POLITECHNIKA POZNAŃSKA

WYDZIAŁ TECHNOLOGII CHEMICZNEJ

INSTYTUT TECHNOLOGII I INŻYNIERII CHEMICZNEJ

ZAKŁAD INŻYNIERII I APARATURY CHEMICZNEJ

MIESZALNIK

Projekt wykonany w ramach zajęć

Maszynoznawstwo i Aparatura Przemysłu Chemicznego

Dawid Zrąbkowski

studia dzienne I stopnia 2008/2009

na kierunku Technologia Chemiczna

Temat: Zaprojektować mieszalnik do wytwarzania Gd = 1500kg układu dwufazowego typu ciecz-gaz o udziale objętościowym fazy rozproszonej (gaz) ϕg = 0,4. Fazę rozpraszającą stanowi woda fazę rozproszoną powietrze. Temperatura pracy mieszalnika T = 50^oC.

Uwagi:

1. Charakterystyka techniczna aparatu

1. Zastosowanie mieszalnika

Mieszalnik przeznaczony do wytwarzania układu ciecz – gaz. Fazę

rozpraszającą stanowi woda, natomiast rozproszoną powietrze. Jako

rozwiązanie konstrukcyjne zastosowano pionowy, cylindryczny zbiornik stalowy. Zastosowano dna elipsoidalne. Dolne przyspawane do płaszcza, górne zamocowano poprzez połączenia kołnierzowe. Zbiornik zaopatrzono w cztery przegrody pionowe.

1. Podstawowe parametry operacyjne

• Masa układu G_d = 1500kg

• Udział objętościowy fazy rozproszonej (gaz) ϕ_g = 0,4

• Temperatura pracy T = 50^oC

1. Rodzaj zastosowanego mieszadła

Zastosowano mieszadło wirnikowe stalowe otwarte z sześcioma łopatkami wg BN-75/2225-06. Wal mieszadła umieszczony jest od góry osiowo w zbiorniku.

1. Ilość zastosowanych mieszadeł

Zastosowano jedno mieszadło.

1. Umiejscowienie wału

Wal mieszadła umieszczony jest od góry osiowo w zbiorniku.

1. Pozycja aparatu – Pionowa

2. Charakterystyka materiałowa

Mieszalnik zbudowano ze stali węglowej St3S.

1. Łapy i podpory pod aparat.

2. Rysunek ideowy.

2. Rysunek poglądowy:

3. Tok obliczeniowy:

3,1 Podstawowe parametry fizykochemiczne:

Dane	Obliczenia	Wyniki
T = 50^oC ηc = 551 10^-6 ηg = 19,6 10^-6 Φg = 0,4 988,04[kg/m^3] 1,093[kg/m^3] Φg=0,4	Obliczenie lepkości układu ηm = ηc (1-ϕg) - ϕgµg Obliczenie gęstości układu ρm = ρc(1- ϕg) – ϕg·ρg ρm = 988,04(1- 0,4) – 0,4·1,093	ηm = 3,23 ·10^-4 [Pa·s] ρm= 592,39 [kg/m^3]

3.2 Bilans masowy:

Gd = 1500kg ρm= 592,39 [kg/m^3]	3.2.1 Obliczenie objętości mieszaniny: ρ = Gd/V V =Gd/ ρm Vm =1500/ 592,39	Vm = 2,53 [m^3]

3.2.2 Wyznaczenie objętości powietrza i wody:
Vm= 2,53 [m^3] Φg= 0,4

Wyznaczenie mas wprowadzanych czynników:
Vw=1,518 [m^3] ρc= 988,04 [$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$] Vpow= 1,012 [m^3] ρg= 1,093 [$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$]

