Расчет и конструирование шнековых центрифуг

Курсовая работа

Калия сульфат (сернокислый калий), K2SO4 — соль; бесцветные кристаллы, плотность 2,66 г./см.3, tпл. 1074 °С. Растворимость 11,1 г. на 100 г. H2O при 20 °С, 24,1 г. при 100 °С.

Хорошо растворим в воде, не подвергается гидролизу. Не растворим в концентрированных растворах щелочей или в чистом этаноле.

Калия сульфат входит в состав природных калийных солей, например шёнита K2SO4*MgSO4*6H2O, из которых и добывается. Применяется для получения квасцов, поташа. В сельском хозяйстве

Калия сульфат используется как концентрированное бесхлорное калийное удобрение; содержит не менее 45—52 % K2O, не более 1 % MgO и не более 10% влаги.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СТАДИЯ ВЫДЕЛЕНИЯ СУЛЬФАТА КАЛИЯ

Основными способами получения хлорид аммония являются:

1) Переработка галургическими методами- растворением и кристаллизацией полимерных сульфат калийных руд;

2) Конверсионным и ионитным способами на основе взаимодействия хлористого калия и различных сульфатных солей;

3) При производстве соляной кислоты и серной кислоты или сернистого газа и хлористого калия;

4) Гидротермическим методом на основе взаимодействия сульфатных солей.

При получение галургическим методом ведется по реакции:

K2SO4•MgSO4+2KCl=2K2SO4+MgCl2

Массовая доля K2O в сухом веществе не менее 53%.

Массовая доля воды не менее 0,5%

Схема получения сульфата калия представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Технологическая схема стадии получения сульфата калия.

2,4, 7- насосы; 2 — растворитель; 3 — отстойник; 5 — вакуум-кристаллизатор; 6 — центрифуга; 8 — сборник маточника.

Технологическая схема, предусматривает комплексное использование сырь с получением калийных удобрений.

Породу, предварительно измельченную до-5мм, обрабатывают оборотным горячим щелоком при температуре 65-70?С в растворителе 1. В процессе выщелачивания в щелоке растворяются каинит, сильвинит, шенит, леонит и другие легко растворимыеминералы, в отвале остаются галит, лангебейнит, полигалит и гипс. Горячий щелок насосом 2 подается в отстойник 3. Щелок осветляют от нерастворимых примесей и насосом 4 направляют на вакуум-кристаллизационную установку 5 для выделения шенита.

Для кристаллизации чистого шенита без примеси NaCl к щелоку добавляют маточные растворы, получаемые при последующем разложении шенита на сульфат калия. Кристаллизация шенита заканчивается при 20 ?С, полученную пульпу сгущают и подвергаютфильтрации; часть маточного раствора после кристаллизации шенита возвращают в начало процесса на выщелачивание руды, другую часть подвергают выпарке для регенерации солей калия. Сгущенную пульпу сульфата калия центрифугируют на центрифуге 6. Сульфат калия промывают водой с температурой 20-50oC и отправляют на сушку. Маточный раствор после центрифугирования присоединяют к щелоку, направляемому на кристаллизацию шенита.

17 стр., 8347 слов

Технология производства хлористого калия

... дроблением и размолом) природных калийных солей, и концентрированные. Калийные удобрения -- хлористый калий, сульфат калия, 30%-ные и 40%-ные калийные соли ... получению хлорида калия в Солигорске, Березняках, Соликамске по технологической схеме с трёхстадийным удалением шлама, позволившие обеспечить потребность народного хозяйства в калийных минеральных удобрениях. 1. Применение хлористого калия ...

Технологическая схема переработки калийных руд предусматривает регенерацию солей, содержащихся в выводимых из процесса избыточных маточных щелоках. С этой целью щелока подвергают выпарке последовательно в 3-4 стадии, выделяя после первой стадии поваренную соль пищевых сортов, после второйи третьей, смешанные калийные соли (каинит, карналит), после четвертой бишофит различной сортоности.

Таким образом, по данной схеме получают удобрение в виде сульфата калия, калимагнезит.

2. КОНСТРУКЦИЯ ЦЕНТРИФУГИ

2.1 Конструкции центрифуг

Центрифугирование — процесс механического разделения жидких неоднородных систем путем осажденияв поле центробежных сил, создаваемых во вращающемся барабане центрифуги. Методом центрифугирования достигается достаточно четкое и в то же время быстрое разделение суспензий и эмульсий в центробежном поле. В центрифугах разделяют самые разнообразные жидкие неоднородные системы: сырую нефть, суспензии поливинилхлоридной смолы, смазочные и растительные масла, смеси кристаллов солей с маточными растворами, каменноугольный шлам, суспензию крахмала, дрожжевую суспензию и др.

