均相液體機械攪拌夾套冷卻反應(yīng)器設(shè)計

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工藝計算書（工藝部分）

上海工程技術(shù)大學(xué)化學(xué)工程與工藝系

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均相液體機械攪拌夾套冷卻反應(yīng)器設(shè)計（工藝部分）

一、設(shè)計任務(wù)

1.處理能力：140000m3/a均相液體；2.設(shè)備型式：機械攪拌夾套冷卻器。

二、操作條件

1.均相液溫度保持50℃；2.平均停留時間18min；3.需移走熱量105kW；

4.采用夾套冷卻，冷卻水進口溫度20℃，出口溫度30℃；

5.50℃下均相液的物性參數(shù)：比熱容cp?1012J/kg??C，導(dǎo)熱系數(shù)

λ?0.622W??C/m，平均密度ρ?930kg/m3，粘度μ?2.733?10?2Pa?s。

6.忽略污垢熱阻及間壁熱阻；

7.每年按300天，每天按24小時連續(xù)運行。

三、設(shè)計內(nèi)容

1.設(shè)計方案簡介：對確定的工藝流程及設(shè)備進行簡要論述；2.攪拌器工藝設(shè)計計算：確定攪拌功率及夾套傳熱面積；

3.攪拌器、攪拌器附件、攪拌槽、夾套等主要結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計計算；4.主要輔助設(shè)備選型：冷卻水泵、攪拌電機等；5.繪制攪拌器工藝流程圖及設(shè)備設(shè)計條件圖；6.對本設(shè)計的評述。

附：均相液體機械攪拌夾套冷卻反應(yīng)器設(shè)計——工藝計算書

均相液體機械攪拌夾套冷卻反應(yīng)器設(shè)計——工藝計算書

一、選定攪拌器的類型

由于該設(shè)計所用攪拌器主要是為了實現(xiàn)物料的均相混合，故推進式、槳式、渦輪式、三葉后掠式等均可選擇，本設(shè)計選用六片平直葉圓盤渦輪式攪拌器。

二、攪拌設(shè)備的設(shè)計計算

確定攪拌槽的結(jié)構(gòu)及尺寸，攪拌槳及其附件的幾何尺寸及安裝位置，計算攪拌轉(zhuǎn)速及功率，計算傳熱面積等，最終為機械設(shè)計提供條件。

（一）攪拌槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.攪拌槽的容積、類型、高徑比（1）容積與槽徑

對于連續(xù)操作，攪拌槽的有效體積為

攪拌槽的有效體積=流入攪拌槽的液體流量×物料的平均停留時間

-2-

V?14000018??5.833m3

300?2460根據(jù)攪拌槽內(nèi)液體最正確充填高度等于槽內(nèi)徑，即H?D。現(xiàn)以攪拌槽為平底近似估算槽直徑，則有：

D?H?34V34?5.833??1.95mπ3.14本設(shè)計取D?1.95m。

（2）類型

槽體由于沒有特別要求，一般選用常用的直立圓筒型容器。根據(jù)傳熱要求，槽體帶夾套，

夾套選用螺旋板夾套，內(nèi)設(shè)導(dǎo)流板，螺距P?50mm，夾套環(huán)隙E?50mm。

（3）高徑比

一般實際攪拌槽的高徑比為1.1~1.5，本設(shè)計取1.2。故攪拌槽筒體的實際高度為

H0?1.2?1.95?2.34m

2.攪拌槳的尺寸、安裝位置及轉(zhuǎn)速（1）攪拌槳的尺寸

依據(jù)攪拌器直徑的標(biāo)準(zhǔn)值等于1/3槽體內(nèi)徑，即d?D/3?1.95/3?0.65m查常用標(biāo)準(zhǔn)攪拌器的規(guī)格，選用渦輪式攪拌器的型號為：攪拌器700—80，HG5-221-65。其主要尺寸如下：

