Реферат: 5. реакторы-котлы (аппараты с мешалками)

5. РЕАКТОРЫ-КОТЛЫ (АППАРАТЫ С МЕШАЛКАМИ).

Аппараты с механическими перемешивающими устройствами («реакторы-котлы», «аппараты с мешалками») – основной тип реакционного и массообменного оборудования во всех отраслях ТОС. Причина кроется в том, что это – наиболее многофункциональное оборудование, способное работать как в периодических, так и непрерывных процессах в весьма широком диапазоне условий эксплуатации. В настоящее время на реакторы-котлы приходится порядка 99% всего парка реакторов.

Вполне естественно, что данный тип аппаратуры будет рассмотрен наиболее подробно.

^ 5.1. ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО.

Общее устройство реактора-котла схематически изображено на рисунке 3.

Основные узлы (сборочные единицы) аппарата таковы.

Корпус I

Узлы корпуса

1. Стакан с цилиндрической обечайкой и днищем (эллиптическим, коническим, плоским, сферическим). Рабочая поверхность стакана может иметь внутреннее защитное антикоррозийное покрытие.

2. Штатное теплообменное устройство (гладкая рубашка).

3. Фланец.

4. Опоры: а) лапы или б) стойки.

5. Статическое внутреннее устройство (отражательная перегородка).

В стакане имеются штуцеры: М- переливной (для непрерывных процессов); Н – нижний спуск (существуют корпуса без нижнего спуска).

В рубашке имеются штуцеры: О и П – для подвода и отвода энергоносителя (врубашках аппаратов вместимостью

свыше 4 м3 имеется три штуцера)

Крышка II

6. Мембрана

7. Фланец (ответный к фланцу корпуса).

8. Узел уплотнения ввода вала («уплотнение»).

9. Рым или проушина – для монтажа и транспортировки аппарата.

В мембране имеются штуцеры:

А-К – для загрузки-выгрузки продуктов, подвода вакуума и инертных газов, для подключение датчиков КИПСА; Л – люк


Мешалка III (перемешивающее устройство на валу).

10. Вал

11. Активатор.

Привод IV

12. Электродвигатель.

13. Редуктор.

14. Стойка.

(Достаточно часто эти узлы соединяют в единый «мотор-редуктор»)


8. Съёмное внутреннее устройство (термопреобразователь).

Съёмные устройства, с помощью которых аппарат приспосабливают для работы в конкретном процессе, называют гарнитурой.

Кроме того, необходимо выделить ряд типовых устройств (узлов подключения), размещенных на основных сборочных единицах.

А. Люк (обеспечивает возможность загрузки сыпучих и кусковых материалов; отбора проб; визуального контроля и физического доступа внутрь аппарата).

Б. Штуцер (или бобышка)– специальный узел для подключения аппарата к внешним сетям; соединения с другими аппаратами и установки гарнитуры.

В. Нижний спуск.

Г. Штуцеры наружного штатного теплообменного устройства (рубашки).

Д. Рым - транспортно-монтажная проушина.

^ Основные размерения аппарата.

Здесь рассматриваются лишь те размерения (линейные и угловые параметры размера) аппарата, которые важны для технолога. Нужно отметить, что (удивительно, но факт) в отечественной нормативно-технической литературе – классификаторах и каталогах – отсутствует единая система обозначений (индексов) размерений аппаратов.

Единые принципы выработаны лишь в следующих отношениях.

1. Размеры основных устройств – неизменные для данной конструкции – обозначают прописными латинскими буквами с нижним цифровым индексом.

2. Размеры любых устройств – переменные для данной конструкции – обозначают строчными латинскими буквами с нижним цифровым индексом.

3. Штуцеры и бобышки обозначают прописными русскими буквами с нижним цифровым индексом.

В связи с этим предлагаемая в настоящем курсе система обозначений комбинирует воедино материалы каталогов на сварное и эмалированное оборудование с соблюдением изложенных общих принципов.

