POLITECHNIKA POZNAŃSKA

WYDZIAŁ TECHNOLOGII CHEMICZNEJ

INSTYTUT TECHNOLOGII I INŻYNIERII CHEMICZNEJ

ZAKŁAD INŻYNIERII I APARATURY CHEMICZNEJ

MIESZALNIK

Projekt wykonany w ramach zajęć z maszynoznawstwa

Sikorski Artur

Studia dzienne magisterskie 2007/2008 na kierunku Technologia Chemiczna

Temat: Zaprojektować mieszalnik do emulgowania oleju mineralnego o lepkości ŋ [cP] i gęstości ρ [kg/m^3] w wodzie o temperaturze t[°C]. Masa produktu przy zadanym nominale objętościowym oleju w emulsji φe wynosi Ge [kg]. ŋ=1500 ρ=1000 φe=0,25 t=20 Ge=2200
Uwagi:

Spis treści

1. Charakterystyka techniczna aparatu………………………………………………. 3

2. Obliczenia statyki procesu…………………………………………………….….4-5

3. Obliczenie pojemności oraz wymiarów zbiornika………………………………….5

4. Obliczenia mieszadła……………………………………………………………..5-7

5. Obliczenia wału…………………………………………………………………..7-8

6. Moc silnika………………………………………………………………….…..…..8

7. Dobór sprzęgła…………………………………………………………………...…9

8. Dobór podstawy pod napęd mieszadła……………………………………………..9

9. Obliczenia wytrzymałościowe………………………………………………….…9-1

10. Obliczenia masy aparatu………………………………………………………...13-15

11. Spis oznaczeń……………………………………………………………………16-18

12. Spis norm i literatura……………………………………………………………..…19

1. Charakterystyka techniczna aparatu

1.1 Temat projektu.

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

2. Dane projektowe

η= 1500 [cP] ρ=1000 [kg/m³] t=20 [°C] φ_e=0,25 G_e=2200[kg].

2. Rozeznanie mediów roboczych:

Faza zwarta, rozpraszająca – fazą zwartą jest woda.

Faza rozpraszana – faza rozpraszaną jest olej.

2. Rozeznanie funkcji technologicznej aparatu.

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

2. Parametry fizykochemiczne mediów roboczych.

Własności wody (t=20 [°C])

ρ _w=998,2 [kg/m³]

η_w= 10,00·10^-4 [Pa·s]

Własności oleju (t=20 [°C])

ρ _o=1000[kg/m³]

η_o= 1500 [cP] = 1500·10^-3 [Pa·s]=1,500 [Pa·s]

2. Rozwiązania konstrukcyjne aparatu (zbiornika).

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

2. Rozwiązanie konstrukcyjne mieszadła.

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

2. Dobór materiału konstrukcyjnego.

Mieszalnik zbudowano ze stali węglowej St4S.

2. Łapy / podpory

Zastosowano 3 łapy.

