КР-Аппарат с мешалкой и трубой. Курсовая работа состоит из девяти разделов введение содержит описание технологического процесса перемешивания, аппаратов для этого применяемых
 Скачать 0.76 Mb.
|
|
3. Расчет рамной мешалки По рекомендациям, приведенным в табл. 9.1 [1], перемешивание при указанных условиях может быть обеспечено лопастной мешалкой. Выбираем трехлопастную мешалку. Согласно данным, представленным в табл. 9.4 [1], нормализованный реактор с номинальным объемом V=2,0 м3 имеет диаметр D=1400 мм, диаметр мешалки dм=1000 мм. Примем окружную скорость мешалки щ=2,5м/с (по табл. 9.1 [1]). В этом случае частота вращения мешалки: n=щ/(рdм)=2,5/(3,14*1)=0,796 с-1 В соответствии с этими данными по табл. 11 приложения [1] принимаем частоту вращения мешалки n=1,05 с-1. Для определения глубины воронки в сосуде найдем значения параметров Г и Reцб. При коэффициенте заполнения сосуда ц=0,75 высота уровня жидкости Hж=1,09 м (табл. 9.4 [1]). В этом случае: Г=8Hж/D+1=8*1,09/1,4+1=7,228 Критерий Рейнольдса при перемешивании: Reцб=n(dм)2сж/м=1,09*12*1004/0,0023=475808 Значение параметра ом=1,28 по табл. 9.1 [1], тогда: Е=Г/(омz(Reцб)0,25)=7,228/(1,28*1*4758080,25)=0,215 При этом значении по рис. 9.2 [1] находим В=15. Глубина воронки в сосуде без перегородок: hв=Вn2(dм)2/2=15*1,052*12/2=8,26 При установке мешалки согласно табл. 9.1 [1] на высоте h=0,5dм=0,5*1=0,5 м предельно допустимая глубина воронки: hпр=Нж-h=1,09-0,5=0,59 м. Так как расчетная глубина воронки hв=8,26 м намного превосходит hпр=0,59 м, в аппарате следует установить отражательные перегородки. Для выбора торцевого уплотнения рассчитаем предварительно диаметр вала мешалки: dв=С*dм=0,05*1=0,05 м. В соответствии с рекомендациями, приведенными в табл. 9.4 [1] принимаем диаметр вала dв=50 мм. По данным табл. 9.3 и условию задачи выбираем торцевое уплотнение ТСК (одинарное). Мощность, теряемая в торцевом уплотнении: Nуп=6020(dв)1,3=6020*0,051,3=123 Вт. По рис 9.3 [1] для рамной мешалки в аппарате с перегородками при Reцб=475808 находим значение критерия КN=0,3. В этом случае мощность, затрачиваемая на перемешивание: N=КNсn3(dм)5=0,3*1004*1,053*12=349 Вт. Для расчета мощности электродвигателя примем дополнительные условия: в аппарате установлена гильза термопары и труба передавливания, тогда Уki=2*1,2=2,4. Коэффициент высоты уровня жидкости в аппарате: kн=(Hж/D)0,5=(1,09/1)0,5=1,044 При этих данных получаем необходимую мощность: Nэ=(kпkнУkiN+Nуп)/з=(1,044*2,4*123+349)/0,85=773 Вт. По табл. 11 приложения [1] выбираем в качестве привода мешалки мотор-редуктор типа МПО-2 с мощностью электродвигателя N=0,75 кВт. При ежедневной работе число рабочих дней в году составит: Dр=286 дней. Расчет экономических критериев. Годовое число рабочих часов аппарата: h=Dр*tсм*ц=288*16*0,75=3456 часов. где tсм=16 часов – при двухсменной работе, ц=0,75 – коэффициент заполнения аппарата. Общее число рабочих часов в году: Нгод=365*24=8760 часов. Коэффициент использования аппарата: зисп=h/Hгод=3456/8740=0,395 Долговечность аппарата: D=зисп*H=0,395*10=3,95 года. где Н=10 лет – срок эксплуатации аппарата. Годовая производительность: Пд=V*8760*ц=2,0*8760*0,75=13140 м3/год. Годовой расход за электроэнергию: Эн=h*N*Сэн=3456*0,75*5=12960 тенге/год. где Сэн=5 тенге – стоимость одного кВТ энергии. Стоимость аппарата – С=120000 тенге Заработная плата одного рабочего – Тр=192000 тенге/год Годовая отдача: Qг=С*D=120000*3,95=474000 тенге Суммарный экономический эффект за период эксплуатации: Q=Qг-(Эн+Тр)=474000-(12960+192000)=269040 тенге/год Окупаемость: Нок=С/[зисп(Qг-(Эн+Тр)-С/D)]=120000/[0,395(269040-120000/3,95)]=1,27 года Рентабельность: q=Qг/(Эн+Тр)=474000/(12960+192000)=2,31 Расчет критериев развития конструкции. Критерий долговечности: Dд=D/зрем=3,95/0,75=5,267 где зрем=0,75 – критерий ремонтосложности Критерий расхода материалов: Км=G/Q=630/269040=2,34*10-3 Критерий расхода энергии: Кэ=Эн/(DNСэн)=12960/(3,95*0,75*5)=874,9 Критерий габаритных размеров: Кг=V/G=2,0/630=0,00317 Критерий трудоемкости изготовления: Кт=С/Q=120000/269040=0,446 Критерий использования материала: х=V/(Dn) =2,0/(5,26*50)=0,0101 Критерий экологичности: Кэ=(Sн-Sк)/S=(12-5,5)/1,9=3,42 Полученные данные и коэффициенты занесем в сводную таблицу №2. Расчет турбинной мешалки По рекомендациям, приведенным в табл. 9.1 [1], перемешивание при указанных условиях может быть обеспечено лопастной мешалкой. Выбираем трехлопастную мешалку. Согласно данным, представленным в табл. 9.4 [1], нормализованный реактор с номинальным объемом V=2,0 м3 имеет диаметр D=1400 мм, диаметр мешалки dм=1000 мм. Примем окружную скорость мешалки щ=6м/с (по табл. 9.1 [1]). В этом случае частота вращения мешалки: n=щ/(рdм)=6/(3,14*1)=1,91 с-1 В соответствии с этими данными по табл. 11 приложения [1] принимаем частоту вращения мешалки n=2,08 с-1. Для определения глубины воронки в сосуде найдем значения параметров Г и Reцб. При коэффициенте заполнения сосуда ц=0,75 высота уровня жидкости Hж=1,09 м (табл. 9.4 [1]). В этом случае: Г=8Hж/D+1=8*1,09/1,4+1=7,228 Критерий Рейнольдса при перемешивании: Reцб=n(dм)2сж/м=2,08*12*1004/0,0023=907963 Значение параметра ом=8,4 по табл. 9.1 [1], тогда: Е=Г/(омz(Reцб)0,25)=7,228/(8,4*1*9079630,25)=0,028 При этом значении по рис. 9.2 [1] находим В=7,5. Глубина воронки в сосуде без перегородок: hв=Вn2(dм)2/2=7,5*2,082*12/2=16,224 При установке мешалки согласно табл. 9.1 [1] на высоте h=0,5dм=0,5*1=0,5 м предельно допустимая глубина воронки: hпр=Нж-h=1,09-0,5=0,59 м. Так как расчетная глубина воронки hв=16,224 м намного превосходит hпр=0,59 м, в аппарате следует установить отражательные перегородки. Для выбора торцевого уплотнения рассчитаем предварительно диаметр вала мешалки: dв=С*dм=0,117*1=0,117 м. В соответствии с рекомендациями, приведенными в табл. 9.4 [1] принимаем диаметр вала dв=130 мм. По данным табл. 9.3 и условию задачи выбираем торцевое уплотнение ТСК (одинарное). Мощность, теряемая в торцевом уплотнении: Nуп=6020(dв)1,3=6020*0,131,3=424 Вт. По рис 9.3 [1] для турбинной мешалки в аппарате с перегородками при Reцб=475808 находим значение критерия КN=1. В этом случае мощность, затрачиваемая на перемешивание: N=КNсn3(dм)5=1*1004*2,083*12=9034 Вт. Для расчета мощности электродвигателя примем дополнительные условия: в аппарате установлена гильза термопары и труба передавливания, тогда Уki=2*1,2=2,4. Коэффициент высоты уровня жидкости в аппарате: kн=(Hж/D)0,5=(1,09/1)0,5=1,044 При этих данных получаем необходимую мощность: Nэ=(kпkнУkiN+Nуп)/з=(1,044*2,4*424+9034)/0,85=11878 Вт. По табл. 11 приложения [1] выбираем в качестве привода мешалки мотор-редуктор типа МПО-2 с мощностью электродвигателя N=132 кВт. При ежедневной работе число рабочих дней в году составит: Dр=286 дней. Расчет экономических критериев Годовое число рабочих часов аппарата: h=Dр*tсм*ц=288*16*0,75=3456 часов. где tсм=16 часов – при двухсменной работе, ц=0,75 – коэффициент заполнения аппарата. Общее число рабочих часов в году: Нгод=365*24=8760 часов. Коэффициент использования аппарата: зисп=h/Hгод=3456/8740=0,395 Долговечность аппарата: D=зисп*H=0,395*10=3,95 года. где Н=10 лет – срок эксплуатации