Н – габаритная высота аппарата, м;

Н0 – габаритная высота корпуса, м;

Н1 – полная внутренняя высота корпуса, м;

Н2 – внутренняя высота корпуса до фланца, м;

Н3 – внутренняя высота крышки до фланца, м;

Н4 – высота от среза нижнего спуска до нуля, м;

Н5 – высота штуцера до крышки, м;

Н6 – высота штуцера нижнего спуска, м;

h1 - высота от фланца до подошвы опоры-лапы, м;

h2 - высота от фланца до оси штуцера рубашки, м;

hМ - высота от среза нижнего спуска до мешалки, м;

lВН - длина внутреннего съёмного устройства, м;

D - внутренний диаметр корпуса, м;

D1 - внутренний диаметр рубашки, м;

D2 - диаметр осевой окружности штуцеров, м;

D3 - диаметр осевой окружности люка, м;

D4 - диаметр осевой окружности штуцеров, м;

dМ - диаметр мешалки, м;

dВ - диаметр вала мешалки, м;

L – размах (габаритная ширина) опор-лап, м;

S – толщина стенки, м;

S1 - толщина рубашки, м;

α – угол сектора расположения штуцеров.

Между многими из этих параметров существуют связи в размерных цепях.

Н = Н0 + Н6 = Н1 + Н3 + Н6 = Н2 + Н3 + Н4 + Н6 + 2S. (17)

Все вышеперечисленные размерения существенно важны для технолога, поскольку либо выражают габаритные и монтажно-присоединительные размеры аппарата, либо определяют симплексы геометрического подобия.


^ 5.2. НОРМАЛИЗОВАННЫЕ РЯДЫ РАЗМЕРОВ И РАСЧЁТНЫХ ДАВЛЕНИЙ

5.2.1. ВМЕСТИМОСТЬ

Во всём мире приняты стандартизованные (нормализованные) ряды размеров всего ёмкостного оборудования, в т.ч., реакторов. Ряды построены на модульном принципе роста вместимости (номинальное значение полного внутреннего объёма котла). В нашей стране этот принцип выражается соотношением вместимостей последующего и предыдущего размеров ряда как:

VI+1 : VI = 1,6000:1 или 1,5625:1 (18)

Отечественное машиностроение серийно выпускает аппараты двух основных рядов номинальной вместимости, м3.

1 Ряд: = 0,010; 0,016; 0,025; 0,040; 0,063; 0,100; 0,16; 0,25; 0,40; 0,63; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 10; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000.

^ 2 Ряд : = 0,20; (0,32); (0,50); (0,80); 1,25; 2,0; 3,2; 5,0; 8,0; 12,5; 20; 32; 50; 80; 125; 200; 320; 500.

Примечание: в скобки заключены типоразмеры аппаратов, снятые с крупносерийного производства, но изготавливаемые по заказу. Кроме того, по специальным заказам изготавливаются реакторы-котлы любой номинальной вместимостью.

Аппараты и сосуды вместимостью до 160 л относят к малогабаритным; вместимостью от 200 л до 5 м3 включительно – к среднегабаритным; вместимостью от 6,3 до 25 м3 включительно – к крупногабаритным; аппараты большей вместимости – сверхкрупные.


^ 5.2.2. РАСЧЁТНОЕ ДАВЛЕНИЕ

Расчётное давление – один из главнейших показателей прочности корпуса аппарата. По принятым в нашей стране нормам запас прочности для химической аппаратуры равен двум: т.е. расчётное давление в 2 раза превышает допустимое эксплуатационное.

Всего существует четыре ряда.

Аппараты, не нагруженные давлением - работающие под наливом.

Основной ряд сосудов и аппаратов. Расчётное давление Р= 0,6 МПа. Рабочее давление Р= 0,3 МПа.

Основной ряд сосудов и аппаратов. Расчётное давление Р= 1,6 МПа. Рабочее давление Р= 0,8 МПа.

Сосуды и аппараты высокого давления – ресиверы и автоклавы. Расчётное давление P> 1,6 МПа.

