POLITECHNIKA POZNAŃSKA
WYDZIAŁ TECHNOLOGII CHEMICZNEJ
INSTYTUT TECHNOLOGII I INŻYNIERII CHEMICZNEJ
ZAKŁAD INŻYNIERII I APARATURY CHEMICZNEJ
MIESZALNIK
Projekt wykonany w ramach zajęć z maszynoznawstwa
Studia dzienne magisterskie 2007/2008 na kierunku Technologia Chemiczna
Temat: Zaprojektować mieszalnik do emulgowania oleju mineralnego o lepkości ŋ [cP] i gęstości ρ [kg/m3] w wodzie o temperaturze t[°C]. Masa produktu przy zadanym nominale objętościowym oleju w emulsji φe wynosi Ge [kg]. ŋ=1500 ρ=1000 φe=0,25 t=20 Ge=2200
|
Uwagi: |
Spis treści
Charakterystyka techniczna aparatu………………………………………………. 3
Obliczenia statyki procesu…………………………………………………….….4-5
Obliczenie pojemności oraz wymiarów zbiornika………………………………….5
Obliczenia mieszadła……………………………………………………………..5-7
Obliczenia wału…………………………………………………………………..7-8
Moc silnika………………………………………………………………….…..…..8
Dobór sprzęgła…………………………………………………………………...…9
Dobór podstawy pod napęd mieszadła……………………………………………..9
Obliczenia wytrzymałościowe………………………………………………….…9-1
Obliczenia masy aparatu………………………………………………………...13-15
Spis oznaczeń……………………………………………………………………16-18
Spis norm i literatura……………………………………………………………..…19
1. Charakterystyka techniczna aparatu
1.1 Temat projektu.
Zaprojektować mieszalnik do emulgowania oleju mineralnego o lepkości η [cP] i gęstości ρ w wodzie o temperaturze t [°C]. Masa produktu przy zadanym nominale objętościowym oleju w emulsji φe wynosi Ge [kg].
Dane projektowe
η= 1500 [cP] ρ=1000 [kg/m3] t=20 [°C] φe=0,25 Ge=2200[kg].
Rozeznanie mediów roboczych:
Faza zwarta, rozpraszająca - fazą zwartą jest woda.
Faza rozpraszana - faza rozpraszaną jest olej.
Rozeznanie funkcji technologicznej aparatu.
Aparat służy do wytwarzania emulsji typu „olej w wodzie”.
Parametry fizykochemiczne mediów roboczych.
Własności wody (t=20 [°C])
ρ w=998,2 [kg/m3]
ηw= 10,00·10-4 [Pa·s]
Własności oleju (t=20 [°C])
ρ o=1000[kg/m3]
ηo= 1500 [cP] = 1500·10-3 [Pa·s]=1,500 [Pa·s]
Rozwiązania konstrukcyjne aparatu (zbiornika).
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.
Rozwiązanie konstrukcyjne mieszadła.
Zastosowano mieszadło turbinowe Rushtona wg BN-84-2225-13. Wał mieszadła umieszczony jest od góry osiowo w zbiorniku.
Dobór materiału konstrukcyjnego.
Mieszalnik zbudowano ze stali węglowej St4S.
Łapy / podpory
Zastosowano 3 łapy.
