Разработка технических средств водоподготовки и приготовления электролита

Иностранные аналоги Анионита АВ-17-8

По структуре и свойствам близок к следующим анионитам: Амберлайт IR А 400, Дауэкс I и Дауэкс II (США), Зеролит FF (Англия), Дуолайт А 101 (Франция), Кастель А 500 (Италия), Диайон SА 10А (Япония).

Применение катионита Анионита АВ-17-8

Высокая основность ОН-формы обеспечила ее широкое применение в водоподготовке для удаления из воды ионов слабых кислот (угольной, кремниевой), для глубокого обессоливания воды и конденсатов в фильтрах смешанного действия совместно с катионитом КУ-2-8. Гидроксидная и солевая формы все шире применяются в гидрометаллургии для регенерации отходов, очистки сточных вод от анионных примесей (в том числе анионных комплексов цветных и редких металлов), в химической и фармацевтической промышленности для очистки различных веществ и в других процессах анионного обмена.

Перспективен для очистки денатурированных и сточных вод химических производств и цветной металлургии от примесей силикатов, нитратов, нитритов, фторид- и кремнефторид-ионов,анионных комплексов цветных и редких металлов, цианидов, боратов и других анионных примесей.

Хранение Анионита АВ-17-8

Анионит хранится в упакованном виде в чистых и складских помещениях при температуре не ниже +2^оС.

Анионит АВ-17-8 как смола выпускается и хранится в увлажненном состоянии.

Замороженный анионит перед употреблением необходимо выдерживать в помещении при температуре +10 +20 ^оС в таре изготовителя до размораживания на протяжении 2-4 суток.

Упаковка: мешки полиэтиленовые, вложенные в полипропиленовые. Гарантийный срок хранения анионита АВ-17-8: 12 месяцев со дня изготовления. Анионит (anionit) АВ-17-8 - неплавкий, негорючий, невзрывоопасный, неядовитый, радиоактивных и озоносодержащих веществ не содержит.

Обоснование конструкции и описание.

Из водопровода вода насосом подается на катионитный фильтр (ФК), заполненный смолой КУ 2-8, где происходит удаление солей жесткости. После вода подается на анионитный фильтр (ФА), заполненный смолой АВ 17-8, где происходит удаление ионов кислот. Очищенная вода поступает на электролиз.

Регенерация фильтров осуществляется в противоточном режиме. Наличие в схеме пар фильтров позволяет осуществлять процесс очистки и регенерации одновременно (один фильтр проходит регенерацию, другие фильтры очищает воду), что делает процесс непрерывным.

При регенерации 4 - 8 % раствор соляной кислоты из бака подается самотеком на катионитный фильтр (ФК), 4 - 8 % раствор гидроксида натрия из бака подается самотеком на анионитный фильтр (ФА). После регенерации растворы выводятся через верхний трубопровод и собираются в баке усреднителе.

Конструкционные материалы и защита от коррозии .

Рабочие среды достаточно хорошо изучены с точки зрения их воздействия на конструкционные материалы:

Влияние 10% HCl на разнообразные материалы:

5. Углеродистые стали: Кислоты считается агрессивной средой по отношению к углеродистым сталям. Например Ст.3 недостаточно стойки в разбавленной соляной кислоте при 30 С (П=20 мм/год). Подвергаются сильной коррозии и в данном производстве неприменимы.

6. Почти все легированные стали, независимо от степени легирования не стойки в 10%-ой соляной кислоте, (П=0,21-3 мм/год).

7. Сплавы: есть сплавы стойкие в 10%-ой соляной кислоте, например: коррозионностойкий сплав Н70МФВ К=0,1 мм/год при 30 С.

8. Стойкими в растворах HCl являются полимерные материалы - винипласт, полиэтилен, полипропилен. Из данного списка полимерных материалов Винипласт чаще используют для емкостного и колонного оборудования химических производств.

Влияние 10% NaOH на разнообразные материалы:

5. Углеродистые стали: углеродистые стали типа Ст.3 достаточно стойки в 10% NaOH при 60 С (К=0,07 мм/год). Из этого следует, что обычная углеродистая сталь применима для аппарата работающего с раствором гидроокиси натрия.

6. Все легированные стали, независимо от степени легирования стойки в 10%-ой NaOH при 25 С, (П<0,1 мм/год)..

7. Сплавы: сплавы стойкие в 10%-ой NаОН.

8. Винипласт, стоек в растворах NаОН.

Но при выборе конструкционного материала аппаратов отделения химводоподготовки необходимо учитывать взаимозаменяемость оборудования, т.е необходимо, чтобы оборудование было коррозионностойким как в растворах соляной кислоты, так и в растворах щелочи. А это означает, что для аппарата работающего с раствором гидроокиси натрия берем тот же материал, что и для аппарата работающего с соляной кислотой.



Спецификация оборудования.

№	Наименование изделия	Условия эксплуатации	Материалы
		Среда	Конц-ия, %	Темпера-тура, С	Р, Мпа
1	Емкость приготовления регенерирующего раствора	NaOH	4,0--8,0	10--25	0,1	Ст3
2	Емкость приготовления регенерирующего раствора	HCl	4,0--8,0	10--25	0,1	Ст3
3	Катионитный фильтр (ФК)	HCl	4,0--8,0	10--25	0,08	Ст3
4	Анионитный фильтр (ФА)	NaOH	4,0--8,0	10--25	0,08	Ст3
5	Трубопровод	NaOH	4,0--8,0	10--25	0,1	Ст3
		HCl	4,0--8,0
6	Прокладочные материалы	NaOH	4,0--8,0	10--25	0,1	Резина техническая кислото-щелочестойкая

Таблица материалов, используемых для изготовления ионитного фильтра.

№	Наименова-ние аппарата и материала	Условия эксплуатации	Физико-механические свойства	Скорость коррозии, мм/год	Изготов-ляемые детали
		Среда	Конц-ия, %	Т-ра, С	в, Мпа	т, Мпа	, %
1	Ионитные фильтры ВСт3. ГОСТ 380-74	HCl, NaOH	4,0-8,0	10-25	40-60	80 (св)	10-25	С (стойкий)	Обечайка, крышка, днище, патрубки

Технологические расчеты катионитового фильтра.

Характеристики ионитов.

