POLITECHNIKA POZNAŃSKA

WYDZIAŁ TECHNOLOGII CHEMICZNEJ

INSTYTUT TECHNOLOGII I INŻYNIERII CHEMICZNEJ

ZAKŁAD INŻYNIERII I APARATURY CHEMICZNEJ

MIESZALNIK

Projekt wykonany w ramach zajęć z maszynoznawstwa

Justyna Jankielewicz

Studia dzienne magisterskie 2006/2007 na kierunku Technologia Chemiczna

Temat: Zaprojektować mieszalnik do emulgowania oleju o lepkości ŋ [cP] i gęstości ρ [kg/m^3] w wodzie o temperaturze t[°C]. Masa produktu przy zadanym nominale objętościowym oleju w emulsji φe wynosi Ge [kg]. ŋ=1500 ρ=750 φe=0,2 t=20 Ge=1000

Uwagi:

Spis treści

1. Charakterystyka techniczna aparat 4

1. Temat projekt 4

2. Dane projektowe 4

3. Rozeznanie mediów roboczych 4

4. Rozeznanie funkcji technologicznej aparatu 4

5. Parametry fizykochemiczne mediów roboczych 4

6. Rozwiązania konstrukcyjne aparatu (zbiornika) 4

7. Rozwiązania konstrukcyjne mieszadła 4

8. Dobór materiału konstrukcyjnego 4

9. Łapy/podpory 4

2. Obliczenia statyki procesu 5

1. Podstawowe parametry fizykochemiczne mediów w temp. 5

2. Bilans masowy 5

1. Średnia gęstość emulsji 5

2. Objętość emulsji 5

3. Objętość wody 5

4. Objętość oleju 5

5. Masa wprowadzonego oleju 5

6. Masa wprowadzonej wody 6

7. Masa emulsji 6

3. Obliczenie pojemności oraz wymiarów zbiornika 6

1. Średnica i wysokość napełnienia 6

2. Pojemność zbiornika 6

4. Obliczenia mieszadła 6

1. Geometria 6

2. Zestawienie inwariantów geometrycznych 7

3. Dobór przegród 7

4. Nominalnie obroty mieszadła 7

5. Moc mieszania 7

6. Moc na wale mieszadła 8

5. Obliczenia wału 8

1. Moment skręcający wał 8

2. Dobór materiału 8

3. Średnica wału 8

4. Obliczenie momentu bezwładności 8

6. Moc silnika 9

1. Grubość uszczelnienia dławika 9

2. Wysokość dławika 9

3. Moc stracona na dławicy 9

4. Moc silnika 9

7. Dobór sprzęgła 9

8. Dobór podstawy pod napęd mieszadła 9

9. Obliczenia wytrzymałościowe 9

1. Obliczanie grubości ścianki (cylindra) 9

1. Naprężenia dopuszczalne „k” 10

2. Współczynnik wytrzymałości szwu „z” 10

3. Rzeczywista grubość ścianki (cylindra) 10

2. Obliczanie grubości ścianki dennicy górnej i dolnej 11

3. Obliczanie największej średnicy otworu nie wymagającej wzmocnienia 12

4. Dobór kołnierza przyłączeniowego 12

5. Dobór króćców 12

6. Dobór dławika 12

7. Obliczanie masy aparatu wraz z magazynowana emulsją 12

1. Masa części cylindrycznej 12

2. Masa dennic 12

3. Masa wału 13

4. Masa mieszadła 13

5. Masa stojaka 13

6. Masa dławika 13

7. Masa sprzęgła 13

8. Masa silnika 13

9. Masa aparatu z emulsją 13

8. Dobór łap 13

10. Wyznaczenie masy całego układu 13

11. Spis oznaczeń 14

12. Spis norm i literatura 16

1. Charakterystyka techniczna aparatu

1.1 Temat projektu.

Zaprojektować mieszalnik do emulgowania oleju o lepkości η [cP] i gęstości ρ w wodzie o temperaturze t [°C]. Masa produktu przy zadanym nominale objętościowym oleju w emulsji φ_e wynosi G_e [kg].

1. Dane projektowe

η= 1500 [cP] ρ=750 [kg/m³] t=20 [°C] φ_e=0,2 G_e=1000[kg].