Граница расчётных давлений 1,6 МПа обусловлена тем, что для основных конструкционных материалов – сталей, титана – именно на этом рубеже в прочностных расчетах необходим переход от использования методов безмо-

ментной теории прочности к методам моментной теории прочности.

5.2.3. КОРПУСА.

Корпус аппарата-котла, его основной конструктивный узел – прочный сосуд, предназначенный для вмещения реакционной среды, стыковки всех других узлов и агрегатов аппарата.

Устройство корпусов аппаратов определяется рядом факторов.

Природой основного конструкционного материала.

Расчётным давлением.

Вместимостью аппарата.

Требованиями герметичности и чистоты.


5.2.4. УПЛОТНЕНИЯ.

Уплотнение: конструктивный узел, обеспечивающий герметизацию ввода вала мешалки внутрь полости котла.

В современных конструкциях реакторов-котлов применяются следующие основные типы уплотнений.

^ Таблица 1- Основные типы уплотнений реакторов-котлов

Тип

Рабочее давление, МПа

Температура,

ОС

Тип среды

Соответствие GMP

Негерметизироанное

Атмосферное

(-20)…100

Непожароопасная, не выделяющая газ

-

Манжетное одинарное

Манжетное двойное

-0,07…0,07

(-20)…150

Токсичная, пожароопасная, выделяющая газ, неабразивная

+

-0,09…0,14

Сальниковое

-0,09…0,6

(-50)…250

Токсичная, пожароопасная, не выделяющая газ, неабразивная

-

Торцовое одинарное

-0,099…2,5

(-70)…350

Любые

+

Торцовое двойное

-0,0999…10

Втулочное

-0,0999…10

(-70)…350

Любые

+

Магнитноэкранированное

-0,0999…10

(-120)…200

Любые

+

Магнитное муфтовое

-0,0999999…40

(-120)…400

Любые

+


^ Негерметизированные уплотнения обычно представляют собой просто подшипник скольжения, центрующий вал мешалки. Применяют их в аппаратах, работающих под наливом с непожароопасными средами.

^ Манжетные уплотнения. Очень просты по устройству. Способны работать в агрессивных, пожароопасных и токсичных средах, однако исключительно – неабразивных. Их применяют в аппаратах, работающих при неглубоком разрежении или незначительном давлении с неабразивными средами.

^ Сальниковые уплотнения – исторически первый тип истинно уплотняющих узлов. Они сравнительно просты по устройству и удобны в эксплуатации. Их основные недостатки: несоответствие GMP, ограниченное давление в аппарате и недопустимость использования в средах с токсичными газами. В настоящее время морально устарели. Аппараты современных конструкций практически не применяются.

^ Торцовые уплотнения – вероятно, наиболее распространённый тип уплотнений в современной химической аппаратуре. Несмотря на достаточно сложное устройство (и высокие требования к культуре монтажа и технического обслуживания оборудования) эти уплотнения обладают рядом важных достоинств. Они пригодны для работы в любых средах; в широком диапазоне температур; в вакууме и при давлениях до 100 атмосфер; с тихоходными и быстроходными мешалками. Кроме того, они полностью соответствуют GMP.

^ Втулочные уплотнения – по принципу действия сходны с торцовыми: герметизация осуществляется за счёт плотного прилегания гладких привалочных поверхностей вращающейся (на валу) и неподвижной детали. Такми деталямя во втулочных уплотнениях являются цилиндро-коническое утолщение на валу и такого же профиля ответная неподвижная втулка в уплотнительном узле. По герметизационным характеристикам примерно соответствуют торцовым, однако вследствие крайней жёсткости конструкции пригодны для тихоходных мешалок. Их применяют в основном в стеклянных, фарфоровых, керамических аппаратах, а также – в некоторых конструкциях автоклавов.

^ МАГНИТНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ – наиболее сложный по конструкции и наиболее эффективный вид уплотнений. Собственно говоря, это единственный вид не уплотняющих, а герметичных узлов (поскольку магнитное взаимодействие – единственный физический эффект, позволяющий создать бесконтактные механизмы). Магнитные узлы обеспечивают наилучшую герметизацию; отличаются сравнительно малым трением; пригодны для работы в любых средах; в широком диапазоне температур; в вакууме и при давлениях до 400 атмосфер; с тихоходными и быстроходными мешалками; полностью соответствуют GMP.

