Создание и внедрение мембранного аппарата

В циркуляционной схеме необходимая скорость потока достигается за счет циркуляционного насоса, установленного на обводной линии. Условно такая схема ближе к аппаратам идеального смешения. Основным для учета здесь является обстоятельство №2 - рост концентрации. Фактически во всем объеме циркуляционного контура находится концентрат, что понижает эффективность очистки пермеата.

В проектируемой мембранной системе будем использовать проточную схему осуществления процесса с циркуляционным контуром. Такая схема позволит обеспечить высокие скорости проведения процесса, что снизит негативное влияние концентрационной поляризации и избежать образования гелевых слоёв.

4.1.2 Выбор рабочих параметров процесса разделения

4.1.2.1 Температура.

С повышением температуры разделяемого раствора селективность мембран изменяется мало, а удельная производительность увеличивается в первом приближении обратно пропорционально вязкости пермеата (в том диапазоне температур, где мембраны не разрушаются от термических воздействий). Однако с повышением температуры возрастает скорость гидролиза полимерных материалов и сокращается срок службы мембран. Учитывая это, а также то, что использование теплообменников усложняет и удорожает процесс, мембранный процесс целесообразно проводить при температуре окружающей среды (обычно 20 - 25 °C). В тех случаях, когда технологический раствор, подвергаемый разделению, уже имеет повышенную температуру, экономически оправдана работа при температурах выше 25 °C.

4.1.2.2 Рабочее давление.

С увеличением перепада рабочего давления через мембрану возрастает движущая сила процесса и увеличивается удельная производительность мембран. Однако под действием давления полимерные мембраны подвергаются уплотнению, которое при достижении некоторого уровня, зависящего от структуры мембраны, может нейтрализовать эффект, связанный с повышением движущей силы. Кроме того, при высоких давлениях мембраны быстрее загрязняются находящимися в растворе микрочастицами, поскольку в этих условиях загрязняющим частицам легче внедриться в поры мембраны, а на поверхности мембраны образуется более плотный осадок задержанных микрочастиц, поэтому рекомендуемый перепад давления при проведении процесса микрофильтрации составляет порядка 0,05 - 0,15 МПа. Принимаем значение рабочего перепада давления равным 0,1 МПа.

4.1.2.3 Уровень pH среды.

Значения pH смещаются в сторону кислых или щелочных сред, что ускоряет гидролиз полимерных мембран. Особенно следует обратить внимание на значение pH моющих и дезинфицирующих растворов, т.к возможно растворение мембран. При микрофильтрации высокомолекулярных соединений верхний предел концентрации определяется значениями, при которых может начаться образование гелеобразного осадка на поверхности мембраны, или же концентрацией, при которой проницаемость становится неприемлемо низкой из-за чрезмерного возрастания вязкости разделяемого раствора.

В случае использования полимерных мембран рабочий интервал концентраций часто ограничивается значениями pH, которые не должны выходить за пределы 3 < pH < 8.

4.1.3 Выбор мембраны и определение её основных параметров

При выборе мембраны следует исходить из того что, что она должна обладать максимальной удельной производительностью при селективности, обеспечивающей выполнение требований к качеству пермеата (соответствие санитарным нормам, допустимым потерям растворённого вещества и т.д.). Кроме того, мембрана должна обладать высокой химической стойкостью по отношение к разделяемому раствору.

Определение истинной селективности производится по графику зависимости истинной селективности мембраны от отношения . График построен для интервала , в котором селективность имеет большие значения, обычно удовлетворяющее условиям разделения. Примем допущение, что в рабочем диапазоне концентраций разделяемого раствора истинная селективность остаётся постоянной.

Тогда критерий пригодности мембраны, т.е. минимальная допустимая её селективность по задерживаемому веществу, можно определить с помощью уравнения

. (4.1)

В качестве разделяющей принимаем полиамидную мембрану ММК 9, изготовленную из капрона. Для выбранной мембраны , что удовлетворяет условию .

.

Техническая характеристика мембраны ММК9

Средний диаметр пор, мкм	3
Производительность по дистиллированной воде при p=0,05 МПа,	150…300
Производитель	ЗАО НТП "Владипор"

Для определения значения истинной селективности воспользуемся графиком, изображённым на рисунке 4.2

Из графика следует, что истинная селективность мембраны: . Условие пригодности мембраны выполняется, так как истинная селективность выбранной мембраны больше минимально допустимой.

Определяем удельную производительность мембраны по разделяемому раствору. Для этого сначала определяем удельную производительность мембраны по чистой воде:

, (4.2)

где константа проницаемости мембраны по воде, принимается по технической характеристике мембраны; , принимаем

;

- рабочий перепад давлений, МПа, .

.

Рисунок 4.2 - Зависимость истинной селективности мембраны от отношения диаметра молекул к диаметру пор

Основным фактором, снижающим удельную производительность, является повышение вязкости. Кинематическая вязкость пива при составляет ; плотность раствора [7]. Тогда динамическая вязкость раствора

. (4.3)

.

Кинематическая вязкость воды при той же температуре ; плотность [7]. Динамическая вязкость воды

. (4.4)

.

Тогда удельная производительность мембраны по разделяемому раствору

. (4.5)

.

4.1.4 Технологический расчёт мембранного аппарата

Определяем расход пермеата в первом приближении:

, (4.6)

где расход раствора на разделение, кг/с,

;

расход концентрата, кг/с;

селективность мембраны,

.

Определяем потребную площадь мембран по формуле

. (4.7)

.

По производительности по пермеату производим выбор мембранного модуля, . Принимаем мембранный модуль на основе полых волокон Syn+ 100.

Техническая характеристика мембранного модуля Syn+ 100

Производительность по фильтрату,	0,012-0,05
Внутренний диаметр, мм	200
Площадь поверхности мембран,	1,8
Производитель	Фирма "HELBIO"

Определим количество мембранных модулей :

, (4.8)

.

где площадь поверхности мембран одного модуля, принимается по паспортным характеристикам модуля, , .

Количество мембранных модулей в одном аппарате принимаем равным , тогда количество мембранных аппаратов в установке

. (4.9)

.

4.1.5 Уточнённый технологический расчёт мембранного аппарата

Проведём уточнённый технологический расчёт мембранного аппарата с учётом технологической схемы проведения процесса микрофильтрации.

