ĐỒ án môn học máy KHUẤY TRỘN TRONG CÔNG NGHIỆP đề tài THIẾT kế máy KHUẤY để tạo hỗn hợp của HAI CHẤT LỎNG NHỚT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ *** ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY KHUẤY TRỘN TRONG CÔNG NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MÁY KHUẤY ĐỂ TẠO HỖN HỢP CỦA HAI CHẤT LỎNG NHỚT Họ tên : Nguyễn Đình Sơn Lớp : 64 ME Hướng dẫn : GV Vũ Liêm Chính Hà Nội, 2023 MSSV : 169264 TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM BỘ MÔN MÁY XÂY DỰNG Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc KHOA CƠ KHÍ Hà Nội, ngày tháng năm 2023 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY KHUẤY TRỘN TRONG CÔNG NGHIỆP Ngành: Kỹ thuật khí Họ tên sinh viên: Nguyễn Đình Sơn MSSV: 169264 Lớp: 64ME I Đầu đề thiết kế: Thiết kế máy khuấy để tạo hỗn hợp hai chất lỏng nhớt II Các số liệu ban đầu: - Năng suất máy (m3/h): - Độ nhớt động lực hỗn hợp (Kg/m.s): 28 - Thể tích chất tham gia khuấy (%): - Khối lượng riêng hỗn hợp (kg/m3): 1100 - Sai số so với sai số chuẩn: 0,003 - Giả thiết chất lỏng Newton III.Nội dung phần thuyết minh tính tốn Đại cương khuấy, trộn (đối tượng, chức năng, nhiệm vụ, ) Khái niệm cấu khuấy trộn thường gặp, lĩnh vực ứng dụng Tính tốn thơng số lựa chọn phương án thiết kế Tính tốn bền chi tiết cụm chi tiết chủ yếu (theo nhiệm vụ giao) IV Các vẽ Bản vẽ hình chung máy thiết kế (A0 A1) Bản vẽ cụm thiết kế (A1 A2) Bản vẽ chi tiết (A1 A2) V Ngày giao nhiệm vụ thiết kế ngày tháng năm 2023 VI.Ngày hồn thành nhiệm vụ thiết kế ngày tháng Bộ mơn thông qua dẫn năm 2023 Cán hướng CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ KHUẤY TRỘN Khái niệm chung 1.1 Các khái niệm khuấy trộn Khuấy trộn: - Là chuyển động cảm ứng vật theo phương xác định - Mơ hình thường chu trình tuần hồn - Nó thường thực bên container Khuấy trộn phương pháp theo việc trộn pha thực nhờ khối lượng truyền nhiệt tăng cường pha với bề mặt bên Theo nghĩa chung nhất, trình trộn liên quan đến tất kết hợp pha pha xảy thường xuyên Khí với khí Khí vào chất lỏng: phân tán Khí với chất rắn dạng hạt: hóa lỏng, vận chuyển khí nén, sấy khơ Lỏng với khí: phun nguyên tử hóa (tán nhỏ) Chất lỏng với chất lỏng: hịa tan, nhũ tương hóa, phân tán Chất lỏng với chất rắn dạng hạt: huyền phù Các loại bột nhão chất rắn Chất rắn với chất rắn: trộn bột Tương tác chất khí, chất lỏng chất rắn xảy ra, q trình hydro hóa chất lỏng với có mặt chất xúc tác rắn dạng sệt, khí phải phân tán dạng bong bóng hạt rắn phải giữ dạng huyền phù Trộn: - Các giai đoạn ban đầu riêng biệt phân bố ngẫu nhiên, đưa vào xuyên qua lẫn - Chất lỏng khuấy trộn bể - Đáy bể bo tròn - Cánh quạt (impeller) tạo mơ hình dịng chảy - Bể quy mơ nhỏ (dưới 10 lít) xây dựng thủy tinh Pyrex - Đối với bể phản ứng/lớn hơn, thép không