^ Магнитноэкранированные уплотнения (МЭУ) появились ещё в конце пятидесятых годов. Представляют собой экранированный электродвигатель. Ротор его контактирует с газовой фазой внутреннего объёма реактора; а от статора он изолирован прочным немагнитным экраном. Такая конструкция обеспечивает герметизацию и удобство управления двигателем (токового или частотного). Однако контакт с агрессивной средой корродирует электроведущие детали ротора. В настоящее время МЭУ используют в автоклавах; реакционный объём дополнительно изолируют мембраной.

^ Магнитные муфтовые уплотнения (муфты магнитные герметичные - ММГ) - появились в шестидесятых годах. Представляют аналог лабораторных магнитных мешалок. На валу привода установлена ведущая полумуфта; ведомая полумуфта, изолированная прочным немагнитным экраном, установлена на валу мешалки. В настоящее время получают всё более широкое применение.

В России нержавстальные и титановые реакторы и автоклавы типа РГМ с герметичными муфтами ММГ вмес-

тимостью от 10 л до 10 м3 серийно выпускает завод «Старорусхиммаш» РАН.

5.2.5. МЕШАЛКИ

Устройство для механической активации кругового течения жидкой среды, (собственно давшее название всему классу реакторов).

Всего известно более 20 типов конструкций мешалок. В России и СНГ 12 основных типов мешалок, применяемых в серийной химической аппаратуре, нормализованы ГОСТ 20680-80.

Мешалки классифицируют по двум основным признакам.

1. Конструктивное расположение лопастей: вертикальнолопастные и горизонтальнолопастные.

2. Скорость вращения: тихоходные [n0=(0,5…60) мин-1]; среднескоростные [n0=(60…120) мин-1]; быстроходные

[n0=(120…4500) мин-1].

^ Таблица 4 – Характеристики мешалок

Тип мешалки

Ř

ζM

n0 мин-1

Тип мешалки

Ř

ζM

n0 мин-1

Вертикальнолопастные

Горизонтальнолопастные

1. Якорная

скребковая

1,02..1,05

1,5..3

0,5-30

8. Шнековая

1,5..3

0,8..1,2

60…180

9. 6- Лопастная

2-4

1,1..3

60…180

2. Ленточная

скребковая

1,02..1,05

1,5..3

0,5-30

10. 8- Лопастная

2-4

1,3..1,6

60…180

11. Импеллерная

2-4

1,1..1,3

60…180

3. Грабельная

скребковая

1,02..1,05

5…8

0,5-30

12. Пропеллерная

2-4

0,56..

0,65

120…1500

4. Якорная

1,1..2

1,1..1,3

20..60

13. Турбинная открытая

2-4

8,4

120…1500

5. Рамная

1,1..2

1,1..1,3

20..60

13. Турбинная закрытая

2-4

8,4

120…1500

6. Грабельная

1,1..1,33

5..8

20..60

14. Дисковая

2-5

1,5

1500..4500

7. Листовая

1,2..2

2…4

20..60

15. Фрезерная

2-5

1,5

1500..4500

где Ř = D/dM – основной симплекс мешалки;

ζM – коэффициент сопротивления мешалки;

zM – число мешалок на валу.

Особое место занимают шнековые мешалки: их в принципе можно отнести и к вертикальнолопастным и к горизонтальнолопастным.

Как видно из таблицы, особенности устройства и скоростные параметры мешалок коррелируют.

1. Все вертикальнолопастные мешалки – тихоходные.

2. Шнековые, лопастные и импеллерные мешалки – среднескоростные.

3. Пропеллерные, турбинные, дисковые и фрезерные мешалки –быстроходные.