КАТИОНИТ КУ 2-8 ГОСТ 20298-74



Физико-химические показатели

Наименование параметров	Норма
Характеристика	Высокоактивная гелевая смола
Тип	Сильнокислотный
Функциональная группа	Сульфоновая
Внешний вид	Сферические зерна от желтого до коричнево цвета
Ионная форма	Na+/H+
Размер частиц, мм	0.315 - 1.25
Содержание рабочей фракции, %, не менее	96
Эффективный размер зерен, мм	0.40-0.55
Коэффициент однородности не более	1.7
Удельный объем в Н-форме, см3/г, не более	2.8
Общая обменная ёмкость, мг.экв/мл	1.8 - Н+ форма 2.0 - Na+ форма
Влажность, % масс.	45% Na+ форма 52% H+ форма
Насыпная масса товарного ионита, т/м3	0.75-0.80
Максимальная рабочая температура в Н-форме, градС	110-120
Коэффициент набухания товарного ионита в фильтрах при заполнении водой	1
Годовой расход ионита, % (водоподготовка)	10
Диапазон рН	1-14
Срок службы, годы, не менее	10
Растворимость	Нерастворима в обычных растворителях

Технологический расчет

Производительность установки: 900 л/ч

Технологические данные для расчета водород-катионитных фильтров

Показатели	Размернось	Величина
Высота слоя катионита	м	2-2,5
Крупность зерен катионита	мм	0,3-1,1
Скорость фильтрования нормальная, при Жо, мг-экв/г: · до 5 · до 10 · до 15	м/ч м/ч м/ч	25 15 19
Потери напора на фильтрах, при скорости фильтрования, м/ч: · до 5 · до 10 · до 20 · до 30 · до 40	м вод. ст. м вод. ст. м вод. ст. м вод. ст. м вод. ст.	5 5 6 7 9
Взрыхляющая промывка катионита: · интенсивность · продолжительность	л/м2*сек мин	3-4 12
Удельный расход кислоты на регенерацию, при Жо, мг-экв/кг: · до 10 · до 15 · до 20	г/г-экв г/г-экв г/г-экв	70 90 125
Скорость пропуска регенерационного раствора не менее	м/ч	10
Отмывка катионита, скорость пропуска отмывочной воды	м/ч	10
Удельный расход отмывочной воды	м3/ м3	5
Общая длительность регенерации	ч	2,5

Расчет объема катионита Wк, м³ в фильтрах

Объем катионита Wк, м³ в фильтрах следует определять по формуле:

Wк = 24 * q_у * Жо / np * Ер(Н), (20.29, стр. 511) [8]

где:

q_у - расход умягченной воды, м³/ч;

Жо - общая жесткость исходной воды, г-экв/м³

Ер(Н) - рабочая обменная емкость катионита при Н-катионировании, г-экв/м³

nр -число регенераций фильтра в сутки, принимаемое в пределах от одной до трех.

Ер(Н)-неизвестна.

Рабочая обменная емкость катионита. Ер(Н) = бэ * в * En - 0,5 * q * Жо, г-экв/мі, (20.20, стр. 511) [8] где:

бэ - коэффициент эффективности регенерации;

в - коэффициент снижения обменной способности (для КУ смол 0,8-0,9);

En - полная обменная способность катионита (табл.2), г-экв/мі;

q - удельный расход воды на отмывку катионита, мі/мі (табл.3);

Жо - жесткость общая исходной воды;

бэ-неизвестен, определяется на основании удельного расхода кислоты (qк (табл.3))

Значение коэффициента эффективности регенерации бэ, в зависимости от удельного расхода кислоты на регенерацию qк.

Удельный расход, г/ г-экв	50	70	100	150	200	250
бэ	0,7	0,75	0,85	0,9	0,93	0,95

График№1.

Зависимость эффективности регенерации бэ от удельного расхода кислоты на регенерацию qк.

Ер(Н) = бэ * в * En - 0,5 * q * Жо

Ер(Н) = 0,75*0,85*1800 г-экв/мі -0,5*5 мі/мі *7 г-экв/м³=1130г-экв/ м³

Ер(Н) = 1130г-экв/ м³

Объема катионита Wк, м³ в фильтрах

Wк = 24 * 0,9 м³/ч *7 г-экв/м³ / 1 * 1130г-экв/ м³=0,13 м³ Wк = 0,13 м³



Площадь катионитового фильтра:

Ак = Wк/Hк (20.21, стр. 511) [8]

где:

Hк- высота слоя катионита (табл.3)

Ак = 0,13 м³/2м=0,06м² Ак = 0,06м²

Производительность фильтров.

Производительность фильтров.

G = f * U

где:

f - площадь фильтрования, м²

U - скорость фильтрования, м/ч (табл.3)

f = 0,9 / 15 = 0,06 м² f = 0,06 м² (f = Ак, что говорит о правильности нынешнего решения)

определяем диаметр фильтра по формуле:

f = 3,14 * r²;

, м d=0,276,м

принимаем диаметр фильтра 300 мм; d=300 мм

Необходимый вес воздушно-сухого катионита:



Бн = m* Wк/о (9,4, стр. 137 [3] где:

m - насыпная масса товарного ионита, т/м³ (табл.2);

о - коэффициент набухания товарного ионита в фильтрах при заполнении водой, (табл.2).

Бн = 0,75 т/м³ *0,13 м³/1=0,0975 т

Бн =0,0975 т

Расход кислоты на регенерацию Н-катионитного фильтра: Qк = Ер(Н) * f * Н * qк / 1000кг 20.28 [8, стр. 521] где:

f - площадь фильтрования, м²;

Н - высота загрузки катионита, м (табл.3);

qк - удельный расход кислоты на регенерацию, г/ г-экв (табл.3). Qк = (1130г-экв/ м³ * 0,06 м² * 2м * 70 г/ г-экв) / 1000кг =9,49кг Qк = 9,49кг

Технологический расчет анионитного фильтра

Характеристики ионитов.

АНИОНИТ АВ-17-8 ГОСТ 20301-74

Физико-химические показатели

Наименование параметров	Норма
Характеристика	Гелевая смола
Внешний вид	Сферические зерна светло-желтого цвета
Ионная форма	ОН-
Размер частиц, мм	0,355-1,25
Содержание рабочей фракции, %, не менее	94
Эффективный размер зерен, мм	0,4-0,6
Коэффициент однородности не более	1,7
Удельный объем в ОН-форме, см3/г, не более	3,0±0,3
Общая обменная ёмкость, г-экв/ м3	1500
Влажность, % масс.	35-50
Насыпная масса товарного ионита, т/м3	0,70-0,74
Максимальная рабочая температура в ОН-форме, градС	60
Коэффициент набухания товарного ионита в фильтрах при заполнении водой	1
Годовой расход ионита, % (водоподготовка)	10
Диапазон рН	1-14
Срок службы, годы, не менее	7

Технологический расчет

Производительность установки: 900 л/ч

Технологические данные для расчета водород-катионитных фильтров

Показатели	Размерность	Величина
Высота слоя анионита	м	2-2,5
Скорость фильтрования нормальная: · допустимая (максимальная) · нормальная · минимальная	м/ч м/ч м/ч	15 (30) до 20 5
Взрыхляющая промывка анионита: · интенсивность · продолжительность	л/м2*сек мин	3 30
Регенерация анионита: · удельный расход щелочи · концентрация раствора · скорость пропуска раствора	г/г-экв % м/ч	60 4 4
Отмывка катионита, скорость пропуска отмывочной воды	м/ч	10
Удельный расход отмывочной воды	м3/ м3	10

Расчет объема анионита Wа, м³ в фильтрах

Объем анионита Wа, м³ в фильтрах следует определять по формуле:

Wа = 24 * q_у * А / np * Ер(ОН), (9,7, стр. 140) [3]

где: q_у - расход умягченной воды, м³/ч;

А - содержание анионов сильных кислот в обессаливаемой воде, г-экв/м³

Ер(ОН) - рабочая обменная емкость анионита, г-экв/м³

nр -число регенераций фильтра в сутки, принимаемое в пределах от одной до трех.