ρc=998,2[kg/m3] ρr=1000 [kg/m3] ηc=10-3 [Pa·s] ηr=1,5 [Pa·s]
Ge=2200 [kg] xC= 0,75 xr= 0,25
ρe =998,65 [kg/m3]
Vr = 0,55 [m3]
Vc = 1,65[m3]
mr=550 [kg] mc=1647 [kg]
Ve = 2,2 [m3]
Dw=1,4 [m]
Dw=1,4 [m] H=1,86 [m]
Dw=1,4[m]
Dw=1,4 [m]
d=0,5[m] ρr=1000[kg/m3] ρc=998,2[kg/m3] ηc=10-3 [Pa·s] ηr=1,5 [Pa·s] Dw=1,4 [m] σ=72,6·10-3 [N/m2] i=0,92
d=0,5[m] ρe =998,65 [kg/m3]
d=0,5[m] ρe =998,65 [kg/m3] n=2,67[obr/s]
k1=1 k2=1,5 k3=2,5
Nw=13362 [W] n=2,67
Re=25,8·107[N/m2] Xe=1,8
c3=0[m] c1=0,8*10-3[m] s=0,0001[m/rok]
c1=0,8*10-3[m] c2=0,001[m]
Ms=81,57 [N/m] ks=8,6·107 c=0,0018[m]
dw=0,03 [m]
dw=0,03 [m] dc=0,03 [m]
n=2,67 dw=0,03 [m] Sc= 7,62·10-3 [m] hd=0,0762 [m] Pow=101325 [Pa]
Nw=13362 [W] N0= 3,71 [W]
|
2. Obliczenia statyki procesu
2.1.Podstatowe parametry fizykochemiczne mediów
2.2. Bilans masowy 2.2.1 Średnia gęstość emulsji ρe = ρcּxc+ ρrּxr ρe = 998,2ּ0,75 + 1000ּ0,25 ρe = 998,65 [kg/m3]
2.2.2. Objętość emulsji
Ve =
Ve = Ve = 2,2[m3]
2.2.3. Objętość wody Vc= xCּ Ve Vc = 0,75ּ 2,2 Vc= 1,65[m3]
Vr= xrּ Ve Vr = 0,25ּ 2,2 Vr = 0,55 [m3]
mr=ρr·Vr mr=550 [kg]
2.2.6. Masa wprowadzonej wody mc= ρc·Vc mc=1647 [kg]
2.2.7. Masa emulsji me=mr+mc me=2197[kg]
3.Obliczanie pojemności i wymiarów zbiornika 3.1 Średnica i wysokość napełnienia
Dw=1,4[m]
Zgodnie z normą BN-64/2221-02 przyjmuję Dw=1,0 [m] Dw=He
H= H=1,86 [m]
3.2 Pojemność zbiornika
V=2,86[m3]
4.Obliczenia mieszadła 4.1. Geometria
d=0,46[m]
Zgodnie z normą BN-84-2225-13 dobieram mieszadło turbinowe Rushtona o d = 0,5m
B= 0,1Dw B=0,14 [m] Dobieram 4 przegrody o szerokości B
Obliczam liczbę Reynolds'a dla mieszadła turbinowego
Obliczam ilość obrotów mieszadła na sekundę
n=2,03 [obr/s]
Zgodnie z normą BN-62/2201-03 dobieram szybkość obrotów mieszadła n=2,67[obr/s]
Na podstawie wykresu charakterystyki mocy mieszadeł turbinowych: Eu=f(Re) wyznaczam Eu, dla zbiornika 4 przegrodami: Eu=6 N=Eu·n3·d5·ρe N=3563 [W]
Nw=k1·k2·k3·N Nw=13362[W]
Ms= Ms=81,57[N/m]
Obliczenie naprężeń dopuszczalnych:
Przyjęto materiał konstrukcyjny - stal ST4S, dla którego wg PN-61/H-84020 wartość Rm dla temperatury 20 0C wynosi: Rm=25,8∙107 [N/m2] Współczynnik bezpieczeństwa wg UDT wynosi: x=1,8 α=1
ks=0,6·k ks=8,6·107 Obliczam naddatek grubości
c1-naddatek na minusowy odchył blachy c2-naddatek na korozje
c2=0,001[m]
c=0,0018[m]
dw=1,71 dw=0,0099 [m]
Zgodnie z normą BN-62/2201-04 dobieram średnicę wału
dw=0,03[m]
I= I=3,97*10-10[kg·m2]
6.1 Grubość uszczelnienia dławika dc=dw dc=0,03 [m]
Sc=4,4·10-2· Sc= 7,62·10-3 [m]
6.2 Wysokość dławika hd=10· Sc hd=0,0762 [m]
6.3 Moc tracona na dławiku
N0=2· N0= 3,71 [W]
6.4 Moc silnika
Ns= Ns= 15724,36 [W]
Z katalogu firmy Indukta dobieram silnik Sg 180L-4 o mocy 22 [kW] n1= 1500[Obr/min]. Do silnika dobieram motoreduktor IEC 180 - RCV 552
7. Dobór sprzęgła Na podstawie średnicy wału i momentu skręcającego dobieram sprzęgło łubkowe, rodzaju L i typu B zgodnie z normą BN-81/2225-11