2. Rozeznanie mediów roboczych:

Faza zwarta, rozpraszająca - fazą zwartą jest woda.

Faza rozpraszana - faza rozpraszaną jest olej.

3. Rozeznanie funkcji technologicznej aparatu.

Aparat służy do wytwarzania emulsji typu „olej w wodzie”.

4. Parametry fizykochemiczne mediów roboczych.

Własności wody (t=20 [°C])

ρ _w=998,2 [kg/m³]

η_w= 10,00·10^-4 [Pa·s]

Własności oleju (t=20 [°C])

ρ _o=750 [kg/m³]

η_o= 1500 [cP] = 1500·10^-3 [Pa·s]=1,5 [Pa·s]

5. 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.

6. Rozwiązanie konstrukcyjne mieszadła.

Zastosowano mieszadło śmigłowe trójłopatkowe wg BN-84-2225-13. Wał mieszadła umieszczony jest od góry osiowo w zbiorniku.

7. Dobór materiału konstrukcyjnego.

Mieszalnik zbudowano ze stali węglowej St2S.

8. Łapy / podpory

Zastosowano 3 łapy.

Dane	Obliczenia	Wyniki
ρc=998,2[kg/m^3] ρr=750 [kg/m^3] ηc=10^-3 [Pa·s] ηr=1,5 [Pa·s] =0,2 Ge=1000 [kg] xC= 0,7 xr= 0,3 ρe =923,74[kg/m^3] Vr = 0,324 [m^3] r=750 [kg/m^3] Vc = 0,756 [m^3] c=998,2[kg/m^3] mr=243 [kg] mc=754,64 [kg] Ve = 1,08[m^3] Dw=1,2 [m] He=1,2 [m] Dw=1,2 [m] H=1,6 [m] Dw=1,2[m] Dw=1,2 [m] d=0,4[m] ρr=750[kg/m^3] ρc=998,2[kg/m^3] ηc=10^-3 [Pa·s] ηr=1,5 [Pa·s] Dw=1,2 [m] σ=72,6·10^-3[N/m^2] i=0,92 =427300 [Pa·s] d=0,4[m] ρe =923,74[kg/m^3] Eu=0,3 d=0,4[m] ρe =923,74[kg/m^3] n=4,67[obr/s] N=289,02 [W] k1=1 k2=1 k3=2,5 Nw=722,55 [W] n=4,67 Re=22·10^7[N/m^2] Xe=1,8 c3=0[m] c1=0,8*10^-3[m] s=0,0001[m/rok] =10[lat] c1=0,8*10^-3[m] c2=0,001[m] Ms=25,22 [N/m] ks=7,3·10^7 c=0,0018[m] dw=0,03 [m] dw=0,03 [m] dc=0,03 [m] Sc= 7,62·10^-3 [m] n=4,67 dw=0,03 [m] Sc= 7,62·10^-3 [m] hd=0,0762 [m] Pow=101325 [Pa] Nw=722,55[W] N0= 6,49 [W] =0,85 Dw=1,2 [m] Pow=101325 [Pa] g0=5,4·10^-4[m] g0=5,4·10^-4[m] c=0,0015 [m] Dw=1,2 [m] Pow=101325 [Pa] gd=0,002 [m] Hd=0,3 [m] Hz= 0,302 [m] Dz= 1,204 [m] gd=0,002 [m] gd=7,9·10^-4[m] c=0,0015 [m] k= 12,2·10^7 [N/m] Dw=1,2 [m] Pow=101325 [Pa] grzd=0,0015 [m] c2=0,001 [m] a=1 Dw=1,2 [m] Zr=0,54 grzd=0,0015 [m] c2=0,001 [m] Dz= 1,204 [m] Dz= 1,204 [m] Dw=1,2 [m] H=1,6 [m] ρst=7850 [kg/m^3] dw=0,03 [m] M=1681,88[kg] M=1681,88[kg] MŁ=6,3 [kg] Mblw=3,25 [kg]	2. Obliczenia statyki procesu 2.1.Podstatowe parametry fizykochemiczne mediów e=948,56 [kg/m^3] 2.2. Bilans masowy 2.2.1 Średnia gęstość emulsji ρe = ρcּxc+ ρrּxr ρe = 998,2ּ0,7 + 850ּ0,3 ρe = 923,74 [kg/m^3] 2.2.2. Objętość emulsji Ve = Ve = Ve = 1,08[m^3] 2.2.3. Objętość wody Vc= xCּ Ve Vc = 0,7ּ 1,08 Vc= 0,756 [m^3] Objętość oleju Vr= xrּ Ve Vr = 0,3ּ 1,08 Vr = 0,324 [m^3] Masa wprowadzonego oleju mr=ρr·Vr mr=243 [kg] 2.2.6. Masa wprowadzonej wody mc= ρc·Vc mc=754,64 [kg] 2.2.7. Masa emulsji me=mr+mc me=997,64 [kg] Obliczanie pojemności i wymiarów zbiornika 3.1 Średnica i wysokość napełnienia