Смесители

5 Смесители. Аппараты с перемешивающими устройствами являются широко распространенным видом оборудования, используемого в химической технологии для проведения различных физических и химических процессов. Свойства конечных продуктов и изделий в большой степени определяется качеством смешения компонентов исходных продуктов. Выбор аппаратов для смешения и их конструктивные особенности определяются характеристикой процесса, свойствами перемешиваемой среды, производительностью технологической линии, температурой и давлением, при котором процесс осуществляется. Такое многообразие факторов затрудняет задачу оптимального проектирования аппаратов. Решение этой задачи требует значения гидродинамических, физических и химических механизмов процесса, зависит от наличия конструкционных материалов, степени разработки стандартных конструктивных решений и от возможности расчета нестандартных конструкций. 5.1. Процесс смешивания. Классификация смесителей. Смешение – такой механический процесс, в результате которого первоначально находящиеся раздельно компоненты преобразуются в систему неупорядочным статистически – случайным распределением. В зависимости от механизма процесса смешения различают – простое и диспергирующее смешение. Простое смешение – процесс, при котором увеличивается вероятность распределения частиц компонентов без изменения их размеров. Диспергирующее смешение – процесс, при котором происходит как уменьшение размеров частиц, так и увеличивается вероятность их распределения. Многие процессы простого смешения основаны на явлении молекулярной диффузии. При без диффузионном смешении частицы движутся под действием различных внешних сил. Если основными компонентами являются газы или маловязкие жидкости, находящиеся в турбулентном режиме движения, процесс смешения протекает быстро и называется турбулентным смешением. При перемешивании высоковязких жидкостей ( растворы и расплавы полимеров ) турбулентности не возникает, процесс протекает при низких числах Рейнольдса и называется ламинарным смешением. Классификация смесителей. Смесители – машины и аппараты, предназначенные для смешения компонентов исходных материалов. 1. По конструктивным признакам: а) без перемешивающих устройств; б) с перемешивающими устройствами (лопастные, ленточные, центробежные, шнековые, валковые, червячные и др.). 2. По физическому состоянию исходных компонентов: а) исходные компоненты – твердые вещества; б) твердое вещество и высоковязкая жидкость; в) твердое вещество и низковязкая жидкость; г) высоковязкие жидкости ( 2 и более ); д) низковязкие жидкости ( 2 и более ). 3. По характеру процесса смешивания: а) периодического действия; б) непрерывного действия. 4. По частоте вращения перемешивающего устройства: а) тихоходные; б) быстроходные. 5. По механизму процесса смешивания: а) с диффузионным смешиванием; б) с конвективным смешиванием; в) с диффузионно-конвективным смешиванием. 6. По режиму работы: а) турбулентный; б) ламинарный. 7. По силовому воздействию: а) пневматические; б) электромагнитные; в) гравитационные; г) центробежные; д) сдвиговые. 1 Требования, предъявляемые к смесителям: 1) высокое качество смеси; 2) кратковременность пребывания материала в смесителе; 3) обеспечение полной выгрузки и самоочистки. На процесс смешивания основное влияние оказывают следующие факторы: 1) конструкция смесителя; 2) состояние и концентрация компонентов смеси; 3) технологический режим процесса смешения. При выборе смесителя следует учитывать продолжительность смешения, емкость смесителя и потребляемую энергию. Экспериментально определяются удельные энергозатраты смесителя: N уд .  P t m 5.1 где Р – потребляемая мощность, t – время смешения, m – масса одной загрузки смесителя. Фактор смешения – ηсм см  N1 уд . N 2 уд .  P1t1  m2 m1  P2 t 2 5.2 выбирается смеситель, у которого меньше Nуд., при этом учитывается возможность очистки, необходимое количество операторов, стоимость. 5.2. Смешение сыпучих материалов. Смешение сыпучих материалов складывается из следующих элементарных процессов: 1) перемещения группы соседних частиц из одного положения в другое (конвективного смешения); 2) перераспределение частиц через обновленную границу их раздела (диффузионного смешения); 3) скольжение плоскостей в массе материала (сдвигового смешения); 4) сосредоточение частиц, имеющих одинаковую массу, в соответствующих местах смесителя под действием гравитационных или инерционных сил (сегрегация). Механизм смешения определяется конструкцией смесителя, которые могут быть периодического и непрерывного действия. По конструктивному исполнению смесители могут быть следующих основных типов. 5.2.1. Барабанные смесители. Могут быть без перемешивающих устройств и с перемешивающими устройствами. Барабанные смесители представляют собой корпус цилиндрической или какой-либо формы, вращающийся на валу или на опорных роликах. Внутри барабана могут устанавливаться различные устройства (ребра, полки и т.п.) для лучшего смешения материала. Материал загружается внутрь корпуса и смешение происходит за счет вращения барабана. Загрузка и выгрузка материала производится через люки или с помощью шнека. а) горизонтального типа в) с осью вращения, не совпадающей с осью барабана (пьяная бочка) б) наклонного типа г) бионический 2 д) V – образный (угловой) е) с подъемными полками Рис. 5.1. Схемы барабанных смесителей Барабанные смесители просты по устройству, в основном периодического действия, пригодны для смешения сухих порошкообразных материалов и требуют значительного времени смешения. Качество смешения в барабанных смесителях зависит от частоты вращения барабана: Качество смешения n б опт nб При вращении барабана частицы материала под действием центробежных сил прижимаются к внутренним поверхностям барабана, обрушиваются и снова вовлекаются в движение. При некоторой оптимальной частоте вращения эффективность смешивания и его качество максимальное. При больших n б определенные слои не участвуют в процессе смешения, так как под действием центробежных сил прижаты к корпусу. 