3.3 Wyznaczanie objętości aparatu:

H = D Vm=2,53 [m^3] Vdna = 0, 1045 [m^3]	Dw= $\sqrt[3]{\frac{2 \bullet V_{m}}{\pi}}$ $$D_{w} = \sqrt[3]{\frac{2 \bullet 2,53}{\pi}} = 1,18\lbrack m\rbrack$$ Zgodnie z normą BN-64/2221-02 przyjmuję Dw= 1,2 [m]. Vcyl = Vm − Vdna Vcyl =  2,53 – 2  • 0, 1045= 2,321 [m^3] $$H_{\text{cyl}} = \ \frac{4 \bullet V_{\text{cyl}}}{\pi \bullet D^{2}}$$ $H_{\text{cyl}} = \ \frac{4 \bullet 2,321}{\pi \bullet {1,2}^{2}} = 2,05$[m] Wysokość części cylindrycznej będzie wysokością mieszaniny w aparacie, dlatego stosuje naddatek wysokości. Dlatego: Hcyl= 2,2 [m]	Dw= 1,2 [m] Vcyl = 2, 321

3.4 Dobór aparatu

3.4.1. Ustalenie wymiarów gabarytowych aparatu:
Dw= 1,2 [m] Hcyl= 2,2 [m] hw = 0, 302 [m] hc = 0, 04 [m]

Dobór przegród:
Dw= 1,2 [m]

3.5 Wyznaczenie krytycznej częstości obrotów:

d = 0,4 [m] A = 1,22 B = 1,25 Dw= 1,2 [m] σg = 72, 75 • 10^−3 [$\frac{N}{m}$] g = 9,81 [$\frac{m}{s^{2}}$] ρw = 998, 04 [$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$]	$$n_{0} = \ {\frac{1}{d}\ \left\lbrack A + B\left( \frac{D_{w}}{d} \right) \right\rbrack\left\lbrack \frac{\sigma_{g} \bullet g}{\rho_{\text{NaCl}}} \right\rbrack\ }^{\frac{1}{4}}$$ $n_{0} = \ \frac{1}{0,4}\left\lbrack 1,22 + 1,25\left( \frac{1,2}{0,4} \right) \right\rbrack\left\lbrack \frac{72,75 \bullet 10^{- 3} \bullet 9,81\ }{998,04} \right\rbrack^{\frac{1}{4}} = \ 2,03$[$\frac{\text{obr.}}{s}$] Na podstawie normy BN-62/2201-03 odczytuję wartość n = 2, 085 [$\frac{\text{obr.}}{s}$]. Do dalszych obliczeń przyjmuję właśnię tą wartość.	n0 = 2, 03 [$\frac{\text{obr.}}{s}$].

6. . Obliczenia mocy silnika

3.6.1. Obliczenie liczby Reynoldsa i Froude’a:
n = 2, 0885 [$\frac{\text{obr.}}{s}$]. d = 0,4 [m] ρm =  592,39 [$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$] ηm= 3,23·10^-4 g = 9,81 [$\frac{m}{s^{2}}$]

3.6.2. Obliczenie mocy mieszania:
n = 2,0885 [$\frac{\text{obr}}{s}$] d = 0,4 [m] ρm =  592,39 [$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$]

3.6.3. Obliczenie mocy mieszania na wale:
Hcyl= 2,2 [m] Dw= 1,2 [m] P = 331,57 [W]

3.6.4. Obliczenie mocy traconej na skutek tarcia w dławnicy:
dc = 0, 03 [m] n = 2,0885 [$\frac{\text{obr}}{s}$] dw = 0, 03  [m] pow = 115225, 74[$\frac{N}{m^{2}}$]

3.6.5. Obliczenie mocy silnika
Pw = 1516, 933  [W] Pt= 3, 1167 [W]

6. Dobór silnika

Ps = 1788, 3[W]	Z katalogu firm indukta dobieram silnik FSg 132S-8 HS(Y) o mocy znamionowej 2,2 [kW] oraz prędkości synchronicznej 750 [$\frac{\text{obr}}{\min}$]	Ps = 2, 2 [kW]