Dw=1,11[m] Zgodnie z normą BN-64/2221-02 przyjmuję Dw=1,2 [m] Dw=He H= H=1,6 [m] 3.2 Pojemność zbiornika V=1,81[m^3] Obliczenia mieszadła 4.1. Geometria = 3 d= =0,4[m] Zgodnie z normą BN-84-2225-13 dobieram mieszadło śmigłowe trójłopatkowe o d = 0,4 Zestawienie inwariantów geometrycznych Dobór przegród B= 0,1Dw B=0,12[m] Dobieram 4 przegrody o szerokości B Nominalnie obroty mieszadła Obliczam liczbę Reynolds'a dla mieszadła turbinowego =427300 Obliczam ilość obrotów mieszadła na sekundę n=4,34 [obr/s] Zgodnie z normą BN-84/2225-13 dobieram szybkość obrotów mieszadła n=4,67[obr/s] Moc mieszania Na podstawie wykresu charakterystyki mocy mieszadeł śmigłowych: Eu=f(Re) wyznaczam Eu, dla zbiornika 4 przegrodami. Eu=0,3 N=Eu·n^3·d^5·ρe N=289,02 [W] Moc na wale mieszadła Nw=k1·k2·k3·N Nw=722,55[W] Obliczenia wału Moment skręcający wału Ms= Ms=25,22[N/m] Dobór materiału wału dla stali ST2 Re= 22·10^7 [N/m^2] k= k= 12,2·10^7 [N/m^2] ks=0,6·k ks=7,3·10^7 Obliczam naddatek grubości c1-naddatek na minusowy odchył blachy c2-naddatek na korozje c2=0,001[m] Obliczam c c=0,0018[m] Średnica wału dw=1,71 dw=0,014 [m] Zgodnie z normą BN-74/2225-04 dobieram średnicę wału dw=0,03[m] 5.4 Obliczenie momentu bezwładności I= I=3,9*10^-8[kg·m^2] Moc silnika 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= 6,49 [W] 6.4 Moc silnika Ns= Ns= 857,7 [W] Z katalogu firm indukta dobieram silnik mSSg 100L-8A o mocy 0,90 [kW] n1= 900[Obr/min]. Do silnika dobieram przekładnie IEC 63 - RCV 252 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 9. Obliczenia wytrzymałościowe Obliczenie grubości ścianki g0 (cylindra) a-współczynnik przyjmuję z normy dla a=1 9.1.1. Naprężenia dopuszczalne „k” k= k= 12,2·10^7 [N/m] Obliczenie współczynnika wytrzymałości (z) dla jednostronnego złącza doczołowego podpawaniem, dla którego z=1Zdop z=1*Z­dop gdzie: Z­dop­ - współczynnik zakładu spawającego, przyjmuję Z­dop=0,8 z=1,0*0,8 z=0,8 Ostatecznie otrzymuje g0=5,4·10^-4[m] Rzeczywista grubość ścianki g (cylindra) g=g0+c [m] gdzie c=c1+c2+c3 [m] c1 - naddatek grubości na minusową odchyłkę blachy=0,0005 [m] c2 - naddatek grubości na korozję c2=s·τ c2=0,0001·10=0,001 [m] c3 - naddatek grubości na dodatkowe naprężenia wynoszą 0 c=0,0005+0,001+0=0,0015 [m] g=g0+c [m] g= 2,04·10^-3 [m] Według normy BN-65/2002-02 przyjmuję g=0,005 [m] 9.2 Obliczenie grubości ścianki dennicy dolnej i górnej. Przyjmuję dennice elipsoidalną wg normy PN - 66/M-35412 gd= [m] Współczynnik wytrzymałości złącza dla dennicy tłoczonej z jednego arkusza blachy nie wymagającego spawania wynosi z=1 Zakładam, że gd=0,002 [m] Wyznaczam średnicę zewnętrzną dna Dz=Dw+2gd Dz= 1,204 [m] Wyznaczam wysokość części wyoblonej dennicy Hz=Hd+gd Hz= 0,302 [m] = =0,25 Wartość