Реактор с лопастной мешалкой и эллиптическим дном для производства двойного суперфосфата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Муромский институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования

«Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

(МИ ВлГУ)

Факультет МСФ

Кафедра ТБ

Курсовая работа

По курсу «Процессы и аппараты химической технологии»

Тема: «Реактор с лопастной мешалкой и эллиптическим дном для производства двойного суперфосфата»

Руководитель

Ермолаева В.А.

Студент ХТ-121

Андреева С.А.

Члены комиссии _______________________

Муром, 2023

Содержание

Введение

1. Анализ технического задания

2. Физико-химические основы процесса перемешивания

2.1 Перемешивание сыпучих, жидких и пастообразных веществ

2.2 Эффективность и интенсивность процесса перемешивания

3. Классификация смесительного оборудования

3.1 Устройство и принцип действия перемешивающих устройств

3.2. Устройство реактора с лопастной мешалкой

3.3 Принцип работы реактора с лопастной мешалкой и эллиптическим дном

4. Расчетная часть

4.1 Расчет стенки обечаек

4.2 Расчет днища

4.3 Расчет опорной конструкции

4.4 Расчет на прочность укрепления отверстия

4.5 Расчет фланца штуцера ввода сырья

5. Техника безопасности при эксплуатации реакторов с лопастной мешалкой

6. Охрана окружающей среды при производстве двойного суперфосфата

Заключение

Список литературы

Введение

В современной химической промышленности осуществляются разнообразные процессы взаимодействия различных химических элементов. Такими процессами являются: растворение кристаллических соединений, диффузия жидкостей, разложение или гомогенизация сложного многокомпонентного раствора на составляющие.

Данные химико-технологические процессы могут происходить в довольно длительном промежутке, и для повышения производительности и интенсивности работы в данных процессах используют физические методы воздействия на исходные жидкости. Механическое перемешивание - наиболее распространённый и эффективный метод физического воздействия, которое подразделяется на несколько направлений:

-добавление дополнительной механической энергии, турбулизация реагирующих компонентов;

-измельчение кусковатых материалов с целью увеличения поверхности контакта;

-гомогенизация многокомпонентных смесей;

-эмульгирование и эмульгация компонентов;

-интенсификация тепло- и массообмена.

Зачастую возможность использования механических процессов определяет эффективность и рентабельность производственного процесса в целом.

Таким образом, технология производства в химической промышленности неразрывно связана с механическим перемешиванием

1. Анализ технического задания

Целью работы является изучение конструкции и принципа действия реактора с лопастной мешалкой и эллиптическим дном, метода его технологического расчета и приобретение навыков выполнения инженерных расчетов.

Объектом исследования в данной курсовой работе является реактор с лопастной мешалкой, используемый в технологическом процессе производства двойного суперфосфата. При исследовании работы реактора с лопастной мешалкой необходимо:

- описать физико-химические основы процесса перемешивания;

- представить классификацию мешалок;

- рассмотреть и описать устройство и принцип действия лопастной мешалки и реактора с лопастной мешалкой;

- произвести конструкционный расчет реактора с лопастной мешалкой и эллиптическим дном;

- изучить правила безопасности при использовании оборудования.

- рассмотреть вопросы контроля производства и охраны окружающей

среды.

Лопастная мешалка является очень эффективной и простой в изготовлении: она имеет всего две лопасти, устанавливаемые перпендикулярно направлению движения. При использовании лопастных мешалок происходит ускорение протекания необходимых химических процессов. За счет взаимодействия всех потоков понижается энергопотребление. В сравнении с близкими по типу мешалками (турбинные, рамные и якорные), потребляемая мощность при одинаковом качестве перемешивания ниже в среднем на 25 %.Таким образом, реактор с лопастной мешалкой является высокоэффективным аппаратом, с низкой потребляемой мощностью.

2. Физико-химические основы процесса перемешивания

реактор лопастная мешалка суперфосфат

Смешивание или перемешивание - механический процесс равномерного распределения отдельных компонентов во всем объеме смеси под действием внешних сил. Применяется в химической промышленности для приготовления эмульсий, суспензий и получения гомогенных систем (растворов), а также для интенсификации биохимических, тепловых и диффузионных процессов. Процесс смешивания материалов зависит от конструкции смесителя и заключается в выравнивании концентраций каждого из компонентов смеси по всему объему рабочей камеры с образованием в конечном итоге однородной смеси.

2.1 Перемешивание сыпучих, жидких пастообразных веществ

Известны несколько видов перемешивания:

- механическое

- циркуляционное;

- барботажное;

-акустическое

Барботажное перемешивание осуществляется путем барботажа инертного газа или газообразных веществ через жидкость.

Циркуляционное перемешивание происходит за счет больших скоростей движения (насосом). Это перемешивание целесообразно применять в том случае, когда имеется необходимость отвода тепла через развитую поверхность теплообмена, т.е. через выносной теплообменник.

Акустическое перемешивание - осуществляется с помощью генераторов ультразвука, при этом возникают кавитации и механическое воздействие на твердую фазу, что значительно ускоряет процесс растворения.

Наиболее распространенным является механическое перемешивание с помощью мешалок различных конструкций. В зависимости от скорости вращения они подразделяются на: тихоходные (0,2-1,5 об/с) и быстроходные (2,0-30 об/с). Рабочей частью мешалки являются лопасти различной формы, которые крепятся на валу и приводятся во вращательное движение от электропривода, установленного, как правило, сверху на крышке реактора. Для приготовления растворов используют и нижнеприводные перемешивающие устройства.

Механическое перемешивание в жидкой среде, а также в пастообразных и вязких материалах осуществляется с помощью мешалок, которые по конструктивной форме, в зависимости от устройства лопастей, разделяются на: 1) лопастные; 2) листовые; 3) якорные; 4) рамные;5) турбинные; 6) пропеллерные; 7) специальные.

