Аппараты с перемешивающими устройствами

Аппараты с перемешивающими устройствами
Константин Владимирович Ефанов

В книге кратко представлены оригинальные результаты исследований по аппаратам с перешивающими устройствами: по-новому рассмотрены конструкции мешалок, впервые предложено решение по перемешиванию без закручивания потока, рассмотрены проблемы резонанса валов и проектирования.

Содержание

1 Аппараты с перемешивающими устройствами. Нефтеаппаратура. Проектирование

2. Конструирование оболочек корпусов аппаратов

3. Компоновка приводов перемешивающих устройств от электродвигателя

4. Валы с мешалками. Расчет на резонанс

5. Гибкие валы. Быстроходные мешалки. Балансировка

6. Изготовление мешалок с монокристаллической структурой. Прочность. Межкристаллитная коррозия.

7. Топология и сравнительный анализ мешалок

8. Определение лучшей быстроходной мешалки

9. Перемешивание без закручивания потока

10. Проблема расчета гидродинамики перемешивания. Теоретическая физика

11. Применение решения соосных мешалок для аппаратов воздушного охлаждения

Посвящение

Монография посвящается Иисусу Христу, Богу-Творцу бионического дизайна, самого совершенного способа конструирования

Введение

Опубликованные работы по аппаратам с перемешивающими устройствами направлены на рассмотрение преимущественно какого-либо одного из аспектов расчета и конструирования. Например, имеются книги по описанию процессов перемешивания, в которых приведены гидравлические расчеты по критериальным методикам, отсутствует связь с расчетом других видов лопастных устройств.

По расчёту валов и конструированию корпусов аппаратов материал приводится в специальных книгах по расчету и конструированию оборудования, например, нефтепереработки или химии.

В настоящей работе материал изложен кратко в виде основных положений и идей. Представленная работа охватывает весь перечень аспектов проектирования и конструирования аппаратов с перемешивающими устройствами. И поэтому является ценным руководством для конструкторов и проектировщиков.

С уважением,

Ефанов К. В.

Москва

2019

1 Аппараты с перемешивающими устройствами. Нефтеаппаратура. Проектирование

Нефтегазовые аппараты состоят из корпуса и установленных в нем внутренних устройств. Так, аппараты с перемешивающими устройствами состоят из корпусов и установленных перемешивающих устройств с электродвигателем. Нефтяные колонны состоят из корпуса и внутренних устройств (например, тарелок). Нефтяной реактор (аппарат колонного типа) состоит из корпуса, решеток катализатора и других внутренних устройств, инертных шаров (фарфоровых) и слоя катализатора.

В практике проектирования нефтеаппаратуры под чертежом аппарата принят чертеж корпуса со схематично показанными внутренними устройствами (информация о их наличии). Это касается особенно колонн, для которых тонкими линиями показывают высотные отметки тарелок. Конструировать корпус колонны и внутренние устройства могут различные разработчики. Чертежи аппаратов в виде сборки корпуса и внутренних устройств не принято выпускать.

Нефтяные аппараты с перемешивающими устройствами имеют корпус по сложности аналогичный корпусам вертикальных аппаратов, аппаратов колонного типа. Эти корпуса проектируются по одинаковым подходам.

В практике проектирования нефтеаппаратуры перемешивающее устройство может считаться навесным (устанавливаемым) электрооборудованием и аппаратом считается только корпус аппарата. В практике проектирования химических и других аппаратов с перемешивающими устройствами, корпус аппарата показывается в сборе с перемешивающим устройством. На таких чертежах перемешивающее устройство является главной частью аппарата и не относится к навесному электрооборудованию.

Перемешивающее устройство состоит из механической конструкции и электродвигателя, и навесным электрооборудованием не является. В практике проектирования нефтеаппаратуры используется неверный подход. Например, центробежный насос показывается полностью в сборе, а не только один корпус. Электрооборудованием нужно считать только электродвигатель. Рабочим органом является мешалка. Механизм, передающий движение мешалке (валу с мешалками) от электродвигателя, является приводом.

