均相液体机械搅拌夹套冷却反应器设计Word文档格式.docx

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二、搅拌设备的设计计算

确定搅拌槽的结构及尺寸，搅拌桨及其附件的几何尺寸及安装位置，计算搅拌转速及功率，计算传热面积等，最终为机械设计提供条件。

（1）搅拌槽的结构设计

1.搅拌槽的容积、类型、高径比

（1）容积与槽径

对于连续操作，搅拌槽的有效体积为

搅拌槽的有效体积=流入搅拌槽的液体流量x物料的平均停留时间

140000

30024

18

60

-5.833m

根据搅拌槽内液体最佳充填高度等于槽内径，即

H=D。

现以搅拌槽为平底近似估算槽直径,

则有:

45.833

3.14

=1.95m

本设计取D=1.95m。

（2）类型

槽体由于没有特殊要求，一般选用常用的直立圆筒型容器。

根据传热要求，槽体带夹套，夹套选用螺旋板夹套，内设导流板，螺距P=50mm，夹套环隙E=50mm。

（3）高径比

一般实际搅拌槽的高径比为1.1~1.5，本设计取1.2。

故搅拌槽筒体的实际高度为

H0=1.21.95=2.34m

2.搅拌桨的尺寸、安装位置及转速

（1）搅拌桨的尺寸

依据搅拌器直径的标准值等于1/3槽体内径，即

d=D/3=1.95/3=0.65m

查常用标准搅拌器的规格，选用涡轮式搅拌器的型号为：

搅拌器700—80,HG5-221-65。

其主

要尺寸如下：

叶轮直径d=700mm，叶轮宽度b=140mm，叶片厚度3二10mm，搅拌轴径80mm。

（2）搅拌桨的安装位置

、2

根据经验，叶轮浸入搅拌槽内液面下方的最佳深度为SH，因此，可确定叶轮距槽底的高

度为C=1.95/3=0.65m。

（3）搅拌桨的转速

22

pd930x0.7n4

Re2=16674n=10=•n=0.6r/s=36r/min

卩2.733"

0，

474

即转速不能低于36r/min。

现依公式n计算，得

nd

474474

n2.16r/s=129r/min

nd3.14汉0.7

本设计根据经验并考虑一定余量，选取n=2.0r/s=120r/min，该转速处在该类型搅拌器常用

转速n=10~300r/min的范围之内。

3.搅拌槽附件

为了消除打旋现象，强化传热和传质，安装

以满足全挡板条件。

全挡板条件判断如下：

6块宽度为（1/10~1/12）D，取W=0.2m的挡板,

D

”J.2

<

02^

—I乂6=0.39a0.35（符合全挡板条件）

1.95；

（二）搅拌槽的工艺计算

1.搅拌功率的计算

Rushton关联图计算）

pd2

Re二

n2d

Frg

9302.00.72一2.73310，2.020.7

0.285

9.81

二33348300

采用永田进治公式计算（亦可用

由于Re值很大，处于湍流区，因此，应该安装挡板，以消除打旋现象。

从Rushton

①-Re关联图中读取临界雷诺数（湍流区全挡板曲线与层流区全挡板曲线延长线的交点所对应的雷

诺数）Rq=14.0。

六片平直叶涡轮搅拌器的参数

b/D=0.2/1.95=0.1026

d/D=0.7/1.95=0.3590

H/D=1.0

-0.6；

.1851

sin0=1.0

A=14

bJ”1670.

D49

=140.10266700.3590-0.62185】=36.97

.3-4

B二10

b

-0.5

D1-3」0.1026-0.524.140.35900.259

」=10■f=10=1.8155

+3（d（bV

p=1.1+4—i-2.5—一0.5|-7.—|id丿9丿Id丿

=1.140.1026-2.50.3590-0.52-70.10264=1.4599

Np亠B型冒竺pRec

、Q.35初D

HV

]l000+3.2Re：

66_丿

f1.2

sin0

1.4599

1.012

36.9710001.214.0°

.66

1.8155国

14.010003.214.0

=2.64071.81550.98881.0=4.436

功率N

3535

pnd二4.43693020.7二5547W:

5.5kW

亦可根据

Re=33348查Rushton图读取①二Np=5.8,这比用永田进治公式计算的结果要大。

这不难理解，因为经验公式和查图都存在一定的误差。

.夹套换热面积的计算

（1）槽内液体对槽壁的对流给热系数二

0.227

NUj7512

乂-0.52n.0.08

单位质量被搅拌液体所消耗的功率&

N5547

0.785DHp0.7851.951.95930

=1.025W/kg

被搅拌液体的运动粘度u

u1/p=

-2

-5

2.73310/930=2.93910m2/s

NUj=0.512

a；

D

-0.512

入

0.520.08

»