5.2.2. Смесители с вращающимися лопастными органами. Смесители этих типов применяются не только для смешения сухих твердых материалов, но также для приготовления густых и вязких кашеобразных и тестообразных масс и паст. Рис. 5.2. Двухвальный смеситель с лопастями Z-образной формы Смеситель представляет собой корпус 1 с двумя полуцилиндрическими днищами, в которых вращаются на встречу друг другу два горизонтальных вала 2 с лопастями. Одна из широко применяющихся конструкций вала выполняется с массивными лопастями Z-образной формы. Различные конструкции этих смесителей отличаются главным образом длиной корпуса аппарата и конфигурацией лопастей. В шнековых лопастных смесителях рабочими смешивающими органами являются валы-шнеки с винтовыми лопастями, Т-образными или лопастями другой формы. Большинство шнековых смесителей имеют один вал, вращающийся в корытообразном корпусе. Для улучшения качества смешения в некоторых конструкциях одновальных смесителей используют привод, который осуществляет вращение и одновременно возвратно – поступательное движение вала. 3 Рис. 5.3. Лопастной (шнековый) вал с Т-образными лопастями В ленточных смесителях лопастным рабочим органом является вращающийся в цилиндрическом или корытообразном корпусе вал, на котором смонтированы стержни 1 с укрепленными на их вершинах плоскими лентами 2, изогнутыми по винтовым линиям. Рис. 5.4. Лопастной вал ленточного смесителя. Кроме одновальных применяются также двух вальные лопастные смесители. Лопасти на шнековых валах установлены таким образом, что валы транспортируют материал в разные стороны. Число оборотов вала, транспортирующего материал к разгрузочному отверстию, выше, чем у другого вала, вследствие чего, материал, материал интенсивно перемешиваясь, перемещается к разгрузочному отверстию. Вследствие небольшой скорости вращения смесительных валов (n=10÷15 об/мин) процесс смешения в аппаратах с вращающимися лопастными органами относительно продолжителен. Однако в этих смесителях с помощью валов можно создать направленное движение материала вдоль корпуса, что позволяет использовать их для непрерывного действия. 5.2.3. Циркуляционные смесители. Смесители с червячными мешалками применяются для перемешивания сыпучих, увлажненных материалов, паст и волокнистых материалов (взрывчатка). Наиболее распространены планетарно-шнековые и центробежно-лопастные смесители. 1. Планетарно-шнековые смеситель. Шнек (5) вращается вокруг собственной оси и получает планетарное вращение относительно оси корпуса смесителя (1) при помощи водила (4) и системы конических шестерен. Верхний конец шнека имеет опору в коробке передач, а нижний в шарнирной опоре, закрепленной в нижней части смесителя. 1 – корпус конический; 2 – привод мешалки (мотор-редуктор); 3 – крышка; 4 – водило мешалки; 5 – шнековая мешалка; 6 – запорный механизм с откидной крышкой (гидравлический или пневматический). Рис. 5.5 Схема смесителя с планетарно-шнековой мешалкой. 4 Материал подымается витками шнека (5) около стенок конического корпуса вверх. Затем материал движется к оси смесителя, где возникает нисходящий поток. В узкой части конуса материал снова захватывается витками шнека и, поднимая его вверх, организует циркуляцию материала. После завершения процесса смешения запорным механизмом (6)открывается нижнее днище и материал ссыпается. Опытным путем установлены следующие оптимальные геометрические и режимные параметры планетарно-шнекового смесителя: dш = 0,2 Dб; tш /dш = 0,8; φ = 0,8; ωш /ωв = 40; α = 34°; u = 1м/с, u = ω·R – окружная скорость равна произведению угловой скорости на радиус (линейная скорость на конце радиуса лопатки). Время смешения: tсм = 20 мин. α – угол конусности корпуса; φ – коэффициент заполнения; dш , tш – диаметр и шаг шнека; Dб – диаметр обегания водила. Мощность привода планетарного вращения шнека –N, кВт:   N  1,15  c1   н  nш  L2p  Fуд  4  sin 2   1 5.3. , где с1 – коэффициент, учитывающий физико-механические свойства смеси (справочник); ρн – насыпная плотность материала, кг/м3; nш – частота обращения (число оборотов) шнека, об/мин; Lр – рабочая длина шнека, находящегося в смеси, м; Fуд – удельная поверхность шнека, находящегося в материале, м2/м. Отраслевым стандартом ОСТ 26-01-73-78 предусмотрено несколько типоразмеров планетарношнековых смесителей с рабочим объемом V(м3)–0,04; 0,1; … до 16 м3. 2. Центробежный лопастной смеситель. Смесители этого типа относятся к циркуляционным смесителям с быстро вращающимся рабочим органом. Экспериментально установлено, что при вращении мешалки с окружной скоростью u = 6 м/с перемешиваемый материал может быть переведен чисто механически в псевдоожиженное состояние. При этом значительно увеличивается подвижность сыпучего материала и скорость его движения по циркуляционному контуру. Центробежный смеситель типа ЦП (ОСТ 26-01-73-78) состоит из корпуса 1, в котором на валу 2 вращается корпус 3 с симметрично расположенными окнами 4. При вращении корпуса 3 частицы материала под действием центробежных сил движутся по внутренней поверхности корпуса вверх, сбрасываются в пространство между конусом и корпусом и через окна 4 вновь поступают в конус. Проходу материала через окна 4 способствует лопастная мешалка 5, вращающаяся вместе с конусом. Для материалов с плохой сыпучестью в корпусе устанавливают раму 6, которая свободно подвешена на крышке корпуса и вращается за счет движения материала. Ее скорость регулируется ленточным тормозом 7. Загрузка осуществляется через бункеры 8,а выгружается материал устройствами выгрузки 9. 1 – корпус; 2 – вал; 3 – конус; 4- окна; 5 – лопастная мешалка; 6 – рама; 7 – ленточный тормоз; 8 – загрузочный бункер; 9 – устройство выгрузки. Рис. 5.6. Схема центробежного лопастного смесителя. 