蛇管冷却机械搅拌装置设计文献

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化工原理课程设计

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。

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(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

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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。

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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 第 四 页

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V150000400638.11208.11m3 取0.75 则 V010.82m3

30024600.75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

故 Di3V4Di2H43DiHDi4(HV0)Di

算出Di圆整成标准直径，并按下式得罐体的高度 取HDi为1.3则Di34(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、 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：Di44abb11005505501.39m3 33HV4Di24V048.11()(1.39)2.48m Di2.220.75

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圆整后得：H2500mm

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H25001.14 Di2200V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

3d62.6r

ssd0.73加上安全系数15% 转速n2.6(0.151)60179.4r

min所以d=730mm b=150mm 取6m 则转速 n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2.24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

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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：(第 六 页

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 H0.332Di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0.51.14d1.34DD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1.302Np10001.2ReAB10003.2ReRec0.66c0.66c0.66HDi3p0.35bDIsin1.210001.21429.851.510003.2140.66141.31.050.350.06811

3.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：

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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3msCp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m;当υ=3.0m/s时; 0.0524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

5d1d1Pr1Re641Dc0.41120.061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0.04

德州市鸿泰环保设备有限公司搅拌研发中心培训资料

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Dc——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1011125d1d1Pr1Re6D41c0.41120.061d1ReDc2.51610.0400.6056.52410.40.0401060.461.765610.0610.040.4610601.762.516619.2

19365.8Wm.C

2o0.62管外传热系数：

2djnm220.83D1m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；

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计算W0.14第 九 页

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36.770CTt1lnTt26018ln6028

Q135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

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3.2371030.042.58m s3.14243.2371030.9981.00 蛇管数：m23.142d10.0422.5844Vs蛇管长度：LA6.3644.99m md013.1420.045L44.997.157圈；； l6.29蛇管的圈数：n0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：

2luWfd2

38.11V00.00676m s2060由V0Red2u4d4VS40.006760.0757m u3.1421.5d9871.50.0763214.8 23.510则取d=76mm，管路φ83ⅹ3.5mm；取=0.2

0.012270.75430.75430.012270.047 Re0.383214.80.38全管路设计中有3个90°弯头，ξ=0.75;一个全开阀，ξ=0.17； 管长L=5+3=8（m）

281.5Wf0.04710.530.750.179.98J/kg

0.0762hf

wfg9.981.02m 9,81德州市鸿泰环保设备有限公司搅拌研发中心培训资料

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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（ρ

P.627.7Kpa 1H液r2.8696723

。 m是均相液体密度，kg/m）

由机械能守恒得：

uPuPhfz111hez2222gg2gg

22z1H支座H1H封0.51.761.13.36m

z2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；

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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

2Redu0.452.57699811469004000 1.00870.0010.75430.016 Re0.38c0.012272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

2

22德州市鸿泰环保设备有限公司搅拌研发中心培训资料

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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kg21K1

2d——管径，m U——蒸发强度，kgmE——额外蒸汽量，kg

1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

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υ——黏度，Pa/s υ——黏度，Pa/s ρ——密度，kgm3第 十四 页

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》