Процесс смешивание состоит из следующих стадий:

- перемещения группы смежных частиц из одного места смеси в другое внедрением, скольжением слоев (так называемое конвективное смешивание);

- постепенное перераспределение частиц через свежеобразованную границу их раздела (так называемое диффузионное смешивание);

- сосредоточение частиц, имеющих близкую массу и размеры, в соответствующих местах смесителя под действием инерционных, гравитационных сил (сегрегация частиц).

Если первые два процесса способствуют улучшению качества смеси, то последний препятствует этому. В смесителе одновременно протекают все три процесса, но их влияние в разные периоды смешивания неодинаково. Процесс конвективного смешивания в первые моменты идет с большой скоростью, процессу конвективного смешивания соответствует I участок (рис. 1). Между компонентами смеси величина поверхности раздела еще невелика и доля диффузионного смешивания незначительна.

На участке конвективного смешивания скорость процесса почти не зависит от физико-механических свойств смеси, т. к. процесс смешивания идет на уровне макрообъемов.

Главное влияние на скорость процесса смешивания в эти моменты времени оказывает характер движения потоков частиц в смесителе, который зависит от конструкции и параметров смесителя.

2.2 Эффективность и интенсивность перемешивания

Наиболее важными характеристиками перемешивающих устройств, которые могут быть положены в основу их сравнительной оценки, являются: эффективность перемешивающего устройства и интенсивность его действия.

Эффективность перемешивающего устройства характеризует качество проведения процесса перемешивания. Например, в процессax получения суспензий эффективность перемешивания характеризуется степенью равномерности распределения твердой фазы в объеме аппарата; при интенсификации тепловых и диффузионных процессов - отношением коэффициентов тепло- или массоотдачи при перемешивании без него. На эффективность смешивания влияют плотность исходных компонентов, гранулометрический состав (форма, размеры, дисперсионное распределение по степени крупности для неоднородных компонентов) частиц компонентов смеси, влажность компонентов, состояние поверхности частиц, силы трения и адгезии поверхности частиц и т.д.

Интенсивность перемешивания определяется временем достижения заданного технологического результата или числом оборотов мешалки при фиксированной продолжительности процесса (для механических мешалок). Чем выше интенсивность перемешивания, тем меньше времени требуется для достижения заданного эффекта перемешивания. Интенсификация процессов перемешивания приводит к уменьшению размеров проектируемой аппаратуры и увеличению производительности действующей.

В идеальном случае должна быть получена смесь, в которой в любой ее точке к каждой частице одного компонента примыкают частицы других компонентов, причем в количествах, которые определены заданным их соотношением. В действительности такого идеального расположения частиц практически не бывает, т. к. огромное число различных факторов влияет на их перемешивание. Возможно бесконечное разнообразие взаимного расположения частиц, поэтому соотношение компонентов в любых точках смеси будет случайной величиной. Поскольку законы взаимного расположения частиц для систем со многими случайными величинами весьма сложны, на практике статистический материал анализируют по одной случайной величине, т. е. по распределению одного из компонентов.

Для того чтобы оценить качество смешивания одной случайной величиной, смесь условно считают двухкомпонентной. Обычно выделяют один компонент, называемый ключевым, а все остальные объединяют во второй условный. Таким образом, в двухкомпонентной смеси случайной величиной х является содержание ключевого компонента в микрообъеме. К ключевому компоненту предъявляют такие требования: сравнительная простота определения его содержания в пробе; небольшое его количество; физические свойства должны отличаться от свойств остальных компонентов.

Наибольшее распространение в качестве критерия оценки качества смешивания получил коэффициент вариации (неоднородности):

(1)

где - среднее содержание ключевого компонента в пробах; - значение случайной величины х в i -ом опыте; n - количество отобранных проб.



Рис. 1 Зависимость коэффициента вариации однородности смеси от продолжительности смешивания

После того как компоненты в основном будут распределены по рабочему объему смесителя, процессы конвективного и диффузионного смешивания становятся по их влиянию на общий процесс смешивания сопоставимы. В это время процесс перераспределения частиц идет уже на уровне макрообъемов. Начиная с некоторого момента, процесс диффузионного смешивания становится преобладающим (II участок на рис. 1). Существенное влияние на процесс начинает оказывать сегрегация частиц.

В какой-то момент времени эти процессы могут уравновеситься, после чего дальнейшее перемешивание теряет смысл, и процесс должен быть закончен (III участок на рис. 1).Продолжительность диффузионного смешивания зависит и от физико-механических свойств смеси, из которых наибольшее значение имеют гранулометрический состав, плотность, форма и характер поверхности частиц, их влажность и сыпучесть. Чем ближе у компонентов указанные свойства, тем эффективнее их смешивание. Большее различие в размерах, плотности способствует сегрегации частиц. Имеет значение также число компонентов. С их увеличением доля каждого уменьшается, а процесс смешивания затрудняется.

Большая продолжительность смешивания необходима для равномерного распределения компонентов, входящих в состав смеси в малых количествах. Естественно, что компоненты с большей дисперсностью, содержащие в единице объема большее количество частиц, распределяются лучше.

В химической технологии перемешивание применяют для улучшения тепло - и массообмена, получения равномерных смесей нескольких жид-костей, жидкости и твердого тела, жидкости и газа. Хотя основной задачей перемешивания в большинстве случаев является равномерное распределение вещества или температуры в перемешиваемом объеме, иногда задача перемешивания заключается в создании высоких скоростей среды около теплообменных поверхностей с целью интенсификации теплообмена.

3. Классификация перемешивающих устройств

3.1 Устройство и принцип действия перемешивающих устройств

Все перемешивающие устройства состоят из трех основных частей: вала, на котором закреплена мешалка; мешалки, являющейся рабочим элементом; и привода, с помощью которого вал приводится в движение за счет механической энергии. В зависимости от числа оборотов мешалки условно делят на тихоходные и быстроходные. К тихоходным относят лопастные, рамные, якорные и листовые, имеющие скорость более 80 - 100 об/мин. К быстроходным - турбинные и пропеллерные.

