蛇管冷却机械搅拌装置设计文献

蛇管冷却机械搅拌装置设计

说 明 书

搅拌装置设计任务书

（蛇管冷却机械搅拌装置设计）

(一)设计题目

均相液体机械搅拌蛇管冷却反应器设计。 (二)设计任务及操作条件

(1)处理能力175200m3／a均相液体。〖注：X代表学号最后两位数〗 (2)设备型式 机械搅拌蛇管冷却装置。 (3)操作条件

①均相液温度保持60℃。 ②平均停留时间20min。 ③需要移走热量135kW。

④采用蛇管冷却，冷却水进口温度18℃，冷却水出口温度28℃。 ⑤60℃下均相液物性参数：比热容Cp=912J／(kg·℃)，导热系数λ=0.591 W／(m·℃)，

平均密度ρ＝987kg／m3，粘度＝3.5X10-2Pa·s。 ⑥忽略污垢及间壁热阻。

⑦每年按300天，每天24小时连续搅拌。 (三)厂址：山东德州。 (四)设计项目

(1)设计方案简介：对确定的工艺流程及设备进行简要论述。 (2)搅拌器工艺设计计算：确定搅拌功率及蛇管传热面积。

(3)搅拌器、搅拌器附件、搅拌槽、蛇管等主要结构尺寸设计计算。 (4)主要辅助设备选型：冷却水泵、搅拌电机等。 (5)绘制搅拌器工艺流程图及设备设计条件图。 (6)对本设计评述。

目录

设计方案简介………………………………………………………………………………….4 工艺计算及主要设备设计……………………………………………………………………4 一、确定设计方案……………………………………………………………………………4 1、选择蒸发器的类型………………………………………………………………………4 2、流程安排……………………………………………………………………………………4 3、冷却水泵、搅拌电机的选型………………………………………………………………4 二、确定性数据………………………………………………………………………………..5 三、设备各项数据计算……………………………………………………………………….5 1、搅拌槽的计算………………………………………………………………………………5 2、搅拌器的选型………………………………………………………………………………6 3、搅拌器的功率计算………………………………………………………………………7 4、电动机的选型………………………………………………………………………………8 5、蛇管规格的选择……………… ………………………………………………………….8 6、蛇管内外侧换热系数的计算………………………………………………………………9 7、总传热系数与传热系数的计算……………………………………………………………11 8、泵的选型……………………………………………………………………………………12 四、计算结果列表……………………………………………………………………………. 15 设计评论…………………………………………………………………………………….15 主要符号说明……………………………………………………………………………….16 参考资料…………………………………………………………………………………….17 带控制点的工艺流程简图、主体设备设计条件图(见附图)

设计方案简介

蛇管冷却搅拌是运用搅拌器将搅拌槽中的反应物料搅拌均匀，同时可以将物料的热量均匀分布，并运用蛇管作为冷却装置，使搅拌槽中的物料液保持在一定的温度下，保持一个良好的反应环境。

此次设计中选用的搅拌器为涡轮平叶搅拌器，其特点是在物料黏度不大的物料中搅拌所消耗的功率较小，可以减小能量的损耗：而选用蛇管传热是因为蛇管沉浸在物料中，热量损失小，传热效果好。排列密集的蛇管起到导流筒和挡板的作用。冷凝剂选用冷却水，是由于其传热效率好而且易于得到，传热后冷却水可直接排放而不会对环境造成污染，总体操作也较为简便。

工艺计算及主要设备设计 一、 确定设计方案

1、 搅拌器的选择 由于此搅拌槽中所搅拌的溶液为低粘度均相流体，搅拌时，由于其循环容易，消耗功率小，因此采用涡轮平叶搅拌器。

2、 选择冷凝类型 在工业生产过程中，当需要的传热面积较大，而夹套传热在允许的反应时间内尚不能满足要求时，或是壳体内衬有橡胶、耐火砖等隔热材料而不能采用夹套传热时，可采用蛇管传热。蛇管沉浸在物料中，热量损失小，传热效果好。排列密集的蛇管起到导流筒和挡板的作用。蛇管中对流传热系数较直管大，但蛇管过长时，管内流体阻力较大，能量消耗多，因此，蛇管不宜过长。