Ер(ОН) - неизвестна

Рабочая обменная емкость анионита: Ер(ОН) = En - 0,5 * q * А, г-экв/мі, (9,8, стр. 140) [3] где:

En- полная обменная способность анионита (табл.3), г-экв/мі;

q - удельный расход воды на отмывку анионита, мі/мі (табл.5);

А - содержание анионов сильных кислот в обессаливаемой воде, г-экв/м³

Содержание анионов сильных кислот в обессаливаемой воде:

А=2+2,75+3+0,55=8,3 г-экв/м³

Рабочая обменная емкость анионита:

Ер(ОН) = 1500 г-экв/мі-0,5 *10 мі/мі * 8,3 г-экв/м³=1450 г-экв/мі, Ер(ОН) = 1450 г-экв/мі

Объема анионита Wа, м³ в фильтрах

Wа = 24 * 0,9 м³/ч *8,3 г-экв/м³ / 1 * 1450г-экв/ м³=0,12 м³ Wа = 0,12 м³

Площадь анионитного фильтра:

Аа = Wа/Hа

где:

Hа- высота слоя катионита (табл.5)



Аа = 0,12 м³/2м=0,06м² Аа = 0,06м²

Производительность фильтров.

Производительность фильтров.

G = f * U

где:

f - площадь фильтрования, м²

U - скорость фильтрования, м/ч (табл.5)

f = 0,9 / 15 = 0,06 м² f = 0,06 м² (f = Аа, что говорит о правильности нынешнего решения)

определяем диаметр фильтра по формуле:

f = 3,14 * r²;

, м d=0,276,м

принимаем диаметр фильтра 300 мм; d=300 мм

Необходимый вес воздушно-сухого анионита:

Бн = m* Wа/о ( стр. 137) [3] то же для анионита. где:

m - насыпная масса товарного ионита, т/м³ (табл.4);

о - коэффициент набухания товарного ионита в фильтрах при заполнении водой, (табл.4).

Бн = 0,74 т/м³ *0,12 м³/1=0,0888 т

Бн =0,0888 т



Расход щелочи на регенерацию ОН-анионитного фильтра: Qк = Ер(ОН) * f * Н * qа / 1000кг (20.28 стр. 521) [8], то же для анионита. где:

f - площадь фильтрования, м²;

Н - высота загрузки анионита, м (табл.5);

qа - удельный расход щелочи на регенерацию, г/ г-экв (табл.5). Qк = (1450г-экв/ м³ * 0,06 м² * 2м * 60 г/ г-экв) / 1000кг =10,44кг Qк = 10,44кг

Механический расчет ионитного фильтра.

Исходные параметры:

Обечайка, днище аппарата изготовлены из Ст3 ГОСТ 380-94

Механические свойства ВСт3 ГОСТ 380-2005:

Листы толщиной - 2-20 мм;

Предел прочности: не менее у_в = 55 Мн/м²;

Определим величину номинального допускаемого напряжения _д , Мн/м² (кгс/см²):

Мн/м²

Где:

n_в - запас прочности

Наибольшее распространение в химическом аппаратостроении получили цилиндрические обечайки, отличающиеся простотой изготовления, рациональным расходом материала и хорошей сопротивляемостью давлению среды.

Номинальное допускаемое напряжение

Мн/м² (550 кгс/см²)



Допускаемое напряжение определяем по формуле (14.11 стр. 408) [5]

;

Мн/м² (550 кгс/см²)

где з = 1,0 - поправочный коэффициент, учитывающий условия эксплуатации аппарата;

- номинальное допускаемое напряжение в Мн/м² (кгс/см²)

Высота корпуса аппарата при снятой крышке

, где

- высота элептической части крышки,

100 мм - размер, который ориентировочно учитывает высоту цилиндрической отбортовки крышки и толщину фланца крышки.

h₁=2200-(0,25300+100)=2025 мм

h₁=2025 мм

Высота жидкости в аппарате

h_ж=h₁-(50…100)=2025-(50…100)=1975…1925 мм

Принимаем к расчету h_ж=1950 мм = 1,95 м

Расчетное внутреннее давление в аппарате

, где



Р - рабочее избыточное давление среды в МПа, аппарат работает без избыточного давления, в качестве Р принимается пробное давление при гидроиспытаниях аппарата, Р =0.2 МПа

Р_г - гидростатическое давление, МПа;

Р_г =gh_ж=10009,811,95=19130Па=0,019МПа

g = 9,81 - ускорение свободного падения;

= 1000 - плотность среды, кг/м³;

h_ж = 1,95 - высота жидкости в аппарате, м.

Р_р==0.2+0,019=0,219 МПа

Р_р=0,219 МПа

Определим отношение определяющих параметров и Р учетом коэффициента цш:

где цш - коэффициент прочности сварных и паяных соединений в деталях из неметаллических конструкционных материалов.

Принимаем цш = 0,35 (при возможности сварки с одной стороны)

Расчет обечайки корпуса

Номинальную расчетную толщину стенки обечайки для данного отношения согласно (табл. 15.6 стр. 413) [5], определяем по формуле 15.3

,



где:

Р_р = 0,219 МПа из условия гидравлического испытания. Дальнейшие расчеты проводим с использованием этой величины.

D_в = 0,3 м;

= 55 Мн/м²;

S_R=(0,20,3)/(2550.35)=0,0016м или 1,6 мм

S_R=1,6 мм

Принимаем S_R=2мм.

Толщина стенки обечайки при нагружении осевой растягивающей силой.

Осевая растягивающая сила

F_R=(Д²)/4=(3.14300²0,2)/4=14130 H

F_R=14130 H

Толщина стенки

S_R=F_R /(Д)=14130/(3.14300550.35)=0,78 мм

S_R=0,78 мм

Прибавки к толщине стенки обечайки

, [5, стр 408]

С_э - прибавка для компенсации эрозии в мм. С_э = 0, т.к. скорость движения среды в аппарате менее 20 м/с и отсутствует абразивные частицы.

С_к - прибавка на коррозию или другой вид химического воздействия рабочей среды на материал в мм. Для стойких материалов в заданной среде пр отсутствии данных о проницаемости С_к=1.

Расчетный срок службы, если это специально не оговорено в техническом задании , на основании статических данных принимается 10-15 лет.

С_д - дополнительная прибавка по технологическим монтажным и другим соображениям в мм, для толщины от 2 до 20 мм принимаем значение равным 0 мм

С_д =0мм.

С_о - прибавка на округление размера в мм, - С_о =0мм.

Таким образом

С=1+0+0+0 =1 мм

С= С_к=1 мм

Толщина стенки обечайки с учетом прибавок

Толщину стенки обечайки с учетом прибавок определяем по формуле (15.10 стр. 413) [5]:

мм

S=3мм

Проверочные расчеты для обечайки корпуса

Допускаемое давление в обечайке определяем по формуле (15.16 стр. 414) [5]:



Мн/м²

[P]=0,255 Мн/м²

условие прочности

0,255> 0,219 Мн/м² - условие прочности выполняется

Допускаемая осевая растягивающая сила

[F_p] > F_p - условие прочности соблюдается.