gỉ sử dụng - Thiết bị giảm tốc sử dụng để kiểm soát tốc độ khuấy trộn - Luồng trộn: mơ hình (luồng trục, luồng phân tán, luồng tiếp xúc) Mục đích khuấy Q trình khuấy học sử dụng nhằm mục đích: Tạo hệ đồng từ thể tích lỏng lỏng, khí, rắn có tính chất thành phần khác nhau: Dung dịch, nhũ tương (lỏng- khí), huyền phù (lỏng- rắn) Tăng cường trình trao đổi nhiệt Tăng cường trình trao đổi chất bao gồm trình chuyển khối q trình hóa học 03 q trình thực với hệ đồng thể dị thể khác hệ LỎNG - LỎNG, LỎNG - RẮN, LỎNG - KHÍ 1.2 Các đối tượng 1.2.1 Huyền phù Huyền phù (nổi lơ lửng, từ phù có nghĩa huyền treo hay đeo lơ lửng) hệ gồm pha phân tán hạt rắn lơ lửng môi trường phân tán lỏng (hỗn hợp dị thể); hạt rắn không tan khó tan vào mơi trường phân tán 1.2.2 Đồng hóa Trong khuấy trộn, đồng hóa q trình đảm bảo tất thành phần hỗn hợp phân bố toàn dung dịch chất lỏng khuấy trộn Quá trình đồng hóa khuấy trộn sử dụng để đảm bảo đồng sản phẩm cuối cùng, đồng thời cải thiện hiệu suất trình sản xuất Các kỹ thuật đồng hóa khuấy trộn bao gồm việc thay đổi tốc độ khuấy, áp lực, nhiệt độ, thời gian tham số khác để đảm bảo thành phần hỗn hợp khuấy trộn đồng Khi thực cách, đồng hóa khuấy trộn đảm bảo chất lượng tính đồng sản phẩm cuối cùng, tối ưu hóa hiệu suất sản xuất giảm thiểu lãng phí 1.2.3 Tạo nhũ tương: Tạo nhũ tương trình tạo hệ thống hai pha gồm chất lỏng hạt rắn khí phân tán chất lỏng dạng hạt nhỏ Nhũ tương tạo thông qua kết hợp chất lỏng chất nhũ hóa, có khả phân tán hạt rắn khí chất lỏng tạo hệ thống nhũ tương ổn định - Khi tạo nhũ tương cần ý tới ba vấn đề: điều kiện cần thiết để tạo nhũ tương, kích thước giọt bề mặt tiếp xúc pha 1.2.4 Truyền nhiệt Truyền nhiệt trình khuấy trộn q trình truyền đạt nhiệt từ mơi trường xung quanh vào dung dịch khuấy trộn Quá trình quan trọng trình cơng nghiệp nghiên cứu, ảnh hưởng đến hiệu suất chất lượng trình khuấy Khi khuấy trộn, lượng học truyền vào dung dịch, tạo chuyển động phân tử dung dịch, làm tăng nhiệt độ dung dịch Đồng thời, nhiệt độ xung quanh ảnh hưởng đến nhiệt độ dung dịch Quá trình truyền nhiệt phụ thuộc vào yếu tố diện tích bề mặt tiếp xúc dung dịch môi trường xung quanh, độ nhớt dung dịch tốc độ khuấy Để đảm bảo trình khuấy trộn đạt hiệu cao không gây tổn hại đến chất lượng sản phẩm, cần thiết phải thiết kế thiết bị khuấy phù hợp với quy mơ q trình sản xuất chọn lựa điều kiện nhiệt độ tốc độ khuấy phù hợp 1.2.5 Phun hịa khí Phun hịa khí khuấy trộn kỹ thuật sử dụng để đưa chất khí vào dung dịch q trình khuấy trộn Kỹ thuật sử dụng để tăng cường khả hịa tan chất khí dung dịch đạt phân tán đồng Trong q trình này, chất khí phun vào dung dịch cách sử dụng vòi phun nhỏ đầu phun áp lực cao để tạo thành bong bóng khí nhỏ Các bong bóng khuấy trộn hòa tan dung dịch, giúp tăng tốc q