ρc=998,2[kg/m^3] ρr=1000 [kg/m^3] ηc=10^-3 [Pa·s] ηr=1,5 [Pa·s] =0,25 Ge=2200 [kg] xC= 0,75 xr= 0,25 ρe =998,65 [kg/m^3] Vr = 0,55 [m^3] r=1000 [kg/m^3] Vc = 1,65[m^3] c=998,2[kg/m^3] mr=550 [kg] mc=1647 [kg] Ve = 2,2 [m^3] Dw=1,4 [m] Dw=1,4 [m] H=1,86 [m] Dw=1,4[m] Dw=1,4 [m] d=0,5[m] ρr=1000[kg/m^3] ρc=998,2[kg/m^3] ηc=10^-3 [Pa·s] ηr=1,5 [Pa·s] Dw=1,4 [m] σ=72,6·10^-3 [N/m^2] i=0,92 [Pa·s] d=0,5[m] ρe =998,65 [kg/m^3] d=0,5[m] ρe =998,65 [kg/m^3] n=2,67[obr/s] k1=1 k2=1,5 k3=2,5 Nw=13362 [W] n=2,67 Re=25,8·10^7[N/m^2] Xe=1,8 c3=0[m] c1=0,8*10^-3[m] s=0,0001[m/rok] =10[lat] c1=0,8*10^-3[m] c2=0,001[m] Ms=81,57 [N/m] ks=8,6·10^7 c=0,0018[m] dw=0,03 [m] dw=0,03 [m] dc=0,03 [m] n=2,67 dw=0,03 [m] Sc= 7,62·10^-3 [m] hd=0,0762 [m] Pow=101325 [Pa] Nw=13362 [W] N0= 3,71 [W] =0,85	2. Obliczenia statyki procesu 2.1.Podstatowe parametry fizykochemiczne mediów e=998,65 [kg/m^3] 2.2. Bilans masowy 2.2.1 Średnia gęstość emulsji ρe = ρcּxc+ ρrּxr ρe = 998,2ּ0,75 + 1000ּ0,25 ρe = 998,65 [kg/m^3] 2.2.2. Objętość emulsji Ve = Ve = Ve = 2,2[m^3] 2.2.3. Objętość wody Vc= xCּ Ve Vc = 0,75ּ 2,2 Vc= 1,65[m^3] Objętość oleju Vr= xrּ Ve Vr = 0,25ּ 2,2 Vr = 0,55 [m^3] Masa wprowadzonego oleju mr=ρr·Vr mr=550 [kg] 2.2.6. Masa wprowadzonej wody mc= ρc·Vc mc=1647 [kg] 2.2.7. Masa emulsji me=mr+mc me=2197[kg] 3.Obliczanie pojemności i wymiarów zbiornika 3.1 Średnica i wysokość napełnienia Dw=1,4[m] Zgodnie z normą BN-64/2221-02 przyjmuję Dw=1,0 [m] Dw=He H= H=1,86 [m] 3.2 Pojemność zbiornika V=2,86[m^3] 4.Obliczenia mieszadła 4.1. Geometria = 0,33 d=0,46[m] Zgodnie z normą BN-84-2225-13 dobieram mieszadło turbinowe Rushtona o d = 0,5m Zestawienie inwariantów geometrycznych Dobór przegród B= 0,1Dw B=0,14 [m] Dobieram 4 przegrody o szerokości B Nominalnie obroty mieszadła Obliczam liczbę Reynolds’a dla mieszadła turbinowego =338588 Obliczam ilość obrotów mieszadła na sekundę n=2,03 [obr/s] Zgodnie z normą BN-62/2201-03 dobieram szybkość obrotów mieszadła n=2,67[obr/s] Moc mieszania Na podstawie wykresu charakterystyki mocy mieszadeł turbinowych: Eu=f(Re) wyznaczam Eu, dla zbiornika 4 przegrodami: Eu=6 N=Eu·n^3·d^5·ρe N=3563 [W] Moc na wale mieszadła Nw=k1·k2·k3·N Nw=13362[W] Obliczenia wału Moment skręcający wału Ms= Ms=81,57[N/m] Dobór materiału wału dla stali ST4S Obliczenie naprężeń dopuszczalnych: Przyjęto materiał konstrukcyjny – stal ST4S, dla którego wg PN-61/H-84020 wartość Rm dla temperatury 20 wynosi: Rm=25,8∙10^7 [N/m^2] Współczynnik bezpieczeństwa wg UDT wynosi: x=1,8 α=1 [N/m^2] ks=0,6·k ks=8,6·10^7 Obliczam naddatek grubości c1-naddatek na minusowy odchył blachy c2-naddatek na korozje c2=0,001[m] c=0,0018[m] Średnica wału dw=1,71 dw=0,0099 [m] Zgodnie z normą BN-62/2201-04 dobieram średnicę wału dw=0,03[m] 5.4 Obliczenie momentu bezwładności I= I=3,97*10^-10[kg·m^2] Moc silnika 6.1 Grubość uszczelnienia dławika dc=dw dc=0,03 [m] Sc=4,4·10^-2· Sc= 7,62·10^-3 [m] 6.2 Wysokość