3、 流程安排 因进料口、冷却水入口和出料口、冷却水出口都存在有较大的压力差，因此要将物料和冷却水输入搅拌器中，则需使用离心泵提供传动力。

4、 冷凝搅拌的辅助设备 此过程所应用的冷却剂为冷却水，因此在选用离心泵时，选用冷水泵.由于物料为低粘度均相流体，搅拌所需的功率较小，因此可选用功率较小的电机提供搅拌的动力。工艺计算及主要设备设计

二、确定性数据

60℃下均相液物性参数： 比热容：Cp=912J／(kg·℃) 导热系数：λ=0.591 W／(m·℃) 平均密度：ρ＝987kg／m3 粘度＝3.5X10-2Pa·s。

冷却水定性温度选进出口的平均温度28+18)/2=23℃

查物性手册【化工原理 第三版】在23℃下水的物性参数如下：

比热容：Cp=4.180×10 ³KJ／(kg·℃) 导热系数：λ=0.605 W／(m·℃) 平均密度：ρ＝998kg／m3 粘度＝0.9433×10 -³Pa·s。

1. 搅拌罐的设计

罐体的尺寸包括内径Di、高度H、容积V及壁厚δn

罐体的长径比大小对搅拌功率产生影响。由于搅拌器桨叶直径与搅拌罐内径通常有一定比例范围，如果长径比减小，即高度减小而直径增大，搅拌桨叶直径也增大，在固定的搅拌轴转速下，搅拌器功率与桨叶直径的5次方成正比，故罐体长径比减小时，搅拌器功率增加。因此，为减小搅拌器功率，长径比可取大一些。

罐体的长径比还对夹套传热产生影响。当容积一定时，长径比越大，则罐体盛料部分表面积越大，传热表面距罐体中心越近，无聊温度梯度越小越有利于提高传热效果。因此从传热角度考虑长径比可取大一些。

此外，某些物料的搅拌反应过程对罐体长径比有特殊要求。例如发酵罐，为了使通入罐内的空气与发酵液有充分的接触时间，需要有足够的液位高度，一般希望长径比取得大一些。

根据实际经验，几种搅拌反应器罐体的长径比如下表 种类 一般搅拌器 发酵罐类

罐体的装料量

罐体全容积V与操作时物料容积V0的关系为

设备内物料类型 液-固相或液-液相物料 气-液相物料 H/Di 1~1.3 1~2 1.7~2.5 V0V

式中η为装料系数，通常取=0.6~0.85。如果物料易气泡或呈沸腾状态，应取低值，如果反应平稳，则取高值。 V0V8.111500004006310.82m3 208.11m3 取0.75 则 V00.753002460罐体直径和高度 在确定了罐体的HDi、之后，先忽略罐底封头容积，则可以认为

V4Di2H43DiHDi 故 Di34(HV0)Di

算出Di圆整成标准直径，并按下式得罐体的高度 取H为1.3则Di3Di4(HV0Di)348.112195.2mm

1.30.75圆整后的Di2200mm

HV4Di24V0() 式中：为封头容积。 DiDi、 大致符合要求即可。

计算出H圆整，然后校核H选用标准封头：44abb11005505501.39m3 33HV4Di24V048.11()(1.39)2.48m Di2.220.75圆整后得：H2500mm

HDi250022001.14

V筒体4HDi242.52.229.50m3

V08.110.745

V筒体9.501.39基本符合要求，故罐体的尺寸为：H2500mm Di2200mm

设计要求：工作压力为常压，选取16MnR低合金钢制成的罐体。取设计压力pc2MPa 根据《化工设备机械基础》（第六版）附表9钢板、钢管、锻件和螺栓的许用应力，得60℃16MnR的许用应力为163MPa 采用单面焊接局部探伤，0.8

t搅拌反应器厚度计算：2PctPCDi2220017.0mm

21630.82取钢板和厚度偏差C10 腐蚀裕量C20.5 故名义厚度nC1C2圆整18.0mm 2、搅拌器的选型： 选用涡轮式搅拌，取dD1b 0.2 3ds所以d=730mm b=150mm 取6m 则转速 n62.6r

sd0.73min

加上安全系数15% 转速n2.6(0.151)60179.4r取n180rmin

静液面高度：HH封V物料V封S罐截面积0.558.111.392.32m

2.224静液面高度与罐内径之比：

H2.321.051.3故只需安装一个搅拌器 Di2.21800.7329872nd6045083.34 雷诺数：Re3.5102Re4000 流体属于湍流，符合传热要求

