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. Мембрана7. 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 IV12. 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. ВМЕСТИМОСТЬВо 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 ДАВЛЕНИЕРасчётное 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 одинарноеМанжетное 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. МЕШАЛКИУстройство 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. Якорнаяскребковая 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. Грабельнаяскребковая 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 АППАРАТЫЧугунные 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 АППАРАТЫАппараты 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.