5 Мощность, потребляемая смесителем расходуется на преодоление сопротивления движению лопастей в сыпучей среде N1 , на преодоление сопротивления движению конуса N2 , на подъем материала внутри конуса N3 , на сообщение материалу кинетической энергии N4 ,на преодоление трения вала конуса в подшипниках N5: 5 N   Ni 1 Ni –определяется, как правило, по эмпирическим уравнениям (в справочной литературе). 5.2.4. Смесители с псевдоожиженным слоем. 1 – корпус; 2 – вал; 3 – верхний диск; 4 – нижний диск. Псевдоожижение создается за счет большой скорости (u≥6 м/с) вращения мешалки. Рис.5.7 Схема смесителя с псевдоожижением вращающимся ротором К пневмосмесителям относятся аппараты в которых смешение осуществляется в слое псевдоожиженного газом зернистого материала. 1 – корпус; 2 – решетка; 3 – мешалка. Рис. 5.8. Смеситель с псевдоожижением зернистого материала Псевдоожиженние создают пропусканием восходящим потоком воздуха через материал,лежащий на решетке 2, расположенной в корпусе 1 аппарата. Для предотвращения каналообразования в материале и нарушения стабильности процесса в смесителе устанавливают мешалку 3 с вертикальным расположением лопастей. 6 Производительность смесителя: G mз t см 5.4. , где mз – масса материала загрузки, кг; tсм – время смешения. mз    Dа2 5.5 , где  H з  н 4 Dа – диаметр аппарата, м; ρн – насыпная плотность, кг/м3; Нз = 1,5·Dа – высота загрузки. Из (5.4) (5.5) можно найти диаметр аппарата: Da  2 4  G  tсм   Н3  н или, подставляя значение Нз, Da  0,2423 G  t см 5.5а  н Мощность потребляемая ворошителем: N  K N   T  n 3  Dв5 1,28 KN  - критерий мощности; Re ц Re ц   с  n  Dв2 с 5.6 , где - модифицированное число подобия Рейнольдса центробежное (мешалки) wd    Re    w    d  n    2   n n - об/сек Dв = 0,95∙Dа – диаметр ворошителя, м; ρт – плотность материала частиц, кг/м3; ρс – плотность воздуха, кг/м3; μс – коэффициент динамической вязкости воздуха, Нс/м2; n – частота вращения (число оборотов), об/мин. Расход ожижающего газа: 5.7 Gг  2,33  wкр  Dа2 Re кр  Ar 17,44  4,56   Ar  6 Fr 5.8 n 2  Dв где - число подобия Фруда; g g  d T3  T   c  Ar   - число подобия Архимеда; 2 Fr  c wкр  d T   c Re кр  , c Re кр   с откуда  кр  dT   c c , 7 wкр – критическая скорость ожижающего газа, м/с. Сопротивление псевдоожиженного слоя: Рсл  g  T  1   0   H 3 5.9 где ε0 – порозность неподвижного слоя зернистого материала (порозность начала псевдоожижения). Смесители с псевдоожижением смешиваемого зернистого материала отличаются высокой эффективностью и малым временем смешения, отсутствием вращающихся устройств (не у всех), малым истиранием гранул. Однако они требуют установки пылеулавливающих устройств при смешении тонко дисперсных материалов. 5.2.5. Расчет смесителей для сыпучих материалов. К технологическим расчетам смесителей относятся: 1 – определение степени перемешивания, коэффициента неоднородности. 2 – времени перемешивания, tсм ,с. Степень перемешивания определяется обычно опытным путем (индикаторный метод, изотопный, электрохимический, основанный на измерении электропроводности, спектральный анализ и др.). Время перемешивания зависит от технологических условий процесса и интенсивности перемешивания. К параметрическим расчетам относятся: 1 – определение основных усилий в узлах машин; 2 – определение производительности; 3 – определение мощности. Для смесителей периодического действия производительность рассчитывается: G G V      i  xi  t см 5.10 m V   t см t см G – производительность, кг/с; V – полный объем аппарата, м3; φ = 0,3÷0,75 – коэффициент заполнения; ρi – насыпная плотность компонента, кг/м3; xi – массовая доля компонента; tсм – время смешения, с. Расчет мощности N (кВт), затрачиваемой на смешение порошкообразных материалов в барабанных смесителях: - для цилиндрического горизонтального барабана Nц  - 1  М  R0  sin    102 5.11 для наклонного барабанного смесителя N ц .н.  1  R0'    sin   М 102 5.12 где М – масса материала в барабане, кг; ω – угловая скорость вращения барабана, с-1; R0 – радиус центра тяжести массы материала в сегменте; R0’ – радиус центра тяжести массы материала в произвольном сечении аппарата; γ – угол естественного откоса зернистого материала; ψ – угол, образованный в рассматриваемый период времени R0’ с вертикалью. Для большинства типа смесителей определение энергетических параметров производится по критериальным или эмпирическим уравнениям. 8 5.3. Смесители высоковязких материалов. Для высоковязких материалов (краски, пасты, расплавы полимеров, композиции эластомеров /резиновые смеси/) характерны небольшие скорости перемешивания и создания турбулентного режима перемешивания невозможно. Вследствие малых скоростей диффузионное перемешивание также ограничено, и смешение осуществляется за счет сдвига отдельных слоев материала относительно друг друга. В этом случае критерием качества смешения служит толщина полос, которая находится, как среднее арифметическое расстояние между двумя соседними слоями одного и того же компонента и может быть определена как расчетным путем, так и экспериментально. Оценка качества смешения может осуществляться различными методами: химическим методом количественного анализа (весовым или объемным), электрохимическим, индикаторным спектральным анализом, изотопным методом. Перемешивание исходных сыпучих, волокнистых или иных материалов с пластификаторами и доведение получаемой массы до пасто или тестообразного состояния производится в лопастных смесителях периодического действия более тяжелых моделей, чем для приготовления смесей, сохраняющих сыпучесть до конца операции. Помимо значительного повышения мощности перемешивающих устройств и придания корпусам машин большей жесткости при конструировании смесителей высоковязких материалов необходимо дополнительно решать задачи теплоотвода, механизации загрузки и выгрузки, чистки и др. Характерной особенностью