/3⑴化）

2丿ID丿

/「/3”*0.52”,0.08

40.227

u.入DD

cp（1

a二0・512

S.622丫‘1.025汉1.954'

匚

10122.73310’

1/3

「95丿（（2.939X10*3丿

0.622

采用左野雄二推荐的桨式和涡轮式搅拌器的传热关联式计算。

t0.52/0.08

"

0.359）（0.1026）

=0.5120.31922493.5430.5870.833

2

=636.3W/mC

（2）夹套内冷却水对槽壁的对流给热系数a

Dc

采用蛇管中流体对管壁的对流传热系数公式计算

0.14

is

De0.80.330.14

a=0.027RePrVis13.5

Cp=4179J/kgC,入=0.608W/mC,p=997kg/m‘,―9.0310‘Pas

需移走的热量

Q=1050005547=110547W

Q

Cpt2-t1

冷却水的质量流率m

1105472.645kg/s

417930-20

夹套中水的流速u

=1.06m/s

m/p2.645/997u=

PE0.050.05

当量直径De=4E=40.05=0.2m

蛇管轮的平均轮径Dc=1.850m（?

）

Re

DeUP

0.21.06997

Z4

9.0310

二234069

Pr

cp卩41799.0310鼻

入一0.608

-6.207

oc=0.027°

Re0.8卩汽33/；

141+3.5”匹

De|_lDc丿”

-___0.608ccr卩33'

0.2!

丨

=0.027汉L234069）（6.207）xV1+3.511

I0.2丿:

J.850丿」

=0.0273.04197461.8271.378=4082W/m2C

a4082W/mC

（3）总传热系数K

依题意，忽略污垢及间壁热阻，有

aa636.34082

aJ636.34082

=550.5W/m2

（4）夹套的传热面积

二50-20_50-30c

In出/型In〔50-20/50-30丨

110547

550.524.66

=8.14m

需要核算以下夹套可能提供的传热面积是否能满足换热要求。

计算时应按搅拌槽内表面所能提供的有效换热表面积。

即

tDH=3.141.951.9^11.94m

该面积大于所需换热面积，因此，该设计满足工艺设计要求。

主要设计计算结果汇总

项目

符号

单位

设计计算结果

搅拌器

搅拌器型式

六片平直叶圆盘涡轮式搅拌器

叶轮直径

d

m

0.7

叶轮宽度

叶轮距槽底咼度

C

0.65

搅拌转速

n

r/min

120

桨叶数

z

6

搅拌功率

N

W

5547

搅拌槽附件

挡板数

nb

挡板宽度

0.2

搅拌槽

搅拌槽有效体积

V

3m

5.833

P搅拌液体深度

H

1.95

搅拌槽内径

搅拌槽筒体实际高度

Ho

2.34

夹套

夹套型式

螺旋板夹套，内设导流板

螺旋板螺距

P

0.05

夹套环隙

E

夹套内冷却水流速

u

m/s

1.06

冷却水移出热量

:

被搅拌侧对流给热系数

aj

W/m2C

636.3

夹套侧对流给热系数

a

4082

搅拌槽总传热系数

K

W/m2C

550.5

所需夹套面积

A

m2

8.14

均相液体机械搅拌蛇管冷却反应器设计（工艺部分）

150000m/a均相液体；

机械搅拌蛇管冷却器。

1•均相液温度保持60C；

2.平均停留时间20min;

3•需移走热量135kW;

