Система выбора конструкции механического перемешивающего устройства вертикального емкостного аппарата

УДК 66.02.001

СИСТЕМА ВЫБОРА КОНСТРУКЦИИ МЕХАНИЧЕСКОГО ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ВЕРТИКАЛЬНОГО ЕМКОСТНОГО АППАРАТА

С.В. Карпушкин, М.Н. Краснянский, Н.Н. Афанасьева

Кафедра «Автоматизированное проектирование технологического оборудования», ТГТУ

Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым

Ключевые слова и фразы: вертикальные емкостные аппараты; гидродинамическая обстановка; параметры качества перемешивания.

Аннотация: Представлена система автоматизированного выбора конструкции механического перемешивающего устройства вертикального емкостного аппарата: типа, числа и диаметра механических мешалок, частоты вращения вала привода. Система включает программные модули, разработанные в среде Microsoft Visual Basic и базу данных в формате Microsoft Access. Приводится пример применения системы для определения оптимальных параметров перемешивающего устройства емкостного аппарата действующего производства азопигментов.

Задача выбора оптимальной конструкции механического перемешивающего устройства (МПУ) вертикального емкостного аппарата (реактора, емкости для получения растворов, суспензий, эмульсий) возникает при выборе и реконструкции аппаратурного оформления технологических систем химических, фармацевтических, пищевых производств. Эта задача особенно актуальна для многоассортиментных малотоннажных химических производств, например, производств синтетических красителей и полупродуктов, так как емкости с МПУ составляют около 70 % парка их основного оборудования, а ассортимент выпускаемой продукции часто меняется.

К числу основных параметров конструкции МПУ относятся:

- тип мешалки, расчетной характеристикой которого является коэффициент ее гидравлического сопротивления (£);

- число идентичных мешалок на валу перемешивающего устройства (гм);

- диаметр мешалок (й?м);

- частота вращения вала перемешивающего устройства (п).

Задача формулируется следующим образом: выбрать тип и число механических мешалок, диаметр мешалок и частоту вращения вала привода из стандартного ряда их значений, которые обеспечивают приемлемую гидродинамическую обстановку в аппарате и требуемое качество перемешивания при минимальных приведенных затратах на МПУ. Используемая методика расчетов механических перемешивающих устройств вертикальных емкостных аппаратов представлена в монографии [1] и рекомендована к применению документом [2].

Для оценки приведенных затрат предлагается использовать амортизацию стоимости мешалок и мотор-редуктора 21(^, 2м, ём, п, Ы, Мкр), а также годовую стоимость потребляемой электроэнергии 22(Т, Ы). Здесь N = С 2м £ К1 р п3 dм5 -

мощность, необходимая для осуществления перемешивания; К1 = К1(^) - коэффициент мощности перемешивания; р - плотность перемешиваемой среды; Мкр = Мкр(^, 2м, dм, п) - крутящий момент, приложенный к перемешиваемой среде при вращении лопастей мешалки; С - константа, см. [1, 2]. Выбор стандартного мотор-редуктора осуществляется по найденным в результате решения задачи значениям п, Мкр и N. Затраты на электроэнергию предлагается оценивать по затратам мощности, необходимой для осуществления перемешивания Ы, и времени работы перемешивающего устройства в течение года Т, которое определяется нормами режима реализации конкретного процесса и календарным планом работы оборудования [3]. Таким образом, в качестве критерия эффективности МПУ вертикального емкостного аппарата предлагается использовать функцию

7 = ^

Гидродинамическая обстановка в аппарате характеризуется [1, 2]:

- ограничением на значение отношения диаметра аппарата к диаметру мешалки Оп = БШм

Ов* < ,

где GD*, Оа - граничные значения Оа для мешалки выбранного типа, например

для лопастной GD* = 1,5, Оп = 2,5;