dławika hd=10· Sc hd=0,0762 [m] 6.3 Moc tracona na dławiku N0=2· N0= 3,71 [W] 6.4 Moc silnika Ns= Ns= 15724,36 [W] Z katalogu firmy Indukta dobieram silnik Sg 180L-4 o mocy 22 [kW] n1= 1500[Obr/min]. Do silnika dobieram motoreduktor IEC 180 - RCV 552 7. Dobór sprzęgła Na podstawie średnicy wału i momentu skręcającego dobieram sprzęgło łubkowe, rodzaju L i typu B zgodnie z normą BN-81/2225-11 8. Dobór podstawy pod napęd mieszadła Zgodnie z normą BN-73/2225-02 dobieram stojak napędów mieszadeł pionowych S-425	e=998,65[kg/m^3] [Pa·s] ρe = 998,65 [kg/m^3] Ve = 2,2[m^3] Vc = 1,65 [m^3] Vr = 0,55 [m^3] mr=550 [kg] mc=1647 [kg] me=2197 [kg] Dw=1,4[m] He=1,0 [m] H=1,86 [m] V=2,86[m^3] d = 0,5[m] B=0,1[m] =338588 n=2,67[obr/s] N=3563 [W] Nw=13362 [W] Ms=81,57 [N/m] k= [N/m^2] ks=8,6·10^7 c2=0,001[m] c=0,0018[m] dw=0,03[m] I=3,97*10^-10[kg·m^2] Sc= 7,62·10^-3 [m] hd=0,0762 [m] N0= 3,71 [W] Ns= 15724,36 [W]
Dw=1,4 m Rm=25,8∙107[N/m2] x=1,8 α=1 z =1 k=14,3∙107 [N/m2] a=1 Pow=101325 [Pa]	9.Obliczenia wytrzymałościowe 9.1 Obliczenie grubości ścianki aparatu Wartość współczynnika a: Dla stosunku współczynnik a=1 Obliczenie naprężeń dopuszczalnych: Przyjęto materiał konstrukcyjny – stal ST4S, dla którego wg PN-61/H-84020 wartość Rm dla temperatury 20 wynosi: Rm=25,8∙107 [N/m2] Współczynnik bezpieczeństwa wg UDT wynosi: x=1,8 α=1 Przyjęto dwustronne złącze doczołowe, dla którego: z=1 Obliczenie grubości ścianki g0 [m] g0=0,000431[m]	k=14,3∙107 [N/m2] go =0,000431[m]
	9.2 Rzeczywista grubość ścianki – g g=g0+c [m] c=c1+c2+c3 c1=0,0005 [m] c2=s∙τ τ=10 lat s=0,0001 [m/rok] c2=0,001 [m] c3=0 [m] Stąd: c=0,0005+0,001+0=0,0015 [m] g=0,000431+0,0015 [m] g=0,00193[m] Przyjmujemy g=5 mm wg BN-65/2002-02	c=0,0015 g=0,00193 [m] g=0,005[m]
c2 = 0,001m Dw = 1,4 m Dz = 1,41 m pow = 101325 Pa z = 1 α = 1 xe = 1,5 Re = 25,8 ∙ 10^7 N/m^2 hw = 0,35m hc = 0,006m g = 5 ∙ 10^-3 m Dz = 1,401m	9.3. Obliczenie i dobór dennic Dz = Dw+2g = 1,4m + 2(0,005m) = 1,41 m 9.3.1 Wartość naprężeń dopuszczalnych dla dennicy: 9.3.2. Zewnętrzna wysokość dennicy: Hz = hw + hc+ g = 0,35m + 0,006m+0,006m = 0,362m 9.3.3. Obliczenie współczynnika wytrzymałości: 9.3.4 Obliczenie średnicy dennicy nie wymagającej wzmocnienia: 9.3.5 Obliczenie wskaźnik osłabienia: Przyjmuję wartość ώ = 2 9.3.6 Obliczenie współczynnika kształtu: = yw = 2,92 9.3.7 Obliczenie grubości ścian dennic Grubość ścianki przyjęto gD= 4∙10^-3	k = 14,3*10^7 [N/m^2] Zr = 0,0108 d = 0,143 [m] ώ = 2 yw = 2,92
c2 = 0,001m Dw = 1,4 m pow = 101325 Pa k = 14,3 ∙ 10^7 N/m^2 g = 5 ∙ 10^-3 m c2 = 0,001m Dw = 1,4 m pow = 101325 Pa k = 14,3 ∙ 10^7 N/m^2 g = 4 ∙ 10^-3 m	9.4 Wyznaczenie największej średnicy otworu w płaszczu i w dennicach zbiornika niewymagającej wzmocnienia d2=0,35∙Dz d3=0,2∙Dz 9.4.1 Wyznaczenie największej średnicy otworu w płaszczu zbiornika niewymagającej wzmocnienia Współczynnik wytrzymałościowy wynosi: Przyjmujemy, że największa średnica otworu nie wymagająca wzmocnienia wynosi: dmp =0,143 m 9.4.2 Wyznaczenie największej średnicy otworu w dennicach zbiornika niewymagającej wzmocnienia Współczynnik wytrzymałościowy wynosi: Średnica dennicy nie wymagającej wzmocnienia: Przyjmujemy, że największa średnica otworu nie wymagająca wzmocnienia wynosi: dmd =0,282 m	dmp =0,143 [m] dmd =0,282 [m]
