Уменьшение энергозатрат при производстве поливинилацетатной дисперсии за счет уменьшения потребления энергии перемешивающим устройством

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Лакокрасочные материалы широко используются в полиграфии и в быту. Лидское ОАО «Лакокраска» является одним из крупнейших предприятий в лакокрасочной отросли химической промышленности республики.

Грубодисперсная гомополимерная поливинилацетатная дисперсия представляет собой продукт полимеризации винилацетата в водной среде в присутствии инициатора и защитного коллоида поливинилового спирта. В зависимости от состава и назначения выпускают следующие марки дисперсии:

– непластифицированная - Д51С, Д51В;

– пластифицированная - ДФ51/10С, ДФ51/15С, ДФ51/15В, ДФ51/15ВП, ДФ51/10СЛ, ДФ47/50В.

В обозначении дисперсии марок первые две цифры обозначают минимальное содержание сухого остатка до пластификации дисперсии, а последующие - содержание пластификатора в пересчете на сухой остаток в процентах. Буквенные индексы до цифр обозначают: Д - дисперсия, Ф - дибутилфталат или диизобутилфталат. Буквенные индексы после цифр обозначают: Н - низковязкая, С - средневязкая, В - высоковязкая, Л - лакокрасочная, П - полиграфическая. Она используется для производства лаков, так и как готовый продукт.

В табл. 1 представлены сферы применения поливинилацетатной дисперсии, где О - основное применение, Р - рекомендуемое применение.

Таблица 1 Сферы применения поливинилацетатной дисперсии

Марки	Бытовая химия	Вододисперсионные краски	Строительная промышленность	Клей для дерева	Клей для бумаги	Производство упаковок
Д51С	Р	О	Р	О	Р	О
Д51В	Р			Р	Р	О
ДФ51/10С	Р	О	Р	О	Р	Р
ДФ51/10СЛ		О		Р		Р
ДФ51/15С	Р		Р	О	Р	Р
ДФ51/15В				О	Р	Р
ДФ51/15ВП				Р	Р	Р

Цех по производству поливинилацетатной дисперсии непрерывным методом введен в эксплуатацию в середине шестидесятых годов. Количество технологических линий - одна.

Стандартизацию поливинилацетатной дисперсии проводят в реакторах - стандартизаторах. Эта стадия требует больших энергозатрат так как осуществляется длительное перемешивание дисперсии.

Реактор - стандартизатор имеет диаметр 2800 мм, высота 8385 мм, снабжен рамно - лопастным перемешивающим устройством. Передавливание стандартизированной дисперсии осуществляется при 0,3 МПа.

Целью проекта является уменьшение энергозатрат за счет уменьшения потребления энергии перемешивающим устройством. Поставленная цель может быть достигнута заменой существующих мешалок на новые меньших размеров.

1. Аналитический обзор

Наибольшее распространение в химической промышленности получило перемешивание с введением в перемешиваемую среду механической энергии из внешнего источника [1].Механическое перемешивание осуществляется с помощью мешалок, которым сообщается вращательное движение либо непосредственно от электродвигателя, либо через редуктор или клиноременную передачу. Известны также мешалки с возвратно-поступательным движением, имеющие привод от механического или электромагнитного вибратора.

Наиболее важными характеристиками перемешивающих устройств являются:

– эффективность перемешивающего устройства;

– интенсивность его действия.

Эффективность перемешивающего устройства характеризует качество проведения процесса перемешивания и может быть выражено по-разному в зависимости от цели перемешивание. Например, в процессах получения суспензий эффективность перемешивания характеризуется степенью равномерности распределения твердой фазы в объеме аппарата; при интенсификации тепловых и диффузионных процессов - отношением коэффициентов тепло - и массопередачи при перемешивании и без него. Эффективность перемешивания зависит не только от конструкции перемащивающего устройства и аппарата, но и от количества энергии вводимой в перемешиваемую жидкость.

Интенсивность перемешивания определяется временем достижения заданного технологического результата или числом оборотов мешалки при фиксированной продолжительности процесса. Интенсификация процессов перемешивания приводит к уменьшению размеров проектируемой аппаратуры и увеличению производительности действующей.

Для экономичного проведения процесса перемешивания желательно чтобы требуемый эффект перемешивания достигался за более короткое время. При оценке расхода энергии перемешивания желательно, чтобы требуемый эффект перемешивания учитывал общий расход энергии за время, необходимое для его достижения.

1.1 Обзор современных конструкций перемешивающих устройств для вязких сред

Механические мешалки разделяют по устройству лопастей на следующие группы [1]:

– лопастные - с плоскими лопастями;

– пропеллерные - с винтовыми лопастями;

– турбинные;

– специальные (якорные и др.).

Лопасти пропеллерных мешалок (рис. 1.1) по профилю судового винта, то есть с постепенно меняющихся наклоном, почти от 0° у оси до 90° на конце лопасти.

Пропеллерная мешалка

Рис. 1.1

Вращаясь в жидкости, лопасти действуют наподобие винта, а жидкость, окружающая пропеллер, как бы является гайкой и перемещается в направлении оси мешалки. Это осевое движение складывается с круговым перемещением жидкости, благодаря чему возникает ее винтовое движение. Если винтовая поверхность пропеллера правая, а вращение его происходит по часовой стрелке, то осевое движение жидкости направлено вверх и в сосуде возникает циркуляция жидкости, показанная на рис. 1.2.

Циркуляция перемешивающей среды

Рис.1.2

Пропеллер имеет обычно три лопасти, причем на вертикальном валу, в зависимости от высоты слоя жидкости, устанавливают один или несколько пропеллеров Диаметр лопасти пропеллера равен 0,25 - 0,3 диаметра аппарата. Скорость вращения пропеллера составляет 160 - 1000 об/мин.

Пропеллерные мешалки создают более интенсивные осевые потоки жидкости, чем лопастные, и, следовательно, более интенсивно перемешивают жидкость. Перемешивание пропеллерными мешалками улучшается при установке в аппарате отражательных перегородок или диффузора - короткого цилиндрического (иногда слегка конического) стакана, в котором помещается пропеллер (рис. 1.3). Диффузор направляет циркуляцию жидкости в осевом направлении и благоприятно

Пропеллерная мешалка с диффузором

Рис. 1.3

влияет на перемешивание в аппаратах с большим отношением высоты к диаметру, а также в аппаратах со змеевиками и другими внутренними устройствами.

Достоинства пропеллерных мешалок:

– интенсивное перемешивание;

– невысокая стоимость.

Недостатки пропеллерных мешалок:

– малая эффективность перемешивания вязких жидкостей;

– ограниченный объем интенсивно перемешиваемой жидкости.