葉輪直徑d?700mm，葉輪寬度b?140mm，葉片厚度δ?10mm，攪拌軸徑80mm。

（2）攪拌槳的安裝位置

根據(jù)經(jīng)驗，葉輪浸入攪拌槽內(nèi)液面下方的最正確深度為S?槽底的高度為C?1.95/3?0.65m。

2H，因此，可確定葉輪距3（3）攪拌槳的轉(zhuǎn)速

對于混合操作，要求攪拌器在湍流區(qū)操作，即攪拌雷諾數(shù)Re?10，于是有

4ρnd2930?0.72n4Re???16674n?10?n?0.6r/s?36r/min?2μ2.733?10即轉(zhuǎn)速不能低于36r/min?，F(xiàn)依公式n?4.74計算，得πd4.744.74??2.16r/s?129r/minπd3.14?0.7本設(shè)計根據(jù)經(jīng)驗并考慮一定余量，選取n?2.0r/s?120r/min，該轉(zhuǎn)速處在該類型攪拌器常用轉(zhuǎn)速n?10~300r/min的范圍之內(nèi)。

3.攪拌槽附件

n?為了消除打旋現(xiàn)象，加強傳熱和傳質(zhì)，安裝6塊寬度為（1/10~1/12）D，取W=0.2m的擋板，以滿足全擋板條件。全擋板條件判斷如下：

?W??0.2???nb????6?0.39?0.35（符合全擋板條件）D1.95????-3-

1.21.2（二）攪拌槽的工藝計算

1.攪拌功率的計算

采用永田進治公式計算（亦可用Rushton關(guān)聯(lián)圖計算）

ρnd2930?2.0?0.72Re???33348?300?2μ2.733?10Fr?nd2.0?0.7??0.285g9.8122

由于Re值很大，處于湍流區(qū)，因此，應(yīng)當(dāng)安裝擋板，以消除打旋現(xiàn)象。從Rushton

Φ?Re關(guān)聯(lián)圖中讀取臨界雷諾數(shù)（湍流區(qū)全擋板曲線與層流區(qū)全擋板曲線延長線的交點所對應(yīng)的雷諾數(shù)）Rec?14.0。六片平直葉渦輪攪拌器的參數(shù)

b/D?0.2/1.95?0.1026d/D?0.7/1.95?0.3590

H/D?1.0sinθ?1.02??b???d?A?14????670??0.6??185??D??????D?

?14?0.1026670?0.3590?0.6??185?36.972??B?102??b??d???1.3?4??0.5??1.14????D??D??????10?1.3?4?0.1026?0.5??1.14?0.3590??100.259?1.8155

2?b??d??b?p?1.1?4???2.5??0.5??7???D??D??D?224

?1.1?4?0.1026?2.5?0.3590?0.5??7?0.10264?1.45990.66?1000?1.2Rec??H?ANp??B??0.66??RecD1000?3.2Rec????p?0.35?b/D??sinθ?1.2

?1000?1.2?14.00.66?36.97??1.8155?0.66?14.0?1000?3.2?14.0?功率N

1.4599?1.0?1.2?2.6407?1.8155?0.9888?1.0?4.436N?Npρn3d5?4.436?930?23?0.75?5547W?5.5kW

亦可根據(jù)Re?33348查Rushton圖讀取Φ?Np?5.8，這比用永田進治公式計算的結(jié)果要大。這不難理解，由于經(jīng)驗公式和查圖都存在一定的誤差。

2.夾套換熱面積的計算

（1）槽內(nèi)液體對槽壁的對流給熱系數(shù)?j

-4-

采用左野雄二推薦的槳式和渦輪式攪拌器的傳熱關(guān)聯(lián)式計算。

?εD4Nuj?0.512??υ3?????0.227?d?Pr1/3???D?0.52?b????D?0.08

單位質(zhì)量被攪拌液體所消耗的功率ε

ε?N5547??1.025W/kg220.785DHρ0.785?1.95?1.95?930被攪拌液體的運動粘度υ

υ?μ/ρ?2.733?10?2/930?2.939?10?5m2/s

?εD4Nuj?0.512??υ3?αjD?εD4?0.512??υ3λ?????????0.227Pr0.2271/3?d????D?1/30.52?b????D?0.520.08?cpμ???λ?????d????D??b????D?0.08

4?1.025?1.95?0.622???αj?0.512???3?5??1.95???2.939?10?0.227???1012?2.733?10?2??0.622?????1/3??0.359??0.1026??0.512?0.319?2249?3.543?0.587?0.8330.520.08