współczynnika ω obliczam ze wzoru ω = zakładam otwór w dennicy d=0,12 [m] (10% z średnicy ogólnej) ω= 1,99 2 dla wyznaczonych oraz ω odczytuje z tablicy wartość współczynnika y wg wzoru: y=f( ) y=3,21 gd=7,9·10^-4[m] Obliczam grubość ścianki dennic z naddatkami grzd=gd+c grzd=2·10^-3 [m] 9.3 Największa średnica otworu nie wymagająca wzmocnienia w dennicy Zr=0,87 Największa średnica otworu dla dennicy wyznaczam jako najmniejszą wartość z trzech zależności: d=0,81 d=0,035 [m] d=0,35Dz [m] d=0,42 [m] d=0,2 [m] Największa średnica otworu nie wymagająca wzmocnienia w płaszczu wynosi d=0,035 [m] 9.4 Dobór kołnierza przyłączeniowego Przyjmuję dwa kołnierze przyłączeniowe według PN-67/H-74722 o średnicy nominalnej 1200 [mm] i masie 173 [kg] do mocowania potrzebne jest 32 śruby M36. 9.5 Dobór króćców Korzystając z normy PN-67/H-74721 przyjmuję dwa króćce (wlotowy i wylotowy) i rury stalowe o średnicy dz=33,5 [mm] i długości 100 [mm] o masie 0,73 [kg] 9.6. Dobór dławika Dobieram dławik odmiany W2 o średnicy 30[mm] 9.7. Obliczenia masy aparatu wraz z magazynowana emulsja 9.7.1 Masa części cylindrycznej mcyl= 94,86[kg] 9.7.2. Masa dennic wg PN - 66/M-35413 mden=74·2=148 [kg] 9.7.3. Masa wału mwal= mwal=6,7 [kg] 9.7.4. Masa mieszadła wg BN-84/2225-13 mmiesz= 7,17 [kg] Masa stojaka S-425 wg BN-75/2225-02 mst=68 [kg] 9.7.6. Masa dławika wg BN-74/2225-04 mdl= 9 [kg] 9.7.7. Masa sprzęgła wg BN-81/2225-11 msp=2,8 [kg] 9.7.8. Masa silnika wg katalogu firmy Indukta msil=23,6 [kg] 9.7.9. Masa aparatu z emulsją M=mcyl+ mden+mkr+mkoł+mwal+mmies+mst+mdl+msp+msil+me M=1681,88[kg] 9.7 Dobór łap Miarę obciążającą wyznaczamy ze wzoru: Dobieram łapy wg BN-64/2252-01 o wielkości 180 [mm] i masie 6,3 [kg] Najniższa grubość płaszcza nie wymagającego wzmocnienia wynosi 6 [mm]. Należy więc zastosować blachę wzmacniającą o minimalnej grubości 3 [mm] 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. Wyznaczenie masy całego układu. Mukł=M+3·MŁ+3·Mblw=1710,53 [kg]	e=948,56[kg/m^3] [Pa·s] ρe = 923,74 [kg/m^3] Ve = 1,08[m^3] Vc = 0,756 [m^3] Vr = 0,324 [m^3] mr=243 [kg] mc=754,64 [kg] me=997,64 [kg] Dw=1,11[m] He=1,2 [m] H=1,6 [m] V=1,81[m^3] d = 0,4[m] B=0,12[m] =427300 n=4,67[obr/s] N=289,02 [W] Nw=722,55[W] Ms=25,22[N/m] Re=22·10^7[N/m^2] c2=0,001[m] c=0,0018[m] dw=0,03[m] I=3,9*10^-8[kg·m^2] dc=0,03 [m] Sc= 7,62·10^-3 [m] hd=0,0762 [m] N0= 6,49 [W] Ns= 857,7 [W] g0=5,4·10^-4[m] c=0,0015 [m] g= 2,04·10^-3 [m] z=1 Dz= 1,204 [m] Hz= 0,302 [m] ω= 2 y=3,21 gd=7,9·10^-4[m] grzd=2·10^-3[m] Zr=0,87 d=0,035 [m] mcyl= 94,86[kg] mden=74·2=148 [kg] mwal=6,7 [kg] mmiesz= 7,17 [kg] mst=68 [kg] mdl= 9 [kg] msp=2,8 [kg] msil=23,6 [kg] M=1681,88[kg] Mukł=1710,53 [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]