Пропеллерные мешалки применяются главным образом для следующих целей:

– интенсивное перемешивание маловязких жидкостей;

– взмучивание осадков, содержащих до 10% твердой фазы, состоящей из частиц размером до 0,15 мм.

Пропеллерные мешалки перемешивают жидкость быстрее и интенсивнее лопастных мешалок, при умеренном расходе энергии, превышающем, однако, расход ее для лопастных мешалок.

Пропеллерные мешалки пригодны для проведения непрерывных процессов, но неприменимы для гомогенного смешивания, для смешивания вязких жидкостей (более 6000 спз), а также для смешивания жидкостей с твердыми веществами большой плотности.

Для улучшения перемешивания были изобретены более совершенные формы лопастей [2]. Сущность изобретения состоит в том, что рабочий орган содержит вал 1 с закрепленной на нем лопастью 2 в виде односторонней поверхности типа листа Мебиуса, с помощью ступицы 3 (рис. 1.4). Где на рис. 1.4 (а) и рис. 1.4 (а) изображены два вида пропеллерной мешалки; на рис. 1.4 (в) показана схема расположения лопастей; на рис. 1.4 (г) показан разрез, на котором четко виден способ крепления лопастей к валу; на рис. 1.4 (д,е) показано расположение и углы поворота лопастей перемешивающего устройства. Оно отличается тем, что развертка листа лопасти на плоскость, параллельную оси вала, представляет собой двухлепестковый элемент, причем каждый лепесток выполнен в виде кольца, кольца расположены на одной оси и соединены своими краями в одном центре, а противоположные края элемента образуют четыре торца.

Перемешивающий орган

Рис.1.4

Попарно противоположные торцы соединены на валу друг с другом по разные стороны от центра элемента параллельно оси вала.

Разработан орган смесителя, содержащий лопасти, прикрепленные своими торцами о двух местах к центральному валу [3]. Лопасти имеют арочную конструкцию и закручены на 90° по своим торцам, образуя одностороннюю поверхность (типа листа Мебиуса). Развертка лопастей, выполненных заодно друг с другом, т.е. двух лопастей на плоскости, представляет собой S-образную фигуру с прямолинейным участком у места крепления лопастей к валу и закругленными участками по концам фигуры. В данной конструкции решается проблема повышения эффективности смешивания ингредиентов.

На рис 1.5 (а) представлена конструктивная схема рабочего органа для эффективного 5 смешения ингредиентов; на рис 1.5 (б) - вид А на рис 1.5 (а); на рис 1.5 (в) - развертка лопастей на плоскость чертежа и свернутая поверхности лопастей рабочего 10 органа; на рис 1.5 (г, д) - технология свертки концов развертки на рис 1.5 (в).

Рабочий орган смесителя (рис 1.5, а) содержит вертикальный вал 1 с осью 2 и условной 20 миделевой плоскостью 3, на котором закреплены лопасти 4 и 5, выполненные в виде односторонних поверхностей. В лопастях 4 и 5 (в их средней части) имеются отверстия 6 и 7: плоскость 3 расположена в месте наибольшей ширины рабочего органа. На виде сверху (рис 1.5,б) рабочий орган имеет вид восьмерки. Развертка лопастей 4 и 5 на плоскость, совпадающую с осью вала (рис 1.5, в), представляет собой х-образную фигуру с 30 центральным участком для закрепления на валу 1. Вокруг средней линии 8 торец T₁ элемента 9 лопасти 4 (рис 1.5, г) скручивается против часовой стрелки на 90° и соединяется с торцом Т₂ элемента 10 лопасти 4, повернутым по часовой стрелке на 90° вокруг средней линии 8, так что точки b₁ и а₂, а также точки a₁ и а₂ соединяются друг с другом. Вокруг средней линии 8 (рис 1.5, д) торец Т₂ элемента 11 лопасти 5 скручивается по часовой стрелке на 90° и соединяется с торцом Т₄ элемента 12 лопасти 5, повернутым против часовой стрелки на 90° вокруг средней линии 8, так что точки b₃ и a₁, а также точки а₃ и b₄ соединяются друг с другом. В плоскости 3 (рис 1.5, в) получается переход с верхней поверхности элемента 9 лопасти 4 на нижнюю поверхность элемента 10 лопасти 4 и наоборот; внешняя кромка 13 переходит во внутреннюю кромку 14, а внутренняя кромка 15 переходит во внешнюю кромку 16, а также получается переход с верхней поверхности элемента 11 лопасти 5 на нижнюю поверхность элемента 12 лопасти 5 и наоборот; внешняя кромка 17 переходит во внутреннюю кромку 18, а внутренняя кромка 19 переходит во внешнюю кромку 20. Таким образом, угол установки сечений лопастей 4 и 5 возрастает от 0° у оси 2 до 90° а плоскости 3. а затем убывает от 9° до 0° у оси 2.

Рабочий орган работает следующим образом.

Рабочему органу с валом 1 и лопастями 2, 5 сообщают вращение (с соответствующей угловой скоростью) относительно оси 2 вала 1. В первый момент времени работы на кромках 13-16 лопасти 4 и кромках 17 - 20 лопасти 5 образуется система парных вихрей с одинаковыми интенсивностями, но противоположных по направлению вращения, т.е. Г₁ = - Г₂ и Г₃ = - Г₄. Но вихревой шнур не может оканчиваться внутри среды: он либо замкнут, либо оканчивается на твердой поверхности. Так как лопасти рабочего органа смесителя односторонние, то шнуры замыкаются на себя, образуя систему парных замкнутых пространственных вихревых шнуров, ориентированных вдоль односторонней поверхности рабочего органа, которая так - же способствует удержанию вихревых шнуров на себе.

Вихревые шнуры, имея разные направления вращения, движутся навстречу друг другу вдоль односторонней поверхности, вовлекая в движение все новые и 25 новые смеси 21. Таким образом, система парных замкнутых пространственных вихревых шнуров инициирует и осуществляет процесс смешения смеси на самом

Лопастная мешалка

Рис.1.5

рабочем органе, точнее на поверхностях лопастей 4 и 5.

Рабочий орган отличается тем, что развертка лопастей на плоскость, в которой расположена ось вала, имеет форму X, а лопасти прилеплены к валу центральной своей частью.

Для сред с большой вязкостью более пригодны турбинные мешалки чем пропеллерные. Турбинные мешалки бывают двух типов: открытые (рис. 1.6, а и б) и закрытые (рис. 1.6, в), имеющие лопастное колесо с каналами (наподобие рабочего колеса центробежного насоса). Турбинные мешалки работают при 100 - 350 об/мин и производят интенсивное перемешивание жидкости.

