ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ. И ОБОРУДОВАНИЯ

Перемешивающие устройства

В химической технологии перемешивание применяют для улуч­шения тепло - и массообмена, получения равномерных смесей несколь­ких жидкостей, жидкости и твердого тела, жидкости и газа. Хотя основ­ной задачей перемешивания в большинстве случаев является равномер­ное распределение вещества или температуры в перемешиваемом объе­ме, иногда задача перемешивания заключается в создании высоких ско­ростей среды около теплообменных поверхностей с целью интенсифи­кации теплообмена.

Способы перемешивания. Известны несколько видов перемешивания:

• механическое;

• циркуляционное;

• барботажное.

Барботажное перемешивание осуществляется путем барботажа инертного газа или газообразных веществ через жидкость.

Циркуляционное перемешивание происходит за счет больших ско­ростей движения (насосом). Это перемешивание целесообразно приме­нять в том случае, когда имеется необходимость отвода тепла через раз­витую поверхность теплообмена, т. е. через выносной теплообменник.

Механическое перемешивание в жидкой среде, а также в пастооб­разных и вязких материалах осуществляется с помощью мешалок, кото­рые по конструктивной форме, в зависимости от устройства лопастей, разделяются:

• на лопастные;

• листовые;

• якорные;

• рамные;

• турбинные;

• пропеллерные;

• специальные.

Все они (рис. 13.9) состоят из трех основных частей: вала, на котором за­креплена мешалка, мешалки, являющей­ся рабочим элементом, и привода, с по­мощью которого вал приводится в дви­жение за счет механической энергии.

В зависимости от числа оборотов мешалки условно делят на тихо­ходные и быстроходные. К тихоходным относят лопастные, рамные, якорные и листовые, имеющие скорость более 80... 100 об/мин. К быст­роходным - турбинные и пропеллерные.

При выборе типа мешалки и ее параметров учитывают требования технологического процесса, свойства жидкости, наличие осадков, форму аппарата и другие факторы. К сожалению, отсутствуют единые крите­рии для выбора мешалки. Обычно при этом руководствуются производ­ственным опытом или лабораторными исследованиями. В некоторой степени можно предложить следующие рекомендации.

Лопастные мешалки (рис. 13.9) применяются при перемешива­нии жидких неоднородных систем с вязкостью до 15 Па-с и плотностью до 2000 кг/м. Основные соотношения размеров для аппаратов с пло­ским днищем: dM = 0,7/9, h = 0,ЫМ, hM = 0,14dM.

По данным НИИХИММАША рекомендуются следующие пре­дельные значения окружных скоростей конца лопасти мешалки в зави­симости от вязкости среды:

Вязкость среды, Па-с........ 0,001.. .40 40.. .80 80... 150

Окружная скорость, м/с.... 3,0...2,0 2,5... 1,5 1,5... 1,0

При высоте сосуда, превышающей диаметр, или при перемешива­нии вязкой жидкости устанавливают несколько пар лопастей по высоте вала. При перемешивании очень вязких жидкостей на стенках сосуда ус­танавливают радиально расположенные перегородки, над которыми про­ходят лопасти-мешалки. При этом поток дробится и повышается эффек­тивность работы мешалки. Максимальный эффект турбулизации потока достигается при применении 4-х перегородок высотой (0,11...0,13)79, где D - диаметр аппарата. Перегородки препятствуют образованию цен­тральной воронки, а также увлечению жидкости вращающимися лопа­стями, что может привести и к прекращению эффекта перемешивания. Установка слишком длинных лопастей нерациональна, т. к. с возрастани­ем линейных размеров лопасти быстро растет потребляемая мощность.

Нормализованные диамет­ры мешалок от 700 до 2100 мм.

Недостатки таких мешалок - малая интенсивность переме­шивания и отсутствие значи­тельных вертикальных потоков, вследствие чего их не рекомен­дуется применять для взмучи­вания тяжелых осадков и рабо­ты с расслаивающимися жидкостями. Достоинство мешалок - они про­сты по конструкции, обеспечивают удовлетворительное перемешивание при работе с вязкими жидкостями, могут применяться в аппаратах зна­чительного объема.