Так как проверочный расчет по всем нагрузкам удовлетворяет условиям прочности, окончательно принимаем исполнительную толщину стенки обечайки корпуса S = 3 мм.

Расчет элиптического днища

Для днища корпуса аппарата принят материал - ВСт3 ГОСТ 380-2005 "Днище 300 ОН 26-01-21-66"

Элиптическое днище

По табл. 16.8 [5, стр. 450] для D_в=300мм:

h_в=75мм;

s=6мм;

h=25мм;

V=5,5м³ - емкость днища;

m=1,4кг.

Исходя из того, что по таблице толщина днища должна быть не менее 6мм, то толщина стенки обечайки тоже должна быть не менее 6мм, поэтому принимаем толщину обечайки аппарата не 3мм,а 6мм.

Расчет фланцевых соединений

Принимаем фланцевое соединение у которого уплотнительная поверхность с выступ-впадиной. Фланцы плоские приваренные (несвободные) без втулки, неизолированные, т.к. этот вид уплотнения рекомендуется даже при Р < 0,6 МПа, если среда ядовитая, взрывопожароопасная.

Д = 300 мм,

S₁ = 6 мм - толщина стенки обечайки,

Фланцевое соединение.корпуса

Принимаем материал фланцев - ВСт3 ГОСТ 380-2005, как и для аппарата. для болтов - Cт3сп. Материал прокладки - резина техническая кислото-щелочестойкая ГОСТ 7338-65.

Выбираем d_s = 12 мм, болт М12

Диаметр болтовой окружности

,



где

u = 4…6 - нормативный зазор между обечайкой и гайкой.

Принимаем u = 6.

Расчетное растягивающее усилие в болтах:

а) при затяжке соединения:

где

=1,45-константа жесткости соединения (при плоской неметаллической прокладке)

Р_с -расчетная сила от давления среды;

Р_с=

где:

средний диаметр уплотнения,

D_н.п. - диаметр бурта,

D_н.п. = D_б. - l

l - нормативный параметр, l=20;



D_н.п. = 360-20=340мм

b - ширина прокладки, по табл. 20.55,стр.519 принимаем в=13 мм (в дальнейшем из конструктивных соображений прокладку возьмем в=17 мм и шип-пас под неё );

D_с.п =340-13=327 мм, тогда

Р'с -расчётная сила от давления среды

Р_n - расчетная сила осевого сжатия уплотняемых поверхностей в рабочих условиях, необходимая для обеспечения герметичности,

для обтюрации типа I-A (табл. 20.1), [3,стр. 513

где:

k - коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки, по табл. 20.281, стр.528; k=1,0;

Р'п ?3,14*0,327*0,017*1,0=0,0175 Мн

принимаем Р_n=0,0175Мн;

М_и - изгибающий момент от действия внешних нагрузок, М_и=0.



Р'_б1 = 1,45*0,017+0,0175 = 0,0421 Мн

Значение - должно быть не менее

q, где

q - удельная нагрузка по площади уплотнения, обеспечивающая герметичность, по табл. 20.28 [5,стр.528], q = 1,5МПа, тогда

Р'_б1 = 0,5*П*0,327*0,013*1,5 = 0,010Мн

Принимаем Р'б1 =0,01 Мн

б) при рабочих условиях:

Р'_б2 =Р'_с +Р'_п + 4*Ми/Dп = 0,017+0,0175 = 0,0345 Мн

Выбираем d'б = 12 мм.

Определение расчетного количества болтов Z:

а) исходя из затяжки соединения:

где

F_б=0.74410^-4м² - площадь поперечного сечения болта по внутреннему диаметру резьбы, табл. 21.1[5,стр.538]

Z' = 0.01/(55*0.0000744)= 2.7



б) исходя из рабочих условий:

0,0345/(55*0,0000744)=9

принимаем Z=12

Наружный диаметр фланца:

где

Dб - диаметр болтовой окружности;

а- величина, зависящая от диаметра болтов,

по табл. 21.18 5,стр.565, а=30мм,

Dф=D_н= 360+30 = 390 мм

Принимаем D_ф= D_н=0,39 м.

Расчетная длина болта

, где

l_бо - расстояние между опорными поверхностями головки болта и гайки при толщине прокладки h_п = 2 мм

Размер h - высота (толщина) фланца, принимаем по табл. 21.9 [5, стр.550], h =20мм Принимаем длину болта 70 мм



Диаметр D₂ = D_н.п = 340 мм

Диаметр D₃ = D₂ + 4 = 340 + 4 = 344 мм

Расчёт проходного диаметра штуцеров ионитового фильтра и выбор фланцев.

Проходной диаметр штуцера для входа и выхода воды:

где: W₁ - скорость потока, так как вода поступает в фильтр под напором, принимаем скорость равной 1 м/с; Q - объемный расход исходной смеси, м³/с. Q - неизвестна.

Объемный расход исходной смеси

G - производительность фильтров в кг/с;

p - плотность жидкости в кг/м³

м³/с Q=2,5*10^-4м³/с

Проходного диаметр штуцера для входа и выхода воды:

м = 17мм;

Принимаем диаметр штуцера d₁ = 20 мм.



Проходной диаметр штуцера для входа и выхода регенерирующего раствора:

где: W₂ - скорость потока регенерирующего раствора, так как смесь поступает в фильтр самотеком, принимаем скорость равной 0.1 м/с; V - объемный расход исходной смеси, м³/с (для регенерации анионита необходимо 100 л 4% раствора NaOH,а для регенерации катионита необходимо 100 л 4% раствора HCl)

м=19мм;

Принимаем диаметр штуцера d₂ = 20 мм.

Фланцы для патрубков

Фланцы выполнены из ВСт3 ГОСТ 380-2005

· Dп =20 мм;

· Dн =24 мм

· Dф = 90 мм;

· Dб = 65 мм;

· D1 = 50 мм;

· dб = М10;

· s = 2;

· c = 2;

· z = 4;

· h =15мм;

· масса=0,11кг.



Фланец.

Определение веса аппарата

, где

"1,3" - коэффициент, учитывающий вес остальных частей корпуса,

G_днища = m_днищаg

G_днища =1,49,8=13,72 Н

б) m_{обечайки} = v, где

- плотность материала обечайки (для винипласта), с = 1,410³ кг/м³

м³, где

Н - высота обечайки

S - толщина обечайки

m_{жидкости} = сV

с - плотность жидкости, с = 1000 кг/м³



V=V_ап - W_и

V_ап- объём аппарата,

D - внутренний диаметр аппарата в м;

м³

W_и - объём занимаемый ионитом, по расчетам ионит занимает:

W_к = 0,13 (катионит)

W_а = 0,12 (анионит)

Для расчета возьмём катионит… W_и = 0,13

V = 0,15-0,13=0,39 м³

m_{жидкости} = 10000,39 = 390 кг

G_{жидкости} =m_жg= 3909,81= 3825,9 Н

G_ионита= m_ионитаg

m_ионита=100 кг - по расчетам.