Открытые турбинные мешалки представляют собой, по существу, усовершенствованную конструкцию простых лопастных мешалок. Вращение нескольких лопастей, расположенных под углом к вертикальной плоскости, создает наряду с радиальными потоками осевые потоки жидкости, что способствует интенсивному перемешиванию ее в больших объемах. Интенсивность перемешивания возрастает при установке в сосуде отражательных перегородок. Закрытые турбинные мешалки обычно устанавливают внутри направляющего аппарата, который представляет собой неподвижное кольцо с лопатками, изогнутыми под углом 45 - 90° (рис. 1.6, в). Закрытые турбинные мешалки создают преимущественно радиальные потоки жид -

Турбинные мешалки

Рис.1.6.

кости при небольшой затрате кинетической энергии. Образующиеся радиальные потоки жидкости обладают достаточно большой скоростью и распространяются по всему сечению аппарата, достигая наиболее удаленных его точек. Жидкость входит в мешалку через центральное отверстие и выходит по касательной к колесу. В колесе жидкость плавно меняет направление от вертикального (по оси) до горизонтального (по радиусу) и выбрасывается из колеса с большой скоростью. При таком направленном и многократно повторяющемся в единицу времени движении жидкости достигается быстрое и эффективное перемешивание ее во всем объеме сосуда (рис. 1.7).

Для улучшения и ускорения перемешивания (что особенно важно в аппаратах непрерывного действия) применяют турбинные мешалки с лопастями или колесами, расположенными на различной высоте.

Достоинства турбинных мешалок:

– быстрота перемешивания и растворения;

– пригодность для непрерывных процессов.

Недостатком турбинных мешалок является сравнительная сложность и высокая стоимость изготовления. Области применения турбинных мешалок:

1) интенсивное перемешивание и смешивание жидкостей различной вязкости;

2) тонкое диспергирование и быстрое растворение;

3) взмучивание осадков, в жидкостях, содержащих 60% и более твердой фазы (для открытых мешалок - до 60%); допустимые размеры твердых частиц: до 1,5 мм для открытых мешалок, до 25 мм для закрытых мешалок.

Аппарат с турбинной мешалкой

Рис. 1.7

Для перемешивания вязких сред также применяют специальные мешалки.

Для перемешивания вязких жидкостей и пастообразных материалов применяют так называемые якорные мешалки с лопастями, изогнутыми по форме стенок и днища сосуда (рис. 1.8). Якорные мешалки очищают стенки аппаратов от налипающего на них материала, благодаря чему улучшается теплообмен и предотвращаются местные перегревы перемешиваемых веществ.

Якорные мешалки

Рис.1.8

Барабанная мешалка (рис. 1.9) представляет собой лопастной барабан в виде так называемого беличьего колеса. Мешалки этой конструкции создают большую подъемную силу и потому весьма эффективны при проведении реакций между газом и жидкостью, а также при получении эмульсий, обработке быстро расслаивающихся суспензий и взмучивании тяжелых осадков.

Барабанная мешалка

Рис. 1.9

Рекомендуемые условия применения барабанных мешалок: отношение диаметра барабана к диаметру сосуда от 1:4 до 1:6, отношение высоты жидкости к диаметру барабана не менее 10.

Дисковые мешалки применяют для перемешивания небольших объемов. Для увеличения степени перемешивания было разработана дисковая мешалка [4], отличающаяся тем, что входные кромки зубцов-лопастей относительно продольной оси вала привода располагаются на разных радиусах своего вращения.

Специальные мешалки не применяются для перемешивания высоко вязких сред. Якорные потребляют много энергии, барабанные и дисковые не обеспечивают необходимой степени перемешивания.

Наиболее часто для перемешивания больших объемов высоковязких жидкостей применяются лопастные мешалки.

Простейшие лопастные мешалки имеют две плоские лопасти, установленные в вертикальной плоскости, т. е. перпендикулярно к направлению вращения (рис. 1.10).

Лопастные мешалки

Рис. 1.10

Лопасти укреплены на вертикальном валу, который приводится во вращение от зубчатой или червячной передачи и делает 12--80 об/мин. Диаметр лопастей составляет примерно 0,7 диаметра сосуда, в котором вращается мешалка. При малых числах оборотов мешалки жидкость совершает круговое движение, т. е. вращается по окружностям в горизонтальных плоскостях, в которых движутся лопасти. В этих условиях отсутствует смешивание различных слоев жидкости и интенсивность перемешивания низкая

Интенсивное перемешивание достигается в результате появления вторичных потоков и вихревого движения жидкости. Вторичные потоки возникают под действием центробежных сил, вызывающих движение жидкости в плоскости от центра сосуда к его стенкам. Вследствие этого в центре сосуда возникает пониженное давление, причем в область пониженного давления всасывается жидкость из слоев, лежащих выше и ниже лопасти. В результате в сосуде происходит циркуляция жидкости, показанная стрелками на рис. 1.11. Вторичные потоки, складываясь с основным круговым движением жидкости, создают сложное движение, при котором происходит интенсивное перемешивание отдельных слоев. Интенсивность перемешивания возрастает с увеличением числа оборотов; однако еще быстрее увеличивается мощность, потребляемая мешалкой.

Циркуляция жидкости при перемешивании лопастными мешалками

Рис. 1.11

При круговом движении жидкости на ее поверхности под действием центробежной силы образуется воронка (рис. 1.11), глубина которой возрастает с увеличением числа оборотов. Образование воронки ведет к ухудшению использования емкости сосуда.

Для каждого случая опытным путем можно найти оптимальное число оборотов, при котором достигается необходимая эффективность перемешивания. Дальнейшее увеличение числа оборотов вызывает излишний расход энергии.

Вихревое движение жидкость приобретает при установке в сосуде с мешалкой отражательных перегородок в виде вертикально поставленных полос (рис. 1.12). При обтекании жидкостью перегородок за ними образуется зона пониженного давления, в которой возникают вихри. При возрастании числа оборотов вихри отрываются от перегородок и движутся в направлении вращения лопасти. В случае дальнейшего увеличения числа оборотов возникает беспорядочное вихревое движение жидкости, при этом вихри соударяются друг с другом по всему объему жидкости. В этих условиях достигается высокая равномерность и интенсивность перемешивания. В то же время при наличии перегородок, препятствующих вращению всей массы жидкости, резко снижается глубина воронки. Обычно достаточно четырех симметрично установленных радиальных перегородок для улучшения перемешивания. Однако с установкой перегородок возрастает расход энергии на перемешивание.

Перемешивание жидкости в сосудах с перегородками

Рис. 1.12

Для лучшего перемешивания всего объема жидкости в сосуде на валу устанавливают несколько пар горизонтальных лопастей, т.е. применяют многолопастные, а также рамные мешалки (рис. 1.13), состоящие из нескольких горизонтальных и вертикальных, а иногда и наклонных плоских лопастей.

