Детальное руководство по выполнению курсовой работы «Проектирование вакуум-сушильной установки для мыла»

Смысловой блок: Введение и постановка задачи

В современной технологии производства мыла процесс сушки играет решающую роль в формировании качества конечного продукта, особенно когда речь идет о твердых сортовых видах. От эффективности удаления влаги зависят не только структурные и потребительские свойства мыла, но и стабильность его характеристик при хранении. Ключевое преимущество вакуумной сушки заключается в возможности снизить температуру процесса, что критически важно для термочувствительных продуктов, каким является мыло. Это позволяет сохранить его компонентный состав, предотвратить деградацию и получить продукт высшего качества.

Актуальность данного проекта обусловлена необходимостью разработки эффективного и автоматизированного оборудования, отвечающего современным производственным требованиям. Вся работа выполняется в строгом соответствии с нормами технологического проектирования предприятий по производству мыла (НТП-23-94).

Таким образом, целью данной курсовой работы является проектирование вакуум-сушильной установки непрерывного действия для мыла с заданной производительностью, направленной на механизацию процессов охлаждения, кристаллизации и сушки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Провести аналитический обзор существующих конструкций сушильных аппаратов и выбрать прототип.
• Выполнить детальные технологические и тепловые расчеты установки.
• Разработать кинематическую схему и произвести силовой расчет привода.
• Выполнить расчеты на прочность для наиболее нагруженных узлов и деталей.
• Обосновать выбор конструкционных материалов с учетом требований ГОСТ.
• Разработать комплекс мероприятий по обеспечению безопасности эксплуатации.
• Представить технико-экономическое обоснование целесообразности проекта.

Глава 1. Аналитический обзор и выбор прототипа установки

Химическая промышленность использует широкий спектр сушильных аппаратов, классификация которых может производиться по различным признакам: способу подвода тепла, типу высушиваемого материала, гидродинамическому режиму, давлению внутри аппарата и организации процесса (периодический или непрерывный).

Для сушки мыльной стружки, являющейся термочувствительным и вязким продуктом, наибольший интерес представляют вакуум-сушильные установки. Работа при разрежении позволяет значительно снизить температуру кипения воды, что интенсифицирует процесс сушки при щадящих температурных режимах. Рассмотрим основные типы таких установок:

1. Полочные вакуум-сушилки. Представляют собой шкафы с греющими полками, на которые помещаются противни с продуктом. Это аппараты периодического действия, отличающиеся простотой конструкции, но низкой производительностью и высокими трудозатратами.
2. Барабанные вакуум-сушилки. Состоят из вращающегося барабана с греющей рубашкой. Обеспечивают хорошее перемешивание и равномерность сушки, но могут приводить к истиранию продукта.
3. Ленточные вакуум-сушилки. Продукт перемещается на непрерывной ленте через несколько зон с разной температурой. Это высокопроизводительные установки непрерывного действия, но они сложны конструктивно и металлоемки.

На основе проведенного анализа для данного проекта в качестве прототипа выбрана вакуум-сушильная установка непрерывного действия со шнековым перемешивающим и транспортирующим устройством. Такой выбор обусловлен стремлением к полной механизации и автоматизации процессов, что невозможно в аппаратах периодического действия, и необходимостью обеспечить интенсивное перемешивание для равномерной сушки вязкого продукта.

Глава 2. Описание технологического процесса и устройства установки

Проектируемая вакуум-сушильная установка занимает место в технологической цепи после стадии варки и высаливания мыла. На этом этапе мыльная основа (мыльный клей) имеет повышенную влажность и требует доведения до кондиционных параметров для последующего формирования кускового мыла.

На процесс сушки влияют такие свойства мыла, как начальная и целевая конечная влажность, размер частиц (стружки) и температура плавления жирных кислот, входящих в его состав.

Конструктивно установка состоит из следующих основных узлов:

• Греющий корпус: Горизонтальный цилиндрический сосуд с паровой рубашкой, рассчитанный на работу под вакуумом.
• Мешалка/шнек: Вал с лопастями или винтовой поверхностью, который перемешивает и одновременно транспортирует продукт от загрузочного к разгрузочному патрубку.
• Привод: Включает электродвигатель и червячный редуктор, обеспечивающий необходимое снижение частоты вращения и увеличение крутящего момента на валу мешалки.
• Вакуумная система: Состоит из вакуумного насоса для создания разрежения и конденсатора для улавливания паров испаряемой влаги.
• Системы загрузки и выгрузки: Шлюзовые затворы или другие устройства, позволяющие подавать и удалять продукт без нарушения герметичности системы.

Принцип действия установки следующий: влажная мыльная стружка непрерывно подается в аппарат через загрузочное устройство. Внутри корпуса она подхватывается шнеком, перемешивается и перемещается вдоль горячих стенок. За счет глубокого вакуума (порядка -0.08…-0.09 МПа) влага интенсивно испаряется при относительно низкой температуре. Пары влаги отводятся вакуумным насосом через конденсатор, где они конденсируются. Высушенная до требуемой кондиции мыльная масса выгружается через разгрузочное устройство.