G_ионита = 1009,81=981 Н

Масса всего аппарата без жидкости:

m=1,31,4+17,4+100=120 кг.

Вес всего аппарата:



G_ап = 1.313,72 + 170,52 + 981+3825,9 = 4995,26 H =0,005МН

Выбор опор аппарата

Рассчитываем, что весь вес аппарата приходится на одну опору.

Количество опор-4.

Опоры выполнены ВСт3 ГОСТ 380-2005 "Опора 2-600 ОН 26-01-29-66"

Опоры привариваются к аппарату.

G_ап=0,005МН

По табл. 29.8 [5, стр.676] выбираем опору:

§ L = 180 мм;

§ B = 140 мм;

§ B1 = 148 мм;

§ b = 60 мм;

§ H = 300 мм;

§ d = 19 мм;

§ s = 14 мм;

§ a = 15 мм;

§ масса=1,4кг.

Опоры.

Масса всего аппарата, с опорами:



m = 120+390+41,4=515,6 кг

Расчёт рамы под аппарат.

Рис.7 а) Рама. б) Эпюра изгибающих моментов рамы.

Найдём предельную нагрузку Р для рамы, изображенной на рис. Размеры рамы L = 670 мм; H = 1630 мм. Поперечное сечение ригеля и стойки - уголок. (рис. ) ГОСТ 8509-72 , сталь углеродистая обыкновенного качества ВСт3кп2, № профиля 2,5; 25х25х4.

Предел текучести _т = 2400 кГ/см². (стр.107) [6]

Уголок стальной.

Очертание эпюры изгибающих моментов нетрудно получить, наложив на эпюру узловых моментов эпюру изгибающих моментов ригеля, как балки, лежащей на опорах (рис.7)

Из эпюры видно, что предельное состояние рамы может наступить в двух случаях.

1)На ригеле --в месте приложения нагрузки, и в узлах.

2) На ригеле под грузом и на стойке.

Проведем расчет вначале без учета продольных сил.

Предварительно найдем величины пластических моментов сопротивления:

Для сечения ригеля и стойки (стр.174) [6]

W = 2,7 см³.

Для сечения стойки:

Первый выриант

Из эпюры (рис. 21.20, б) следует:

(стр. 570) [7]

Откуда

Продольная сила в ригеле:

Условие предельного состояния без учета продольной силы:

(стр. 570) [7]

Откуда

кг

Pпр = 774кг.

У нас масса аппарата в рабочем состоянии 516 кг. из этого следует что балка выдержит аппарат



Второй вариант

Из эпюры предельного состояния (рис. 7) следует:

(стр. 570) [7]

Откуда

(стр. 571) [7]

В качестве предельной нагрузки следует принять Р_пр = 774 кг.

Для оценки влияния продольной силы найдем величину относительной погрешности выполненного расчета по формуле

(стр. 571) [7]

Продольная сила в левой стойке

(стр. 571) [7]

Толщина стенки уголка д= 4 см.

Подставляя эти значения в формулу, получим:



или 0%

Таким образом, погрешность из-за пренебрежения продольными силами оказалась нулевой и в данном случае пересчета не требуется

3. Смеситель

Назначение.

При электролизе воды в качестве электролита используется раствор едкого кали концентрацией 300-400 г/л. Для того, чтобы получить электролит нужной концентрацией, используется аппарат с перемешивающим устройством.

Изначально дадим некоторые сведения нашей щелочи, которая требуется для приготовления электролита:

Калия гидроокись (калия гидрат окиси, калий едкий) КОН ГОСТ 9285-78

Применение едкого калия:

Калия гидрат окиси технический твердый применяется для производства удобрений, синтетического каучука, используется в фармацевтической промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Показатели качества

НАИМЕНОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ	Высший сорт	Первый сорт
1. Внешний вид	Чешуйки зеленого, сиреневого или серого цвета
2. Плотность, г/см3	2.12	2.12
3. Массовая доля щелоедких щелочей в пересчете на КОН, %, не менее	95.0	95.0
4. Массовая доля углекислого калия, %, не более	1.4	1.5
5. Массовая доля хлоридов в пересчете на СL, %, не более	0.7	0.7
6. Массовая доля сульфатов, %, не более	0.025	0.05
7. Массовая доля железа, %, не более	0.03	0.03
8. Массовая доля хлорноватистого калия, %, не более	0.1	0.2
9. Массовая доля натрия в пересчете на NaOH, %, не более	1.5	не норм.

Упаковка и транспортирование:

Калия гидрат окиси технический твердый упаковывают в стальные барабаны емкостью 50-100 дм3 или мешки по 35кг. Гидроокись калия транспортируют железнодорожным, автомобильным транспортом в соответствии с правилами перевозки грузов, действующими на данном виде транспорта.

Расчеты.

Технологический расчёт смесителя.

Итак, мы знаем, что концентрация электролизёра должна быть 300г/л. Если воды 450 л., то нам нужно 270000г или 270кг. твердого КОН. Для того чтобы уменьшить габариты смесителя мы делаем приготовление электролита в три этапа. Перед растворением щелочи смеситель заполняется дистиллированной водой на 150л, после чего в аппарат засыпают сухую щелочь в размере 90кг.

150л * 1,2кг/см³ = 180кг

Раствор (электролит): 180кг + 90кг = 270кг.

М (КОН) = 56г/моль

Т.к мы готовим электролит только с 450л. воды (половина от того, что нам нужно), то концентрация при выходе из аппарата с мешалкой будет не 300г/л, а вдвое больше - 600г/л.

Найдем количество молей КОН в одном кг воды:



600г/кг / 56 г/моль = 11моль/кг.

Зная, что на 1кг. воды приходится 11 моль КОН по табл.11 (стр. 52) [6] находим:

Н (теплота растворения) = 48,24кДж/моль.

Найдем количество молей КОН в 90кг сухой щелочи:

90000г / 56 г/моль = 1607,14моль.

Откуда

Q = 48,24кДж/моль * 1607,14моль = 77528,43кДж.

Зная, что

Q = m * c * (Tк - Тн)

где:

m - масса раствора, кг;

с - теплоёмкость воды, с = 4,02 кДж/кг*К

Tк, Тн=25⁰С - конечная и начальная температура раствора, К.

Tк = Q / (m * c) + Tн

Tк = 77528,43кДж. / (270кг * 4,02 кДж/кг*К) + 298К = 359,43К = 96,43⁰С

tк = t_C = 96,43⁰С

Определение расчётной температуры.

Механические характеристики материалов существенно изменяются в зависимости от температуры.

При положительных температурах за расчётную температуру стенки элемента аппарата следует принимать наибольшее значение температуры.

