Машины и аппараты химических производств

Машины и аппараты химических производств

Курс лекций

Оглавление

1. Классификация химических машин и аппаратов. 2

2. Аппараты для перемешивания жидких сред. 2

3. Конструкции аппаратов. 4

4. Механические перемешивающие устройства. 5

5. Методика расчета перемешивающих устройств. 13

6. Приводы мешалок. 19

7. Уплотнения. 29

8. Фильтры. Классификация неоднородных систем. 42

9. Фильтры для разделения суспензий. 42

10. Классификация фильтров. 44

11. Типовые конструкции. 44

12. Центрифуги. 56

13. Классификация центрифуг. 57

14. Способы выгрузки осадка из роторов центрифуг. 59

15. Конструкции центрифуг. 67

16. Методика расчета. 74

17. Основные положения расчета на прочность роторов центрифуг. 82

18. Критическая скорость валов. 86

19. Трубопроводные системы. Классификация технологических трубопроводных систем 90

20. Запорная арматура. 94

21. Краны.. 95

22. Вентили. 101

23. Задвижки. 106

24. Реакторы химической промышленности. 109

25. Классификация химических реакций. 110

26. Классификация реакторов. 110

27. Аппараты идеального вытеснения, идеального смешения и промежуточного типа 112

28. Реакторы для проведения гомогенных реакций в газовой фазе. 114

29. Реакторы для системы жидкость - жидкость. 117

30. Червячные машины. Назначение и классификация. 120

31. Схема червячной машины.. 120

32. Теоретические основы переработки материала не червячных машинах. 122

33. Валковые машины.. 127

34. Конструкция валковых машин. 128

35. Основные детали и узлы валковых машин. 131

 

 

Основные понятия и определения

Машиной - называется устройство для переработки материала, причем, материал может изменить форму, размеры, но не меняет химического состава.

Аппаратом - называется устройство для переработки материала, при этом материал меняет свои физико-механические свойства.

 

Классификация химических машин и аппаратов

Классификацией называется логическая операция, состоящая в разделении множества предметов по обнаруженным сходствам на отдельные группы. Классификация машин и аппаратов осуществляется для упорядочения номенклатур и специализации заводов химического машиностроения. В качестве примера можно привести укрупненную классификацию химического оборудования, включающую 20 групп. При этом было выделено 15 групп оборудования по химическому процессу:

1. Аппараты емкостного типа с перемешивающими устройствами

2. Аппараты емкостного типа с неподвижными устройствами

3. Фильтры

4. Центрифуги

5. Жидкостные сепараторы

6. Кристаллизаторы

7. Грануляторы

8. Теплообменные аппараты

9. Выпарные аппараты

10. Колонные аппараты

11. Сушильные аппараты

12. Аппараты с вращающимися барабанами для обжига, сушки и кристаллизации

13. Электролизеры

14. Краскотерочные машины

15 Промышленные печи

 

Три группы по специфическим качествам самой аппаратуры:

1. Аппараты высокого давления (Р.>64 кг/см²)

2. Эмалированная аппаратура

3. Аппараты из неметаллических материалов

 

Конструкции аппаратов

Выбор аппаратов с перемешивающими устройствами и конструктивные особенности аппаратов определяются характеристикой процесса, свойствами перемешиваемой среды, производительностью технологической линии, температурными параметрами процесса и давлением, при котором процесс осуществляется. Такое многообразие факторов, влияющих на выбор конструкции, затрудняет задачу оптимального проектирования аппаратов.

Основные процессы химической технологии, для осуществления которых используются аппараты с мешалками, проводятся, как правило, в жидкой неоднородной среде. Под жидкой неоднородной средой понимается одно- или многокомпонентная среда с неравномерной концентрацией или температурой, а также жидкая неоднородная система, состоящая из дисперсной фазы, распределенной в жидкой среде.

В практике наибольшее распространение получил механический метод перемешивания жидких сред, осуществляемый путем механического воздействия рабочего органа (мешалки) на рабочую среду.

