4.3 Технологический расчет реактора

Исходные данные для расчета:

Реактор с якорной мешалкой поз. Р-1

Объемный расход сточной воды,V_c, м³/ч 15

Продолжительность пребывания материала в аппарате, τ_с, мин 18

Плотность перемешиваемой среды, ρ, кг/м³ 1223

Динамический коэффициент вязкости среды, μ, Па∙с 1,26∙10³

Материал вала мешалки сталь 40Х

Допускаемое напряжение на кручение для стали 40Х, τ_доп , МПа 150

Материал реактора поз. Р-1 сталь ВСт3сп5

Расчетная температура, t_р, °C 200

Расчетное давление в корпусе реактора, Р_р, МПа 0,3

Допускаемое напряжение стали ВСт3сп5 при t= 20^°С, [σ]₂₀, МПа 140

Допускаемое напряжение стали ВСт3сп5 при t_р= 200°C,[σ], МПа 126

Допускаемое напряжение стали ВСт3сп5 из условия испытания, [σ]_и, МПа 175

4.3.1 Определение основных технических данных реактора

Для определения габаритных размеров аппарата, рассчитаем объем реактора:

, (4.8)

где V_c - объемный расход сточной воды, м³/ч;

τ - продолжительность пребывания материала в аппарате, ч^-1;

δ – резерв мощности аппаратуры;

φ – степень заполнения аппарата;

m – число устанавливаемых аппаратов.

Для физико-химического процесса без пенообразования степень заполнения аппарата: φ = 0,75 ÷ 0,8. Принимаем φ = 0,8 [23].

Резерв мощности аппаратуры для обычных условиях эксплуатации составляет 10-15%. Принимаем резерв мощности равным 10%.

Выберем стальной эмалированный реактор с эллиптическим днищем со следующими основными размерами:

Объем реактора, м³ 6,3

Диаметр реактора, мм 1800

Высота реактора, мм 5280

Условное давление в рубашке, МПа 0,6

Диаметр вала мешалки в зоне сальникового уплотнения, мм 130

4.3.2 Технологический расчет мешалки

Перемешивание применяется для интенсификации тепло- и массообменных процессов. Наиболее распространенным способом перемешивания в жидких средах является механическое перемешивание при помощи мешалок.

Основные размеры перемешивающих устройств с якорным типом мешалки представлены на рисунке 4.3.

Основные геометрические параметры якорной мешалки определяются из соотношений:

где D- диаметр реактора, мм;

d_м – диаметр мешалки, мм;

h_м – высота установки мешалки, мм;

h – высота мешалки, мм;

b – ширина лопасти якорной мешалки, мм.

Рисунок 4.3 – Якорная мешалка

Принимая отношение D/d_м =1,3, рассчитаем диаметр мешалки:

.

Округляем расчетный диаметр мешалки до стандартизованных диаметров мешалок: d_м=1400 мм [24].

Аналогично рассчитываем другие размеры якорной мешалки:

;

;

;

;

Мощность привода мешалки рассчитываем по формуле:

где K_п – коэффициент, учитывающий наличие/отсутствие перегородок;

К_н – коэффициент высоты уровня жидкости в аппарате;

К_i – коэффициент, учитывающий наличие в сосуде внутренних устройств;

N_уп – мощность, затрачиваемая на преодоление трения в уплотнениях вала

мешалки, Вт;

N – мощность, затрачиваемое непосредственно на перемешивание жидкости,

Вт;

η – коэффициент полезного действия привода мешалки.

Для аппаратов без перегородок К_п=1,24.

Коэффициент, учитывающих наличие в сосуде внутренних устройств, при наличии гильзы, термопары, трубы передавливания или уравномера составляет К_i = 1,1 ÷ 1,2. Принимаем К_i = 1,2.

Коэффициент полезного действия для привода мешалки составляет 0,85÷ 0,9. Принимаем η = 0,85.

Коэффициент высоты уровня жидкости определяем по формуле:

, (4.14)

где D – диаметр мешалки, м;

H_ж – высота уровня жидкости, м;

При степени заполнения аппарата φ = 0,8 высота уровня жидкости H_ж = 2,13 м.

Мощность, затрачиваемая на перемешивание в типовых химических реакторах, определяем по зависимости:

(4.15)

где K_N – критерий мощности;

ρ – плотность перемешиваемой среды, кг/м³;

d_м – диаметр мешалки, м;

n – частота вращения мешалки, с^-1.

Определяем частоту вращения мешалки, с^-1:

где ω – окружная скорость мешалки, м/с;

d_м – диаметр мешалки, м.

ω = 0,5÷4 м/с при μ ≤ 10 Па∙с

Принимаем ω = 3,3 м/с.

В соответствии с полученным значением частоты вращения принимаем n = =0,83 c^-1 [24].

Величина критерия мощности K_N зависит от центробежного критерия Рейнольдса Re_цб, отношения D/d_м, типа перемешивающего устройства и конструктивных особенностей аппарата.

Центробежный критерий Рейнольдса Re_цб для перемешивающего устройства и конструктивных особенностей аппарата:

где n – частота вращения мешалки, с^-1;

d_м – диаметр мешалки, м;

μ – динамический коэффициент вязкости перемешиваемой среды, Па∙с;

ρ – плотность перемешиваемой среды, кг/м³.