8. Dobór podstawy pod napęd mieszadła Zgodnie z normą BN-73/2225-02 dobieram stojak napędów mieszadeł pionowych S-425
|
ρe = 998,65 [kg/m3]
Ve = 2,2[m3]
Vc = 1,65 [m3]
Vr = 0,55 [m3]
mr=550 [kg]
mc=1647 [kg]
me=2197 [kg]
Dw=1,4[m]
He=1,0 [m]
H=1,86 [m]
V=2,86[m3]
d = 0,5[m]
B=0,1[m]
n=2,67[obr/s]
N=3563 [W]
Nw=13362 [W]
Ms=81,57 [N/m]
k=
ks=8,6·107
c2=0,001[m]
c=0,0018[m]
dw=0,03[m]
I=3,97*10-10[kg·m2]
Sc= 7,62·10-3 [m]
hd=0,0762 [m]
N0= 3,71 [W]
Ns= 15724,36 [W]
|
Dw=1,4 m
Rm=25,8∙107[N/m2] x=1,8 α=1
z =1 k=14,3∙107 [N/m2] a=1 Pow=101325 [Pa] |
9.Obliczenia wytrzymałościowe
9.1 Obliczenie grubości ścianki aparatu
Wartość współczynnika a: Dla stosunku
współczynnik a=1
Obliczenie naprężeń dopuszczalnych:
Przyjęto materiał konstrukcyjny - stal ST4S, dla którego wg PN-61/H-84020 wartość Rm dla temperatury 20 0C wynosi: Rm=25,8∙107 [N/m2]
Współczynnik bezpieczeństwa wg UDT wynosi: x=1,8 α=1
Przyjęto dwustronne złącze doczołowe, dla którego: z=1
Obliczenie grubości ścianki g0
g0=0,000431[m]
|
k=14,3∙107 [N/m2]
go =0,000431[m]
|
|
9.2 Rzeczywista grubość ścianki - g
g=g0+c [m] c=c1+c2+c3
c1=0,0005 [m] c2=s∙τ τ=10 lat s=0,0001 [m/rok] c2=0,001 [m] c3=0 [m]
Stąd: c=0,0005+0,001+0=0,0015 [m] g=0,000431+0,0015 [m] g=0,00193[m]
Przyjmujemy g=5 mm wg BN-65/2002-02
|
c=0,0015
g=0,00193 [m]
g=0,005[m] |
c2 = 0,001m Dw = 1,4 m Dz = 1,41 m pow = 101325 Pa z = 1 α = 1 xe = 1,5 Re = 25,8 ∙ 107 N/m2 hw = 0,35m hc = 0,006m g = 5 ∙ 10-3 m
Dz = 1,401m
|
9.3. Obliczenie i dobór dennic
Dz = Dw+2g = 1,4m + 2(0,005m) = 1,41 m
9.3.1 Wartość naprężeń dopuszczalnych dla dennicy:
9.3.2. Zewnętrzna wysokość dennicy: Hz = hw + hc+ g = 0,35m + 0,006m+0,006m = 0,362m
9.3.3. Obliczenie współczynnika wytrzymałości:
9.3.4 Obliczenie średnicy dennicy nie wymagającej wzmocnienia:
9.3.5 Obliczenie wskaźnik osłabienia:
Przyjmuję wartość ώ = 2
9.3.6 Obliczenie współczynnika kształtu:
yw = 2,92
9.3.7 Obliczenie grubości ścian dennic
Grubość ścianki przyjęto gD= 4∙10-3
|
k = 14,3*107 [N/m2]
Zr = 0,0108
d = 0,143 [m]
ώ = 2
yw = 2,92
|
c2 = 0,001m Dw = 1,4 m pow = 101325 Pa k = 14,3 ∙ 107 N/m2 g = 5 ∙ 10-3 m
c2 = 0,001m Dw = 1,4 m pow = 101325 Pa k = 14,3 ∙ 107 N/m2 g = 4 ∙ 10-3 m
|
9.4 Wyznaczenie największej średnicy otworu w płaszczu i w dennicach zbiornika niewymagającej wzmocnienia
d2=0,35∙Dz d3=0,2∙Dz
9.4.1 Wyznaczenie największej średnicy otworu w płaszczu zbiornika niewymagającej wzmocnienia
Współczynnik wytrzymałościowy wynosi:
Przyjmujemy, że największa średnica otworu nie wymagająca wzmocnienia wynosi:
dmp =0,143 m
9.4.2 Wyznaczenie największej średnicy otworu w dennicach zbiornika niewymagającej wzmocnienia
Współczynnik wytrzymałościowy wynosi:
Średnica dennicy nie wymagającej wzmocnienia:
Przyjmujemy, że największa średnica otworu nie wymagająca wzmocnienia wynosi:
