Эти мешалки работают по принципу центробежного насоса, т. е. всасывают жидкость в середину и за счет центробежной силы отбрасывают ее к периферии. Их делают открытыми и закрытыми. 3акрытые мало отличаются по конструкции от колеса центробежного насоса и подразделяются, в свою очередь, на мешалки одностороннего и двустороннего всасывания. Открытая мешалка представляет диск с радиально расположенными лопатками. Они более просты по конструкции и поэтому чаще применяются в технике.

Турбинные мешалки обеспечивают весьма интенсивное перемешивание. Их рекомендуют применять для интенсивного перемешивания жидкостей вязкостью до 450 Па×с и плотностью до 2000 кг/м3. Окружная скорость концов ло-

пастей – 3-9 м/с, причем скорость мешалок с диаметром до 300 мм берется болъшей, чем при диаметре свыше 300 мм. Нже приведена зависимость окружной скорости турбинной мешалки от язкости среды:

Вязкость среды, Па×с……… 0,001-5	5-15	15-25
Окружная скорость, м/с…… 7-4,2	4,2-3,4	3,4-2,3

Не рекомендуется их использовать в реакторах большой емкости. В аппаратах с турбинными мешалками обязательна установка отражательных перегородок. При отсутствии такой перегородки образуется глубокая воронка, иногда доходящая до основания мешалки и перемешивание резко ухудшается (обычно устанавливают четыре перегородки).

Конструирование и изготовление мешалок. Мешалки изготавливают из различных металлических и неметаллических материалов, обладающих достаточной механической прочностью. Наиболее распространены сварные перемешивающие устройства, выполненные из легированной стали. Мешалки сложной конструкции отливают из чугуна. В простейших конструкциях лопасти приваривают непосредственно к валу. Однако, как правило, рабочие элементы крепятся на валу с помощью разъемных соединений.

Рис. 13.15. Крепление мешалок к ступице:

а – стопорным винтом; б – торцевой гайкой

Обычно к ступице приваривают лопасти. Ступица крепится на валу с помощью шпонки и стопорных устройств, препятствующих осевому смеще-

304

нию. В случае установки мешалки в середине вала ее закрепляют стопорным винтом, как показано на рис. 13.15,а, при установке на конце вала – концевой гайкой (рис. 13.15,б).

При конструировании мешалок необходимо учитывать условия их монтажа. Мешалки небольших аппаратов (диаметр 1200 мм и менее) обычно собирают совместно с крышкой и вместе с ней устанавливают в реактор.

Мешалки для крупногабаритных аппаратов целесообразно делать разъемными из частей таких размеров, которые можно пронести через лаз аппарата. Это дает возможность разбирать мешалку при ремонтных и монтажных работах, не снимая крышку и привод. В цельносварных аппаратах мешалка обязательно должна быть разборной. Необходимо иметь в виду, что резьбовые соединения внутри химических реакторов работают в очень тяжелых условиях. Резьба легко загрязняется и корродирует даже при действии слабых агрессивных сред. Поэтому во многих случаях части мешалок изготавливают из нержавеющей стали.

Открытые турбинные мешалки выполняют сварными. Лопасти приваривают к диску, который, в свою очередь, сварен со ступицей. Применение полимерных материалов для мешалок ограничено их низкой механической прочностью. Более распространены стальные мешалки, защищенные антикоррозионными покрытиями, или комбинированные из стального вала и неметаллических лопастей.

Несколько слов о мешалках специальных типов. К ним относятся импеллерные мешалки, которые применяют для обеспечения хорошего контакта газа с жидкостью при одновременном интенсивном перемешивании. Вал мешалки помещен внутри трубы, по которой подается воздух под небольшим избыточным давлением. На мешалке имеется ряд лопастей, а на конце трубы установлен статор с лопастями. Наличие двух рядов лопастей – подвижного и неподвижного – обеспечивает хорошее перемешивание жидкости и газа.

Приводы мешалок. Быстроходные мешалки при 400−500 об/мин и выше соединяются с электродвигателем через клиноременную передачу, а в некоторых случаях могут быть установлены и на одном валу с электродвигателем. Однако обычно привод осуществляется от электродвигателя через редуктор. Приводы мешалок могут быть с конической, червячной, цилиндрической или планетарной передачей. Конические и червячные приводы имеют горизонтальный быстроходный вал, соединенный с электродвигателем через муфту или клиноременную передачу.

Конические и особенно червячные приводы до недавнего времени широко применялись для аппаратов с мешалками. В настоящее время выпускают планетарные приводы. Они компактны, надежны в работе, имеют высокий КПД и работают в значительном диапазоне числа оборотов и мощностей. Но эти приводы не дают возможности изменять число оборотов мешалки во время работы, что является существенным их недостатком. Изменение числа

305

оборотов мешалки необходимо во многих случаях: при изменении консистенции перемешиваемой массы, при отработке нового, еще неизученного процесса, а также, когда режим перемешивания должен меняться во времени. Приводы мешалок во взрывоопасных цехах снабжают взрывобезопасными электродвигателями. В помещениях, содержащих особо взрывоопасные вещества, установка электродвигателей иногда вообще исключается. Двигатель приходится выносить в соседнее взрывобезопасное помещение, передача осуществляется с помощью горизонтального вала, проходящего через стену, разделяющую помещения. Вал в стене уплотняют сальниками. Приводы мешалок устанавливают на стойку, которую, в свою очередь, крепят к аппарату, для чего к его крышке приваривают толстые пластины. Стойки делают чугунными или стальными, сварными.

Для улучшения работы вала мешалки устанавливают концевой подшипник (подпятник) или промежуточные подшипники в верхней части вала мешалки. С точки зрения распределения нагрузок наиболее рациональны приводы с концевыми подшипниками, однако во многих случаях из-за коррозионного или абразивного действия среды их нельзя использовать, или в полимерной среде – тоже нельзя устанавливать подшипники.