Таким образом,

t_P = t_C

где:

t_P - расчётная температура стенок корпуса аппарата, ⁰С;

t_C - температура среды, соприкасающейся со стенкой аппарата, ⁰С.

t_C = 96,43⁰С

Механический расчёт смесителя

Исходные параметры:

Обечайка, днище аппарата изготовлены из стали Ст3

Механические свойства стали Ст3:

Листы толщиной - 4-20 мм;

Предел прочности: при 20°С - у_в = 380 Мн/м²;

при 200°С - у_в = 380 Мн/м²;

Определим величину номинального допускаемого напряжения

_д , Мн/м² (кгс/см²):

Мн/м²

Где:

n_в - запас прочности, n_в = 2,6 (табл.14.6 стр. 405) [3]

Наибольшее распространение в химическом аппаратостроении получили цилиндрические обечайки, отличающиеся простотой изготовления, рациональным расходом материала и хорошей сопротивляемостью давлению среды.

Номинальное допускаемое напряжение Мн/м²

Допускаемое напряжение определяем по формуле (14.11 стр. 408) [3]



;

Мн/м² (1462 кгс/см²)

где з = 1,0 - поправочный коэффициент, учитывающий условия эксплуатации аппарата;

- номинальное допускаемое напряжение в Мн/м² (кгс/см²)

Высота жидкости в аппарате

Аппарат будет рассчитываться на объём электролита:

V = V (H2O)+V(KOH);

где:

V (H2O) = 150л. - объём воды;

V(KOH) - объём сухого КОН, л.

V(KOH) = m / с

где:

m = 90 кг - масса раствора;

с = 2,12 г/см³ плотность сухого КОН.

V(KOH) = 90кг /2,12 г/см³ = 40,9кг

V = 150л. + 40,9 = 191л.

Принимаем: V = 200л = 0,2 м³.

Из этого следует, что диаметр аппарата D = 700мм (табл.11 стр. 72) [2]

Выбираем аппарат по табл.10 (стр. 69) [2]:

Исполнение корпуса: 41

Высота жидкости в аппарате:



Принимаем к расчету h_ж = 650 мм = 0,65 м

Высота корпуса аппарата при снятой крышке

h₁= h₁ + (50…100)=650мм + (50…100) = (700…750)мм

h₁=(700…750)мм

Высота аппарата

где:

- высота элептической части крышки,

100 мм - размер, который ориентировочно учитывает высоту цилиндрической отбортовки крышки и толщину фланца крышки.

Н=(700…750) + (0,25700+100) = (975…1025) мм

Н=(975…1025) мм

Расчетное внутреннее давление в аппарате

, где

Р - рабочее избыточное давление среды в МПа, аппарат работает без избыточного давления, в качестве Р принимается пробное давление при гидроиспытаниях аппарата, Р =0.2 МПа

Р_г - гидростатическое давление, МПа;



Р_г =gh_ж=12909,810,65=8225,685Па=0,00823МПа

g = 9,81 - ускорение свободного падения;

= 1290 - плотность среды, кг/м³;

h_ж = 0,65 - высота жидкости в аппарате, м.

Р_р= 0,2+0,00823=0,208 МПа

Р_р=0,208 МПа

Внутреннее давление в рубашке.

Принимаем давление в рубашке, как при гидроиспытании, т.е. Р_н = 0.2 МПа

Расчет толщины стенок.

Расчёту подлежат элементы корпуса: цилиндрическая обечайка, крышка, эллиптическое днище в местах сварки.

Предварительный расчёт цилиндрической оболочки:

а) при действии внутреннего давления

где:

S_ЦР1 - расчётная толщина стенки цилиндрической обечайки из условия прочности, м;

P_P =0,2 МПа расчётное внутреннее давление;

D = 0,7м - внутренний диаметр обечайки;

= 146,2 Па допускаемое напряжение;

ц = 0,95 - коэффициент прочности сварного шва (табл.14.7 стр. 407) [3]



S_ЦР1 = 0,4мм

а) при действии наружного давления

где:

- коэффициент, определяемый по монограмме.

где:

- коэффициент;

n_в = 2,6 - запас прочности (табл.14.6 стр. 405) [3];

= 0,2 МПа - внутреннее давление в рубашке;

= 210000 МПа - модуль упругости.

= 1,03



где:

h₁ = 750мм;

D = 700мм.

= 1

= 0,45

Толщина стенки обечайки при нагружении осевой растягивающей силой.

Осевая растягивающая сила

F_R=(Д²)/4=(3.14700²0,2)/4=76930 H

F_R=76930 H

Толщина стенки

S_R=F_R /(Д)=76930/(3.14700146,20,95)=0,25мм

S_R=0,25 мм

Следует взять

Прибавки к толщине стенки обечайки

, [3, стр 408]



где

С_э - прибавка для компенсации эрозии в мм. С_э = 0, т.к. скорость движения среды в аппарате менее 20 м/с и отсутствует абразивные частицы.

С_к - прибавка на коррозию или другой вид химического воздействия рабочей среды на материал в мм. Для стойких материалов в заданной среде при отсутствии данных о проницаемости С_к=1.

Расчетный срок службы, если это специально не оговорено в техническом задании , на основании статических данных принимается 10-15 лет.

С_д - дополнительная прибавка по технологическим монтажным и другим соображениям в мм, для толщины от 2 до 20 мм принимаем значение равным 0 мм

С_д =0мм.

С_о - прибавка на округление размера в мм, - С_о =0мм.

Таким образом

С=1+0+0+0 =1 мм

С= С_к=1 мм

Толщина стенки обечайки с учетом прибавок

Толщину стенки обечайки с учетом прибавок определяем по формуле (15.10 стр. 413) [3]:

мм

S=4мм

Проверочные расчеты для обечайки корпуса

Допускаемое давление в обечайке определяем по формуле:



Мн/м²

[P]=1,19 Мн/м²

условие прочности

1,19> 0,219 Мн/м² - условие прочности выполняется

Допускаемая осевая растягивающая сила

[F_p] > F_p - условие прочности соблюдается.

Так как проверочный расчет по всем нагрузкам удовлетворяет условиям прочности, окончательно принимаем исполнительную толщину стенки обечайки корпуса S = 4 мм.

Расчет элиптического днища

Для днища корпуса аппарата принят материал - сталь Ст3

Исполнительную толщину эллиптического днища корпуса аппарата примем из условия равной толщины свариваемых друг с другом оболочек:

При этом должны выполнятся условия: и

Допускаемое наружное давление для днища:

из условия прочности

из условия устойчивости в пределах упругости



где:

n_в = 2,6 - запас прочности (табл.14.6 стр. 405) [3];

= 210000 МПа - модуль упругости;

- коэффициент:

где при

с учётом обоих условий

Условие устойчивости днища:



условие выполняется

Допускаемое внутренне давление для эллиптического днища:

Условие выполняется

Элиптическое днище

По табл. 16.1 [3, стр. 4400] для D_в=700мм:

h_в=175мм;

s=4мм;

h=25мм;

V=54,5м³ - емкость днища;

m=18,6кг.

Расчёт отверстий в аппарате, штуцеров и выбор фланцев к ним.

Проходной диаметр штуцера для входа воды:



где: W₁ - скорость потока регенерирующего раствора, так как смесь поступает в смеситель самотеком, принимаем скорость равной 0.1 м/с; Q - объемный расход исходной смеси, м³/с. Q - неизвестна.

Объемный расход исходной смеси

где:

V = 150л - объем воды в аппарате;

ф - время наполнения аппарата в кг/м³, я хочу чтобы аппарат наполнялся не более 10мин.=600сек.