Рамная мешалка

Рис. 1.13

Рамные мешалки отличаются прочностью и пригодны для перемешивания вязких сред.

Достоинства лопастных мешалок:

1) простота устройства и дешевизна изготовления;

2) вполне удовлетворительное перемешивание вязких жидкостей.

Лопастные мешалки простого типа наиболее эффективны при перемешивании маловязких сред (до 100 спз).

Для перемешивания жидкостей с вязкостью свыше 2500 спз более пригодны рамные мешалки или лопастные мешалки в сосудах с отражательными перегородками.

Лопастные мешалки обеспечивают хорошее перемешивание при небольшом расходе энергии.

Разработана рамная мешалка с повышенной надежностью и низкой металлоемкостью [5] за счет изменения профиля лопасти мешалки.

Рамная мешалка

Рис. 1.14

Рамная мешалка (рис. 1.14) содержит ступицу 1. закрепленную на валу 2 перемешивающего устройства, .круглые лопасти 3 в виде изогнутой трубы, соединенные с помощью перемычки 4 со ступицей 1, пластины 5, прикрепленные в миделевом сечении лопасти 3 в виде изогнутой трубы и перемычки 4, пластины 6. установленные на лопастях 3 и перемычке 4 наклонно к горизонтальной и вертикальной плоскостям.

Рамная мешалка, установленная в корпусе аппарата, работает следующим образом.

При включении электродвигателя приводится в движение рамная мешалка. Ее периферийные лопасти 3 с приваренными пластинами 5 в миделевом сечении трубы создают, вращательное движение жидкости в аппарате. Происходит перемешивание реакционной массы с разделением пристенного слоя по высоте рамной мешалки на ряд слоев, пропорциональных числу пластин 5 периферийной лопасти и пластин перемычки. При вращении рамной мешалки внутри каждого такого слоя из-за изменения направления сил, действующих по длине продольных 5 и наклонных 6 пластин, создается крутящий момент, обусловливающий закручивание потока внутри слоя и образование вихревого шнура, который затем перемешивается с соседним по высоте слоем, обеспечивая при этом турбулизацию среды вдоль лопастей и корпуса аппарата. Такая конструкция наряду с обеспечением эксплуатационной надежности и снижением металлоемкости позволяет интенсифицировать процессы тепло - и массообмена во всем объеме аппарата.

Рамная мешалка, отличается тем, что лопасти выполнены в виде изогнутой трубы, наружная поверхность которой снабжена пластинами, прикрепленными в миделевом сечении трубы, и пластинами, установленными на лопастях и перемычке наклонно к горизонтальной и вертикальной плоскостям.

Разработано несколько устройств специально для перемешивания высоковязких сред.

Перемешивающее устройство [6] изображенное на рис. 1.15 включает корпус 1, крышку 2, имеющую люк 3, на фланцах которого размещен привод 4 с регулируемой частотой вращения, вал пустотелый 5 с прорезями, на котором с помощью пальцев 6 шарнирно установлены верхние двуплечие поперечные лопасти 7, короткие концы которых размешены в прорезах вала 5 и опираются на подпружиненный стакан 8. Продольные лопасти 9 с помощью пальцев 10 связаны с верхними двуплечими поперечными лопастями 7 и с нижними поперечными лопастями 14. Внутри пустотелого вала 5 размещены пружина 11 и втулка 12.

Перемешивающее устройство

Рис. 1.15

Устройство работает следующим образом.

Силовые воздействия пружины 11 через стакан 8 передаются коротким концам двуплечих поперечных лопастей 7, которые посредством продольных лопастей 9 поворачивают нижние поперечные лопасти 14 на одинаковый по величине угол относительно продольной оси вала. Причем по конструктивным соображениям минимальный угол между поперечными лопастями и продольной осью вала находится в пределах 10° (меньший угол невозможен из-за залегания продольных лопастей 9 на пальцы 6). В этом положении радиальный вылет лопастей становится существенно меньше диаметра люка 3. В таком положении вал монтируется в корпус 1 или извлекается из него. В этом же положении осуществляется запуск привода мешалки. После диспергирования осадка в непосредственной близости от выпускного отверстия 13 изменяют частоту вращения вала 5 в сторону ее увеличения. Под действием центробежных сил поперечные лопасти 7, 14, преодолевая сопротивление пружины 11, поворачиваются на угол до 90° и перемещают продольные лопасти 9 к стенкам корпуса (на чертеже это положение показано штриховыми линиями). При этом зона перемешивания увеличивается. При выключенном приводе вращения вала центробежная сила стремится к нулю и пружина 11 возвращает лопасти 7, 9, 14 в исходное положение (показано сплошными линиями).

Перемешивающее устройство, отличается тем, что поперечные лопасти в верхнем ряду выполнены двуплечими и короткими концами взаимодействуют с подпружиненным стаканом, размешенным внутри пустотелого вала, причем поперечные лопасти в верхнем и нижнем рядах установлены на валу с возможностью поворота относительно его продольной оси на угол от 10 до 90°.

Реактор для перемешивания высоковязких сред [ ].

На рис. 1.16 (а) изображен реактор, продольный разрез; на рис. 1.16 (б) - разрез А - А на рис. 1.16 (а).

Реактор содержит корпус 1 с патрубками 2 и 3 для ввода компонентов и вывода продукта, теплообменную рубашку 4, на корпусе на стойке 5 установлен привод (не показан), перемешивающее устройство, состоящее из вала 6. ступиц 7 и укрепленных на них ленточных спиралей 8 с продольными ребрами 9 и перегородками 10 в виде треугольников.

Реактор для перемешивания высоковязких сред

Рис. 1.16

Реактор работает следующим образом.

Через патрубок 2 загружаются исходные компоненты. Вал 6 с перемешивающим устройством приводится во вращательное движение (по часовой стрелке). Ленточные спирали 8 начинают перемещать обрабатываемую среду в верхнюю часть корпуса 1. Так как к наружным кромкам спиралей 8 прикреплены ребра 9. то среда, не стекая с поверхности спирали, полностью заполняет треугольный объем перемешивающего устройства до самой высоты ребер 9 и транспортируется (нагнетается) в верхнюю часть аппарата. В связи с тем, что на рабочей поверхности спирали установлены поперечные перегородки 10, при вращении перемешивающего устройства практически отсутствует скольжение (обратное движение) обрабатываемой среды. Таким образом, установка на ленточных спиралях ребер 9 и перегородок 10 обеспечивает интенсивное нагнетание и транспортировку обрабатываемой среды по высоте реактора.