Dnom=1,4 [m]	9.5.Dobór kołnierza do płaszcza Dobrano kołnierz przypawany z szyjką wg PN-67/H-74722 dla średnicy nominalnej zbiornika Dnom=1,4 [m]	Dz=1,675 [m] dz =1,42 [m] D0=1,59 [m] D1=1,525 [m] D2=1,46 [m] g=0,042 [m] d0=0,042 [m]
Pnom=1,6 [MPa]	9.6. Dobór włazu Właz i pokrywę dobrano wg BN-83/2211-25/02 Właz z pokrywą rodzaju PZ dla ciśnienia nominalnego Pnom=1,6 [MPa]	Dnom=0,400[m]
dz=0,43 [m]	9.6 Wyznaczenie wymiarów blachy wzmacniającej właz Największa średnica otworu nie wymagająca wzmocnienia wynosi 0,28[m], dobrany otwór na właz ma średnicę dz=430 mm zatem wymagane jest wzmocnienie Powierzchnia pierścienia musi być, co najmniej równa powierzchni otworu. Zatem powierzchnia otworu wynosi: a zewnętrzna średnica pierścienia wynosi: Grubość pierścienia g=0,005 m jest równa grubości blachy części walcowej	F = 0,145 [m2] dzw =0,850[m] g=0,005 [m]
Dz=1.41 [m] Dw=1.4 [m] H=1.86 [m] =7850 [kg/m^3] dw=0.03[m] =7850 [kg/m^3] M=1598,43 [kg]	9.7.Dobór króćców Dobór króćca wlotowego zgodnie z normą BN-76/2211-40 przyjmujemy króciec o Dnom=0,125 [m], Hkr=0,277 [m] oraz Pnom=1,6 [MPa] Dobór króćca wylotowego zgodnie z normą BN-76/2211-40 przyjmujemy króciec o Dnom=0,125 [m], Hkr=0,277 [m] oraz Pnom=1,6 [MPa] jak wyżej, nie trzeba wzmacniać otworu pod króciec gdyż jego średnic jest mniejsza od 0,28 [m] 9.8. Dobór dławika Dobieram dławik odmiany W2 o średnicy 30[mm] 10. Obliczenia masy aparatu wraz z magazynowana emulsja 10.1 Masa części cylindrycznej mcyl= 322 [kg] 10.2 Masy poszczególnych elementów: Masa dennicy wg PN-69/M-35413 md=103[kg] Masa króćca włazu wg BN-83/2211-25.01 mw=83,1 [kg] Masa kołnierza wg PN-67/H-74722 mk=114 [kg] Masa króćca wg BN-76/2211-40 mkr=5,95 [kg] Masa wału: mwal= mwal=7,65 [kg] Masa mieszadła wg BN-84/2225-13 mmiesz= 7,17 [kg] Masa stojaka S-425 wg BN-75/2225-02 mst=68 [kg] Masa dławika wg BN-74/2225-04 mdl= 11 [kg] Masa sprzęgła wg BN-81/2225-11 msp=6,9 [kg] Masa silnika i motoreduktora wg katalogu firmy Indukta msil=170 [kg] mmot=60 [kg] Masa wprowadzonej emulsji me=749,7 [kg] Masa aparatu z emulsją: M=mcyl+2mden+2mkr+mkoł+mwl+mwal+mmies+mst+mdl+msp+msil+ mmot+ me M=3148,5 [kg] 10.3 Dobór łap Miarę obciążającą wyznaczamy ze wzoru: Dobieram łapy wg BN-64/2252-01 o wielkości 180 [mm] i masie 9,1 [kg] Wyznaczenie wielkości blachy wzmacniającej Pod łapy dobieram blachy wzmacniające wg normy BN-66/2212-08 o wymiarach 230mm·180mm·10mm Masa blachy wzmacniającej 3,25 [kg] 10.4 Wyznaczenie masy całego układu Mukł=M+3·MŁ+3·Mblw= [kg]	] mcyl= 322 [kg] mwal=7,65[kg] M=3148,5, [kg] M0 = 1574,25 [kg] Mukł=3185,3[kg]