4.采用蛇管冷却，冷却水进口温度18C，出口温度28C；

5.60C下均相液的物性参数：

比热容Cp=912J/kgC，导热系数店0.591W/m•C,平均

密度p二987kg/m3，粘度厂3.510‘Pas。

3.搅拌器、搅拌器附件、搅拌槽、蛇管等主要结构尺寸的设计计算；

5.绘制搅拌器工艺流程图及设备设计条件图；

6.对本设计的评述。

均相液体机械搅拌蛇管冷却反应器设计一一工艺计算书

二、搅拌槽的结构设计

（一）搅拌槽的容积、类型、高径比

1.容积与槽径

对于连续操作，搅拌槽的有效体积为：

搅拌槽的有效体积=流入搅拌槽的液体流量X物料的平均停留时间

=6.944m3

15000020

3002460

H=D。

46.944

=2.07m

本设计取D=2.0m，贝UH2.211m。

2.类型

根据传热要求，槽内装①573.5mm蛇管，由无缝钢管弯制而成。

蛇管除了能起到冷却作用外，还能起到导流筒和挡板的作用。

3.高径比

搅拌槽筒体总高

H0=1.22.0二2.4m

（二）搅拌桨的尺寸、安装位置及转速

1.搅拌桨的尺寸

d=D/3=2.0/3=0.67m

叶轮直径d=700mm，叶轮宽度b=140mm，叶轮厚度S=10mm，搅拌轴径80mm。

2.搅拌桨的安装位置

根据经验，叶轮浸入搅拌槽内液面下的最佳深度为SH，因此，可确定叶轮距槽底的高度

为C=2.211/3=0.74m。

3.搅拌桨的转速

对于混合操作，要求搅拌器在湍流区操作，即搅拌雷诺数Re104，于是有

9870.72n

3.510经

4

=13818n=10=■n=0.72r/s=43r/min

（搅拌器雷诺准数公式）

即转速不能低于

43r/min。

现依公式

4.74

计算,

nd3.14x0.7

根据经验并考虑一定的余量，本设计取n=2.0r/s=120r/min，该值处在该类型搅拌器常用转

速n=10~300r/min的范围之内。

（三）搅拌槽附件

iD"

男6心80.35（符合全挡板条件）

三、搅拌装置的工艺计算

（一）搅拌功率的计算

采用永田进治公式计算（亦可采用Rushton①-Re关联图计算）

pd2987x2.0x0.72“c

Re2-27636300

卩3.5x10

ln2d2.02沢0.7

Fr0.285

g9.81

b/D“2/2.0=0.1d/D=0.7/2.0=0.35

H/D=1.1055

（f>

7<

f-°

-4+185'

=140.16700.35-0.62185=36.69

B=10

b-0.54.14

D_101〔3-^O,1-°

.5

a4©

35L10°

.261=1.824

「1000+1.2Re°

.66T（H耳

|77^

D.丿

*_RecB10003.2Re°

0.35b/D

（sin0『2

P"

14D-2'

5d-°

'

5-7D

=1.140.10-2.50.35-0.52-70.1—1.44

1.44

（1.0F

36.69—cc」100°

+1.2*14.00.66114.0.]1000+3.2汉14.°

666一

=2.621.8240.98881.0=4.424

N=Npp?

d5=4.424987230.75=5871W：

6kW

亦可根据Re=27636查Rushton图读取①工Np=5.6，这比用永田进治公式计算的结果要大。

（二）搅拌装置换热面积的计算

1.蛇管内冷却水对管内壁的对流给热系数a采用蛇管中流体对管壁的对流传热系数公式计算

a=0.027-RePrVis

13.5

冷却水的定性温度为1828/^23C，在此温度下水的物性如下

Cp=4180J/kgC,入二0.605W/mC,p二997.5kg/m3,厂9.4410‘Pas

Q=1350005871=140871W

140871—…

m二

3.37kg/s

Cpt2-t1418028-18

蛇管中水的流速u

m/p

0.785De

3.37/997.5

0.7850.05

二1.72m/s

蛇管直径De=0.05m，螺距P=150mm

DeUp

[1

0.051.72997.5

9.4410，

二90874

=6.522

Cpu_41809.4410*入0.605

a二0.027丄Re0.8卩严沖：

1413.5|〈

De-VDc丿」

=0.027汉0605|：

9087408（6.5220.33汉仆卩+3.5『

10.05丿L<

1.850

-0.02712.192631.8571.095=6154W/m2C

2.被搅拌液体对内冷蛇管外壁的对流给热系数a

、0.35

Cp卩

0.205

丿I入丿2丿ID丿JD丿

adco

Nuc0.512

0.3

■

“N,528710.857W/kg

0.785DHp0.7852.02.211987

uMP二3.510'

/987=3.551O'

m2/s

严、f4W05/

[0.591、0.8575.0574'

lO.。

57丿1355x10，）丿V

广0.057羊

=0.51210.36850.434.040.810.7942.908=2022W/mC

a=0.512

0.35020.10.1

3.总传热系数K

4.夹套的传热面积

Atm

.3

9123.510,

0.35

0.591

工二20226154=1522W/m2C

aa20226154

_A1-生

InAt1/At2In〔60-18/60-281

60-18-60-28,6.77。

KAtm

140871=2.52m2

152236.77

A252

蛇管长度L14.08m

nco3.14沃0.057

蛇管螺旋排列直径取

1.3m，螺距150mm，环绕3.5圈即可，因为圈数近似为

d=3.45

3.141.3

0.74

5871

（圈）

附件

m3

6.944

搅拌液体深度

2.211

2.0

H。

2.4

蛇管

蛇管型式

无缝钢管①57汉3.5mm

蛇管螺距

0.15

蛇管内冷却水流速

1.72

140871

ac

2202

蛇管内对流给热系数

6154

1522

所需蛇管换热面积

2.52