Для создания высоких скоростей потока в схему установки включается циркуляционный насос, обладающий высокой подачей, но сравнительно небольшим напором, требуемым лишь для преодоления гидравлического сопротивления напорного канала.

Схема установки с циркуляционным контуром показана на рисунке 4.3

Принимаем величину кратности циркуляции r равной 0,7. Система имеет один циркуляционный контур. Схема работает следующим образом.

Исходный раствор с объёмным расходом и концентрацией подаётся насосом высокого давления на вход мембранного аппарат. Перед входом в аппарат к исходному раствору добавляется циркулирующий поток с расходом .

Рисунок 4.3 - Схема установки с циркуляционным контуром

После смешения образуется раствор с расходом и концентрацией , который поступает в аппарат, где происходит его концентрирование до концентрации . При этом образуется пермеат с расходом и концентрацией . Из аппарата раствор выходит с расходом и концентрацией . Часть его выводится из установки в виде концентрата с расходом , другая часть направляется циркуляционным насосом на смешение с исходным раствором.

Выход пермеата и концентрата, кг/с, в такой установке определяем по уравнениям:

; (4.10)

.

; (4.11)

.

Потребная площадь мембраны , , составляет:

. (4.12)

.

Окончательно принимаем выбранный ранее мембранный модуль и определяем их требуемое число:

; (4.13)

.

4.1.6 Учёт влияния концентрационной поляризации

Определим наблюдаемую селективность выбранной мембраны с учётом явления концентрационной поляризации по уравнению

, (4.14)

где - коэффициент массоотдачи, м/с,

- удельная производительность, рассчитанная по уравнениям переноса с учетом КП, м/с.

Коэффициент массоотдачи находят из диффузионного критерия Нуссельта , отсюда

, (4.15)

где - диаметр канала, м;

D - коэффициент диффузии, , принимаем коэффициент диффузии для дрожжевых клеток

.

.

Критерий Рейнольдса

. (4.16)

.

Так как критерий Рейнольдса , то значение можно рассчитать по уравнению:

, (4.17)

где коэффициент, учитывающий отношение : при

[8].

.

Тогда из уравнения (4.14) наблюдаемая селективность

. (4.18)

.

Величина КП определяется из выражения:

. (4.19)

.

4.2 Расчёт гидравлического сопротивления мембранной установки

Расчет гидравлического сопротивления прежде всего необходим для нахождения давления, которое должен развивать насос для подачи раствора в мембранный аппарат, и последующего выбора насоса. Кроме того, от гидравлического сопротивления зависит фактическая величина избыточного давления в аппарате, а ее нужно знать при механических расчетах (определение толщины стенок корпуса, фланцев и т.п.), при оценке возможного уплотнения мембран, в ряде случаев - для корректировки величины удельной производительности и селективности мембран.

Развиваемое насосом давление определяется по формуле

, (4.20)

где рабочий перепад давления через мембрану, ;

гидравлическое сопротивление потоку разделяемого раствора в аппарате, МПа;

гидравлическое сопротивление потоку пермеата в дренаже, МПа;

потери давления на трения по длине и в местных сопротивлениях в трубопроводах и арматуре, МПа;

потери давления, связанные с подъёмом жидкости на определённую геометрическую высоту, МПа.

Определяем каждую составляющую уравнения (4.20).

Гидравлическое сопротивление напорного канала . Расчёт проводим из условия, что разделяемый раствор подаётся внутрь волокон, а пермеат выводится из межволоконного пространства; выход пермеата - односторонний. Для расчёта данного вида сопротивления зададимся сперва геометрическими размерами волоконных мембранных элементов. Принимаем:

внутренний диаметр элемента ;

длина капилляра ;

поверхность фильтрования одного капилляра

.

Число элементов в модуле определим, разделив площадь фильтровальной поверхности модуля на площадь поверхности одного элемента

.

Определяем линейную скорость раствора внутри капилляра, м/с

, (4.21)

Здесь

. (4.22)

.

.

Гидравлическое сопротивление определяем по формуле

. (4.23)

.

Гидравлическое сопротивление потоку пермеата в дренаже . Определение гидравлического сопротивления в нашем случае проводится по формуле

. (4.24)

.

Потери давления по длине трубопровода и в местных сопротивлениях . Принимаем скорость движения жидкости для всасывающего и нагнетательного трубопровода . Тогда внутренний диаметр трубопровода d

, (4.25)

где - расход пива, поступающего на мембранную обработку, , .

.

Полученное значение внутреннего диаметра округляем до ближайшей стандартной величины по ГОСТ 8732-78 для стальных бесшовных горячедеформированных труб: [8].

Определим характер течения жидкости в трубопроводе по формуле (4.16)

.

т.е. режим течения жидкости турбулентный. Примем величину абсолютной шероховатости равной для новых стальных труб [8].

Определяем величину относительной шероховатости труб

. (4.26)

.

Для выбора расчётной зависимости для нахождения коэффициента вычисляем следующие отношения:

;

;

,

т. е .

Таким образом в трубопроводе имеет место смешанное трение, и расчёт проводим по формуле

. (4.27)

.

Определяем значения коэффициентов местных сопротивлений . На всасывающей линии имеются следующие виды местных сопротивлений:

вход в трубу с острыми краями: [8] ;

колено с углом : при внутреннем диаметре [8] ;

вентиль нормальный при полном открытии: при внутреннем диаметре [8] ;

выход из трубы: [8].

На нагнетательной линии имеются следующие виды местных сопротивлений: вход в трубу с острыми краями: [8] ;

колено с углом : при внутреннем диаметре [8] ;

вентиль нормальный при полном открытии: при внутреннем диаметре [8] ;

выход из трубы: [8].

Тогда

Принимаем длину трубопровода равной .

Тогда потери давления определяем по формуле

. (4.28)

.

Потери давления, связанные с подъёмом на геометрическую высоту . Принимаем геометрическую высоту подъёма жидкости равной . Тогда потери давления равны

. (4.29)

.

Тогда давление, развиваемое насосом, будет равно

.