d_w - średnica wału [m]

g - rzeczywista grubość ścianki cylindra [m]

g_d -rzeczywista grubość ścianki dennic [m]

g_o - obliczeniowa grubość ścianki płaszcza [m]

g_rzd - grubość ścianki dennic z naddatkami [m]

h_d - wysokośc dławika [m]

m_d - masa dennic [kg]

m_kr - masa króćców [kg]

m_c - masa fazy ciagłej (woda) [kg]

m_e - masa emulsji [kg]

m_r - masa fazy rozpraszającej (olej) [kg]

m_cyl - masa części cylindrycznej [kg]

m_den - masa dennicy [kg]

m_dl - masa dławika [kg]

m_koł - masa kołnierza przyłączeniowego [kg]

m_{kr -} masa króćca [kg]

m_miesz - masa mieszadła [kg]

m_pł - masa całego połączenia kołnierzowego (dwóch kołnierzy) [kg]

m_sil - masa silnika [kg]

m_sp - masa sprzęgła [kg]

m_st - masa stojaka [kg]

m_wal - masa wału [kg]

n - liczba obrotów [obr/s]

s - szybkość korozji [m/rok]

B - szerokość przegrody [m]

D_w - średnica wewnętrzna mieszalnika [m]

D_z - średnica zewnętrzna mieszalnika [m]

G_e- masa emulsji [kg]

H - wysokość mieszalnika [m]

H_d - wysokość dennicy [m]

H_e - wysokość napełnienia mieszalnika [m]

H_z- wysokość części wyoblonej dennicy [m]

I - moment bezwładności [kg·m²]

M - masa mieszalnika bez łap [kg]

M_blw - masa blachy wzmacniającej pod łapy [kg]

M_Ł - masa łap [kg]

M_o - masa obciążająca łapy [kg]

M_s - moment skręcający wału [N/m]

M_ukł - masa całego układu [kg]

N - moc mieszania [W]

N₀ - moc tracona na dławiku [W]

N_w - moc na wale mieszadła [W]

P_ow - ciśnienie [Pa]

S_c - grubość uszczelnienia dławika [m]

V - pojemność mieszalnika [m³]

V_c - objętość fazy ciągłej [m³]

V_e - objętość emulsji [m³]

V_r - objętość fazy rozpraszanej [m³]

X_e - współczynnik bezpieczeństwa [m³]

η­_c - lepkość fazy ciągłej [Pa·s]

η­_e - lepkość emulsji [Pa·s]

η­_r - 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

x_c - ułamek objętościowy fazy ciągłej

x_r - ułamek objętościowy fazy rozpraszanej

y_w - współczynnik kształtu dna

z - współczynnik wytrzymałościowy szwu

R_e0 - liczba Reynolds'a

Z_r - współczynnik wytrzymałościowy

- nominał objętościowy

- wskaźnik osłabienia

12. Spis norm i literatura

1. Pikoń J., Podstawy Konstrukcji Aparatury Chemicznej, PWN, Warszawa, 1979.

2. Pikoń J., Atlas Konstrukcji Aparatury Chemicznej, PWN, Warszawa, 1981.

3. Stręk F., Mieszanie i mieszalniki, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1971.

4. 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

9

---