αj?636.3W/m2??C（2）夾套內(nèi)冷卻水對槽壁的對流給熱系數(shù)α

采用蛇管中流體對管壁的對流傳熱系數(shù)公式計算

α?0.027??DeDeRe0.8Pr0.33Vis0.14?1?3.5??Dλ?c?????????冷卻水的定性溫度為?20?30?/2?25C，在此溫度下水的物性如下

cp?4179J/kg??C，λ?0.608W/m??C，ρ?997kg/m3，μ?9.03?10?4Pa?s

需移走的熱量

Q?105000?5547?110547W

冷卻水的質(zhì)量流率m

m?Q110547??2.645kg/s

?30?20?cp?t2?t1?4179m/ρ2.645/997??1.06m/sP?E0.05?0.05夾套中水的流速u

u?當(dāng)量直徑De?4E?4?0.05?0.2m

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蛇管輪的平均輪徑Dc?1.850m（？）

Deuρ0.2?1.06?997??234069?4μ9.03?10

?4cpμ4179?9.03?10Pr???6.207λ0.608Re?α?0.027??Deλ0.14?Re0.8Pr0.33Vis1?3.5??DDe?c?????????0.608??0.2??

?0.8?6.207?0.33?1???0.027??1?3.5??234069????0.21.850???????0.027?3.04?19746?1.827?1.378?4082W/m2??Cα?4082W/m2??C（3）總傳熱系數(shù)K

依題意，忽略污垢及間壁熱阻，有

αjα111636.3?4082???K???550.5W/m2??CKαjααj?α636.3?4082（4）夾套的傳熱面積

Δtm?Δt1?Δt2?50?20???50?30??24.66?C

?lnΔt1/Δt2ln??50?20?/?50?30??A?Q110547??8.14m2KΔtm550.5?24.66需要核算以下夾套可能提供的傳熱面積是否能滿足換熱要求。計算時應(yīng)按攪拌槽內(nèi)表面所能提供的有效換熱表面積。即

πDH?3.14?1.95?1.95?11.94m2

該面積大于所需換熱面積，因此，該設(shè)計滿足工藝設(shè)計要求。

主要設(shè)計計算結(jié)果匯總

項目攪拌器型式葉輪直徑葉輪寬度葉輪距槽底高度攪拌轉(zhuǎn)速槳葉數(shù)攪拌功率擋板數(shù)擋板寬度攪拌槽有效體積符號dbCnzNnbWV單位mmmr/minWmm3設(shè)計計算結(jié)果六片平直葉圓盤渦輪式攪拌器0.70.140.651206554760.25.833攪拌器攪拌槽附件攪拌槽-6-

夾套攪拌液體深度攪拌槽內(nèi)徑攪拌槽筒體實際高度夾套型式螺旋板螺距夾套環(huán)隙夾套內(nèi)冷卻水流速冷卻水移出熱量被攪拌側(cè)對流給熱系數(shù)夾套側(cè)對流給熱系數(shù)攪拌槽總傳熱系數(shù)所需夾套面積HDH0PEuQαjαKAmmmmmm/sWW/m2℃W/m2℃W/m2℃m21.951.952.34螺旋板夾套，內(nèi)設(shè)導(dǎo)流板0.050.051.06110547636.34082550.58.14

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均相液體機械攪拌蛇管冷卻反應(yīng)器設(shè)計（工藝部分）

一、設(shè)計任務(wù)

1.處理能力：150000m3/a均相液體；2.設(shè)備型式：機械攪拌蛇管冷卻器。

二、操作條件

1.均相液溫度保持60℃；2.平均停留時間20min；3.需移走熱量135kW；

4.采用蛇管冷卻，冷卻水進口溫度18℃，出口溫度28℃；

5.60℃下均相液的物性參數(shù)：比熱容cp?912J/kg??C，導(dǎo)熱系數(shù)λ?0.591W/m??C，平均密度ρ?987kg/m3，粘度μ?3.5?10?2Pa?s。

