蛇管冷却机械搅拌装置设计文献doc.docx
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蛇管冷却机械搅拌装置设计文献doc
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=0.591W/(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。
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、总传热系数和传热系数的计算……………………………………………………………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使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=0.591W/(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=4.180×10³KJ/(kg·℃)
导热系数:
λ=0.605W/(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和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,搅拌器功率和桨叶直径的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和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
设备内物料类型
H/Di
一般搅拌器
液-固相或液-液相物料
1~1.3
气-液相物料
1~2
发酵罐类
1.7~2.5
罐体的装料量
罐体全容积V和操作时物料容积的关系为
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。
取则
罐体直径和高度
在确定了罐体的、之后,先忽略罐底封头容积,则可以认为
故
算出圆整成标准直径,并按下式得罐体的高度
取为1.3则
圆整后的
式中:
为封头容积。
计算出圆整,然后校核、大致符合要求即可。
选用标准封头:
圆整后得:
基本符合要求,故罐体的尺寸为:
设计要求:
工作压力为常压,选取16低合金钢制成的罐体。
取设计压力
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℃16的许用应力为采用单面焊接局部探伤,
搅拌反应器厚度计算:
取钢板和厚度偏差腐蚀裕量
故名义厚度
2、搅拌器的选型:
选用涡轮式搅拌,取
所以d=730mmb=150mm取则转速
加上安全系数15%转速
取
静液面高度:
静液面高度和罐内径之比:
故只需安装一个搅拌器
雷诺数:
流体属于湍流,符合传热要求
当时和雷诺数无关
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,即0.22m的挡板。
全挡板条件判断如下:
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查资料的=14
六片平直叶涡轮桨叶的宽度b=0.15m,桨叶数z=6
轴功率:
4/电机功率:
同轴:
三角皮带:
安全系数取2~3这里取=3同轴传动故所需电机理论功率
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:
蛇管内体积流量为蛇管内体流速
体积流量:
蛇管一般的流速υ范围是1.5~3m/s,当υ=1.5m/s时,;当υ=3.0m/s时;,所以根据管子规格选:
φ50ⅹ2.5mm的蛇管。
蛇管内外侧换热系数的计算:
蛇管内侧换热系数
——管内换热系数,W/(m·℃);
——管内流体的导热系数,;
——普朗特数,,——管内经,m;
——蛇管圈直径,m;
——管内流体雷诺数。
管外传热系数:
——料液的传热系数,W/(m·℃);
——槽内径,m;
Pr——普兰特数,;
——料液导热系数,;
Cp——料液比热容,;
计算时,由于壁温通常较难测定,在未知壁温的情况下可采用下列近似值计算:
当液体被冷却时=0.95;当液体被加热时=1.05
6、总传热系数
总传热面积:
蛇管中心圆的直径;
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):
蛇管数:
蛇管长度:
蛇管的圈数:
;
每组蛇管高度:
7泵的选型
①输料泵的选型计算:
由
则取d=76mm,管路φ83ⅹ3.5mm;取=0.2
7
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)
m
罐内压强计算:
P1——罐内压强,Pa;
H液——静液面高度,m
r——重度,kg/(m2·s2),(ρm是均相液体密度,kg/m3)。
由机械能守恒得:
z2取1.2m,
he=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:
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,如果出口管口直接和螺旋管相切连接,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。
管内静压力降计算:
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;
速度压力降
——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/
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
蛇管长/m
蛇管直径/mm
4.7
2.2
44.99
φ50ⅹ2.5mm
主要符号表