смесителей высоковязких материалов является разогрев смешиваемого материала вследствие вязкого трения перемешиваемых слоев материала, (диссипативный разогрев), что требует подвода значительного количества дополнительной энергии. В процессах переработки пластических масс и композиций эластомеров (резиновых смесей) наиболее широкое распространение получили смесительные вальцы, червячные машины и смесители закрытого типа. Валковые машины представляют собой ряд массивных вращающихся валков, горизонтальные оси которых параллельны друг другу, цапфы валков опираются на подшипники, размещенные в станине, причем валки приводятся во вращение от общего или раздельных электродвигателей через соответствующие передачи. Окружная скорость всех валков может быть одинаковой либо их отношение в каждой паре валков, называемое фрикцией, колеблется, в зависимости от назначения машины в пределах от 1:1 до 3:1. Загружаемый на валки материал затягивается в зазор между ними, деформируется, прилипает к валкам и срезается с одного из них по окончании обработки. Для перемешивания, гомогенизации компонентов смеси и пластикации используются в основном двухвалковые машины-вальцы, а для получения листов или пленки – многовалковые машины-каландры. Вальцы могут быть периодического или непрерывного действия. На вальцах периодического действия материал многократно пропускается через зазор, перемешиваясь вследствие неравенства окружных скоростей валков и дополнительной подрезки массы на отдельных участках по длине валка. После вальцевания масса срезается отдельными полосами либо сразу по всей длине валка и сматывается в рулон. а) загрузка б) вальцевание в) конец вальцевания г) срез массы 1 – валки, 2 – нож Рис.5.9. Схема обработки массы на вальцах периодического действия. На вальцах периодического действия материал подается с одного торца (или в середине валков) непрерывно, проходит между валками, одновременно совершая вращательное и поступательное движение вдоль валка, т.е. перемещается к другому торцу (или к общим торцам) по винтовому пути и непрерывно срезается в виде узкой ленты. Червячные смесители кроме самостоятельного применения входят в состав экструзионных и литьевых машин. 9 Рис. 5.10. Схема червячной машины. 1 – формовочная головка, 2 – дроссельная решетка, 3 – червяк, 4 – цилиндр, 5 – каналы подачи хладагента, 6 – электронагреватели для позонного регулирования температуры цилиндра, 7 – загрузочная воронка с бункером, 8 – привод. Независимо от технологического назначения люба червячная машина состоит из цилиндра 4, имеющего каналы 5 для подачи хладагента (жидкость, воздух) электронагреватель 6 для позонного регулирования температуры цилиндра, одного или двух червяков 3, головки для формирования профиля выдавливаемого материала 1, загрузочной воронки с бункером 7 и привода 8. Между головкой и концом цилиндра могут устанавливаться сетки, дроссельные решетки 2 и т.д. Перерабатываемый материал в виде гранул, порошка или ленты поступает в машину через загрузочную воронку и по мере продвижения вдоль цилиндра перемешивается, уплотняется, переходит в вязкопластическое состояние под воздействием температуры и сдвиговых деформаций в канале червяка и выдавливается через формующую головку. Главным рабочим органом является червяк. По рабочей длине червяка в общем случае различают три геометрические зоны: зону загрузки, зону сжатия, зону дозирования. Конструкция червяка в большинстве случаев предусматривает плавное или ступенчатое уменьшение объемов межвиткового пространства от зоны загрузки до формирующей головки. Создается это за счет уменьшения глубины или шага нарезки червяка. Характер изменения глубины нарезки и длины геометрических зон червяка выбирается на основании опыта эксплуатации червячных машин. Смесители закрытого типа работают по периодическому принципу действия. Смесительная камера резиносмесителя Бенбери (пример смесителя закрытого типа) состоит из двух роторов, вращающихся на встречу друг другу в закрытом объеме. Между гребнями роторов и внутренней стенкой камеры оставлен небольшой зазор. Материал, попавший в этот зазор, подвергается действию высоких сдвиговых деформаций. Лопасти роторов имеют винтообразную форму, что способствует продвижению материала в осевом направлении. В верхней части камеры расположен работающий от пневмопривода плунжер, который подпрессовывает загруженный в камеру материал. Материал перетирается между ротором и стенкой камеры, температура его быстро повышается, а затрачиваемая мощность падает вследствие уменьшения вязкости смеси. В стенках камеры, а также иногда в роторах, устраиваются каналы водяного охлаждения, так как без отвода тепла может наступить деструкция полимера или подвулканизация резиновой смеси. 1 – роторы; 2 – плунжеры. Рис. 5.11 Схема смесительной камеры Бенбери. 10 Из всех разновидностей смесителей самым дорогим и металлоемким является закрытый смеситель, а самым дешевы – вальцы. Размеры и стоимость червячных смесителей занимает среднее положение между размерами и стоимостью вальцев и закрытых смесителей. Преимущество червячного смесителя состоит в непрерывности процесса смешения, в то время как на вальцах (в большинстве случаев) и в закрытых смесителях обрабатывается за один цикл лишь одна определенная загрузка. Важнейшим преимуществом вальцев является возможность осуществление различных градиентов скорости и напряжений сдвига с помощью простой регулировки зазора между валками. На смесителях других типов можно изменить только градиент скорости путем изменения числа оборотов роторов или червяка, а изменение величины зазора или глубины канала, не меняя рабочих органов невозможно. 