当Re1000时Np与雷诺数无关 3、搅拌器的附件

为了消除可能的打旋现象，强化传热，安装6块宽度为W1全挡板条件判断如下：(10Di，即0.22m的挡板。

W1.20.221.2)nb()60.378 Di2.2因0.378>0.35 因此符合全挡板条件。

由于雷诺数值很大，处于湍流区， 蛇管虽成盘管状，但它对液体的控制作用较小，因此，安装挡板，以消除打旋现象。功率计算需要知道临界雷诺数Rec查资料的Rec=14 六片平直叶涡轮桨叶的宽度b=0.15m，桨叶数z=6

bDi0.152.20.068 dDi0.732.20.332 HDi2.322.21.05

sin1

A14(b)370(d0.6)2185140.068670(0.3320.6)218529.85DiDiB102b1.34D0.51.14dDii101.340.0680.51.140.3321.50

2P1.14(bDi)2.5(dDi0.5)27(bDi)41.140.0682.50.3320.570.06841.302.6610001.2Re0AcNpB10003.2Re0.66Recc0.35HDipbDIsin1.210001.2140.6629.851.510003.2140.66143.31.31.050.350.06811

1805轴功率：NNPn3d53.9870.7320.11KW

604/电机功率：PmNa

同轴：1 三角皮带：0.92 安全系数a取2~3这里取a=3同轴传动故所需电机理率Pm20.11360.33KW 1所以根据国家标准电机选用电机功率为：63KW

5、蛇管规格的选择：

蛇管内径：d14Vs

Vs蛇管内体积流量 为蛇管内体流速

体积流量：Vs3Q1353.237103ms CpTW4.1802818997.5蛇管一般的流速υ范围是1.5~3m/s，当υ=1.5m/s时,

d14VS43.2371030.0524m;当υ=3.0m/s时; 1.5d14VS43.2371030.037m,所以根据管子规格选: 3.0φ50ⅹ2.5mm的蛇管。

蛇管内外侧换热系数的计算： 蛇管内侧换热系数

1

d11d1PrRe41Dc560.41120.061d1ReDc2.5161——管内换热系数, W/(m·℃)；

——管内流体的导热系数，W•m1•K1；

33Pr—— 普朗特数，PCp4.180100.9433106.52，

r0.605Cp、、分别是管内流体的比热容kJ•kg1•K1、粘度Pa•s、导热系数W•m1•K1；d1——管内经，m；

4Vs43.237103122.576m 2sd10.04Dc——蛇管圈直径，m；

DC0.8Di0.82.21.76m Re——管内流体雷诺数。

Red11110.0402.576997.51060.46 30.9433105d1d1Pr1Re6D41c0.411210.061d1ReDc2.51611210.0400.6056.52410.40.0401060.461.765610.0610.0401060.461.762.516619.2

19365.8Wm.C

2o管外传热系数：

2djnm220.83D1m0.62Prw130.14

2——料液的传热系数，W/(m·℃)；

Di——槽内径，m；

Pr——普兰特数，PrCp9123.510254.01；

0.5912——料液导热系数，W•m1•K1；

Cp——料液比热容，kJ•kg1•K1；

计算W0.14时，由于壁温通常较难测定，在未知壁温的情况下可采

0.14用下列近似值计算：当液体被冷却时WW0.14=0.95；当液体被加热时

=1.05

0.622djnm220.83D1m615.10WmCPrw130.140.5910.73239870.8322.23.5100.6254.010.95136、总传热系数

111111.732103K129365.8615.10K

1577.2W•m2•K131.73210

总传热面积：

tmTt1Tt26018602836.770C

lnTt1Tt2ln60186028Q135103A6.36m2

Ktm577.236.77蛇管中心圆的直径;DnDj20022002002000mm2.0m 由于单层蛇管的螺距不小于2.5倍管外径。所以根据具体情况取 螺距s=6.25d0 =6.25×0.045=0.28m 每圈蛇管长度（以斜面长度表示）：

lDn2s23.1422.020.07846.29m

3.2371030.043.1422.58ms 4蛇管数：mVs3.2371030.9981.00 4d23.142140.0422.58蛇管长度：LAmd6.363.1420.04544.99m 01蛇管的圈数：nL0l44.996.297.157圈；； 每组蛇管高度：H0.2871.96m 7 泵的选型