trình hịa tan chất khí Phun hịa khí khuấy trộn có ứng dụng rộng ngành sản xuất hóa chất, thực phẩm dược phẩm Nó sử dụng để hịa tan khí Oxy, CO2, Nitơ, hợp chất hữu dung dịch Kỹ thuật sử dụng để tăng tốc q trình trao đổi khí - chất lỏng q trình oxy hóa, khử trùng, khử mùi, xử lý nước thải nhiều ứng dụng khác 1.2.6 Tạo dung dịch Tạo dung dịch khuấy trộn trình tạo dung dịch cách pha trộn chất hóa học với bình khuấy trộn Khuấy trộn sử dụng để tăng tốc độ pha trộn đảm bảo chất hóa học phân tán dung dịch Trong trình tạo dung dịch khuấy trộn, chất hóa học đưa vào bình khuấy trộn với lượng định dung môi, thường nước Sau đó, bình khuấy trộn bật lên để tạo luồng lực xốy, giúp chất hóa học phân tán tan hồn tồn dung mơi Thời gian tốc độ khuấy trộn điều chỉnh để đảm bảo trình pha trộn diễn hiệu nhanh chóng Q trình tạo dung dịch khuấy trộn sử dụng nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm sản xuất hóa chất, dược phẩm, thực phẩm, trình xử lý nước môi trường 1.3 Chức máy khuấy trộn Trộn đều: Giúp trộn thành phần để tạo thành sản phẩm đồng chất lượng cao Hòa tan: Giúp hòa tan thành phần dung môi lỏng để tạo thành dung dịch hỗn hợp đồng Pha trộn: Kết hợp chất để tạo sản phẩm với tính chất tính khác Phản ứng hóa học: Giúp thực phản ứng hóa học cách khuấy trộn chất lỏng chất tương tác với Nghiền: Giúp nghiền, xay nhỏ hạt để tạo hỗn hợp mịn Tạo bọt: Tạo bọt sản phẩm 1.4 Cấu tạo nguyên lý làm việc máy khuấy trộn Cấu tạo 1.4 Cấu tạo nguyên lý làm việc máy khuấy trộn Cấu tạo Hình 1:Máy khuấy trộn 1- Hệ dẫn động; 2- Khớp nối; 3- Ổ trục; 4- Thiết bị làm kín; 5- Ống; 6- Giá đỡ; 7- Cửa quan sát; 8- Vỏ ngoài; 9- Thùng khuấy; 10- Trục; 11- Cơ cấu khuấy; 12- Cửa xả Hệ dẫn động – phận giúp truyền động từ động đến trục khuấy, bao gồm truyền động bánh răng, dây đai, vòng bi,… Khớp trục – phần giúp kết nối trục khuấy với động Khớp trục đóng vai trị giúp trục khuấy quay cách ổn định, khơng bị rung lắc hay nghiêng q trình khuấy trộn Ổ trục – giúp thiết bị khuấy quay cách ổn định tránh rung động Thiết bị làm kín – giúp tránh làm rị rỉ chất lỏng khí q trình khuấy trộn tránh bụi bặm từ vào Ống – nạp chất lỏng vào bình khuấy trộn Giá đỡ - giúp máy khuấy trộn vững ổn định trình sử dụng Cửa quan sát – cho phép người vận hành quan sát trình khuấy trộn vệ sinh thùng khuấy cần thiết Vỏ – bảo vệ phận bên khỏi yếu tố bên như: bụi bặm, ẩm ướt va đập Thùng khuấy – Chứa chất lỏng cần khuấy trộn 10 Trục – truyền lực dẫn động từ hệ dẫn động đến cấu khuấy 11 Cơ cấu khuấy – tạo động lực để di chuyển chất lỏng bình khuấy, đảm bảo hỗn hợp đạt mục đích khuấy trộn 12 Cửa xả - cho phép người vận hành lấy mẫu xả chất lỏng sau khuấy trộn Nguyên lý làm việc máy khuấy trộn: - Hệ dẫn động bao gồm động truyền động Động truyền chuyển động cho truyền động sau