Быстроходные мешалки (пропеллерные, турбинные, дисковые, фрезерные; Ř >1,5) предназначены для перемешивания сред с вязкостью до 10 Па.с (турбинные – до 40 Па.с) в турбулентном режиме (Re=103…108). Как правило, обеспечивают высокую интенсивность перемешивания при меньших градиентах скорости течения среды. Аппараты с такими мешалками отличаются максимальной интенсивностью тепло- и массопереноса. Недостаток – максимальная необходимая мощность привода.

^ Среднескоростные горизонтальнолопастные мешалки (лопастные, шнековые, импеллерные; Ř >1,5) предназначены для перемешивания сред с вязкостью до 10 Па.с в турбулентном режиме (Re=103…107). Как правило, обеспечивают умереннную и довольно высокую интенсивность перемешивания при относительно меньших градиентах скорости течения среды. Энергопотребление – умеренное.

^ Тихоходные вертикальнолопастные мешалки (якорные, рамные, грабельные, листовые; 1,1Ř 1,5) предназначены для перемешивания сред с вязкостью до 40 Па.с как в ламинарном, так и в турбулентном режиме (Re=102…107). Как правило, обеспечивают умереннную и довольно высокую интенсивность перемешивания при меньших градиентах скорости течения среды. Энергопотребление – умеренное.

^ Тихоходные вертикальнолопастные мешалки скребкового типа (якорные, грабельные, листовые; 1,02Ř 1,05) предназначены для перемешивания высоковязких (до 1000 Па.с) сред, в т.ч. неньютоновых; как правило - в ламинарном режиме (Re=101…103). обеспечивают умереннную интенсивность перемешивания при меньших градиентах скорости течения среды. Энергопотребление – высокое, определяется вязкостью среды. Для обеспечения прочности и виброустойчивости мешалки этого класса опирают на подпятники (а не подвешивают консольно, как мешалки иных типов).


^ 5.3. ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО АППАРАТОВ РАЗНЫХ ТИПОВ.

5.3.1 ЧУГУННЫЕ АППАРАТЫ

Чугунные аппараты производят вместимостью от 10 до 2000 л. Расчётное давление 0,6 МПа; рабочие тем-пературы до 200 ОС. Аппараты имеют литые корпуса со съёмными крышками. Стаканы - с цилиндрической обе-чайкой и эллиптическим днищем (на заводах до сей поры можно найти старые аппараты со сферическим днищем). Крышки – сферические (радиус кривизны R1,5D). Штуцеры для подключения аппарата, нижние спуски и люки выполняют в виде цельнолитых утолщений-приливов; при этом оси – вертикальные, коллинеарные оси аппарата. Аппараты комплектуют, как правило, якорными или рамными мешалками. Основные типы уплотнений: сальниковые и торцовые. Практически единственный тип теплообменных устройств – гладкие рубашки; поскольку чугун не сваривается, рубашки делают съёмными, для крепления рубашки на корпусе имеется дополнительный фланец. Аппараты общего назначения в основном выполняют эмалированными; сульфураторы могут не иметь защитных покрытий.


^ 5.3.2 СТЕКЛЯННЫЕ, КЕРАМИЧЕСКИЕ И ФАРФОРОВЫЕ АППАРАТЫ

Аппараты из этих материалов относят к классу малогабаритных – их вместимость от 10 до 160 л. Расчётное давление 0,6 МПа; рабочие температуры до 200 ОС. Аппараты имеют литые корпуса со съёмными крышками. Стаканы - с цилиндрической обечайкой и эллиптическим или сферическим днищем; распространены также стаканы в виде усечённой сферы. Крышки – сферические или плоские; крышки скрепляют со стаканом струбцинами. Штуцеры для подключения аппарата, нижние спуски и люки выполняют в виде цельнолитых утолщений-приливов или в виде в виде цельнолитых патрубков с утолщениями-буртами; при этом оси – вертикальные, коллинеарные оси аппарата. Аппараты комплектуют, как правило, лопастными или якорными мешалками. Основные типы уплотнений: гидрозатворы и втулочные. Практически единственный тип теплообменных устройств – внутренние одно- многозаходные змеевики, которые впаивают в корпус или в крышку.