POLITECHNIKA POZNAŃSKA

WYDZIAŁ TECHNOLOGII CHEMICZNEJ

ZAKŁAD INŻYNIERII I APARATURY CHEMICZNEJ

PROJEKT MIESZALNIKA

ARTUR DURA

Rok IV Semestr 7

Rok akademicki 2002/2003

SPIS TREŚCI

Spis oznaczeń 3

Indeksy 3

1. Charakterystyka techniczna mieszalnika 4

1. Temat projektu 4

2. Dane projektowe 4

3. Rozeznanie mediów roboczych 4

4. Rozeznanie funkcji technologicznej aparatu 4

5. Parametry fizykochemiczne mediów roboczych 4

6. Rozwiązania konstrukcyjne aparatu (zbiornika 4

7. Rozwiązania konstrukcyjne mieszadła 4

8. Dobór materiału konstrukcyjnego 4

9. Schemat ideowy mieszalnika 4

2. Obliczenie statyki procesu 5

2.1. Wyznaczenie objętości wprowadza -nych substratów 5

2.2. Wyznaczenie objętości otrzymanej mieszaniny (emulsji). 5

3. Wyznaczenie mas wprowadzanych substratów 5

3. Obliczenia konstrukcyjne. 5

3.1. Obliczenie średnicy aparatu 5

3.2. Obliczenie wysokości części cylindrycznej. 5

3.3. Ustalenie wymiarów gabarytowych aparatu. 6

3.4. Zestawienie inwariantów 6

3.5. Sprawdzenie poprawności przyjętych wymiarów. 7

3.6. Dobór przegród 7

7. Obliczenie rzeczywistej objętości aparatu 7

4. Obliczenia energetyczne. 7

4.1. Udziały objętościowe układu 7

4.2. Gęstość emulsji 7

4.3. Lepkość emulsji 7

4.4. Wyznaczenie krytycznej częstości obrotów. 7

4.5. Obliczenie liczby Reynoldsa 8

4.6. Obliczenie mocy mieszania 8

7. Obliczenie mocy mieszania na wale 8

8. Obliczenie wału mieszadła na drgania krytyczne. 8

9. Dobór silnika 9

10. Dobór przekładni 9

5. Obliczenia wytrzymałościowe. 9

5.1. Ciśnienie obliczeniowe 9

5.1. Obliczenie grubości powłoki płaszcza 10

5.2. Obliczenie grubości dennicy 10

5.3. Wyznaczenie największej średnicy otworu w dennicy nie wymagającego

wzmocnienia. 11

5.4. Dobór mieszadła 12

5.5. Dobór dławnicy 12

5.6. Dobór sprzęgła, podstawy i stojaka napędu. 12

5.7. Dobór króćcy i połączenia kołnierzowego płaszcz-dennica górna 12

5.8. Obliczenie masy aparatu pustego 12

5.9. Obliczenie masy aparatu zalanego 13

10. Dobór łap. 13

6. Rysunek ofertowy. 14

Spis oznaczeń

a - szerokość łopatki [m]

B - szerokość przegród [m]

b - wysokość łopatki [m]

c -naddatek grubości powłoki [m]

c₁ - naddatek grubości na minusową odchyłkę blachy [m]

c₂ - naddatek grubości na korozję [m]

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

d - średnica [m]

D - średnica aparatu [m]

E - moduł Younga [MPa]

g - grubość ścianki [m]

G - masa mediów [kg]

H - wysokość [m]

h - wysokość zawieszenia mieszadła [m]

k - naprężenia dopuszczalne powłoki [N/m²]

K_s - dopuszczalne naprężenie przy skręcaniu [MPa]

l - długość [m]

m - masa [kg]

M_s - moment skręcający [Nm]

n - częstość obrotów [s^-1]

Ne - liczba Newtona

p - ciśnienie [Pa]

P - moc [W]

R_e - granica płynności na rozerwanie [N/m²]

Re - liczba Reynoldsa

s - szybkość korozji [m/rok]

V - objętość [m³]

X_e - współczynnik bezpieczeństwa wg UDT

y_w - współczynnik kształtu dna

z - współczynnik wytrzymałościowy

z_dop - współczynnik zakładu spawającego

η - lepkość [Pa*s]

ρ - gęstość [kg/m³]

τ - czas pracy aparatu [rok]

φ - udział objętościowy

ω_kr - częstość krytyczna [s^-1]

ω - współczynnik osłabienia dna

Indeksy:

e - emulsja

o - olej

w - woda ; wewnątrz ; wał

z - zewnątrz

p - płaszcza

wa - wał

cyl - cylindryczny

ow - obliczeniowy

rob - roboczy

h - hydrostatyczny

otw - otworu

1. CHARAKTERYSTYKA TECHNICZNA MIESZALNIKA.

1.1. Temat projektu.

Zaprojektować mieszalnik do emulgowania oleju mineralnego o lepkości 15,00 cP i gęstości 750 kg/m³ w wodzie o temperaturze 20°C. Masa produktu przy zadanym nominale objętościowym oleju w emulsji φ_e=0,20 wynosi G_e=1000 kg.