5.4. Смесители для жидких сред. Основные процессы химической технологии осуществляются во многих случаях в аппаратах с перемешивающими устройствами. В них приготавливаются суспензии, эмульсии, однородные физические смеси. Перемешивание способствует интенсификации процессов тепло- и массообмена, необходимо для проведения многих химических реакций. Для того, чтобы осуществить перемешивание необходимо подвести дополнительную энергию. Известны различные методы ввода энергии в перемешиваемую среду (см. ранее). На практике наибольшее распространение получил механический метод перемешивания жидких сред, осуществляемый путем механического воздействия рабочего органа (мешалки) на рабочую среду. 5.4.1. Конструкции аппаратов для механического перемешивания жидких сред. Механический метод перемешивания используется в аппарате, состоящем, как правило, из корпуса и перемешивающего устройства, устанавливаемого на этот корпус. Аппараты с механическими перемешивающими устройствами классифицируются: 1) по характеру производства: а) для нетоксичных взрыво- и пожаробезопасных сред; б) для токсичных взрыво- и пожароопасных сред; в) для сред с особыми свойствами (аппараты с герметичным приводом). 2) по режиму работы: а) под давлением; б) под наливом; в) с теплообменным устройством; г) без теплообменного устройства. 3) по способу установки: а) вертикальное; б) горизонтальное. 4) по конструкции и исполнению корпуса: а) стальные (сварные); б) из цветных металлов (титан и др.); в) эмалированные; г) гуммированные; д) литые; е) с отъемной крышкой; ж) с приварной крышкой. 5) по внутренним устройствам: а) гладкостенные; б) с отражательными перегородками; в) с циркуляционной трубкой; г) секционные; д) нестандартные. Основными параметрами аппаратов для перемешивания жидких неоднородных сред являются: номинальный объем, давление в корпусе аппарата, давление в теплообменных устройствах, температура перемешиваемой среды, температура теплоносителя в теплообменных устройствах, мощность привода, частота вращения выходного вала. Номинальные объемы аппаратов для перемешивания жидких сред, а также диаметр корпуса аппарата должны соответствовать данным, приведенным в ГОСТ 20680-75: номинальный объем: от 0,0001 до 100 м3. условное давление: от 0,6 до 10 Мпа (6-100 кг/см2). пределы мощностей приводов: от 0,25 до 132 кВт. пределы частот вращения выходного вала привода: от 5 до 3000 об/мин. 11 Стандартные аппараты изготавливают для перемешивания сред с температурой: от -40˚С до +350˚ С. Основными элементами аппаратов являются перемешивающее устройство и его корпус. Под перемешивающим устройством понимается конструкция, состоящая из привода, вала и мешалки, соединенных между собой в единый узел. Привод перемешивающего устройства в общем случае состоит из электродвигателя редуктора (или мотор - редуктора) и стойки привода. Выходной вал мотор – редуктора через муфту соединяется со сплошным или разрезным валом аппарата, на конце которого закреплена мешалка. Вал устанавливается в опорах качения, которые монтируются в стойке привода. Перемешивающее устройство устанавливается, как правило, на крышке корпуса, а в ряде случаев – на отдельных монтажных конструкциях, оно может быть также автономным (переносным). Под корпусом аппарата понимается сосуд любой, в основном цилиндрической формы, в котором осуществляется перемешивание. Корпус аппарата, используемый для осуществления теплообменных процессов, обычно имеет теплообменные устройства – наружные в виде рубашки или встроенные в корпус в виде змеевиков. 1 – корпус; 2 – крышка; 3- мотор-редуктор; 4 – стойка привода; 5 – вал; 6 – мешалка; 7 – змеевик; 8 – рубашка; 9 – отражательная перегородка; 10 – труба передавливания; 11 – уплотнительное устройство; 12 – опоры. Рис. 5.12. Эскиз аппарата для механического перемешивания жидких сред. В корпусе аппарата могут устанавливаться внутренние устройства, отражательные перегородки, трубы передавливания, барабаны и др. В зоне входа вала перемешивающего устройства в корпус аппарата обычно устанавливают уплотнения. Наиболее распространенным видом аппаратов, применяемых в химическом машиностроении, являются вертикальные цилиндрические аппараты. 12 Они характеризуются следующими особенностями: а) аппарат комплектуется одним приводом, устанавливаемым на его крышке так, чтобы ось выходящего вала мотор – редуктора совпадала с осью вала мешалки, а ось вала мешалки совпадала с осью корпуса; б) аппарат может иметь на одном валу одну, две и более мешалок; в) аппарат может изготавливаться как с внутренним устройством, так и без них. Вертикальные аппараты могут быть подразделены на гладкостенные, с отражательными перегородками, секционные и с центральной циркуляционной трубой. Типовые стальные вертикальные аппараты в соответствии с ГОСТ 20680-75 могут быть изготовлены десяти типов (от типа 0 до типа 9) 23 исполнений. Рис. 5.13. Четырех секционный аппарат (нестандартный) 1 – мешалка; 2 – вращающаяся горизонтальная перегородка. Рис. 5.14. Аппарат с циркуляционной трубой и герметичным приводом. 1 – корпус; 2 – циркуляционная труба; 3 – мешалка; 4 – привод; 5 – подпиточный бачок. Горизонтальные аппараты для перемешивания жидких сред применяются с целью: уменьшения общей высоты аппарата, повышение виброустойчевости валов перемешивающих устройств, улучшение условий суспендирования и т.д. 1 – корпус аппарата; 2 – опоры; 3 – перегородки; 4 – мотор-редуктор; 5 – мешалка. Рис.5.15. – Горизонтальный четырехприводный аппарат. 13 Под горизонтальным аппаратом понимается для перемешивания жидких сред, ось корпуса которого расположена горизонтально. В практике химического машиностроения получили распространение также горизонтальные аппараты с горизонтальным валом перемешивающего устройства и с вертикальными или наклонными валами. 