Этот метод перемешивания используется в аппарате, состоящем, как правило, из корпуса, перемешивающего устройства и его привода.

Наиболее важное значение в работе аппарата имеет тип и конструкция перемешиваемого устройства, работа которого заключается в превращении упорядоченной механической энергии вращающихся элементов в неупорядоченную тепловую энергию за счет сил сопротивления, создаваемых корпусом аппарата. В результате этого перемешивающее устройство осуществляет диссипацию энергии в объеме аппарата, величина которой зависит как от конструкции мешалки и характеристики привода, так и от конструкции аппарата и его внутренних устройств. Все эти характеристики аппарата в совокупности определяют мощность перемешивания N. Мерой мощности перемешивания может также служить объемная мощность, характеризующая диссипацию в аппарате:

, (1.1)

Где V_ж - объем перемешиваемой жидкости, равный при коэффициенте заполнения аппарате j =1,0 объему аппарата V (под коэффициентом j в данном случае понимается отношение V_ж/V).

В аппарате любого объема в зависимости от частоты вращения n имеют место различные гидродинамические режимы движения жидкости, определяющие величину Е. Области работы аппаратов поэтому могут быть охарактеризованы мерой этой величины – критерием мощности K_n,который определяют по формуле:

, (1.2)

где r - плотность перемешиваемой среды, ; d – диаметр мешалки, м, n- число оборотов мешалки, c^-1.

Для аппаратов всех типов значение K_n определяется, в первую очередь, центробежным критерием Рейнольдса Re_ц, поскольку:

, (1.3)

При этом:

, (1.4)

Где m - динамический коэффициент вязкости.

Зависимость (1.3) характеризует наиболее общие закономерности движения жидкости в аппарате.

Приводы мешалок

Тихоходные мешалки – лопастные, якорные и т. п. – обычно приводятся во вращение от индивидуального электродвигателя через зубчатую передачу.

Приводы обычно устанавливают на крышках аппаратов, в которых мешалка работает, иногда на балках или рамах, укрепленных на крыше. Если вал длинный, то на днище сосуда монтируется дополнительная опора. В современных конструкциях привод обычно осуществляется непосредственно от электродвигателя, через редуктор.

Для комбинированных мешалок применяются приводы типа, изображенного на рисунке 14.

Рисунок 14 - Привод комбинированной мешалки.

 

От вала 1 вращение передается через две конические зубчатые передачи: через колеса 3 и 5 в одном направлении и через колеса 2 и 4 в обратном направлении. Если передаточные числа обеих пар одинаковы, то валы колес 4 и 5 будут вращаться с одинаковой скоростью, но в разные стороны.

Если комбинированная мешалка состоит из тихоходной и быстроходной мешалок, ставятся два независимых привода. Якорная мешалка приводится во вращение от электродвигателя через пару конических колес, а турбинная – от своего электродвигателя (валы соединены муфтам).

Если места на крышке сосуда или над ней недостаточно, привод располагают под сосудом, что, однако требует установки хорошего сальникового уплотнения.

Приводы пропеллерных мешалок чаще всего осуществляются в зависимости от скорости вращения: 1.от электродвигателя, непосредственно связанного с валом мешалки; 2.от электродвигателя через шестеренчатую передачу; 3.от электродвигателя со встроенным редуктором; 4.от электродвигателя через клиноременную передачу.

Пример привода первого типа для стационарных пропеллеров показан на рисунке 15.

Применяются также электродвигатели с регулируемым числом оборотов, что делает мешалку более универсальной, в тех случаях, когда в процессе перемешивания резко изменяется вязкость системы. Для вертикальных стационарных пропеллеров, при обычных на практике диаметрах и скоростях вращения валов, считают допустимой длину вала до 1,8 м. Если необходимо иметь большую длину, то принимают следующие меры: 1. Устанавливают стабилизаторы в виде наваренных на лопасти пропеллера крылышек (рисунок 16а) или в виде широкого кольца со спицами, укрепляемого на конце вала (рисунок 16б). 2. Устанавливают концевые подшипники, монтируемые на днище сосуда, как это показано на рисунок 17а и б. 3. Устанавливают дополнительный подшипник в приводе (рисунок 18а, или дополнительный вынесенный подшипник (рисунок 18в).