1.2. Dane projektowe

1.3. Rozeznanie mediów roboczych:

1.3.1. Faza zwarta , rozpraszająca - fazą zwartą jest woda.

1.3.2. Faza rozpraszana - faza rozpraszaną jest olej mineralny.

1.4. Rozeznanie funkcji technologicznej aparatu.

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

1.5. Parametry fizykochemiczne mediów roboczych.

1.5.1. Własności wody (t=20°C).

ρ_w=998,2 kg/m³

η_w=10,00*10^-4 Pa*s

1.5.2. Własności oleju mineralnego (t=20°C).

ρ_o=750 kg/m³

η_o=15,00 cP = 15,00*10^-3 Pa*s

1.6. Rozwiązania konstrukcyjne aparatu (zbiornika).

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

1.7. Rozwiązania konstrukcyjne mieszadła.

Zastosowano mieszadło turbinowe z sześcioma łopatkami prostymi wg BN-75/2225-06. Wał mieszadła umieszczony jest pionowo w osi zbiornika.

1.8. Dobór materiału konstrukcyjnego.

Mieszalnik zbudowano ze stali węglowej St3S dla której w t=20°C

R_e=23.30*10⁷N/m²

1.9. Schemat ideowy mieszalnika.

DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
	2. OBLICZENIE STATYKI PROCESU.
φo=0,20 Ge=1000 kg ρo=750 kg/m^3 ρw=998,2 kg/m^3	2.1. Wyznaczenie objętości wprowadza -nych substratów. Ve=Vo+Vw Vo= φo*Ve G=V*ρ	Vo=0,211m^3 Vw=0,844m^3
Vo=0,211m^3 Vw=0,844m^3	2.2 Wyznaczenie objętości otrzymanej mieszaniny (emulsji). Ve=Vo+Vw Ve=0,211+0,844=1,055 m^3	Ve=1,055m^3
Vo=0,211m^3 Vw=0,844m^3 ρo=750 kg/m^3 ρw=998,2 kg/m^3	2.3. Wyznaczenie mas wprowadzanych substratów. G=V*ρ Go=0,211*750=158,3kg Gw=0,844*998,2=842,5kg	Go=158,3kg Gw=842,5kg
	3. OBLICZENIA KONSTRUKCYJNE
Ve=1,055m^3	3.1. Obliczenie średnicy aparatu. Założono: H=D Przyjęto Dw=1,200m	Dw=1,200m
Ve=1,055m^3 Vdna=0,226m^3	3.2. Obliczenie wysokości części cylin-drycznej. Vcyl=Ve - Vdna Vcyl=1,055-0,226=829 m^3 Przyjęto naddatek wysokości 30% Hp=1,30*Hcyl=1,30*0,733=0,953m Przyjęto Hp=1,000m.	Hcyl=0,733m Hp=1,000m
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
Dw=1,000m Hp=1,000m Hcyl=0,733m Hdna=0,300m	3.3. Ustalenie wymiarów gabarytowych aparatu. Przyjęto: Dw=1,300m, Hp=1,000m H=Hcyl+Hdna=0,733+0,300=1,033m d=D/3=1,600/3=0,533m Przyjęto: d=0,400 m h=0,350 m (wg BN - 75/2223-06 h=0,30-0,4 0m dla d=0,400m) Pozostałe wymiary mieszadła wg powyższej normy dla d=0,400m: a=0,100m b=0,080m d0=0,300m	H=1,033m d=0,400 m h=0,350 m a=0,100m b=0,080m d0=0,300m
	3.4. Zestawienie inwariantów geometrycznych zbiornik - mieszadło.
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
H=1,033m d=0,400 m h=0,350 m a=0,100m b=0,080m d0=0,300m	3.5. Sprawdzenie poprawności przyjętych wymiarów. Inwarianty geometryczne przyjętych wymiarów nie różnią się o więcej niż 15% od wartości zalecanych i są optymalne dla zadanej wielkości mieszalnika.
Dw=1,200m	3.6. Dobór przegród B=0,1*Dw B=0,1*1,200=0,120m Przyjęto cztery przegrody.	B=0,120m
Dw=1,200m Hp=1,000m Vdna=0,226m^3	3.7. Obliczenie rzeczywistej objętości aparatu	V=1,6m^3
	4. OBLICZENIA ENERGETYCZNE
φo=0,20	4.1. Udziały objętościowe układu. φw=1-φo=1-0,20=0,80	φw=0,80