аппарата. Годовая производительность: Пд=V*8760*ц=2,0*8760*0,75=13140 м3/год. Годовой расход за электроэнергию: Эн=h*N*Сэн=3456*132*5=2,2*106 тенге/год. где Сэн=5 тенге – стоимость одного кВТ энергии. Стоимость аппарата – С=140000 тенге Заработная плата одного рабочего – Тр=192000 тенге/год Годовая отдача: Qг=С*D=140000*3,95=553000 тенге Суммарный экономический эффект за период эксплуатации: Q=Qг-(Эн+Тр)=553000-(2,2*106+192000)=-1,83*106 тенге/год Рентабельность: исходя из наших данных и условий процесса, данная конструкция мешалки при применении к нашему процессу нерентабельна. Расчет критериев развития конструкции. Критерий долговечности: Dд=D/зрем=3,95/0,8=4,94 где зрем=0,8 – критерий ремонтосложности Критерий расхода материалов: Км=G/Q=680/1,83*106=3,71*10-3 Критерий расхода энергии: Кэ=Эн/(DNСэн)=2,2*106/(3,95*132*5)=843,8 Критерий габаритных размеров: Кг=V/G=2,0/680=0,00294 Критерий использования материала: х=V/(Dn) =2,0/(4,94*50)=0,0101 Критерий экологичности: Кэ=(Sн-Sк)/S=(12-4,5)/1,9=3,95 Полученные данные и коэффициенты занесем в сводную таблицу №2. Расчет пропеллерной мешалки По рекомендациям приведенным в табл. 9.1 [1], перемешивание при указанных условиях может быть обеспечено лопастной мешалкой. Выбираем трехлопастную мешалку. Согласно данным, представленным в табл. 9.4 [1], нормализованный реактор с номинальным объемом V=2,0 м3 имеет диаметр D=1400 мм, диаметр мешалки dм=1000 мм. Примем окружную скорость мешалки щ=5м/с (по табл. 9.1 [1]). В этом случае частота вращения мешалки: n=щ/(рdм)=5/(3,14*1)=1,592 с-1 В соответствии с этими данными по табл. 11 приложения [1] принимаем частоту вращения мешалки n=1,67 с-1. Для определения глубины воронки в сосуде найдем значения параметров Г и Reцб. При коэффициенте заполнения сосуда ц=0,75 высота уровня жидкости Hж=1,09 м (табл. 9.4 [1]). В этом случае: Г=8Hж/D+1=8*1,09/1,4+1=7,228 Критерий Рейнольдса при перемешивании: Reцб=n(dм)2сж/м=1,67*12*1004/0,0023=728991 Значение параметра ом=0,56 по табл. 9.1 [1], тогда: Е=Г/(омz(Reцб)0,25)=7,228/(0,56*1*7289910,25)=0,441 При этом значении по рис. 9.2 [1] находим В=5,2. Глубина воронки в сосуде без перегородок: hв=Вn2(dм)2/2=5,2*1,052*12/2=2,82 При установке мешалки согласно табл. 9.1 [1] на высоте h=0,5dм=0,5*1=0,5 м предельно допустимая глубина воронки: hпр=Нж-h=1,09-0,5=0,59 м. Так как расчетная глубина воронки hв=2,82 м намного превосходит hпр=0,59 м, в аппарате следует установить отражательные перегородки. Для выбора торцевого уплотнения рассчитаем предварительно диаметр вала мешалки: dв=С*dм=0,116*1=0,116 м. В соответствии с рекомендациями, приведенными в табл. 9.4 [1] принимаем диаметр вала dв=110 мм. По данным табл. 9.3 и условию задачи выбираем торцевое уплотнение ТСК (одинарное). Мощность, теряемая в торцевом уплотнении: Nуп=6020(dв)1,3=6020*0,111,3=342 Вт. По рис 9.3 [1] для трехлопастной мешалки в аппарате с перегородками при Reцб=718991 находим значение критерия КN=0,2. В этом случае мощность, затрачиваемая на перемешивание: N=КNсn3(dм)5=0,2*1004*1,673*12=935 Вт. Для расчета мощности электродвигателя примем дополнительные условия: в аппарате установлена гильза термопары и труба передавливания, тогда Уki=2*1,2=2,4. Коэффициент высоты уровня жидкости в аппарате: kн=(Hж/D)0,5=(1,09/1)0,5=1,044 При этих данных получаем необходимую мощность: Nэ=(kпkнУkiN+Nуп)/з=(1,044*2,4*342+935)/0,85=2069 Вт. По табл. 11 приложения [1] выбираем в качестве привода мешалки мотор-редуктор типа МПО-2 с мощностью электродвигателя N=3 кВт. При ежедневной работе число рабочих дней в году составит: Dр=286 дней. Расчет экономических критериев Годовое число рабочих часов аппарата: h=Dр*tсм*ц=288*16*0,75=3456 часов. где tсм=16 часов – при двухсменной работе, ц=0,75 – коэффициент заполнения аппарата. Общее число рабочих часов в году: Нгод=365*24=8760 часов. Коэффициент использования аппарата: зисп=h/Hгод=3456/8740=0,395 Долговечность аппарата: D=зисп*H=0,395*10=3,95 года. где Н=10 лет – срок эксплуатации аппарата. Годовая производительность: Пд=V*8760*ц=2,0*8760*0,75=13140 м3/год. Годовой расход за электроэнергию: Эн=h*N*Сэн=3456*3*5=51840 тенге/год. где Сэн=5 тенге – стоимость одного кВТ энергии. Стоимость аппарата – С=140000 тенге Заработная плата одного рабочего – Тр=192000 тенге/год Годовая отдача: Qг=С*D=140000*3,95=553000 тенге Суммарный экономический эффект за период эксплуатации: Q=Qг-(Эн+Тр)=553000-(51840+192000)=309160 тенге/год Окупаемость: Нок=С/[зисп(Qг-(Эн+Тр)-С/D)]=140000/[0,395(309160-140000/3,95)]=1,29 года Рентабельность: q=Qг/(Эн+Тр)=553000/(51840+192000)=2,27 Расчет критериев развития конструкции. Критерий долговечности: Dд=D/зрем=3,95/0,8=4,94 где зрем=0,8 – критерий ремонтосложности Критерий расхода материалов: Км=G/Q=620/309160=2*10-4 Критерий расхода энергии: Кэ=Эн/(DNСэн)=51840/(3,95*3*5)=874,9 Критерий габаритных размеров: Кг=V/G=2,0/620=0,00322 Критерий трудоемкости изготовления: Кт=С/Q=140000/309160=0,453 Критерий использования материала: х=V/(Dn) =2,0/(4,94*50)=0,008 Критерий экологичности: Кэ=(Sн-Sк)/S=(12-6)/1,9=3,16 Полученные данные и коэффициенты занесем в сводную таблицу №2. 4.Анализ, выбор и обоснование оптимального варианта конструкции Таблица 2(а). Технические данные мешалок
Таблица 2(б). Экономические критерии аппарата
Исходя, из вычисленных экономических критериев следует, что для использования в наших условиях наиболее подходит лопастная мешалка. Произведем сравнение конструкций по критериям окупаемости и рентабельности. Итак, окупаемость лопастной, якорной, рамной, турбинной и пропеллерной мешалок, соответственно, составляет: 1,67; 1,27; 1,27; и для пропеллерной мешалки – 1,29 года. Конструкция турбинной мешалки является наиболее дорогостоящей, а ее расход электроэнергии настолько велик, что окупаемость данной конструкции практически равна нулю. Следовательно, оценивая, по десятибалльной системе конструкции 1-5 получаем, следующие рейтинги: лопастная – 7 баллов, якорная и рамная – 10 баллов, турбинная – 0, пропеллерная -9. Оценивая, по десятибалльной системе, рентабельность конструкций 1-5 получим: для лопастной мешалки – 10 баллов, для рамной и якорной – 6 баллов, для турбинной – 0, для пропеллерной – 7. Суммируя, количество баллов по экономическим показателям получим, что наибольший балл набрала лопастная мешалка – 17. Таблица 2(в). Критерии развития конструкции
Оценивая критерии развития конструкции лопастной, якорной, рамной, турбинной и пропеллерной мешалок получим, что по критерию долговечности наибольший балл 10 получает лопастная мешалка, якорная и рамная – 8 баллов, турбинная и пропеллерная – 6 баллов. Оценивая критерий расхода материалов, получим, что наименьшее количество материалов пойдет на изготовление лопастной мешалки. Исходя из критерия габаритных размеров, наибольший балл 10 получает лопастная мешалка, якорная -9 баллов, рамная -9, турбинная – 8 баллов, пропеллерная -8. По критерию трудоемкости изготовления: лопастная мешалка -10 баллов, якорная и рамная - 8 баллов, турбинная и пропеллерная – 6. Критерии расхода электроэнергии, использования материалов и экологичности у всех видов конструкций практически одинаковы.