Определяем критерий мощности: K_N = 0,3 [24].

Вычислим мощность, затрачиваемую на перемешивание в типовых химических реакторах:

Мощность N_уп зависит от способа уплотнения вала перемешивающего устройства. Сальниковые уплотнения применяют для герметизации аппаратов с агрессивными средами при избыточном давлении до 0,6 МПа и температуре до 200°С. Окружная скорость вала диаметром от 20 мм до 160 мм обычно не превышает 3,5 м/с.

Мощность, затрачиваемая на трение в сальниковом уплотнении с мягкой набивкой, по формуле:

, (4.18)

где p – избыточное давление в аппарате, МПа;

n – частота вращения мешалки, с^-1;

f_тр – коэффициент трения;

l_н – высота набивки, мм;

d_в – диаметр вала, м;

f_тр = 0,08 ÷ 0,12, принимаем f_тр =0,1.

l_n = 90 ÷ 130 мм, принимаем l_n =100 мм.

Рассчитываем мощность, затрачиваемую на трение в сальниковом уплотнении с мягкой набивкой:

Рассчитаем мощность привода мешалки по формуле:

.

Выбираем в качестве привода мешалки мотор-редуктор типа МПО-2 с мощностью электродвигателя N = 3 кВт [24].

4.3.3 Расчет цилиндрической части обечайки

Пробное давление гидростатического испытания, Р_и, МПа, определяем согласно:

(4.19)

где Р_р – расчетное давление, МПа;

[σ]₂₀ – допускаемое напряжение материала при температуре 20^°С, МПа;

[σ] – допускаемое напряжение материала при расчетной температуре, МПа.

МПа

Прибавку к расчетной толщине стенки С, м, определяем согласно:

С = С₁ + С₂ + С₃ (4.20)

где С₁ – прибавка для компенсации коррозии и эрозии, м;

С₂ – прибавка для компенсации минусового допуска, м;

С₃ – технологическая прибавка, м.

Принимаем С₁ = 0, С₂ = 0 [25].

Прибавку для компенсации коррозии и эрозии С₁, м, определяли согласно

С₁ = П·τ_в + С_э, (4.21)

где П – проницаемость среды в материал, м/год;

τ_в – срок службы аппарата, лет;

С₃ – прибавка для компенсации эрозии, м.

Принимаем П = 0,06 · 10^-3 м/год, τ_в = 15 лет, С_э =0 [25].

С₁ = 0,06 · 10^-3 ∙15 + 0 = 0,9 · 10^-3 м,

С = 0,9 · 10^-3 + 0 + 0 = 0,9 · 10^-3 м.

Окончательно прибавку к расчетной толщине стенки принимаем:

С = 2 ·10^-3 м.

Расчетную толщину стенки аппарата S_Р, м, определяем согласно:

(4.22)

где Р_р, Р_{и -} соответствующее расчетное и пробное давление, МПа;

D – внутренний диаметр аппарата, м;

φ – коэффициент прочности сварного шва;

[σ] - допускаемое напряжение материала, МПа;

[σ]_и - допускаемое напряжение из условия испытания, МПа;

Коэффициент сварного шва принимаем φ = 1 [25].

S_Р = max ,

Определяем исполнительную толщину стенки S, м:

S = S_p + C, (4.23)

где S_Р - расчетную толщину стенки, м;

С - прибавка к расчетной толщине стенки, м.

S = 7,3 · 10^-3 + 2 · 10^-3 = 9,3 · 10^-3 м.

Конструктивно исполнительную толщину стенки наращиваемой обечайки принимаем S = 12 · 10^-3 м.

Проверяем условие применимости формул:

где S - исполнительная толщина стенки, м;

С - прибавка к расчетной толщине стенки, м;

D – внутренний диаметр аппарата, м.

Условие применимости формул выполняется. Таким образом, при толщине стенки S = 12 мм обеспечивается прочность цилиндрической обечайки реактора как в рабочем состоянии, так и при гидравлических испытаниях.

4.3.4 Расчет эллиптического днища и крышки реактора

Вычисляем исполнительную толщину стенки S_д, м, по формуле:

(4.25)

S_{д =} S_д.р. + С, (4.26)

где Р_р,Р_{и -} соответствующее расчетное и пробное давление, МПа;

D – внутренний диаметр, м;

φ – коэффициент прочности сварного шва;

[σ] - допускаемое напряжение материала, МПа;

[σ]_и - допускаемое напряжение из условия испытания, МПа;

С - прибавка к расчетным толщинам, м.

S_д = 12,3 · 10^-3 + 2 · 10^-3 = 14,3 · 10^-3 м.

Конструктивно исполнительную толщину листа верхней цилиндрической обечайки приняли S_д= 16· 10^-3 м.

Проверяем условие применимости формул (4.25):

Условие применимости формул выполняется. Таким образом, при толщине стенки S = 16 мм обеспечивается прочность эллиптического днища и крышки реактора как в рабочем состоянии, так и при гидравлических испытаниях.