- уравнением равенства моментов сил, приложенных к перемешиваемой среде

2в

Мкр+Мап + £ Мвн, = 0,

1=1

где Мап = Мап(^, dм, п) - момент сил сопротивления вращению, возникающих на стенках корпуса аппарата; гв - число внутренних устройств в аппарате; Мвш- = Мвш(С dм, п, К,, г) - момент сил сопротивления вращению, возникающих на

1-м внутреннем устройстве; К,-, г, - гидравлическое сопротивление и радиус установки 1-го внутреннего устройства;

- ограничением на глубину центральной воронки кв = кв

н - км > кв,

где Н - высота заполнения аппарата перемешиваемой средой; км = км(хм, dм, Д) -

высота расположения верхней мешалки над днищем аппарата (ее ступица должна быть покрыта перемешиваемой средой).

Параметры качества перемешивания зависят от его цели и типа перемешиваемой среды. Например, для случая перемешивания малоконцентрированной суспензии (объемная доля твердой фазы не превышает 0,1, массовая доля - 0,2) требуемое качество перемешивания характеризуется ограничениями на распределение концентрации взвешенных частиц по высоте аппарата

ДХтах < ДХз

и по радиусу аппарата

ХсрК > XRз,

где АХ,

max

йе[0;Я ]

X (h)- Xср

-------— - относительная разность массовой доли взве^

Хср _

тах

шенных частиц по высоте аппарата, XcpR =

max

re[rm0,5^м; 0,5-D]

[X (r)]

- отношение

средней массовой доли твердой фазы к максимальной по радиусу аппарата; Хср -средняя массовая доля твердой фазы в суспензии; Х(к), Х(г) - массовая доля твердой фазы на расстоянии к от днища аппарата и расстоянии г от его вертикальной оси; гт = гт(£, dм, п) - относительный (отнесенный к радиусу мешалки) радиус границы центральной и периферийной зон перемешивания [1]; ДХз - максимально допустимое значение ДХтах; ХКз - минимально допустимое значение

Таким образом, в случае перемешивания малоконцентрированной суспензии задача сводится к выбору типа мешалки и определению значений 2м, dм и п, при которых функция (1) достигает минимума и выполняются условия (2) - (6). Значения Х(к), Х(г), Кь кв, км, Мкр, Мал, Мвю-, , = 1,..., 2в определяются в ходе решения задачи в соответствии с указаниями [1, 2].

Параметрами качества перемешивания других сред служат следующие характеристики:

- для взаимнорастворимых жидкостей: время достижения заданной степени неоднородности среды (время гомогенизации) тг = тг(^, 2м, dм, п, ^), где ^ - заданная степень неоднородности распределения концентрации указанного вещества или температуры в объеме перемешиваемой среды;

- для высококонцентрированных суспензий: степень неоднородности распределения взвешенных частиц по высоте аппарата Дф = Дф(^, 2м, dм, п) и отсутствие осадка на его днище;

- для несмешиваемых жидкостей: средний диаметр капель дисперсной фазы dк = dк(Z, 2м, dм, п) и относительная разность концентраций дисперсной фазы в объеме аппарата ДС = ДС(^, 2м, dм, п);

- для газожидкостных систем: средний диаметр пузырей газа

dп = dп(Z, 2м, dм, п) и объемная доля газовой фазы в аппарате ф = ф(^, 2м, dм, п);

- для растворения частиц твердого полидисперсного материала: коэффициент массоотдачи в = Р(^, 2м, dм, п) и длительности растворения частиц фракций материала тк = тк^0к, с0к, снас), к = 1,..., К, где d0k, с0к - начальный размер частиц и начальная массовая концентрация (кг/м3) к-й фракции твердой фазы; снас - массовая концентрация насыщения раствора для рабочих условий.