При выборе типа мешалки и ее параметров учитывают требования технологического процесса, свойства жидкости, наличие осадков, форму аппарата и другие факторы. К сожалению, отсутствуют единые критерии для выбора мешалки. Обычно при этом руководствуются производственным опытом или лабораторными исследованиями. В некоторой степени можно предложить следующие рекомендации.

Лопастные мешалки (рис. 2) применяются при перемешивании жидких неоднородных систем с вязкостью до 15 Па•с и имеющих плотность до 2000 кг/м3.

При высоте сосуда, превышающей диаметр, или при перемешивании вязкой жидкости устанавливают несколько пар лопастей по высоте вала. При перемешивании очень вязких жидкостей на стенках сосуда устанавливают радиально расположенные перегородки, над которыми проходят лопасти мешалки. При этом поток дробится и повышается эффективность работы мешалки. Максимальный эффект турбулизации потока достигается при применении 4-х перегородок высотой (0,11 - 0,13)•D, где D - диаметр аппарата. Перегородки препятствуют образованию центральной воронки, а также увлечению жидкости вращающимися лопастями, что может привести и к прекращению эффекта перемешивания. Установка слишком длинных лопастей нерациональна, так как с возрастанием линейных размеров лопасти быстро растет потребляемая мощность.

Рис.2. Лопастная мешалка. Основные части мешалок: 1 - вал, 2 - втулка, 3 - лопасть

Нормализованные диаметры мешалок от 700 до 2100 мм. Недостатки таких мешалок - малая интенсивность перемешивания и отсутствие значительных вертикальных потоков, вследствие чего их не рекомендуется применять для взмучивания тяжелых осадков и работы с расслаивающимися жидкостями. Достоинство мешалок - они просты по конструкции, обеспечивают удовлетворительное перемешивание при работе с вязкими жидкостями, могут применяться в аппаратах значительного объема.

Рамные мешалки.

Они представляют собой комбинацию лопастных мешалок с вертикальными и наклонными лопастями. Внешний вид таких мешалок показан на рис. 3



Рис. 3 Рамная мешалка

1 - мешалка; 2 - сосуд.

Эти мешалки применяются в тех же случаях, что и лопастные, а также при перемешивании значительных объемов вязких материалов. Нормализованные диаметры мешалок до 2520 мм. Эти мешалки используют в реакторах с большой емкостью (до 100 м3).

Якорные мешалки. Они по своей форме соответствуют сосуду, в котором они работают. Расстояние между лопастью и стенкой реактора обычно выбирают в пределах 25 - 140 мм. На рис. 13.11 представлены конструкции якорных мешалок. Якорные мешалки предназначены для перемешивания жидкостей вязкостью 300 Па•с и выше, особенно при нагревании среды через стенку реактора. Вследствие небольшого зазора между лопастью и стенкой сосуда возникает сильное турбулентное движение, препятствующее выпадению на стенках осадка и перегреву среды. НИИХИММАШ рекомендует для якорных мешалок те же скорости, что и для лопастных. Следует отметить, что при перемешивании очень вязких жидкостей якорные мешалки снабжаются дополнительными вертикальными лопастями - пальцами.

Рис.4 Якорная мешалка

1-вал;2- корпус смесителя;3-якорная мешалка

Листовые мешалки. Их применяют сравнительно редко, в основном для маловязких жидкостей, при интенсификации теплообмена, взвешивании твердого вещества. Листовые мешалки предназначены для проведения процесса перемешивания среды с вязкостью до 50сПз в емкостях малого и среднего объема (от 1 до 50м3). Листовые мешалки имеют лопасти большей ширины, чем у лопастных

мешалок. Для процессов растворения используют листовые мешалки с отверстиями в лопастях. При вращении такой мешалки на выходе из отверстий образуются струи, способствующие растворению твердых материалов. Основные размеры лопастных мешалок изменяются в зависимости от вязкости среды. При высоких скоростях вращения лопастных мешалок в аппарате устанавливают отражательные перегородки. Листовые мешалки, как правило, без отражательных перегородок не применяют.

Конструкция мешалки приведена на рис.5



Рис.5 Листовая мешалка

Пропеллерные мешалки (рис. 6). Они представляют собой обычный гребной винт с числом лопастей от двух до четырех. При работе мешалки осуществляется интенсивная циркуляция жидкости с сильным вихреобразованием. Их рекомендуют использовать для перемешивания сред вязкостью до 2 Па•с и плотностью до 2000 кг/м3.

Окружную скорость мешалки рекомендуется выбирать в пределах 1,6 - 4,8 м/с. Чтобы избежать образования воронки, вал мешалки смещают по отношению к оси аппарата на величину до 0,25 мм, либо устанавливают его с наклоном 10 - 20° к оси сосуда.Для трудно смешиваемых вязких жидкостей применяются мешалки, состоящие из 2-х пропеллеров, установленных на одном валу. Оба пропеллера толкают жидкость в одну сторону или навстречу друг другу. Нормализованные диаметры мешалок - от 300 до 700 мм.

Турбинные мешалки.

Как уже отмечалось ранее, они относятся к быстроходным мешалкам. На рис. 7 приведены конструкции турбинных мешалок.



Рис.6 Пропеллерная мешалка

1 - мешалка; 2 - отражательная перегородка; 3 - сосуд

Рис.7 Турбинные мешалки открытого (а) и закрытого (б) типа

Эти мешалки работают по принципу центробежного насоса, т.е. всасывают жидкость в середину и за счет центробежной силы отбрасывают ее к периферии. Их делают открытыми и закрытыми. Закрытые мало отличаются по конструкции от колеса центробежного насоса и подразделяются, в свою очередь, на мешалки одностороннего и двустороннего всасывания. Открытая мешалка представляет диск с радиально расположенными лопатками. Они более просты по конструкции и поэтому чаще применяются в технике. Турбинные мешалки обеспечивают весьма интенсивное перемешивание. Их рекомендуют применять для интенсивного перемешивания жидкостей вязкостью до 45 Па•с и плотностью до 2000 кг/м3. Окружная скорость концов лопастей - 2ч7 м/с, причем скорость мешалок с диаметром до 300 мм берется болъшей, чем при диаметре свыше 300 мм.