① 输料泵的选型计算：

2Wlduf2

V8.113020600.00676ms 由Vd2u.0067604d4VS40u3.1421.50.0757m

Red9871.50.0763.51023214.8 则取d=76mm，管路φ83ⅹ3.5mm；取=0.2

0.012270.7543Re0.380.012270.75433214.80.380.047 全管路设计中有3个90°弯头，ξ=0.75;一个全开阀，ξ管长L=5+3=8（m）

W0.04780.07610.530.750.171.52f29.98J/kghf9.98fwg9,811.02m =0.17；

罐内压强计算：

P1H液r

P1——罐内压强，Pa； H液——静液面高度，m

r——重度，kg/（m2·s2），rmg（ρm是均相液体密度，kg/m3）。

P1H液r2.869672.627.7Kpa

由机械能守恒得：

uPuPhfz111hez2222gg2gg

z1H支座H1H封0.51.761.13.36m

22z2取1.2m，

27.71033.361.20he1.200

9879.81he=6.22（m）

Q=0.00676m3/s=6.76L/s

选择IS80-65-160型离心泵较合适, he=7.2m，Q=8.33L/s ② 冷水泵的选型计算：

流体流经螺旋管的摩擦压力降计算：

cLcu2Pfdk021031

ΔPf——螺旋管摩擦压力降，kPa； fC,λC_螺旋管摩擦系数；

k0——螺旋管出口连接管口的阻力系数，如果出口管口直接与螺旋管相切连接，则滞流时k=0.5，湍流时k=0.1；

u——流体平均流速，m/s； ρ——流体密度，kg/m3； LC——螺旋管长度，m； d1——蛇管内径，m；

DC——蛇管圈直径（以管中心为准），m； S——螺距（以管中心为准），m； n——螺旋管圈数。

lcnS29.87DC70.2829.871.76238.75m Redu0.452.57699811469004000 1.00870.0012c0.012270.75430.016 Re0.382cLcu20.01638.752.576998Pf0.14.kPa 3dk021030.452101管内静压力降计算：

Psz2z1g1.89989.8110317.623KPa PSz2z1g1.8996.959.8110317.604

ΔPs——静压力降，kPa；

z1，z2——管道出口端，进口端的标高，m； ρ——流体密度，kg/m3； g——重力加速度，9.81m/s2；

uu1PN21032速度压力降

22uu1PN2103

222PN——速度压力降，kpa；

u1，u2——出口端，进口端的流体流速，m/s；

四、计算结果列表

表1 搅拌功率及蛇管传热面积

搅拌器功率/KW 蛇管传热面积/ m2 63 6.36 表2 搅拌槽、蛇管等主要结构尺寸

搅拌槽高度/m 搅拌槽直径/m 4.7 2.2 蛇管长/m 44.99 蛇管直径/mm φ50ⅹ2.5mm

主要符号表

A——传热面积，m c——比热容，kJ•kgd——管径，m U——蒸发强度，kgE——额外蒸汽量，kg

121•K1

•m2•h1

•h1 u——流速，m/s

•m2•K1

t——液体温度，℃ α——给热系数，WK——传热系数，Wλ——导热系数，W•m2•K1 △tm——算术平均温差，℃ •m1•K1 Pc——压力，Pa

υ——黏度，Pa/s υ——黏度，Pa/s ρ——密度，kg•m3 Re——雷诺数

参考资料

1．柴诚敬，张国亮等．化工流体流动与传热．北京：化学工业出版社，2000 2．化工设备设计全书编辑委员会．搅拌设备设计．上海：上海科学技术出版社，1985 3．王凯，冯连芳．混合设备设计．北京：机械工业出版社，2000 4.贾绍义，柴诚敬。化工原理课程设计。天津：天津大学出版社，2002 5. 贺匡国主编《化工容器及设备简明设计手册》 6. 茅晓东，李建伟编《典型化工设备机械设计指导》 7.天津大学化工原理教研室《化工原理》

8. 顾芳珍等.化工设备设计基础. 天津大学出版社,1994 9.大连理工大学化工原理教研室《化工原理》