6. Obliczania wału

Obliczenie średnicy wału:
Pw = 1516, 933 [W] n = 2,0885[$\frac{\text{obr}}{s}$] Re = 22, 510^7  [$\frac{N}{m^{2}}$] X = 2,6 ∝  = 0, 9

Moment bezwladności wału:
dw = 0, 03  [m]

Masa walu:
dw = 0, 03  [m] l = 2,456 [m] ρstal = 7780 [$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$]

6. Dobór mieszadła

Dw = 1, 2  [m]	Zastosowano mieszadło wirnikowe stalowe otwarte z sześcioma łopatkami wg BN-75/2225-06. Wal mieszadła umieszczony jest od góry osiowo w zbiorniku. d = Dw/3 d = 1,2 / 3	d = 0,4 [m]

6. Dobór kołnierzy i króćców:

Dobór króćca doprowadzającego gaz:

Dobór króćców i kołnierzy:

Wyznaczenie wielkości króćców:
dok= 0,142 [m]

Dobór kołnierzy do płaszcza:
Dw= 1,2 [m]

Dobór kołnierza pod dławnicę:
dw = 0, 03 [m]

10. Dobór dławnic, przekładni, sprzęgła itp.

3.11.1.Dobór dławnicy:
dw = 0, 03  [m]

Dobór dyfuzora:

Dobór sprzęgła:
dw = 0, 03 [m] Ms= 118, 39 [Nm]

Dobór przekładni:
Ps = 1, 9    [kW] $$v_{s} = \ 750\ \lbrack\frac{\text{obr}}{\min}\rbrack$$

11. Dobór podpór pod silnik:

dw = 0, 03 [m]	Na podstawie normy BN – 73/2225 – 02 dobieram stojak napędu S – 425 - 40	Dzsto = 425 [mm] Hsto = 470 [mm]

3.13.Dobór podpór pod aparat:
Dw= 1,2 [m] Mcal= 2597,214 [kg]
Wyznaczenie wymiarów blach wzmacniających dla łap:
cl = 865, 738 [kg]

3. Obliczenia konstrukcyjne:

Obliczenie grubości powłoki płaszcza ze względu na sztywnośc i korozję:
Obliczenie grubości ścianki aparatu:
Wartość współczynnika a:
Dw= 1,6 [m]

4.1.2Obliczenie wartości naprężeń dopuszczalnych:
Re = 22, 5 • 10^7 [$\frac{N}{m^{2}}$] X=1.8 α=0,75

Dobór złącza spawanego:

Obliczenie całkowitej wysokości słupa cieczy:
hc = 0, 04 [m] hw = 0, 302 [m] Hcyl = 2, 05 [m]
4.1.5. Ustalenie ciśnienia obliczeniowego:
prw = 101325 [$\frac{N}{m^{2}}$] g = 9,81 [$\frac{m}{s^{2}}$] ρm =  592,39 [$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$] Hc= 2,392 [m]
Dw= 1,2 [m] pow =  115225, 74 [$\frac{N}{m^{2}}$] a = 1 k = 93750000 [$\frac{N}{m^{2}}$] z=0,80

4.1.6. Obliczenie rzeczywistej grubości ścianki:
g0 = 0, 000642 [m] τ=10 [lat]

Obliczenie grubości powłoki płaszcza ze względu na sztywność:
Dz = 1, 21 [m] Rm = 22, 5 • 10^7 [$\frac{N}{m^{2}}$]

2. Obliczenia wytrzymałościowe dennic:

4.2.1Obliczenie grubości dennicy górnej i dolnej aparatu:

Obliczenie współczynnika kształtu dna - yw:
Dz = 1, 21 [m] hw = 0, 302 [m] g = 0,005 [m]

Obliczenie naprężeń dopuszczalnych – k:
Re = 22, 5 • 10^7 [$\frac{N}{m^{2}}$] X = 1,55 α=0,75
Dz = 1, 61 [m] pow =  115225, 74[$\frac{N}{m^{2}}$] yw = 5, 9 k =108870967, 7 [$\frac{N}{m^{2}}$] z = 1 c = 0,0015 [m]