4.3 Подбор вспомогательного оборудования

4.3.1 Подбор насоса

Определяем потребный напор насоса , м. вод. Ст

. (4.30)

Такой напор при заданной производительности обеспечивается одноступенчатыми центробежными насосами. Учитывая широкое распространение этих насосов в промышленности ввиду достаточно высокого КПД, компактности и удобства комбинирования с электродвигателями, выбираем для последующего рассмотрения именно эти насосы.

Определяем полезную мощность насоса , кВт

. (4.31)

.

Принимая КПД насоса , найдём мощность на валу двигателя, кВт:

. (4.32)

.

Заданной подаче и напору более всего соответствует центробежный насос марки СД 32/40б, для которого при оптимальных условиях работы:

производительность насоса, ;

напор, м вод. ст;

частота вращения вала, ;

тип электродвигателя АИР 112МВ6/950;

мощность двигателя, кВт ;

габаритные размеры насоса, мм .

Определим предельную высоту всасывания для выбранного насоса. Рассчитаем сперва запас напора на кавитацию , м

. (4.33)

.

По таблицам давлений насыщенного водяного пара найдём, что при давление насыщенного водяного пара [7]. Примем, что атмосферное давление равно , а диаметр всасывающего патрубка равен диаметру трубопровода. Тогда предельная высота всасывания равна

(4.34)

где потер напора во всасывающей линии, м:

, (4.35)

здесь - длина всасывающей линии, м, принимаем ;

сумма коэффициентов сопротивления на линии всасывания:

. (4.36)

.

.

Таким образом, расположение насоса на высоте 1 м над уровнем воды в ёмкости вполне возможно.

4.3.2 Подбор циркуляционного насоса

Определяем значения коэффициентов местных сопротивлений . На всасывающей линии имеются следующие виды местных сопротивлений:

вход в трубу с острыми краями: [8] ;

три колена с углом : при внутреннем диаметре [8] ;

вентиль нормальный при полном открытии: при внутреннем диаметре [8] ;

выход из трубы: [8].

На нагнетательной линии имеются следующие виды местных сопротивлений: вход в трубу с острыми краями: [8] ;

четыре колена с углом : при внутреннем диаметре [8] ;

выход из трубы: [8].

Тогда

Принимаем длину трубопровода равной .

Тогда потери давления, МПа, определяем по формуле (4.27)

.

Принимаем геометрическую высоту подъёма жидкости равной . Тогда потери давления, связанные с подъёмом жидкости на геометрическую высоту, МПа, определяются по формуле (4.28)

.

Тогда давление, развиваемое насосом, МПа, будет равно

.

Требуемая производительность насоса циркуляции определяется кратности циркуляции. Для разрабатываемой установки кратность циркуляции составляет 0,7, тогда требуемая производительность насоса, , равна

.

Определяем потребный напор насоса , м. вод. ст., по формуле (4.30)

Определяем полезную мощность насоса , кВт, по формуле (4.31)

.

Принимая КПД насоса , найдём мощность на валу двигателя, кВт, по выражению (4.32):

.

Заданной подаче и напору более всего соответствует центробежный насос марки СД 16/10б, для которого при оптимальных условиях работы:

производительность насоса, ;

напор, м вод. ст;

частота вращения вала, ;

тип электродвигателя 4А156В4Е3;

мощность двигателя, кВт .

4.3.3 Подбор ёмкостного оборудования и определение геометрических параметров

Для хранения рекуперированного пива принимаем цилиндрическую вертикальную форму ёмкости с эллиптическим днищем. Ёмкость снабжена: нижними сливами, штуцерами для заполнения, люками-лазами для осмотра и чистки, штуцерами для размещения приборов (уровнемеров и термометров). Ёмкость устанавливается на ровной площадке.

Объём жидкости в ёмкости, , определяется из уравнения

, (4.37)

где - время пребывания жидкости в ёмкости, ч., принимаем .

Геометрический объём жидкости больше рабочего на 10-15%, т.е. объём ёмкости:

.

Исходные данные для расчёта оптимальных геометрических размеров корпуса ёмкости:

объём аппарата V, ;

внутреннее давление в аппарате, МПа;

материал корпуса - листовой прокат из стали 10;

рабочая температура ,;

коэффициент прочности сварных швов ;

прибавка к расчётной толщине стенки , мм.

Из условия минимальных затрат материала на изготовление определим оптимальные размеры и массу корпуса аппарата с эллиптической крышкой и днищем.

Определим допускаемое напряжение, МПа

, (4.38)

где допускаемое напряжение стали Х18Н10Т при расчётной температуре, МПа, при [12] ;

принимаем , так как материал - листовой прокат.

.

Приведенное давление, МПа

. (4.39)

.

Оптимальный диаметр аппарата , мм, определяем по номограмме [12]. Соединив на номограмме точку с точкой прямой, найдём, что . Полученное значение диаметра аппарата является стандартным.

Длина цилиндрической части, м

. (4.40)

.

Внутренняя высота эллиптической части днища (крышки), м

. (4.41), .

Суммарная длина аппарата, м

. (4.42)

.

Комплекс

. (4.43)

.

Масса корпуса аппарата, кг

, (4.44)

где плотность для стали Х18Н10Т, ,

4.4 Расчёты, подтверждающие работоспособность изделия

4.4.1 Расчёт стенки цилиндрической обечайки

Стенка обечайки аппарата находится под действием внутреннего избыточного давления в соответствии с рисунком 4.4. При определении расчётной длины обечайки длина примыкающего элемента , м, определяется по формуле для выпуклых днищ.

, (4.45)

где внутренняя высота выпуклой части днища, м, .

.

Рисунок 4.4 - Расчётная схема аппарата

Тогда расчётная длина обечайки , м

. (4.46)

.

Расчётную температуру примем равной температуре обрабатываемой среды t ();

расчётное внутреннее давление , МПа - равным сумме рабочего давления в микрофильтрационном аппарате P и веса жидкости, находящейся в аппарате

,

здесь вес жидкости, находящейся в аппарате, МПа; ввиду незначительности дополнительной нагрузки на стенку обечайки со стороны веса обрабатываемой среды при определении толщины стенки аппарата эту нагрузку учитывать не будем, т.е. .

Модуль упругости для стали Х18Н10Т при температуре .

Допускаемое напряжение, МПа в рабочем состоянии

, (4.47)

где допускаемое напряжение стали Х18Н10Т при расчётной температуре, МПа, при [11] ;

.