ρo=750 kg/m^3 φo=0,20 ρw=998,2 kg/m^3 φw=0,80	4.2. Gęstość emulsji. ρe = ρo* φo+ ρw* φw ρe = 750*0,20+998,2*0,80=948,6kg/m^3	ρe=948,6 kg/m^3
ηo=15,00*10^-3Pa*s φo=0,20 ηw=10,00*10^-4Pa*s φw=0,80	4.3. Lepkość emulsji. ηe= ηo* φo +ηw* φw ηe=15,00*10^-3*0,20+10,00*10^-4 *0,80= =3,80*10^-3Pa*s	ηe=3,80*10^-3Pa*s
	4.4. Wyznaczenie krytycznej częstości obrotów. Zastosowano równanie Hoblera—Palugnioka dla mieszadła turbinowego tarczowego z sześcioma łopatkami, pracującego w zbiorniku z przegrodami, z wodą jako fazą ciągłą.
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
ηw=10,00*10^-4Pa*s d=0,400 m ρw=998,2 kg/m^3 h=0,350 m Dw=1,200m l=1,0m (wielkość stała)	Na podstawie BN-75/2225-06 przyjęto n=3,0 s^-1(jest to nmin dla d=0,400m)	n=3,0 s^-1
n=3,0 s^-1 d=0,400 m ρe=948,6 kg/m^3 ηe=3,80*10^-3Pa*s	4.5. Obliczenie liczby Reynoldsa	Re=119800
Ne=6 n=3,0 s^-1 d=0,400 m ρe=948,6 kg/m^3	4.6. Obliczenie mocy mieszania.	P=1574,0 W
H=1,033m Dw=1,200m k2=2,5 k3=1 P=1574,0 W	4.7. Obliczenie mocy mieszania na wale. Pw= k 1* k2 * k3 * P Pw = 0,861 * 2,5 * 1 * 1574 = 3388,0 W	Pw=3400 W
Pw=3400 W n=3,0 s^-1 Ks,St3S=6,5*10^7Pa	4.8. Obliczenie wału mieszadła na drgania krytyczne. moment skręcający wału średnica wału Na podstawie normy BN-75/2225-06 dobrano średnicę wału dw=0,040 m	Ms=184,7 Nm dw=0,040 m
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
dw=0,040 m l=1,700m l1=1,200m E=2,05*10^5MPa= =2,05*10^11 Pa	moment bezwładności wału masa wału względna długość odcinka wału częstość krytyczna układu dla a=0,7 i k=1,4 znaleziono α=1,5 (wg wykresu ze Stręka ) Założona prędkość robocza mieszadła stanowi zaledwie 7,5% prędkości krytycznej zatem wał jest bezpieczny.
	4.9. Dobór silnika Dobrano trójfazowy silnik indukcyjny z wirnikiem klatkowym produkcji Fabryki Maszyn Elektrycznych INDUKTA S.A. model Skg 160M-8A o mocy 4,00 kW i nominalnej liczbie obrotów n=750min^-1.
	4.10 Dobór przekładni
	5. OBLICZENIA WYTRZYMAŁOŚCIOWE
prob=101325 Pa g=9,81 m/s^2 ρe=948,6 kg/m^3 H=1,033m	5.1. Ciśnienie obliczeniowe. pow = prob +ph ph= g*ρc *H ph=9,81*948,6*1,033=9613 Pa pow=101325+9613=110938 Pa	pow=110938 Pa
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
Dw=1,200m pow=110938 Pa Re,t=23.30*10^7N/m^2 Xe=1,8 c1=0,0005m s=0,0001m/rok τ=10 lat	5.1. Obliczenie grubości powłoki płaszcza. obliczenie współczynnika a Założono, że: wtedy a=1,000 obliczenie naprężeń dopuszczalnych Przyjęto materiał konstrukcyjny - stal St3S dla której w t=20°C, Re,t=23.30*10^7N/m^2wg PN-61/H-84020 Przyjęto Xe=1,8 wg UDT obliczenie współczynnika wytrzymał- ościowego szwu (jednostronne złącze doczołowe z podpawaniem). Współczynnik zakładu spawającego przyjęto zdop=0,8 z=1,00*0,8=0,8 rzeczywista grubość ścianki g=g0+c c=c1+c2+c3 c2=sτ c2=0,0001*10=0,001m Wobec braku innych naprężeń przyjęto c3=0m g=g0+c1+c2+c3 g=0,00044+0,0005+0,001=0,00194m Przyjęto g=0,005m (5mm) z zalecanego szeregu grubości blach wg BN-65/2002-02	k=12,94*10^7 N/m^2 g=0,005m