Центрифуги делят на два основных класса — осадительные и фильтрующие [2].

Осадителъные центрифуги, Фильтрующие центрифуги

По способу выгрузки осадка центрифуги подразделяются на центрифуги с ручной выгрузкой, пульсирующей, вибрационной, инерционной, шнековой, гравитационной и выгрузкой ножом.

По заданию предлагается к проектированию осадительная шнековая центрифуга (ОГШ), которые применяют для обезвоживания кристаллических и зернистых продуктов, классификации материалов по крупности и плотности, а также для осветления суспензий. Широкое распространение осадительных центрифуг объясняется универсальностью этих машин. Их успешно используют для разделения суспензий с размером частиц от 0,005 мм до 1 мм и объемной концентрацией от 1 до 40%.

В зависимости от назначения осадительные центрифуги подразделяют на три группы :

  • обезвоживающие
  • универсальные
  • осветляющие.

Обезвоживающие, Универсальные, Осветляющие

В зависимости от направлений движения в роторе осадка и разделяемой суспензии различают центрифуги противоточные (осадок движется навстречу потоку суспензии) и прямоточные (направления движения осадка и суспензии совпадают).

Роторы центрифуг могут быть горизонтальными или вертикальными. Горизонтальные центрифуги изготовляют преимущественно с ротором, помещенным между опорами, реже — с консольным ротором; вертикальные центрифуги имеют, как правило, верхнюю подвеску ротора.

Наиболее широко распространены горизонтальные противоточные центрифуги с цилиндроконическим ротором.

Технологический режим в центрифугах ОГШ регулируют, изменяя скорость подачи суспензии, частоту вращения ротора, диаметр сливного порога. Степень осветления фугата можно повысить, уменьшив диаметр сливного порога (увеличив длину зоны осаждения) и увеличив частоту вращения ротора, а степень просушки (влажность) осадка — увеличив диаметр сливного порога (т.е. длину зоны сушки) и частоту вращения ротора.

6 стр., 2909 слов

Центрифуга фильтрующая

... оси пустотелый ротор. Суспензия загружается в ротор периодически или непрерывно. Продукты разделения выводятся из ротора также периодически или непрерывно. Фильтрующие центрифуги имеют перфорированный ротор, на внутренней стенке ... и затем через отверстия в роторе выбрасывается в кожух центрифуги, окружающий ротор, а осадок выгружается либо во время вращения ротора, либо после его полной остановки. ...

Всем центрифугам типа ОГШ присущи достоинства: высокая производительность при малых габаритах и непрерывность технологического процесса; отсутствие фильтрующего элемента, подверженного быстрому износу или забиванию (благодаря этому машины надежны в работе и позволяют получать продукт постоянного качества); пригодность для обработки очень тонких суспензий различной концентрации; возможность изменять концентрацию суспензии во время работы; простота обслуживания.

К недостаткам машин этого типа следует отнести невысокую степень обезвоживания осадка; невозможность качественной промывки осадка в машине; сравнительно быстрый износ шнека и ротора при обработке абразивных продуктов.

2.2 Конструкция проектируемой центрифуги

В настоящее время основным типом центрифуги для выделения сульфата калия является непрерывнодействующая осадительная горизонтальная центрифуга со шнековой выгрузкой осадка (ОГШ).

НИИхиммашем разработана базовая модель центрифуги ОГШ-802К- 04, которая относится к классу универсальных [6].

Конструкция центрифуги ОГШ-802К-04 приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1- Центрифуга ОГШ-802К-04

1 — планетарный редуктор; 2, 6- коренные подшипники; 3 — ротор; 4 — шнек;5 — кожух; 7 — приводные ремни; 8 — труба питания;9 — станина; 10- механизм защиты редуктора

Центрифуга имеет цилиндроконический ротор стандартной схемы осадительных центрифуг. Суспензия подается по питающей трубе во внутреннюю полость шнека, откуда через окна в обечайке шнека поступает в ротор на границе цилиндрической и конической обечаек и течет по направлению к сливным окнам. Под действием центробежных сил частицы твердой фазы осаждаются на стенки ротора и передвигаются шнеком в противоположном направлении. Соотношение между влажностью осадка хлорид аммония и содержанием его в фугате устанавливается регулируемыми по высоте заслонками в сливных окнах в торцевой стенке ротора.