1.2 Технология производства поливинилацетатной дисперсии

Грубодисперсная гомополимерная поливинилацетатной дисперсии представляет собой продукт полимеризации винилацетата в водной среде в присутствии инициатора и защитного коллоида поливинилового спирта.

Технологический процесс производства поливинилацетатной дисперсии (рис. 1.17) состоит из следующих стадий:

– подготовка сырья;

– приготовление раствора поливинилового спирта;

– приготовление водной фазы;

– полимеризация винилацетата;

– стандартизация: нейтрализация и пластификация дисперсии;

– фильтрация и разлив в тару.

На рис. 1.17 стадия 1 - это стадия приготовления раствора поливинилового спирта. Раствор готовится в трех реактора, которые, для обеспечения непрерывности, работают попеременно. В реакторы подается расчетное количество питьевой воды, затем включается мешалки и загружается сухой поливиниловый спирт. После происходит нагревание и при Т = 80 - 90°C происходит растворение поливинилового спирта в течение 2 - 12 часов.

Далее раствор перекачивается насосами в реакторы приготовления водной фазы (на рис. 1.17 стадия 2).Сюда же закачивается расчетное количество питьевой воды, далее самотеком из хранилища поступает муравьиная кислота. Вся масса перемешивается в течение 30 - 60 минут. Перед подачей на стадию полимеризации в эти реакторы подается сернокислое железо, после чего содержимое перемешивается еще 10 минут.

Далее водная фаза подается на стадию полимеризации (на рис. 1.17 стадия 3), которая производится на установке полимеризации, состоящей из пяти реакторов расположенных ступенчато, снабженных якорными мешалками. Полимеризаторы соединены между собой через верхнюю и нижнюю часть стенок короткими трубками - перетокоми.

В первый аппарат каскада подается водная фаза и винилацетат, в соотношении 100У70 - 100У100. Также сюда из хранилища через мерник подается перекись водорода.

Первый аппарат работает с интенсивной флегмой и без флегмы при температуре 73 - 78°C. Температура на каскаде полимеризаторов контролируется и регистрируется на пульте управления, а также по месту у каждого аппарата.

Второй аппарат работает с интенсивной флегмой при температуре 65 - 90°C. Если температура в аппарате самопроизвольно падает, то в рубашку аппарата подается горячая вода.

Третий аппарат по мере повышения температуры периодически охлаждают, подовая в рубашку холодную воду. Температура в аппарате поддерживается 70 - 95°C.

Четвертый и пятый аппарат работают со слабой флегмой или без флегмы. Подачей горячей воды в рубашки аппаратов температура в полимеризаторах поддерживается на уровне 70 - 85°C.

На каждом полимеризаторе каскада имеются холодильники, в которые подается вода на охлаждение при полимеризации и происходит конденсация паров винилацетата и возврат их в зону реакции.

Далее образовавшаяся дисперсия поступает на стадию стандартизации, где сначала ее нейтрализуют (рис. 1.17 стадия 4), а затем пластифицируют (рис. 1.17 стадия 5).

Нейтрализацию дисперсии проводят в реакторах - стандартизаторах вместимостью 20 м³, водным техническим аммиаком, подаваемым насосом из аппарата - хранилища.

Раствор аммиака 20 - 25% концентрацией вводится в стандартизаторы при работающей мешалке в течение 50 - 60 минут, после чего содержимое стандартизаторов перемешивают еще 30 минут и отбирают пробу для определения рН.

Для получения пластифицированной поливинилацетатной дисперсии в реакторы - стандартизаторы добавляют дибутилфталат, который подается насосом через счетчик из аппарата - хранилища. Подача дибутилфталата ведется в течение 0,5 - 1,0 часа при работающей мешалке при включенном разбрызгивающем устройстве. По окончании загрузки перемешивание ведут в течение 1 - 3 часа.

Готовая поливинилацетатная дисперсия из стандартизаторов под давлением воздуха поступает на фильтрацию (рис. 1.17 стадия 6).Фильтрация ведется с помощью фильтр - классификатора и фильтров тонкой очистки через сетку.

При сливе поливинилацетатной дисперсии проверяют вязкость, рН, внешний вид, массовую долю сухого остатка.

1.3 Объект реконструкции

Реактор - стандартизатор предназначен для нейтрализации поливинилацетатной дисперсии 20 - 25% водным техническим аммиаком. Также в нем можно проводить пластификацию дисперсии дибутилфталатом.

Реактор - стандартизатор (рис. 1.18) содержит привод 1,состоящий из электродвигателя и редуктора. Привод размещен на стойке 2 и стакане 3. Корпус аппарата состоит из цилиндрической обечайки 4, эллиптического днища 6 и крышки 5. Корпус аппарата охлаждается с помощью воды, подаваемой в рубашку 7. перемешивающее устройство состоит из рамной мешалки 8 и лопастных мешалок 9,установленных в несколько ярусов в стакане 10. Лопастные мешалки и рамная закреплены на консольной валу 11. Стакан 10 закреплен на опорах приваренных внутри к корпусу аппарата.

Конструкция реактора - стандартизатора

Рис. 1.18

Аппарат работает следующим образом.

Вал электродвигателя приводит в действие вал 11 перемешивающего устройства через дифференциальный редуктор, который понижает его частоту вращения. В аппарат подается поливинилацетатная дисперсия через нижний штуцер, из аппарата - хранилища через штуцер в крышки реактора подается раствор аммиака. При необходимости получения пластифицированной поливинилацетатной дисперсии через штуцер и разбрызгивающее устройство порциями подается дибутилфталат.

При перемешивании с помощью рамной мешалки 8 и лопастных мешалок 9 происходит турбулизация движения потоков перемешиваемой эмульсии. Стакан 10 предназначен для уменьшения размеров воронки, которая образуется при вращении трех лопастных мешалок 9.

Сам процесс нейтрализации и пластификации поливинилацетатной дисперсии занимает не более 4 - 6 часов. В тоже время процесс заполнения аппарата поливинилацетатной дисперсией составляет примерно 20 часов, а время слива готовой продукции составляет не менее 16 часов. Весь процесс заполнения реактора - стандартизатора поливинилацетатной дисперсией и слива готовой продукции происходит при работающим перемешивающем устройстве. Вследствие чего на процесс стандартизации поливинилацетатной дисперсии затрачивается большое количество энергии. Для уменьшения затрат энергии было предложено решения уменьшить размеры мешалок. Уменьшение размеров мешалок приведет к уменьшению затрат мощности, а снижение эффективности перемешивания в результате внедрения новшества компенсируется значительной его продолжительностью. Обоснованность проведения реконструкции представлена в технологическом и экономическом разделах дипломного проекта, где учитываются предлагаемые изменения.