Рамные мешалки представляют собой комбинацию лопастных мешалок с вертикальными и наклонными лопастями. Внешний вид та­ких мешалок показан на рис. 13.10. Эти мешалки применяются в тех же случаях, что и лопастные, а также при перемешивании значительных объемов вязких материалов. Нормализованные диаметры мешалок до 2520 мм. Эти мешалки используют в реакторах с большой емкостью (до 100 м3).

Якорные мешалки (рис. 13.11) по своей форме соответствуют со­суду, в котором они работают. Расстояние между лопастью и стенкой реактора обычно выбирают в пределах 25... 140 мм.

Якорные мешалки пред­назначены для перемешивания жидкостей вязкостью 300 Па-с и выше, особенно при нагрева­нии среды через стенку реакто­ра. Вследствие небольшого за­зора между лопастью и стенкой сосуда возникает сильное тур­булентное движение, препятст - Рис. 13.11. Якорные мешалки

вующее выпадению на стенках

осадка и перегреву среды. НИИХИММАШ рекомендует для якорных мешалок те же скорости, что и для лопастных. Следует отметить, что при перемешивании очень вязких жидкостей якорные мешалки снабжаются дополнительными вертикальными лопастями - пальцами.

Листовые мешалки применяют сравнительно редко, в основ­ном для маловязких жидкостей, при интенсификации теплообмена, взвешивании твердого вещества. Конструкция мешалки приведена на рис. 13.12.

Пропеллерные мешалки (рис. 13.13) представляют собой обыч­ный гребной винт с числом лопастей от двух до четырех.

При работе мешалки осуществляется интенсивная циркуляция жидкости с сильным вихреобразованием. Ее рекомендуют использовать для перемешивания сред вязкостью до 2 Па-с и плотностью до 2000 кг/м.

Окружную скорость мешалки рекомендуется выбирать в пределах 1,6...4,8 м/с. Чтобы избежать образования воронки, вал мешалки сме­щают по отношению к оси аппарата на величину до 0,25 либо устанав­ливают его с наклоном 10°.. .20° к оси сосуда.

Для трудно смешиваемых вязких жидкостей применяются мешал­ки, состоящие из 2-х пропеллеров, установленных на одном валу. Оба пропеллера толкают жидкость в одну сторону или навстречу друг другу. Нормализованные диаметры мешалок - от 300 до 700 мм.

Турбинные мешалки. Как уже отмечалось ранее, они относятся к быстроходным мешалкам. На рис. 13.14 приведены конструкции тур­бинных мешалок.

Эти мешалки работают по принципу центробежного насоса, т. е. всасывают жидкость в середину и за счет центробежной силы отбрасы­вают ее к периферии. Их делают открытыми и закрытыми. Закрытые мало отличаются по конструкции от колеса центробежного насоса и подразделяются, в свою очередь, на мешалки одностороннего и двусто­роннего всасывания. Открытая мешалка представляет диск с радиально расположенными лопатками. Они более просты по конструкции и по­этому чаще применяются в технике.

Турбинные мешалки обеспечивают весьма интенсивное переме­шивание. Их рекомендуют применять для интенсивного перемешивания жидкостей вязкостью до 450 Па-с и плотностью до 2000 кг/м. Окружная скорость концов лопастей 3...9 м/с, причем скорость мешалок с диамет­ром до 300 мм берется большей, чем при диаметре свыше 300 мм. Ниже приведена зависимость окружной скорости турбинной мешалки от вяз­кости среды:

Вязкость среды, Па-с............. 0,001...5 5... 15 15...25

Окружная скорость, м/с......... 7,0...4,2 4,2...3,4 3,4...2,3

Не рекомендуется их использовать в реакторах большой емкости. В аппаратах с турбинными мешалками обязательна установка отража­тельных перегородок. При отсутствии такой перегородки образуется глу­бокая воронка, иногда доходящая до основания мешалки, и перемешива­ние резко ухудшается (обычно устанавливают четыре перегородки).