Рис. 8. Турбинная мешалка

1 - мешалка; 2 - отражательная перегородка; 3 - сосуд

3.2 Устройство реактора с лопастной мешалкой

Реактор с перемешивающим устройством - это аппарат в виде емкости (сосуда) с мотором, внутри которого находится устройство для перемешивания различных жидкостей.

Используемое в данном аппарате перемешивающее устройство служит для перемешивания, суспензирования, гомогенизации и эмульгирования различных подходящих жидкостей. Чтобы обеспечить устойчивость к различным агрессивным средам используют специальные металлы для изготовления корпуса и перемешивающего устройства.

В зависимости от того, для каких задач будет применяться аппарат, он изготавливается из углеродистой, низколегированной или нержавеющей стали.

Корпус аппарата может быть цельносварным или иметь съемную крышку, которая бывает эллиптической или плоской. Днище может быть плоским, эллиптическим или коническим. Если нужно нагревать жидкость, могут применяться различные теплообменники: с гладкой рубашкой, рубашкой из полутруб, рубашкой с вмятинами, с электронагревателем.

Реактор с перемешивающим устройством применяется для смешивания нескольких жидкостей в однородную массу, или равномерного вмешивания веществ в жидкость, или равномерного распределения температуры по рабочей жидкости.

В перемешивании могут использоваться, как нейтральные, так и агрессивные жидкости разной вязкости.

Аппараты с перемешивающими устройствами, включая реактор химический с мешалкой, могут использоваться в нескольких отраслях промышленности:

§ химическая

§ микробиологическая

§ фармацевтическая

§ пищевая

§ нефтеперерабатывающая.

Одна или более рабочих жидкостей поступает в емкость, в которой может нагреваться или охлаждаться. Далее масса при помощи мешалки необходимое количество времени перемешивается. По окончанию процесса смешивания жидкость через сливной штуцер поступает на следующий этап для дальнейших процессов.

Рис.8 Аппарат с лопастной мешалкой

Аппарат с лопастной мешалкой: 1 - мотор-редуктор; 2 - стойка; 3 - уплотнение; 4 - вал; 5 - корпус; 6 - опора лапа; 7 - рубашка; 8 - отражающая перегородка; 9 - лопастная мешалка; 10 - труба для переливания смеси.

Общие компоненты реактора-смесителя:

§ емкость для жидкости;

§ мотор, вал, мешалка;

§ приборы для контроля и измерения;

§ предохранители;

§ запорная арматура.

Материал изготовления аппаратов с мешалками:

в зависимости от условий эксплуатации и от технических требований к аппаратам:

-легированная сталь,

-высокоуглеродистая сталь,

-титановые сплавы,

-нержавеющая сталь,

-углеродистая сталь,

-низколегированная сталь,

Условия эксплуатации аппаратов с перемешивающими устройствами : к параметрам эксплуатации аппаратов предъявляются несколько требований (на основании ГОСТ 20680-2002 "Аппараты с механическими перемешивающими устройствами. Общие технические условия"):

динамическая вязкость рабочей среды -- не более 7 Па

плотность рабочей среды -- до 2000 кг/м 3

массовая концентрация твердой фазы -- 30%

давление в корпусе -- до 1,6 МПа

избыточное давление в рубашке -- до 0,6 МПа

остаточное давление -- более 2,7 кПа

сейсмичность района эксплуатации -- до 8 баллов

температура теплоносителя -- -30°С. +250°С

Таблица 1. Штуцеры

Обозначение	Назначение	Ду, мм
А	Вход газосырьевой смеси	400
Б	Люк для выгрузки	100
В	Выход газопродуктовой смеси	100
Г	Люк для выгрузки	100
Д	Установка термопары	50



Рис.9 Эскиз реактора

3.3 Принцип работы реактора с лопастной мешалкой и эллиптическим дном

Электродвигатель с понижающим частоту вращения вала редуктором (мотором-редуктором) 1 приводит в действие перемешивающее устройство 9. Мотор-редуктор установлен на крышке аппарата при помощи стойки 2. Сальниковые, манжетовые или торцевые уплотнители и гидрозатвор 3 выполняют функцию уплотнения. Рубашка 7 (на корпусе аппарата) устанавливается для подвода и отвода теплоты. В конструкции могут быть предусмотрены змеевики для увеличения теплообменной поверхности внутри аппарата. Монтаж аппаратов осуществляется на лапы 6. Отражательные перегородки 8 снижают окружную скорость перемешиваемой жидкости путем уменьшения глубины воронки на поверхности. Таким способом повышается потребляемая мощность при той же частоте вращения, а, отсюда, -- и интенсивность процессов переноса в жидкости.

В качестве теплоносителя в рубашке могут выступать различные жидкости -- водопроводная или оборотная вода, рассол, конденсат, насыщенный водяной пар или другой органический теплоноситель.

Двойной суперфосфат относится к концентрированным водорастворимым удобрениям. Содержание Р2О5усв составляет в зависимости от марки от 43 до 49%, т. е. в 2-3 раза больше, чем в простом суперфосфате.

Двойной суперфосфат по внешнему виду похож на простой суперфосфат. Основной компонент двойного суперфосфата - моногидрат монокальцийфосфата Са(Н2РО4)2 Н2О. Отличается небольшим содержанием примесей.

Производство основано на разложении фосфатного сырья фосфорной кислотой:

Са5F(PO4)3 + 7H3PO4 + 5H2O = 5Са(Н2РО4)2 Н2О + HF (2)

В этом процессе фосфорная кислота служит не только реагентом, заменяющим серную кислоту, но и носителем действующего вещества - фосфора, чем объясняется более высокая концентрация Р2О5усв в двойном суперфосфате по сравнению с простым.