6.忽略污垢熱阻及間壁熱阻；

7.每年按300天，每天按24小時連續(xù)運行。

三、設(shè)計內(nèi)容

1.設(shè)計方案簡介：對確定的工藝流程及設(shè)備進行簡要論述；2.攪拌器工藝設(shè)計計算：確定攪拌功率及夾套傳熱面積；

3.攪拌器、攪拌器附件、攪拌槽、蛇管等主要結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計計算；4.主要輔助設(shè)備選型：冷卻水泵、攪拌電機等；5.繪制攪拌器工藝流程圖及設(shè)備設(shè)計條件圖；6.對本設(shè)計的評述。

附：均相液體機械攪拌蛇管冷卻反應(yīng)器設(shè)計——工藝計算書

均相液體機械攪拌蛇管冷卻反應(yīng)器設(shè)計——工藝計算書

一、選定攪拌器的類型

由于該設(shè)計所用攪拌器主要是為了實現(xiàn)物料的均相混合，故推進式、槳式、渦輪式、三葉后掠式等均可選擇，本設(shè)計選用六片平直葉圓盤渦輪式攪拌器。

二、攪拌槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計

確定攪拌槽的結(jié)構(gòu)及尺寸，攪拌槳及其附件的幾何尺寸及安裝位置，計算攪拌轉(zhuǎn)速及功率，計算傳熱面積等，最終為機械設(shè)計提供條件。

（一）攪拌槽的容積、類型、高徑比

1.容積與槽徑

對于連續(xù)操作，攪拌槽的有效體積為：

攪拌槽的有效體積=流入攪拌槽的液體流量×物料的平均停留時間

V?15000020??6.944m3

300?2460根據(jù)攪拌槽內(nèi)液體最正確充填高度等于槽內(nèi)徑，即H?D?，F(xiàn)以攪拌槽為平底近似估算槽直徑，則有：

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D?H?34V34?6.944??2.07mπ3.14本設(shè)計取D?2.0m，則H?2.211m。

2.類型

槽體由于沒有特別要求，一般選用常用的直立圓筒型容器。根據(jù)傳熱要求，槽內(nèi)裝Φ57?3.5mm蛇管，由無縫鋼管彎制而成。蛇管除了能起到冷卻作用外，還能起到導(dǎo)流筒和擋板的作用。

3.高徑比

一般實際攪拌槽的高徑比為1.1~1.5，本設(shè)計取1.2。攪拌槽筒體總高

H0?1.2?2.0?2.4m

（二）攪拌槳的尺寸、安裝位置及轉(zhuǎn)速

1.攪拌槳的尺寸

依據(jù)攪拌器直徑的標(biāo)準(zhǔn)值等于1/3槽體內(nèi)徑，即d?D/3?2.0/3?0.67m查常用標(biāo)準(zhǔn)攪拌器的規(guī)格，選用渦輪式攪拌器的型號為：攪拌器700—80，HG5-221-65。其主要尺寸如下：

葉輪直徑d?700mm，葉輪寬度b?140mm，葉輪厚度δ?10mm，攪拌軸徑80mm。

2.攪拌槳的安裝位置

根據(jù)經(jīng)驗，葉輪浸入攪拌槽內(nèi)液面下的最正確深度為S?底的高度為C?2.211/3?0.74m。

2H，因此，可確定葉輪距槽33.攪拌槳的轉(zhuǎn)速

對于混合操作，要求攪拌器在湍流區(qū)操作，即攪拌雷諾數(shù)Re?10，于是有

4ρnd2987?0.72nRe???13818n?104?n?0.72r/s?43r/min?2μ3.5?10即轉(zhuǎn)速不能低于43r/min?，F(xiàn)依公式n?4.74計算，得πd4.744.74??2.16r/s?129r/minπd3.14?0.7根據(jù)經(jīng)驗并考慮一定的余量，本設(shè)計取n?2.0r/s?120r/min，該值處在該類型攪拌器常用轉(zhuǎn)速n?10~300r/min的范圍之內(nèi)。（三）攪拌槽附件