Глава 3. Технологический расчет и материальный баланс

Основой для всех последующих инженерных расчетов является материальный баланс, который определяет массовые потоки сырья, готового продукта и удаляемой влаги. Расчет базируется на законе сохранения массы.

Исходные данные для расчета:

• Годовая производительность установки по готовому (сухому) продукту.
• Число рабочих дней в году и часов в смену.
• Начальная влажность мыла (поступающего на сушку).
• Конечная (целевая) влажность готового продукта.

Уравнение материального баланса для процесса сушки в общем виде выглядит так:

G_вл = G_сух + W

где:

• G_вл — часовой расход влажного мыла, поступающего в установку, кг/ч.
• G_сух — часовая производительность по сухому мылу, кг/ч.
• W — количество испаряемой влаги, кг/ч.

Первым шагом рассчитывается часовая производительность по сухому продукту на основе годовой программы. Затем, зная начальную и конечную влажность, определяется количество влажного сырья, которое необходимо подать в установку для получения заданного количества готового продукта. Разница между этими величинами и дает искомое количество влаги, которое необходимо испарить. Точное определение этой величины является ключевым для последующего теплового расчета.

Результаты расчетов сводятся в таблицу материального баланса для наглядности.

Глава 4. Тепловой расчет вакуум-сушильной установки

Цель теплового расчета — определить количество тепла, необходимое для испарения заданного количества влаги, и на основе этого рассчитать требуемую площадь поверхности теплообмена и расход греющего агента (пара).

Уравнение теплового баланса учитывает все статьи прихода и расхода тепла:

Q_прих = Q_расх

Приход тепла (Q_прих) в основном обеспечивается за счет конденсации греющего пара в рубашке аппарата. Расход тепла (Q_расх) складывается из нескольких составляющих:

1. Тепло, затрачиваемое на нагрев сухого вещества мыла от начальной до конечной температуры.
2. Тепло, затрачиваемое на нагрев влаги, содержащейся в мыле.
3. Основная статья расхода: теплота парообразования, необходимая для испарения влаги при заданной температуре и уровне вакуума.
4. Потери тепла в окружающую среду через теплоизоляцию корпуса.

После определения суммарного расхода тепла рассчитывается требуемая поверхность сушки (теплообмена) по основному уравнению теплопередачи. Полученное значение сравнивается с конструктивной площадью внутренней поверхности аппарата. Далее определяется часовой расход греющего пара, а также необходимое количество охлаждающей воды для конденсатора, чтобы обеспечить эффективную конденсацию вторичного пара.

Глава 5. Кинематический и силовой расчет привода

Привод мешалки/шнека является важнейшим механическим узлом, обеспечивающим работоспособность всей установки. Его расчет включает в себя кинематический и силовой этапы.

Цель расчета: подобрать стандартный электродвигатель и спроектировать редуктор, который обеспечит требуемые скорость вращения и крутящий момент на валу рабочего органа.

Процесс расчета включает следующие шаги:

• Определение требуемой мощности и крутящего момента. Мощность рассчитывается исходя из сопротивления, которое оказывает вязкая мыльная масса перемешиванию и транспортировке.
• Кинематический расчет. Определяется общее передаточное число привода как отношение частоты вращения вала электродвигателя к требуемой частоте вращения вала мешалки. Это число затем распределяется между ступенями привода (например, червячный редуктор и ременная или цепная передача).
• Подбор электродвигателя. На основе рассчитанной мощности и требуемой частоты вращения по стандартным каталогам выбирается асинхронный электродвигатель с небольшим запасом по мощности (10-15%).
• Проектный расчет червячного редуктора. Для выбранной в качестве прототипа червячной передачи выполняется детальный расчет: определяются модуль зацепления, число витков червяка и зубьев колеса, межосевое расстояние и другие геометрические параметры.

Расчет привода — это комплексная инженерная задача, связывающая технологические требования (перемешивание продукта) с законами механики и машиностроения. В рамках данной работы особое внимание уделяется расчету червячного редуктора, как наиболее ответственной части привода.

Глава 6. Расчеты на прочность ключевых элементов

Прочностные расчеты выполняются для того, чтобы гарантировать механическую надежность и безопасность эксплуатации установки в течение всего срока службы. Проверке подвергаются наиболее нагруженные и ответственные детали.

В рамках данного проекта выполняются следующие основные расчеты:

1. Расчет корпуса на прочность и устойчивость при действии внешнего давления (вакуума). Это критически важный расчет для любого вакуумного аппарата, так как внешнее давление может привести к потере устойчивости (схлопыванию) тонкостенной оболочки.
2. Проверочный расчет вала редуктора (или мешалки). Вал испытывает сложное напряженное состояние от совместного действия изгибающих (от веса и радиальных сил) и крутящих моментов. Расчет ведется по эквивалентному напряжению.
3. Расчет шпоночных соединений. Проверяются на смятие и срез для обеспечения надежной передачи крутящего момента от вала к ступице (например, червячного колеса).
4. Подбор подшипников. Осуществляется по динамической грузоподъемности с последующей проверкой их расчетной долговечности в часах.