Привод от электродвигателя к ротору осуществляется через гидравлическую турбомуфту, привод на шнек — через двухступенчатый планетарный редуктор, который создает небольшую разницу между скоростями вращения ротора и шнека , обеспечивающую перемещение осадка к выгрузным окнам ротора без взмучивания и репульпации твердой фазы. Шнек — двухзаходный с защитой несущей плоскости винта противоабразивной наплавкой из стеллита. Все детали, соприкасающиеся с обрабатываемым продуктом, изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Смазка коренных подшипников — жидкая циркуляционная от маслонасосной станции, входящей в комплект машины.

Центрифуга снабжена загрузочным клапаном, который автоматически включается и выключается станцией управления через электрогидравлический золотник и маслоустановку [3].

12 стр., 5730 слов

Центрифуги. Сущность методов очистки, схемы аппаратов, эффективность. ...

... Непрерывно действующие центрифуги со шнековой выгрузкой (рис. 2), где суспензия поступает вдоль оси полого ротора; фугат выводится из широкой части ротора, а образующийся осадок шнеком транспортируется к ... пробки на выходе из корпуса из частиц твердой фазы, подавать предварительно сгущенную суспензию. Частицы твердой фазы, осаждаясь в фильтрующем корпусе червячного отжимного аппарата, перемещаются ...

Клапан (рис. 2.3) устанавливают на трубопроводе подачи суспензии в центрифугу.

Рисунок 2.3- Загрузочный клапан

1 — шаровой клапан; 2 — корпус; 3 — шток; 4 — верхний указатель хода; 5, 8 — корпус и крышка цилиндра; 6 — поршень; 7 — нижний указатель хода; 9 — шпиндель; 10 — гайка; 11 — рукоятка; 12 — маховичок; 13 — направляющий винт; 14 — штуцеры подвода и отвода масла; 15 — сальниковая набивка; 16 — масленка

Шпиндель 9 служит как для настройки хода клапана, так и для его закрытия вручную в случае аварии. От проворачивания его удерживает направляющий винт 13. Для облегчения установки хода и аварийного закрытия клапан снабжен маховичком 12 с рукояткой 11. Верхний указатель хода 4 показывает, на какую величину открыт клапан, а нижний указатель 7 служит для настройки хода клапана. Для обеспечения плотности прилегания шаровой металлический клапан 1 тщательно притирается к узкому пояску на корпусе 2.

В верхней части кожуха центрифуги имеются два люка для осмотра зон выгрузки (осадка и фугата), а также патрубка для отвода паров.

Конструкция ротора приведена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4- Ротор центрифуги ОГШ — 802К — 04

Ротор состоит из трех основных частей: цилиндроконической обечайки 8 и цапф 1 и 17, скрепленных с обечайкой болтами. В цапфе, расположенной со стороны большего диаметра обечайки, имеются окна с регулировочными кольцами 3 или шайбами для слива жидкой фазы, а в противоположной цапфе — окна для выгрузки твердого осадка.

Внутри ротора на подшипниках качения 5 и 14, расположенных в соответствующих расточках полых цапф, вращается шнек 9. Полости подшипников уплотнены резиновыми манжетами 2, 7, 13 и 16.

На внутренней поверхности обечайки ротора вдоль ее образующей делают канавки или приваривают планки 10, чтобы обеспечить продольное перемещение осадка и избежать его круговое перемещение.

Шнек центрифуги — двухзаходный с защитой несущей кромки противоабразивной наплавкой из стеллита. Шнек 4 (рис. 2.1) состоит из сварной конструкции и цапф прикрепленных болтами (левой и правой).

Шнек монтируют в роторе на радиальных шарикоподшипниках. Подшипники шнека защищены от агрессивной среды резиновыми уплотнениями. Работа с абразивными продуктами требует защиты витков шнека от изнашивания. Для этой цели на витки наносят защитный материал или устанавливают смежные сектора с защищенной поверхностью

Исходя из коррозионных свойств суспензии сульфата калия в качестве конструкционного материала ротора и шнека выбираем сталь 12Х18Н10Т.

Станина центрифуги 9 (рис. 2.1) — основной связывающий узел всей машины. Станина машины литая из чугуна Форма станины — прямоугольная. Для увеличения массы станины ее внутренние полости залиты железобетоном и засыпаны песком.