n?為了消除打旋現(xiàn)象，加強傳熱和傳質(zhì)，安裝6塊寬度為（1/10~1/12）D，取W=0.2m的擋板，以滿足全擋板條件。全擋板條件判斷如下：

?W??0.2???nb????6?0.38?0.35（符合全擋板條件）?D??2.0?三、攪拌裝置的工藝計算（一）攪拌功率的計算

采用永田進治公式計算（亦可采用RushtonΦ?Re關(guān)聯(lián)圖計算）

1.21.2-9-

ρnd2987?2.0?0.72Re???27636?300μ3.5?10?2Fr?nd2.0?0.7??0.285g9.8122

由于Re值很大，處于湍流區(qū)，因此，應(yīng)當(dāng)安裝擋板，以消除打旋現(xiàn)象。從Rushton

Φ?Re關(guān)聯(lián)圖中讀取臨界雷諾數(shù)（湍流區(qū)全擋板曲線與層流區(qū)全擋板曲線延長線的交點所對應(yīng)的雷諾數(shù)）Rec?14.0。六片平直葉渦輪攪拌器的參數(shù)

b/D?0.2/2.0?0.1d/D?0.7/2.0?0.35

H/D?1.1055sinθ?1.02??b???d?A?14????670??0.6??185??D??????D?

?14?0.1670?0.35?0.6??185?36.692??B?102??b??d???1.3?4??0.5??1.14????D??D??????10?1.3?4?0.1?0.5??1.14?0.35??100.261?1.824

2?b??d??b?p?1.1?4???2.5??0.5??7???D??D??D?224

?1.1?4?0.10?2.5?0.35?0.5??7?0.14?1.440.66?1000?1.2Rec??H?ANp??B??0.66??RecD1000?3.2Re??c??p?0.35?b/D??sinθ?1.2

?1000?1.2?14.00.66?36.69??1.824?0.66?14.0?1000?3.2?14.0??2.62?1.824?0.9888?1.0?4.424功率N

1.44?1.0?1.2N?Npρn3d5?4.424?987?23?0.75?5871W?6kW

亦可根據(jù)Re?27636查Rushton圖讀取Φ?Np?5.6，這比用永田進治公式計算的結(jié)果要大。這不難理解，由于經(jīng)驗公式和查圖都存在一定的誤差。（二）攪拌裝置換熱面積的計算

1.蛇管內(nèi)冷卻水對管內(nèi)壁的對流給熱系數(shù)α

采用蛇管中流體對管壁的對流傳熱系數(shù)公式計算

-10-

α?0.027??DeDeRe0.8Pr0.33Vis0.14?1?3.5??Dλ?c????????冷卻水的定性溫度為?18?28?/2?23?C，在此溫度下水的物性如下

3，μ?9.44?10?4Pa?scp?4180J/kg??C，λ?0.605W/m??C，ρ?997.5kg/m需移走的熱量

Q?135000?5871?140871W

冷卻水的質(zhì)量流率m

m?Q140871??3.37kg/s

?28?18?cp?t2?t1?4180蛇管中水的流速u

u?m/ρ3.37/997.5??1.72m/s

0.785De20.785?0.052蛇管直徑De?0.05m，螺距P?150mm蛇管輪的平均輪徑Dc?1.850m（？）

Deuρ0.05?1.72?997.5??90874?4μ9.44?10

?4cpμ4180?9.44?10Pr???6.522λ0.605Re???Deλ0.80.330.14α?0.027RePrVis?1?3.5??DDe?c?????????0.605??0.05???0.8?6.522?0.33?1???0.027??1?3.5??90874????0.051.850???????0.027?12.1?9263?1.857?1.095?6154W/m2??C2.被攪拌液體對內(nèi)冷蛇管外壁的對流給熱系數(shù)αc

采用左野雄二推薦的槳式和渦輪式攪拌器的傳熱關(guān)聯(lián)式計算。

4?εdco?αcdco?Nuc??0.512?3??λ?υ?0.2050.35?0.3?cpμ???λ?????d??b??dco????????D??D??D?0.20.1

單位質(zhì)量被攪拌液體所消耗的功率ε

ε?N5871??0.857W/kg

0.785D2Hρ0.785?2.02?2.211?987-11-

被攪拌液體的運動粘度υ

υ?μ/ρ?3.5?10?2/987?3.55?10?5m2/s