Конструирование и изготовление мешалок. Мешалки изготав­ливают из различных металлических и неметаллических материалов, обладающих достаточной механической прочностью. Наиболее распро­странены сварные перемешивающие устройства, выполненные из леги­рованной стали. Мешалки сложной конструкции отливают из чугуна. В простейших конструкциях лопасти приваривают непосредственно к валу. Однако, как правило, рабочие элементы крепятся на валу с помо­щью разъемных соединений.

а б

Рис. 13.15. Крепление мешалок к ступице: а - стопорным винтом; б - торцевоіі гайкой

Обычно к ступице приваривают лопасти. Ступица крепится на ва­лу с помощью шпонки и стопорных устройств, препятствующих осево­му смещению. В случае установки мешалки в середине вала ее закреп­ляют стопорным винтом, как показано на рис. 13.15, а, при установке на конце вала - концевой гайкой (рис. 13.15, б).

При конструировании мешалок необходимо учитывать условия их монтажа. Мешалки небольших аппаратов (диаметр 1200 мм и менее) обычно собирают совместно с крышкой и вместе с ней устанавливают в реактор.

Мешалки для крупногабаритных аппаратов целесообразно делать разъемными из частей таких размеров, которые можно пронести через лаз аппарата. Это дает возможность разбирать мешалку при ремонтных и монтажных работах, не снимая крышку и привод. В цельносварных аппаратах мешалка обязательно должна быть разборной. Необходимо иметь в виду, что резьбовые соединения внутри химических реакторов работают в очень тяжелых условиях. Резьба легко загрязняется и корро­
дирует даже при действии слабых агрессивных сред. Поэтому во многих случаях части мешалок изготавливают из нержавеющей стали.

Открытые турбинные мешалки выполняют сварными. Лопасти приваривают к диску, который, в свою очередь, сварен со ступицей. Применение полимерных материалов для мешалок ограничено их низ­кой механической прочностью. Более распространены стальные мешал­ки, защищенные антикоррозионными покрытиями, или комбинирован­ные из стального вала и неметаллических лопастей.

Несколько слов о мешалках специальных типов. К ним относятся импеллерные мешалки, которые применяют для обеспечения хорошего контакта газа с жидкостью при одновременном интенсивном перемеши­вании. Вал мешалки помещен внутри трубы, по которой подается воздух под небольшим избыточным давлением. На мешалке имеется ряд лопа­стей, а на конце трубы установлен статор с лопастями. Наличие двух ря­дов лопастей - подвижного и неподвижного - обеспечивает хорошее пе­ремешивание жидкости и газа.

Приводы мешалок. Быстроходные мешалки при 400...500 об/мин и выше соединяются с электродвигателем через клиноременную переда­чу, а в некоторых случаях могут быть установлены и на одном валу с электродвигателем. Однако обычно привод осуществляется от электро­двигателя через редуктор. Приводы мешалок могут быть с конической, червячной, цилиндрической или планетарной передачей. Конические и червячные приводы имеют горизонтальный быстроходный вал, соеди­ненный с электродвигателем через муфту или клиноременную передачу.