dmd =0,282 m |
dmp =0,143 [m]
dmd =0,282 [m] |
Dnom=1,4 [m] |
9.5.Dobór kołnierza do płaszcza
Dobrano kołnierz przypawany z szyjką wg PN-67/H-74722 dla średnicy nominalnej zbiornika Dnom=1,4 [m]
|
Dz=1,675 [m] dz =1,42 [m] D0=1,59 [m] D1=1,525 [m] D2=1,46 [m] g=0,042 [m] d0=0,042 [m] |
Pnom=1,6 [MPa] |
9.6. Dobór włazu
Właz i pokrywę dobrano wg BN-83/2211-25/02 Właz z pokrywą rodzaju PZ dla ciśnienia nominalnego Pnom=1,6 [MPa]
|
Dnom=0,400[m]
|
dz=0,43 [m] |
9.6 Wyznaczenie wymiarów blachy wzmacniającej właz
Największa średnica otworu nie wymagająca wzmocnienia wynosi 0,28[m], dobrany otwór na właz ma średnicę dz=430 mm zatem wymagane jest wzmocnienie
Powierzchnia pierścienia musi być, co najmniej równa powierzchni otworu. Zatem powierzchnia otworu wynosi:
a zewnętrzna średnica pierścienia wynosi:
Grubość pierścienia g=0,005 m jest równa grubości blachy części walcowej
|
F = 0,145 [m2]
dzw =0,850[m]
g=0,005 [m] |
Dz=1.41 [m] Dw=1.4 [m] H=1.86 [m]
dw=0.03[m]
M=1598,43 [kg]
|
9.7.Dobór króćców
Dobór króćca wlotowego zgodnie z normą BN-76/2211-40 przyjmujemy króciec o Dnom=0,125 [m], Hkr=0,277 [m] oraz Pnom=1,6 [MPa]
Dobór króćca wylotowego zgodnie z normą BN-76/2211-40 przyjmujemy króciec o Dnom=0,125 [m], Hkr=0,277 [m] oraz Pnom=1,6 [MPa]
jak wyżej, nie trzeba wzmacniać otworu pod króciec gdyż jego średnic jest mniejsza od 0,28 [m]
9.8. Dobór dławika Dobieram dławik odmiany W2 o średnicy 30[mm]
10. Obliczenia masy aparatu wraz z magazynowana emulsja 10.1 Masa części cylindrycznej
mcyl= 322 [kg]
10.2 Masy poszczególnych elementów:
Masa dennicy wg PN-69/M-35413 md=103[kg]
Masa króćca włazu wg BN-83/2211-25.01 mw=83,1 [kg]
Masa kołnierza wg PN-67/H-74722 mk=114 [kg]
Masa króćca wg BN-76/2211-40 mkr=5,95 [kg]
Masa wału:
mwal= mwal=7,65 [kg] Masa mieszadła wg BN-84/2225-13 mmiesz= 7,17 [kg] Masa stojaka S-425 wg BN-75/2225-02 mst=68 [kg] Masa dławika wg BN-74/2225-04 mdl= 11 [kg] Masa sprzęgła wg BN-81/2225-11 msp=6,9 [kg] Masa silnika i motoreduktora wg katalogu firmy Indukta msil=170 [kg] mmot=60 [kg]
Masa wprowadzonej emulsji me=749,7 [kg]
Masa aparatu z emulsją: M=mcyl+2mden+2mkr+mkoł+mwl+mwal+mmies+mst+mdl+msp+msil+ mmot+ me
M=3148,5 [kg]
10.3 Dobór łap Miarę obciążającą wyznaczamy ze wzoru:
Dobieram łapy wg BN-64/2252-01 o wielkości 180 [mm] i masie 9,1 [kg]
Wyznaczenie wielkości blachy wzmacniającej Pod łapy dobieram blachy wzmacniające wg normy BN-66/2212-08 o wymiarach 230mm·180mm·10mm Masa blachy wzmacniającej 3,25 [kg]
10.4 Wyznaczenie masy całego układu
Mukł=M+3·MŁ+3·Mblw= [kg]
|
]
mcyl= 322 [kg]
mwal=7,65[kg]
M=3148,5, [kg]
M0 = 1574,25 [kg]
Mukł=3185,3[kg] |
11. Spis oznaczeń
wymiarowych
c - naddatek grubości [m]
c1 - naddatek grubości na minusową odchyłkę blachy [m]
c2 - naddatek grubości na korozję [m]