Кожух ротора 5 (рис. 2.1) состоит из двух частей: нижней, установленной непосредственно на станине, и верхней, которая крепится к нижней болтами. Внутри кожух разделен перегородками на зоны приема твердого осадка, фугата, сбора утечек жидкости, проникающих через уплотнения между кожухом и ротором.

12 стр., 5843 слов

Использование центрифуги

... ротора. Выгрузка пульсирующим поршнем. В фильтрующих центрифугах осадок выгружается при возвратно-поступательном движении внутреннего каскада ротора (поршня). При этом осадок выводится из ротора непрерывно без остановки ротора. Выгрузка ножом. В центрифугах непрерывного действия осадок ... показателем работы центрифуги. (1.2.9) ... центрифугах ротор выполнен со сплошной стрелкрй. При разделении суспензий ...

Двухступенчатый планетарный редуктор 1 (рис.2.1) предназначен для передачи от ротора к шнеку вращения с необходимым относительным числом оборотов.

Центрифуга работает следующим образом. Через правые полые цапфы ротора и шнека проходит труба питания 8 (рис. 2.1), по которой подводится суспензия во внутреннюю полость барабана и шнека. Суспензия через отверстие в барабане шнека 4 поступает в ротор 3, где под действием центробежных сил происходит отделение твердой фазы от жидкости. Шнек вращается в ту же сторону, что и ротор, но с меньшей скоростью. Разность в скорости вращения шнека и ротора необходима для принудительного перемещения осадка вдоль оси ротора. Твердая фаза выпадает на стенки ротора и транспортируется шнеком к выгрузочным окнам правой цапфы, расположенной у меньшего диаметра ротора. В конце пути движения осадка происходит отжим влаги из осадка (зона обезвоживания).

Отжатая твердая фаза через выгрузочные окна ротора выбрасывается в приемный отсек кожуха и под действием собственного веса падает вниз. Осветленная жидкая фаза (фугат) движется противотоком и через сливные окна левой части ротора отводится в приемный отсек кожуха.

3. РАСЧЕТ ЦЕНТРИФУГИ

3.1 Технологический расчет

Целью расчета является выбор стандартизованной осадительной горизонтальной шнековой центрифуги.

Исходные данные:

Суспензиясульфат калия (К2SO4)-маточный раствор

Производительность по суспензии Vc=4 м3 /ч.

Содержание твердой фазы в суспензии (масс.) хс = 15%

Влажность осадка щ = 26%

Температура суспензии t = 40 °С

Среднемассовый размер частицд50 = 150 мкм.

Дисперсия распределения частиц по размерам у=1,95

Фактор формы частицш = 0,6

Плотность частиц твердой фазы ст = 2660 кг/м3

Допустимая концентрация твердой фазы в фугате Сф = 90 мг/л

Плотность маточного раствора при t = 40 °С св = 1101 кг/м3

Вязкость маточного раствора при t = 40 °Сµ = 1,02 10-3 Па с

Определение основных параметров и выбор стандартной центрифуги

Расчет произведем по методическим рекомендациям [1].

Плотность суспензии

кг/м.

Массовый расход суспензии

кг/ч.

Приход твёрдой фазы с суспензией

кг/ч.

Пренебрегая незначительным содержанием твёрдой фазы в фугате [1], найдем расход фугата

кг/ч.

Расход влажного осадка

кг/ч.

Требованиям задания, согласно табл.1 [1], удовлетворяет центрифуга типа ОГШ-352К-05.

Технические характеристики центрифуги:

  • допускаемая нагрузка по суспензии V=5 ;
  • пропускная способность по твёрдой фазе т/ч;
  • мощность привода кВт;
  • диаметр ротора D = 350 мм;
  • диаметр по окнам слива мм;
  • отношение длины ротора к диаметруL/D = 1,8;
  • длина ротораL = 630 мм;
  • длина цилиндрической части ротора мм;
  • длина конической части мм;
  • частота вращения ротораn = 4250 об/мин.

Средний диметр ротора

м

Круговая частота вращения

с

Фактор разделения центрифуги

Площадь поверхности осаждения составляет

26 стр., 12830 слов

Расчет мостового крана

... расчету барабана. Минимальный диаметр барабана по дну канавки рассчитываем по формуле где - минимальный коэффициент выбора диаметров барабана для режима работы ... где - коэффициент запаса прочности каната для режима работы крана 4М. Принимаем канат типа ЛК-РО двойной свивки конструкции ... равен [1, с. 79]: где - момент инерции ротора электродвигателя; момент инерции зубчатой муфты с тормозным шкивом, ...