Соответственно, при решении задач, подобных (1) - (6), для перечисленных случаев перемешивания ограничения (5), (6) заменяются:

- при перемешивании взаимнорастворимых жидкостей - ограничением на время гомогенизации тг < тзад с учетом концентрации распределяемого вещества или (и) температуры среды;

- при перемешивании высококонцентрированных суспензий - ограничением на степень неоднородности распределения взвешенных частиц по высоте аппарата Дф < Дфтах и условием отсутствия осадка на днище аппарата / > /р, где / = / (^, 2м, dм, п) - частота пульсаций скорости жидкости у поверхности осадка, /кр = /р(£, 2м, dм, п) - критическая частота пульсаций, обеспечивающая подъем частиц осадка;

- при перемешивании несмешиваемых жидкостей - ограничением на размеры капель дисперсной фазы dк < dкmax и на равномерность распределения дисперсной фазы в рабочем объеме аппарата ДС < ДСтах;

- при перемешивании газожидкостных систем - ограничением на размеры пузырей газа в жидкости dn < dnmax и на величину газосодержания в объеме аппарата ф > фср, где фср - средняя (заданная) объемная доля газовой фазы в аппарате;

- при растворении частиц полидисперсной твердой фазы - ограничением на продолжительность растворения в > вп, где вп = вп(тзад, снас, d0k, c0k, k =1, K); значение коэффициента массоотдачи, обеспечивающее заданное время растворения Тзад.

Алгоритм решения задачи (1) - (6) и аналогичных задач для других сред предусматривает перебор возможных комбинаций стандартных значений параметров конструкции МПУ, для каждой из которых осуществляется проверка выполнения ограничений. При положительном результате проверки осуществляется подбор наиболее пригодных серийно выпускаемых мотор-редукторов. Оптимальная конструкция МПУ определяется по минимуму критерия (1).

Система выбора конструкции привода механического перемешивающего устройства вертикального емкостного аппарата разработана в среде Visual Basic. Структура и состав системы представлены на рис. 1. Главным звеном, координирующим работу всей программы, является управляющий модуль. Он осуществляет следующие функции:

- проверку корректности исходных данных и указание на ошибки;

- выбор методики расчета затрат мощности на перемешивание с учетом значения суммарного гидравлического сопротивления внутренних устройств;

- выбор методики расчета параметров качества перемешивания конкретной среды;

- проверку выполнения ограничений (5), (6) и им подобных для различных видов перемешиваемых сред;

- учет (по указанию пользователя) дополнительных ограничений на конструкцию МПУ, таких как фиксированный тип мешалки, число мешалок, частота вращения вала;

- обработку аварийных ситуаций, возникающих в процессе работы системы, и выдачу рекомендаций по их устранению;

- управление взаимодействием расчетного блока с информационным блоком и базой данных;

- обеспечение передачи данных в блок создания итогового отчета и его вывод на экран.

Модуль «Исходные данные» обеспечивает ввод информации об аппарате, перемешиваемой среде и требуемых условиях реализации процесса (рис. 2), а также, при необходимости, модификацию исходных данных, к которым относятся:

Суспензии

Инф ормацно ннын блок

---------ЗТ----------

Эмульсии

Г:ї"-ЖИДКОСТЬ

Управляющий

модуль

Раствор ение

Расчетный

блок

ту і:

Мешалка

Мотор-

рещ/ктор

Отчет

Рис. 1 Структура и состав системы выбора конструкции привода

Исходные данные для выбора констрчкции привода МПУ

Диаметр аппарата, м.................................. [2

Высота заполнения аппарата средой, м.................

Уровень заполнения аппарата средой

[Is-

Полностью заполнен (* Со свободной поверхностью

Плотность жидкой Фазы суспензии, кг/м.куб............. 11160

Плотность материала твёрдой Фазы, кг/м.куб............ 11720

Кинематическая вязкость суспензии, 1СГ-6 м. кв./с..... [4^24

Средний диаметр взвешенных частиц, м.............. 10,000008

Концентрация твёрдой Фазы в суспензии (масс.доли). [0,05

Время работы МПУ, (сцт. в год).................... [330

Параметры качества перемешивания

Относительная разность концентраций взвешенных |-----

частиц по высоте аппарата не более.....................10,05

Отношение средней концентрации к концентрации на |-----

радиусе не менее.......................................|0,85

а)