Конические и особенно червячные приводы до недавнего времени широко применялись для аппаратов с мешалками. В настоящее время выпускают планетарные приводы. Они компактны, надежны в работе, имеют высокий КПД и работают в значительном диапазоне числа обо­ротов и мощностей. Но эти приводы не дают возможности изменять число оборотов мешалки во время работы, что является существенным их недостатком. Изменение числа оборотов мешалки необходимо во многих случаях: при изменении консистенции перемешиваемой массы, при отработке нового, еще неизученного процесса, а также когда режим перемешивания должен меняться во времени. Приводы мешалок во взрывоопасных цехах снабжают взрывобезопасными электродвигателя­ми. В помещениях, содержащих особо взрывоопасные вещества, уста­новка электродвигателей иногда вообще исключается. Двигатель прихо­дится выносить в соседнее взрывобезопасное помещение, передача осу­ществляется с помощью горизонтального вала, проходящего через сте­ну, разделяющую помещения. Вал в стене уплотняют сальниками. При­воды мешалок устанавливают на стойку, которую, в свою очередь, кре­
пят к аппарату, для чего к его крышке приваривают толстые пластины. Стойки делают чугунными или стальными, сварными.

Для улучшения работы вала мешалки устанавливают концевой подшипник (подпятник) или промежуточные подшипники в верхней части вала мешалки. С точки зрения распределения нагрузок наиболее рациональны приводы с концевыми подшипниками, однако во многих случаях из-за коррозионного или абразивного действия среды их нельзя использовать. Также в полимерной среде нельзя устанавливать подшип­ники.

Крутильные колебания вызывают износ подшипников и воздейст­вуют на сальник. Концевой подшипник устраняет крутильные колеба­ния, улучшая работу сальника и подшипников. Его применение необхо­димо при большой длине или высокой частоте вращения.

Расчет мешалок. Заключается в определении потребляемой мощ­ности, выборе двигателя, прочностном расчете мешалки и вала. Мощ­ность, потребляемая мешалкой,

N = KN-p - л3 Вт,

где Км - критерий мощности, величина которого выбирается по соответ­ствующим таблицам и номограммам в зависимости от типа мешалки и числа Рейнольдса; р - плотность жидкости, кг/м ; п - число оборотов мешалки об/с; dM - диаметр мешалки, м.

Мощность двигателя в кВт определяют из соотношения

где N - мощность, потребляемая мешалкой, кВт; Nc - потери на трение в сальнике, кВт; ц - КПД привода.

По величине Л/дв подбирают привод. Мощность, расходуемая на трение в сальнике для уплотнения с мягкой набивкой,

Nc=l,4Sf-n-d2M-l-p,

где /- коэффициент трения вала по мягкой набивке, равный 0,2; dM - диаметр вала, м; п - число оборотов мешалки; / - длина набивки, м; р - рабочее давление в аппарате, Па.

Лопасти мешалки рассчитывают на изгиб. Для лопастей прямо­угольной формы равнодействующая сил сопротивления приложена в точке, расстояние которой от оси

3 R4-r4 Г° ~ 4 R3 - г3 ’

где R - радиус лопасти, м; г - радиус ступицы, м.

Величина равнодействующей

р _ ^кр

r0z ’

где Мкр - крутящий момент на валу; z - число лопастей на валу.

Для наклонной лопасти (рис. 13.16) си­ла, действующая перпендикулярно плоскости лопасти, равна:

Р і =Р/ cosa,

где a - угол наклона лопасти.

Изгибающий момент определяется уравнением

Мтт=Р(г0~г)-

Момент сопротивления лопасти опре­деляют из условия прочности

w = Мтт

Отсюда толщина лопасти

lew

Имеется нормаль НИИХИММАШа для расчета мешалок на проч­ность.

13.3. Уплотнения вращающихся деталей

Для вывода вала мешалки из реактора используют специальные устройства - уплотнения. Наиболее широко в химической промышлен­ности применяются сальниковые и торцовые уплотнения. Уплотнения должны обеспечивать возможность свободного вращения вала мешал­ки и не пропускать наружу газы и пары, находящиеся в аппарате под давлением, или же не пропускать воздух в реактор, работающий под вакуумом.

Несмотря на то, что узел уплотнения занимает сравнительно не­большую часть реактора, от него зависит зачастую качество работы всей установки. Это относится к производствам с ядовитыми и взрывоопас­ными веществами и к аппаратам, работающим под вакуумом.