Рисунок 15 - Привод пропеллерной мешалки.

 

 

Рисунок 16 - Приспособления для снижения амплитуды колебаний вала мешалки.	Рисунок 17 - Концевые подшипники мешалок.

Рисунок 18 - Дополнительные подшипники в приводах мешалок.

Для уменьшения длины вала прибегают к установке привода под сосудом. Более короткие валы имеют также боковые мешалки, привод которых устанавливается или на вертикальной стенке сосуда, или на днище в случае горизонтальных сосудов.

Стойки отливают из чугуна или сваривают из углеродистой стали. Они представляют собой цилиндры или усеченные конусы, снабженные верхним и нижним присоединительными фланцами. В обечайке стоек имеются вырезы для удобства монтажа и демонтажа.

в приводах концевые опоры служат для подвижного закрепления нижнего конца вала перемешивающего органа. Опоры состоят (рисунок 19) из стойки 1, к которой болтами 7 прикреплен подшипник 2, в нем закреплена штифтами 5 неподвижная втулка 4. На нижнем конце вала закреплена болтом 6 подвижная втулка 3, которая вращается вместе с валом внутри неподвижной втулки 4.

Втулки изготавливают из чугуна, графита, капрона, текстолита или фторопласта-4, остальные детали из углеродистой стали для нейтральных сред или из коррозионно-стойких материалов для агрессивных сред. С точки зрения распределения нагрузок наиболее рациональны приводы с концевыми подшипниками, однако, во многих случаях из-за коррозионного или абразивного действия среды их нельзя устанавливать. Концевые подшипники в аппарате работают в очень тяжелых условиях: их невозможно смазывать, они плохо

1- стойка; 2- подшипник; 3- подвижная втулка; 4- неподвижная втулка; 5- штифты; 6,7- болты Рисунок 19 - Опоры концевые внутренние для вертикальных валов перемешивающих устройств.

доступны для осмотра и ремонта. Конструкция подшипника должна обеспечивать свободную циркуляцию жидкости через него. На рисунке 20а показан типовой концевой подшипник (подпятник). Подпятник, показанный на рисунке 20б применяется для футерованных аппаратов. Коническое основание этого подпятника обеспечивает ему высокую жесткость и предохраняет футеровку вблизи подпятника от разрушения.

 

а)

б)

а) типовая конструкция; б) подпятник для футерованных аппаратов

Рисунок 20 - Концевые подшипники.

 

При работе мешалки без концевого подшипника возможно появление крутильных колебаний консольного вала мешалки, являющихся следствием динамических нагрузок на вал от перемешиваемой среды, условий закрепления вала в опорах, конструкции мешалки. При неправильном учете в процессе конструирования таких важных критериев надежности, как жесткость и виброустойчивость, эксплуатация аппаратов с мешалками встречает ряд затруднений. Если вал с мешалкой не отбалансирован и в его подшипниковых опорах имеется люфт d, то возможно отклонение нижнего конца вала на величину s. Схема отклонения вала с двумя подшипниковыми опорами изображена на рисунок 22.

1- редуктор; 2- продольно-разъемная муфта; 3- стойка привода; 4- уплотнение; 5- опора привода; 6- маслоуловитель; 7- вал; 8- концевой подшипник Рисунок 21 - Привод.	Рисунок 22 - Схема колебаний вала.

 

Из подобия треугольников (рисунок 22) получаем соотношение:

, (1.37)

, (1.38)

Т.е. колебания вала зависит от величины люфта d и отношения L/ l.

Если люфт устранить полностью, то величину отношения L/ l можно ограничить. Для надежной работы консольного вала мешалки рекомендуется L/ l 4. Для уменьшения крутильных колебаний вала после крепления мешалки он должен быть статически отбалансирован. При опасности возникновения крутильных колебаний, которые ведут к нарушению работы сальника, или при больших значениях L/ l необходима установка концевого подшипника.