В зависимости от концентрации используемой фосфорной кислоты существует два способа получения двойного суперфосфата: камерный (полунепрерывный) и поточный (непрерывный).

По аппаратурному оформлению камерный способ аналогичен производству простого суперфосфата.

Основные стадии:

а) смешение фосфатного сырья с фосфорной кислотой (концентрация фосфорной кислоты - 52-54%) в смесителе, время смешения - 5-7 мин;

б) загустевание суспензии и кристаллизация твердой фазы в суперфосфатной камере (продолжительность - 1,5 ч); степень разложения - 75%;

в) дозревание на складе - 2-3 недели;

г) нейтрализация свободной фосфорной кислоты (аммиаком, мелом, известняком);

д) сушка и гранулирование.

При разложении апатита фосфорной кислотой образуется плотный мажущийся продукт, выгрузка и переработка которого затруднены, поэтому в смеситель вводят 3-5% молотого известняка, при разложении которого выделяется СО2, что придает суперфосфатной массе пористость и рыхлость.

В поточном методе получения двойного суперфосфата используется разбавленная фосфорная кислота - 28-39% (в пересчете на Р2О5). Поскольку кислота разбавленная, вводится много воды и суспензия не загустевает, т. е. процесс получения двойного суперфосфата по поточной схеме осуществляется в незагустевающей суспензии. В технологии используются легко разлагаемые фосфориты. Апатиты не используются.

Оптимальные температуры для различных концентраций фосфорной кислоты: при С Р2О5 = 28-32% оптимальная температура - 75?; при С Р2О5 = 32-36% оптимальная температура - 95-100?; при С Р2О5 = 36-39% оптимальная температура - 105-110?.

Технологический процесс получения двойного суперфосфата по поточной технологии (рис.10) включает: разложение фосфатного сырья разбавленной фосфорной кислотой; сушку и гранулирование; классификацию гранул; нейтрализацию товарной фракции известью или мелом.

Рис. 10. Поточная схема производства гранулированного двойного суперфосфата:

1 - бункер фосфатного сырья; 2 - ленточный транспортер;

3 - бак для фосфорной кислоты; 4 - расходомер кислоты;

5 - реактор; 6 - насос; 7 - топка; 8 - барабанный гранулятор-сушилка; 9 - элеватор; 10 - грохот; 11 - барабан-нейтрализатор; 12 - дробилка

Разложение фосфатного сырья осуществляется в двух реакторах при интенсивном перемешивании. Суммарное время нахождения в них суспензии - около 1,5-2,0 ч, коэффициент разложения после реакторов - 55-62%. Затем суспензия подается в БГС (барабанный гранулятор-сушилка). Это барабан диаметром 4,5 м, длиной 30 м, с углом наклона 3? и скоростью вращения 10 об/мин, снабженный винтообразной и лопастной насадками. Масса подхватывается лопатками и падает вниз, создавая завесу из мелких гранул. На них разбрызгивается суспензия и сюда же подаются дымовые газы, благодаря которым осуществляется сушка продукта. Режим - прямоточный, что предотвращает перегрев суперфосфатной массы. В БГС осуществляется три процесса: сушка, доразложение фосфатного сырья фосфорной кислотой (степень разложения увеличивается до 80%) и грануляция.

Нейтрализация товарной фракции (гранулы размером от 1 до 4 мм) осуществляется в барабанах при помощи извести, известняка или аммиака. Частицы крупнее 4 мм измельчают в дробилке, смешивают с мелкой фракцией (менее 1 мм) - ретуром - и возвращают в БГС.

4. Расчетная часть

Исходные данные:

расчетная температура - 370?;

расчетное давление р=4,0 Мпа;

материал реактора - двухслойная сталь 12 ХМ+12Х18Н10Т(Сталь 2Х18Н10Т - устойчива к азотной кислоте, щелочам, нитратам, газовой коррозии, выдерживает температуру до 800°С,расчет ведем по основному металлу, т.е. 12ХМ);

допускаемое напряжение для стали 12ХМ при 370? - [?]=135 МПа;

коэффициент прочности сварного шва ?=1;

внутренний диаметр валаDв=3420мм;

высота цилиндрической части аппарата h=10,3 м;

s=60 мм - действительная толщина стенки аппарата

4.1 Расчет стенок обечаек

Толщина стенки аппарата, работающего под внутренним избыточным давлением.

Толщина стенки рассчитывается по формуле:

s sр + с; (3)

где

с=с1+с2=2+1=3мм - сумма прибавок толщине;

с1 = 2 мм - прибавка на коррозию;

с2 =1мм - прибавка к расчётной толщине стенки, принимаемая из монтажных, транспортировочных и прочих мероприятий.

Расчетная толщина стенки:

; (4)

Принятая толщина стенки с учетом прибавок :

60мм>51,42+3=54,42мм;

Допускаемое внутреннее избыточное давление рассчитывается по формуле

; (5)

Условие прочности:

4,0<4,43;

Условие прочности выполнено.

4.2 Расчет днища

Толщина стенки эллиптического днища находится из условия

s1 sр1 + с + с1 , (6)

с=с1+с2=2+1=3;

с1 = 2 мм - прибавка на коррозию,

с2 =1мм - прибавка к расчётной толщине стенки, принимаемая из монтажных, транспортировочных и прочих мероприятий

(7)

Принятая толщина днища с учетом прибавок: 60мм >51,0+2+1=54,0мм;

Допускаемое внутренние избыточное давление для эллиптических днищ при действительной толщине стенки

; (8)

Условие прочности:

(9)

4,0<4,46;

Условие прочности выполнено.

4.3 Расчет опорной конструкции

Давление на низ аппарата

(10)

где

давление от столба жидкости:

h = 10,3 м - высота цилиндрической части аппарата.