Внутренние устройства

р Одиночная труба Г- Одиночная пластина Г Отражательные перегородки Ц- Отражатели Г Змеевики

Ok

Одиночная трчба

наружный высота пог- число радиус

диаметр ружной части труб расположения

трубы, м трубы, м ____________________ трубы, м

3 5 ’ [1 ’ 10,9

0,108

б)

Рис. 2 Панель ввода исходных данных:

а - информация о параметрах аппарата и перемешиваемой среды; б - информация о внутренних устройствах

- геометрические размеры аппарата - диаметр и высота его заполнения средой;

- физические свойства и параметры перемешиваемых сред - состав, плотность, динамическая или кинематическая вязкость компонентов и т.п.;

- типы и геометрические размеры установленных в аппарате внутренних устройств (трубы, отражательные перегородки, змеевик и т.д.);

- требуемые значения параметров качества перемешивания;

- время работы МПУ за год;

- фиксированные параметры перемешивающего устройства (при наличии дополнительных ограничений на его конструкцию, например заданный тип мешалки, их число на валу МПУ, частота вращения вала и т. п.).

Модуль «Расчетный блок» осуществляет:

- расчет суммарного гидравлического сопротивления внутренних устройств;

- расчет глубины центральной воронки;

- расчет мощности, затрачиваемой на перемешивание;

- расчет распределения концентраций компонентов перемешиваемой среды;

- перебор стандартных значений параметров МПУ, которые не зафиксированы пользователем;

- взаимодействие с базой данных посредством SQL-запросов;

- расчет значения критерия (1) для конкретной конструкции МПУ.

Модуль «Информационный блок» обеспечивает пользователя и расчетный блок информацией справочного характера:

- порядок определения гидравлического сопротивления наиболее часто встречающихся внутренних устройств;

- значения необходимых для расчетов характеристик наиболее распространенных мешалок;

- формулы для расчета необходимых физических свойств веществ для случаев перемешивания мало- и высококонцентрированных суспензий, несмешивае-мых жидкостей, газожидкостных систем;

- зависимости значений теплофизических параметров некоторых рабочих сред, характерных для многоассортиментных малотоннажных химических производств, от температуры.

Модуль «Отчет» формирует текстовый файл с подробным протоколом работы системы, который включает:

- исходные данные (как введенные пользователем, так и полученные в результате работы информационного блока);

- результаты расчета глубины воронки и мощности перемешивания;

- результаты расчета распределения концентраций компонентов перемешиваемых сред;

- допустимые конструкции МПУ, способные обеспечить требуемое качество перемешивания;

- подходящие для этих конструкций мотор-редукторы (с точки зрения обеспечения частоты вращения выходного вала, крутящего момента, приложенного к жидкости при вращении лопастей мешалки, и мощности электродвигателя);

- конструкцию привода и тип мотор-редуктора, обеспечивающие минимум критерия (1).

Рис. 3 иллюстрирует форму представления основных результатов работы системы.

База данных системы содержит значения характеристик наиболее распространенных механических мешалок, применяемых для перемешивания маловязких сред (лопастная, трехлопастная, трехлопастная модифицированная, шестилопастная, зубчатая, турбинная открытая, турбинная закрытая, рамная, якорная), а также характеристик серийно выпускаемых мотор-редукторов и приводов (МРВ-02, МРВ-04, МПО-1, МПО-2, МР-1, МР-2, МР-3, ПЭМ, ПЭМ 1А, ПЭМ 2).

Для мешалок указанных типов в базе их характеристик содержатся значения следующих параметров:

- коэффициент гидравлического сопротивления;

- коэффициент расхода;

- интервал допускаемых значений отношения диаметра аппарата к диаметру мешалки GD;

- диаметры серийно выпускаемых мешалок;

- стоимость в зависимости от диаметра и материала.

Для каждого из упомянутых мотор-редукторов и приводов в базе их характеристик содержится следующая информация:

- типоразмер устройства;

- исполнение по монтажу;

- передаточное число;

- частота вращения выходного вала (в 1/мин);

- момент на выходном валу (Н-м);

- типоразмер электродвигателя;

- мощность электродвигателя (КВт);

- масса устройства с электродвигателем (кг);

- стоимость устройства (руб. в ценах 2000 г.).

Стандартные значения параметров констрчкции привода мешалки

Стандартные значения № Коэф-т число диаметр число сопр-я мешалок мешалки об/мин

1 1,28 1 1,8 03

2 1,28 1 1,8 80

3 1,28 1 1,7 40

4 1,28 1 1,7 50

5 1,28 1 1,7 ЄЗ

6 1,28 1 1,7 80

7 1,28 1 1,8 31,5

8 1,28 1 1,8 40

Э 1,28 1 1,8 50

10 1,28 1 1,8 63

Расчет оптимальных параметров перемешивающего устройства

Т ип мешалки

рамная

Коэффициент сопротивления |-| 28 Число мешалок |Ём=1

Диаметр мешалки, м |с1М=1,8

Частота вращения, об/мин |п=31,5

Потребляемая мощность, Вт |м=2660,542

Стоимость привода (без мотор-редуктора], руб.

Крутящий момент. Нм

|Z=51574,37563890 |Мкр = 812,0842

Время окончания расчета Время, затраченное на расчет I

Подбор мотор-редчктора

Оптимальная констрчкция МПУ определенного типа

Т ип мешалки Диаметр мешалки Частота вращения Мощность, Вт Стоимость, руб. Л.

Шестилопастная 0 0 0 0

Рамная 1,8 31,5 2680,542 51574,38 —

LT 5

а)

Выбор РвАЧКТОЮ по числч оборотов | Число оборотов, 1 . с [з^5

Обороты в мин Т ип Т ипоразмер Исполнение Передат число Вых моме +

32 М ПО-2-18 Мпи-2-18-45,5-7,5 / 32 В, ВК 45,5 2037

32 ПЭМ-40 ПЭМ-40-0,75/32 П/ВК 28 220

32 ПЭМ-40 ПЭМ-40-0,75/32 П/ВК 28 220

и ” 1 тм-чп ГПМ-Rn-l ЧП7 П /R к' 90 АР.П ^

І Выбор редчктооа по крчтяшемч моментц Крутящий момент. Нм |д-| 2,0842

Т ипооазмео Исполнение Пеоеааг число Вых момент ,Нм ЭДтипооазмео ЭЛ мошне А

МП -2-18-45,5-11 /32 Б,ВК 45,5 2987 АИР132М4 11

МП -2-18-45,5-7,5 /32 В,ВК 45,5 2037 АИР132М4 7,5

ПЭМ-65-3,0/32 П/ВК 28,7 900 АИР112МА6 3 т

б)

Рис. 3 Панель вывода результатов работы системы:

а - выбор оптимальных параметров МПУ; б - выбор мотор-редуктора

Система протестирована на примерах аппаратов производств синтетических красителей и полупродуктов Тамбовского ОАО «Пигмент» и принята к эксплуатации в проектно-конструкторском отделе этого предприятия. При выборе с ее помощью конструкции МПУ для аппарата с размерами Б = 2 м, Н = 3,5 м, в котором осуществляется процесс репульпации пасты пигмента голубого фталоциани-нового перед подачей ее на фильтрацию (концентрация твердой фазы Хср = 0,05, средний размер ее частиц й?ср = 0,000008 м, необходимые значения параметров качества перемешивания - ХДз= 0,85, ЛХз = 0,05) получены следующие результаты (см. рис. 3):

1) допустимые варианты конструкции МПУ найдены только для рамной мешалки;

2) согласно критерию (1), абсолютно лучшей является конструкция МПУ с мешалкой диаметром 1,8 м при частоте ее вращения 31,5 1/мин;

3) затраты мощности на перемешивание составляют 2,66 кВт, крутящий момент 812 Н-м;

4) сумма амортизации затрат на мешалки и годовой стоимости потребляемой электроэнергии составит 51,57 тыс. руб. (в ценах 2000 г.).

Выбор мотор-редуктора осуществлен для оптимальной конструкции перемешивающего устройства. Для обеспечения частоты вращения рамной мешалки п = 31,5 1/мин, расчетного значения крутящего момента Мкр = 812 Н-м и расчетного зачения мощности, необходимой для осуществления перемешивания N = 2,66 кВт, пригодны следующие мотор-редукторы:

Тип мотор-редуктора MP-2-315 MP-2-500 MTO-2M-15 MTO-2-18 roM-65

Число подходящих 6 4 2 2 2

Типоразмер

наиболее MP-2-315- MP-2-500- MTO-2M-15- MTO-2-18- roM-65-

подходящего 27-32 15-32 46,9-5,5/31 45,5-7,5/32 3,0/32

Стоимость,

руб. 57 630 117 690 31 560 47 790 64 860

Привод MПУ рассматриваемого аппарата рекомендовано укомплектовать мотор-редуктором MПО-2M-15-46,9-5,5/31

Список литературы

1 Брагинский, Л.Н. Перемешивание в жидких средах / Л.Н. Брагинский, В.И. Бегачев, В.М. Барабаш. - Л.: Химия, 1984. - 336 с.

2 Руководящий нормативный документ. Механические перемешивающие устройства. Метод расчета. РД 26-01-90-85. - Л.: РТП ЛенНИИхиммаша, 1985. -257 с.

3 Малыгин, Е.Н. Календарное планирование работы многоассортиментных производств / Е.Н. Малыгин, Т.А. Фролова, М.Н. Краснянский // ТОХТ. - 1998. -Т. 32, № 5. - С. 568.

The System of Selecting Design of a Mechanical Mixing Unit of a Vertical Vessels

S.V. Karpushkin, M.N. Krasnyansky, N.N. Afanasyeva

Department “Automated Design of Technological Equipment”, TSTU

Key words and phrases: vertical vessels; hydrodynamics environment; parameters of mixing qualities.

Abstract: The system of automated selection of mechanical mixing unit design of a vertical capacitive apparatus including types, number and diameter of mechanical mixers, the frequency of drive’s shaft rotation is represented. The system includes

program modules developed in Microsoft Visual Basic as well as database created in Microsoft Access. The example of the system application for determining optimum parameters of mixing device capacity for azopigments production is given.

System der Konstruktionauswahl der mechanischen Mischungseinrichtung des vertikalen kapazitiven Apparates

Zusammenfassung: Es ist das System der automatisierten Auswahl der Kons-truktion der mechanischen Mischungseinrichtung des vertikalen kapazitiven Apparates (Typ, Zahl und Durchmesser der mechanischen Mischer, Umdrehungsfrequenz der Antriebswelle) vorgelegt. Das System hat die in Microsoft Visual Basik erarbeiteten Programmodule und die Datenbank im Microsoft Acces Format. Es wird den Beispiel der Systemanwendung fur die Bestimmung der Optimalparameter der Mischungsein-richtung der funktionierenden Asopigmentenproduktion angefuhrt.

Systeme du choix de la construction du dispositif mecanique agitateur de l’appareil capacitif vertical

Resume: Est presente le systeme du choix automatise de la construction du dispositif mecanique agitateur de l’appareil capacitif vertical: type, nombre et diametre des agitateurs mecaniques, frequence de la rotation de l’arbre de la commande. Le systeme comprend les modules programmes elabores dans le milieu Microsoft Visual Basic et la base de donnees dans le format Microsoft Access. Est cite l’exemple de l’utilisation du systeme pour la definition des parametres optimaux du dispositif agitateur de la capacite de la production des azopigments.