Крутильные колебания вызывают повышенный износ подшипников и сальника. Концевой подшипник устраняет крутильные колебания, улучшая работу сальника и подшипниковых опор. Хотя концевой подшипник работает в агрессивной среде, применение его для нормальной работы аппарата необходимо при большой длине или высокой частоте вращения вала.

Для обеспечения соосности обеих втулок (рисунок 19) может применяться концевой подшипник (рисунок 23), в котором обойма невращающейся втулки имеет шаровую поверхность, что дает возможность устанавливать ось этой втулки в нужном направлении.

1- вал; 2- вращающаяся втулка; 3- невращающаяся текстолитовая втулка; 4- обойма.

Рисунок 23 - Концевой подшипник с шаровой обоймой

 

Крепление мешалок. В простейших конструкциях лопасти приваривают непосредственно к валу. Однако, элементы крепятся на валу с помощью разъемных соединений. Обычно мешалка состоит из ступицы, к которой привариваются лопасти. Ступица крепится на валу с помощью шпонки и стопорных устройств, препятствующих осевому смещению. В случае установки мешалки в середине вала ее закрепляют стопорным винтом (рисунок 24а), при установке на конце вала – концевой гайкой (рисунок 24б) или с помощью двух полуколец, которые закладываются в кольцевую выточку на валу (рисунок 24.в).

а) стопорным винтом; б) концевой гайкой; в) полукольцами

Рисунок 24 - Способы крепления мешалок на валу.

 

При конструировании мешалок необходимо учитывать условия их монтажа. Мешалки небольших аппаратов (диаметром 1,2 м и менее) обычно собираются совместно с крышкой и вместе с ней устанавливаются в аппарат. Они должны иметь минимум разъемных соединений. Мешалки для крупногабаритных аппаратов целесообразно делать разъемными из частей таких размеров, которые можно пронести через лаз аппарата. Это дает возможность разбирать мешалку при ремонтных и монтажных работах, не снимая крышку и привод. В цельносварных аппаратах мешалка обязательна должна быть разборной.

Муфты служат для соединения вала привода с валом мешалки. Применяют в основном нормализованные муфты двух типов – продольно-разъемные и зубчатые.

1- корпус; 2- накидные фланцы; 3- разрезное кольцо; 4- пружины; 5- болты Рисунок 25 - Продольно- разъемная муфта.

1- обойма зубчатая; 2- втулка зубчатая; 3- крышка; 4- уплотнение; 5- масленка Рисунок 26 - Муфты зубчатые для соединения вертикальных валов приводов перемешивающих устройств.

 

Продольно-разъемные муфты применяют для жесткого соединения выходного вала редуктора (мотор-редуктор) с валом перемешивающего устройства с промежуточным валом при любом числе промежуточных опор. Муфта состоит (рисунок 25) из корпуса 1 (образующегося двумя половинами), накидных фланцев 2 и шпилек 5 с шайбами и гайками. Соединяемые концы валов имеют кольцевые проточки, на которые надето разрезное кольцо 3, половинки его скрепляются двумя пружинами 4. Сверху надеты на шпонке половины корпуса, после затяжки шпилек фланцев получается жесткое соосное соединение валов.

Зубчатые муфты применяют для соединения выходных валов мотор-редуктора и электродвигателя (гидромотора) с промежуточным валом при двух промежуточных опорах. Муфта состоит (рисунок 26) из зубчатой обоймы 1, укрепленной шпонкой на валу мотор-редуктора, и зубчатой втулки 2, сидящей на шпонке на промежуточном валу. Зубья втулки входят во впадины обоймы. Муфта передает крутящий момент, но не соединяет валы жестко по оси.

Уплотнения

 

Для создания герметичности между неподвижным корпусом аппарата и вращающимся валом служит уплотнение. В зависимости от физико-химических характеристик и параметров рабочих сред, а также требований производственной санитарии, техники безопасности и пожароопасности аппараты для перемешивания жидких сред комплектуются сальниковыми или торцевыми уплотнениями, гидрозатворами или имеют герметичный привод.