4.3 Wyznaczenie największego otworu niewymagającego wzmocnienia:
pow =  115225, 74 [$\frac{N}{m^{2}}$] Dw= 1,2 [m] gD= 0,006 [m] c2=0, 001 [m] a = 1 k =108870967, 7 [$\frac{N}{m^{2}}$] Dz = 1, 21 [m]

4. Wyznaczanie masy aparatu pustego i zalanego:

Obliczenie ciężaru własnego aparatu:
Dz = 1, 21 [m] Dw= 1,2 [m] Hcyl= 2,2 [m] ρstal = 7780 [$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$] B = 0,12 [m] g = 0,005 [m]
Obliczenie ciężaru cieczy:
ρm =  592,39 [$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$] Vm=2,53 [m^3]
Obliczenie całkowitej masy aparatu z zmagazynowaną cieczą:
M = 1098, 214 [kg] mc= 1499 [kg]
Obliczenie czasu opróżniania aparatu:
Dw = 1.2 [m] dk = 0,123[m] Hcyl = 2,05[m] α = 0, 65 g = 9,81[m/s^2]

5. Spis treści:

1. Charakterystyka techniczna aparatu.

2. Rysunek poglądowy.

3. Tok obliczeniowy:

   1. Podstawowe parametry fizykochemiczne

   2. Bilans masowy

      1. Obliczanie objętości mieszaniny

      2. Obliczenia objętości powietrza i wody

      3. Wyznaczanie mas wprowadzanych czynników

   3. Wyznaczanie objętości aparatu

   4. Dobór aparatu

3.4.1. Ustalanie wymiarów gabarytowych aparatu

2.4.2. Dobór przegród

3.5. Wyznaczanie krytycznej prędkości obrotów

3.6 Obliczenie mocy silnika

3.6.1 Obliczanie liczby Reinoldsa i Froudea

3.6.2 Obliczanie mocy mieszania

3.6.3 Obliczenie mocy mieszania na wale

3.6.4 Obliczenia mocy traconej na skutek tarcia w dławnicy

3.6.5 Obliczenia mocy silnika

3.7 Dobór silnika

3.8 Obliczenia wału

3.8.1. Obliczenia średnicy wału

3.8.2. Masa bezwzględna wału.

3.8.3 Masa wału

3.9 Dobór mieszadła

3.10 Dobór kołnierza i króćców

3.10.1 Dobór króćca doprowadzającego gaz

3.10.2 Dobór króćcy i kołnierza

3.10.2.1 Wyznaczanie wielkości króćców

3.10.3 Dobór kołnierzy do płaszcza

3.10.4 Dobór kołnierza pod dławnice

3.11 Dobór dławnicy przekładni, sprzęgła itp.

3.11.1 Dobór dławnicy

3.11.2 Dobór dyfuzora

3.11.3 Dobór sprzęgła

3.11.4 Dobór przekładni

3.12 Dobór podpory pod silnik

3.13 Dobór podpór pod aparat

1. Wyznaczanie wymiarów blach wzmacniających łap

1. Obliczenia konstrukcyjne:

   1. Obliczenia grubości powłoki płaszcza ze względu na sztywność i korozje

      1. Obliczanie grubości ścianki aparatu

      2. Obliczanie wartości naprężeń dopuszczalnych

      3. Dobór złącza spawanego

      4. Obliczenia całkowitej wysokości słupa cieczy

      5. Ustalanie ciśnienia obliczeniowego

      6. Obliczenia rzeczywistej grubości ścianki

      7. Obliczanie grubości powłoki płaszcza ze względu na na sztywność

   2. Obliczanie wytrzymałościowe dennic

      1. Obliczenia grubości dławnicy górnej i dolnej

      2. Obliczenia współczynnika kształtu dna y_w

      3. Obliczanie naprężeń dopuszczalnych

   3. Wyznaczanie największego otworu niewymagającego wzmocnienia

2. Wyznaczanie masy aparatu pustego i zalanego