м.

Индекс производительности центрифуги

м.

Для расчёта показателя эффективности работы центрифуги определим предварительно критерий Рейнольдса для потока жидкости в роторе

где = 4 / 3600 = 1,1 м3/с.

;

Критерий Фруда для потока в поле действия центробежных сил

Величину показателя эффективности работы осадительных шнековых центрифуг определим по формуле [1]

Поправочный коэффициент, учитывающий влияние формы частицы

Порозность частиц в суспензии

е > 0.7рассчитаем поправку на стеснённость осаждения по формуле [1]

Крупность разделения

мкм.

Рассчитаем дисперсию фракционной степени потерь для выбранной центрифуги

Аргумент интеграла вероятности

Для нахождения интеграла вероятности F(x) и относительных потерь П воспользуемся интегральной функцией Лапласа табличные данные которой приведены в [2].

Согласно этим данным, для аргумента x = — 4,05 имеем Ф(x) = — 0,4999743.

Интеграл вероятности:

Согласно [1] содержание твёрдой фазы в фугате составит:

а концентрация

мг/л.

что меньше требуемой по исходным данным.

Таким образом, к установке принимаем центрифугу ОГШ-352К-05 с мощностью электродвигателя 18,5 кВт.

3.2 Энергетический расчет

Целью расчета является определение требуемой мощности и выбор стандартного электродвигателя.

Определение потребляемой мощности и выбор электродвигателя

Мощность, расходуемая на преодоление инерции барабана и загрузки во время пускового периода, определяется по формуле:

  • где — работа, затрачиваемая на преодоление инерции барабана, Дж;
  • работа, затрачиваемая на преодоление инерции загрузки в пусковой период, Дж;
  • = 60с. -длительность периода пуска машины, с.

Где — установившаяся на достижении заданного числа оборотов окружная скорость вращения барабана, м/c;

  • Мб — масса барабана, кг. Примем Мб = 500 кг.

Тогда:

  • где — плотность суспензии, кг/м3;
  • полный объем барабана центрифуги, м3.

Тогда:

Получим:

Мощность, расходуемая на трение вала в подшипниках

где — коэффициент трения, принимаем в диапазоне ; примем

  • масса всех вращающихся частей центрифуги вместе с загрузкой, кг.
  • окружная скорость вращения цапфы вала, м/с;

g — ускорение свободного падения, м/с2

где — диаметр цапфы вала, по рекомендациям [2] примем м.

где — масса барабана, кг;

  • масса суспензии, кг.

Тогда:

Подставив данные в получим:

Мощность, расходуемая на трение стенки барабана о воздух:

  • где — коэффициент трения;
  • плотность воздуха, =1,204 кг/м3 при 20є С)

Полные затраты мощности составляют

Мощность электродвигателя определяем по формуле

где — КПД передаточного устройства обычно ( = 0,9)

  • КПД привода ( = 0,9)

Тогда получаем:

что меньше установленной мощности электродвигателя центрифуги ОГШ-352К-05.

17 стр., 8195 слов

Расчет электрического привода механизма подъема башенного крана

... мощности двигателя, выбираю для механизма подъёма башенного крана асинхронный двигатель с фазным ротором серии МТ 51 – 8 с напряжением 380 В. 3. Определение приведённого момента электропривода., Маховой момент системы электропривода, ... выпускает крановые электродвигатели, рассчитанные на ... (барабана) где m – число полиспастов (m=2); D б – диаметр барабана ( ... с. В дальнейших расчётах знак минус, стоящий ...

3.3 Прочностной расчет

Целью раздела является расчет толщин обечаек цилиндроконического ротора, проверка обечаек ротора на прочность, расчет вала на жесткость и виброустойчивость.

Расчет обечайки ротора

Исходные данные:

  • радиус ротора R = 0,175 м;
  • радиус слива R0 = 0,13 мм;
  • длина ротора L= 630 мм;
  • длина цилиндрической части ротора l ц = 330 мм;
  • длина конической части l к = 300 мм;
  • угол конуса ротора б= 13,5°;
  • угловая скорость ротора щ= 445 рад/с;
  • плотность суспензии сс = 1207 кг/м3;
  • материал ротора сталь 12X18Н10Т;
  • коэффициент Пуассона µ = 0,3;
  • плотность материала ротора с= 7900 кг/м3.