м³/с

Q=2,5*10^-4м³/с

м = 56мм;

Принимаем диаметр штуцера d₁ = 65 мм.

Т.к. диаметр штуцера пришлось увеличить до 65мм, то проход воды будет за 7,5мин.

Также нужно учесть ввод через этот штуцер щелочных стоков. Но так как трубопровод лучше не отсоединять от штуцера, делаем его двойным (тройник).

Проходной диаметр штуцера для выхода электролита:



где: W₁ - скорость потока регенерирующего раствора, так как смесь выходит из смесителя самотеком, принимаем скорость равной 0.1 м/с; Q2 - объемный расход электролита, м³/с.

Объемный расход электролита

V = 200л - объем воды в аппарате;

ф - время удаления из аппарата электролита в кг/м³, я хочу чтобы аппарат опустошался не более чем за10мин.=600сек.

м³/с

Q=3*10^-4м³/с

м = 62мм;

водоподготовка электролит ионитовый фильтр

Принимаем диаметр штуцера d₁ = 65 мм.

Фланцы для патрубков

Фланцы выполнены из стали Ст3

· Dф =D= 160 мм;

· Dб = D1=130 мм;

· D1 = D2=110 мм;

· dб = М12;

· z = 4;

· h =11мм;

· масса=1,39кг.



Проходной диаметр штуцера для входа сухого КОН:

где: W₁ - скорость потока сухого КОН, так как щелочь поступает в смеситель самотеком, принимаем скорость равной 0,1 м/с; Q - объемный расход исходной смеси, м³/с. Q - неизвестна.

Объемный расход исходной смеси

где:

V = 90кг=90/2=40,9л=0,041 м³ - объем КОН в аппарате;

ф - время наполнения аппарата в кг/м³, я хочу чтобы аппарат наполнялся не более 10мин.=600сек.



м³/с

Q=0,68*10^-4м³/с

м = 41мм

Принимаем диаметр штуцера d₁ = 41 мм., но обычно для засыпки сухих смесей берут отверстие больше (180мм).

Расчет плоской крышки.

Толщина плоской крышки:

где:

k = 0,4; Dр = Dб = 790мм (стр. 239; табл.33) [2]

ko - коэффициент ослабления для крышки:

;

где:

di - диаметр i-ого отверстия в крышке;



Принимаем S2=30мм

Расчет фланцевых соединений

Принимаем фланцевое соединение у которого уплотнительная поверхность - шип-пас.

D = 700 мм,

S₁ = 4 мм - толщина стенки обечайки,

Dб = 790 мм,

D2 = 757 мм,

D3 = 760 мм,

h = 30 мм.

m=31,2 кг.

Фланцевое соединение.корпуса

Принимаем материал фланцев - винипласт, как и для аппарата. для болтов - Cт3сп. Материал прокладки - паронит ГОСТ 481-58.

Выбираем d_s = 20 мм, болт М20

Расчетное растягивающее усилие в болтах:

а) при затяжке соединения:



=1,45-константа жесткости соединения (при плоской неметаллической прокладке), Р_с -расчетная сила от давления среды;

Р_с=

средний диаметр уплотнения,

D_н.п. - диаметр бурта,

D_н.п. = D_б. - l

l - нормативный параметр, l=20;

D_н.п. = 790-20=770мм

b - ширина прокладки, по табл. 20.5 3,стр.519 принимаем в=13 мм;

D_с.п =770-13=757 мм, тогда

Р'с -расчётная сила от давления среды

Р_n - расчетная сила осевого сжатия уплотняемых поверхностей в рабочих условиях, необходимая для обеспечения герметичности,



для обтюрации типа I-A (табл. 20.1), [3,стр. 513

k - коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки, по табл. 20.281, стр.513; k=2,5;

Р'п ?3,14*0,757*2,5 *0,08997=0,535 Мн;

М_и - изгибающий момент от действия внешних нагрузок, М_и=0.

Р'_б1 = 1,45*0,09+0,535 = 0,6655 Мн

Значение - должно быть не менее

q, где

q - удельная нагрузка по площади уплотнения, обеспечивающая герметичность, по табл. 20.28 [3,стр.528], q = 20МПа, тогда

Р'_б1 = 0,5*П*0,757*0,013*20 = 0,3Мн

Принимаем Р'б1 =0,3 Мн

б) при рабочих условиях:

Р'_б2 =Р'_с +Р'_п + 4*Ми/Dп = 0,09+0,535 = 0,625 Мн



Выбираем d'б = 20 мм.

Определение расчетного количества болтов Z:

а) исходя из затяжки соединения:

где

F_б=2,20*10^-4м² - площадь поперечного сечения болта по внутреннему диаметру резьбы, табл. 21.1 [3,стр.538]

Z' = 0,3/(164,2*0.00022)= 7,09

б) исходя из рабочих условий:

0,625/(164,2*0,00022)=14,77

принимаем Z=16

Расчетная длина болта

, где

l_бо - расстояние между опорными поверхностями головки болта и гайки при толщине прокладки h_п = 2 мм



Укрепление отверстий

Отверстия в оболочках аппарата, предназначенные для размещения штуцеров различного назначения и люка, снижают несущую способность корпуса и вызывают концентрацию напряжений вблизи края отверстия.

Укрепление отверстия в стенке аппарата (выход электролита)

Определение наибольшего диаметра отверстия d₀ (мм) в оболочке, не требующий дополнительного укрепления:

;

s = 0,004м;

сk = 0,001м;

По расчетам отверстие для выхода электролита не надо укреплять.

Укрепление отверстия в крышке аппарата.

Определение наибольшего диаметра отверстия d₀ (мм) в крышке, не требующий дополнительного укрепления:

S?2*S'2+Сk;

S = 30мм;

S'2 = 14,1мм;

Сk = 1мм;

30?2*14,1+1;

30?29,2;



По расчетам отверстие на крышке не надо укреплять.

Расчет рубашки аппарата с перемешивающим устройством.

Выбираем тип рубашки ( стр.240, табл 34) [2]:

Рубашка - гладкостенная

Dp = 800мм; (стр.485, табл 17.1) [3]:

F = 1,3 м²- поверхность теплообмена части аппарата, закрытого рубашкой;

H = 600мм

Материал рубашки - Ст3

Исполнительная толщина рубашки

а) цилиндрической обечайки рубашки:

где:

S_ЦР - расчётная толщина стенки цилиндрической части рубашки из условия прочности, м;

P_P =0,2 МПа расчётное внутреннее давление;

Dруб = 0,8м - внутренний диаметр рубашки;

= 146,2 Па допускаемое напряжение;

ц = 0,95 - коэффициент прочности сварного шва (табл.14.7 стр. 407) [3]

S_ЦР1 = 0,6+1=1,6мм

По табл. 17.1 [5], S_ЦР1 = 4 мм.

Принимаем: S_ЦР1 = 4 мм.