Крутильные колебания вызывают износ подшипников и воздействуют на сальник. Концевой подшипник устраняет крутильные колебания, улучшая работу сальника и подшипников. Его применение необходимо при большой длине или высокой частоте вращения.

Расчет мешалок. Заключается в определении потребляемой мощности, выборе двигателя, прочностном расчете мешалки и вала. Мощность, потребляемая мешалкой, равна

N=КN×ρ×n3×dм5, Вт,

где КN – критерий мощности, величина которого выбирается по соответствующим таблицам и номограммам в зависимости от типа мешалки и числа Рейнольдса;

ρ – плотность жидкости, кг/м3;

n – число оборотов мешалки об/с; dм – диаметр мешалки, м.

Мощность двигателя в кВт определяют из соотношения Näâ = N +η Nc ,

где N – мощность, потребляемая мешалкой, кВт;

Nс – потери на трение в сальнике, кВт; η − КПД привода.

По величине Nдв. подбирают привод. Мощность Nс, расходуемая на трение в сальнике для уплотнения с мягкой набивкой

Nc = 1,48 f Чn Чdì2 Чl Чp ,

где f – коэффициент трения вала по мягкой набивке, равный 0,2;

306

dм – диаметр вала, м;

n – число оборотов мешалки; l – длина набивки, м;

р – рабочее давление в аппарате, Па.

Лопасти мешалки рассчитывают на изгиб. Для лопастей прямоугольной формы равнодействующая сил сопротивления приложена в точке, расстояние которой от оси

		r0 =	3	×		R4 -	r4 ,
			4			R3 -	r3
		где R – радиус лопасти, м;
	Рис. 13.16. К расчету	r – радиус ступицы, м.
		Величина равнодействующей равна
	лопасти мешалки
			P =			Mêð	,
						r z
						0

где Мкр. – крутящий момент на валу; z – число лопастей на валу.

Для наклонной лопасти (рис. 13.16) сила Р, действующая перпендикулярно плоскости лопасти, равна

Р1=Р/cоsa,

где a - угол наклона лопасти.

Изгибающий момент определяется уравнением

Mèçã = P(r0 − r).

Момент сопротивления лопасти определяют из условия прочности

W = Mèçã .

[s ]

Отсюда толщина лопасти равна

s = 6Wb .

Имеется нормаль НИИХИММАШа для расчета мешалок на прочность.

13.3. Уплотнения вращающихся деталей

Для вывода вала мешалки из реактора используют специальные устройства – уплотнения. Наиболее широко в химической промышленности применяются сальниковые и торцовые уплотнения. Уплотнения должны обеспечивать возможность свободного вращения вала мешалки и не пропускать наружу газы и пары, находящиеся в аппарате под давлением, или же не пропускать воздух в реактор, работающий под вакуумом.

Несмотря на то, что узел уплотнения занимает сравнительно небольшую часть реактора, от него зависит зачастую качество работы всей

307

установки. Это относится к производствам с ядовитыми и взрывоопасными веществами и к аппаратам, работающим под вакуумом.

Сальники. В технике используют весьма разнообразные сальники, однако, сальники обычных реакционных аппаратов по устройству однотипны. Они состоят из сальниковой коробки, нажимной втулки, грунд-буксы и уплотнительного материала. На рис. 13.17 показан типовой сальник.

Следует заметить, что чистота обработки вала под сальниковое уплотнение должна быть высокой. Назначение грунд-буксы – направлять вал мешалки, т. е. препятствовать его вибрации и колебаниям при вращении, а также поддерживать уплотнительный материал. Грунд-буксу изготавливают из мягкого металла, чтобы вал, соприкасающийся с ней, меньше снашивался.

Сальниковая коробка отливается из чугуна и прикрепляется шпильками к стальной крышке реактора. Если крышка аппарата выполнена из чугуна, то сальниковая коробка отливается вместе с крышкой. В сальниковую коробку вставляют бронзовую грунд-буксу и прочно ее закрепляют при помощи стопорного винта. Зазор между валом мешалки и сальниковой коробкой заполняется уплотняющей набивкой, в качестве которой применяют льняную плетенку, асбестовый шнур или хлопчатобумажные шнуры круглого или квадратного сечения, пропитанные маслом, воском, синтетическими материалами или графитом.

При больших числах оборотов, высоких давлениях и температурах используют сальники с твердой набивкой, выполненной из разрезанных колец цветного металла, твердых пластмасс или прессованного графита, фторопла- ста-4.

Рис. 13.17. Простое сальниковое уплотнение:

1 – вал мешалки; 2 – бобышка; 3 – нажимная втулка; 4 – сальниковая коробка; 5– набивка; 6 – грунд-букса

Нажимная втулка крепится к сальниковой коробке посредством нескольких шпилек (обычно две или четыре). При наличии двух шпилек фланцы нажимной втулки имеют форму эллипса, а при четырех – форму окружности. Сальники обычно устанавливают на бобышках. Сальниковая коробка может находиться вне аппарата или быть утоплена внутрь.

Хотя сальник, утопленный в реакторе, и позволяет несколько уменьшить высоту привода, эту конструкцию нельзя признать удачной, так как обслуживание сальника затруднено. Особенно нежелательно применять такой сальник при высокой температуре в реакторе. При высокой температуре среды или значительном выделении тепла за счет трения сальник охлаждается с помощью водяной рубашки.

Торцовые уплотнения. Они состоят из двух колец – подвижного и неподвижного, которые прижимаются друг к другу по торцовой поверхности с помощью пружины. Торцовые уплотнения получают все более широкое рас-

308