5.4.2. Мешалки. Мешалки являются одним из основных элементов аппарата для перемешивания жидких сред. Они предназначены для передачи механической энергии от динамических элементов аппарата к перемешиваемой среде. ГОСТ ом 20680-75 регламентируется 12 типов мешалок. Каждый тип мешалки имеет обозначение, указанное цифрами в скобках: трехлопастная с углом наклона лопасти α=24˚ (01); винтовая (02); турбинная открытая (03); турбинная закрытая (04); шестилопастная с углом наклона лопасти α=45˚ (05); клетьевая (06); лопастная (07);шнековая(08);якорная (09); рамная (10); ленточная (11); ленточная со скребками (12). Мешалки, входящие в этот ряд, отличаются одна от другой значением гидродинамического коэффициента сопротивления, определяющего значение критерия мощности КN. Все применяемые мешалки условно могут быть разделены на быстроходные и тихоходные. Под быстроходными понимаются мешалки, используемые для перемешивания жидких сред преимущественно при турбулентном и переходном режимах движения жидкости; под тихоходными – при ламинарном режиме движения жидкости. Наиболее часто в практике применяются быстроходные мешалки типы 01÷07). Их можно разделить на мешалки, лопасти которых перпендикулярны плоскости вращения (лопастная, клетьевая, открытая и закрытая турбинные), и мешалки, лопасти которых образуют постоянный или переменный угол наклона с плоскостью вращения. Быстроходные мешалки могут использоваться в гладкостенных аппаратах, а также в аппаратах, оборудованных различными внутренними устройствами. Помимо этого, мешалки с наклонными лопастями могут использоваться в аппаратах с циркуляционной трубкой. Тихоходные мешалки в основном применяются для гомогенизации и усреднения высоковязких и неньютоновских сред, интенсификации тепломассообмена и для осуществления некоторых других технологических операций. Стандартные тихоходные мешалки (типы 08÷12) также можно разделить на мешалки, лопасти которых перпендикулярны плоскости вращения (якорная, рамная), и мешалки, лопасти которых образуют угол наклона с плоскостью их вращения (шнековая, ленточная, ленточная со скребками). Тихоходные мешалки, как правило, используются только в гладкостенных аппаратах. Исключением является шнековая мешалка, которая может использоваться в аппаратах с циркуляционной трубкой и с отражательными перегородками. Одной из главных задач, решаемых при конструировании аппаратов для перемешивания жидких сред, является задача нахождения мощности перемешивания. Номинальная мощность N0 – мощность, затрачиваемая на сам процесс перемешивания, определяется 5.13 N 0  k N    n 3  d М5 3 где ρ – плотность среды, кг/м ; n – число оборотов; dМ – диаметр мешалки, м; kN = f (Reц) – критерий мощности (находится по справочникам для мешалки). 2 Re ц    n  d М конкретных типов  μ – динамическая вязкость, Нс/м2. Ламинарный режим – Reц < 80(или 300) – в зависимости от типа мешалки. Переходный режим – 80 (300) < Reц < 103 Турбулентный режим движения жидкости. Reц > 103. 14 5.4.3. Уплотнительные устройства. В аппаратах с мешалками для герметизации места ввода вала в корпус аппарата в зависимости от физико-химических характеристик и параметров перемешиваемой среды, а также требований производственной санитарии, ТБ и пожаробезопасности применяют специальные конструкции уплотняющих устройств, в том числе гидрозатворы, манжеты, сальниковые и торцевые уплотнения. 1. Гидравлические затворы. Гидрозатворы служат для защиты от попадания пыли и грязи, а также от контакта с окружающей средой внутренней полости корпуса аппарата. Применяются гидрозатворы для аппаратов, работающих при атмосферном давлении с неполным заполнением при перемешивании, при перемешивании не агрессивных , нетоксичных и не взрывопожароопасных сред. В качестве запирающей жидкости может служить перемешиваемая или любая нейтральная жидкость. 1 – корпус; 2 – вращающийся колпак; 3 – кольцо уплотнительное. Рис. 5.16. Гидрозатвор для аппаратов общего назначения. Гидрозатвор состоит из неподвижного цилиндрического корпуса, внутрь которого с зазором δ относительно его неподвижных элементов вставлен вращающийся совместно с валом мешалки цилиндрический колпачок. Внутренняя полость аппарата с гидрозатвором должна быть соединена через трубопровод с атмосферой. Размеры подвижных и неподвижных деталей гидрозатвора и величина зазоров между ними принимаются конструктивно в зависимости от размеров аппарата, диаметра и частоты вращения вала мешалки (ОСТ 26-01-1242-75). В химическом машиностроении приняты гидрозатворы двух типов: ►Гидрозатвор I типа предназначен для аппаратов объемом V > 0,63 м3, с частотой вращения вала n ≤ 320 об/мин, на диаметры валов от 40 до130 мм. ►Гидрозатвор II типа предназначен для аппаратов V≤ 0,63 м3, n < 1500 об/мин, на диаметры валов от 25 до 40 мм. 2. Манжетные уплотнения. Стандартные манжетные уплотнения (РТМ 26-01-32-70) применяются для герметизации зазора между валом и корпусом при полном или частичном заполнении аппарата жидкой, неагрессивной, нетоксичной, невзрывоопасной средой не включающей абразивных и полимеризующихся частей. Типовые конструкции манжетных уплотнений, в том числе пакетные с числом манжет от 2 до 6 штук (манжетные сальники), применяют для давлений от 0,04 остаточного до 0,6 Мп/м2 избыточного, для температур от -30˚ до 120˚С, для частот вращения до 3000 об/мин и 15 для диаметров вала от 20 до 160 мм. Манжетные уплотнения обеспечивают время безотказной работы до 2000 часов. Рис. 5.17. Элементы конструкции манжетного уплотнения. Мощность трения, потребляемая одной манжетой, составляет N м  3,02  10 6 р  0,2  f  a0    d 5.14 где Δр – перепад давления на манжете; d – диаметр вала; aо – ширина зоны контакта манжета с валом (для стандартных манжет f – коэффициент трения (в зависимости от рабочей среды); υ – окружная скорость. Масло f = 0,03 – 0,05 Вода и другие жидкости f = 0,08 – 0,12 Паровая среда f = 0,10 – 0,15 N м  0,95  р  f  d 2  n ао=(0,5÷3)·10-3м); 5.14а  -1 р – [Па], d – [м], n – [c ]. 