c3 - naddatek grubości ze względu na dodatkowe naprężenia [m]
d - największa średnica otworu nie wymagająca wzmocnienia w dennicy [m]
dw - średnica wału [m]
g - rzeczywista grubość ścianki cylindra [m]
gd -rzeczywista grubość ścianki dennic [m]
go - obliczeniowa grubość ścianki płaszcza [m]
grzd - grubość ścianki dennic z naddatkami [m]
hd - wysokośc dławika [m]
md - masa dennic [kg]
mkr - masa króćców [kg]
mc - masa fazy ciagłej (woda) [kg]
me - masa emulsji [kg]
mr - masa fazy rozpraszającej (olej) [kg]
mcyl - masa części cylindrycznej [kg]
mden - masa dennicy [kg]
mdl - masa dławika [kg]
mkoł - masa kołnierza przyłączeniowego [kg]
mkr - masa króćca [kg]
mmiesz - masa mieszadła [kg]
mpł - masa całego połączenia kołnierzowego (dwóch kołnierzy) [kg]
msil - masa silnika [kg]
msp - masa sprzęgła [kg]
mst - masa stojaka [kg]
mwal - masa wału [kg]
n - liczba obrotów [obr/s]
s - szybkość korozji [m/rok]
B - szerokość przegrody [m]
Dw - średnica wewnętrzna mieszalnika [m]
Dz - średnica zewnętrzna mieszalnika [m]
Ge- masa emulsji [kg]
H - wysokość mieszalnika [m]
Hd - wysokość dennicy [m]
He - wysokość napełnienia mieszalnika [m]
Hz- wysokość części wyoblonej dennicy [m]
I - moment bezwładności [kg·m2]
M - masa mieszalnika bez łap [kg]
Mblw - masa blachy wzmacniającej pod łapy [kg]
MŁ - masa łap [kg]
Mo - masa obciążająca łapy [kg]
Ms - moment skręcający wału [N/m]
Mukł - masa całego układu [kg]
N - moc mieszania [W]
N0 - moc tracona na dławiku [W]
Nw - moc na wale mieszadła [W]
Pow - ciśnienie [Pa]
Sc - grubość uszczelnienia dławika [m]
V - pojemność mieszalnika [m3]
Vc - objętość fazy ciągłej [m3]
Ve - objętość emulsji [m3]
Vr - objętość fazy rozpraszanej [m3]
Xe - współczynnik bezpieczeństwa [m3]
ηc - lepkość fazy ciągłej [Pa·s]
ηe - lepkość emulsji [Pa·s]
ηr - lepkość fazy rozpraszającej [Pa·s]
- gęstość fazy ciągłej [kg/m3]
- gęstość emulsji [kg/m3]
- gęstość fazy rozpraszającej [kg/m3]
- gęstość stali [kg/m3]
σ - napięcie powierzchnowe [N/m2]
- okres eksploatacji mieszalnika [rok]
bezwymiarowe oznaczenia
a - współczynnik
i - inwariant podobieństwa geometrycznego
k - naprężenie dopuszczalne
xc - ułamek objętościowy fazy ciągłej
xr - ułamek objętościowy fazy rozpraszanej
yw - współczynnik kształtu dna
z - współczynnik wytrzymałościowy szwu
Re0 - liczba Reynolds'a
Zr - współczynnik wytrzymałościowy
- nominał objętościowy
- wskaźnik osłabienia
12. Spis norm i literatura
Pikoń J., Podstawy Konstrukcji Aparatury Chemicznej, PWN, Warszawa, 1979.
Pikoń J., Atlas Konstrukcji Aparatury Chemicznej, PWN, Warszawa, 1981.
Stręk F., Mieszanie i mieszalniki, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1971.
Normy:
BN-64/2252-01
BN-64/2221-02
BN-65/2002-02
BN-66/2212-08
BN-73/2225-02
BN-74/2225-04
BN-75/2225-02
BN-81/2225-11
BN-84/2225-13
PN - 66/M-35412
PN - 66/M-35413
PN-67/H-74721
PN-67/H-74722
5