Каждый расчет сопровождается необходимыми схемами и эпюрами нагружения, что позволяет наглядно представить распределение сил и моментов в деталях конструкции.

Глава 7. Обоснование выбора конструкционных материалов

Правильный выбор материалов определяет долговечность, надежность и гигиеничность установки. Выбор основывается на условиях эксплуатации деталей, химической агрессивности среды и экономических соображениях.

Для деталей, контактирующих с продуктом (корпус, вал и лопасти мешалки), выбрана коррозионностойкая нержавеющая сталь марки AISI 304 (или ее отечественный аналог по ГОСТ). Этот выбор обусловлен следующими факторами:

• Высокая стойкость к коррозии в среде жирных кислот и щелочей.
• Соответствие санитарно-гигиеническим нормам для пищевого и косметического оборудования.
• Хорошая свариваемость и технологичность.

Для элементов, не контактирующих с продуктом (станина, рама, детали корпуса редуктора), применяются более дешевые углеродистые конструкционные стали, такие как Сталь 3 или Сталь 45 (согласно ГОСТ). Эти стали обладают достаточной прочностью для силовых элементов конструкции, где нет прямого контакта с агрессивной средой.

Выбор всех материалов строго регламентирован соответствующими стандартами ГОСТ на химический состав, механические свойства и сортамент.

Глава 8. Безопасность эксплуатации и охрана труда

Обеспечение безопасных условий труда является неотъемлемой частью проектирования любого промышленного оборудования. Анализ конструкции вакуум-сушильной установки позволяет выявить следующие потенциальные опасности:

• Работа с сосудом под давлением: Риск имплозии (схлопывания) корпуса из-за вакуума.
• Горячие поверхности: Корпус установки и паропроводы имеют высокую температуру, что может вызвать ожоги.
• Движущиеся части: Вращающиеся элементы привода (муфты, валы) представляют механическую опасность.
• Электрооборудование: Риск поражения электрическим током.

Для минимизации этих рисков разработан комплекс технических и организационных мероприятий в соответствии с ГОСТ 12.2.003-91 «Оборудование производственное. Общие требования безопасности»:

1. Все вращающиеся части привода должны быть закрыты защитными кожухами.
2. Корпус аппарата и горячие трубопроводы покрываются теплоизоляционным материалом.
3. Электрооборудование должно быть надежно заземлено.
4. Установка оснащается предохранительными устройствами для защиты от превышения давления (в рубашке) и вакуумметром для контроля разрежения.

Кроме того, разработаны инструкции по безопасному техническому обслуживанию и эксплуатации установки для производственного персонала.

Глава 9. Технико-экономическое обоснование проекта

Финальным этапом курсовой работы является оценка экономической эффективности предложенного технического решения. Расчет доказывает, что инвестиции в разработку и изготовление установки являются целесообразными и окупятся в приемлемый срок.

Расчет капитальных затрат. Эта статья включает в себя:

• Стоимость основных материалов (нержавеющая и углеродистая сталь).
• Стоимость покупных комплектующих изделий (электродвигатель, вакуумный насос, подшипники, арматура).
• Затраты на изготовление оригинальных деталей и сборку установки.

Расчет годовых эксплуатационных расходов. Сюда входят затраты на:

• Электроэнергию, потребляемую приводом и насосом.
• Греющий пар и охлаждающую воду.
• Заработную плату обслуживающего персонала.
• Амортизационные отчисления и расходы на плановое техническое обслуживание.

На основе этих данных рассчитываются ключевые показатели эффективности проекта. Экономический эффект может быть достигнут за счет повышения производительности, улучшения качества мыла или снижения удельного расхода пара. Рассчитывается годовая прибыль от внедрения установки, ее рентабельность и, как итоговый показатель, срок окупаемости первоначальных инвестиций.

Список информационных источников

1. Молчанов И.В. Технологическое оборудование жироперера-батывающих производств. М.: Пищевая промышленность, 1965.- 510 с.
2. Калошин Ю.А. Оборудование отрасли. Технологическое оборудование отрасли (маслодобывающих и жироперерабатывающих предприятий). Методические указания по проведению практических занятий. – М.: МГУТУ, 2007.
3. Журавлев А.М. и др. Справочник по мыловаренному производству. М.: 1974. -518 с.
4. Товбин И.М., Файнберг Е.Е. Технологическое проектирование жироперерабатывающих предприятий. Расщепление жиров и др. М.: Пищевая промышленность, 1965. -513 с.
5. Чубенидзе и др. Оборудование предприятий масложировой промышленности. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1985. — 304 с.
6. Калошин Ю.А. Технология и оборудование масложировых предприятий. М.: Академия, 2000. – 361 с.