Расчет конструкции экстрактора периодического действия. Отверстие под патрубок верхнего люка

n13.doc

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФГОУ ВПО

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Тема: «Расчет экстрактора »

специальность 110303 – механизация переработки

сельскохозяйственной продукции

Студент : А.М. Знаменщиков

Руководитель проекта: канд. техн. наук, доцент Н.Н. Устинов

Тюмень - 2010

Механико-технологический институт

Специальность 110303 – механизация переработки сельскохозяйственной продукции

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Тема (№ варианта) расчет экстрактора (3) __________________________
Срок представления работы (проекта) к защите «10» января 20 10 г.
Содержание курсовой работы (проекта)

Эскиз экстрактора

Дата выдачи задания: «2 » сентября 2010 г.
Руководитель: Н.Н. Устинов
Задание принял

К исполнению: А.М. Знаменщиков
СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6

1. 
   НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОЕКТИРУЕМОГО АППАРАТА 7
2. 
   РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛООБМЕННИКОВ 12
   1. 
      Расчет гладких обечаек нагруженных внутренним избыточным давлением 12

1. 
   Расчет цилиндрических обечаек 12
2. 
   Расчет конических обечаек 13
3. 
   Расчет выпуклой крышки 13
1. 
   Расчет обечаек, днищ и крышек, нагруженных наружным давлением 14
   1. 
      Расчет цилиндрической обечайки, нагруженной наружным давлением 14
   2. 
      Гладкие конические обечайки, нагруженные наружным давлением 15
2. 
   Расчет сопряжений рубашки с корпусом 17
   1. 
      Сопряжение рубашки с корпусом сосуда при помощи кольца 18
3. 
   Расчёт фланцевого соединения 21
   1. 
      Определение конструктивных параметров соединения 21
   2. 
      Расчёт на герметичность фланцевого соединения: 24
4. 
   Подбор и расчет опор 30
5. 
   Укрепление вырезов отверстий 33
   1. 
      Отверстие под патрубок верхнего люка 33
   2. 
      Отверстие под патрубок дна сосуда 34

1. 
   Отверстие под входной патрубок рубашки сосуда 36
2. 
   Отверстие под выходящий патрубок рубашки сосуда 38
1. 
   ОХРАНА ТРУДА, ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ 40

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 45

ПРИЛОЖЕНИЯ 46

СПЕЦИФИКАЦИЯ 48
ВВЕДЕНИЕ

Процесс извлечения веществ из твердых тел является довольно сложный. В некоторых случаях полезные вещества находятся не в растворенном состоянии, и растворитель проникая в поры твердых тел, растворяет извлекаемые компоненты, переходящие затем в основную массу экстрагирующей жидкости.

Независимо от состояния извлекаемых компонентов в ткани растительного сырья процесс экстракции характеризуется, главным образом, молекулярной диффузией внутри твердой частицы и массообменном на ее поверхности, каждую из составляющих необ­ходимо учитывать количественно.

На коэффициент массообмена в экстракционных аппаратах большое влияние оказывают конструктивные особенности этих ап­паратов при определенных технологических условиях проведения процесса.

В пищевой промышленности для экстрагирования полезных ком­понентов из твердых тел широко применяются экстракторы различных конструкций непрерывного и периодического действия.

В данной работе производится расчет конструкции экстрактора периодического действия, применяющегося в пищевой промышленности. Особое внимание уделяется расчету на прочность.

НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОЕКТИРУЕМОГО АППАРАТА

В качестве экстрагента могут быть использованы вода, различные водные растворы или другие жидкости.

Целесообразно использовать под резервные емкости тепловые аппараты - экстракторы (рис. 1). Загрузка аппарата отваром осуществляется через верхнюю крышку, отбор продукта - через нижний штуцер.

В паровую рубашку подают горячую воду, чтобы температуру отвара поддерживать на уровне 90-95° С. Контроль за температурой осуществляется дистанционным термометром, вмонтированным в продуктопровод, подающий отвар на сушку.

Рисунок 1 - Резервные емкости для жидкого отвара.
Техническая характеристика подобного аппарата – экстрактора:

Несмотря на наличие резервной емкости, не рекомендуется накапливать жидкие отвары, особенно овсяный, в больших количествах, так как происходит нарастание кислотности, что приводит к ухудшению продукта.

Нарастание кислотности овсяного отвара по стадиям технологического процесса характеризуется следующими показателями (в °Т): после варки - 7,2, при выходе из протирочной машины- 8,1, после гомогенизатора-9,0, при выходе из сборников перед сушкой - 11,7.

Рассмотрим подобные конструкции экстракторов на примере выпускаемых установок на заводе АГРОМАШ.

Экстрактор периодического действия

Емкость-экстрактор (рис. 2) представляет собой герметичный вертикальный цилиндрический аппарат. Исходное растительное (или органическое) сырье помещается в специальных мешках или сетках.

Циркуляция раствора - экстрагента осуществляется с помощью насоса (или гидродинамического генератора). Забор раствора из аппарата осуществляется при помощи специального заборного устройства щелевого типа, а подача с помощью специального распылителя.

Рисунок 2 - Емкость-экстрактор с гидродинамическим перемешиванием

Технические характеристики

Объем общий, л 650*

Мощность эл.дв. насоса, кВт 1,1

Экстрактор периодического действия с мешалкой

Емкость-экстрактор (рис. 3) представляет собой сосуд с герметичными люками, подъемной крышкой с механическим подъемником, внутренними решетками. Циркуляция раствора-экстрагента осуществляется с помощью мешалки специальной конструкции. Эффективно используется во всех отраслях промышленности.

Технические характеристики*

Объем общий, л 650*

Мощность электродвигателя привода мешалки, кВт 5

Рисунок 3 - Экстрактор периодического действия с мешалкой

Экстрактор с ректификационной колонной и дефлегматором

Процесс экстрагирования происходит в экстракционной камере (рис. 4) аппарата, куда загружается сырье.

Пары экстрагента из испарительной камеры, обогреваемой паровой рубашкой, поступают в ректификационную колонну, откуда летучие фракции поступают в дефлегматор и конденсируются.

Технические характеристики*

Объем общий, л 1700

Рисунок 4 - Экстрактор с ректификационной колонной и дефлегматором

Для проектирования исходного аппарата и его узлов я выбрал жаропрочную, жаростойкую и коррозионностойкую сталь 12Х18Н10Т, т.к. она наиболее подходящая для данного агрегата. Узлы конструкции из такого материала способны выдержать большие нагрузки, а так же надежное применение в агрессивных химических средах. При цене листа за кг 300 руб.

1. 
   Расчет гладких обечаек нагруженных внутренним избыточным давлением
   1. 
      Расчет цилиндрических обечаек

Рисунок 5 – Гладкие цилиндрические обечайки с выпуклыми или коническими днищами: а – обечайка с отбортованными днищами; б – обечайка с неотбортованными днищами

Расчетная толщина стенки цилиндрических обечаек следует по формуле

Где p – расчетное давление, МПа

D – внутренний диаметр, м.

1. 
   Расчет конических обечаек

Где
- внутренний диаметр при основании конуса, м

- половина угла при вершине конуса (см. рис. 5)

Исполнительная толщина стенки

Условие применимости расчётных формул при соотношении между толщиной стенки наружной обечайки и диаметром в пределах

1. 
   Расчет выпуклой крышки

Радиус кривизны в вершине крышки

Где
- для эллиптических крышек с

Исполнительная толщина стенки крышки

Условие применимости расчетных формул при отношении толщины стенки к диаметру

1. 
   Расчет обечаек, днищ и крышек, нагруженных наружным давлением
   1. 
      Расчет цилиндрической обечайки, нагруженной наружным давлением

При определении расчетной длины обечайки или длину примыкающего элемента следует определять по формуле

мм - для конических днищ без отбортовки.

1. 
   Определяем вспомогательные коэффициенты

Где - запас устойчивости оболочки (при рабочих условиях = 2,4)

1. 
   Определяем приближенно толщину стенки

Где

Коэффициент
следует принимать по номограмме, приведенной в приложении А

1. 
   Определяем допускаемое давление из условия прочности

1. 
   Определяем допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости

Где

1. 
   Допускаемое наружное давление

1. 
   Проверяем условие

1. 
   Гладкие конические обечайки, нагруженные наружным давлением

Где D 1 – внутренний диаметр при вершине конуса, мм

1. 
   Определяем допускаемое давление из условия прочности:

1. 
   Определяем допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости:

Значение коэффициента В 1 определяем по формуле

1. 
   Допускаемое наружное давление определяем по формуле

1. 
   Проверяем условие устойчивости

1. 
   Расчет сопряжений рубашки с корпусом

Расчетное давление для рубашки равно p 2 и расчетное давление для сосуда p 1 , если p 1 > 0.

Рисунок 7 – Сосуды с U-образной рубашкой

А) – с сопряжением при помощи конуса; б) - с сопряжением при помощи кольца

1. 
   Сопряжение рубашки с корпусом сосуда при помощи кольца

Рисунок 8 – Сопряжение рубашки с корпусом при помощи кольца

1. 
   Определяем расстояние от середины стенки рубашки до наружной стороны стенки сосуда

1. 
   Определяем высоту кольца

Где р 2 – давление пара в рубашке, МПа)

[?] 2 - допускаемое напряжение для материала стенки рубашки при расчетной температуре, МПа

1. 
   Определяем размер сварного шва между сосудом и кольцом при сопряжениях

=168 МПа

1. 
   Определяем расчетные коэффициенты прочности сварного шва

1. 
   Определяем параметры кольца

Относительное давление

Геометрический параметр кольца

P0 - коэффициент прочности сварного радиального шва в кольце сопряжения

B 0 - ширина кольца

1. 
   Определяем относительный момент нагружения

Где А – коэффициент осевого усилия по формуле:

Где d 1 – диаметр окружности сопряжения рубашки с днищем сосуда (рис.9). Диаметр окружности сопряжения рубашки с днищем сосуда должен удовлетворять условию

Рисунок 9 – Сопряжение рубашки с днищем

1. 
   Определяем относительный реактивный момент в стенке сосуда

P 2 >p 1 >0, то в формулу подставляем p 1 = 0

1. 
   Определяем относительный реактивный момент в стенке рубашки

, т.к.

1. 
   Определяем относительный реактивный момент в месте сопряжения кольца со стенкой сосуда

1. 
   Определяем допускаемое избыточное давление в рубашке определяем по формуле

1. 
   Уточняем значение высоты кольца

Где - собственный вес сосуда и его содержимого, при том, что опоры располагаются на рубашке.

Проверку несущей способности от совместного действия осевого усилия и избыточного давления в U-образной рубашке следует проводить по формуле:

1. 
   Расчёт фланцевого соединения
   1. 
      Определение конструктивных параметров соединения

1. 
   Толщина S 0 =7 мм втулки фланца в зависимости от его конструкции (тип фланца – свободный) принимается таким образом, что удовлетворяет условию S 0 > S. S 0 = 7 мм

Рисунок 10 – Расчётная схема

1. 
   Высота h в втулки свободного фланца:

1. 
   Внутренний диаметр свободного кольца D s принимаем

1. 
   Диаметр D б болтовой окружности фланцев:

Где u 1 – нормативный зазор между гайкой и обечайкой (u 1 = 8 мм);

D 6 =20 мм – наружный диаметр болта;

D s – внутренний диаметр свободного кольца.

1. 
   Наружный диаметр фланца:

Где а – конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца.

1. 
   Наружный диаметр прокладки выбираем с учетом условия

Где D s1 – наружный диаметр бурта ()

1. 
   Средний диаметр прокладки

Где b – ширина прокладки

1. 
   Определяем количество болтов, необходимое для обеспечения герметичности соединения:

1. 
   Высота (толщина) фланца ориентировочно:

Где? ф = 0,46 – коэффициент, принимаемый по рис. 11

S экв – эквивалентная толщина втулки фланца

Рисунок 11 - График для определения коэффициента? ф в плоских (1) и приварных встык (2) фланцах.

Где? 1 – коэффициент, определяемый по рис. 12

Рисунок 12 - График для определения коэффициента? 1

1. 
   Расчёт на герметичность фланцевого соединения:

1. 
   Определяем нагрузки в соединений при монтаже – F б1 и в рабочих условиях - F б2 (см. рис. 8)

Рисунок 8 - Схема действия нагрузок на фланец в рабочих условиях

1. 
   Равнодействующая от сил внутреннего давления

1. 
   Реакция прокладки

Где b 0 – эффективная ширина прокладки, м (при b
k пр – коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки

1. 
   Определяем усилие, возникающее от температурных деформаций

Где? ф, ? б, ? с – соответственно коэффициенты линейного расширения материала фланца, болтов и свободного кольца;

T ф, t б, t с - соответственно температуры фланца, болтов, свободного кольца;

Y б, y п, y ф, y с – податливости соответственно болтов, прокладки, фланцев, свободного кольца, определяемые по формулам:

Где E б – модуль упругости материала болтов

F б – расчётная площадь поперечного сечения болта по внутреннему диаметру резьбы;

L б – расчётная длина болта.

Где l бо – расстояние между опорными поверхностями головки болта и гайки, определяется по формуле

Где h п – высота стандартной прокладки;

D = d б – диаметр отверстия под болт

Податливость прокладки

Где к п = 0,09 – коэффициент обжатия прокладки из резины;

Е п – модуль упругости материала прокладки

Податливость фланцев

Где Е – модуль упругости материала фланца, Н/м 2 ;

V, ? ф – безразмерные параметры.

Где? 1 ? 2 – коэффициенты, определяемые по формулам:

Податливость свободного кольца

Где Е с – модуль упругости материала фланца, Н/м 2 ;

H с – высота свободного кольца, м (h с = h ф).

1. 
   Коэффициент жесткости фланцевого соединения при стыковке фланцев одинаковой конструкции:

1. 
   Болтовая нагрузка в условиях монтажа до подачи внутреннего давления:

Где: F – внешняя осевая растягивающая (+) или сжимающая (-) сила (F = 0 – в нашем случае);

М – внешний изгибающийся момент (М = 0);

[?] ?20 – допускаемое напряжение для материала болта при 20є С, Н/м 2

Р пр – минимальное давление обжатия прокладки, МПа.

1. 
   Приведённый изгибающий момент:

1. 
   Проверяем условия прочности болтов

1. 
   Проверяем условие прочности неметаллических прокладок:

1. 
   Максимальное напряжение в сечении, ограниченном размером S 0

Где? 1 – максимальное напряжение в сечение фланца, ограниченном размером S х,МПа,

F ф – безразмерный параметр, определяемый по монограмме (Приложение Б) в зависимости от S 1 /S 0

Т ф - безразмерный параметр, находим по формуле:

1. 
   Напряжение во втулке от внутреннего давления:

Меридиональное

1. 
   Проверяем усилие прочности для сечения фланца, ограниченного размером S 0:

Где [?] 0 – допускаемое напряжение для фланца в сечении, принимаемое при количестве нагружении соединений 2·10 3 .

1. 
   Проверяем условие прочности для свободного кольца:

Где
– приведённый изгибающийся момент, определяемый из условия:

Где
и
Допускаемое напряжения для материала свободного кольца при 20єС и расчётной температуре соответственно.

1. 
   Проверяем условие герметичности, определяемое углом поворота свободного кольца:

Где
- допустимый угол поворота кольца

1. 
   Подбор и расчет опор

1. 
   Предварительно выбираем сварные опоры (см. рис. 14) по ГОСТ 26296-84, учитывая вес аппарата. Вес аппарата определятся, суммой веса деталей, сборочных единиц с учетом веса, находящегося в аппарате продукта. Опорная лапа 1-10000 ГОСТ 26296-84

Рисунок 14 – Лапа опорная сварная

1. 
   Определяем плечо нагрузки по следующей формуле (см. рис. 15):

1. 
   Вычисляем нагрузку действующую на одну опору по формуле

1. 
   Определяем соотношение параметров аппарата и опоры:

1. 
   Определяем напряжение от действия внутреннего давления

1. 
   Максимальное мембранное напряжение от основных нагрузок и реакции опоры определяем по формуле

1. 
   Максимальное напряжение при изгибе от реакции опоры определяем по следующей формуле:

Рисунок 15 – Схема для определения плеча нагрузки

1. 
   Проверим условие прочности

1. 
   Укрепление вырезов отверстий
   1. 
      Отверстие под патрубок верхнего люка

Для эллиптической крышки при Н = 0,25 D

Проверяем по условию
если расчетный диаметр одиночного отверстия удовлетворяет условию, то дальнейших расчетов укрепления отверстий не требуется.

1. 
   Отверстие под патрубок дна сосуда

1. 
   Определяем расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, при наличии избыточной толщины стенки сосуда вычисляется по формуле

Где s – толщина стенки укрепляемой оболочки;

S p – расчетная толщина стенки укрепляемой оболочки,

D р – расчетные диаметры укрепляемых элементов:

Для конического днища

Расчетную толщину стенки штуцера, нагруженного как внутренним, так и наружным давлением, определяют по формуле

1. 
   Определяем расчетные диаметры в зависимости от выбранного типа укрепления.