Сальниковое уплотнение состоит из корпуса, грундбуксы, нажимной втулки, сальниковой и стягивающих шпилек (рисунок 27). Уплотнение достигается прижатием сальниковой набивки к вращающемуся валу. Между валом о грундбуксой остается зазор 0,5 - 0,75 мм, а между валом и нажимной втулкой – несколько – больший зазор (1 - 1,5 мм). Эти зазоры устраняют возможность износа вала в указанных местах. Для изготовления грундбуксы и нажимной втулки используется чугун. При отсутствии зазора между валом и грундбуксой последняя должна изготовляться из бронзы.

 

1 - корпус; 2- нажимная втулка; 3- набивка; 4 - упорное кольцо (грундбукса).

Рисунок 27 - Сальник.

 

В некоторых случаях сальниковое устройство одновременно является опорой для вала (подшипником скольжения). Тогда зазор между валом и нажимной втулкой делается минимальным, т.е. на посадке скольжения. Нажимная втулка снабжается устройством для подачи и распределения смазки и изготовляется из бронзы или снабжается бронзовым вкладышем.

Cальник (рисунок 28) в середине слоя сальниковой набивки имеет сальниковое кольцо, которое обеспечивает равномерный подвод смазки по всему периметру вала в середину набивки. Для отвода тепла сальник снабжается охлаждающей рубашкой.

1 - корпус; 2- рубашка; 3- нажимная втулка; 4- набивка; 5- смазочное кольцо; 6- упорное кольцо (грундбукса).

Рисунок 28 - сальник со смазывающим кольцом.

 

В качестве сальниковых набивок чаще всего применяются хлопчатобумажные, пеньковые и асбестовые материалы.

Ниже приведены предельные температуры, при которых могут использоваться набивки.

 

Таблица 1.2 - Предельные температуры для сальниковых набивок.

Материал набивки	Предельная температура ° С
Асбестовая набивка: Маслобензостойкая Пропитанная Сухая
Асбестопроволочная набивка
Пеньковая просаленная набивка
Хлопчатобумажная просаленная набивка
Фторопласт

Перечисленные набивки могут применяться при давлениях 0,6-4 Мпа в зависимости от температуры и используемого пропитывающего состава. Пропитка служит для улучшения герметизации и снижения коэффициента трения набивки о вал. Для пропитки набивок применяют сало, парафин, битум, графит, жидкое стекло, тавот, вискозин и т.п.

Из указанных выше набивок следует отметить фторопласт. Он имеет малый коэффициент трения, поэтому срок его службы в несколько десятков раз больше, чем у остальных материалов. Этому способствует также его высокая химическая стойкость. Недостатки фторопласта – сравнительно высокая твердость (что требует больших усилий при затяжке сальника) и высокая стоимость. Эти недостатки устраняются в набивке из асбестового шнура, пропитанного фторопластовой суспензией.

При высоких температурах (t > 300° С) используются сухие набивки. Наиболее распространенная сухая набивка марки АГ-50 состоит из 50% графита, 45% длинноволокнистого асбеста и 5% алюминиевой пудры. Утечка уплотняемой среды в сухих набивках происходит вследствие их пористости. Даже при высоких давлениях прессования набивки (30 - 60 МПа) она остается пористой, так как составляющие её компоненты – асбест и графит – являются пористыми телами.

Сальниковые уплотнения применяют в аппаратах, работающих при давлениях до 0,1 МПа и температуре до 70°. Их нельзя применять при вакууме, переработке в аппаратах ядовитых и взрывоопасных сред. Скорость вала – от 5 до 320 об/мин.

Для нормальной работы сальника необходимо, чтобы усилие прижатия нижних слоев к валу равнялось давлению среды. Усилие прижатия набивки к валу действует в радиальном направлении, тогда как поджим набивки нажимной втулкой производится в осевом направлении. Схема работы сальника изображена на рисунке 29. Если бы набивной служила идеальная жидкость, то осевое и радиальное усилие были бы равны (Р_х = Р_у) во всех её участках. Однако, поскольку набивка является деформируемым твердым телом, то Р_х <= Р_у и, кроме того, сила прижатия набивки к валу будет изменяться по высоте сальниковой камеры вследствие трения набивки о вал и корпус при её деформации, т.е. при сжатии.