truyền động đến trục thông qua khớp nối đồng thời ổ trục giúp đỡ trục quay Cơ cấu khuấy gắn trục trục quay làm cho cấu khuấy quay theo tạo động lực di chuyển chất lỏng bình khuấy, đảm bảo hỗn hợp đạt mục đích khuấy trộn Vật liệu cấp vào từ ống ( cửa nạp) , trình khuấy cửa quan sát cho phép người vận hành quan sát q trình khuấy trộn (cũng vệ sinh thùng khuấy sau sử dụng xong) Sau hồn thành q trình khuấy trộn chất lỏng nhớt xả từ cửa xả cho phép người vận hành lấy mẫu - Q trình khuấy thực thùng khuấy Vỏ giúp bảo vệ phân bên khỏi yếu tố bên : bụi bậm; ẩm ướt va đập 3.2 Chọn sơ cấu khuấy : Hình 3: Một số dạng cánh khuấy thường gặp P: Chân vịt; SB: Cánh nghiêng (Tua bin); SE: Dạng bản; IM: Inter mix; B: cánh; SN: Dạng vít; W: Lồng vít Bảng 3.2: Ứng dụng số dạng cấu khuấy Cơ cấu khuấy Dạng chân vịt Cánh nghiêng (tua bin) Dạng tua bin cánh Inter mix Miền sử dụng hợp lý η (kg/ms) Re (Pa.s) Lĩnh vực áp dụng a 10.000 H, S, E, W SB a-r 10.000 H, S, E SE r - 10 E, B IM a-r - 40 S, B, W Viết tắt Dòng chuyển động chất lỏng P Dạng Tuabin Dạng vít Lồng vít B BA SN W r r a a - 50 100 100 100 H H H, S H, W H: Đồng hóa; S: Tạo huyền phù; E: Nhũ tương hóa; W: Truyền nhiệt; B: Thốt khí a: Dịng chuyển động dọc trục; r: Dịng chuyển động hướng tâm Từ hình bảng (3.2) ứng với = 28 kg/ms có thơng số sau: BA: Dạng tua bin cánh khuấy SN: Dạng vít W: Dạng lồng vít (vít kép) B: Dạng P: Chân vịt Kết luận Để tạo đồng hóa tạo dung dịch theo Bảng 3.1 có dạng cấu khuấy dạng vít, dạng tua bin, dạng lồng vít dạng làm Ta chọn sơ cấu khuấy dạng vít tua bin cánh khuấy 3.3 Tính tốn thơng số cấu khuấy máy thiết k Chọn sơ chuẩn Re (do chưa có thơng số n) Từ bảng 3.1 chọn sơ Re = 10 (Sau tính xác Re) Với Re vừa chọn loại hệ thống khuấy BA SN đáp ứng tốt Phương án A : Tính tốn thông số cho BA ( Vierlelattruhrer) P: Dạng chân vịt; SB: Cánh nghiêng (tua bin); SE: Dạng bản; IM: Inter mix; B: Dạng cánh; SN: Dạng vít; W: Dạng lồng vít; Hình : Hệ số cơng suất Ne theo Re số dạng cấu khuấy trộn [17] a1 – Tra Ne (NewtonZahl) hình ứng với Re = 10 có Ne ≈ 19 a2 – Tính đường kính cấu khuấy (bảng 3.3) Bảng 3.3 Kích thước chủ yếu thùng khuấy a2 – Tính đường kính cấu khuấy (bảng 7.3) dk = 0,5dB = 0,5m a3 – Xác định số vòng quay n (7.16) (7.16) Suy ra: (v a4 – Tính cơng suất: (7.22) (W) a5 – Tính lại Re có khác biệt n a6 – Tính tốn thời gian trộn Hình Thời gian trộn khơng thứ nguyên với độ lệch chuẩn S=0,05 a6 – Tính toán thời gian trộn a61 – Từ (7.28) để xác định thời gian trộn phải xác định giá trị tc kết thí nghiệm điều kiện S=0,05; So = Se = 0,01667 nêu Hình Tra đồ thị ứng BA thời gian trộn không thứ nguyên Tm = 93 Như thời gian trộn ứng với thí nghiệm theo là: s Xác định số thời gian tc ứng với Se = 0,01667 thí nghiệm từ phương trình (7.27) Suy tc = 20,85 s a62 – xác định thời gian trộn máy yêu cầu a621 – xác định phương sai S0 Từ (7.6) có: Như phương sai S0 là: a662 – Tính mức độ sai khác Se (Segregationsgrad) Từ điều kiện sai số chuẩn S = 0,003, ta có: a623 – Tính mức độ trộn Mg (Mischungsgrad) Hay Mg = – 6,8810-4 = 0,9993 a624 – Xác định thời gian trộn Từ (7.27) có: Hay = Suy thời gian trộn t≈ 152 s Phương án B: Hệ thống trộn SN: vít (Schneckanrukrer) b1 – Xác định hệ số Newton (Ne) Từ Hình ta có Ne = 14 b2 – Xác định đường kính cánh khuấy dk = 0,5dB = 0,5m b3 – Xác định số vòng quay n Từ Có: =0,5738 v/s b4 – Xác định công suất: (W) Ne = 14 = 1100 kg/m3 n = 0,5738 v/s d = 0,666 m Suy P = 14.1100.(0,5738)3.(0,666)5 = 381 W b5 – Tính lại để chọn thông số hợp lý cần thiết b6 – Xác định thời gian trộn Tương tự tính tốn cho phương án A ta có kết sau Thời gian trộn không thứ nguyên Tm (tra đồ thị hình 7.8) Tm = 67 Thời gian trộn t05 thí nghiệm ứng với S = 0,05 s Hằng số thời gian t0 ứng với Se thí nghiệm 0,01667 Suy = 28,5 s B62 – Tính tốn thời gian trộn B621 – Tính phương sai B622 -Tính sai khác S (Segregationsgrad) Tương tự a622 có: B623 – Tính tốn mức độ trộn Mg B624 – Xác định thời gian trộn thực tế Từ (7.27) ta có: 6,88.10-4 = Hay Suy t = 208s Kết luận: Việc chọn phương án A B với cấu trộn khác để đạt mức độ đồng trộn nhằm đánh giá, xác định phương án hợp lý (Xem bảng) Thông số A (BA) B ( SN) 0,9993 0,9993 n(1/s) 1,018 0,5738 N(W) 689 381 t(s) 152 208 Phương án Mg Để đánh giá tính hợp lý hai phương án chọn ta xét suất tiêu hao lượng riêng E với: E = N/Q ( Kw.m3) Với: N – Công suất dẫn động Q – Năng suất Hay: Ta có : Như phương án B tốt 3.4 Một vài nhận xét Từ nội dung nghiên cứu tổng quan rút vài nhận xét sau : - Có nhiều loại máy khuấy trộn thực nhiệm vụ nhau, việc chọn phương án thiết kế phụ thuộc vào nhiều yếu tố có kinh nghiệm người thiết kế - Do việc tính tốn máy khuấy trộn tính tốn gần nên từ dẫn tài liệu khác dẫn đến sai khác định kết tính tốn Để có kết tốt thực tính cho nhiều phương án khác 3.5 Tính tốn xác định thơng số thùng khuấy 3.5.1.Lựa chọn hình dạng hình học đáy bể khuấy trộn Tùy theo thành phần yêu cầu dung dịch cần trộn khuấy thực tế thường áp dụng dạng khuấy khác nhau: đáy phẳng, đáy hình chng đáy bán cầu Theo mục đặc điểm chung máy khuấy trộn dung dịch tạo dung dịch đồng vật liệu, không xảy tượng lắng đọng hạt rắn nên dạng đáy phẳng không phù hợp a) b) c) Hình 2.1: Hình dáng hình học đáy bể khuấy trộn a) Đáy phẳng; b) Đáy hình chuông; c) Đáy bán cầu Lựa chọn đáy bể khuấy trộn chỏm cầu đáy chỏm cầu tăng khả trộn hỗn hợp vật liệu tạo dòng chảy rối bên không xảy tượng lắng đọng 3.5.2 Thơng số hình học thùng khuấy trộn Thơng số hình học thùng khuấy để tính kích thước cịn lại đường kính thùng dB đường kính cánh khuấy d Trên sở suất thiết bị, kích