11. Spis oznaczeń

• wymiarowych

c – naddatek grubości [m]

c₁ - naddatek grubości na minusową odchyłkę blachy [m]

c₂ - naddatek grubości na korozję [m]

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

d - największa średnica otworu nie wymagająca wzmocnienia w dennicy [m]

d_w – średnica wału [m]

g – rzeczywista grubość ścianki cylindra [m]

g_d –rzeczywista grubość ścianki dennic [m]

g_o – obliczeniowa grubość ścianki płaszcza [m]

g_rzd – grubość ścianki dennic z naddatkami [m]

h_d – wysokośc dławika [m]

m_d – masa dennic [kg]

m_kr - masa króćców [kg]

m_c – masa fazy ciagłej (woda) [kg]

m_e – masa emulsji [kg]

m_r – masa fazy rozpraszającej (olej) [kg]

m_cyl – masa części cylindrycznej [kg]

m_den - masa dennicy [kg]

m_dl – masa dławika [kg]

m_koł - masa kołnierza przyłączeniowego [kg]

m_{kr –} masa króćca [kg]

m_miesz – masa mieszadła [kg]

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

m_sil – masa silnika [kg]

m_sp – masa sprzęgła [kg]

m_st – masa stojaka [kg]

m_wal - masa wału [kg]

n – liczba obrotów [obr/s]

s – szybkość korozji [m/rok]

B – szerokość przegrody [m]

D_w – średnica wewnętrzna mieszalnika [m]

D_z - średnica zewnętrzna mieszalnika [m]

G_e- masa emulsji [kg]

H – wysokość mieszalnika [m]

H_d – wysokość dennicy [m]

H_e – wysokość napełnienia mieszalnika [m]

H_z- wysokość części wyoblonej dennicy [m]

I – moment bezwładności [kg·m²]

M – masa mieszalnika bez łap [kg]

M_blw – masa blachy wzmacniającej pod łapy [kg]

M_Ł – masa łap [kg]

M_o – masa obciążająca łapy [kg]

M_s – moment skręcający wału [N/m]

M_ukł – masa całego układu [kg]

N – moc mieszania [W]

N₀ – moc tracona na dławiku [W]

N_w – moc na wale mieszadła [W]

P_ow – ciśnienie [Pa]

S_c – grubość uszczelnienia dławika [m]

V – pojemność mieszalnika [m³]

V_c – objętość fazy ciągłej [m³]

V_e – objętość emulsji [m³]

V_r – objętość fazy rozpraszanej [m³]

X_e – współczynnik bezpieczeństwa [m³]

η­_c – lepkość fazy ciągłej [Pa·s]

η­_e – lepkość emulsji [Pa·s]

η­_r – lepkość fazy rozpraszającej [Pa·s]

- gęstość fazy ciągłej [kg/m³]

- gęstość emulsji [kg/m³]

- gęstość fazy rozpraszającej [kg/m³]

- gęstość stali [kg/m³]

σ – napięcie powierzchnowe [N/m²]

- okres eksploatacji mieszalnika [rok]

• bezwymiarowe oznaczenia

a – współczynnik

i – inwariant podobieństwa geometrycznego

k – naprężenie dopuszczalne

x_c – ułamek objętościowy fazy ciągłej

x_r - ułamek objętościowy fazy rozpraszanej

y_w – współczynnik kształtu dna

z – współczynnik wytrzymałościowy szwu

R_e0 – liczba Reynolds’a

Z_r - współczynnik wytrzymałościowy

- nominał objętościowy

- wskaźnik osłabienia

12. Spis norm i literatura

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

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

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

4. Normy:

• BN-64/2252-01

• BN-64/2221-02

• BN-65/2002-02

• BN-66/2212-08

• BN-73/2225-02

• BN-74/2225-04

• BN-75/2225-02

• BN-81/2225-11

• BN-84/2225-13

• PN – 66/M-35412

• PN – 66/M-35413

• PN-67/H-74721

• PN-67/H-74722