2. Технологический и прочностной расчёт реактора-стандартизатора

При производстве поливинилацетатной дисперсии на стадии стандартизации используются два реактора - стандартизатора.

2.1 Выбор конструкционного материала аппарата

Аппарат изготовляется из стали марки Х18Н10Т. Сталь для обечайки должна иметь высокий предел выносливости, определяемый разрушением образцов при 10⁷ циклов испытаний знакопеременной нагрузки. Данная сталь обладает хорошей свариваемостью.

Аппарат состоит из листов, поэтому они должны изготовляться из материала с высокими механическими свойствами.

Химический состав стали марки Х18Н10Т представлен в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Химический состав стали марки Х18Н10Т

Химический элемент	C	Cr	Ni	Ti	Si	S	P
Процентное содержание элемента	1,0	18	9ч10	1,0	?0,8	?0,02	?0,035

Поскольку среда в аппарате агрессивная, то все детали, соприкасающиеся со средой выполняются из стали марки Х18Н10Т. Но поскольку стенка обечайки большой толщины, то с целью экономии материала её изготавливают из двухслойной стали: Х18Н10Т+Ст 3.

Тогда толщину слоя стали Х18Н10Т определим по формуле:

д_ст=10%?д_общ ,

где д_ст - толщина слоя стенки из марки стали Х18Н10Т;

д_общ - общая толщина стенки.

д_ст=10%?20=2 мм.

Получим толщину слоя стенки из стали марки Ст 3 по формуле:

д_Ст3=д_общ - д_ст, (2.2)

где д_Ст3 - толщина слой стенки из стали марки Ст3.

д_Ст3=20-2=18 мм.

Остальные детали и узлы аппарата, несоприкасающиеся со средой, изготавливаются из черной стали.

2.2 Расчет технологических параметров реактора-стандартизатора

2.2.1 Расчет производительности аппарата

Цех работает по трехсменному графику 21 день в месяц. Подача поливинилацетатной дисперсии продолжается около 20 часов, а слив - 16 часов. Процесс нейтрализации будет занимать 1,5 часа, а процесс пластификации - 2,5 часа. В сумме весь цикл после реконструкции будет занимать 40 часов.

Производительность определяем по формуле:

, (2.3)

где V_a - объем аппарата,м³;

n - количество рабочих циклов аппарата в год;

ц - коэффициент запаса производительности;

с_э - плотность эмульсии, кг/м₃;

k - коэффициент запаса производительности.

Производительность реактора до реконструкции определяем по формуле:

т/год.

Рассчитаем производительность после реконструкции:

т/год.

Изменение производительность аппарата определяем по формуле:

, (2.4)

%.

2.2.2 Расчет мощности привода

Мощность затрачиваемая на перемешивания в установившимся режиме определяется по формуле [ ]:

, (2.5)

где С - коэффициент учитывающий геометрическое соотношение размеров аппарата с размерами перемешивающего устройства;

м - динамическая вязкость дисперсии, Па?с;

n - частота вращения вала перемешивающего устройства, об/с;

d_м - диаметр мешалки, м.

, (2.6)

где z_л - число лопастей мешалки;

k₂ - коэффициент, определяемый по рис. 95 [ ] при д/b_л=0,375;

Н₁ - высота лопастей, м;

b_л - ширина лопасти, м;

z₀ - число вертикальных штанг.

Определяем коэффициент до реконструкции:

.

Определяем коэффициент после реконструкции:

.

Подставив С₁ в формулу (2.5) получаем мощность потребляемую рамной мешалкой до реконструкции:

Вт.

Подставив С₂ в формулу (2.5) получаем мощность потребляемую рамной мешалкой после реконструкции:

Вт.

Данная мощность потребляется рамной мешалкой. Так как установлены еще три лопастных мешалки, то необходимо рассчитать потребляемую ими мощность. Она определяется по формуле:

, (2.7)

где m - число лопастных мешалок;

К_N - критерий мощности;

Для определения критерия мощности необходимо определить Рейнольдс модифицированный Re^m, который равен:

. (2.8)

Рейнольдс модифицированный Re^m до реконструкции:

.

Рейнольдс модифицированный Re^m после реконструкции:

.

Тогда по рис. 6.2 [ ] находим, что К_N1=2,8; К_N2=3.

Мощность, потребляемая тремя лопастными мешалками, до реконструкции рассчитываем по формуле (2.7):

Вт.

Мощность, потребляемая тремя лопастными мешалками, после реконструкции рассчитываем по формуле (2.7):

Вт.

Тогда суммарную мощность на перемешивание определяем по формуле:

. (2.9)

До реконструкции:

Вт.

После реконструкции:

Вт.

Определяем энергозатраты, затрачиваемые на один цикл:

, (2.10)

где t - время продолжительности одного производственного цикла.

Энергозатраты, затрачиваемые на один цикл, до реконструкции:

Вт?ч.

Энергозатраты, затрачиваемые на один цикл, после реконструкции:

Вт?ч.

Уменьшение энергозатрат определяем по формуле:

, (2.11)

%.

2.2.3 Материальный баланс производства поливинилацетатной дисперсии

В реакторе-стандартизаторе проводят две стадии производства поливинилацетатной дисперсии. Для составления материального баланса приведем схему стадии стандартизации дисперсии со всеми потока веществ, входящих в аппарат и выходящих из него.

Материальный баланс, рассчитанный на 1 тонну, представлен в табл. 2.2.

Таблица 2.2 Материальный баланс

Приход	Расход
Номер потока	Состав дисперсии	кг/т	Номер потока	Состав дисперсии	кг/т
Нейтрализация
1	Поливинилацетатная дисперсия	927,45	4	Нейтрализованная дисперсия	932,95
2	Аммиак водный технический	6,0	3	Потери	0,5
	Итого	933,45		Итого	933,45
Пластификация
4	Нейтрализованная дисперсия	932,95	7	Пластифицированная дисперсия	1001,8
5	Дибутилфталат	69,50	6	Потери	0,65
	Итого	1002,45		Итого	1002,45

2.2.4 Тепловой баланс реактора-стандартизатора

Тепловой баланс для реактора-стандартизатора рассчитывается по формуле:

, (2.12)

где G₁, G₂, G₃, G_в, G₄ - расходы соответственно поливинилацетатной дисперсии, водного технического аммиака, дибутилфталата, воды, стандартизированной дисперсии, кг/т;

с₁, с₂, с₃, с_в, с₄ - теплоемкости соответственно поливинилацетатной дисперсии, водного технического аммиака, дибутилфталата, воды, стандартизированной дисперсии, Дж/К?кг;

t₁, t₂, t₃, t_в, t₄ - температуры соответственно поливинилацетатной дисперсии, водного технического аммиака, дибутилфталата, воды, стандартизированной дисперсии, К;

Q_пот - потери теплоты в окружающую среду, которые обычно принимаются 3% от общей теплоты, Дж.