1 - вал; 2 - нажимная втулка; 3- корпус.

Рисунок 29 - Схема распределения усилий в сальнике.

 

Связь осевого и радиального усилий можно выразить зависимостью:

, (1.39)

Величина m зависит от материала набивки, давления и лругих факторов и изменяется в пределах от 1,5 до 5.

Закон изменения осевой силы по высоте сальника можно представить следующим образом:

, (1.40)

Где S=(D-d)/2; f=m _ТР/m; m _ТР – коэффициент трения набивки о вал и корпус сальника.

В нижней части при у=0 справедливо равенство Р_у=Р₀, а верхней при y=h – равенство Р_у=Р₀ ехр(2 f h/S). Величина осевого усилия в верхней части позволяет по площади сечения набивки определить усилие затяга и рассчитать стяжные шпильки.

При совместном решении уравнений (1.39) и (1.40) получим закон изменения радиальной силы по высоте набивки, т.е. силы прижатия набивки к валу:

, (1.41)

Эпюра изменения силы прижатия набивки к валу изображена на рисунке 29. При удалении от нажимной втулки эта сила уменьшается. При большой высоте сальниковой набивки уменьшение радиальной силы будет значительным. Эффективное перераспределение радиальной силы может быть достигнуто в конструкции двойного сальника, однако, двойной сальник применения не находит, так как его эксплуатация очень сложна.

Если бы набивка являлась абсолютно твердым телом, то в противоположность допущению об идеальной жидкости, прижатие набивки к валу должно полностью отсутствовать. Для деформируемого твердого тела усилие прижатия набивки к валу будет составлять некоторую часть от осевого усилия. Увеличение силы прижатия можно достигнуть конструктивным приемом – изготовление колец уплотнительной набивки с конусными поверхностями. Для реальных набивок этот прием широко используется.

Определим мощность, теряемую на трение в сальнике. Для элемента набивки высотой dy сила трения равна:

, (1.42)

После подстановки значения Р_х из уравнения (1.41) и интегрирования в пределах от 0 до h получаем:

, (1.43)

С учетом f=m _тр/m имеем:

, (1.44)

Мощность теряемая на трение, будет равна:

, (1.45)

, (1.46)

Коэффициент трения f при вращении вала имеет меньшее значение, чем при неподвижном вале, кроме того, он изменяется при изменении давления. Учесть все это для разнообразных набивок при использовании уравнения (1.45) сложно, поэтому переходят к эмпирической зависимости (1.46), которая для практических расчетов принимает вид:

, (1.47)

 

Таблица 1.3 - Влияние геометрических размеров сальниковой набивки на потери мощности.

Геометрические раз- меры сальниковой набивки, h/S
Значения коэффици- ента, К	0,65	0,83	1,02	1,24	1,58	1,70	2,34

Ширина сальниковой набивки S,мм определяется по диаметру вала:

, (1.48)

Торцевое уплотнение. В этом уплотнении герметичность достигается за счет плотного поджатия по торцевым плоскостям двух деталей – вращающейся и неподвижной. Герметичность в таком соединении может быть достигнута только при высоком качестве обработке прилегающих поверхностей. Неровности 1мкм нарушают нормальную работу торцевого уплотнения. Поверхности трения подвергаются шлифовке и притирке, и имеют высокую чистоту обработки (№ 10 - № 12), они могут быть плоскими, сферическими или конусными. Плоские поверхности применяются чаще, т.к. при доводке легче получить хорошую чистоту поверхности трения, ширина кольцевой поверхности трения не должна быть большой (меньше 6 - 8 мм).