   1. Obliczenia ciężaru własnego aparatu

   2. Obliczenia ciężaru cieczy

   3. Obliczenia całkowitej masy aparatu z magazynowaną cieczą

3. Obliczanie czasu opróżniania aparatu

4. Spis treści

5. Wykaz oznaczeń i jednostek

6. Rysunek ofertowy (AutoCad)

5. Wykaz oznaczeń i jednostek:

A – współczynnik przy równaniu pozwalającym określić minimalne obroty mieszadła,

a – względna długość odcinka wału / współczynnik / długość blachy wzmacniającej [m],

α - współczynnik poprawkowy/współczynnik przy obliczaniu częstości krytycznej / współczynnik przy obliczaniu czasu wypływu cieczy ze zbiornika,

B – szerokość przegrody [m]/ współczynnik przy równaniu pozwalającym określić minimalne obroty mieszadła,

b – szerokość blachy wzmacniającej [m],

c - naddatek grubości ścianki [m],

c₁ – naddatek grubości blachy na minusową odchyłkę blachy [m],

c₂ - naddatek grubości blachy na korozję [m],

c₃ - naddatek grubości blachy ze względu na dodatkowe naprężenia [m],

c_l - ciężar przypadający na jedną łapę [kg],

D_nom - nominalna średnica zbiornika [m],

D_w - średnica wewnętrzna aparatu [m],

D_z - średnica zewnętrzna aparatu [m],

D_zsto - średnica zewnętrzna stojaka [m],

d – średnica mieszadła [m]/ średnica otworu w dennicy [m],

d_c - wewnętrzna średnica dławika [m],

d_dyf – średnica dyfuzora [m],

d_kdgnom - średnica wewnętrzna króćca doprowadzającego gaz do króćca [m],

d_nom −   średnica nominalna dławnicy [m] / średnica nominalna króćca [m] / średnica nominalna kołnierza pod dławnicę [m] / średnica nominalna sprzęgła [m],

d_ok - średnica wewnętrzna króćca wlotowego i wylotowego [m],

d_w – średnica walu [m],

E – moduł Young a [$\frac{N}{m^{2}}$],

F - pole przekroju poprzecznego aparatu [m²],

F_rm - liczba Froude’a,

G_w - masa wody [kg],

G_pow - masa wprowadzonego powietrza [kg],

g− przyśpieszenie ziemskie [$\frac{m}{s^{2}}$]/ grubość ścianki płaszcza [m] / grubość blachy wzmacniającej [m],

g₀ - grubość ścianki płaszcza bez naddatków [m],

g_D - grubość ścianki dennicy [m],

g_sz - grubość powłoki ścianki cylindrycznej wyznaczona ze względu na sztywność [m],

H_c - wysokość aparatu bez uwzględniania grubośći ścianek dennicy [m],

H_cyl – wysokość części cylindrycznej aparatu [m],

H_sto - wysokość stojaka [m],

h_c - wysokość części cylindrycznej dennicy [m],

h_d - wysokość uszczelnienia dławnika [m],

h_w - wysokość wewnętrzna części elipsoidalnej dennicy [m],

η_m - lepkość mieszaniny [Ps],

η_w - lepkość wody [Ps],

η_pow - lepkość powietrza [Ps],

η_s - współczynnik sprawności mechanizmu przeniesienia mocy,

I - moment bezwładności wału,

k – naprężenia dopuszczalne [$\frac{N}{m^{2}}$],

k₁ - współczynnik uwzględniający stopień napełnienia mieszalnika cieczą,

k₂ – współczynnik,

k₃ - współczynnik uwzględniający wzrost oporów wskutek zabudowania w mieszalniku elementów wspomagających,