Нефтеаппаратура имеет относительно сложный корпус и на чертежах корпусы вычерчиваются на достаточно высоком техническом уровне при наличии компетентных конструкторов. На чертежах химических аппаратов с перемешивающими устройствами можно видеть, что основное внимание уделено перемешивающему устройству, корпус вычерчивается на низком уровне.

Чертеж аппарата с перемешивающим устройством должен иметь вычерченный на высоком уровне корпус, как принято в нефтеаппаратуре, и вычерченное на высоком уровне перемешивающее устройство.

Расчет и проектирование.

Корпус аппарата с перемешивающим устройством рассчитывается и конструируется также, как и корпус нефтяного аппарата, на таком же техническом уровне. Используются программы автоматизации расчетов по нормативной методике. Для расчета штуцеров используются программы расчета методом конечных элементов (МКЭ). Программы МКЭ могут быть модулями программ автоматизации расчета по нормативной методике.

Нормативная методика основана на безмоментной теории тонких оболочек. Сосуды высокого давления рассчитываются на основании теории толстых оболочек, построенной на решении задачи Ламе. Безмоментная теория не решает краевой задачи, возникающей в местах врезок, поэтому используется решение МКЭ.

Для расчета штуцера, через который устанавливается перемешивающее устройство, используются нагрузки (усилия и моменты), возникающие при перемешивании. Для нахождения усилий и моментов выполняют расчет перемешивающего устройства. Момент возникает при потере устойчивости валом при вращении (гироскопический момент). Необходимость приварки ребер жесткости (косынок) для штуцера должна подтверждаться расчетом.

Лопасти мешалки рассчитываются на изгиб. Рассчитывается крепление ступицы мешалки на валу.

Вал рассчитывается на определение критических скоростей вращений (резонансных частот), на прочность и жесткость. Основным является расчет критических скоростей. Расчет выполняется методами из теории колебаний.

2. Конструирование оболочек корпусов аппаратов

Конструкции оболочек корпусов ядерных реакторов и нефтяных аппаратов можно характеризовать имеющими простую геометрическую конфигурацию (оболочки вращения) и сложные вопросы прочности, материаловедения (механики разрушения материала стенки) и сварки (конструирования сварных швов).

Вместе с тем, при проектировании оболочек должен применяться бионический дизайн, то есть материал распределяться в пространстве с учетом наилучшего силового взаимодействия элементов оболочек. Такое решение позволит проектировать аппараты с минимальной массой. Одним из примеров применения подходов бионического дизайна можно считать применение укрепляющих колец (поперечных рёбер) или решетчатых оболочек (решетчатая конструкция ребер образуется добавлением к поперечным ребрам продольных ребер).

При конструировании оболочек сосудов, основное внимание уделяется вопросам прочности и материаловедения.

Материал выбирается в начале проработки технической части заказа и является исходными данными для конструирования.

После выбора конфигурации оболочек корпуса, выполняются проектный и проверочный расчеты на прочность. По результатам расчетов определяются толщины оболочек корпуса.

После определения толщин и разработки технического проекта на аппарат выполняется разработка рабочей конструкторской документации с разработкой сварных швов и установлением методов контроля.

Сложность сварных швов определяется материалом стенки (свариваемость, термообработка), толщиной стенки (поводка, способ сварки).

Основное правило при конструировании сварных швов состоит в требовании полного проплавления толщины стенки оболочки по толщине.

3. Компоновка приводов перемешивающих устройств от электродвигателя

Привод вала перемешивающего устройства нефтегазовых и химических аппаратах конструктивно оформляется с выполнением опорной стойки, анплогично приводам полупогружных насосов, и упрощенный вариант конструкции с применением специального мотора-редуктора и крепления вала на подшипниках редуктора.

Для выполнения опоры вала требуются два подшипника. Верхний подшипник удерживает вал от осевого перемещения. Два подшипника создают пару сил и удерживают вал от поворота, против момента, возникающего при вращении вала. Для консольного вала, при вращении ось вала отклоняется от прямой оси и появляется изгибающий момент. Расстояние между подшипниками выбирается по необходимому плечу пары сил.