Необходимо из теплового баланса определить требуемый расход воды на тонну поливинилацетатной дисперсии. Расход воды определяем по формуле:

, (2.13)

кг/т.

Для охлаждения одной тонны дисперсии необходимо 142,4 кг или 142,4 л воды.

2.2.4 Подбор штуцеров

Поливинилацетатная дисперсия в реактора-стандартизаторы поступает через нижний штуцер. Через нижний штуцер она также и сливается. Если из одного аппарата поливинилацетатная дисперсия сливается, то в другой аппарат она подается через верхний штуцер. Поэтому необходимо верхний и нижний штуцер подбирать одного диаметра.

Диаметр штуцера определяем по формуле:

, (2.14)

где Q - расход поливинилацетатной дисперсии, м³/c;

х - скорость движения поливинилацетатной дисперсии, м/с. Поскольку поливинилацетатная дисперсия высоковязкое вещество, то принимаем х=0,05 м/с.

м.

Принимаем стандартный штуцер D_у=100 мм, р_у=1,6 МПа.

Поскольку трубопроводы берутся диаметром равным диаметру штуцеров, то мы получим, что подводящего и отводящего трубопроводов будут равны d_тр=D_у=100 мм.

2.3 Прочностной расчет реактора-стандартизатора

Реактор - стандартизатор работает при атмосферном давлении в аппарате и 0,3 МПа в рубашке. При сливе продукции в аппарате давление 0,3 МПа, а в рубашке давление отсутствует. Поэтому необходимо рассчитать основные части аппарата в двух случаях.

2.3.1. Расчет обечайки.

Расчет обечайки проводим по методике [ ]. Обечайка представлена в виде цилиндрической обечайки с рубашкой и эллиптическим днищем (рис. 2.1).

Расчетная толщина цилиндрической обечайки:

а) при действии внутреннего давления:

, (2.15)

где p_p - внутреннее давление, МПа;

D - диаметр обечайки, мм;

[у] - допускаемое напряжение, МПа;

ц - коэффициент прочности сварных швов, ц=1.

Расчетная схема обечайки и днища

Рис. 2.1

 мм.

б) при действии наружного давления (приближенно):

, (2.16)

где К₂ - коэффициент определяемый по монограмме (см. рис. 1.14 [ ], при определенных значениях К₁ (К₁=1,6), К₃ (К3=0,985);

р_р.н. - наружное давление на стенку аппарата, равное давлению в рубашке, МПа.

мм.

Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки корпуса в первом приближении:

S>max(S_p;S_p.н.)+с (2.17)

где с - прибавка, которая представляет собой сумму прибавку на коррозию и эрозию, мм. Принимаем с=1,2 мм.

S>max(18,2; 4)+1,2=18,2+1,2=19,4 мм.

перемешивающий устройство поливинилацетатный реконструкция

Принимаем толщину ближайшую большую из стандартных толщин, равную S=20 мм.

Так как обечайка корпуса при наличии давления в рубашке и отсутствия давления внутри аппарата, работает под действием наружного и осевого сжимаемого усилия необходимо, чтобы выполнялось условие устойчивости:

, (2.18)

где [р_н] - допустимое наружное давление, МПа;

F - осевое сжимающее усилие, МН;

[F] - допустимое осевое сжимающее усилие, МН.

Осевое сжимающее усилие - усилие прижатия днища к обечайке давлением в рубашке, которое может быть рассчитано (пренебрегая силой тяжести днища и его связью с рубашкой) следующим образом:

, (2.19)

где D - диаметр аппарата, м.

МН.

Допускаемое наружное давление из условия прочности определяем по формуле:

, (2.20)

где[p_н]_у - допускаемое наружное давление из условия прочности, МПа.

МПа.

Допускаемое наружное давление из условия устойчивости в пределах упругости определяем по формуле:

, (2.21)

где Е - модуль упругости, МПа;

n_у - коэффициент запаса устойчивости.

МПа.

Общее допускаемое наружное давление с учетом обоих условий определяем по формуле:

, (2.22)

МПа.

Допускаемое осевое сжимающее усилие из условия прочности:

, (2.23)

МН.

Допускаемое осевое сжимающее усилие из условия устойчивости:

, (2.24)

МН.

Общее допускаемое сжимающее усилие с учетом обоих условий определяем по формуле:

, (2.25)

МН.

Подставив полученные значения в формулу (2.18) получим, что условие устойчивости обечайки выполняется:

.

При наличие давления внутри аппарата и отсутствии его в рубашке, на обечайку будет действовать внутреннее давление.

Допускаемое внутреннее давление на обечайку корпуса:

, (2.26)

где ц - коэффициент сварных швов.

МПа.

Условие р_вн<[р] выполняется (0,3<1,53).

2.3.2 Расчет эллиптического днища

Для эллиптического днища расчетная схема приведена на рис. 2.1.

Допускаемое наружное давление для эллиптического днища из условия прочности:

, (2.27)

где S_э - толщина стенки эллиптического днища.

Исполнительную толщину S_э эллиптического днища корпуса аппарата принимаем из условия равной толщине свариваемых друг с другом оболочек корпуса (S_э=S=20 мм).

Рассчитаем допускаемое наружное давление при этом значении S_э по формуле (2.24):

МПа.

Допускаемое наружное давление для эллиптического днища из условия устойчивости:

, (2.28)

где К_э - коэффициент, определяемый в зависимости от значения коэффициента х.

Коэффициента х определим по формуле:

, (2.29)

.

По рис. 5.3 [ ] при х=0,1 К=0,96.

Подставив полученное значение в формулу (2.25), получим:

МПа.

Общее допускаемое наружное давление с учетом обоих условий определяем по формуле:

, (2.30)

МПа.

Условие устойчивости для эллиптического днища выполняется:

.

Допускаемое внутреннее давление для эллиптического днища:

, (2.31)

МПа.

Условие р_вн<[р]_э выполняется (0,3<1,54).

2.3.3 Расчет эллиптической крышки

Исполнительная толщина эллиптической крышки:

, (2.32)

где с_кр - конструктивные добавки, учитывающие коррозию материала эллиптической крышки.

м.

Принимаем толщину эллиптической крышки 10 мм.

Допускаемое внутреннее давление для эллиптической крышки определяем по формуле:

, (2.33)

МПа.

Условие р_вн<[р_вн]_кр выполняется (0,3<0,738).