а) элептического днища рубашки:

S_эр - расчётная толщина стенки элептического днища рубашки из условия прочности, м;

P_P =0,2 МПа расчётное внутреннее давление;

Dруб = 0,8м - внутренний диаметр рубашки;

= 146,2 Па допускаемое напряжение;

ц = 0,95 - коэффициент прочности сварного шва (табл.14.7 стр. 407) [3]

S_ЦР1 = 0,6+1=1,6мм

По табл. 17.1 [5], S_ЦР1 = 6 мм.

Принимаем: S_ЦР1 = 6 мм.

Время охлаждения электролита технической водой

Найдем за какое время охладится наш электролит от t_нач(э)=96,43⁰С, до t_кон(э)=60⁰С, именно 60⁰С, т.к. температура электролита в электролизере должна быть не меньше 60-80 ⁰С, поэтому для уменьшения затрат электроэнергии для подогрева электролита до нужной температуры, мы сильно не охлаждаем электролит. Охлаждение происходит за счет холодной воды поступающей в рубашку с t_нач(в)=10⁰С, а температуру на выходе воды я возьму с t_кон(в)=30⁰С.

Расчёт проводится по [7] (стр. 152-200)

Итак, знаем, что коэффициент теплопроводности:



t_г = 96,43⁰С - температура горячей стороны стенки аппарата;

t_х =10⁰С - температура холодной стороны стенки аппарата;

К - коэффициент теплопередачи, Вт/м²*К;

? t_ср - средняя разность температур горячей и холодной стороны стенки, К:

r - термическое сопротивление стенки:

д = 0,004м - толщина стенки аппарата;

л =16,8 Вт/м*К - коэффициент теплопроводности стенки;

Из этого мы можем найти коэффициент теплопередачи:



Зная формулу:

F=1,3 м²

с_в = 4190 Дж/кг*К - теплоёмкость воды;

G_в - расход воды., кг/с.

с_э = 4190 Дж/кг*К - теплоёмкость электролита;

G_э - расход электролита., кг/ч.



Проходной диаметр штуцера для входа и выхода воды в рубашке:

где: W₁ - скорость потока воды, вода под напором, принимаем скорость равной 1 м/с; G = 5,7 м³/с объемный расход воды;

м = 30мм;

Принимаем диаметр штуцера d₁ = 32 мм.

Фланцы для патрубков

Фланцы выполнены из стали Ст3

· Dф =D= 120 мм;

· Dб = D1=90 мм;

· D1 = D2=70 мм;

· dб = М12;

· z = 4;

· h =10мм;

· масса=0,79кг.



Расчет рабочей мощности на валу перемешивающего устройства.

N - мощность, потребляемая на перемешивание среды, при установившемся режиме в аппарате без вспомогательных устройств, [Вт];

K₁ - коэффициент, учитывающий степень заполнения аппарата перемешиваемой средой;

K₂ - коэффициент, учитывающий увеличение потребляемой мощности при пуске или в результате повышения сопротивления среды в процессе перемешивания;

k - сумма коэффициентов, учитывающих увеличение мощности, вызываемое наличием в аппарате вспомогательных устройств

Н_ж. - высота перемешиваемой жидкой среды в аппарате, [м]



т.к. обычно применяемые для привода электродвигатели (типа АО) допускают перегрузку примерно на 30% в течении 1 -1,5 мин., увеличение потребляемой мощности при пуске компенсируется резервом мощности, обычно имеющимся у электродвигателя.

т.к. аппарат не имеет внутренних вспомогательных устройств:

Определим мощность, потребляемую на перемешивание среды, при установившемся режиме:

d_м - диаметр мешалки, [м];

n_м - число оборотов мешалки, ;

K_N - критерий мощности.

Расчет мощности, потребляемую на перемешивание среды, при установившемся режиме:

d_м - диаметр мешалки, [м];

n_м - число оборотов мешалки, ;

K_N - критерий мощности.



- диаметр мешалки

Максимальная вязкость перемешиваемой среды при

Окружная скорость мешалки:

Для лопастных мешалок скорость [стр.702, табл, 31.1 Лащ], исходя из перемешиваемой среды возьму минимальную скорость, т.е.

Определим оптимальное число оборотов мешалки:

Определим центробежный критерий Re_ц:



Определим критерий мощности K_N по графику в зависимости от Re_ц (кривая 1):

Тогда

Определим основные размеры (кроме размеров ступицы) лопастного перемешивающего устройства.

Определим ширину лопасти перемешивающего устройства:

Определим расчетный изгибающий момент в лопасти в месте соединения его со ступицей:



Определим расчетный момент сопротивления поперечного сечения лопасти в указанном месте (относительно нейтральной оси) при изгибе ее в направлении вращения:

Принимаем, что лопасть имеет тавровое сечение от ступицы до середины лопасти, т. е. на длине:

Определим расчетный изгибающий момент лопасти на конце таврового сечения:



Определим расчетный момент сопротивления данного сечения лопасти:

Определим расчетный момент сопротивления данного сечения лопасти:

Примем с учетом прибавки на коррозию и округление размера:

Примем толщину ребра в тавровом сечении:

Ступицы (из двух половин) лопастных, якорных и рамных перемешивающих устройств:

МН 5874 - 66



d	dс	hc	m	А	А1	bш	d + t1	dб	dм , [мм]
[мм]	Лопастные
	Нормальные
40	90	110	18	64	70	14	49,9	М12	?1000

Шпонки по ГОСТу 10748 - 68

Подбираем вертикальный привод механического перемешивающего устройства:

Номер:		МН 5858-66
Тип:		IV
Характерист ика привода:		с одной промежуточной опорой низкие, мотор - редуктором типа МПО2 и ВО электродвигателем серий АО2 и ВАО
Мощность, [кВт]		0,4 - 75
n, [с-1] ([об/мин])		0,08 - 3,00 (5 - 180)

Обозначение привода - 15

Привод 15-0,4-6,28 МН 5858 - 66

В комплект привода входят:

­ мотор - редуктор по МН 5534-64 или каталогу завода "Тамбовхиммаш";

­ муфта по МН 5871 - 66;

­ стойка

­ уплотнение по МН 5866 - 66 МН 5870 - 66;

­ вал перемешивающего устройства.

Обозначение привода	Типоразмер мотора - редуктора	dв	H	H1	Масса, [кг]	Р*, [Н]
		[мм]
15	I	40	1519	745	335	2450



Р^*- допускаемая осевая нагрузка на вал (воспринимается опорами выходного вала мотор - редуктора)

Валы мешалок

а) Расчёт на прочность:

Для обеспечения коррозионной стойкости вал и элементы мешалок изготавливаются из того же материала, что и корпус аппарата. Допускаемые напряжения [у] для материала вала и мешалки принимаются равными нормативным допускаемым напряжениям у*.

При работе вал мешалки испытывает, главным образом, кручение. Расчётный крутящий момент с учётом пусковых нагрузок определяется по формуле:

где Kд = 2 - коэффициент динамичности нагрузки;

Nм - мощность потребляемая мешалкой на перемешивание, Вт;

щ - угловая скорость вала мешалки, рад/с;

n - частота вращения вала мешалки, об/мин.

рад/с;



Полярный момент сопротивления сечения вала Wp (м³) в опасном сечении рассчитывается по формуле: