2.3　攪拌裝置工藝設(shè)計(jì)示例

某反應(yīng)單元采用夾套和蛇管共同冷卻的攪拌釜式反應(yīng)器處理15×10⁴m³/a的均相液體，反應(yīng)溫度要求控制在60℃，平均停留時(shí)間20min，需移走熱量350kW。現(xiàn)采用夾套和蛇管共同冷卻，冷卻水進(jìn)口溫度18℃，出口溫度28℃，忽略污垢熱阻及間壁熱阻，試設(shè)計(jì)一臺(tái)機(jī)械攪拌夾套和蛇管共同冷卻的反應(yīng)器完成上述任務(wù)。

60℃下均相液體的物性參數(shù)：比熱容c_p=912J/（kg·℃），熱導(dǎo)率λ=0.591W/（m·℃），平均密度ρ=987kg/m³，黏度μ=3.5×10^-2Pa·s。

［反應(yīng)器工藝設(shè)計(jì)過(guò)程如下］

一、選定攪拌器類型

因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)所用攪拌器主要是為了實(shí)現(xiàn)物料的均相混合與反應(yīng)，故推進(jìn)式、槳式、渦輪式、三葉后掠式等均可選擇，本設(shè)計(jì)選用六片平直葉圓盤渦輪式攪拌器。

二、攪拌裝置工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jì)算攪拌轉(zhuǎn)速及功率，計(jì)算傳熱面積等，最終為機(jī)械設(shè)計(jì)提供條件。

1.攪拌槽

（1）容積與槽徑

對(duì)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(shí)間

一般攪拌槽內(nèi)液體充填高度H等于槽內(nèi)徑，以攪拌槽為平底近似估算槽直徑，此時(shí)有

本設(shè)計(jì)取D=2.0m。當(dāng)D=2.0m時(shí)

H=6.944/（0.785×2.0²）=2.212m

（2）類型

槽體由于沒有特殊要求，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ф57mm×3.5mm蛇管，蛇管由無(wú)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(shí)際攪拌槽的筒體高徑比為H_P/D=1.1～1.5，本設(shè)計(jì)取1.3，則攪拌槽筒體實(shí)際高度H_P為

H_P=1.3×2.0=2.6m

故攪拌槽規(guī)格為ф2000mm×2600mm，空容積為8.164m³，容積利用率為85％，滿足工藝要求。

2.攪拌槳

（1）攪拌槳的尺寸

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，選用平直葉渦輪式攪拌器，其型號(hào)規(guī)格為PY-700（詳見圓盤渦輪式攪拌器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)HG/T 3796.5—2005），主要尺寸如下：

槳葉直徑d=700mm，槳葉寬度b=140mm，葉片厚度δ=6mm，攪拌軸徑90mm，重約30.6kg。

（2）攪拌槳的安裝位置

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，葉輪浸入攪拌槽內(nèi)液面下的最佳深度為，因此，可確定葉輪距槽底的高度為

C=2.212/3=0.74m　（設(shè)計(jì)取0.75m）

（3）攪拌槳的轉(zhuǎn)速

對(duì)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>10⁴，于是有

即轉(zhuǎn)速不能低于43r/min。依據(jù)公式計(jì)算，得

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并考慮一定的余量，本設(shè)計(jì)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)。

3.攪拌槽附件

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

三、攪拌功率計(jì)算

采用永田進(jìn)治公式計(jì)算（亦可采用RushtonΦ-Re關(guān)聯(lián)圖計(jì)算）

由于Re值很大，處于湍流區(qū)，因此，應(yīng)該安裝擋板，以消除打旋現(xiàn)象。從RushtonΦ-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(zhǎng)線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)）Re_c=14.0。

六片平直葉渦輪攪拌器的參數(shù)

b/D=0.14/2.0=0.07，d/D=0.7/2.0=0.35，H/D=2.212/2.0=1.106，sinθ=1.0

式（2-9）中的指數(shù)

亦可根據(jù)Re=27636查Rushton圖，讀取Φ=N_p=5.6，這比用永田進(jìn)治公式計(jì)算的結(jié)果要大。這不難理解，因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)公式和查圖都存在一定的誤差。