Проведя сравнительный анализ конструкций мешалок, мы получили, что оптимальной конструкцией является конструкция лопастной мешалки. Описание конструкции После предварительных расчетов мы установили, что наиболее подходящей конструкцией мешалок является лопастная. Лопастные мешалки отличаются простой конструкцией и низкой стоимостью изготовления. Они обеспечивают вполне удовлетворительное перемешивание жидкостей с умеренной вязкостью. Наиболее просты по устройству мешалки с плоскими лопастями из полосовой или угловой стали, установленными перпендикулярно или наклонно к направлению их движения (рис.7). Частота вращения таких мешалок колеблется от 18 до 80 об/мин; при увеличении частоты вращения выше указанной эффективность перемешивания резко снижается. Диаметр лопастей составляет 0,7 диаметра сосуда, в котором работает мешалка. Мешалка состоит из отдельных нормализованных элементов: сосуда с теплообменной рубашкой, перемешивающего устройства, привода перемешивающего устройства, трубы передавливания, термопары. Объем сосуда равен 2м3, коэффициент заполнения -0,75. Теплообменная рубашка необходима для поддержания постоянной температуры в реакторе, так как большинство процессов перемешивания происходит с выделением тепла, то на необходимо нормализовать температуру. Перемешивающее устройство представляет собой металлические пластины, прикрепленные с двух сторон к сварной ступице. Термопары необходимы для контроля температур. Привод перемешивающего устройства: вал, на котором закреплена мешалка, посредством муфты соединен с выходным валом редуктора. В качестве привода к данному аппарату выбран моноблочный мотор-редуктор, с жестким соединением валов мотора-редуктора и мешалки. Одним из основных элементов аппарата для перешивания в жидких средах является его корпус, в котором осуществляется процесс перемешивания. Он с помощью опор-лап устанавливается на фундаменте. На крышке корпуса имеются плоские фланцы для присоединения уплотнений и привода, а также ряд патрубков, предназначенных для подвода среды к аппарату и отвода готового продукта от аппарата, для установки приборов контроля за ведением процесса и его управлением. Вал мешалки представляет собой элемент конструкции, предназначенный для передачи момента от мотора-редуктора к мешалке. В нижней консольной части валов имеется монтажная втулка, предназначенная для удержания вала при его монтаже. Труба передавливания. Трубой передавливания называется устройство, состоящее из фланца, укрепленного на одном из патрубков крышки корпуса, и фигурной трубы, опущенной внутрь корпуса, нижний срез которой установлен на минимальном расстоянии от наиболее низкой точки корпуса. Труба передавливания служит для непрерывной или периодической выгрузки перемешиваемой среды из аппарата. Выгрузка перемешиваемого продукта через Трубу передавливания обычно осуществляется путем создания перепада давления между срезом трубы на входе в нее и патрубком на выходе. При включении электродвигателя вал с закрепленной на нем мешалкой начинает вращаться. При вращении лопастей мешалки в аппарате создаются тангенсальные потоки жидкости. При тангенсальном течении жидкость в аппарате движется преимущественно по концентрическим окружностям, параллельным плоскости вращения мешалки. Перемешивание происходит за счет вихрей, возникающих на кромках мешалки. Качество перемешивания будет наихудшим, когда скорость вращения жидкости равна скорости в ращения мешалки. Перемешивание в данном аппарате происходит в турбулентном режиме. Это связано с тем, что при увеличении числа оборотов мешалки возрастает сопротивление среды вращению мешалки, вызванное турбулизацией пограничного слоя и образованием турбулентно кормового следа в пространстве за движущимися лопастями. К недостаткам мешалок этого типа следует отнести низкое насосное действие мешалки (слабый осевой поток), не обеспечивающее достаточно полного перемешивания во всем объеме аппарата. Вследствие незначительности осевого потока лопастные мешалки перемешивают только те слои жидкости, которые находятся в непосредственной близости от лопастей мешалки. Развитие турбулентности в объеме перемешиваемой жидкости происходит медленно, циркуляция жидкости невелика. Поэтому лопастные мешалки применяют для перемешивания жидкостей, вязкость которых не превышает 0,01 кг/(м-с). |