В химической промышленности торцевые уплотнения применяются не только для реакторов, но и для центробежных насосов. Торцевое уплотнение для герметизации аппаратов представлено на рисунке 30. Кольцо 2 получает вращение от вала через водило 4, состоящее из двух половинок, стягивающих вал, и через шпильки 3. Неподвижное кольцо 7 соединено с сильфоном. Тяги 6 с пружиной дают возможность регулировать силу поджатия колец 2 и 7, сильфон 8 позволяет компенсировать биение вала.

1 - корпус; 2 - вращающееся кольцо; 3 - шпилька; 4 - водило; 5 - пружина; 6 - тяга; 7 - неподвижное кольцо; 8 - сильфон.

Рисунок 30 - Торцевое уплотнение.

 

уплотнение (рисунок 30) работает при давлении 2* 10³ - 1,6* 10⁶ Па, температуре до 250 ° С и частоте вращения до 10 с^-1.

Достоинства – меньшие утечки, чем в сальнике, так как при работе под вакуумом подсос воздуха отсутствует, потери мощности составляют десятые доли потерь мощности на трение в сальнике, не требуется обслуживания, что объясняется большой износостойкостью пары трения (а следовательно, долговечностью) и хорошей работой при биениях вала.

Недостатки – высокая стоимость и сложность ремонта.

Основным узлом торцевого уплотнения является пара трения. Материал, из которого она изготовлена, должен обладать износостойкостью и малым коэффициентом трения. Используются следующие материалы: кислостойкая сталь – одно кольцо; углеграфит, бронза или фторопласт – другое кольцо. Фторопласт применяется только в случае небольших давлений и при невысоких скоростях пары трения, так как он обладает хладотекучестью. По конструкции торцевое уплотнение может быть внутренним и внешним, одинарным и двойным. Уплотнение, изображенное на рисунке 30, является внешним.

У внутреннего уплотнения вращающееся кольцо и нажимные пружины расположены внутри аппарата в рабочей среде. Двойное уплотнение имеет две пары трения и практически представляет собой два последовательных одинарных уплотнения. В двойном уплотнении между двумя парами трения помещается запирающая среда, предотвращающая утечки и отводящая тепло трения.

В химической промышленности наиболее распространенными являются следующие типы торцевых уплотнений: а) двойное торцевое уплотнение типа ТД (левая часть рисунок 31), предназначенное для герметизации валов аппаратов для перемешивания взрывоопасных, токсичных, пожароопасных, ядовитых и подобных им сред при давлениях до 0,6 МПа (тип ТД-6) и при давлениях до 3,2 МПа (тип ТД-32); б) двойное торцевое уплотнение ТДП (правая часть рисунок 31) с встроенным подшипником, предназначенное для герметизации валов аппаратов для перемешивания взрывоопасных, токсичных, ядовитых и подобных им сред; в) торцевое уплотнение типа ТСК, в котором использован сильфон из стали 12Х18Н10Т (рисунок 32), предназначенное для герметизации валов аппаратов для перемешивания взрывоопасных, токсичных и ядовитых сред, находящихся под давлением.

1 - неподвижные уплотнительные кольца; 2 - подвижные уплотнительные кольца; 3 - пружина; 4 - корпус; 5 - встроенный опорный подшипник.

Рисунок 31 - Двойное торцевое уплотнение типа ТД (левая часть рисунка) и типа ТДП (правая часть рисунка).

 

Данные торцевые уплотнения применяют в аппаратах, работающих при избыточном давлении до 1,6 МПа или остаточном давлении не менее 0,0027 МПа и температуре от -20 до +50 ° С.

Конструкция торцевого уплотнения (рисунок 32.), состоящая из под- вижного кольца 5, закрепленного на валу с помощью водила 2, и неподвижного кольца 6, плотно прижимаемого торцевой поверхностью к неподвижному кольцу пружинами 4 и гайками 3. Неподвижное кольцо 6 соединено болтами 10 с узлом сильфона 7. Корпус 8 закрыт сверху крышкой 1 и прикреплен фланцами и болтами 9 к крышке аппарата.

1 - крышка; 2 - пружина; 3 - подвижное кольцо; 4 - неподвижное кольцо; 5 - сильфон; 6 - корпус; 7 - болт.