k_sj - dopuszczalne naprężenie na skręcanie jednostronnie zmienne,

l – długość wału [m] / długość króćca [m],

l₁ - długość wału mieszadła od mieszadła po dławnicę [m],

M – masa pustego aparatu [kg],

M_cal - masa aparatu wraz z mieszaniną [kg],

M_s - moment skręcający wału [Nm],

M_smax - maksymalny moment skręcający sprzęgła [Nm],

$\overset{\overline{}}{m}$ - względna masa układu drgającego,

m_bla - masa blachy wzmacniającej [kg],

m_c - masa cieczy w aparacie [kg],

m_den - masa dennicy [kg],

m_dla - masa dławnicy [kg],

m_dyf - masa dyfuzora [kg],

m_kod - masa kołnierza pod dławnicę [kg],

m_kol - masa kołnierza [kg],

m_krg - masa króćca doprowadzającego gaz [kg],

m_kro - masa króćca [kg],

m_lap - masa łapy wspornej [kg],

m_mie - masa mieszadła [kg],

m_pla - masa płaszcza aparatu [kg],

m_pre - masa przekładni [kg],

m_prz - masa przegrody [kg],

m_rz – masa jednostkowa wału mieszadła [$\frac{\text{kg}}{m}$],

m_sil - masa silnika [kg],

m_spr - masa sprzęgła [kg],

m_sto - masa stojaka [kg],

m_w – masa wału [kg],

n₀ - minimalne obroty mieszadla [$\frac{\text{obr}}{s}$],

n - obroty mieszadła [$\frac{\text{obr}}{s}$] / liczba łap wspornych,

P – moc mieszania [W] ,

P₀ - liczba mocy ( zmodyfikowana liczba Newtona),

P_s - moc silnika [W],

P_w - moc mieszania na wale [W],

P_t - moc tracona na skutek tarcia w dławnicy [W],

p_h - ciśnienie hydrostatyczne [$\frac{N}{m^{2}}$],

ρ_m - gęstość mieszaniny [$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$],

ρ_w - gęstość wody[$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$],

p_nom - ciśnienie nominalne [$\frac{N}{m^{2}}$],

p_ow - ciśnienie obliczeniowe [$\frac{N}{m^{2}}$],

ρ_pow - gęstość powietrza [$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$],

p_rw - ciśnienie robocze [$\frac{N}{m^{2}}$],

ρ_stal - gęstość wału [$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$],

Q_max - maksymalne obciążenie jednej łapy [kg],

R_e - wytrzymałość doraźna na rozrywanie w danej temperaturze [$\frac{N}{m^{2}}$],

R_em - liczba Reynoldsa,

R_m - wytrzymałość doraźna na rozrywanie [$\frac{N}{m^{2}}$],

S_c - grubość uszczelnienia dławika [m] ,

s – szybkość korozji [$\frac{m}{\text{rok}}$],

σ_g - napięcie powierzchniowe [$\frac{N}{m}$],

t – temperatura mieszaniny [],

τ – przewidywany okres użytkowania [lata] / czas wypływu [s],

W - zalecana wielkość łapy ,

ω – współczynnik,

ω_kr - częstość krytyczna układu [$\frac{\text{obr}}{s}$],

V_cyl - objętość części cylindrycznej mieszalnika [m³],

V_dna - objętość dennicy [m³],

V_m - objętość mieszaniny [m³],

V_w - objętość wody [m³],

V_pow - objętość powietrza [m³],

v_s - prędkość synchroniczna silnika [$\frac{\text{obr}}{\min}$],

Φ_c - udział objętościowy cieczy w mieszaninie ,

Φ_g - współczynnik „hold – up” – zdefiniowany jako udział objętościowy gazu w mieszaninie,

X – współczynnik bezpieczeństwa wg UDT,

y_w - współczynnik kształtu dna,

z – współczynnik wytrzymałościowy szwu,

z_r - współczynnik wytrzymałościowy powłoki osłabionej otworem

5. Rysunek ofertowy