Проверяем по условию

Рисунок 16 – Укрепление отверстий отбортовкой

1. 
   Отверстие под входной патрубок рубашки сосуда

1. 
   Определяем расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, при наличии избыточной толщины стенки сосуда вычисляется по формуле

Где s – толщина стенки укрепляемой оболочки;

S p – расчетная толщина стенки укрепляемой оболочки,

D р – расчетные диаметры укрепляемых элементов:

Для цилиндрической обечайки

Расчетную толщину стенки штуцера, нагруженного как внутренним, так и наружным давлением, определяют по формуле

1. 
   Определяем расчетные диаметры в зависимости от выбранного типа укрепления.

Проверяем по условию

1. 
   Отверстие под выходящий патрубок рубашки сосуда

1. 
   Определяем расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, при наличии избыточной толщины стенки сосуда вычисляется по формуле

Где s – толщина стенки укрепляемой оболочки;

S p – расчетная толщина стенки укрепляемой оболочки,

D р – расчетные диаметры укрепляемых элементов:

Для конического днища

Расчетную толщину стенки штуцера, нагруженного как внутренним, так и наружным давлением, определяют по формуле

1. 
   Определяем расчетные диаметры в зависимости от выбранного типа укрепления.

Проверяем по условию если расчетный диаметр одиночного отверстия удовлетворяет условию, то дальнейших расчетов укрепления отверстий не требуется.

Условие не выполняется, проводим укрепление отверстия.

1. 
   Определяем расчетные и исполнительные размеры укрепления

Исполнительные длины штуцеров l 1 , l 2 должны удовлетворять условию

Ширину зоны укрепления в обечайках, переходах и днищах определяют по формуле

Расчетную ширину зоны укрепления в стенке обечайки, перехода или днища в окрестности штуцера при наличии отбортовки

Исполнительная ширина зоны укрепления l должна удовлетворять условию l > l Р.

Отношения допускаемых напряжений для внешней части штуцера:

Расчетный диаметр определяют по формуле

1. 
   Проверяем условие укрепления одиночных отверстий

ОХРАНА ТРУДА, ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

В России государственный контроль и надзор за соблюдением требований охраны труда осуществляется федеральной инспекцией труда при Министерстве здравоохранения и социального развития Российской Федерации и федеральными органами исполнительной власти (в пределах своих полномочий).

Федеральная инспекция труда контролирует выполнение законодательства, всех норм и правил по охране труда. Государственный санитарно-эпидемиологический надзор, осуществляемый органами Министерства здравоохранения Российской Федерации, проверяет выполнение предприятиями санитарно-гигиенических и санитарно-противоэпидемиологических норм и правил. Государственный энергетический надзор при Министерстве топлива и энергетики Российской Федерации контролирует правильность устройства и эксплуатации электроустановок. Государственный пожарный надзор контролирует выполнение требований пожарной безопасности при проектировании и эксплуатации зданий и помещений.

Лица, виновные в нарушении требований ОТ, невыполнении обязательств по ОТ, предусмотренных коллективными договорами и соглашениями, трудовыми договорами (контрактами), или препятствующие деятельности представителей органов госнадзора и контроля за соблюдением требований ОТ, а также органов общественного контроля, несут дисциплинарную, административную, гражданско-правовую и уголовную ответственность в соответствии с законодательством РФ.
Различают следующие виды дисциплинарных взысканий:

• 
  Замечание;
• 
  Выговор;
• 
  Увольнение по соответствующим основаниям.

• 
  штраф;
• 
  лишение права занимать определённые должности и заниматься определённой деятельностью;
• 
  исправительные работы;
• 
  лишение свободы на определённый срок.

1. Производственное оборудование должно обеспечивать безопасность работающих при монтаже (демонтаже), вводе в эксплуатацию и эксплуатации, как в случае автономного использования, так и в составе технологических комплексов при соблюдении требований (условий, правил), предусмотренных эксплуатационной документацией.

Примечание. Эксплуатация включает в себя в общем случае использование по назначению, техническое обслуживание и ремонт, транспортирование и хранение.

2. Безопасность конструкции производственного оборудования обеспечивается:

1) выбором принципов действия и конструктивных решений, источников энергии и характеристик энергоносителей, параметров рабочих процессов, системы управления и ее элементов;

2) минимизацией потребляемой и накапливаемой энергии при функционировании оборудования;

3) выбором комплектующих изделий и материалов для изготовления конструкций, а также применяемых при эксплуатации;

4) выбором технологических процессов изготовления;

5) применением встроенных в конструкцию средств защиты работающих, а также средств информации, предупреждающих о возникновении опасных (в том числе пожаровзрывоопасных) ситуаций*;

* Опасная ситуация - ситуация, возникновение которой может вызвать воздействие на работающего (работающих) опасных и вредных производственных факторов.

6) надежностью конструкции и ее элементов (в том числе дублированием отдельных систем управления, средств защиты и информации, отказы которых могут привести к созданию опасных ситуаций);

7) применением средств механизации, автоматизации (в том числе автоматического регулирования параметров рабочих процессов) дистанционного управления и контроля;

8) возможностью использования средств защиты, не входящих в конструкцию;

9) выполнением эргономических требований;

10) ограничением физических и нервнопсихических нагрузок на работающих.

3. Требования безопасности к производственному оборудованию конкретных групп, видов, моделей (марок) устанавливаются на основе требований настоящего стандарта с учетом:

1) особенностей назначения, исполнения и условий эксплуатации;

2) результатов испытаний, а также анализа опасных ситуаций (в том числе пожаровзрывоопасных), имевших место при эксплуатации аналогичного оборудования;

3) требований стандартов, устанавливающих допустимые значения опасных и вредных производственных факторов;

4) научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, а также анализа средств и методов обеспечения безопасности на лучших мировых аналогах;

5) требований безопасности, установленных международными и региональными стандартами и другими документами к аналогичным группам, видам, моделям (маркам) производственного оборудования;

6) прогноза возможного возникновения опасных ситуаций на вновь создаваемом или модернизируемом оборудовании.

Требования безопасности к технологическому комплексу должны также учитывать возможные опасности, вызванные совместным функционированием единиц производственного оборудования, составляющих комплекс.

4. Каждый технологический комплекс и автономно используемое производственное оборудование должны укомплектовываться эксплуатационной документацией, содержащей требования (правила), предотвращающие возникновение опасных ситуаций при монтаже (демонтаже), вводе в эксплуатацию и эксплуатации. Общие требования к содержанию эксплуатационной документации в части обеспечения безопасности приведены в приложении.

5. Производственное оборудование должно отвечать требованиям безопасности в течение всего периода эксплуатации при выполнении потребителем требований, установленных в эксплуатационной документации.

6. Производственное оборудование в процессе эксплуатации не должно загрязнять природную среду выбросами вредных веществ и вредных микроорганизмов в количествах выше допустимых значений, установленных стандартами и санитарными нормами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данный курсовой проект представляет собой комплекс расчетно-графических работ, по конструированию и выбору экстрактора. Спроектированный теплообменный аппарат позволяет проводить необходимые процессы с заданными параметрами.

Проведя анализ работы экстрактора, я разобрал принципы конструирования узлов агрегата. Выяснил основные моменты, которые мне помогли глубже понять основы конструирования машин и аппаратов пищевого производства. В ходе проведения проектных и расчетных работ (конструктивный расчет, гидравлический расчет, расчет на прочность) выбраны конструктивные единицы, подтверждена механическая надежность, экономически-обоснованный выбор (материал, длина и т. д.), конструктивное совершенство аппарата. Эти факторы являются основными для высокопродуктивной, бесперебойной работы оборудования в промышленных условиях.

Мой проект является основанием закрепления дисциплин, связанных с проектированием, которые я благополучно буду применять на практике, при освоении новых дисциплин, связанных с моей специальность.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 
   Соколов В. И. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов пищевых производств. - М.: Машиностроение, 1983. - 447 с.
2. 
   Харламов С.В Практикум по расчету и. конструированию машин и
   аппаратов пищевых производств: Учебное пособие. - Л.: Агропромиздат, 1991.
3. 
   Кононюк Л. В., Басанько В. А. Справочник конструктора оборудования пищевых производств. - К.: Техника, 1981.
4. 
   Остриков А. Н., Абрамов О. В, Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств. Учебник для вузов. - СПб.: ГИОРД, 2003.
5. 
   Курочкин А.А., Зимняков В.В. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств. – М.: Колос, 2006.
6. 
   ГОСТ 14249-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность
7. 
   ГОСТ 24755-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность укрепления отверстий
8. 
   ГОСТ 25867-83 Сосуды и аппараты. Сосуды с рубашками. Нормы и методы расчета на прочность
9. 
   ГОСТ 12.2.003-91 Система стандартов безопасности труда. Оборудование производственное. Общие требования безопасности

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А

Номограмма для расчета на устойчивость в пределах упругости цилиндрических обечаек, работающих под наружным давлением

Приложение Б

График для определения коэффициента f

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Рязанский государственный агротехнологический университет

имени П. А. Костычева»

Кафедра

«Технология общественного питания»

Лабораторная работа № 10

по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств»

Устройство экстракционных аппаратов

Рязань – 2011 г.

Методические указания обсуждены на заседании кафедры ТОП протокол №1 «31» августа 2011 года

Заведующий кафедрой___________ О.В. Черкасов

Одобрено советом (методической комиссией) технологического факультета

«_____» _____________ 2011 года.

Председатель ____________ О.В. Платонова

Цель работы – закрепление теоретических знаний по разделу «Массообменные процессы», изучение конструкций и аппаратов для проведения процесса экстракции.

В результате выполнения лабораторной работы студенты должны изучить конструкцию и порядок работы экстракционных аппаратов.

КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ ЭКСТРАКТОРОВ

Эффективность массопередачи в процессах экстракции пропор­циональна площади массообменной поверхности и средней движу­щей силе процесса, С целью увеличения площади массообменной поверхности в экстракторах одна из жидких фаз диспергируется и распределяется в другой в виде капель. Процесс массопередачи про­текает между дисперсионной и сплошной фазами. Для проведения процесса с наибольшей движущей силой в экстракторах организуют взаимодействие потоков в условиях, приближающихся к идеальному вытеснению. Это достигается проведением процесса в тонком слое в насадочных, центробежных экстракторах, путем секционирования экстракторов либо использования многоступенчатых секционных экстракционных установок.

Экстракторы по принципу организации процесса бывают непре­рывного и периодического действия.

В зависимости от способа контакта фаз экстракторы можно раз­делить на три группы: ступенчатые, или секционные, дифферен­циально-контактные и смесительно-отстойные.

Ступенчатые (секционные) экстракторы состоят из отдельных секций, в которых изменение концентрации в фазах происходит скачкообразно. В ряде случаев каждая секция приближается по полю концентраций к аппарату идеального смешения. Экстрактор, состоящий из нескольких таких секций, по полю концентраций приближается к аппарату идеального вытеснения.

Необходимость разделения фаз после каждой секции экстракции в случае плохо разделяемых эмульсий может приводить к значи­тельному увеличению размеров экстрактора.

Дифференциально-контактные экстракторы обеспечивают непрерывный контакт между фазами и плавное непрерывное изме­нение концентраций в фазах. За счет продольного перемешивания фаз в таких аппаратах может иметь место значительное снижение средней движущей силы по сравнению с аппаратами идеального вытеснения.

Для диспергирования жидкой фазы требуются затраты энергии. В зависимости от вида затрачиваемой энергии экстракторы могут быть без подвода внешней энергии и с подводом ее. Внешняя энер­гия во взаимодействующие фазы может вводиться перемешива­ющими устройствами, вибраторами и пульсаторами, например в вибропульсационных экстракторах, в виде центробежной силы в центробежных экстракторах, кинетической энергии струи в инжек­торных и эжекторных экстракторах.

Смеснтельно-отстойные экстракторы состоят из нескольких сту­пеней, каждая из которых включает смеситель и разделитель. В смесителе за счет подвода внешней энергии происходит диспергирование одной из жидких фаз с образованием дисперсионной фазы, которая распределяется в другой - сплошной фазе. Дисперсной фазой может быть как легкая, так и тяжелая фаза.

В разделителе, который представляет собой отстойник, а в сов­ременных установках - сепаратор, происходит разделение эмуль­сии на рафинат и экстракт. Схема простейшего смесительно-отстойного экстрактора приведена на рис. 1.

1 - экстрактор: 2 - сепаратор

Рисунок 1 - Смесительно-отстойная экс­тракционная установка

Посредством соединения нескольких смесительно-отстойных секций образуются различные по схемам экстракционные установ­ки.

Приведенная схема из-за ряда присущих ей недостатков, а имен­но: громоздкости, значительной производственной площади, высо­кой металло- и энергоемкости, вытесняется более совершенными конструкциями.

Тарельчатые экстракторы (рис. 2) представляют собой колонные аппараты с ситчатыми тарелками различных конструк­ций, снабженными переливными устройствами. Взаимодействие фаз происходит в перекрестном токе накаждой тарелке. Дисперги­руемая фаза (легкая или тяжелая) проходит через отверстия в тарелках и дробится на капли. Сплошная фаза движется вдоль тарелки от перелива к переливу. Капли на тарелках коалесцируют и образуют сплошной слой жидкости над тарелкой (тяжелая жид­кость) или под тарелкой (легкая жидкость). Подпорный слой сек­ционирует экстрактор по высоте и обеспечивает подпор для диспер­гирования жидкости через отверстия тарелок. Секционирование экстрактора снижает обратное перемешивание фаз и приводит к увеличению средней движущей силы процесса.

1 - цилиндрический корпус; 2 - переливное устройство; 3 -ситчатые тарелки

Рисунок 2 – Тарельчатый экстрактор

Скорость дисперсной фазы в отверстиях тарелки определяют из условий создания струйного режима. Критическая скорость, соответствующая переходу от капельного режима к струйному, зависит от диаметра отверстий:

Для работы экстрактора в устойчивом струйном режиме ско­рость увеличивают примерно на 20% по сравнению с критической.

Роторно-дисковый экстрак­тор (рис. 3) относится к экстракторам с механическим перемешиванием фаз. Он пред­ставляет собой вертикальный многосекционный аппарат, в цилиндрическом корпусе кото­рого по оси установлен ротор с круглыми горизонтальными дис­ками. Диски вращаются в сред­ней плоскости секции экстрак­тора и разделены кольцевыми перегородками, что препят­ствует продольному перемеши­ванию потоков и способствует увеличению движущей силы про­цесса. При вращении ротора диски создают осевые потоки сплошной фазы, направленные от оси ротора к стенкам экстрактора. Достигнув стенок, жидкость дви­жется вдоль них вверх и вниз в пространстве, ограниченном кольце­выми перегородками. Отражаясь от колец перегородки, жидкость меняет направление и движется к оси экстрактора. Так возникают тороидальные потоки сплошной фазы. В верхней и нижней частях экстрактора расположены отстойные зоны. Капли легкой фазы - экстракта движутся вверх и коалесцируют в верхней отстойной зоне. Для лучшего разделения фаз отстойные зоны имеют диаметр несколько больший, чем зоны смешения.

1, 5 - отстойные зоны; 2 - корпус; 3 - коль­цевые перегородки; 4 - ротор

Рисунок 3 – Роторно-дисковый экстрак­тор

В других конструкциях на роторе в средней плоскости каждой секции расположены открытые турбинные мешалки. Секциониро­вание достигается с помощью кольцевых перегородок. В таких экстракторах чередуются зоны смешения и разделения.

Вместо кольцевых перегородок зоны перемешивания могут раз­деляться слоем насадки, например колец Рашига, в которой проис­ходит разделение тройной смеси на легкую и тяжелую жидкость. На рис. 4 показан экстрактор с турбинными мешалками и отстой­ными зонами, заполненными кольцами Рашига.

Преимуществами описанных экстракторов являются: эффектив­ный гидродинамический режим, который определяет высокие коэффициенты массопередачи и площади поверхности межфазного контакта; разделение реакционного объ­ема на секции, что приводит к увеличению средней движущей силы до значений, близких к таковым для аппарата идеального вытесне­ния; возможность регулирования частоты вращения ротора, что позволяет изменять производительность и эффективность работы экстрактора.

1 - ротор; 2 - слой насадки; 3 - турбинные мешалки

Рисунок 4 – Фрагмент роторно-насадочного экстрактора

Вибрационные и пульсацнонные экстракторы позволяют повы­сить интенсивность массопередачи и использовать положительные качества гравитационных экстракторов (простота конструкции, низкая стоимость, небольшие затраты на эксплуатацию).

Колебательное движение жидкостям может сообщаться установ­ленным вне экстрактора пульсатором либо посредством движуще­гося возвратно-поступательного блока ситчатых тарелок, насажен­ных на подвижной общий шток. В первом случае экстрактор назы­вается пульсационным (рис 5), а во втором - вибрационным.

Золотниково-распределительный механизм состоит из диска, вращающегося в неподвижном корпусе. Диск и корпус имеют по два окна для соединения пульсационной камеры с системой сжатого воз­духа и для сообщения камеры с атмосферой. При совпадении прорезей для сжатого воздуха на диске и корпусе жидкость в пульсационной камере находится под избыточным давлением. За счет перепада давления жидкость получает поступательное движение. При сооб­щении пульсационной камеры с атмосферой при совпадении проре­зей сброса давления на вращающемся диске и корпусе происходит сброс давления и жидкость совершает возвратное движение. Регули­руя частоту вращения диска, можно изменять частоту колебания жидкости в экстракторе. Амплитуда колебаний определяется давле­нием сжатого воздуха. Частота пульсаций обычно составляет от 30 до 250 колебаний в минуту, а амплитуда - 2.. .25 мм.

1 - неподвижный корпус; 2 - вращающийся диск; 3 - окна для соединения с системой сжатого воздуха, 4 - окно для сообщения с атмосферой, 5 - пульсационная камера

Рисунок 5 – Пульсационный экстрактор

В зависимости от произведения амплитуды на частоту колебанийпульсационные экстракторы могут работать в смесительно-отстойном и эмульгационном режимах.

В смесительно-отстойном режиме за один цикл пульсаций легкая фаза, перемещаясь с нижней на вышележащую тарелку, дисперги­руется на тарелке и коалесцирует в межтарельчатом пространстве. Тяжелая фаза движется навстречу через слой легкой жидкости. Для этого режима характерны небольшие продолжительность контакта фаз и площадь межфазной поверхности. С возрастанием произведения амплитуды на частоту колебанийпроис­ходит уменьшение размера капель и возникает эмульгационный режим, для которого характерно наличие мелких капель примерно одного диаметра, заполняющих весь межтарельчатый объем экстрактора.

Размер отверстий в тарелках экстрактора составляет 3...5 мм, площадь всех отверстий принимается равной 20...25% площади поперечного сечения колонны; расстояние между тарелками 50 мм.

Лучшее распределение и диспергирование достигаются на тарел­ках с прямоугольными отверстиями и направляющими лопатками.

В вибрационных экстракторах вибрация блока тарелок происхо­дит при больших частотах и меньших амплитудах, чем пульсация жидкости в пульсационных экстракторах. Расход энергии на вибра­цию блока тарелок значительно меньше, чем в пульсационных экстракторах на перемещение всего столба жидкости.

Преимущество пульсационных и вибрационных экстракторов - эффективная массопередача, которая достигается путем увеличения коэффициентов массоотдачи, средней движущей силы процесса и развитой поверхности фазового контакта. ВЭТСв таких экстракто­рах в 5...6 раз ниже, чем в тарельчатых ситчатых экстракторах.

Высокие удельные нагрузки превышают допу­стимые нагрузки в роторно-дисковых экстракторах.

Высокая эффективность массопередачи позволила значительно сократить металлоемкость экстракционного оборудования, что при­вело к снижению капитальных затрат.

В то же время для пульсационных и вибрационных экстракторов требуются более мощные фундаменты, выдерживающие значитель­ные динамические нагрузки. Эксплуатационные затраты для таких экстракторов несколько выше, чем для обычных тарельчатых экстракторов.

В центробежных экстракторах (рис. 6) экстракция протекает при непрерывном контакте движущихся противотоком фаз при минимальном времени взаимодействия.

В корпусе машины, состоящем из двух кожухов: верхнего и ниж­него, расположен вал с закрепленным на нем ротором. Вал с двух концов полый и выполнен по типу «труба в трубе», а в центральной части цельный, с каналами для отвода легкой жидкости. Вал вместе с ротором вращается с частотой около 4500 мин -1 .

Обрабатываемый раствор и экстрагент поступают в экстрактор с противоположных концов полого вала, как показано на рис. 6. Легкая жидкость подводится со стороны привода, а тяжелая - с противоположного конца вала. Вал уплотняется с помощью двой­ных торцевых уплотнений. Уплотнительной жидкостью служит обрабатываемая в экстракторе жидкость.

Внутри ротора находится пакет концентрических V-образных колец. В роторе предусмотрены каналы для прохода легкой и тяже­лой жидкости. Тяжелая жидкость поступает в пакет ротора, в его центральную часть, в то время как легкая жидкость поступает в периферийную часть ротора. При вращении ротора вместе с паке­том колец тяжелая жидкость под действием центробежной силы устремляется к наружному периметру ротора, а легкая жидкость движется навстречу к валу ротора. Таким образом, жидкости кон­тактируют в противотоке. За счет многократного диспергирования жидкости на капли и коалесценции капель достигается высокая эффективность экстракции.

После разделения тройной смеси жидкости выводятся по кана­лам в роторе в пустотелый вал: тяжелая жидкость выводится со сто­роны привода, а легкая - с противоположного конца вала, со сто­роны входа тяжелой жидкости.

Внутри ротора имеет место инверсия фаз. Если в периферийной части ротора происходит взаимодействие дисперсной фазы легкой жидкости со сплошной фазой тяжелой жидкости, то в зоне, приле­жащей к оси ротора, наоборот, дисперсная фаза тяжелой жидкости контактирует со сплошной фазой легкой жидкости.

1 - корпус экстрактора; 2 - V-образное кольцо; 3 - ротор; 4 - труба для подвода легкой жидко­сти: 5 - труба для отвода легкой жидкости; 6 - труба для подвода тяжелой жидкости: 7 - канал для входа тяжелой жидкости

Рисунок 6 – Экстрактор «Подбильняк»

На отводной трубе легкой жидкости предусмотрен обратный клапан для регулировки положения границы двух фаз в радиальном направлении. Изменяя обратным клапаном рабочее давление легкой жидкости, можно получить необходимое соотношение объемов легкой и тяжелой жидкости, удерживаемых в роторе экстрактора.

Эффективность экстракции может устанавливаться в зависимо­сти от свойств обрабатываемых жидкостей путем изменения объема удерживаемой в роторе тяжелой и легкой жидкости.

С повышением частоты вращения ротора возрастают эффектив­ность экстракции и производительность экстрактора, устраняется «захлебывание» и повышается эффективность разделения тройной смеси.

Центробежные экстракторы характеризуются компактностью и высокой эффективностью. Их отличительной чертой является существенное ускорение процессов смешения и разделения фаз в поле центробежных сил. Время пребывания фаз в таких экстракто­рах в зависимости от конструкции составляет от нескольких секунд до нескольких десятков секунд,

В центробежных экстракторах могут обрабатываться жидкости с малой разностью плотностей и при низком модуле экстрагента.

В экстракционной установке непрерывного действия (рис. 7) основными аппаратами являются экстрактор, емкости для исход­ного раствора, экстрагента, рафината и экстракта. Исходный рас­твор подается в верхнюю часть экстрактора из емкости 3 насосом 2. Из емкости 4 насосом 1 экстрагент (легкая жидкость) подается в нижнюю часть экстрактора.

Массообмен в экстракторе происходит в противотоке: экстр­агент проходит через тарелки снизу вверх, а исходный раствор дви­жется навстречу. В итоге из верхней части экстрактора выходит экстракт, а из нижней части - рафинат, которые собираются в соответствующие емкости.

1,2 - насосы; 3, 4, 6, 7 - емкости: 5 - экстрактор

Рисунок 7 – Схема непрерывнодействующей экстракционной установки

Введение

Экстракция в системе «жидкость - жидкость». Основные понятия и показатели

Органические растворители, применяемые при экстракции

Химические и массообменные процессы, протекающие при экстракции

Основные способы проведения экстракции

Современная экстракционная аппаратура

Расчетная часть

Очистка сточных вод

Заключение

Список литературы

Введение

Экстракцией в широком смысле называют процессы извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательно действующих растворителей. Поэтому принципиально экстракция может осуществляться в системах твердое - жидкое (например, экстракция золота из руд цианистыми растворами) или жидкое - жидкое. В гидрометаллургии под экстракцией, или экстрагированием, обычно понимают процесс жидкостной экстракции, заключающийся в извлечении вещества, растворенного в одном растворителе, с помощью другого растворителя, не смешивающегося с первым. В качестве двух таких жидких сред используются водный металлосодержащий раствор химических реагентов и органическая жидкость.

Основными достоинствами процесса экстракции, по сравнению другими процессами разделения жидких смесей, являются:

низкая рабочая температура (процесс, как правило, проводится при комнатной температуре);

большая скорость массообмена между двумя контактирующими фазами (вследствие очень значительной площади их контакта при эмульгировании органической фазы в водном растворе);

высокая селективность экстрагентов, позволяющая разделить родственные, трудноразделимые элементы;

легкость разделения двух фаз (несмешивающиеся жидкости с разной плотностью);

возможность извлечения металлов из сильно разбавленных растворов;

сколько угодно глубокая очистка получаемого металла;

возможность регенерации затрачиваемых реагентов;

возможность полной механизации и автоматизации процесса.

Эти обстоятельства обуславливают широкое применение экстракционных процессов в современной гидрометаллургии.

Экстракция в системе «жидкость - жидкость». Основные понятия и показатели

Принята следующая терминология экстракции. Участвующие в процессе два растворителя (водный и органический) в исходном состоянии называются «исходный раствор» и «экстрагент». В момент контактирования (при экстракции) они называются «водной» и «органической» фазами, а после экстракции (отстаивания и разделения) - «рафинатом» и «экстрактом».

Процесс экстракции состоит из следующих стадий:

подготовка исходного раствора и экстрагента (рис.1, а);

контактирование этих растворов с эмульгированием органической и водной фаз (рис.1, б, в);

отстаивание и расслаивание этих фаз (хорошо наблюдаемое визуально) (рис.1, г);

разделение рафината и экстракта (рис.1, д).

Рис.1. Схема процесса жидкостной экстракции. 1 - исходный раствор; 2 - экстрагент; 3 - рафинат; 4 - экстракт.

Из экстрагента, насыщенного извлекаемым элементом (экстракта), металлы извлекаются методом реэкстракции, заключающимся в обработке экстракта водным раствором какого-либо химического реагента, создающего благоприятные условия для обратного перевода металлов из органической фазы в водную. Схема осуществления процесса реэкстракции аналогична этапам экстракции. При этом реагент, используемый для извлечения вещества из органической фазы, называется реэкстрагентом, а полученный продукт - реэкстрактом. Следовательно, экстрагент и экстракт - органическая фаза, а реэкстрагент и реэкстракт - водная. Почти всегда после реэкстракции экстрагент регенерируется до исходного состояния, поэтому его называют регенерированным экстрагентом.

Таким образом, при экстракции и реэкстракции применяются следующие обозначения продуктов по мере протекания процесса:

Экстракция:

экстрагент ® органическая фаза ® экстракт

исходный раствор ® водная фаза ® рафинат

Реэкстракция:

экстракт ® органическая фаза ® регенерированный экстрагент

реэкстрагент ® водная фаза ® реэкстракт.

Окончательным продуктом цикла «экстракция - реэкстракция» является снова водный раствор - реэкстракт. Но полученный в результате реэкстракции водный раствор отличается от исходного тем, что не содержит или содержит только небольшое количество примесей, отделение ценного компонента от которых составляет основную трудность его извлечения из раствора. При этом часто реэкстракт в отличие от исходного раствора обогащается металлом.

Органические растворители, применяемые при экстракции

В качестве экстрагентов применяются органические соединения.

Идеальный экстрагент должен отличаться следующими свойствами:

быть достаточно селективным (то есть избирательно извлекать из водных растворов, содержащих сумму металлов, только интересующие нас компоненты);

обладать высокой экстракционной способностью (поглощать в единице своего объема значительное количество экстрагируемого компонента);

обеспечивать достаточно легко осуществимую регенерацию экстрагента с извлечением металла из органической фазы;

быть безопасным при работе (не токсичным, не летучим, не воспламеняться);

сохранять устойчивость во время хранения или при контакте с кислотами и щелочами;

быть достаточно дешевым.

Найти такой идеальный экстрагент почти невозможно, поэтому обычно принимается компромиссное решение.

С учетом того, что в механизме экстракционного разделения важную роль играет массоперенос, одним из главных физических свойств органической фазы является вязкость. Знание характеристик вязкости, энергии межфазной границы, плотности сред крайне необходимо для суждения о кинетике процесса экстракции не только в смысле массопереноса, но и с точки зрения диспергирования фаз и скорости отстаивания приведенных в равновесие жидких фаз. Однако органические экстрагенты, как правило, являются довольно вязкими средами. При этом вязкость органической фазы резко возрастает с увеличением насыщения ее ионами металла. Повышение вязкости органической фазы выше определенного предела может резко затормозить процесс экстракции. Поэтому иногда нецелесообразно достигать значительного насыщения экстрагента металлами. Но даже при ограничении возможной насыщенности экстрагента в ряде случаев необходимо искусственно снижать вязкость органической фазы.

Кроме того, для хорошего расслаивания фаз после экстракции надо иметь достаточную разность в плотностях этих фаз, то есть экстрагент должен быть значительно легче водного раствора. Поэтому на практике экстрагент редко используют в чистом виде; его обычно разбавляют дешевым органическим растворителем, чтобы снизить вязкость и плотность. Этот вспомогательный растворитель, как правило, является инертным и не участвует в процессе экстракции. В такой системе из двух органических растворителей органическое соединение, участвующее в химических реакциях экстракции, называется экстракционным реагентом, а растворитель экстракционного реагента называется разбавителем. Весь же органический раствор - это экстрагент. Следует заметить, что разбавитель применяется не только для снижения вязкости и плотности органической фазы, но и для растворения образующихся продуктов при экстракционной реакции.

Наиболее широко применяются следующие типы органических растворителей:

углеводороды и их галоидопроизводные;

Углеводороды и их хлоропроизводные чаще всего применяются как разбавители экстракционных реагентов. Вследствие того, что углеводороды относятся к веществам с высокой летучестью, огнеопасностью и ядовитостью, для промышленного использования пригоден только ограниченный их ряд. Наиболее употребимы: бензол С 6 Н 6 ; толуол, или метилбензол СН 3 С 5 Н 5 ; керосин; дизельное топливо; гексан (С 6 Н 4), октан (С 8 Н| 8), бензин. Из хлорпроизводных от углеводородов наиболее употребимы четыреххлористый углерод ССl 4 , хлороформ СНС1 3 и дихлорметан СН 2 С1 2 . Хлорпроизводные иногда применяются как экстрагенты неорганических соединений (например, ССl 4 или СНСl 3 экстрагируют GeCl 4).

Кислородсодержащие экстрагенты подразделяются на соединения, не содержащие и содержащие солеобразующие группы. Кислородсодержащие органические растворители, не имеющие солеобразующих групп, используются как экстрагенты для извлечения галогенидов, нитратов, роданидов и других солей металлов. К ним относятся спирты ROH, эфиры ROR, сложные эфиры R-OCO-R, кетоны R-COR, d -кетоны RCOCH 2 COR (где R - органический радикал). Экстракция успешно протекает в сильнокислых растворах, в которых возможно образование оксониевых солей, либо в растворах с низкой кислотностью, но в присутствии высаливателей. При использовании спиртов, эфиров, кетонов отмечается образование сольвата, например, по схеме: mROR + nМеСl 3 + pHCl = mROR×nМеСl 3 ×рНСl. При этом величина кислотности сильно влияет на протекание этого процесса.

Из простых эфиров наиболее часто применяют диэтиловый эфир С 2 Н 5 ОС 2 Н 5 и его хлоропроизводное соединение - хлорекс СlС 2 Н 4 ОС 2 Н 4 Сl, или (С 2 Н 4 Сl) 2 О. Хлорекс является крайне слабым основанием и экстрагирует только очень сильные кислоты. Применяется он, например, при экстракции золотохлористоводородной кислоты из царсководочных растворов в цикле аффинажа благородных металлов.

Из алифатических (ациклических) спиртов (ROH, где R - С n Н (2п+1)) применяются бутиловый (С 4 Н 9 ОН), амиловый (С 5 Н 11 ОН), изоамиловый, гексиловый (С 6 Н 13 ОН), каприловый (С 7 Н 15 ОН), октиловый (С 8 Н 17 ОН), нониловый (С 9 Н 19 ОН), смесь спиртов С 7 - C 9 и дециловый (С 10 Н 21 ОН). Из ациклических спиртов (содержащих в молекулах циклы - кольца из трех и более атомов углерода) чаще применяется циклогексанол С 11 Н 11 ОН. Из ароматических спиртов (содержащих в молекулах циклы - бензольные ядра) используются a-нафтол и a, a’ -нафтолы .

При использовании кислородсодержащих органических растворителей, имеющих солеобразующие группы (карбоновые кислоты RCOOH), образуются не растворимые в воде соединения - мыла - вследствие экстракции не солей или их ацидокомплексов, а катионов металла. Карбоновые кислоты по своей структуре димеризованы.

Эта димеризация сохраняется и при экстракции, то есть образуется органическая соль M(HR 2) 2 . Экстракция с помощью карбоновых кислот обычно проводится при рН на 0,5 меньше рН гидролиза исходной неорганической соли металла. Подобный тип экстракции с использованием жирных кислот C n H 2 n +1 COOH применяется, например, в гидрометаллургии кобальта для очистки кобальтосодержащих растворов от примесей.

или непосредственно (связь Р-С, фосфорорганические соединения):

где R - алкильный (СnН 2 n +), циклоалкильный или арильный (одновалентный остаток ароматических углеводородов) радикал.

Наиболее изучена экстракционная способность средних эфиров фосфорной, фосфоновой и фосфиновой кислот, а также оксидов замещенных фосфинов. Экстракция всеми этими реагентами протекает на основе донорно-акцепторной способности фосфорильного кислорода - Р=О, которая возрастает в ряду:

Следовательно, в этом же направлении возрастает и экстракционная способность этих соединений. Из средних эфиров фосфорной кислоты наиболее широкое распространение в качестве экстрагента получил трибутилфосфат ТБФ ((С 4 Н 9 О) 3 РО), используемый в гидрометаллургии радиоактивных металлов (например, при производстве ядерного горючего, в частности, при экстракции уранилнитрата), в гидрометаллургии редких металлов (ниобий, тантал, цирконий и др.). Диалкилалкилфосфинаты ДААФ (R 1 P(O)(OR 2) 2) применяются при экстракции скандия из солянокислой среды, ниобия, тантала и других редкоземельных элементов.

Из азотсодержащих экстрагентов наиболее широко используются для целей экстракции амины разной степени замещенности (получаемые при замещении органическим радикалом протонов аммиака ): первичные , вторичные , третичные и четверичные аммониевые основания (ЧАО): R 4 NOH. Многие соли первичных, вторичных и третичных аминов, имеющих нормальные алкильные радикалы C n H 2 n +1 (алкиламины), ограниченно растворимы в жидких углеводородах, лучше - в ароматических (> 0,1 моль/л).

Для экстракции меди, никеля и кобальта предложены смеси a - гидроксимов с общей формулой , где R и R’ - радикал; R’’ - радикал или атом водорода.

Серосодержащие экстрагенты. Вследствие меньшей электронодонорной способности атома серы, по сравнению с атомом кислорода, замена кислорода на серу в соответствующих кислородсодержащих органических соединениях (эфирах, спиртах и т.д.) приводит к снижению экстракционных свойств серосодержащих органических соединений (тиоэфиры R 2 S; тиоспирты RSH; тиокислоты , ; дитиокислоты и т.д.).

Однако уменьшение основности тиосоединений может привести к повышенной селективности извлечения, вследствие чего серосодержащие органические экстрагенты представляют определенный интерес. Достаточно эффективными экстрагентами являются органические сульфиды (тиоэфиры). Например, диизобутилсульфид (iC 4 H 9) 2 S хорошо экстрагирует хлорное железо из растворов соляной кислоты в форме НFеСl 4 , подобно обычному кислородсодержащему дибутиловому эфиру (С 4 Н 9) 2 О. Применительно к неорганическим кислотам и солям урана испытаны в качестве экстрагентов оксиды диалкилсульфидов , получаемые окислением соответствующих диалкилсульфидов перекисью водорода в среде уксусной кислоты СН 3 СООН. Практический интерес в гидрометаллургии имеют сульфокислоты R-SO 3 H (или ), являющиеся катионообменными экстрагентами. Сульфированные углеводороды рекомендуются для промышленной экстракции никеля и кобальта из водных растворов с концентрацией металлов от 0,5 до 10 г/л.

Химические и массообменные процессы, протекающие при экстракции

Разделение веществ в процессе экстракции основано на различии в распределении между двумя несмешивающимися жидкостями. В простейшем случае, когда экстрагируемое вещество в обеих фазах находится в одной и той же форме (так называемое физическое распределение), применим закон Нернста:

,

где К d - константа распределения. Константа распределения K d не зависит от концентрации экстрагируемого вещества в водной фазе и при установленном постоянном соотношении объемов контактирующих фаз (Р: Э) при данной температуре остается постоянной величиной как для богатых, так и для бедных растворов. Поэтому в несколько последовательных циклов процесса можно достигнуть сколько угодно глубокую степень извлечения или очистки.

Однако к большинству реальных экстракционных систем закон распределения в своей классической форме не применим, так как в обеих фазах может происходить взаимодействие вещества с растворителем, возможны также экстракция вещества в виде нескольких типов соединений, изменение взаимной растворимости фаз под влиянием экстрагируемых веществ и т.д. Поэтому для характеристики распределения вещества обычно используют коэффициент распределения

где С х О и С х В - соответственно общие аналитические концентрации экстрагируемого вещества во всех соединениях в органической и водной фазах.

Поскольку экстракция проводится не столько для извлечения металла из чистых растворов, сколько для избирательного выделения ценного элемента из растворов, содержащих сумму примесей, применяется еще один показатель, имеющий название фактора разделения:

.

То есть он представляет собой отношение коэффициентов распределения двух веществ. Для условий разделения обязательно необходимо иметь неравенство D Ме1 ¹ D Me 2 . Наилучшее разделение происходит, когда D Ме1 >> D Ме2 . При этом чем ближе S к единице, тем больше число стадий экстракции требуется проводить. При вычислении величины фактора разделения принято больший коэффициент распределения D Ме помещать в числитель, поэтому всегда S ³ 1.

Как и в любом гидрометаллургическом процессе, важным показателем экстракции является величина извлечения металла (или процента экстракции):

,

где V 0 и V В - соответственно объем органической фазы и водного раствора. Коэффициент распределения D и степень извлечения Е - величины взаимосвязанные:

.

Наиболее часто извлечение металлов из водной в органическую фазу осуществляется тремя способами:

Катионообменной экстракцией - экстракцией металлов, находящихся в йодных растворах в виде катионов, органическими кислотами или их солями. Механизм экстракции состоит в обмене экстрагирующегося катиона на Н + или другой катион экстрагента.

Анионообменной экстракцией - экстракцией металлов, находящихся в водных растворах в виде анионов, солями органических оснований. Экстракция происходит за счет обмена металлсодержащего аниона на анион экстрагента.

Координационной экстракцией, при которой экстрагируемое соединение образуется в результате координации молекулы или иона экстрагента непосредственно к атому (иону) экстрагируемого металла, в результате чего металл и экстрагент оказываются в одной сфере экстрагируемого комплекса.

Координационными или комплексными соединениями являются те, у которых имеется центральный атом или ион, окруженный определенным числом ионов или молекул, называемых лигандами.

Количество химических (координационных) связей между центральным атомом или ионом (комплексообразователем) и лигандами называется координационным числом. Координационные связи часто имеют донорно-акцепторный характер, т. е. образуются при наличии у атома-донора неподеленной (свободной) пары электронов, связывающейся с атомом-акцептором. При образовании, например, комплексного иона (NH 4) + :

,

азот, имеющий в молекуле NH 3 неподеленную пару электронов, является донором, а ион водорода - акцептором.

Лигандами являются анионы неорганических кислот, органические кислоты и нейтральные молекулы (например, Н 2 О), причем образование комплексных ионов можно представить как вытеснение молекул воды, окружающих (гидратирующих) ион, другим лигандом. Лиганды в зависимости от числа атомов, образующих координационную связь, могут быть монодентатными, бидентатными и т. д.

Полидентатные лиганды (бидентатиые и более) образуют циклические комплексы, т. е. экстрагируемый ион окружен несколькими молекулами органического экстрагента.

Центральный атом и координированные группы (лиганды) образуют внутреннюю координационную сферу комплекса - комплексный ион. Компенсирующие заряд комплексного иона положительные или отрицательные ионы образуют внешнюю сферу комплексного соединения.

Катионообменная экстракция

Этот тип экстракции может быть в общем виде описан уравнением

где Me - металл валентностью z;

R - кислотный остаток органической кислоты. Распространенными катионообменными экстрагентами являются кислоты жирного ряда типа RСООН (например, карбоновые кислоты) с числом углеродных атомов в радикале R от семи до девяти (С 7 - С 9) и нафтеновые кислоты:

Нафтеновые кислоты получают из сырой нефти; их молекулярная масса колеблется от 170 до 330. Часто используют алкилфосфорные кислоты, в частности производные ортофосфорной кислоты - алкилортофосфаты. Если в ортофосфорной кислоте (Н 3 РО 4) два иона водорода заменены на органические радикалы, получаются продукты под названием диалкилортофосфатов, например ди-(2-этилгексил)-фосфорная кислота (Д2ЭГФК).

Разновидностью катионообменной экстракции является экстракция комплексообразующими (хелатообразующими) моно-, би- и полидентатными экстрагентами типа оксимов - соединений, содержащих группу (=N-ОН). В этом случае экстракция происходит в результате ионного обмена и координации экстрагента к атому (иону) экстрагируемого металла с образованием внутрикомплексных соединений.

Анионообменная экстракция

Анионообменные экстрагенты относятся к классу аминов, которые являются производными аммиака NH 3 . В зависимости от числа водородных атомов, замещенных в аммиаке углеводородными радикалами, получают первичные, вторичные или третичные амины:

R - углеводородный радикал, содержащий от 7 до 9 (иногда до 16) углеродных атомов.

В аминах азот имеет неподеленную пару электронов, что определяет свойство этих экстрагентов образовывать координационные соединения

Образующиеся при обработке кислотой соли аминов могут обменивать анион кислоты на металлсодержащие анионы, например

В щелочной среде амины могут находиться не в виде солей, способных обменивать анионы, а в виде нейтральных молекул, поэтому их применяют только в кислых средах.

Наиболее употребительными из аминов являются коллектор АНП - первичный амин, дилауриламин (вторичный амин) и триоктиламин (третичный амин).

Кроме экстрагирования по типу анионного обмена, экстракция аминами иногда приводит к внедрению амина во внутреннюю координационную сферу экстрагируемого комплексного аннона с образованием прочных связей металл - азот (что характерно, например, для платиновых металлов). Образующиеся при этом внутрикомплексные соединения очень прочны, в результате чего затруднен процесс обратного перевода металла из органической фазы в водную - реэкстракция.

Еще одним классом анионообменных экстрагентов являются четвертичные аммониевые основания (ЧАО) и их соли (ЧАС). ЧАО являются производными иона аммония (NH 4) + :

,

где R - углеводородный радикал.

Наиболее употребительны такие ЧАС, как триалкилбензиламмоний хлорид - сокращенно TAБАХ, триалкилметиламмонийхлорид (CH 3 R 3 N)Cl - ТАМАХ, тетраалкиламмонийхлорид (R 4 N)Cl - ТААХ. R - C n H 2 n +1 , где n = 8 - 10.

ЧАС экстрагируют металлы только по типу реакции анионного обмена:

где z - заряд металлсодержащего аниона МеХ;

m - заряд аниона ЧАС;

Y - анион ЧАС.

ЧАС способны экстрагировать металлсодержащие соли не только из кислых, но и из щелочных растворов.

Соли аминов и ЧАС в ряде случаев имеют ограниченную растворимость в обычно используемых разбавителях (керосин, углеводороды). Для улучшения растворимости к органической фазе добавляют органические спирты (например, дециловый), однако большие (свыше 10%) концентрации спирта обычно ухудшают экстракцию из-за взаимодействия с экстрагентом.

Основные способы проведения экстракции

Используются в основном следующие способы проведения экстракции: однократная экстракция, многократная экстракция с перекрестным и противоточным движением растворителя, непрерывная противоточная экстракция. Наибольшее распространение в промышленности получила экстракция одним растворителем, хотя находит применение и экстракция двумя экстрагентами.

Однократная (одноступенчатая) экстракция. Этот способ проведения экстракции заключается в том, что исходный раствор F и экстрагент S перемешивают в смесителе, после чего в отстойнике разделяют на два слоя: экстракт Е и рафинат R. Обычно считают, что в смесителе вследствие интенсивного перемешивания и достаточного времени контакта устанавливается фазовое равновесие, т. е. однократная экстракция позволяет достигнуть эффективности, соответствующей теоретической ступени изменения концентрации. Степень извлечения при таком методе проведения экстракции можно повысить, увеличивая подачу экстрагента в аппарат, но это приведет к снижению концентрации экстракта и удорожанию процесса.

Процесс можно осуществлять как периодически, так и непрерывно. При периодической организации процесса стадию разделения экстракта и рафината можно проводить в смесителе. В этом случае отпадает необходимость в отстойнике.

Многократная экстракция с перекрестным током растворителя. При проведении экстракции по этому способу (рис. 2) исходный раствор F и соответствующие рафинаты обрабатывают порцией свежего экстрагента S 1 , S 2 и т.д. на каждой ступени экстракции, состоящей из смесителя и отстойника (на рис. 2 отстойники не показаны), причем рафинаты направляют последовательно в следующие ступени, а экстракты Е 1 , Е 2 каждой ступени выводят из системы. При таком способе экстрагирования исходный раствор F поступает в первую ступень, а конечный рафинат R n отбирают из последней, n-й ступени.

Рис. 2. Схема многократной экстракции с перекрестным током растворителя (1, 2,3, … , n - ступени).

По этому способу можно практически полностью извлечь из исходного раствора распределяемый компонент и получить чистый рафинат. Однако при этом неизбежны потери растворителя, содержащегося в исходном растворе, так как в каждой ступени происходит частичное удаление этого растворителя с экстрактом.

Многократная экстракция с противоточным движением растворителя. Этот способ проведения экстрагирования характеризуется многократным контактированием в ступенях 1, 2 и т.д. при противоточном движении потоков рафината R и экстракта E (рис. 3) при условии подачи исходного раствора F и экстрагента S с противоположных концов установки. Поскольку способ проведения экстракции при противоточном движении растворителя позволяет обеспечить получение продуктов заданного качества при достаточно высокой производительности установки, этот способ экстрагирования находит достаточно широкое применение в промышленности.

Рис. 3. Схема многократной экстракции с противоточным движением растворителя (1,2, … , n-1. n - ступени).

Непрерывная противоточная экстракция. Такой способ экстрагирования осуществляют в аппаратах колонного типа (например, насадочных). Более тяжелый раствор (например, исходный) непрерывно подают в верхнюю часть колонны (рис. 4), откуда он стекает вниз.

В нижнюю часть колонны поступает легкая жидкость (в нашем случае растворитель), которая поднимается вверх по колонне. В результате контакта этих растворов происходит перенос распределяемого вещества из исходного раствора в экстрагент. Этот способ экстракции часто применяется в промышленности.

Противоточная экстракция с флегмой. При необходимости более полного разделения исходного раствора экстрагирование можно проводить с флегмой по аналогии с процессом ректификации (рис. 5). В этом случае исходную смесь F подают в среднюю часть аппарата (на ступень питания). После регенерации экстракта в регенераторе 2 часть полученного продукта R 0 возвращают в виде флегмы в аппарат 1, а другую часть отбирают в виде извлеченного из исходного раствора компонента В. Очевидно, что составы растворов R 0 и B одинаковы. Таким образом, узел 2 экстракционной установки является аналогом узла дефлегмации ректификационной установки.

Рис. 5. а) (слева) схема противоточной экстракции с флегмой: 1 - экстракционный аппарат; 2 - аппарат для регенерации экстракта; б) схема экстракции с двумя растворителями: 1 - экстракционный аппарат; 2 - аппарат для регенерации экстракта.

Поток флегмы R 0 при контакте с потоком экстракта вымывает из последнего частично или полностью растворенный в нем исходный растворитель A, который в конечном итоге переходит в рафинат, вследствие чего степень разделения и выход рафината повышаются.

Следует отметить, что экстракция с флегмой, улучшая разделение исходного раствора, приводит к увеличению расхода экстрагента и объема аппаратуры, что удорожает этот процесс. Поэтому выбор количества флегмы должен производиться на основе технико-экономического расчета.

Экстракция двумя растворителями. Если в исходном растворе содержится два или более компонентов, которые нужно извлечь раздельно или группами из нескольких компонентов, то используют экстракцию с двумя несмешивающимися растворителями (рис. 5,б). Растворители подбирают таким образом, чтобы каждый из них преимущественно растворял какой-нибудь один компонент или группу компонентов. Исходную смесь F, состоящую из компонентов A и B, подают в среднюю часть аппарата 1. Экстрагент S, (более тяжелый, чем S 1), избирательно растворяющий компонент A, поступает в верхнюю часть аппарата 1, а экстрагент S 1 , избирательно растворяющий компонент B, - в его нижнюю часть.

Экстракцию с двумя растворителями обычно применяют для разделения веществ с близкой растворимостью. Для осуществления этого метода требуется относительно большой расход экстрагентов, что существенно удорожает процесс.

экстракция растворитель органический катионообменный

Современная экстракционная аппаратура

По принципу взаимодействия или способу контакта фаз экстракторы подразделяют на две группы: ступенчатые и дифференциально-контактные. Внутри этих групп экстракторы часто подразделяют на гравитационные (скорость фаз в них обусловлена разностью плотностей этих фаз) и механические (при добавлении потокам энергии извне путем механического перемешивания, действием центробежной силы, поршневым пульсатором и т.д.). Практически в любом из аппаратов названных групп для увеличения поверхности контакта фаз одна из фаз различными способами диспергируется и распределяется в другой, сплошной фазе в виде капель. После каждого перемешивания фаз в аппаратах следует сепарация этих фаз, что необходимо прежде всего для регенерации экстрагента (под действием гравитационных или центробежных сил). Отметим также, что в промышленности обычно применяют непрерывно-действующие экстракторы.

Ступенчатые экстракторы. Экстракторы этой группы состоят из дискретных ступеней, в каждой из которых происходит контакт фаз, после чего они разделяются и движутся противотоком в последующие ступени. На рис. 6 представлена схема одноступенчатой (а) и многоступенчатой (б и в) установок одного из самых распространенных типов ступенчатых экстракторов - смесительно-отстоиного.

Рис. 6. Схемы одноступенчатой (а) и многоступенчатых (б, в) установок смесительно-отстойных экстракторов: 1 - смесители; 2 - отстойник; 3 - насосы.

К достоинствам смесительно-отстойных экстракторов относятся их высокая эффективность (эффективность каждой ступени может приближаться к одной теоретической ступени разделения), возможность быстрой смены числа ступеней, пригодность для работы в широких интервалах изменения физических свойств и объемного соотношения фаз, относительно легкое масштабирование и др. Недостатками этих экстракторов являются большая занимаемая производственная площадь, наличие смесителей с индивидуальными приводами, большие объемы гравитационных отстойных камер.

Смесительно-отстойные экстракторы большой производительности (до 1500 м 3 /ч) находят применение в гидрометаллургии, технологии урана и в различных других многотоннажных производствах.

Дифференциально-контактные экстракторы. Экстракторы этой группы отличаются непрерывным контактом между фазами и плавным изменением концентрации по высоте аппарата. В таких экстракторах (в отличие от ступенчатых) равновесие между фазами по сечению аппарата не достигается. Дифференциально-контактные экстракторы компактнее ступенчатых и занимают меньшую производственную площадь.

В гравитационных экстракторах движение фаз происходит вследствие разности их плотностей. К гравитационным экстракторам относятся распылительные, насадочные и тарельчатые колонны.

Рис. 7. Полые (распылительные) колонные экстракторы: а - с распылением тяжелой фазы; б - с распылением легкой фазы; 1 - экстракторы; 2 - разбрызгиватели; 3 - гидрозатворы; 4 -поверхности раздела фаз.

Наиболее простыми по устройству представителями гравитационных экстракторов являются распылительные колонны (рис. 7). Важным достоинством распылительных экстракторов является возможность обработки в них загрязненных жидкостей. Иногда эти аппараты применяют для экстрагирования из пульп.

Достаточно широкое распространение в промышленности получили насадочные экстракторы (рис. 8), которые по конструкции аналогичны насадочным абсорберам.

Рис. 8. Насадочный экстрактор: 1 - насадка; 2 - распределитель; 3 - отстойники; 4 - гидрозатвор; 5 - поверхность раздела фаз.

В качестве насадки 1 часто используют кольца Рашига, а также и насадки других типов. Насадку располагают на опорных решетках секциями, между которыми происходит перемешивание фаз. Одну из фаз (на рис. 8 - экстрагент) диспергируют с помощью распределительного устройства 2 в потоке сплошной фазы (исходный раствор). В слое насадки капли могут многократно коалесцировать и затем дробиться, что повышает эффективность процесса. Очень важным является выбор материала насадки. Она должна предпочтительно смачиваться сплошной фазой, поскольку при этом устраняется возможность нежелательной коалесценции капель и образования на поверхности насадки пленки, что приводит к резкому снижению поверхности контакта фаз. Отметим, что керамическая и фарфоровая насадки лучше смачиваются водной фазой, чем органической, а пластмассовая насадка обычно лучше смачивается органической фазой. Разделение фаз в насадочных колоннах происходит в отстойных зонах 3, часто имеющих больший диаметр, чем диаметр экстрактора, для лучшей сепарации фаз.

К механическим экстракторам относятся дифференциально-контактные экстракторы с подводом внешней энергии в контактирующие фазы.

Одним из распространенных в технике механических экстракторов является роторно-дисковый экстрактор. Роторные экстракторы различаются в основном конструкцией перемешивающих устройств. Так, вместо гладких дисков применяют различного вида мешалки, иногда секции заполняют насадкой и т.п. К основным достоинствам роторных экстракторов относятся высокая эффективность массопереноса, малая чувствительность к твердым примесям в фазах, возможность создания аппаратов большой единичной мощности и др.

Вместе с тем роторным экстракторам присущ серьезный недостаток - так называемый масштабный эффект, т.е. существенное увеличение ВЕП с увеличением диаметра аппарата. Причина этого явления заключается в неравномерности поля скоростей по высоте и поперечному сечению аппарата, в образовании застойных зон, байпасировании, способствующих усилению продольного перемешивания и нарушению равномерной структуры потоков в аппарате.

Эффективность процесса массопереноса при экстракции можно повысить за счет пульсации фаз. В пульсационных экстракторах применяют два основных способа сообщения пульсаций жидкостям. По первому способу пульсации в колонном экстракторе генерируются наружным механизмом (пульсатором) гидравлически, по второму - посредством вибрации перфорированных тарелок, укрепленных на общем штоке, которому сообщается возвратно-поступательное движение.

Применение пульсаций в процессе экстракции способствует лучшему диспергированию жидкости, интенсивному обновлению поверхности контакта фаз, увеличению времени пребывания диспергируемой жидкости в экстракторе. Наибольшее распространение в технике получили ситчатые тарельчатые и насадочные пульсационные экстракторы.

Пульсационный экстрактор (рис. 9.) представляет собой колонну с ситчатыми тарелками без патрубков для перетока сплошной фазы. В колонне при помощи специального механизма (пульсатора) жидкости сообщаются пульсации - колебания небольшой амплитуды (10-25 мм) и определенной частоты. В качестве пульсатора чаще всего используют бесклапанный поршневой насос, присоединяемый к днищу колонны (рис. 9, а) или к линии подачи легкой жидкости (рис. 9, б). При сообщении жидкости пульсаций происходит многократное тонкое диспергирование одной из фаз, что обусловливает интенсивную массопередачу. Помимо ситчатых экстракторов, применяются также насадочные пульсационные колонны.

Эффективный способ интенсификации процесса экстракции путем сообщения жидкости пульсаций может быть использован также в экстракционных аппаратах других типов.

Для надежного отделения механизма пульсатора от рабочей среды при обработке химически агрессивных и радиоактивных веществ применяют мембрану (рис. 9,в), сильфон (рис. 9, г) или пневматическое устройство (рис. 9, д). В последнем случае между поршнем пульсатора и колонной помещают буферный слой воздуха, который попеременно расширяется и сжимается, сообщая колебания жидкости в колонне.

Рис. 9. Пульсационные ситчатые экстракторы (А - тяжелая фаза, В - легкая фаза): а - пульсатор присоединен к днищу колонны; б - пульсатор присоединен к трубопроводу для подачи легкой жидкости; в - пульсации передаются через мембрану; г - пульсации передаются через сильфон; д - пульсации передаются через буферный слой воздуха (воздушную подушку).

Пульсационные экстракторы высокоэффективны, позволяют проводить экстракцию без контакта обслуживающего персонала с обрабатываемыми жидкостями, что очень важно, если жидкости радиоактивны или токсичны.

В мировой практике применяются ситчатые пульсационные колонны диаметром до 3 м и насадочные диаметром до 2 м.

К недостаткам пульсационных колонн относятся большие динамические нагрузки на фундамент, повышенные эксплуатационные расходы, трудность обработки легкоэмульгируемых систем.

Расчетная часть

Задача 1. Расчет необходимого расхода экстрагента в непрерывно действующем противоточном экстракторе типа «смеситель - отстойник».

Определить: объемный (V Э, м 3 /с) и массовый (G, кг/с) расход экстрагента.

Составляем уравнение материального баланса экстракции:

Определение объемный расход экстрагента:

3. Определение массовый расход экстрагента:

Задача 2. Расчет необходимого числа ступеней экстракции при извлечении из раствора Молибдена 0,3М раствором Д2ЭГФК.

5. Расчет необходимого теоретического числа ступеней экстракции:

Результат округляется до целых в большую сторону.

(ступеней)

Задача 3. Расчет эффективности процесса экстрагирования соли Ме (в экстракторе типа «смеситель - отстойник»).

Определить: эффективность экстракции.

Определение плотности смеси:

Расчет диаметра капель:

м

Расчет средней продолжительности контакта фаз:

с

Расчет эффективности экстракции:

Очистка сточных вод

Примером экстракционной очистки сточных вод может служить очистка от фенолов в коксохимической, сланцеперерабатывающей и углеперерабатывающей промышленности; от анилина; от уксусной кислоты; от эпихлоргидрина в химической промышленности органическими растворителями (бензол, простые и сложные эфиры).

При экстракционной очистке фенольных сточных вод в качестве экстрагента применяют бутилацетат, диизопропиловый эфир, бензол и др. Для повышения эффективности извлечения фенолов предложено использовать смешанные растворители: бутилацетат в смеси с бутиловым спиртом, с диизопропиловым эфиром и др. Однако наиболее часто применяют бутилацетат или смесь бутилацетата с изобутилацетатом (феносольван), обладающие высокой экстрагирующей способностью по отношению к фенолам.

Установки для экстракционной очистки сточных вод от фенолов включают четыре отделения: 1) подготовки фенольных сточных вод к экстракции - выделение смол отстаиванием и фильтрацией, охлаждение сточной воды, улавливание паров растворителя и, в случае необходимости, карбонизация; 2) экстракции; 3) регенерации экстрагента из воды; 4) регенерации растворителя из экстракта и получения товарных фенолов.

Для экстракционной очистки сточных вод коксохимических заводов могут быть применены различные растворители (бензол, сложные эфиры, поглотительное масло и др.), однако наибольшее распространение нашел бензол, получаемый при коксовании угля. В связи с тем, что коэффициент распределения бензола по отношению к фенолу невелик (около 2,2 при 20 °С), используются значительные объемы бензола и концентрация фенолов в экстракте мала. Поэтому для регенерации бензола применяют не дистилляционные методы, а метод абсорбции водным раствором щелочи (бензол-фенолятный метод).

Бензол-фенолятный метод очистки включает следующие стадии: 1) обессмоливание воды отстаиванием, фильтрованием и промывкой циркулирующим бензолом; 2) экстракция фенолов из сточной воды бензолом; 3) очистка бензола от растворимых в нем кислых газов промывкой щелочно-фенолятным раствором; 4) экстракция фенолов из бензола щелочным раствором; 5) выделение растворенного бензола из обесфеноленной сточной воды. Полученные растворы фенолятов после предварительного упаривания направляют на переработку.

На некоторых коксохимических заводах в качестве экстрагентов используют бутилацетат, феносольван, каменноугольное масло и др.

Экстракционные методы обесфеноливания сточных вод обладают большими достоинствами: высокой эффективностью очистки, возможностью извлечения нелетучих фенолов и др.

Заключение

Основным достоинством процесса экстракции по сравнению с другими процессами разделения жидких смесей (ректификацией, выпариванием и др.) является низкая рабочая температура процесса, который проводится наиболее часто при нормальной (комнатной) температуре. При этом отпадает необходимость в затратах тепла на испарение раствора. Вместе с тем применение дополнительного компонента - экстрагента и необходимость его регенерации приводит к некоторому усложнению аппаратурного оформления и удорожанию процесса экстракции.

При извлечении летучих веществ экстракция может успешно конкурировать с ректификацией в тех случаях, когда разделение ректификацией либо затруднено, а иногда и практически невозможно (разделение смесей, состоящих из близкокипящих компонентов и азеотропных смесей), либо сопряжено с чрезмерно высокими затратами (извлечение вредных примесей или ценных веществ из сильно разбавленных растворов).

Экстракция незаменима для разделения смесей веществ, чувствительных к повышенным температурам, например антибиотиков, которые могут разлагаться при разделении их ректификацией или выпариванием. Применение экстракции часто позволяет эффективно заменять такие процессы, как разделение высококипящих веществ с использованием глубокого вакуума, например молекулярной дистилляцией, или разделение смесей методом фракционированной кристаллизации.

Весьма перспективно применение экстракции для разделения смесей неорганических веществ, когда другие способы разделения неприменимы. Процессы жидкостной экстракции в настоящее время успешно используются для переработки ядерного горючего, получения циркония и гафния и многих других редких металлов. С помощью экстракции можно получать высокочистые цветные и благородные металлы.

В ряде случаев значительный эффект достигается при сочетании экстракции с другими процессами разделения. Примерами подобных комбинированных процессов являются: разделение близкокипящих и азеотропных смесей с помощью экстрактивной ректификации, предварительное концентрирование разбавленных растворов посредством экстракции перед выпариванием и ректификацией, которые проводятся при этом с меньшим расходом тепла.

Список литературы

1. Айнштейн В.Г. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. - М.: Химия, 2002 г. - 1758 стр.

Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Ч.2. - М.: Химия, 2002 г. - 368 стр.

Зюлковский З. Жидкостная экстракция в химической промышленности. - Л.; Госхимиздат, 1963 г. - 479 стр.

Карпачева С.М., Захаров Е.И. Пульсирующие экстракторы. - М.: Атомиздат, 1964 г. - 299 стр.

Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973 г. - 750 стр.

Леонов С.Б. Гидрометаллургия. Ч. 2. Выделение металлов из растворов и вопросы экологии. - 2000 г. - 491 стр.

Меретуков М.А. Процессы жидкостной экстракции и ионообменной сорбции в цветной металлургии. - М.: Металлургия, 1978 г. - 120 стр.

Плановский А.Н., Рамм В.М. Процессы и аппараты химической технологии. - М., изд-во Химия, 1966 г. - 848 стр.

Проскуряков В.А. Шмидт Л.И Очистка сточных вод в химической промышленности. - Л. Химия, 1977 г. - 464 стр.

Ягодин Г.А., Каган С.З. Основы жидкостной экстракции. - М.: Химия, 1981 г. - 400 стр.

ФГОУ ВПО

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Тема: «Расчет экстрактора»

специальность 110303 – механизация переработки

Сельскохозяйственной продукции

Студент: Никонов Николай Юрьевич

Руководитель проекта: канд. техн. наук, доцент Н.Н. Устинов

^

Тюмень - 2010

Механико-технологический институт

Специальность 110303 – механизация переработки сельскохозяйственной продукции

^ ЗАДАНИЕ НА

Тема (№ варианта) расчет экстрактора (7) __________________________
Срок представления работы (проекта) к защите « 10 » января 20 10 г.
Содержание курсовой работы (проекта)

Эскиз экстрактора

Дата выдачи задания: «2 » сентября 2010 г.
Руководитель: Н.Н. Устинов
Задание принял

К исполнению: Н.Ю. Никонов
СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6

^ НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОЕКТИРУЕМОГО АППАРАТА 7

РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛООБМЕННИКОВ 12

1. 
   Расчет гладких обечаек нагруженных внутренним избыточным давлением 12
   1. 
      Расчет цилиндрических обечаек 12
   2. 
      Расчет конических обечаек 13
   3. 
      Расчет выпуклой крышки 13
2. 
   Расчет обечаек, днищ и крышек, нагруженных наружным давлением 14
   1. 
      Расчет цилиндрической обечайки, нагруженной наружным давлением 14
   2. 
      Гладкие конические обечайки, нагруженные наружным давлением

1. 
   Расчет сопряжений рубашки с корпусом 17
   1. 
      Сопряжение рубашки с корпусом сосуда при помощи кольца 18
2. 
   Расчёт фланцевого соединения 21
   1. 
      Определение конструктивных параметров соединения 21
   2. 
      Расчёт на герметичность фланцевого соединения: 24
3. 
   Подбор и расчет опор 30
4. 
   Укрепление вырезов отверстий 33
   1. 
      Отверстие под патрубок верхнего люка 33
   2. 
      Отверстие под патрубок дна сосуда 34

1. 
   Отверстие под входной патрубок рубашки сосуда 36
2. 
   Отверстие под выходящий патрубок рубашки сосуда 38

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 44

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 45

ПРИЛОЖЕНИЯ 46

ВВЕДЕНИЕ

Процесс извлечения веществ из твердых тел является довольно сложный. В некоторых случаях полезные вещества находятся не в растворенном состоянии, и растворитель проникая в поры твердых тел, растворяет извлекаемые компоненты, переходящие затем в основную массу экстрагирующей жидкости.

Независимо от состояния извлекаемых компонентов в ткани растительного сырья процесс экстракции характеризуется, главным образом, молекулярной диффузией внутри твердой частицы и массообменном на ее поверхности, каждую из составляющих необ-ходимо учитывать количественно.

На коэффициент массообмена в экстракционных аппаратах большое влияние оказывают конструктивные особенности этих ап-паратов при определенных технологических условиях проведения процесса.

В пищевой промышленности для экстрагирования полезных ком-понентов из твердых тел широко применяются экстракторы различных конструкций непрерывного и периодического действия.

В данной работе производится расчет конструкции экстрактора периодического действия, применяющегося в пищевой промышленности. Особое внимание уделяется расчету на прочность.

^

НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОЕКТИРУЕМОГО АППАРАТА

В качестве экстрагента могут быть использованы вода, различные водные растворы или другие жидкости.

Целесообразно использовать под резервные емкости тепловые аппараты - экстракторы (рис. 1). Загрузка аппарата отваром осуществляется через верхнюю крышку, отбор продукта - через нижний штуцер.

В паровую рубашку подают горячую воду, чтобы температуру отвара поддерживать на уровне 90-95° С. Контроль за температурой осуществляется дистанционным термометром, вмонтированным в продуктопровод, подающий отвар на сушку.

Рисунок 1 - Резервные емкости для жидкого отвара.
Техническая характеристика подобного аппарата – экстрактора:

Несмотря на наличие резервной емкости, не рекомендуется накапливать жидкие отвары, особенно овсяный, в больших количествах, так как происходит нарастание кислотности, что приводит к ухудшению продукта.

Нарастание кислотности овсяного отвара по стадиям технологического процесса характеризуется следующими показателями (в °Т): после варки - 7,2, при выходе из протирочной машины- 8,1, после гомогенизатора-9,0, при выходе из сборников перед сушкой - 11,7.

Рассмотрим подобные конструкции экстракторов на примере выпускаемых установок на заводе АГРОМАШ.

Экстрактор периодического действия

Емкость-экстрактор (рис. 2) представляет собой герметичный вертикальный цилиндрический аппарат. Исходное растительное (или органическое) сырье помещается в специальных мешках или сетках.

Циркуляция раствора - экстрагента осуществляется с помощью насоса (или гидродинамического генератора). Забор раствора из аппарата осуществляется при помощи специального заборного устройства щелевого типа, а подача с помощью специального распылителя.

Рисунок 2 - Емкость-экстрактор с гидродинамическим перемешиванием

Технические характеристики

Объем общий, л 650*

Мощность эл.дв. насоса, кВт 1,1

Экстрактор периодического действия с мешалкой

Емкость-экстрактор (рис. 3) представляет собой сосуд с герметичными люками, подъемной крышкой с механическим подъемником, внутренними решетками. Циркуляция раствора-экстрагента осуществляется с помощью мешалки специальной конструкции. Эффективно используется во всех отраслях промышленности.

Технические характеристики*

Объем общий, л 650*

Мощность электродвигателя привода мешалки, кВт 5

Рисунок 3 - Экстрактор периодического действия с мешалкой

Экстрактор с ректификационной колонной и дефлегматором

Процесс экстрагирования происходит в экстракционной камере (рис. 4) аппарата, куда загружается сырье.

Пары экстрагента из испарительной камеры, обогреваемой паровой рубашкой, поступают в ректификационную колонну, откуда летучие фракции поступают в дефлегматор и конденсируются.

Технические характеристики*

Объем общий, л 1700

Рисунок 4 - Экстрактор с ректификационной колонной и дефлегматором

Для проектирования исходного аппарата и его узлов я выбрал жаропрочную, жаростойкую и коррозионностойкую сталь 08Х18Н10Т, т.к. она наиболее подходящая для данного агрегата. Узлы конструкции из такого материала способны выдержать большие нагрузки, а так же надежное применение в агрессивных химических средах. При цене листа за кг 230 руб.

1. 
   Расчет гладких обечаек нагруженных внутренним избыточным давлением
   1. 
      Расчет цилиндрических обечаек

Рисунок 5 – Гладкие цилиндрические обечайки с выпуклыми или коническими днищами: а – обечайка с отбортованными днищами; б – обечайка с неотбортованными днищами

Расчетная толщина стенки цилиндрических обечаек следует по формуле

Где p – расчетное давление, МПа

D – внутренний диаметр, м.

1. 
   Расчет конических обечаек

Где
- внутренний диаметр при основании конуса, м

- половина угла при вершине конуса (см. рис. 5)

Исполнительная толщина стенки

Условие применимости расчётных формул при соотношении между толщиной стенки наружной обечайки и диаметром в пределах

1. 
   Расчет выпуклой крышки

Радиус кривизны в вершине крышки

Где
- для эллиптических крышек с

Исполнительная толщина стенки крышки

Условие применимости расчетных формул при отношении толщины стенки к диаметру

1. 
   Расчет обечаек, днищ и крышек, нагруженных наружным давлением
   1. 
      Расчет цилиндрической обечайки, нагруженной наружным давлением

При определении расчетной длины обечайки или длину примыкающего элемента следует определять по формуле

мм - для конических днищ без отбортовки.

1. 
   Определяем вспомогательные коэффициенты

Где - запас устойчивости оболочки (при рабочих условиях = 2,4)

1. 
   Определяем приближенно толщину стенки

Где

Коэффициент
следует принимать по номограмме, приведенной в приложении А

1. 
   Определяем допускаемое давление из условия прочности

1. 
   Определяем допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости

Где

1. 
   Допускаемое наружное давление

1. 
   Проверяем условие

1. 
   Гладкие конические обечайки, нагруженные наружным давлением

Где D 1 – внутренний диаметр при вершине конуса, мм

1. 
   Определяем допускаемое давление из условия прочности:

1. 
   Определяем допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости:

Значение коэффициента В 1 определяем по формуле

1. 
   Допускаемое наружное давление определяем по формуле

1. 
   Проверяем условие устойчивости

1. 
   Расчет сопряжений рубашки с корпусом

Расчетное давление для рубашки равно p 2 и расчетное давление для сосуда p 1 , если p 1 > 0.

Рисунок 7 – Сосуды с U-образной рубашкой

А) – с сопряжением при помощи конуса; б) - с сопряжением при помощи кольца

1. 
   Сопряжение рубашки с корпусом сосуда при помощи кольца

Рисунок 8 – Сопряжение рубашки с корпусом при помощи кольца

1. 
   Определяем расстояние от середины стенки рубашки до наружной стороны стенки сосуда

1. 
   Определяем высоту кольца

Где р 2 – давление пара в рубашке, МПа)

[σ] 2 - допускаемое напряжение для материала стенки рубашки при расчетной температуре, МПа

1. 
   Определяем размер сварного шва между сосудом и кольцом при сопряжениях

=160,5 МПа

1. 
   Определяем расчетные коэффициенты прочности сварного шва

1. 
   Определяем параметры кольца

Относительное давление

Геометрический параметр кольца

φ P0 - коэффициент прочности сварного радиального шва в кольце сопряжения

B 0 - ширина кольца

1. 
   Определяем относительный момент нагружения

Где А – коэффициент осевого усилия по формуле:

Где d 1 – диаметр окружности сопряжения рубашки с днищем сосуда (рис.9). Диаметр окружности сопряжения рубашки с днищем сосуда должен удовлетворять условию

Рисунок 9 – Сопряжение рубашки с днищем

1. 
   Определяем относительный реактивный момент в стенке сосуда

P 2 >p 1 >0, то в формулу подставляем p 1 = 0

1. 
   Определяем относительный реактивный момент в стенке рубашки

, т.к.

1. 
   Определяем относительный реактивный момент в месте сопряжения кольца со стенкой сосуда

1. 
   Определяем допускаемое избыточное давление в рубашке определяем по формуле

1. 
   Уточняем значение высоты кольца

Где - собственный вес сосуда и его содержимого, при том, что опоры располагаются на рубашке.

Проверку несущей способности от совместного действия осевого усилия и избыточного давления в U-образной рубашке следует проводить по формуле:

1. 
   Расчёт фланцевого соединения
   1. 
      Определение конструктивных параметров соединения

1. 
   Толщина S 0 = 10 втулки фланца в зависимости от его конструкции (тип фланца – свободный) принимается таким образом, что удовлетворяет условию S 0 > S. S 0 =10 мм

Рисунок 10 – Расчётная схема

1. 
   Высота h в втулки свободного фланца:

1. 
   Внутренний диаметр свободного кольца D s принимаем

1. 
   Диаметр D б болтовой окружности фланцев:

Где u 1 – нормативный зазор между гайкой и обечайкой (u 1 = 8 мм);

D 6 =20 мм – наружный диаметр болта;

D s – внутренний диаметр свободного кольца.

1. 
   Наружный диаметр фланца:

Где а – конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца.

1. 
   Наружный диаметр прокладки выбираем с учетом условия

Где D s1 – наружный диаметр бурта ()

1. 
   Средний диаметр прокладки

Где b – ширина прокладки

1. 
   Определяем количество болтов, необходимое для обеспечения герметичности соединения:

1. 
   Высота (толщина) фланца ориентировочно:

Где λ ф = 0,28 – коэффициент, принимаемый по рис. 11

S экв – эквивалентная толщина втулки фланца

Рисунок 11 - График для определения коэффициента λ ф в плоских (1) и приварных встык (2) фланцах.

Где β 1 – коэффициент, определяемый по рис. 12

Рисунок 12 - График для определения коэффициента β 1

1. 
   Расчёт на герметичность фланцевого соединения:

1. 
   Определяем нагрузки в соединений при монтаже – F б1 и в рабочих условиях - F б2 (см. рис. 8)

Рисунок 8 - Схема действия нагрузок на фланец в рабочих условиях

1. 
   Равнодействующая от сил внутреннего давления

1. 
   Реакция прокладки

Где b 0 – эффективная ширина прокладки, м (при b < 15 мм b 0 = b = 15 мм);

K пр – коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки

1. 
   Определяем усилие, возникающее от температурных деформаций

Где α ф, α б, α с – соответственно коэффициенты линейного расширения материала фланца, болтов и свободного кольца;

T ф, t б, t с - соответственно температуры фланца, болтов, свободного кольца;

Y б, y п, y ф, y с – податливости соответственно болтов, прокладки, фланцев, свободного кольца, определяемые по формулам:

Где E б – модуль упругости материала болтов

F б – расчётная площадь поперечного сечения болта по внутреннему диаметру резьбы;

L б – расчётная длина болта.

Где l бо – расстояние между опорными поверхностями головки болта и гайки, определяется по формуле

Где h п – высота стандартной прокладки;

D = d б – диаметр отверстия под болт

Податливость прокладки

Где к п = 0,09 – коэффициент обжатия прокладки из резины;

Е п – модуль упругости материала прокладки

Податливость фланцев

Где Е – модуль упругости материала фланца, Н/м 2 ;

V, λ ф – безразмерные параметры.

Где ψ 1 ψ 2 – коэффициенты, определяемые по формулам:

Податливость свободного кольца

Где Е с – модуль упругости материала фланца, Н/м 2 ;

H с – высота свободного кольца, м (h с = h ф).

1. 
   Коэффициент жесткости фланцевого соединения при стыковке фланцев одинаковой конструкции:

1. 
   Болтовая нагрузка в условиях монтажа до подачи внутреннего давления:

Где: F – внешняя осевая растягивающая (+) или сжимающая (-) сила (F = 0 – в нашем случае);

М – внешний изгибающийся момент (М = 0);

[σ] σ20 – допускаемое напряжение для материала болта при 20º С, Н/м 2

Р пр – минимальное давление обжатия прокладки, МПа.

1. 
   Приведённый изгибающий момент:

1. 
   Проверяем условия прочности болтов

1. 
   Проверяем условие прочности неметаллических прокладок:

1. 
   Максимальное напряжение в сечении, ограниченном размером S 0

Где σ 1 – максимальное напряжение в сечение фланца, ограниченном размером S х,МПа,

F ф – безразмерный параметр, определяемый по монограмме (Приложение Б) в зависимости от S 1 /S 0

Т ф - безразмерный параметр, находим по формуле:

1. 
   Напряжение во втулке от внутреннего давления:

Меридиональное

1. 
   Проверяем усилие прочности для сечения фланца, ограниченного размером S 0:

Где [σ] 0 – допускаемое напряжение для фланца в сечении, принимаемое при количестве нагружении соединений 2·10 3 .

1. 
   Проверяем условие прочности для свободного кольца:

Где
– приведённый изгибающийся момент, определяемый из условия:

Где
и
Допускаемое напряжения для материала свободного кольца при 20ºС и расчётной температуре соответственно.

1. 
   Проверяем условие герметичности, определяемое углом поворота свободного кольца:

Где
- допустимый угол поворота кольца

1. 
   Подбор и расчет опор

1. 
   Предварительно выбираем сварные опоры (см. рис. 14) по ГОСТ 26296-84, учитывая вес аппарата. Вес аппарата определятся, суммой веса деталей, сборочных единиц с учетом веса, находящегося в аппарате продукта. Опорная лапа 1-25000 ГОСТ 26296-84

Рисунок 14 – Лапа опорная сварная

1. 
   Определяем плечо нагрузки по следующей формуле (см. рис. 15):

1. 
   Вычисляем нагрузку действующую на одну опору по формуле

1. 
   Определяем соотношение параметров аппарата и опоры:

1. 
   Определяем напряжение от действия внутреннего давления

1. 
   Максимальное мембранное напряжение от основных нагрузок и реакции опоры определяем по формуле

1. 
   Максимальное напряжение при изгибе от реакции опоры определяем по следующей формуле:

Рисунок 15 – Схема для определения плеча нагрузки

1. 
   Проверим условие прочности

1. 
   Укрепление вырезов отверстий
   1. 
      Отверстие под патрубок верхнего люка

Для эллиптической крышки при Н = 0,25 D

Проверяем по условию
если расчетный диаметр одиночного отверстия удовлетворяет условию, то дальнейших расчетов укрепления отверстий не требуется.

1. 
   Отверстие под патрубок дна сосуда

1. 
   Определяем расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, при наличии избыточной толщины стенки сосуда вычисляется по формуле

Где s – толщина стенки укрепляемой оболочки;

S p – расчетная толщина стенки укрепляемой оболочки,

D р – расчетные диаметры укрепляемых элементов:

Для конического днища

Расчетную толщину стенки штуцера, нагруженного как внутренним, так и наружным давлением, определяют по формуле

1. 
   Определяем расчетные диаметры в зависимости от выбранного типа укрепления.

Проверяем по условию

Рисунок 16 – Укрепление отверстий отбортовкой

L 1 > l 1р.

Исполнительная ширина зоны укрепления l должна удовлетворять условию l > l Р.

1. 
   Отверстие под входной патрубок рубашки сосуда

1. 
   Определяем расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, при наличии избыточной толщины стенки сосуда вычисляется по формуле

Где s – толщина стенки укрепляемой оболочки;

S p – расчетная толщина стенки укрепляемой оболочки,

D р – расчетные диаметры укрепляемых элементов:

Для цилиндрической обечайки

Расчетную толщину стенки штуцера, нагруженного как внутренним, так и наружным давлением, определяют по формуле

1. 
   Определяем расчетные диаметры в зависимости от выбранного типа укрепления.

Проверяем по условию

Условие не выполняется, проводим укрепление отверстия.

1. 
   Определяем расчетные и исполнительные размеры укрепления

Исполнительные длины штуцеров l 1 , l 2 должны удовлетворять условию

L 1 > l 1р.

Ширину зоны укрепления в обечайках, переходах и днищах определяют по формуле

Расчетную ширину зоны укрепления в стенке обечайки, перехода или днища в окрестности штуцера при наличии отбортовки

Исполнительная ширина зоны укрепления l должна удовлетворять условию l > l Р.

Отношения допускаемых напряжений для внешней части штуцера:

Расчетный диаметр определяют по формуле

1. 
   Проверяем условие укрепления одиночных отверстий

1. 
   Отверстие под выходящий патрубок рубашки сосуда

1. 
   Определяем расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, при наличии избыточной толщины стенки сосуда вычисляется по формуле

Где s – толщина стенки укрепляемой оболочки;

S p – расчетная толщина стенки укрепляемой оболочки,

D р – расчетные диаметры укрепляемых элементов:

Для конического днища

Расчетную толщину стенки штуцера, нагруженного как внутренним, так и наружным давлением, определяют по формуле

1. 
   Определяем расчетные диаметры в зависимости от выбранного типа укрепления.

Проверяем по условию если расчетный диаметр одиночного отверстия удовлетворяет условию, то дальнейших расчетов укрепления отверстий не требуется.

^ ОХРАНА ТРУДА, ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

В России государственный контроль и надзор за соблюдением требований охраны труда осуществляется федеральной инспекцией труда при Министерстве здравоохранения и социального развития Российской Федерации и федеральными органами исполнительной власти (в пределах своих полномочий).

Федеральная инспекция труда контролирует выполнение законодательства, всех норм и правил по охране труда. Государственный санитарно-эпидемиологический надзор, осуществляемый органами Министерства здравоохранения Российской Федерации, проверяет выполнение предприятиями санитарно-гигиенических и санитарно-противоэпидемиологических норм и правил. Государственный энергетический надзор при Министерстве топлива и энергетики Российской Федерации контролирует правильность устройства и эксплуатации электроустановок. Государственный пожарный надзор контролирует выполнение требований пожарной безопасности при проектировании и эксплуатации зданий и помещений.

Лица, виновные в нарушении требований ОТ, невыполнении обязательств по ОТ, предусмотренных коллективными договорами и соглашениями, трудовыми договорами (контрактами), или препятствующие деятельности представителей органов госнадзора и контроля за соблюдением требований ОТ, а также органов общественного контроля, несут дисциплинарную, административную, гражданско-правовую и уголовную ответственность в соответствии с законодательством РФ.
Различают следующие виды дисциплинарных взысканий:

• 
  Замечание;
• 
  Выговор;
• 
  Увольнение по соответствующим основаниям.

• 
  штраф;
• 
  лишение права занимать определённые должности и заниматься определённой деятельностью;
• 
  исправительные работы;
• 
  лишение свободы на определённый срок.

1. Производственное оборудование должно обеспечивать безопасность работающих при монтаже (демонтаже), вводе в эксплуатацию и эксплуатации, как в случае автономного использования, так и в составе технологических комплексов при соблюдении требований (условий, правил), предусмотренных эксплуатационной документацией.

Примечание. Эксплуатация включает в себя в общем случае использование по назначению, техническое обслуживание и ремонт, транспортирование и хранение.

2. Безопасность конструкции производственного оборудования обеспечивается:

1) выбором принципов действия и конструктивных решений, источников энергии и характеристик энергоносителей, параметров рабочих процессов, системы управления и ее элементов;

2) минимизацией потребляемой и накапливаемой энергии при функционировании оборудования;

3) выбором комплектующих изделий и материалов для изготовления конструкций, а также применяемых при эксплуатации;

4) выбором технологических процессов изготовления;

5) применением встроенных в конструкцию средств защиты работающих, а также средств информации, предупреждающих о возникновении опасных (в том числе пожаровзрывоопасных) ситуаций*;

* Опасная ситуация - ситуация, возникновение которой может вызвать воздействие на работающего (работающих) опасных и вредных производственных факторов.

6) надежностью конструкции и ее элементов (в том числе дублированием отдельных систем управления, средств защиты и информации, отказы которых могут привести к созданию опасных ситуаций);

7) применением средств механизации, автоматизации (в том числе автоматического регулирования параметров рабочих процессов) дистанционного управления и контроля;

8) возможностью использования средств защиты, не входящих в конструкцию;

9) выполнением эргономических требований;

10) ограничением физических и нервнопсихических нагрузок на работающих.

3. Требования безопасности к производственному оборудованию конкретных групп, видов, моделей (марок) устанавливаются на основе требований настоящего стандарта с учетом:

1) особенностей назначения, исполнения и условий эксплуатации;

2) результатов испытаний, а также анализа опасных ситуаций (в том числе пожаровзрывоопасных), имевших место при эксплуатации аналогичного оборудования;

3) требований стандартов, устанавливающих допустимые значения опасных и вредных производственных факторов;

4) научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, а также анализа средств и методов обеспечения безопасности на лучших мировых аналогах;

5) требований безопасности, установленных международными и региональными стандартами и другими документами к аналогичным группам, видам, моделям (маркам) производственного оборудования;

6) прогноза возможного возникновения опасных ситуаций на вновь создаваемом или модернизируемом оборудовании.

Требования безопасности к технологическому комплексу должны также учитывать возможные опасности, вызванные совместным функционированием единиц производственного оборудования, составляющих комплекс.

4. Каждый технологический комплекс и автономно используемое производственное оборудование должны укомплектовываться эксплуатационной документацией, содержащей требования (правила), предотвращающие возникновение опасных ситуаций при монтаже (демонтаже), вводе в эксплуатацию и эксплуатации. Общие требования к содержанию эксплуатационной документации в части обеспечения безопасности приведены в приложении.

5. Производственное оборудование должно отвечать требованиям безопасности в течение всего периода эксплуатации при выполнении потребителем требований, установленных в эксплуатационной документации.

6. Производственное оборудование в процессе эксплуатации не должно загрязнять природную среду выбросами вредных веществ и вредных микроорганизмов в количествах выше допустимых значений, установленных стандартами и санитарными нормами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данный курсовой проект представляет собой комплекс расчетно-графических работ, по конструированию и выбору экстрактора. Спроектированный теплообменный аппарат позволяет проводить необходимые процессы с заданными параметрами.

Проведя анализ работы экстрактора, я разобрал принципы конструирования узлов агрегата. Выяснил основные моменты, которые мне помогли глубже понять основы конструирования машин и аппаратов пищевого производства. В ходе проведения проектных и расчетных работ (конструктивный расчет, гидравлический расчет, расчет на прочность) выбраны конструктивные единицы, подтверждена механическая надежность, экономически-обоснованный выбор (материал, длина и т. д.), конструктивное совершенство аппарата. Эти факторы являются основными для высокопродуктивной, бесперебойной работы оборудования в промышленных условиях.

Мой проект является основанием закрепления дисциплин, связанных с проектированием, которые я благополучно буду применять на практике, при освоении новых дисциплин, связанных с моей специальность.

^ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 
   Соколов В. И. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов пищевых производств. - М.: Машиностроение, 1983. - 447 с.
2. 
   Харламов С.В Практикум по расчету и. конструированию машин и
   аппаратов пищевых производств: Учебное пособие. - Л.: Агропромиздат, 1991.
3. 
   Кононюк Л. В., Басанько В. А. Справочник конструктора оборудования пищевых производств. - К.: Техника, 1981.
4. 
   Остриков А. Н., Абрамов О. В, Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств. Учебник для вузов. - СПб.: ГИОРД, 2003.
5. 
   Курочкин А.А., Зимняков В.В. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств. – М.: Колос, 2006.
6. 
   ГОСТ 14249-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность
7. 
   ГОСТ 24755-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность укрепления отверстий
8. 
   ГОСТ 25867-83 Сосуды и аппараты. Сосуды с рубашками. Нормы и методы расчета на прочность
9. 
   ГОСТ 12.2.003-91 Система стандартов безопасности труда. Оборудование производственное. Общие требования безопасности

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А

Номограмма для расчета на устойчивость в пределах упругости цилиндрических обечаек, работающих под наружным давлением

Приложение Б

График для определения коэффициента f

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

расчет конструкции экстрактора периодического действия

теплообменник экстрактор сопряжение

Давление пара в экстракторе P = 8 кгс/м 2

Давление пара в рубашке P 1 = 1 кгс/м 2

Внутренний диаметр экстрактора D в = 650 мм

Внутренний диаметр рубашки D = 750 мм

Длина цилиндрической части корпуса L = 100 мм

Диаметр окружности установки болтов D б = 850 мм

Угол раствора конуса 2б = 120 0

Диаметр верхнего люка d = 40 мм

Диаметр патрубка для входа пара d 1 = 90 мм

Диаметр патрубка для выхода d 2 = 38 мм

Температура экстрагируемого вещества t = 70 0 C

Продукт: экстрагирование сахара из свеклы

Обязательный графический материал:

Эскиз экстрактора

Введение

Процесс извлечения веществ из твердых тел является довольно сложный. В некоторых случаях полезные вещества находятся не в растворенном состоянии, и растворитель проникая в поры твердых тел, растворяет извлекаемые компоненты, переходящие затем в основную массу экстрагирующей жидкости. Независимо от состояния извлекаемых компонентов в ткани растительного сырья процесс экстракции характеризуется, главным образом, молекулярной диффузией внутри твердой частицы и массообменном на ее поверхности, каждую из составляющих необходимо учитывать количественно. На коэффициент массообмена в экстракционных аппаратах большое влияние оказывают конструктивные особенности этих аппаратов при определенных технологических условиях проведения процесса. В пищевой промышленности для экстрагирования полезных компонентов из твердых тел широко применяются экстракторы различных конструкций непрерывного и периодического действия.

В данной работе производится расчет конструкции экстрактора периодического действия, применяющегося в пищевой промышленности. Особое внимание уделяется расчету на прочность.

1. Назначение и область применения проектируемого аппарата

Экстракторы (экстракционные аппараты) применяются для экстрагирования полезных веществ из растительного (или органического) сырья путем воздействия на него экстрагентом-растворителем.

В качестве экстрагента могут быть использованы вода, различные водные растворы или другие жидкости.

Целесообразно использовать под резервные емкости тепловые аппараты - экстракторы (рис. 1). Загрузка аппарата отваром осуществляется через верхнюю крышку, отбор продукта - через нижний штуцер.

В паровую рубашку подают горячую воду, чтобы температуру отвара поддерживать на уровне 90-95° С. Контроль за температурой осуществляется дистанционным термометром, вмонтированным в продуктопровод, подающий отвар на сушку.

Рисунок 1 - Резервные емкости для жидкого отвара.

Техническая характеристика подобного аппарата - экстрактора:

Несмотря на наличие резервной емкости, не рекомендуется накапливать жидкие отвары, особенно овсяный, в больших количествах, так как происходит нарастание кислотности, что приводит к ухудшению продукта. Нарастание кислотности овсяного отвара по стадиям технологического процесса характеризуется следующими показателями (в °Т): после варки - 7,2, при выходе из протирочной машины- 8,1, после гомогенизатора-9,0, при выходе из сборников перед сушкой - 11,7.

Рассмотрим подобные конструкции экстракторов на примере выпускаемых установок на заводе АГРОМАШ.

Экстрактор периодического действия

Емкость-экстрактор (рис. 2) представляет собой герметичный вертикальный цилиндрический аппарат. Исходное растительное (или органическое) сырье помещается в специальных мешках или сетках.

Циркуляция раствора - экстрагента осуществляется с помощью насоса (или гидродинамического генератора). Забор раствора из аппарата осуществляется при помощи специального заборного устройства щелевого типа, а подача с помощью специального распылителя.

Рисунок 2 - Емкость-экстрактор с гидродинамическим перемешиванием

Технические характеристики

Объем общий, л 650

Мощность эл.дв. насоса, кВт 1,1

Экстрактор периодического действия с мешалкой

Емкость-экстрактор (рис. 3) представляет собой сосуд с герметичными люками, подъемной крышкой с механическим подъемником, внутренними решетками. Циркуляция раствора-экстрагента осуществляется с помощью мешалки специальной конструкции. Эффективно используется во всех отраслях промышленности.

Технические характеристики*

Объем общий, л 650*

Мощность электродвигателя привода мешалки, кВт 5

Рисунок 3 - Экстрактор периодического действия с мешалкой

Экстрактор с ректификационной колонной и дефлегматором

Процесс экстрагирования происходит в экстракционной камере (рис. 4) аппарата, куда загружается сырье. Пары экстрагента из испарительной камеры, обогреваемой паровой рубашкой, поступают в ректификационную колонну, откуда летучие фракции поступают в дефлегматор и конденсируются.

Технические характеристики*

Объем общий, л 1700

Рисунок 4 - Экстрактор с ректификационной колонной и дефлегматором

Для проектирования исходного аппарата и его узлов я выбрал жаропрочную, жаростойкую и коррозионностойкую сталь 12Х18Н10Т, т.к. она наиболее подходящая для данного агрегата. Узлы конструкции из такого материала способны выдержать большие нагрузки, а так же надежное применение в агрессивных химических средах. При цене листа за кг 300 руб.

2. Расчет основных конструктивных элементов теплообменников

2.1 Расчет гладких обечаек нагруженных внутренним избыточным давлением

Расчет цилиндрических обечаек

Расчетные схемы цилиндрических обечаек приведены на рис.5

Рисунок 5 - Гладкие цилиндрические обечайки с выпуклыми или коническими днищами: а - обечайка с отбортованными днищами; б - обечайка с неотбортованными днищами

Расчетная толщина стенки цилиндрических обечаек следует по формуле

где p - расчетное давление, МПа

D - внутренний диаметр, м.

Исполнительная толщина стенки

2.2 Расчет конических обечаек

Расчетную толщину стенки гладкой конической обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением определяют по формуле

где - внутренний диаметр при основании конуса, м

- половина угла при вершине конуса (см. рис. 5)

Исполнительная толщина стенки

Условие применимости расчётных формул при соотношении между толщиной стенки наружной обечайки и диаметром в пределах

2.3 Расчет выпуклой крышки

Расчетная толщина стенки эллиптической крышки, нагруженной внутренним давлением

Радиус кривизны в вершине крышки

где - для эллиптических крышек с

Исполнительная толщина стенки крышки

Условие применимости расчетных формул при отношении толщины стенки к диаметру

2.4 3асчет обечаек, днищ и крышек, нагруженных наружным давлением

Расчет цилиндрической обечайки, нагруженной наружным давлением

1) Определяем расчетную длину цилиндрической обечайки с учетом длины примыкающего элемента

При определении расчетной длины обечайки или длину примыкающего элемента следует определять по формуле

мм

- для конических днищ без отбортовки.

2) Определяем вспомогательные коэффициенты

где - запас устойчивости оболочки (при рабочих условиях = 2,4)

3) Определяем приближенно толщину стенки

Коэффициент следует принимать по номограмме, приведенной в приложении А

4) Определяем допускаемое давление из условия прочности

5) Определяем допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости

где

6) Допускаемое наружное давление

7) Проверяем условие

2.5 Гладкие конические обечайки, нагруженные наружным давлением

1) Толщину стенки принимаем значение посчитанное в главе 2.1. п.3. . При предварительном определении толщины стенки вместо l и D в качестве расчетных принимаем величины

где D 1 - внутренний диаметр при вершине конуса, мм

2) Определяем допускаемое давление из условия прочности:

3) Определяем допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости:

Значение коэффициента В 1 определяем по формуле

4) Допускаемое наружное давление определяем по формуле

5) Проверяем условие устойчивости

3 Расчет сопряжений рубашки с корпусом

Рубашечную поверхность теплообмена выполняют в виде U-образной рубашки (см. рис. 7). При этом сопряжение (соединение) рубашки и корпуса осуществляется при помощи кольца.

Расчетное давление для рубашки равно p 2 и расчетное давление для сосуда p 1 , если p 1 > 0.

а) б)

Рисунок 7 - Сосуды с U-образной рубашкой

а) - с сопряжением при помощи конуса; б) - с сопряжением при помощи кольца

3.3 Сопряжение рубашки с корпусом сосуда при помощи кольца

Рисунок 8 - Сопряжение рубашки с корпусом при помощи кольца

Определяем расстояние от середины стенки рубашки до наружной стороны стенки сосуда

1) Определяем высоту кольца

где р 2 - давление пара в рубашке, МПа)

[у] 2 - допускаемое напряжение для материала стенки рубашки при расчетной температуре, МПа

2) Определяем размер сварного шва между сосудом и кольцом при сопряжениях

=178 Мпа

3) Определяем расчетные коэффициенты прочности сварного шва

4) Определяем параметры кольца

- относительный размер кольца

- относительное давление

- геометрический параметр кольца

ц P0 - коэффициент прочности сварного радиального шва в кольце сопряжения

b 0 - ширина кольца

5) Определяем относительный момент нагружения

где А - коэффициент осевого усилия по формуле:

где d 1 - диаметр окружности сопряжения рубашки с днищем сосуда (рис.9). Диаметр окружности сопряжения рубашки с днищем сосуда должен удовлетворять условию

Рисунок 9 - Сопряжение рубашки с днищем

6) Определяем относительный реактивный момент в стенке сосуда

p 2 >p 1 >0, то в формулу подставляем p 1 = 0

7) Определяем относительный реактивный момент в стенке рубашки

, т.к.

8) Определяем относительный реактивный момент в месте сопряжения кольца со стенкой сосуда

9) Определяем допускаемое избыточное давление в рубашке определяем по формуле

10) Уточняем значение высоты кольца

Нагрузка от собственного веса.

Собственный вес вызывает в кольце осевое усилие

где - собственный вес сосуда и его содержимого, при том, что опоры располагаются на рубашке.

Проверку несущей способности от совместного действия осевого усилия и избыточного давления в U-образной рубашке следует проводить по формуле:

Расчёт фланцевого соединения

Определение конструктивных параметров соединения

1) Толщина S 0 = 8 мм втулки фланца в зависимости от его конструкции (тип фланца - свободный) принимается таким образом, что удовлетворяет условию S 0 > S. S 0 = 8 мм

Рисунок 10 - Расчётная схема

Высота h в втулки свободного фланца:

Внутренний диаметр свободного кольца D s принимаем

2) Диаметр D б болтовой окружности фланцев:

где u 1 - нормативный зазор между гайкой и обечайкой (u 1 = 8 мм);

d 6 =20 мм - наружный диаметр болта;

D s - внутренний диаметр свободного кольца.

3) Наружный диаметр фланца:

где а - конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца.

4) Наружный диаметр прокладки выбираем с учетом условия

Где D s1 - наружный диаметр бурта ()

5) Средний диаметр прокладки

где b - ширина прокладки

6) Определяем количество болтов, необходимое для обеспечения герметичности соединения:

где t ш - рекомендуемый шаг расположения болтов, выбираемый в зависимости от давления (при P р = 0,6 -1,0 МПа t ш = (4,0 · 20) d б)

7) Высота (толщина) фланца ориентировочно:

где л ф = 0,48 - коэффициент, принимаемый по рис. 11

S экв - эквивалентная толщина втулки фланца

Рисунок 11 - График для определения коэффициента л ф в плоских (1) и приварных встык (2) фланцах.

где в 1 - коэффициент, определяемый по рис. 12

Рисунок 12 - График для определения коэффициента в 1

Расчёт на герметичность фланцевого соединения:

1) Определяем нагрузки в соединений при монтаже - F б1 и в рабочих условиях - F б2 (см. рис. 8)

Рисунок 8 - Схема действия нагрузок на фланец в рабочих условиях

2) Равнодействующая от сил внутреннего давления

3) Реакция прокладки

где b 0 - эффективная ширина прокладки, м (при b < 15 мм b 0 = b = 15 мм);

k пр - коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки

4) Определяем усилие, возникающее от температурных деформаций

где б ф, б б, б с - соответственно коэффициенты линейного расширения материала фланца, болтов и свободного кольца;

t ф, t б, t с - соответственно температуры фланца, болтов, свободного кольца;

y б, y п, y ф, y с - податливости соответственно болтов, прокладки, фланцев, свободного кольца, определяемые по формулам:

где E б - модуль упругости материала болтов

f б - расчётная площадь поперечного сечения болта по внутреннему диаметру резьбы;

l б - расчётная длина болта.

где l бо - расстояние между опорными поверхностями головки болта и гайки, определяется по формуле

где h п - высота стандартной прокладки;

d = d б - диаметр отверстия под болт

Податливость прокладки

где к п = 0,09 - коэффициент обжатия прокладки из резины;

Е п - модуль упругости материала прокладки

Податливость фланцев

где Е - модуль упругости материала фланца, Н/м 2 ;

v, л ф - безразмерные параметры.

где ш 1 ш 2 - коэффициенты, определяемые по формулам:

Податливость свободного кольца

где Е с - модуль упругости материала фланца, Н/м 2 ;

h с - высота свободного кольца, м (h с = h ф).

5) Коэффициент жесткости фланцевого соединения при стыковке фланцев одинаковой конструкции:

6) Болтовая нагрузка в условиях монтажа до подачи внутреннего давления:

где: F - внешняя осевая растягивающая (+) или сжимающая (-) сила (F = 0 - в нашем случае);

М - внешний изгибающийся момент (М = 0);

[у] у20 - допускаемое напряжение для материала болта при 20? С, Н/м 2

Р пр - минимальное давление обжатия прокладки, МПа.

7) Болтовая нагрузка в рабочих условиях:

8) Приведённый изгибающий момент:

9) Проверяем условия прочности болтов

10) Проверяем условие прочности неметаллических прокладок:

где,

11) Максимальное напряжение в сечении, ограниченном размером S 0

где у 1 - максимальное напряжение в сечение фланца, ограниченном размером S х,МПа,

f ф - безразмерный параметр, определяемый по монограмме (Приложение Б) в зависимости от S 1 /S 0

Т ф - безразмерный параметр, находим по формуле:

12) Напряжение во втулке от внутреннего давления:

Тангенциальное

Меридиональное

13) Проверяем усилие прочности для сечения фланца, ограниченного размером S 0:

где [у] 0 - допускаемое напряжение для фланца в сечении, принимаемое при количестве нагружении соединений 2·10 3 .

14) Проверяем условие прочности для свободного кольца:

где - приведённый изгибающийся момент, определяемый из условия:

где и Допускаемое напряжения для материала свободного кольца при 20?С и расчётной температуре соответственно.

15) Проверяем условие герметичности, определяемое углом поворота свободного кольца:

где - допустимый угол поворота кольца

4 Подбор и расчет опор

1) Предварительно выбираем сварные опоры (см. рис. 14) по ГОСТ 26296-84, учитывая вес аппарата. Вес аппарата определятся, суммой веса деталей, сборочных единиц с учетом веса, находящегося в аппарате продукта. Опорная лапа 1-10000 ГОСТ 26296-84

Рисунок 14 - Лапа опорная сварная

2) Определяем плечо нагрузки по следующей формуле (см. рис. 15):

3) Вычисляем нагрузку действующую на одну опору по формуле

4) Определяем соотношение параметров аппарата и опоры:

5) Определяем напряжение от действия внутреннего давления

6) Максимальное мембранное напряжение от основных нагрузок и реакции опоры определяем по формуле

7) Максимальное напряжение при изгибе от реакции опоры определяем по следующей формуле:

Рисунок 15 - Схема для определения плеча нагрузки

8) Проверим условие прочности

Укрепление вырезов отверстий

Отверстие под патрубок верхнего люка

Расчет на прочность укреплений одиночных отверстий выполняют в следующей последовательности:

для эллиптической крышки при Н = 0,25 D

Определяют расчетный диаметр отверстия в стенке обечайки, перехода или днища при наличии штуцера с круглым поперечным сечением, ось которого совпадает с нормалью к поверхности в центре отверстия или кругового отверстия без штуцера определяют по формуле

Отверстие под патрубок дна сосуда

1) Определяем расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, при наличии избыточной толщины стенки сосуда вычисляется по формуле

где s - толщина стенки укрепляемой оболочки;

s p - расчетная толщина стенки укрепляемой оболочки,

D р - расчетные диаметры укрепляемых элементов:

для конического днища

Расчетную толщину стенки штуцера, нагруженного как внутренним, так и наружным давлением, определяют по формуле

Определяем расчетные диаметры в зависимости от выбранного типа укрепления.

Проверяем по условию

2) Определяем расчетные и исполнительные размеры укрепления

Рисунок 16 - Укрепление отверстий отбортовкой

l 1 > l 1р.

Исполнительная ширина зоны укрепления l должна удовлетворять условию l > l Р.

3) Проверяем условие укрепления одиночных отверстий

Отверстие под входной патрубок рубашки сосуда

1) Определяем расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, при наличии избыточной толщины стенки сосуда вычисляется по формуле

где s - толщина стенки укрепляемой оболочки;

s p - расчетная толщина стенки укрепляемой оболочки,

D р - расчетные диаметры укрепляемых элементов:

для цилиндрической обечайки

Расчетную толщину стенки штуцера, нагруженного как внутренним, так и наружным давлением, определяют по формуле

2) Определяем расчетные диаметры в зависимости от выбранного типа укрепления.

Расчетный диаметр отверстия для штуцера с круглым поперечным сечением, ось которого совпадает с нормалью к поверхности обечайки в центре отверстия, при наличии отбортовки

Проверяем по условию

Условие не выполняется, проводим укрепление отверстия.

3) Определяем расчетные и исполнительные размеры укрепления

Расчетная длина внешней и внутренней частей круглого штуцера, участвующая в укреплении отверстия и учитываемая при расчете (рис.16), определяют по формуле:

Исполнительные длины штуцеров l 1 , l 2 должны удовлетворять условию

l 1 > l 1р.

Ширину зоны укрепления в обечайках, переходах и днищах определяют по формуле

Расчетную ширину зоны укрепления в стенке обечайки, перехода или днища в окрестности штуцера при наличии отбортовки

Исполнительная ширина зоны укрепления l должна удовлетворять условию l > l Р.

Отношения допускаемых напряжений для внешней части штуцера:

Расчетный диаметр определяют по формуле

4) Проверяем условие укрепления одиночных отверстий

Отверстие под выходящий патрубок рубашки сосуда

1) Определяем расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, при наличии избыточной толщины стенки сосуда вычисляется по формуле

где s - толщина стенки укрепляемой оболочки;

s p - расчетная толщина стенки укрепляемой оболочки,

D р - расчетные диаметры укрепляемых элементов:

для конического днища

Расчетную толщину стенки штуцера, нагруженного как внутренним, так и наружным давлением, определяют по формуле

2) Определяем расчетные диаметры в зависимости от выбранного типа укрепления.

Расчетный диаметр отверстия для штуцера с круглым поперечным сечением, ось которого совпадает с нормалью к поверхности обечайки в центре отверстия, при наличии отбортовки

Проверяем по условию если расчетный диаметр одиночного отверстия удовлетворяет условию, то дальнейших расчетов укрепления отверстий не требуется.

3. Охрана труда, техника безопасности и санитарно-гигиенические требования

В России государственный контроль и надзор за соблюдением требований охраны труда осуществляется федеральной инспекцией труда при Министерстве здравоохранения и социального развития Российской Федерации и федеральными органами исполнительной власти (в пределах своих полномочий).

Федеральная инспекция труда контролирует выполнение законодательства, всех норм и правил по охране труда. Государственный санитарно-эпидемиологический надзор, осуществляемый органами Министерства здравоохранения Российской Федерации, проверяет выполнение предприятиями санитарно-гигиенических и санитарно-противоэпидемиологических норм и правил. Государственный энергетический надзор при Министерстве топлива и энергетики Российской Федерации контролирует правильность устройства и эксплуатации электроустановок. Государственный пожарный надзор контролирует выполнение требований пожарной безопасности при проектировании и эксплуатации зданий и помещений. Лица, виновные в нарушении требований ОТ, невыполнении обязательств по ОТ, предусмотренных коллективными договорами и соглашениями, трудовыми договорами (контрактами), или препятствующие деятельности представителей органов госнадзора и контроля за соблюдением требований ОТ, а также органов общественного контроля, несут дисциплинарную, административную, гражданско-правовую и уголовную ответственность в соответствии с законодательством РФ.

Различают следующие виды дисциплинарных взысканий:

- Замечание;

- Выговор;

- Увольнение по соответствующим основаниям.

К административным взысканиям за нарушение требований ОТ относятся административный штраф и дисквалификация. Уголовная ответственность за нарушение требований охраны труда предусматривает следующие виды наказаний:

- штраф;

- лишение права занимать определённые должности и заниматься определённой деятельностью;

- исправительные работы;

- лишение свободы на определённый срок.

Техника безопасности

1. Производственное оборудование должно обеспечивать безопасность работающих при монтаже (демонтаже), вводе в эксплуатацию и эксплуатации, как в случае автономного использования, так и в составе технологических комплексов при соблюдении требований (условий, правил), предусмотренных эксплуатационной документацией.

Примечание. Эксплуатация включает в себя в общем случае использование по назначению, техническое обслуживание и ремонт, транспортирование и хранение.

2. Безопасность конструкции производственного оборудования обеспечивается:

1) выбором принципов действия и конструктивных решений, источников энергии и характеристик энергоносителей, параметров рабочих процессов, системы управления и ее элементов;

2) минимизацией потребляемой и накапливаемой энергии при функционировании оборудования;

3) выбором комплектующих изделий и материалов для изготовления конструкций, а также применяемых при эксплуатации;

4) выбором технологических процессов изготовления;

5) применением встроенных в конструкцию средств защиты работающих, а также средств информации, предупреждающих о возникновении опасных (в том числе пожаровзрывоопасных) ситуаций*;

* Опасная ситуация - ситуация, возникновение которой может вызвать воздействие на работающего (работающих) опасных и вредных производственных факторов.

6) надежностью конструкции и ее элементов (в том числе дублированием отдельных систем управления, средств защиты и информации, отказы которых могут привести к созданию опасных ситуаций);

7) применением средств механизации, автоматизации (в том числе автоматического регулирования параметров рабочих процессов) дистанционного управления и контроля;

8) возможностью использования средств защиты, не входящих в конструкцию;

9) выполнением эргономических требований;

10) ограничением физических и нервнопсихических нагрузок на работающих.

3. Требования безопасности к производственному оборудованию конкретных групп, видов, моделей (марок) устанавливаются на основе требований настоящего стандарта с учетом:

1) особенностей назначения, исполнения и условий эксплуатации;

2) результатов испытаний, а также анализа опасных ситуаций (в том числе пожаровзрывоопасных), имевших место при эксплуатации аналогичного оборудования;

3) требований стандартов, устанавливающих допустимые значения опасных и вредных производственных факторов;

4) научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, а также анализа средств и методов обеспечения безопасности на лучших мировых аналогах;

5) требований безопасности, установленных международными и региональными стандартами и другими документами к аналогичным группам, видам, моделям (маркам) производственного оборудования;

6) прогноза возможного возникновения опасных ситуаций на вновь создаваемом или модернизируемом оборудовании.

Требования безопасности к технологическому комплексу должны также учитывать возможные опасности, вызванные совместным функционированием единиц производственного оборудования, составляющих комплекс.

4. Каждый технологический комплекс и автономно используемое производственное оборудование должны укомплектовываться эксплуатационной документацией, содержащей требования (правила), предотвращающие возникновение опасных ситуаций при монтаже (демонтаже), вводе в эксплуатацию и эксплуатации. Общие требования к содержанию эксплуатационной документации в части обеспечения безопасности приведены в приложении.

5. Производственное оборудование должно отвечать требованиям безопасности в течение всего периода эксплуатации при выполнении потребителем требований, установленных в эксплуатационной документации.

6. Производственное оборудование в процессе эксплуатации не должно загрязнять природную среду выбросами вредных веществ и вредных микроорганизмов в количествах выше допустимых значений, установленных стандартами и санитарными нормами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данный курсовой проект представляет собой комплекс расчетно-графических работ, по конструированию и выбору экстрактора. Спроектированный теплообменный аппарат позволяет проводить необходимые процессы с заданными параметрами.

Проведя анализ работы экстрактора, я разобрал принципы конструирования узлов агрегата. Выяснил основные моменты, которые мне помогли глубже понять основы конструирования машин и аппаратов пищевого производства. В ходе проведения проектных и расчетных работ (конструктивный расчет, гидравлический расчет, расчет на прочность) выбраны конструктивные единицы, подтверждена механическая надежность, экономически-обоснованный выбор (материал, длина и т. д.), конструктивное совершенство аппарата. Эти факторы являются основными для высокопродуктивной, бесперебойной работы оборудования в промышленных условиях. Мой проект является основанием закрепления дисциплин, связанных с проектированием, которые я благополучно буду применять на практике, при освоении новых дисциплин, связанных с моей специальность.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Соколов В.И. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов пищевых производств. - М.: Машиностроение, 1983. - 447 с.

2. Харламов С.В Практикум по расчету и. конструированию машин иаппаратов пищевых производств: Учебное пособие. - Л.: Агропромиздат, 1991.

3. Кононюк Л.В., Басанько В.А. Справочник конструктора оборудования пищевых производств. -- К.: Техника, 1981.

4. Остриков А.Н., Абрамов О.В, Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств. Учебник для вузов. -- СПб.: ГИОРД, 2003.

5. Курочкин А.А., Зимняков В.В. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств. - М.: Колос, 2006.

6. ГОСТ 14249-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность

7. ГОСТ 24755-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность укрепления отверстий

8. ГОСТ 25867-83 Сосуды и аппараты. Сосуды с рубашками. Нормы и методы расчета на прочность

9. ГОСТ 12.2.003-91 Система стандартов безопасности труда. Оборудование производственное. Общие требования безопасности

Приложение А

Номограмма для расчета на устойчивость в пределах упругости цилиндрических обечаек, работающих под наружным давлением

Приложение Б

График для определения коэффициента f

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Центрифуги периодического действия с ручной и гравитационной выгрузкой. Автоматические центрифуги периодического действия с ножевым съемом осадка на ходу. Центрифуги непрерывного действия с инерционной выгрузкой. Изготовление труб радиальным прессованием.

курсовая работа , добавлен 07.12.2014


Расчет средней производительности фильтра периодического действия, средней производительности фильтрующей центрифуги периодического действия. Подбор стандартизированной колонны. Гидравлический расчет колонны с решетчатыми (провальными) тарелками.

контрольная работа , добавлен 29.01.2015


Расчет теплообмена в топливных и электрических печах. Расчет нагрева "тонких" изделий в печах периодического и методологического действия. Сущность и особенности нагрева длинномерных изделий в электрических конвекционных печах периодического действия.

курсовая работа , добавлен 08.06.2010


Автоматизированный контроль обработки железобетонных изделий в камерах периодического действия, описание функциональной смены. Расчет сужающего устройства, измерительной схемы автоматического потенциометра и схемы электронного автоматического моста.

курсовая работа , добавлен 25.10.2009


Классификация центрифуг. Наиболее популярные типы центрифуг периодического действия: маятниковые, подвесные, горизонтальные с ножевой выгрузкой осадка и осадительные со шнековой выгрузкой. Технологический процесс погрузки сахара на вибротранспортер.

реферат , добавлен 03.04.2013


Выбор и расчет влаготеплообработок в сушильной камере. Определение параметров агента сушки на входе в штабель. Расчет расходов тепла на сушку. Подготовка сушильной камеры к работе. Погрузочно-разгрузочные работы. Планировка сушильного цеха, охрана труда.

курсовая работа , добавлен 28.05.2013


Обоснование приборов и устройств автоматического контроля и регулирования экстрактора противоточного типа. Выбор датчика давления в теплообменнике, расходомера, датчика температуры, регуляторов, уровнемера. Спецификация на выбранные средства измерения.

курсовая работа , добавлен 06.03.2011


Технология приготовления маргарина и кулинарных жиров. Расчет цикла работы смесителя периодического действия. Определение массы загружаемого сырья. Расчет расхода воды на нагрев эмульсии. Расчет кинематических элементов для каждой передачи привода.

курсовая работа , добавлен 16.12.2014


Анализ организации аэродинамического расчета камеры в электронных таблицах табличного процессора Excel. Определение потребного напора вентилятора, мощности электродвигателя. Оптимизация процесса сушки пиломатериалов в камере периодического действия.

курсовая работа , добавлен 07.06.2012


Ознакомление с оборудованием для замеса тестовых полуфабрикатов. Подробная разработка принципа работы тестомесильной машины А2-ХТЗ-Б периодического действия с подкатной дежой емкостью 330л. и расчет ее основных характеристик. Создание новых технологий.