обечайки на двухвалковой машине. Упругим покрытием валка является полиуретан, толщина слоя которого должна обеспечивать необходимую величину деформации листовой заготовки при нажатии на неё верхним стальным валком. Верхний валок является сменным для получения обечаек различных диаметров.
Двухвалковые машины имеют следующие преимущества: простота конструкции; высокая производительность; отсутствие порчи поверхности при гибке; гибка листов различных толщин без регулировки валков; получение цилиндрической заготовки за один проход с подгибом кромок без специальных приспособлений и устройств; высокая точность получаемого изделия.
6. Монтаж, эксплуатация и ремонт микрофильтрационной установки
6.1 Аппарат микрофильтрационный
6.1.1 Порядок монтажа установки
Монтаж установки осуществляет завод-потребитель при участии завода-изготовителя.
Установку необходимо устанавливать в производственных помещениях на фундаменте, выставив по уровню и закрепив на анкерных болтах М16 (16 шт). Монтаж установки осуществляется в следующей последовательности:
1) согласно схеме гидравлической и сборочному чертежу установить снятые при транспортировке части установки;
2) подключить установку к сети исходной воды, к сети технологического оборудования;
3) заземлить установку;
4) соединить силовой шкаф электрической связью с источником электроэнергии.
6.1.2 Подготовка к пуску
Произвести внешний осмотр установки. Убедиться, что все трубопроводы и составные части установки находятся в исправном состоянии и надёжно соединены. Подготовка к пуску осуществляется в следующей последовательности:
1) проверить наличие и надёжность заземления;
2) проверить, открыты ли вентили;
3) проверить расположение установки (задатчика граничных значений) на реле давления;
4) заполнить насос водой согласно "Руководству по монтажу и эксплуатации" насосов СД Рыбницкого насосного завода;
5) проверить подключение установки к источнику электроэнергии;
6) включить тумблер "Сеть" силового пульта;
7) произвести программирование электронного контроллера согласно "Руководству по монтажу и эксплуатации" в соответствии с требованиями производства;
8) нажать кнопку "ON" электронного контроллера, после чего начнёт открываться кран с электроприводом. Открывание крана происходит в течение ?55сек., после чего включится насос;
9) проверить наличие течей в системе трубопроводов. Если они имеются, отключить установку клавишей "OFF" на контроллере, отключить тумблер "Сеть" на пульте силовом; устранить течи;
10) вентилями установить необходимый расход концентрата и фильтрата.
Проверка срабатывания блокировок производится при первом пуске, а в дальнейшем 1 раз в год.
|
Скачать 147.5 Kb.