Рисунок 32 - Торцевое уплотнение типа ТСК.

 

Сильфон представляет собой тонкостенную трубку с гофрированной поверхностью.

Смазку трущихся колец и охлаждение производят проточной водой, циркулирующей в полости крышки. Вода, попавшая через уплотнительную поверхность, собирается в нижней части корпуса, называемой уловителем, и выводится через штуцер. Неподвижные и подвижные кольца (пары трения) изготовляют из углеграфита, сталей 12Х18Н10Т, 40Х13, 95Х18, сплавов хостеллой Д или ситаллов.

Рассмотрим работу торцевого уплотнения (рисунок 33).

Рисунок 33 - Движение среды в зазоре между кольцами торцевого уплотнения

 

Движение среды в зазоре между кольцами в цилиндрических координатах описывается уравнением:

, (1.49)

Так как уплотнение имеет осевую симметрию, то и , а поскольку в зазоре давление изменяется только в радиальном направлении, то .

После упрощения уравнение (1.49) примет вид:

, (1.50)

Поскольку ширина поверхности соприкосновения колец в торцевом уплотнении невелика, то можно принять:

, (1.51)

Теперь уравнение движения среды запишется следующим образом:

, (1.52)

Исходя из схемы движения среды в зазоре между кольцами, изображенной на рисунке 33, граничные условия для уравнения (1.52):

при , (1.53)

при ,

Интегрирование уравнения (1.52) дает:

, (1.54)

Используя граничные условия (1.53), получаем по уравнению (1.54):

, (1.55)

, (1.56)

из которых находим

; , (1.57)

С учетом постоянных с₁ и с₂ решение примет вид:

, (1.58)

Величина утечки на единице длины уплотнения составит:

, (1.59)

На всем периметре уплотнения величина утечки будет равна:

, (1.60)

Преобразуем уравнение (1.60):

, (1.61)

Граничные условия для уравнения (1.61) с использованием схемы движения среды в зазоре пары трения рисунок 33:

при , (1.62)

при ,

После интегрирования получаем:

, (1.63)

Отсюда найдем величину утечек среды в торцевом уплотнении:

, (1.64)

Таким образом, на величину утечки наиболее сильное влияние оказывает величина зазора между кольцами торцевого уплотнения. В уравнениях (1.60) и (1.64) эта величина входит в третьей степени, поэтому для нормальной работы уплотнения зазор между кольцами должен быть доведен до минимума. Этого удается достичь шлифовкой и притиркой колец. Величина зазора составляет от долей микрона до нескольких микрон.

В торцевом уплотнении одно из колец вращается, поэтому кроме сил давления и трения на величину утечек оказывает влияние сила инерции. Если угловую скорость вращения среды в зазоре определять как среднюю арифметическую угловых скоростей вращения колец, то уравнение (1.61) с учетом силы инерции примет вид:

, (1.65)

После интегрирования и преобразования величины утечек определятся выражением:

, (1.66)

Таким образом, повышение частоты вращения вала увеличивает утечки при работе аппарата под давлением и уменьшает утечки при работе аппарата под вакуумом.

 

Герметичные электроприводы. Аппараты для перемешивания высокотоксичных, высоко агрессивных или пожароопасных сред обычно комплектуют герметичными электроприводами. Приводы этого типа представляют собой конструкцию, в которой активные элементы ротора и статора электродвигателя защищены от воздействия перемешиваемой среды с помощью специальной изоляции (мокрый статор) или специальных защитных гильз (сухой статор). Герметичные электроприводы с "мокрым" или "сухим" статором могут быть газозаполненными и жидкостнозаполненными.

В газозазаполненном электроприводе (рисунок 35) ротор, вращающийся в газовой полости, установлен на подшипниках качения. Статорная полость электродвигателя защищена от контакта с парами перемешиваемой среды тонкостенной защитной гильзой 5. В случае необходимости защитная гильза может быть также установлена на роторе 11. В электроприводах по подобного типа подшипники качения обычно смазывают консистентной или обычной смазкой, подаваемой через штуцер 9. Герметичный элект