Пробное давление:

(11)

Напряжение, возникающее от действия давления на низ аппарата:

(12)

где: D = 3420м м - внутренний диаметр аппарата,

S = 60 мм - действительная толщина стенки аппарата

Условие возможности проведения гидравлического испытания:

(13)

>1,1;

где:

Т = 202МПа - предел текучести материала при расчетной температуре.

Так как условие возможности проведения гидравлического испытания выполняется, значит аппарат пригоден для проведения гидравлического испытания на прочность и плотность.

4.4 Расчет на прочность укрепления отверстий.

Рис.11 Расчетная схема соединения штуцеров с днищем

Наибольший диаметр отверстия не требующего дополнительного укрепления в эллиптических днищах

, (14)

s1= 60мм -действительная толщина стенки эллиптического днища аппарата,

с = 3мм - сумма прибавок к толщине;

Sp1 =51,0м м - расчетная толщина стенки верхнего днища,

;

По данным проведенного расчета можно сделать вывод - эллиптическое днище аппарата дополнительного укрепления в месте врезки штуцера ввода сырья требует укрепление отверстий в днище.

Штуцер ввода сырья Ду250.Расчетная толщина стенки штуцера

 (15)

s1S1p+cp (16)

11мм>5,77+2=5,8мм;

из конструктивных соображений принимаем толщину стенки штуцера S1=11мм;

где : d=250мм - внутренний диаметр штуцера;

cs=2мм - прибавка на коррозию к расчетной толщине стенки штуцера;

[у]1=135МПа - допускаемое напряжение материала штуцера при расчетной температуре;

- коэффициент прочности сварного соединения штуцера;

Условие укрепления одиночных отверстий:

(17)

13393>1974;

Условие укрепления выполняется; Расчетная длина внешней части штуцера

(18)

Расчетный диаметр отверстия в стенке обечайки

(19)

Расчетный диаметр

(20)

Расчетная ширина накладного кольца

(21)

Отношения допускаемых напряжений:

для внешней части штуцера:

(22)

для накладного кольца

(23)

4.5 Расчет фланца штуцера ввода сырья

Расчетная температура фланца принята 370°С

а) Проверка напряжения в шпильках.

Усилие, действующие на шпильки от внутреннего давления.

P1 = 0,785 · DсрІ · P (24)

где Dср - средний диаметр прокладки,

Dср - 329 мм

P - избыточное расчетное давление,

P = 4 МПа

P1 = 0, 785 · 329 І · 4= 0,34 МН

Усилие сжатия прокладки, необходимое для создания плотности соединения.

P2 = р · Dср · be · g, (25)

где: bп=29мм - ширина прокладки,

эффективная ширина прокладки

g= 20МПа-удельное давление обжатия прокладки для паронита

P2 = 3, 14 · 129 · 20,5 · 20 = 0,17 МН

Дополнительное усилие, возникающее при изменении внутреннего давления.

P3 = 0, 2 · P1 (26)

P3 = 0, 2 · 0,34 = 0,068 МН

Усилие, вызванное различием температур фланца и шпилек.

P4 = n · fд· б · ?t · E, (27)

где: n = р · Dб / tб (28)

Dб =400мм- диаметр окружности центров шпилек

t б - шаг шпилек, tд = ( 2, 1 ч 2,8 ) · dд = 2,5 · 36 = 90 мм

dб=36мм

n = 3,14 · 400 / 90 = 14

fб - поперечное сечение шпильки, для шпильки М36

fб = 1017 ммІ

б - коэффициент линейного расширения для температуры 370°С стали 20Х13.

б = 16, 1 · 10 - 6 °С - 1

Е - модуль упругости для шпилек при температуре 370єС,

Е = 1, 85 · 10 5 МПа

?t - разность температур

?t = 370-340= 30 °С

P4 = 14 · 1017 · 16,1 · 10 - 6 · 1,85 · 10 5 ·30 = 1,27 МН

Полное усилие в шпильках :

Pм = Р1 + Р2 + Р3 +Р4 (29)

Рм = 0,34 + 0, 17+ 0,068 + 1,27 = 1,848 МН

Материал шпилек - сталь 20Х13

уs = 290 МПа - напряжение по пределу текучести

Напряжение в шпильке:

(30)

Запас прочности для шпилек по пределу текучести:

(31)

б) Определение напряжений во фланцах.

Материал фланцев сталь 12Х18Н10Т

Допускаемое напряжение для стали 12Х18Н10Т при температуре 370°С,

[ д ] = 140МПа Допускаемое напряжение на изгиб:

Rв = 1,05 · [ д ] = 1,05 · 140 = 147 МПа (32)

Изгибающий момент в сечении фланца

Мизг1 = 0, 4 · Pм · 11 (33)

где: Рм - полное усилие в шпильках

Рм = 1,848МН

11 =16мм - эквивалентная толщина втулки фланца

Мизг1 = 0,4 ·1,848 · 16 = 11,8 МНм

Момент сопротивления втулки фланца:

(34)

Напряжение изгиба для втулки фланца:

(35)

Напряжение изгиба для тарелки фланца:

Мизг2 = Рм · h (36)

Мизг2 = 1, 848 · 0, 115 = 0,21 МН·м

Момент сопротивления:

(37)

где: h =115мм - толщина фланца

Напряжение изгиба:

, (38)

Допускаемое напряжение для стали 12Х18Н10Т при температуре 370°С,

[ д ] = 140МПа

Условие прочности:

35,2<140

12,1<140

Условие прочности выполняется

Из расчета фланца следует вывод, что фланец Ду250 принятый по ГОСТ 12821-80 выбран правильно по прочностным характеристикам.