3. Сальниковые уплотнения. Сальниковые уплотнения применяют для герметизации валов аппаратов при условии их работы с неагрессивными или мало агрессивными средами, находящимися под избыточным давлением до 0,6 Мпа, или под действием остаточного давления большего 0,04 Мпа (300 мм. рт. ст.). частота вращения валов, уплотняемых сальниками, должна находиться в пределах 5 – 320 об/мин, рабочая температура от –30° до +200° С, диаметр валов 20 ÷ 160 мм. Сальниковые уплотнения применяются при возможности их периодического обслуживания (поджатия). Время безотказной работы уплотнения до перебивки сальника составляет 800 часов. Сальники обеспечивают нормальную работу при биении вала в зоне уплотнения до 0,01 мм и несоосности установки уплотнения до 0,3 мм. Имеются специальные типы уплотнения , которые допускается применять для взрывоопасных и токсичных сред , а также до давлений 3,0 МПа , t  300 С и окружной скорости до 10 м/с. Стандартные сальниковые уплотнения имеют конструкции с подводом смазки или уплотняющей жидкости к валу (без циркуляции или с циркуляцией) и с конструкцией с охлаждаемым корпусом. Поджатие набивки в сальнике может осуществляться автоматически. На рис. 5.18 а) приведено сальниковое уплотнение с охлаждением через фонарь и ручным поджатием. На рис. 5.18 б) – с дополнительным охлаждением через корпус и автоматическим поджатием нажимной втулки. Сальниковое уплотнения обычно состоит из корпуса, в нижней части которого расположено опорное кольцо. Корпус уплотнения крепится на корпусе аппарата. Фонарь уплотнения распределяет смазывающую или уплотняющую жидкости, поступающие к уплотнению через отверстия в корпусе. Нажимная втулка служит для ручного или автоматического поджатия сальниковой набивки. Для высоких температур среды в корпусе уплотнения предусматривают камеру для охлаждения набивки. Сальниковые уплотнения без охлаждения с подводом смазывающей жидкости в зону уплотнения используют для t = -20° ÷ +70° C, а с подводом жидкости в 16 зону уплотнения и охлаждением для t > 70°С и давлении от 20 мм.рт.ст. до 2,5 Мпа. При окружной скорости вращения вала υ = ω·z ≤ 1 м/с можно применять сальники без смазки и фонаря. 1. – вал; 2. – корпус; 3. – нажимная втулка; 4. – фонарь; 5. – набивка; 6. – нажимные болты; 7. – канал для смазки или охлаждения; 8. – пружина; 9. – камера охлаждения; 10. – прокладка; 11. – опорный фланец; 12. – корпус аппарата. Рис. 5. 18. Сальниковое уплотнение. Основные конструктивные размеры сальниковых уплотнений находятся по зависимостям: 5.15 b  0,04  0,05  d 0,5 5.16 Высота сальниковой набивки без учета фонаря: h  4  10  b 5.17 Высота фонаря: h1  1,5  2  b 5.18 Высота сальниковой камеры: H  h  h1  1  2  b 5.19 Высота нажимной втулки: L  0,4  0,5  h  2  b  Ширина камеры под набивку: В рабочем состоянии нажимная втулка должна входить в корпус сальника не менее, чем на 0,1 ее длины. Угол скоса нажимной втулки α = 15÷30. Зазоры между валом и нажимной втулкой, валом и опорным кольцом   4  5 103 м Усилие, необходимое для сжатия, вычисляют по формуле Q    p0  F 5.20 где ро – давление в аппарате, Па; F – площадь торца нажимной втулки, м2; φ – коэффициент сопротивления набивки. По значению Q определяется необходимое количество болтов. р, Па 0,1 0,6 1,6 3,0 h 4b 6b 8b 10b φ 6,0 3,0 2,2 1,8 17 Коэффициент трения для вращающегося в сальнике вала зависит от многих факторов (тип набивки, Δр, усилия затяжки, наличие смазки и т.д.) и мощность, потребляемую на преодоление сил трения в сальнике, приближенно можно найти по формуле: 5.21 N c  4  10 5  d 2  p  h  n  0,05 bh  N c  4  d  n  b  p   е  1   5.21а  2 С учетом соотношений h и b при коэффициенте трения f = 0,2 5.21б N т р  1,48  f  n  p  d 2  h Расчет сальникового уплотнения сводится к определению усилия затяжки, определяющей герметичность, и мощности, теряемой на трение. Усилие, действующее на мягкую набивку в сальнике, действует по экспоненциальному закону. Т.е. практически все усилие затяжки приходится на верхние слои набивки (работает только верхний слой). Поэтому требуется постоянная затяжка нажимной втулки (грунд буксы). Усилие затяжки (распределение усилий на высоте набивки)определяется из условия динамического равновесия р ос ≈ ррад. Qk   D 2  d 2  4  po  е 2 f h bk или при k ≈ 1,4; f1 = 0,02; f2 =0,05 h  Q  1,1  D 2  d 2   p  exp  0,05   b  ► N c  M тр    Ртр  r   Мощность теряемая вала на трения в сальниковом уплотнении. Типы и основные параметры сальниковых уплотнений приведены в ОСТ 26-01-1247-75. Типы сальниковой набивки выбираются по ГОСТ 5152-84 (АП – асбестовая, пропитанная антифрикционным составом; ХБП – хлопчатобумажная, пропитанная антифрикционным составом; АФ1 – асбестовая, пропитанная фторопластовой суспензией и т.д.). Обозначения: I А, II Б и т.п. I А – 40 – сальниковое уплотнение с подводом смазки без автоматического поджатия пружины, 40 – диаметр вала. II Б – тоже самое, но с автоматическим поджатием нажимной втулки. 4. Торцевые уплотнения. Торцевые уплотнения обеспечивают повышенную герметичность по сравнению с манжетными и сальниковыми уплотнениями. Двойные торцевые уплотнения с подводом уплотняющей жидкости исключают возможность утечки среды в атмосферу или попадания воздуха в аппарат. Стандартные торцевые уплотнения выпускаются восьми типов, в том числе в зависимости от назначения одинарные, двойные, с внутренними подшипниками и с защитными фторопластовыми сильфонами (ОСТ 26-011243-75). Стандартные торцевые уплотнения выпускаются до максимального рабочего давления 3,2 Мпа и остаточного до 1,3∙10-4 Мпа (1 мм.рт.ст.). Диапазон t = -30° ÷ +350° C, n ≤ 3000 об/мин, dвала = 20 ÷160 мм. Двойное торцевое уплотнение ТД предназначено для герметизации валов аппаратов при перемешивании взрывоопасных, токсичных, пожароопасных, ядовитым и подобным им сред при давлениях до 0,6 Мпа (тип ТД-6) и при давлениях до 3,2 Мпа (ТД-32). Двойное торцевое уплотнение типа ТДП – для тех же условий с встроенным подшипником. Двойное торцевое уплотнение типа ТДМ для уплотнения валов малогабаритных аппаратов ТДМ-6 (до 0,6 МПа), ТДМ-16, ТДМ-32. Двойное торцевое уплотнение типа ТДПЗ. Торцевое уплотнение типа ТТ с термическим затвором для биохимических производств для соблюдения стерильности. Торцевое уплотнение типа ТСК с сильфоном из стали 12Х18Н10Т. Торцевые уплотнения используют также для сред содержащих абразивные и полимеризующие частицы. Специальные торцевые уплотнения применяются на давлении до 6,4 Мпа. Герметизация в уплотнении достигается за счет плотного прилегания торцевых колец, одно из которых подвижное (вращается), а другое не подвижное. 18 Основными условиями, определяющими нормальную работу торцевых уплотнений, являются: а) обеспечение необходимой шероховатости рабочих поверхностей ( 9÷10); б) обеспечение плоскости рабочих поверхностей (= не более 0,9 мкм); в) наличие устойчивой жидкостной пленки между трущимися поверхностями. Время безотказной работы торцевых уплотнений 2000 часов. Они обеспечивают нормальную работу при радиальных биениях вала в зоне уплотнения до 0,5 мм и несоосности установки уплотнения до 1 мм. 1. – вал; 2. – корпус аппарата; 3. – опорный фланец; 4. – корпус уплотнения; 5. – прокладка; 6. – неподвижная втулка; 7. – эластичные уплотнительные кольца; 8. – подвижная втулка; 9. – пружина ( прижимает 6 к 8 ); 10. – сильфон; 11. – зубчатая втулка; 12. – вращающаяся втулка ( ведущая ); 13. – сальниковое уплотнение; 14. – встроенный опорный подшипник. Рис 5. 19. Конструкция торцевого уплотнения. а) одинарное с сильфоном; б) двойное типа ТДП. Сильфон 10 приваривается к подвижной втулке 8 и к ведущей втулке 12. Герметизация обеспечивается за счет плотного прилегания втулок 6 и 8. Эластичные кольца 7 на втулках предотвращают утечки продукта вдоль вала и в посадочном месте неподвижной втулки. Подвижная втулка прижимается к неподвижной при помощи пружины 9 и получает вращение за счет зубчатой втулки 11 (или сильфона 10), неподвижно соединенных с валом контрящим винтом. Для дополнительной герметизации в корпус 19 подается жидкость противодавления под давлением равным или большим рабочего давления в аппарате. Для работы при высоких температурах корпус имеет рубашку охлаждения. Недостатки: сложность конструкции. При замене любой из рабочих втулок требуется разборка перемешивающего устройства, громоскость (торцевые уплотнения вала с d = 50 мм имеет вес равный 106 кг). Определение усилия сжатия пружины торцевого уплотнения. Усилие сжатия пружины складывается из следующих составляющих: 5.22 РП  РУ  Р Д  РР  Р Г где Рп – усилие сжатия пружины; Ру – усилие трения уплотняющего эластичного (резинового) кольца о вал (для конструкций с сильфоном Р у=0, для других конструкций ей, как правило пренебрегают, т.е. Р у≈0); Рд – усилие от рабочего давления в аппарате; Рр – расстенивающее усилие торцевого уплотнения; Рг – усилие герметизации. Ширина поверхности контакта равна: b  r2  r1 Рд    r12  rв2   ро 5.23 ро – давление в аппарате Учитывая небольшую ширину поверхности контакта (для dв = 40÷100 мм, b = 3÷6 мм) принимают, как правило, линейное распределение расклинивающего давления по радиусу поверхности и его рассчитывают как рr  рo 2 С учетом этого расклинивающего давления Pp  p r  F    r22  r12  2 5.24  po Усилие герметизации рассчитывают по величине удельного давления на поверхности контакта   5.25 Рг    r22  r12  р уд а) неразгруженные уплотнения К K r12  rb2 1 r22  r12 Fкольца Fвтулки Р уд .  0,25  0,4   р о б) разгруженные уплотнения к<1 Р уд .  0,15  0,2  ро Мощность, потребляемая торцевыми уплотнениями, относительно не велика и составляет 1-5% от мощности, потребляемой мешалкой на перемешивание рабочей среды. N Т  РП  f  ср 5.26 где f = 0,04÷0,05 – коэффициент трения в приработанном уплотнении.  ср  2    n  r2  r1 2 - средняя окружная скорость вращающейся втулки. Для стандартных торцевых уплотнений в зависимости от диаметра вала при максимально допустимых оборотах потребляемая мощность приблизительно равна: для одинарных уплотнений NT  4  103  d 1, 2 для двойных уплотнений NT  7,2  103  d 1, 2 5.27 5.28 5.4.4. Методика комплексного расчета аппаратов с перемешивающими устройствами. 20 Целью расчета для нормализованного реактора с известным диаметром и объемом, а также физическими свойствами перемешиваемой реакционной среды, состоит в выборе типа мешалки и уплотнения, расчете мощностей, теряемых на перемешивание и в уплотнениях, мощности электродвигателя и подборе необходимого мотор - редуктора. Исходными данными являются: тип реактора, его объем V и диаметр D, давление в аппарате ро, физические свойства рабочей среды (для суспензий), диаметр частиц dч, плотность частиц и жидкости ρтв и ρж, вязкость μ, концентрация частиц с %. 1) По справочникам и таблицам по размерам реактора V, D выбирается соотношение между диаметром аппарата D и диаметром мешалки dм и определяется диаметр мешалки. 2) Для данной суспензии подбирается наиболее оптимальный тип мешалки и определяется рабочая скорость вращения. 3) Определяется диаметр вала мешалки db d b  ci  d м где сi – коэффициент, учитывающий конструкцию мешалки (для трехлопастной с=0,166; для якорной с=0,04; для рамной с=0,05 и т.п.) 4) Рассчитывается мощность, необходимая на перемешивание по уравнению (5.13) N o  k N    n 3  d м5 5) Рассчитывается мощность, теряемая на трение в уплотнительном устройстве: а) в манжетном уплотнении по уравнению (5.14) б) в сальниковом уплотнении по уравнению (5.21) в) в торцевом уплотнении по уравнениям: для одинарного (5.27) для двойного (5.28) 6) С учетом рассчитанных выше мощностей определяется мощность электродвигателя по уравнению N эл   k п N o  1   k i    N упл   5.29 где kп – коэффициент перегрузки при пуске (для быстроходных мешалок kп=1, для тихоходных kп=1,3); ki – дополнительные коэффициенты (k=1 для змеевика, k=1,1 для трубы передавливания, k=0,5 для каждой пары лопастей мешалки, расположенных на одном валу); η – к.п.д. привода (η=0,85). 7) После расчета мощности электродвигателя по справочникам выбирается необходимый мотор – редуктор. 21