Материал: Розрахунок перемішуючого апарату для виробництва винної кислоти

Найбільш придатним матеріалом для виготовлення ємнісних частин апарату є сталь марки Ст.10. Вал МПП та саму мішалку можна виготовити із сталі Ст30 [14].

Оскільки середовище всередині апарату може бути агресивним, то металеві складові, що перебувають з ним у контакті слід вкрити емаллю [15].

4.      Технічна характеристика апарату із перемішуючим пристроєм

.        Апарат призначений для змішування хлориду кальцію виробництва винної кислоти.

.        Об’єм аппарату, м³                       16;

.        Робочий тиск , МПа                   

         в апараті                    атмосферний;

         в сорочці                        0,3;

.        Тип перемішуючого пристрою           лопатева мішалка;

.        Температура робочого середовища, °С

-     в апараті                     від 20 до 100;

-        в сорочці                        130;

.        Робоче середовище

-     в апараті                 розчин солі СаСl₂;

-        в сорочці водяна пара;

8.       Матеріал апарату сталь 12X18Н10Т ГОСТ 6533-78; сорочки сталь 12X18Н10Т ГОСТ 6533-78;

9.      Частота обертання мішалки, с^-1 0,66;

10.    Габаритні розміри, мм

- довжина                        2770;

- ширина                        2770;

- висота                          6010;

11.    Маса апарату, кг                     5873 кг.

5. Технологічний розрахунок

Метою розрахунку є визначення часу перемішування та потужності при правильному виборі перемішуючого пристрою.

Вихідні дані:

Розчин - СаС1_{2 .}

Номінальний об’єм апарату V_н =9,6 м³.

Змішувач обладнаний перемішуючим пристроєм та рубашкою.

Температура робочого середовища в змішувачі змінюється від 20⁰С до 100⁰С.

Нагрівання робочого розчину в змішувачі здійснюється шляхом подачі пари в сорочку з температурою θ_п=130⁰С.

Ступінь заповнення апарата φ = 0,5.

Вибір перемішуючого пристрою

Так як в’язкість даного розчину дорівнює 5,12·10^-4 Па·с, то для перемішування та розчинення кристалічних речовин найкраще обрати лопатеву мішалку [12].

Стандартні параметри лопатевої мішалки:

 ,

де  - діаметр мішалки.

Приймаємо співвідношення , тоді діаметр лопатевої мішалки дорівнює:

мм

Відповідно до ряду діаметрів стандартизованих мішалок МН 5874 - 66 приймаємо остаточно = 1600мм. Згідно МН 5874 - 66 приймаємо n= 0,66c^-1, де n - число обертів мішалки.

Розрахунок поверхні теплообміну F_т.

Повний об’єм апарату становить:

 ,

де - об’єм циліндричної частини апарата;

 - об’єм днища.

Обираємо  м³ за [6].

Об’єм циліндричної частини апарату становить:

 м³;

Знайдемо висоту циліндричної частини:

 м.

Площу поверхні теплообміну можна визначити за формулою

.

Тепловий розрахунок та визначення часу перемішування

Тепловий баланс

Теплоту для нагрівання розчину визначаємо за формулою:

де  - маса розчину в апараті;

 - теплоємність розчину,  Дж/кг·К

 - відносна різниця температур, ^оС.

Маса розчину в апараті становить:

 кг

Для визначення  розрахуємо  та :

;

;

де  - температура конденсації пари,  .

Якщо , то  ,

якщо , то .

Оскільки,  використовуємо першу формулу.

Визначаємо середній температурний напір:

Температура середовища становить:

Розраховуємо витрати теплоти на нагрівання розчину за формулою:

 кДж

де r - питома теплота пароутворення, r = 2179 кДж

Звідси

Для температури  методом апроксимування визначаємо фізико-хімічні властивості розчину [16]:

густина,  1062,256 кг/м³;

питома теплоємність,  = 3648,741Дж/(кг К);

теплопровідність, λ = 0,6507 Вт/(мК);

коефіцієнт динамічної в’язкості  = 5,12·10^-4 Па·с.

Розрахунок коефіцієнта теплопередачі

Коефіцієнт тепловіддачі в апараті з мішалкою і рубашкою розраховується за формулою:

де ;

 - частота обертання мішалки,;

 - діаметр мішалки;

 - коефіцієнт динамічної в’язкості рідини при температурі стінки рубашки; 

 - динамічний коефіцієнт в’язкості рідини при середній температурі середовища.

Для апаратів з рубашкою С =0,4, m = 0,67.

Оскільки температура стінки зі сторони розчину, поки що не відома, приймемо множник  рівним одиниці для потоків.

Розраховуємо коефіцієнт тепловіддачі від пари до стінки за формулою:

При цьому  приймаються при температурі плівки рідини , , r - при температурі насичення, Н - висота циліндричної частини апарату без рубашки.

Задаємося значенням , звідси:

Висота циліндричної частини корпусу без рубашки становить:

Н = 3,4 - 0,245 = 3,155м;

Визначимо фізико-хімічні властивості розчину методом апроксимації при 129  з [16]:

густина: ;

теплопровідність: λ = 0,686 , Вт/(мК);

коефіцієнт динамічної в’язкості:  , ;

питома теплота пароутворення при 130: , Дж/кг.

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі від пари до стінки, Вт/:

Визначемо коефіцієнт тепловіддачі від стінки до розчину.

Критерій Прандтля для розчину при 68,43⁰С:

.

Критерій Рейнольдса для розчину при 68,43⁰С:

Критерій Нусельта для розчину:

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до розчину Вт/(м²К):

.

Термічний опір стінки і забруднень [17]:

 /Вт.

Коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м² К):

Поверхнева густина теплового потоку, Вт/м²:

Визначимо наближене значення ,

Звідси

⁰С

Введемо поправку в коефіцієнт тепловіддачі, визначивши  при

Критерій Нуссельта для розчину:

Коефіцієнт тепловіддачі для розчину, Вт/(м²К):

Виправлені значння для К, ,  :