при гидравлическом испытании

, (4.48)

где предел текучести стали Х18Н10Т, МПа, при [11].

.

Коэффициент запаса устойчивости:

в рабочем состоянии ;

при испытании .

Определим расчётные коэффициенты:

; (4.49)

.

; (4.50)

находится по номограмме [11].

.

Расчётная толщина обечайки корпуса в первом приближении

. (4.51)

.

. (4.52)

.

Критическая длина обечайки

. (4.53)

.

Определим, к какому типу обечаек относится рассчитываемая из следующего условия:

если расчётная длина , то обечайка является длинной;

если короткой.

Так как 0,805<1,05, следовательно, обечайка короткая. Такие обечайки теряют устойчивость с образованием трёх, четырёх и более волн смятия.

Допускаемое внутреннее давление из условия прочности:

при рабочих условиях

. (4.54)

.

при испытании ,

. (4.55)

.

Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости, МПа:

в рабочих условиях

. (4.56)

где расчётный коэффициент, определяемый

. (4.57)

;

при испытаниях

. (4.58)

.

Допускаемое внутреннее давление с учётом условий прочности и устойчивости, МПа:

в рабочем состоянии

. (4.59)

при испытаниях

. (4.60)

.

Рассчитаем давление при гидравлических испытаниях (при )

, (4.61)

где допускаемое напряжение для стали Х18Н10Т, при температуре [11].

.

Проверим условия устойчивости обечайки:

в рабочих условиях (0,1<0,91);

при испытаниях (0,2<4,93).

Таким образом, условие устойчивости при гидравлических испытаниях выполняется.

4.4.2 Расчёт днища аппарата

Исходные данные:

расчётная температура днища равна температуре обрабатываемой среды ;

расчётное давление равно рабочему давлению в аппарате, ;

расчётный диаметр равен диаметру обечайки ;

материал - сталь Х18Н10Т;

давление гидравлического испытания рассчитано выше .

Расчет производим для эллиптического днища.

Расчётная толщина днища

, (4.62), где ;

предел текучести стали Х18Н10Т, МПа, при [11].

.

Исполнительная толщина стенки

. (4.63), .

Допускаемое давление, МПа

в рабочем состоянии

. (4.64)

;

при испытаниях

. (4.65)

.

Условия прочности и в рабочих условиях и при испытаниях выполняются:

0,1<1,96; 0,2<2,7.

4.4.3 Расчёт фланцевого соединения

Определим основные геометрические размеры фланцевого соединения мембранного аппарата для очистки продукта, проведем расчет на прочность и герметичность соединения, работающего под внутренним давлением. При этом будем использовать следующие данные:

Внутренний диаметр аппарата D, мм202

Толщина стенки корпуса S, мм4

Внутреннее давление в аппарате Р, МПа0,1

Рабочая температура t, ⁰С25

Прибавка к расчетной толщине стенки С, мм1

Коэффициент прочности сварных швов 0,9

Материал фланцевого соединения Сталь Х18Н9Т

Материал болтового соединения Сталь 35Х

4.4.3.1 Определение конструктивных размеров фланца

При рабочем давлении равном 0,1 МПа будем применять плоские приварные фланцы.

Толщина втулки фланца, мм, изображённого на рисунке 4.5 в соответствии с рекомендациями

, т.е. . Принимаем .

Высота втулки фланца, мм:

. (4.66)

.

Принимаем .

Рисунок 4.5 - Конструкция плоского приварного фланца

Диаметр болтовой окружности фланцев, мм:

(4.67)

где нормативный зазор между гайкой и обечайкой, мм, ;

наружный диаметр болта, выбираемый в зависимости от диаметра аппарата и рабочего давления в аппарате, мм: при и ; принимаем [11].

.

Принимаем .

Наружный диаметр фланца, мм:

(4.68)

где конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца, мм: для шестигранных гаек и [11].

.

Наружный диаметр прокладки, мм

, (4.69)

где нормативный параметр, зависящий от типа прокладки, мм: для плоских прокладок и [11].

.

Средний диаметр прокладки, мм

, (4.70)

где ширина прокладки, мм: при ширина плоской неметаллической прокладки ; принимаем [11].

.

Количество болтов, необходимое для обеспечения герметичности соединения:

, (4.71)

где шаг расположения болтов, выбираемый в зависимости от давления, м: при , принимаем

.

.

Принимаем .

Высота (толщина) фланца ориентировочно, м:

, (4.72)

где коэффициент: [11] ;

эквивалентная толщина втулки фланца, м:

, (4.73)

здесь коэффициент: при и [11].

.

.

Принимаем .

4.4.3.2 Расчёт на герметичность фланцевого соединения

Расчёт сводится к определению нагрузок при монтаже - и в рабочих условиях - .

Определим нагрузки, действующие на фланец, как показано на рисунке 4.6 Равнодействующая внутреннего давления, МН

. (4.74)

.

Реакция прокладки, МН

, (4.75)

где эффективная ширина прокладки, м: при [11] ;

коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки: для резиновой прокладки с твёрдостью от 0,76 до 1,2 МПа [11].

.

Усилие, МН, возникающее от температурных деформаций, определяется по формуле:

, (4.76)

где соответственно коэффициенты линейного расширения материала фланца и болтов, : для фланцев, изготовленных из стали 35Х, при , для болтов, изготовленных из стали 35Х, при той же рабочей температуре [11] ;

соответственно температура фланца и болтов, : ,

[11] ;

соответственно податливости болтов, прокладки и фланца, определяются по формулам, :

Рисунок 4.6 - Схема нагрузок, действующих на фланец

, (4.77)

где модуль упругости материала болтов, МПа: [11] ;

площадь поперечного сечения болта, : при [11] ;

расчётная длина болта, м:

, (4.78)

где расстояние между опорными поверхностями головки болта и гайки, мм

,

здесь толщина прокладки, мм, принимаем ; диаметр отверстия под болт, [11] ;

.

.

, (4.79)

где коэффициент обжатия прокладки, для прокладки из резины принимаем ;

модуль упругости материала прокладки, МПа

. (4.80)

.

.

, (4.81)

где безразмерные параметры

; (4.82)

. (4.83)

.

;

.

коэффициенты, определяемые по формулам

; (4.84), .

; (4.85), .

модуль упругости материала фланца, МПа: [11].

Коэффициент жёсткости фланцевого соединения

. (4.86)

Болтовая нагрузка в условиях монтажа до подачи внутреннего давления, МН:

, (4.87)

где внешняя осевая растягивающая (+) или сжимающая (-) сила, Н, - в нашем случае;

внешний изгибающий момент, М=0;

минимальное давление обжатия прокладки, МПа: [11].

.

Болтовая нагрузка в рабочих условиях

. (4.88)

.

Приведенный изгибающий момент,

(4.89)

Условие прочности болтов:

; (4.90)

,

следовательно, условие прочности выполняется.

; (4.91)

,

следовательно, условие прочности выполняется.

Проверим условие прочности неметаллических прокладок

, (4.92)

где ;

- допускаемое давление на прокладку, МПа, [11].

,

следовательно, условие прочности прокладки выполняется.

Максимальное напряжение в сечении, ограниченное размером , МПа:

, (4.93)

где [11] ;

коэффициент: при и

[11].

.

Максимальное окружное напряжение в кольце фланца, МПа

. (4.94)

Напряжение во втулке от внутреннего давления, МПа

Тангенциальное

; (4.95)

;

Меридиональное

. (4.96)

.

Проверим условие прочности для сечения фланца:

, (4.97), где

при .

,

что меньше , следовательно, условие прочности выполняется.

Проверить условие герметичности фланцевого соединения по углу поворота фланца

, (4.98)

где допускаемый угол поворота фланца, рад, принимаемый для плоских приварных фланцев равным 0,013 рад [11].

,

что меньше 0,013, следовательно, условие герметичности фланцевого соединения выполняется.

4.4.3.3 Определение усилия затяжки фланцевых болтов

Выбираем максимальный момент затяжки в зависимости от диаметра болта: при диаметре болта 16 мм момент затяжки равен . Усилие затяжки, Н, определяем из формулы

, (4.99), откуда , (4.100)

где коэффициент, зависящий от вида покрытия болта, для болта без покрытия .

.

5. Технология изготовления основных деталей изделия

5.1 Технология изготовления фланцев

В качестве заготовок для изготовления фланцев используют поковки, штамповки, профильный прокат, бандажные и сварные заготовки. При выборе способа получения заготовки для фланца необходимо учитывать материал и габаритные размеры фланца, размеры сечения обода, коэффициент использования металла, трудоёмкость изготовления и другие факторы.

При штамповке фланцев на молотах обеспечиваются высокая производительность, точность размеров заготовок, в результате чего значительно уменьшается отход металла в стружку и снижается трудоёмкость обработки. Штамповка на кривошипных горячештамповочных прессах имеет ряд преимуществ перед штамповкой на молотах: повышается производительность труда и точность исполнения размеров поковки, увеличивается коэффициент использования металла в результате уменьшения штамповочных уклонов, уменьшается расход электроэнергии и улучшаются условия труда.

Гибку с последующей сваркой выгодно применять в том случае, когда сечение обода фланца относительно небольшое и когда материал фланца обладает хорошей свариваемостью.

При получении заготовок ковкой с последующей прокаткой на кольцепрокатном стане большая степень проработки материала фланца во всех направлениях, отсутствие сварного шва, сравнительно высокий коэффициент использования металла являются основными достоинствами этого способа изготовления заготовок для фланцев.

Получение заготовок, сваренных из отдельных секторов, применяют, как правило, для фланцев больших размеров, изготовляемых из проката большой толщины (более 40 мм) или из марок сталей, на которые отсутствует стандартный профильный прокат.

5.2 Технология изготовления эллиптичеких днищ

Днища можно изготовлять штамповкой на прессах, методом обкатки роликами, электрогидравлической и электромагнитной штамповкой, ручным выдавливанием на станках и ручной выколоткой. Наибольшее распространение в промышленности находят два первых способа изготовления днищ.

Любой технологический процесс изготовления днищ состоит из трёх групп операций: изготовление заготовок; формования; завершающих операций. Формование эллиптических днищ производят как из холодных, так и горячих заготовок. Горячее формование, как правило, применяют в том случае, если недостаточной является мощность оборудования или заготовка днища имеет склонность к складкообразованию в процессе формования.

1 - подставка; 2 - кольцо-матрица; 3 - прижим; 4 - пуансон; 5 - пуансонодержатель; 6 - заготовка днища

Рисунок. 5.1 - Унифицированный штамп для штамповки днищ

Формование днищ методом штамповки на прессах в соответствии с рисунком 5.1 производится следующим образом: заготовка с помощью транспортёра подаётся в нагревательную печь для равномерного нагрева до требуемой температуры. Нагретая заготовка специальными захватами извлекается из печи и подаётся на транспортёр, с помощью которого транспортируется к штампу, находящемуся под прессом. Затем заготовку устанавливают на протяжное кольцо и штампуют, как правило, за одну операцию.

В процессе штамповки нагретая заготовка быстро охлаждается и, сокращая свои размеры, напрессовывается на пуансон. Для облегчения съёма отштампованного днища пуансон, предназначенный для горячей штамповки, выполняется из двух частей: грибка и формирующего кольца. Заготовка снимается при ходе пуансона вверх.

Формование днищ методом обкатки заготовок роликами осуществляют из холодных и горячих заготовок. При формовании днищ методом обкатки роликами холодных заготовок предварительно из плоской заготовки штампуют выпуклую часть днища на прессе.

Рисунок 5.2 - Схема процесса изготовления днищ методом обкатки на машине "Болдрини"

В отечественной промышленности для формования днищ методом обкатки роликами наибольшее применение нашла машина фирмы "Болдрини", изображённая ни рисунке 5.2.

Предварительно отштампованную выпуклую заготовку устанавливают центральным отверстием на ось 17, а затем перемещением тележки 15 - на определённое расстояние (соответствующее диаметру готового днища) относительно формующего ролика 12. Затем положение заготовки фиксируется прижимом пневмоцилиндра 4. Заготовку для уменьшения вибраций поджимают двумя ведущими роликами 13. В результате вращения формующего ролика 12 заготовка 14 вращается против часовой стрелки, а нажимной (формующий) ролик 11 постепенно формует профиль отбортованной части днища, обкатывая металл заготовки днища по профилю ролика 12. После окончания процесса обкатки проверяют размеры днища без снятия его с машины. Для снятия готового днища от него отводят ролики 13, 12, 11, поднимают пневмоцилиндр 4 вверх, после чего нижняя тележка вместе с днищем перемещается в крайнее левое положение для беспрепятственного снятия днища с помощью грузоподъёмных средств.

Завершающие операции предусматривают разметку днищ для подрезки торца и разметку отверстий, подрезку торца, обработку отверстий, термообработку, очистку поверхностей, контроль и клеймение днища.

5.3 Изготовление обечайки

Наиболее часто для изготовления обечаек используются двухвалковые листогибочные машины.

1 - гибочный упор; 2 - верхний валок; 3 - изгибаемый лист; 4 - стол; 5 - нижний валок; 6 - нижний валок; 7 - верхний валок; 8 - изгибаемый лист; 9 - упругое покрытие - полиуретан, а - с гибочным упором; б - с упругим покрытием нижнего валка

Рисунок 5.3 - Схема изготовления обечаек

На рисунке 6.3 изображена схема получения цилиндрической обечайки на двухвалковой машине. Упругим покрытием валка является полиуретан, толщина слоя которого должна обеспечивать необходимую величину деформации листовой заготовки при нажатии на неё верхним стальным валком. Верхний валок является сменным для получения обечаек различных диаметров.

Двухвалковые машины имеют следующие преимущества: простота конструкции; высокая производительность; отсутствие порчи поверхности при гибке; гибка листов различных толщин без регулировки валков; получение цилиндрической заготовки за один проход с подгибом кромок без специальных приспособлений и устройств; высокая точность получаемого изделия.

6. Монтаж, эксплуатация и ремонт микрофильтрационной установки

6.1 Аппарат микрофильтрационный

6.1.1 Порядок монтажа установки

Монтаж установки осуществляет завод-потребитель при участии завода-изготовителя.

Установку необходимо устанавливать в производственных помещениях на фундаменте, выставив по уровню и закрепив на анкерных болтах М16 (16 шт). Монтаж установки осуществляется в следующей последовательности:

1) согласно схеме гидравлической и сборочному чертежу установить снятые при транспортировке части установки;

2) подключить установку к сети исходной воды, к сети технологического оборудования;

3) заземлить установку;

4) соединить силовой шкаф электрической связью с источником электроэнергии.

6.1.2 Подготовка к пуску

Произвести внешний осмотр установки. Убедиться, что все трубопроводы и составные части установки находятся в исправном состоянии и надёжно соединены. Подготовка к пуску осуществляется в следующей последовательности:

1) проверить наличие и надёжность заземления;

2) проверить, открыты ли вентили;

3) проверить расположение установки (задатчика граничных значений) на реле давления;

4) заполнить насос водой согласно "Руководству по монтажу и эксплуатации" насосов СД Рыбницкого насосного завода;

5) проверить подключение установки к источнику электроэнергии;

6) включить тумблер "Сеть" силового пульта;

7) произвести программирование электронного контроллера согласно "Руководству по монтажу и эксплуатации" в соответствии с требованиями производства;

8) нажать кнопку "ON" электронного контроллера, после чего начнёт открываться кран с электроприводом. Открывание крана происходит в течение ?55сек., после чего включится насос;

9) проверить наличие течей в системе трубопроводов. Если они имеются, отключить установку клавишей "OFF" на контроллере, отключить тумблер "Сеть" на пульте силовом; устранить течи;

10) вентилями установить необходимый расход концентрата и фильтрата.

Проверка срабатывания блокировок производится при первом пуске, а в дальнейшем 1 раз в год.

Блокировка по температуре. Согласно "Руководству по монтажу и эксплуатации" контроллера электронного необходимо запрограммировать температуру, меньшую, чем температура воды. При срабатывании этой блокировки отключится насос, а на контроллере высветится надпись "STOP". После проверки необходимо запрограммировать значение температуры 26^оС.

Блокировка по давлению. На реле давления необходимо сместить датчик верхнего значения до значения 10 кгс/см². При срабатывании этой блокировки отключится насос, а на контроллере высветится надпись "Over pressure".

6.1.3 Порядок работы

Установку обслуживает один оператор, прошедший инструктаж по технике безопасности и изучивший настоящий паспорт. Порядок эксплуатации установки следующий:

1) запустить установку;

2) включить тумблер "Сеть" на силовом пульте;

3) нажать клавишу "ON" на контроллере электронном; кран в течение ?55с откроется, после чего включится насос.

При работе установки должны контролироваться следующие параметры: температура среды; удельная проводимость фильтрата; давление исходной воды на выходе из насоса на входе в модули; давление концентрата; расход фильтрата; расход концентрата.

Все параметры, а также время непрерывной работы установки необходимо регистрировать в отдельном журнале и предъявлять предприятию-изготовителю в случае рекламации на оборудование. Записи в журнале производить два раза в смену. Отключение установки осуществляется в следующей последовательности:

1) выключить установку нажатием клавиши "OFF" на контроллере, после чего закроется кран;

2) выключить тумблер "Сеть" на контроллере.

6.1.4 Техническое обслуживание

Техническое обслуживание насоса производится на основании руководства по монтажу и эксплуатации насоса.

Перечень работ различных видов технического обслуживания приведён в таблице 6.1. Загрязнение мембранного элемента определяется изменением параметров работы установки. Критерии оценки необходимости проведения промывки элементов указаны в "Бюллетене технического обслуживания". Там же указаны составы промывочных растворов в зависимости от вида загрязнения.

Таблица 6.1 - Перечень работ технического обслуживания

Периодич-ность обслуживания	Содержание работ и методика их проведения	Технические требования	Приборы, ин-струменты и ма-териалы, необходимые для проведения работ
Перед началом работы	Визуальный осмотр. Проверка герметичности трубопроводов, арматуры. При обнаружении течей подтянуть соединение, при необходимости заменить кольца, прокладки.	Течи недопустимы.	Гаечные ключи, отвёртки.
Ежемесячно	Проверка сопротивления заземления каркаса установки. Одну клемму омметра подсоединить к цеховому контуру заземления, другую к заземляющему болту.	Сопротивление заземления не более 0,1Ом	Омметр типа М 371 ТУ25-04-1041-75

Регенерация мембран осуществляется путём промывки раствором соляной или серной кислоты. Последовательность операций при мойке следующая: раствор кислоты - чистая вода - раствор кислоты с комплексоном - чистая вода - раствор кислоты с ПАВ - чистая вода - раствор щёлочи - чистая вода. Промывку рекомендуется проводить с повышением температуры раствора щёлочи до 60-80 или с повышенными скоростями циркуляции раствора.

В качестве добавок к раствору кислоты (комплексонов) может использоваться карбометилцеллюлоза, органические растворители, фториды аммония и натрия.

6.2 Центробежные насосы СД 16/25 и СД16/10б

6.2.1 Порядок установки

1) Распаковать насос и убедиться в отсутствии повреждений;

2) проверить комплект поставки;

3) подсоединить насос к трубопроводам; соединение трубопроводов с насосом уплотнить прокладками.

Монтаж данных насосов заключается в установке их на фундамент и выверке горизонтальности положения с точностью до 0,1 мм на 1 м длины, причём отклонения от проектной высотной отметки не должны превышать ±10 мм. Положение насоса выверяют уровнем, укладываемым на обработанную поверхность фланца нагнетательного патрубка в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Горизонтальность установки насосов регулируют с помощью плоских металлических подкладок, размещаемых вблизи анкерных болтов.

Подливку плиты насоса бетонной смесью производят после выверки, одновременно заполняя анкерные колодцы. До пуска насоса проворачивают за муфту рабочее колесо, которое должно вращаться свободно. При опробовании насосного агрегата следят за направлением вращения ротора, которое должно быть против часовой стрелки, если смотреть на него со стороны привода.

По мере увеличения частоты вращения электродвигателя постепенно открывают задвижку на нагнетательном трубопроводе и следят за состоянием сальника. В нормальном состоянии сальник должен слегка пропускать жидкость (15-20 капель в минуту).

6.2.2 Подготовка к работе

1) Произвести внешний осмотр насоса и убедится в отсутствии повреждений; закрыть краны и вентиль;

2) медленно открыть кран и подать воду на вход в насос; открыть кран на выходной магистрали и включить электродвигатель.

3) пользуясь руководством, установить на управляющий клапан блок управления; произвести программирование блока управления согласно руководству.

4) проверить закрытие вентиля на выходном трубопроводе; открыть вентиль на входном трубопроводе и подать в насос среду; открыть выходной вентиль; после окончания работы перекрыть вентиль подачи воды в насос.

6.2.3 Ремонтные работы и техническое обслуживание

В данных насосах износу подвергаются вал, подшипники, корпуса подшипников, полумуфты, втулка, набивка сальника и рабочее колесо. При капитальном ремонте насосы разбирают в следующем порядке: снимают крышку с всасывающим патрубком, рабочее колесо, разбирают сальник, демонтируют корпус с кронштейна, снимают крышки подшипников и выбивают вал вместе с подшипниками в сторону муфты, после чего снимают подшипники с вала.

Вал ремонтируют, обеспечивая восстановление первоначальных размеров, или вытачивают новый, подшипники заменяют, шпоночные канавки протачивают, шпонки, втулку и набивку сальника заменяют; рабочее колесо восстанавливают и балансируют. Корпус насоса ремонтируют шабрением.

Для более прочного крепления подшипников в корпусе пропиливают напильником вдоль оси вала канавки, а наружные кольца подшипников лудят тонким слоем олова. Толщина слоя зависит от величины износа корпуса подшипников. Дополнительно подшипники крепят стопорными винтами, установленными на корпусе подшипников. Для предотвращения осевого смещения подшипников крышки к торцевым сторонам наружных колец подшипников должны быть плотно подогнаны.

Насос собирают в последовательности, обратной разборке. Перед напрессовкой подшипников на вал их нагревают в масле до 80-90 . После сборки корпус подшипников заправляют солидолом и проворачивают вал насоса за муфту; он должен вращаться свободно. Для нормальной работы и предотвращения преждевременного износа деталей насос после ремонта устанавливают строго по уровню и выверяют соосность его вала и вала электродвигателя.

Возможные неисправности и методы их устранения приведены в таблице 6.2.

Таблица 6.2 - Возможные неисправности и методы их устранения

Неисправность	Способ устранения
Насос не подаёт жидкость	Залить насос и всасывающий трубопровод транспортируемой жидкостью
Насос и всасывающая линия при пуске не залиты 1) приёмный клапан не герметичен, после заливки уровень жидкости падает; 2) всасывающая линия не герметична, через сальник проходит воздух; 3) направление вращение насоса неправильное; 4) подача жидкости постепенно уменьшается или происходит неравномерно; 5) уровень жидкости падает настолько, что возможен подсос воздуха; 6) приёмная сетка недостаточно глубоко опущена в жидкость; 7) подача жидкости происходит неравномерно.	1) отремонтировать приёмный клапан; 2) устранить неплотности, перебить сальник; 3) обеспечить правильное вращение насоса; 4) работать с перерывами; 5) удлинить всасывающую трубу; 6) удлинить всасывающую трубу; 7) уплотнить трубное соединение, а сальник подтянуть или сменить.
Увеличилась потребляемая мощность	Уменьшить производительность насоса регулированием задвижки на нагнетательном трубопроводе
Электродвигатель греется, возросла подача насоса	Остановить электродвигатель и дать ему остыть.
Полный манометрический напор ниже первоначального	Уменьшить производительность насоса с помощью задвижки на нагнетательном трубопроводе

Перечень работ различных видов технического обслуживания приведен в таблице 6.3.

Таблица 6.3 - Перечень работ различных видов технического обслуживания

Периодичность обслуживания	Содержание работ и метод их проведения	Технические требования	Приборы, инструменты и материалы, необходимые для проведения работ
При замене рабочего колеса	Промывка внутренних поверхностей насоса от грязи.	Внутренние поверхности должны быть чистыми	Синтетическое моющее средство. Вода питьевая Салфетки хлопчатобумажные ГОСТ 11680-76.

6.3 Трубопроводы и трубопроводная арматура

Монтаж трубопроводов выполняют в соответствии с главой СНиП 3.05.05-84 "Технологическое оборудование и технологические трубопроводы".

Трубопроводы после монтажа подвергаются промывке ил продувке и испытаниям. Вид, способ, продолжительность и оценку результатов испытания принимают в соответствии с рабочей документацией. Величину пробного давления во время испытания на прочность при отсутствии дополнительных указаний в рабочей документации принимают в соответствии со СНиП 3.05.05-84 "Технологическое оборудование и технологические трубопроводы".

При эксплуатации трубопроводов и трубопроводной арматуры появляются неисправности во фланцевых, муфторезьбовых соединениях, сальниках вентилей, задвижек и кранов, износ труб, разрывы и трещины в трубах, вибрация труб и т.д.

При текущем ремонте трубопроводов и арматуры устраняют неплотности в соединениях трубопроводов и арматуры путём подтяжки болтов, установки хомутов, замены прокладок и т.п., ликвидируют неисправности в креплении трубопроводов.

Средний и капитальный ремонты трубопроводов включают: замену пришедших в негодность труб; переварку стыков или заварку возникающих трещин в швах труб; замену прокладок в соединениях и сальниковой набивки в запорной арматуре; ремонт и замену вышедшей из строя запорно-регулирующей арматуры и др.

В трубопроводной арматуре возможны неисправности, указанные в таблице 6.4.

Проточку сёдел корпусов вентилей и задвижек, а также притирку их и шлифование производят с помощью приспособлений. После ремонта трубопроводной арматуры её герметичность проверяют на стендах. По окончании ремонта трубопроводов их подвергают испытанию на прочность и плотность при монтаже заново.

Таблица 6.4 - Неисправности трубопроводной арматуры и способы их устранения

Арматура	Причина неисправности	Способ устранения
Вентиль	Износ седла и тарелки клапана	Притирка либо проточка с последующей притиркой; замена при большом износе
	Заедание шпинделя	Смазка с проворачиванием шпинделя
	Износ шпинделя	Замена ил ремонт путём наплавки с последующей нормализацией, обточкой и шлифовкой
Обратный клапан	Износ, неплотность закрытия	Притирка; проточка клапана или гнезда с последующей притиркой, замена при значительном износе, очистка, смазка

7. Безопасность и экологичность проекта

7.1 Производственная безопасность

Безопасность рабочих во многом зависит от свойства производственного оборудования сохранять безопасное состояние при выполнении заданных функций в определенных условиях в течение установленного времени. Повышенная опасность оборудования определяется наличием опасных и вредных факторов, которые при нарушении тех или иных правил техники безопасности могут привести к аварии или несчастному случаю.

Проведём анализ опасных и вредных производственных факторов в отделении рекуперации пива, где размещается проектируемая установка.

7.1.1 Физические опасные и вредные производственные факторы

Основным вредным и опасным физическим производственным фактором в отделении рекуперации пива является наличие электрооборудования (электродвигателей мощностью 7,5 кВт и 0,18 кВт), что влечёт за собой опасность поражения электрическим током. Для предотвращения электротравм двигатели должны быть надёжно заземлены с сопротивлением заземлителя , а все токоведущие линии - изолированы. В отделении рекуперации пива должны быть установлены опознавательные знаки и плакаты, предупреждающие об опасности поражения электрическим током.

Для защиты персонала от поражения статическим электричеством трубопроводы необходимо заземлить с сопротивлением меньшим 100 Ом.

Согласно классификации помещений по опасности поражения электрическим током отделение рекуперации пива относится к III категории особо опасные помещения.

Для предотвращения попадания частей одежды в движущиеся части привода установки они снабжены защитными кожухами и ограждениями. Одежда обслуживающего персонала должна быть плотно прилегающей, длинные волосы должны быть убраны под головной убор.

В отделении рекуперации пива размещаются два аппарата, работающих под внутренним избыточным давлением 0,1 МПа.

Для безопасной эксплуатации мембранных аппаратов предусматриваются следующие мероприятия:

аппараты снабжены предохранительными клапанами, срабатывающими при давлении 0,11 МПа;

расчётная толщина стенки должна быть такой, чтобы прочность сохранялась при кратковременном воздействии внутреннего давления в 0,2 МПа;

мембранные аппараты должны проходить своевременное освидетельствование в органах Росгортехнадзора РФ.

Освещенность помещений играет важную роль. Достаточность освещения уменьшает потенциальную опасность многих производственных факторов, создает нормальные условия труда, повышает общую производительность. В отделении рекуперации пива предусмотрено боковое естественное освещение и искусственное.

Норма естественного освещения для отделения рекуперации пива, где будет размещена микрофильтрационная установка, в соответствии со СНиП 23-05-95 приведена в таблице 7.1.

Таблица 7.1 - Норма естественного освещения в производственных отделениях

Участок работ	Система освещения	КЕО,%
Отделение производства пива	боковая	0,2

Нормы искусственной освещённости в зависимости от разряда зрительных работ по СНиП 23-05-95 приведены в таблице 7.2.

Оптимальные параметры микроклимата в соответствии с СанПин 2.2 4.548-96 в отделении рекуперации пива приведены в таблице 7.3.

Таблица 7.2 - Нормы искусственного освещения в отделении рекуперации пива

Наименование отделения	Разряд зрительных работ	Cистема общего освещения Освещённость, лк,	Наименьший размер объекта различия, мм
Рекуперацион-ное	VIIIв	50	более 0,5

Таблица 7.3 - Оптимальные параметры микроклимата в отделении рекуперации пива

Сезон года	Категория работ	Температура воздуха, °С	Относительная влажность,%	Скорость движения воздуха, м/с
		диапазон ниже оптимального значения	диапазон выше оптимального значения
Теплый период	Iа	20-21,9	19-26	15-75	до 0,1
Холодный период	Iа	21-22,9	20-29	15-75	до 0,1

Нормированное значение уровня звука в соответствии со СНиП 23-03-2003 составляет 69 дБА. Для обеспечения данного значения уровня звука предусмотрена звукоизоляция.

7.1.2 Химические опасные и вредные производственные факторы

Для регенерации мембранных модулей аппаратов применяется раствор серной кислоты и гидроксид натрия. Значения ПДКр. з., а также другие характеристики указанных веществ в соответствии с ГН 2.2.5 1313-03 приведены в таблице 7.4.