2.3.4 Расчет рубашки реактора-стандартизатора

Исполнительная толщина цилиндрической обечайки рубашки определяем по формуле:

, (2.34)

где D - диаметр рубашки, м;

с_р - конструктивные добавки, учитывающие коррозию материала рубашки, м.

м.

Принимаем толщину стенки рубашки 12мм.

Толщена стенки эллиптической части рубашки принимаем равной цилиндрической части.

, (2.35)

МПа.

Условие выполняется (р_вн<[р_р], 0,3<0,81).

2.2.5 Расчет вала на жесткость, прочность, вироустойчивость

Вертикальный вал реактора-стандартизатора закреплен консольно, поэтому помимо расчета на жесткость и прочность необходимо его рассчитывать на виброустойчивость.

Схема для расчета консольного вала реактора-стандартизатора приведена на рис. 2.3.

Исходные данные для расчета вала реактора-стандартизатора приведены в табл. 2.3. Приведенный ниже расчет вала распространяется на вертикальные валы аппаратов объемом до 100 м³, конструируемых на основании ГОСТ 20680 - 75,для перемешивания жидких сред плотностью до 2000 кг/м³ с динамической вязкостью до 50 Па?с.

Расчетная схема вала

Рис. 2.3

Таблица 2.3 Исходные данные для расчета вала

Величина	Значение
Длина вала L, м	5,5
Длина консоли L1, м	0,55
Длина пролета L2, м	4,95
Координаты центров тяжести деталей li, м	l1=3,5;l2=3,05; l3=2,6;l4=2,09
Массы деталей mi, кг	m1= m2= m3=10; m4=30
Координаты опасных сечений zi, м	0,41
Коэффициент сопротивления мешалки (по табл. 2.9 [ ]) ом	0,08
Коэффициенты концентраций напряжений в опасных по прочности сечениях kуi	3,0
Начальная изогнутость вала в точке приведения ев	1,5?10-3
Радиальные зазоры в опорах ?А, ?В, м	?А =0,03?10-3; ?В =0,037?10-3
Предел выносливости материала вала у-1, Па	26?107
Модуль предельной упругости материала Е, Па	1,9?1011
Коэффициент запаса прочности kз	2
Плотность материала вала с, кг/м3	7,85?103
Частота вращения вала n, об/мин	13
Мощность потребляемая одной мешалкой Ni, Вт	Nл=243,76 Np=2507,35

Расчет на виброустойчивость.

Относительную длину консоли рассчитываем по формуле:

, (2.36)

м/м.

Относительную длину пролета рассчитываем по формуле:

, (2.37)

м/м.

Относительные координаты центра тяжести деталей определяем по формуле:

. (2.38)

Для лопастных мешалок:

,

,

.

Для рамной мешалки:

.

Безразмерный динамический прогиб вала в центре тяжести детали определяется по рис. 105 [ ] в зависимости а_уi=(а_i; а_n):

; ; ; .

Угловую скорость вращения вала определяем по формуле:

, (2.39)

рад/с.

Коэффициент, учитывающий условия виброустойчивости равен о_d=0,7, Коэффициент, учитывающий условия закрепления з=2,5 по табл. 25 [ ].

Безразмерный коэффициент находим по формуле:

, (2.40)

.

Приведенную массу деталей на консоли определяем по формуле:

. (2.41)

Для лопастных мешалок:

кг,

кг,

кг.

Для рамной мешалки:

кг.

Определим сумму приведенной массы:

, (2.42)

кг.

Коэффициент приведения массы вала определяется в зависимости q=ѓ(a_n) и равен (см. рис. 103 [ ]) q=0,25.

Подкоренные одночлены определим по формулам:

, (2.43)

м².

,

м⁴.

Расчетный диаметр вала определяем по формуле:

, (2.44)

м.

Принятый диаметр вала больше расчетного, что необходимо для условия виброустойчивости.

Определим массу единицы длины вала:

, (2.45)

кг/м.

Относительную массу деталей находим по формуле:

, (2.46)

.

Корень частого уравнения определяем по зависимости б=ѓ(k; a_n) по рис. 104 [ ]: б=1,7.

Момент инерции сечения вала определяем по формуле:

, (2.47)

м⁴.

Определяем первую критическую скорость:

, (2.48)

рад/с.

Коэффициент условия виброустойчивости:

, (2.49)

.

Условие виброустойчивости выполняется (о_dp< о_d, 0,1<0,7).

Расчет на жесткость.

Определяем эксцентриситет центра тяжести массы деталей:

, (2.50)

м.

Относительные координаты опасных по жесткости сечений определяем по формуле:

, (2.51)

.

Безразмерный динамический прогиб вала в основных сечениях на консоли в зависимости а_z=ѓ(а_s; а_n) (см. рис. 106 [ ]), принимаем а_z=0,06.

Приведенные динамические эксцентриситеты масс деталей определяем по формуле:

. (2.52)

Для лопастных мешалок:

м,

м,

м.

Для рамной мешалки:

м.

Смещение оси вала относительно оси вращения за счет зазоров в опорах:

. (2.53)

Для лопастных мешалок:

м,

м,

м.

Для рамной мешалки:

м,

м.

Смещение оси вала относительно оси вращения за счет начальной изогнутости вала определяем по формуле:

. (2.54)

Для лопастных мешалок:

м,

м,

м,

Для рамной мешалки:

м,

м.

Смещение оси вала относительно оси вращения в точке приведения В за счет зазоров в опорах определяем по формуле:

, (2.55)

м.

Приведенный (к точке В) эксцентриситет деталей получаем по формуле:

, (2.56)

м.

Приведенный (к точке В) эксцентриситет вала с деталями определяем по формуле:

, (2.57)

м.

Динамический прогиб оси вала в точке приведения определяем по формуле:

, (2.58)

м.

Динамическое смещение центра тяжести деталей в опасном сечении по жесткости определяем по формуле:

, (2.59)

м.

Определяем смещение вала в точке приведения В:

, (2.60)

м.

Условие жесткости в консоли (А_z?A_доп) выполняется (0,157?10^-3?0,25?10^-3).

Расчет вала на прочность.

Сосредоточенная центробежная сила, действующая на деталь (в том числе на мешалку):

. (2.61)

Для лопастных мешалок:

Н,

Н,

Н.

Для рамной мешалки:

Н.

Определяем приведенную центробежную силу:

, (2.62)

Н.

Сумма моментов сил относительно опоры Б определяем по формуле:

, (2.63)

Н?м.

Реакция опоры А:

, (2.64)

Н.

Сумма моментов сил относительно опоры определяем по формуле:

. (2.65)

Н?м,

Н?м.

Суммарный момент сил относительно опоры А определяем:

...