thước thường tính tốn từ thực nghiệm, theo tiêu chuẩn dựa vào máy mẫu có sẵn Hình 2.6 trình bày kích thước bình khuấy Hình 2.6: Các kích thước thùng khuấy trộn [12] - Ta có : Thể tích V = 0.8 m3 Ta có : V= (m) Riêng với thơng số zo, theo Bảng 2.2 dB = zo, trình khuấy trộn, phần thể tích đảm bảo chất lượng dung dịch đạt 95% từ đáy lên Do vậy, lựa chọn zo lớn để đảm bảo lượng huyền phù mẻ thoải mãn yêu cầu Chọn zo = 1,5 (m) Bảng 2.2: Kích thước chủ yếu thùng khuấy trộn [17] Cơ cấu khuấy trục vít Kích thước (m) d/dB z/d α S/d z0/dB z1/dB z2/dB bw/dB zw/ dB Ghi 0,5 0,9 1,0 0,5 - - *) *) Các kích thước ống dẫn hướng liên quan: ⅆL ∕ d=1,1 ; zL ∕ z=0,666 3.4 Chọn động Theo tính tốn cơng suất N = 381 W, với số vòng quay 0,5738v/s (34,4 v/ph) Ứng với máy thiết kế lựa chọn động sau, [bảng phụ lục P1.3- Thiết kế dẫn động khí tập 1]: N = 0,55 (kW), n = 920 (v/ph) Ký hiệu động cơ: 4A 71B6Y3 có thơng sơ sau: Cơng suất (kW) Số vịng quay (vg/ph) Cos φ η% 0,55 920 0,71 67,5 2,2 2,0 3.5 Thiết kế thùng khuấy 3.5.1 Tính tốn chiều dày vỏ thùng khuấy - Chon vât liêu chê tạo vo thung thep CT38 có: σk = 380.106 (N/m2), σch = 80.106 (N/m2); - Môi trường làm viêc có lượng riêng: ρhp = 1100 (kg/m3); - Áp suất làm viêc: ρk = 105 (N/m2); - Nhiêt đô làm viêc, trường hợp chuẩn bi đô hỗn hợp xuống khuôn: t = (45÷ 50)oC; - Chiều cao lớn nhất mà hỗn hợp chiêm chỗ: H= zw = 1,35 (m), theo Hình 2.6; - Trên thân thung trơn có cửa, trình làm viêc được nắp kin nên coi không ảnh hưởng đên kêt cấu thung - Thung được chê tạo bằng công nghê hàn theo doc chiều dài thân, hàn giáp mối Áp suất thủy tinh phần dưới của thân thung trôn theo tài liêu [10] (N/m2) Áp suất chuyên đông quay của cấu trôn tác đ ông vào chất long truyền lên thung: Khi cấu trôn chuyên đông thì chiu tác dụng của áp suất cản của môi trường theo đinh luât Newton theo tài liêu [17] thì Trong đó: + p1: Là áp suất thủy tinh phần dưới của thân thung trôn (N/m2); + p2: Là áp suất cản của môi trường (N/m2); + v: Chuyên đông tương đối của cánh trôn môi trường trôn (m/s) v = R.ω = (d/2).ω = 0,3.71,2 = 21,3 (m/s) + ρhp: Trong lượng riêng của hỗn hợp huyền phu ρhp = 1650 (kg/m3); + C: Hê số trở lực của môi trường, C = 0,64 Thay vào (N/m2) Áp śt tinh tốn thung trơn theo tài liêu [11] (N/m2) Ứng suất cho phep giới hạn chảy: (N/m2) Chiều dày thân thung trôn được xác đinh sau: Trong đó: + S: Chiều dày thung, m; + Dt: Đường kinh của thung trôn, Dt = 1,8 (m) + σcp: Ứng suất cho phep của vât liêu làm thung + : Hê số bền hàn + C: Hê số bô sung ăn mòn, bào mòn dung sai về chiều dày (m); C = C1 + C2 + C3 = (1,0 + 1,0 + 0,8).10-3 = 1,8.10-3 (m) Thay giá tri vào ta có: (m) = 6,35(mm) Do phải đảm bảo tinh công nghê chê tạo, kê đên lượng bô phân tác đông lên thành thung trôn dựa theo máy có sẵn chon S = 10 (mm)