Hw=0,300m	5.2. Obliczenie grubości dennicy. obliczenie yw yw=f(Hz/Dz , ω) Przyjęto szacunkowo grubość dennicy g=0.005m Hz=Hw+g Hz=0,300+0,005=0,305m Dz=Dw+2g Dz=1,200+2*0,005=1,210m
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
Xe=1,55 s=0,0001m/rok τ=10 lat	Hz/Dz=0,305/1,210=0,252 Największa średnica otworu w dennicy dotw=0,123m dla ω=2.0 i Hz/Dz=0,25 współczynnik kształtu dna yw=3.21 - obliczenie naprężeń dopuszczalnych Przyjęto Xe=1,55 wg UDT Dno jest tłoczone z jednego arkusza blachy i nie wymaga spawania , zatem z=1 obliczenie rzeczywistej grubości dennicy g=g0+c c=c1+c2+c3 Przyjęto odchyłkę minusową przy tłoczeniu dna c1=0.002m c2=sτ c2=0,0001*10=0,001m g=0.00072m+0.001m+0.002m=0.0037m jest mniejsze od wartości założonej , zatem przyjęto g =0.005m	k=15,03*10^7N/m^2 g =0.005m
Dw=1,200m g =0.005m c2=0,001m k=15,03*10^7N/m^2 a=1	5.3. Wyznaczenie największej średnicy otworu w dennicy nie wymagającego wzmocnienia. - - d=0,35*Dz d=0,35*1,210=0,424m d=0,2m
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
	Najmniejsza z wyznaczonych średnic to d=0,132m zatem otwór pod króciec o średnicy dotw=0,123m nie wymaga wzmocnienia.
	5.4. Dobór mieszadła Dobrano mieszadło turbinowe z sześcioma prostokątnymi łopatkami prostymi, z piastą niedzieloną, ze stali węglowej St3S: MIESZADŁO WIRNIKOWE OTWARTE 400/40-N-W BN-75/2225-06
	5.5. Dobór dławnicy Dobrano kołnierz pod dławnicę ze stali węglowej St3S: KOŁNIERZ 40-W BN-74/2225-05 Dobrano dławnicę spawaną, ze stali węglowej St3S, niechłodzoną: DŁAWNICA W2-40 BN-74/2225-04
	5.6. Dobór sprzęgła, podstawy i stojaka napędu. Dobrano sprzęgło Dobrano podstawę stojaka napędu: PODSTAWA STOJAKA PS-425 BN-73/2225-01 Dobrano stojak napędu: STOJAK S-425-80 BN-73/2225-02
	5.7. Dobór króćcy i połączenia kołnierzowego płaszcz-dennica górna. Dobrano króćce ze stali węglowej, z kołnierzami okrągłym, przypawanymi, płaskimi na ciśnienie nominalne 0,25MPa wg BN-75/2211-32 Wlot oleju: KRÓCIEC Z-2,5-50/120-1/N Wlot wody: KRÓCIEC Z-2,5-100/120-1/N Spust emulsji: KRÓCIEC Z-2,5-125/180-3/N Dobrano połączenie kołnierzowe z kołnierzami płaskimi na ciśnienie 0,3MPa, z przylgą zgrubną, ze stali węglowej St3S: POŁĄCZENIE KOŁNIERZOWE ZZ-0,3/1200-5/AK-3 BN-80/2222-34
	5.8. Obliczenie masy aparatu pustego. masa płaszcza
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
mdna=69,0 kg	masa dennic m2=2*mdna m2=2*69,0=138,0kg masa mieszadła m3=6,4kg masa wału m4=mwa=16,8kg masa kołnierza pod dławnicę m5=3,0kg masa dławnicy m6=11,1kg masa sprzęgła m7= masa przekładni m8= masa podstawy stojaka napędu m9=8,4kg masa stojaka napędu m10=48,7kg masa króćców m11=mk1+mk2+mk3 m11=2,0+4,2+6,7=12,9kg masa połączenia kołnierzowego m12=138,0 masa silnika m13=85,0kg m=148,6+138,0+6,4+16,8+3,0+11,1+ + +8,4+48,7+12,9+138,0+85,0=616,9kg	m=616,9kg
m=616,9kg Ge=1000 kg	5.9. Obliczenie masy aparatu zalanego. Mc=m+Ge Mc=616,9+1000=1616,9kg	Mc≈1620kg
	5.10. Dobór łap. Na podstawie średnicy i masy aparatu dobrano cztery łapy W180 wg BN-64/2212-02

---