Сальники. В технике используют весьма разнообразные сальни­ки, однако, сальники обычных реакционных аппаратов по устройству однотипны. Они состоят из сальниковой коробки, нажимной втулки, грунд-буксы и уплотнительного материала. На рис. 13.17 показан типо­вой сальник.

Следует заметить, что чистота обработки вала под сальниковое уплотнение должна быть высокой. Назначение грунд-буксы - направ­лять вал мешалки, т. е. препятствовать его вибрации и колебаниям при вращении, а также поддерживать уплотнительный материал. Грунд - буксу изготавливают из мягкого металла, чтобы вал, соприкасающийся с ней, меньше снашивался.

Сальниковая коробка отливается из чугуна и прикрепляется шпильками к стальной крышке реактора. Если крышка аппарата выпол­нена из чугуна, то сальниковая коробка отливается вместе с крышкой. В сальниковую коробку вставляют бронзовую грунд-буксу и прочно ее закрепляют при помощи стопорного винта. Зазор между валом мешалки и сальниковой коробкой заполняется уплотняющей набивкой, в качестве которой применяют льняную плетенку, асбестовый шнур или хлопчато­бумажные шнуры круглого или квадратного сечения, пропитанные мас­лом, воском, синтетическими материалами или графитом.

При больших числах оборотов, высоких давлениях и температурах используют сальники с твердой набивкой, выполненной из разрезанных колец цветного металла, твердых пластмасс, прессованного графита или фторопласта-4.

Нажимная втулка крепится к сальниковой коробке посредством нескольких шпилек (обычно две или четыре). При наличии двух шпилек фланцы нажимной втулки имеют форму эллипса, а при четырех - форму окружности. Сальники обычно устанавливают на бобышках. Сальнико­вая коробка может находиться вне аппарата или быть утоплена внутрь.

Хотя сальник, утопленный в реакторе, и позволяет несколько уменьшить высоту привода, эту конструкцию нельзя признать удачной, так как обслуживание сальника затруднено. Особенно нежелательно применять такой сальник при высокой температуре в реакторе. При вы­сокой температуре среды или значительном выделении тепла за счет трения сальник охлаждается с помощью водяной рубашки.

Торцовые уплотнения. Они состоят из двух колец - подвижного и неподвижного, которые прижимаются друг к другу по торцовой по­верхности с помощью пружины. Торцовые уплотнения получают все более широкое распространение, потому что при нормальной работе не требуется их обслуживание (в отличие от сальников, в которых перио­дически необходимо менять набивку). Кроме того, правильно подобран­ные торцовые уплотнения отличаются большой износоустойчивостью и, следовательно, долговечностью. И последнее, они удовлетворительно работают при перекосах и биениях вала, тогда как сальниковая набивка иногда выходит из строя уже при биении вала 0,05 мм, обладают высо­кой герметичностью, и потери мощности составляют десятые доли по­терь в сальниках.

Самым ответственным элементом торцового уплотнения является пара трения. Качество уплотнения и надежность его работы зависят в основном от материала и качества обработки поверхностей трущихся колец. На рис. 13.18 приведена конструкция торцового уплотнения.

Смазка пары трения и охлаждение осуществляется проточной во­дой, циркулирующей в полости кожуха 4. Уловитель предохраняет об­рабатываемый продукт от попадания в него охлаждающей воды. Для одного кольца применяют материал на основе графита, а второе изго­товляют из термостойкой стали, бронзы или твердой резины. Для колец применяют фторопласт-4 или керамику (их недостаток - склонность к растрескиванию). По конструкции торцовые уплотнения могут быть одинарными и двойными. Недостатки торцовых уплотнений - высокая стоимость и сложность ремонта.

Бессальниковые приводы. В аппаратах высокого давления с бес­сальниковым приводом энергия передается на вал мешалки посредством вращающегося магнитного поля, развиваемого статором асинхронного электродвигателя. Вращающее магнитное поле, создаваемое статором, заставляет вращаться ротор, а вместе с ним и вал мешалки.