5. Техника безопасности при эксплуатации реактора с лопастной мешалкой

Основные требования пожарной безопасности при устройстве и эксплуатации химических реакторов:

- эксплуатация реакторов с отключенными или неисправными контрольно-измерительными и регулирующими приборами, средствами и системами противоаварийной защиты не допускается;

- в реакторном отделении не допускается приготовление растворов взрывопожароопасных компонентов. Эта операция должна производиться в специально оборудованном помещении;

- загрузку порошкообразных взрывопожароопасных веществ необходимо осуществлять при исправной системе местных отсосов или использовать эти вещества в виде предварительно подготовленных суспензий;

- не допускается эксплуатация реакторов и других аппаратов при заполнении гидравлических затворов ниже требуемого уровня;

- отбор проб из реакторов через неисправные пробоотборные устройства не допускается;

- при использовании металлоорганических катализаторов необходимо контролировать содержание кислорода и влаги в исходном сырье, инертном газе с периодичностью, установленной технологическим регламентом;

- для предотвращения повышения давления в контактных аппаратах, питающихся через испарители, не допускается попадание в них неиспарившейся жидкости;

- в реакторах, в которых происходит перемешивание взрывопожароопасных веществ, необходимо обеспечить надежную работу мешалок и контролировать герметичность сальниковых уплотнений вала мешалок. При остановке мешалки или нарушении герметичности вала мешалки реактор должен быть остановлен;

- в реакторах с использованием твердого катализатора (в виде зерен, стружки и т.п.) и необходимостью перемешивания массы, мешалку после остановки не допускается включать повторно без предварительной разгрузки аппарата от твердого катализатора;

в жидкостных реакторах не допускается превышение регламентированного уровня жидкости. Устройства, регулирующие высоту слоя жидкости, должны быть исправными;

- при отводе избыточного тепла реакции за счет испарения воды или др. жидкости не допускается снижение уровня испаряемой жидкости ниже установленной нормами;

- при использовании сжиженного газа в качестве хладагента не допускается отключать охладительные устройства реактора от общей системы охлаждения без предварительного слива сжиженного газа;

- при включении в работу системы охлаждения реакторов со сжиженным газом арматуру на линии его подачи необходимо открывать постепенно во избежание переохлаждения стенок аппаратов и их повреждения;

- состояние стенок реакторов с агрессивными средами должно контролироваться путем осмотра и замера величины износа металла;

- при возможности отложения твердых продуктов на внутренних поверхностях оборудования и трубопроводов, их забивки, в том числе и устройств аварийного слива из технологических систем, предусматриваются контроль за наличием этих отложений и меры по их безопасному удалению;

- дозировка компонентов в реакционных процессах должна быть преимущественно автоматической и осуществляться в последовательности, исключающей возможность образования внутри аппаратуры взрывоопасных смесей или неуправляемого хода реакций;

- использование остаточного давления среды в реакторе периодического действия для передавливания реакционной массы в другой аппарат допускается в отдельных, обоснованных случаях;

- аппаратура жидкофазных процессов оснащается системами контроля и регулирования в ней уровня жидкости и (или) средствами автоматического отключения подачи этой жидкости в аппаратуру при превышении заданного уровня или другими средствами, исключающими возможность перелива;

- реакционные аппараты взрывоопасных технологических процессов с перемешивающими устройствами, как правило, оснащаются средствами автоматического контроля за надежной работой и герметичностью уплотнений валов мешалок, а также блокировками, предотвращающими возможность загрузки в аппаратуру продуктов при неработающих перемешивающих устройствах в тех случаях, когда это требуется по условиям ведения процесса и обеспечения безопасности. Средства контроля и системы блокировок определяются при проектировании;

- реакционная аппаратура, в которой отвод избыточного тепла реакции при теплопередаче через стенку осуществляется за счет испарения охлаждающей жидкости (хладагента), оснащается средствами автоматического контроля, регулирования и сигнализации уровня хладагента в теплообменных элементах;

- при разработке реакционных процессов получения или применения продуктов, характеризующихся высокой взрывопожароопасностью (ацетилена, этилена при высоких параметрах, пироксидных, металлоорганических соединений и др.), склонных к термическому разложению или самопроизвольной спонтанной полимеризации, саморазогреву, а также способных самовоспламеняться или взрываться при взаимодействии с водой и воздухом, должны предусматривать дополнительные меры пожарной безопасности с учетом этих свойств;

- при применении в реакционных процессах веществ и материалов, способных к самовозгоранию в среде воздуха, должны предусматриваться меры, исключающие или тормозящие процесс их окисления (предотвращение воздействия на них воздуха, уменьшение поверхности окисления посредством уплотнения массы, принудительное охлаждение, введение ингибиторов, тормозящих процесс окисления);

- при применении катализаторов, в том числе металлоорганических, которые при взаимодействии с кислородом воздуха и (или) водой могут самовозгораться и (или) взрываться, необходимо предусматривать меры, исключающие возможность подачи в систему сырья, материалов и инертного газа, содержащих кислород и влагу в количествах, превышающих предельно допустимые значения.

6. Охрана окружающей среды при производстве двойного суперфосфата

При производстве фосфорных удобрений велика опасность загрязнения атмосферы фтористыми газами. Улавливание соединений фтора важно не только с точки зрения охраны окружающей среды, но также и потому, что фтор является ценным сырьем для получения фреонов, фторопластов, фторкаучуков и т.д. Соединения фтора могут попасть в сточные воды на стадиях промывки удобрений, газоочистки. Целесообразно для уменьшения количества таких сточных вод создавать в процессах замкнутые водооборотные циклы. Для очистки сточных вод от фтористых соединений могут быть применены методы ионного обмена, осаждения с гидроксидами железа и алюминия, сорбции на оксиде алюминия и др. Сточные воды производства азотных удобрений, содержащие аммиачную селитру и карбамид, направляют на биологическую очистку, предварительно смешивая их с другими сточными водами в таких соотношениях, чтобы концентрация карбамида не превышала 700мг/л, а аммиака - 65-70мг/л. Важной задачей в производстве минеральных удобрений является очистка газов от пыли. Особенно велика возможность загрязнения атмосферы пылью удобрений на стадии грануляции. Поэтому газ, выходящий из грануляционных башен, обязательно подвергается пылеочистке сухими и мокрыми методами.