四、攪拌裝置傳熱計(jì)算

1.被攪拌流體與夾套之間的換熱

（1）槽內(nèi)液體對(duì)槽壁的對(duì)流傳熱系數(shù)α_j

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(jì)算。

　　 （2-27） 　　

單位質(zhì)量被攪拌液體所消耗的功率ε

被攪拌液體的運(yùn)動(dòng)黏度ν

ν=μ/ρ=3.5×10^-2/987=3.546×10^-5m²/s

（2）夾套內(nèi)冷卻水對(duì)槽壁的對(duì)流傳熱系數(shù)α₁

采用蛇管中流體對(duì)管壁的對(duì)流傳熱系數(shù)公式計(jì)算

　　 （2-28） 　　

冷卻水的定性溫度為（18+28）/2=23℃，在此溫度下水的物性：

c_p=4180J/（kg·℃），λ=0.608W/（m·℃），ρ=997kg/m³，μ=9.358×10^-4Pa·s。

假定蛇管移走熱量200kW，且攪拌機(jī)械功率N全部轉(zhuǎn)化為熱，則需夾套移走的熱量Q₁為

Q₁=350000-200000+N=150000+4810=154810W

夾套中冷卻水的質(zhì)量流率m₁

取夾套空腔距離E=75mm，導(dǎo)流板螺距P=200mm，則夾套中水的流速u₁

當(dāng)量直徑　　D_e=4E=4×0.075=0.3m

假定反應(yīng)槽筒壁厚度為12mm，則夾套空腔內(nèi)壁外徑為ф2024mm，外壁內(nèi)徑為ф2174mm，中徑為（2024+2174）/2=2099mm，此即夾套中螺旋導(dǎo)流板平均輪徑，D_c=2.099m。

（3）總傳熱系數(shù)K₁

依題意，忽略污垢及間壁熱阻，有

（4）需夾套提供的傳熱面積A₁

（5）夾套實(shí)際換熱面積A_P1

核算夾套提供的傳熱面積是否能滿足換熱要求，計(jì)算時(shí)應(yīng)按攪拌槽內(nèi)表面所能提供的有效換熱表面積計(jì)算，即

A_P1=πDH=3.14×2.0×2.212=13.89m²

面積裕度

該面積大于所需換熱面積，因此，該設(shè)計(jì)滿足工藝設(shè)計(jì)要求。

2.被攪拌流體與槽內(nèi)蛇管之間的換熱

（1）被攪拌液體對(duì)內(nèi)冷蛇管外壁的對(duì)流傳熱系數(shù)α_c

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(jì)算。

　　 （2-23） 　　

前面已算出，ε=0.702W/kg，ν=3.546×10^-5m²/s

（2）蛇管內(nèi)冷卻水對(duì)管內(nèi)壁的對(duì)流傳熱系數(shù)α₂

采用蛇管中流體對(duì)管壁的對(duì)流傳熱系數(shù)公式計(jì)算

　　 （2-28） 　　

假定蛇管冷卻水溫度變化與夾套相同，即冷卻水的定性溫度仍為（18+28）/2=23℃，在此溫度下水的物性為：

c_p=4180J/（kg·℃），λ=0.608W/（m·℃），ρ=997kg/m³，μ=9.358×10^-4Pa·s。

需移走的熱量

Q₂=200000W

冷卻水的質(zhì)量流率m₂

蛇管中水的流速u₂

蛇管管徑d_i=0.05m，螺距P=150mm，蛇管的平均輪徑D_c=1.40m。

（3）總傳熱系數(shù)K₂

依題意，忽略污垢及間壁熱阻，有

（4）蛇管傳熱面積A₂

　　 蛇管長(zhǎng)度 　　

蛇管螺旋排列直徑取1.4m，螺距150mm，盤管圈數(shù)近似為

為保守起見，盤管實(shí)際取6圈。6圈盤管對(duì)應(yīng)的管長(zhǎng)L=3.14×1.4×6=26.38m，對(duì)應(yīng)的換熱面積為3.14×0.057×26.38=4.72m²，面積裕度為（4.72-3.54）/3.54×100％=33.26％，盤管高度0.9m，可滿足工藝要求。

從上面的計(jì)算中可以看出，蛇管直徑偏小，管內(nèi)流速偏大，可做適當(dāng)調(diào)整，取比ф57大一號(hào)的無(wú)縫管效果會(huì)好一些，此處不再作優(yōu)化，本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果如表2-10所示，其他內(nèi)容省略，不再贅述。