5. Расчет смесителя для среды, подаваемой в маточник

Задание. Определить основные размеры смесителя и мощность приводного электродвигателя механической мешалки. В смесителе готовится среда для маточника полезным объемом 2,5 м³ (10 % от объема ферментатора). Плотность перемешиваемой среды _с = 1050 кг/м³, динамическая вязкость _с = 0,00131 Па  с. Маточник заполняется в течение 30 мин.

Замес может готовиться в процессе заполнения, поэтому рабочий объем смесителя V^р_см может быть меньше рабочего объема маточника V^р_мат.

Расчет. Принимаем V^р_см = 0,7  V^р_мат = 0,7  2,5 = 1,75 м³.

Полный расчетный объем смесителя:

V_см = V^р_см/η_з = 1,75/0,7 = 2,5 м³,

где η_з – коэффициент заполнения смесителя средой, η_з = 0,7.

Принимаем внутренний диаметр аппарата D_вн = 1,4 м.

Высота верхнего и нижнего конусов:

H = (D_вн/2)  tg = (1400/2)  tg 15 = 187,5 мм = 0,1875 м.

Объем конуса:

V_к = π  D²_вн  h/(4  3)

V_к = 3,14  1,4²  0,1875/(3  4) = 0,096 м³.

Объем конической крышки не является рабочим, поэтому его в расчет не принимаем.

Объем цилиндрической части:

V_ц = 2,5 - 0,096 = 2,404 м³.

Высота цилиндрической части смесителя:

H_ц = V_ц/F = 2,404/[(3,14  1,4²)/4] = 1,562 м.

Принимаем Н_ц = 1600 мм.

Полезный конструктивный объем смесителя:

V_см = (3,14  1,4²/4)  1,6 + 2  1/3  (3,14  1,4²/4)  0,1875 = 2,65 м³.

Истинный рабочий объем смесителя:

V^р_см = 2,65  0,7 = 1,85 м³.

Аппарат работает при атмосферном давлении, поэтому толщину стенок корпуса принимаем по соображениям обеспечения жесткости конструкции с учетом нагрузки от привода мешалки  = 5мм.

Механическую мешалку смесителя рассчитываем по данным отраслевой нормали НИИхиммаша ОН-12-23-61М.

Для приготовления суспензий с содержанием до 10 %-ной твердой фазы, рекомендуется применять пропеллерные мешалки, обеспечивающие быстрое и интенсивное перемешивание. Принимаем к установке трехлопастную пропеллерную мешалку.

Согласно нормам, диаметр мешалки:

d_м = (0,3  0,33)  D_вн = 0,33  1400 = 462 мм = 0,462 м.

Принимаем d_м = 0,45 м.

Число оборотов мешалки:

n = w/(π  d_м) = 4,8/(3,14  0,45) = 3,4 об/мин,

где w – окружная скорость мешалки, при _с = 0,00131 Па  с; w = 4,8 м/с [7, с. 225].

Число оборотов мешалки должно быть увязано с приводом.

По каталогу НИИхиммаша подбираем вертикальный цилиндрический редуктор с числом оборотов выходного вала 180 об/мин, тип ВО-I-1,7/180-1000, электродвигатель АОП 42-6, N = 1,7 кВт, n = 930 об/мин. Таким образом, число оборотов мешалки в секунду:

N = 180/60 = 3 об/с.

Мощность, потребную для перемешивания среды мешалкой при установившемся режиме в аппарате без учета вспомогательных устройств, определим по формуле:

N_м = К_N  ρ_с  n³  d⁵ = 0,435  1050  3³  0,45⁵ = 230 Вт,

где ρ_с – плотность среды, 1050 кг/м³;

n – число оборотов мешалки, 3 об/с;

d – диаметр мешалки, 0,45 м.

Критерий мощности К_N зависит от интенсивности перемешивания, которая характеризуется значением центробежного критерия Рейнольдса:

Rе_ц = ρ  n  d²_м/μ_с = 1050  3  0,45²/0,00131 = 487000,

где  - плотность среды, 1050 кг/м³;

n – число оборотов мешалки, 3 об/с;

μ_с – динамическая вязкость среды, 0,00013 Па  с.

По графику нормали НИИхиммаша [7, рис. 71, с. 226] находим значение К_N = f(Rе_ц).

Из графика имеем:

К_N  [g/(n²  d_м)]^м = 0,23.

Отсюда критерий мощности К_N = 0,23/[g/(n²  d_м)]^м = 0,23/0,529 = 0,435, где [g/(n²  d_м)]^м = [g/(n²  d_м)]^{(а-lgReц)/в} = [9,81/(3²  0,45)]^{(2,1-lg487000)/18} = 0,529, где d = 2,1; в = 18 – коэффициенты, принятые из графика [7, рис. 71].

Расчетная мощность на валу мешалки:

N' = К₁  К₂  (К + 1)  N_м = 1  1,3  (0,5 + 1)  0,23 = 0,45 кВт,

где К₁ – коэффициент, учитывающий степень заполнения аппарата средой:

К₁ = Н_ж/D_вн = 1,4/1,4 = 1,

где Н_ж = (0,8  1,2) D_вн – высота слоя перемешиваемой жидкости в аппарате, принимаем Н_ж = D_вн = 1,4 м.

К₂ – коэффициент, учитывающий увеличение потребляемой мощности при пуске или в результате увеличения сопротивления среды при перемешивании; при перемешивании среды из-за добавления к ней компонентов может измениться сопротивление среды, поэтому согласно нормам ОН-12-23-61, принимаем К₂ = 1,3.

Сумма коэффициентов, учитывающих увеличение мощности из-за наличия в аппарате вспомогательных устройств (для сред с _с  0,1 Пас) К = 0,5 [7, с. 226, табл. 16].

Установочная мощность приводного электродвигателя:

N_уст = 1,2  N'/η_р = 1,2  0,45/0,9 = 0,6 кВт,

где 1,2 и 0,9 – коэффициент запаса мощности и КПД редуктора.