Достаточно трудоемким и сложным процессом является переработка сточных вод производства фосфорных удобрений, образующихся за счет очистки газовых выбросов, промывки фосфогипса, оборудования и т. д. В них содержится до 10 г/л фтора и до б г/л Р2О5>. Объем этих стоков громадный. Только шлама, образующегося при их нейтрализации известковым молоком, вывозится в отвал и удаляется на шламона- копители около 1 млн тонн в год. А с ним безвозвратно теряется 2-3% Р2О5 и до 50% фтора от их количества в фосфатном сырье.

В связи с этим Научно-исследовательским институтом по удобрениям и инсектофунгицидам (НИУИФ, в настоящее время ОАО «НИ- УИФ») разработана двухступенчатая технологическая схема переработки этих сточных вод с получением очищенной воды для повторного использования, фторсодержащих и фосфорсодержащих продуктов. При pH 2,7 - 2,9 известковым молоком осаждается продукт, содержащий 55- 60% CaF2 и 7% Р205, а при pH 7,1 - 7,5-7,4% CaF2 и 34 - 35% Р205. CaF2 с успехом используется в цементной промышленности. Р2О5 возвращается в голову процесса на получение ЭФК.

Со сложными экологическими проблемами сталкиваются производства но переработке сильвинита. Один из путей переработки галитовых отходов (основной отход переработки сильвинита) - это получение из них технической поваренной соли с последующим ее использованием для производства каустической и кальцинированной соды. Отработана и технология получения пищевой соли. К сожалению, себестоимость этой соли дороже добываемой из природных источников. Однако надо учитывать и экологический ущерб от галитовых отходов, который из «возможного» оказывается весьма реальным. Это показала катастрофа на шламохранилище Стебниковского завода калийных удобрений (Украина) в 1983 г., когда сотни тысяч кубических метров галитовых отходов, прорвав дамбу, попали в р. Днестр.

Другой реальный путь обезвреживания галитовых отходов, но также требующий дополнительных расходов, их закачка в выработанные шахты, откуда они и были добыты.

Аналогичные экологические проблемы вызывают «белые моря» содовых заводов. Кардинальным решением проблемы охраны окружающей среды при производстве соды является широкая переработка нефелина на глинозем, соду, поташ и цемент. Производства аммиака, серной и азотной кислот хотя и имеют определенные экологические проблемы, но уже сейчас могут быть организованы (что и делается) по практически безотходным технологическим схемам.

Заключение

Таким образом, при исследовании работы реактора с лопастной мешалкой:

- описали физико-химические основы процесса перемешивания;

- представили классификацию мешалок;

- рассмотрели и описали устройство и принцип действия лопастной мешалки и реактора с лопастной мешалкой;

- произвести конструкционный расчет реактора с лопастной мешалкой и эллиптическим дном;

- изучили правила безопасности при использовании оборудования;

- рассмотрели вопросы контроля производства и охраны окружающей среды;

-начертили чертеж реактора, при расчете которого были получены следующие данные:

1) Принятая толщина стенки обечайки с учетом прибавок: 60 мм>51,42+3=54,42 мм; допускаемое внутреннее избыточное давление р=4,43 МПа;

2) Принятая толщина днища с учетом прибавок: 60мм>51,0+2+1=54,0 мм; Допускаемое внутреннее давление для эллиптических днищ при действительной толщине стенки [р]=4,46 МПа;

3) Произвели расчет конструкции на гидравлический расчет. Пробное давление: Рпр=5,5 Мпа; Напряжение, возникающее от действия давления на низ аппарата: =156,8 Мпа;

4) Наибольший диаметр отверстия, не требующего дополнительного укрепления в эллиптических днищах d0 =242мм; Расчетная формула толщины стенки штуцера: S1p=5,77 мм .Расчетная длина внешней части штуцера:l1p =59,8 мм. Расчетный диаметр отверстия в стенке обечайки: dp =254 мм

Расчетный диаметр: d0p=176,6 мм

Расчетная ширина накладного кольца: l2p=633 мм ;l2=220мм

5)Полное усилие в шпильках фланцев : Рм=1,848 МН; Напряжение на шпильке:=13,0 МПа;

Изгибательный момент в сечении фланца: Мизг1=11,8 МН

Момент сопротивления втулки фланца: W1 мм2

Напряжение изгиба для втулки фланца:=35,2 МПа

Напряжение изгиба для тарелки фланца: Мизг2=0,21 МHм.

Момент сопротивления: W2=1730271 мм2

Напряжение изгиба:=12,1 МПа

Список использованных источников информации

1. Долинская Р.М. Основные технологии химической промышленности/Долинская Р.М., Жолнерович Н.В., Шатило В.И. - Минск: БГТУ, 2013.- 190с.[Электронный ресурс]:Режим доступа: https://elib.belstu.by/bitstream/123456789/3174/1/dolinskaya_osnovnye-texnologii-ximicheskoi-promyshlennosti.pdf

2. Решетняк Е.П. Системы управления химико-технологическими

процессами учебное пособие/ Решетняк Е.П., Алейников А.К., Комиссаров

А.В.-- Саратов: Саратовский военный институт биологической и химической безопасности, Вузовское образование, 2008.-- 416 c. [Электронный ресурс]:

Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/8144

3. Романков П.Г. Методы расчета процессов и аппаратов химической

технологии (примеры и задачи) учебное пособие для вузов/ Романков П.Г.,

Фролов В.Ф., Флисюк О.М. [Электронный ресурс]: Режим доступа:

http://www.iprbookshop.ru/22539

3. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической

технологии. 4-е издание М: Альянс, 2008.

4. Захарова А. А. Процессы и аппараты химической технологии., - М.:

Издательский центр «Академия», 2016. - 528 с.

5. Процессы и аппараты химической технологии общий курс/ В.Г.

Айнштейн [и др.]. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. [Электронный ресурс]:

Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/26127

6. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, - [Электронный

ресурс]. Режим доступа: http://bookre.org/reader?file=5413

Размещено на Allbest.ru

...