均相液体机械搅拌夹套冷却反应器设计.docx
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均相液体机械搅拌夹套冷却反应器设计
均相液体机械搅拌夹套冷却反应器设计
工艺计算书（工艺部分）
3
200000m/a
高志宏
牛慧芳
~3~
210000m/a
杨正明
张景慧
~3~
220000m/a
张园
蔡鹤嘉
均相液体机械搅拌夹套及蛇管冷却反应器设计230000m3/a
吴楠
阿卜来提艾尼
3
240000m/a
王亚飞
邢鸿宝
250000m3/a
马国强
曾继云
260000m3/a
周冲
上海工程技术大学
化学工程与工艺系
均相液体机械搅拌夹套冷却反应器设计（工艺部分）
一、设计任务
3
1•处理能力：
140000m/a均相液体；
2•设备型式：
机械搅拌夹套冷却器。
二、操作条件
1•均相液温度保持50C；
2.平均停留时间18min;
3•需移走热量105kW;
4.采用夹套冷却，冷却水进口温度20C，出口温度30C；
5.50C下均相液的物性参数：
比热容Cp=1012J/kg-C，导热系数“0.622W/m-C,平均
密度p=930kg/m3，粘度厂2.73310^Pas。
6.忽略污垢热阻及间壁热阻；
7.每年按300天，每天按24小时连续运行。
三、设计内容
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：
确定搅拌功率及夹套传热面积；
3.搅拌器、搅拌器附件、搅拌槽、夹套等主要结构尺寸的设计计算；
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•对本设计的评述。
附：
均相液体机械搅拌夹套冷却反应器设计一一工艺计算书
均相液体机械搅拌夹套冷却反应器设计一一工艺计算书
一、选定搅拌器的类型
因为该设计所用搅拌器主要是为了实现物料的均相混合，故推进式、桨式、涡轮式、三叶后掠式等均可选择，本设计选用六片平直叶圆盘涡轮式搅拌器。
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
3
-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
3
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
D
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
D
单位质量被搅拌液体所消耗的功率&
N5547
22
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
0.227
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
a；=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
入
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
2
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
2
=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
2
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
b
m
0.14
叶轮距槽底咼度
C
m
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
6
挡板宽度
W
m
0.2
搅拌槽
搅拌槽有效体积
V
3m
5.833
P搅拌液体深度
H
m
1.95
搅拌槽内径
D
m
1.95
搅拌槽筒体实际高度
Ho
m
2.34
夹套
夹套型式
螺旋板夹套，内设导流板
螺旋板螺距
P
m
0.05
夹套环隙
E
m
0.05
夹套内冷却水流速
u
m/s
1.06
冷却水移出热量
Q
W
110547
:
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
W/m2C
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）
一、设计任务
3
1•处理能力：
150000m/a均相液体；
2•设备型式：
机械搅拌蛇管冷却器。
二、操作条件
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。
6.忽略污垢热阻及间壁热阻；
7.每年按300天，每天按24小时连续运行。
三、设计内容
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：
确定搅拌功率及夹套传热面积；
3.搅拌器、搅拌器附件、搅拌槽、蛇管等主要结构尺寸的设计计算；
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.对本设计的评述。
附：
均相液体机械搅拌蛇管冷却反应器设计一一工艺计算书
均相液体机械搅拌蛇管冷却反应器设计一一工艺计算书
一、选定搅拌器的类型
因为该设计所用搅拌器主要是为了实现物料的均相混合，故推进式、桨式、涡轮式、三叶后掠式等均可选择，本设计选用六片平直叶圆盘涡轮式搅拌器。
二、搅拌槽的结构设计
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。
（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
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:
46.944
3.14
=2.07m
本设计取D=2.0m，贝UH2.211m。
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
一般实际搅拌槽的高径比为1.1~1.5，本设计取1.2。
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
依据搅拌器直径的标准值等于1/3槽体内径，即
d=D/3=2.0/3=0.67m
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，叶轮厚度S=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的最佳深度为SH，因此，可确定叶轮距槽底的高度
3
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
Re
pd2
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,
nd
474474
n2.16r/s=129r/min
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。
6块宽度为（1/10~1/12）D，取W=0.2m的挡板,
（三）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：
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
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“2/2.0=0.1d/D=0.7/2.0=0.35
H/D=1.1055
sin0=1.0
A=14
（f>7=140.16700.35-0.62185=36.69
.3-4
B=10
b-0.54.14
D
D_101〔3-^O,1-°.5
a4©35L10°.261=1.824
「1000+1.2Re°.66T（H耳
|77^
D.丿
*_RecB10003.2Re°.66
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
功率N
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。
这不难理解，因为经验公式和查图都存在一定的误差。
（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
De0.80.330.14
a=0.027-RePrVis
入
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
需移走的热量
Q=1350005871=140871W
Q
140871—…
m二
3.37kg/s
冷却水的质量流率m
Cpt2-t1418028-18
蛇管中水的流速u
m/p
2
0.785De
3.37/997.5
2
0.7850.05
二1.72m/s
蛇管直径De=0.05m，螺距P=150mm
蛇管轮的平均轮径Dc=1.850m（?
）
Re二
DeUp
[1
0.051.72997.5
9.4410，
二90874
Pr
=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
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。
、0.35
Cp卩
0.205
丿I入丿2丿ID丿JD丿
单位质量被搅拌液体所消耗的功率&
adco
Nuc0.512
入
0.3
■
“N,528710.857W/kg
0.785DHp0.7852.02.211987
被搅拌液体的运动粘度u
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
2
=0.51210.36850.434.040.810.7942.908=2022W/mC
a=0.512
0.35020.10.1
3.总传热系数K
依题意，忽略污垢及间壁热阻，有
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
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
b
m
0.14
叶轮距槽底咼度
C
m
0.74
搅拌转速
n
r/min
120
桨叶数
z
6
搅拌功率
N
W
5871
搅拌槽
挡板数
nb
6
（圈）
主要设计计算结果汇总
附件
挡板宽度
W
m
0.2
搅拌槽
搅拌槽有效体积
V
m3
6.944
搅拌液体深度
H
m
2.211
搅拌槽内径
D
m
2.0
搅拌槽筒体实际高度
H。
m
2.4
蛇管
蛇管型式
无缝钢管①57汉3.5mm
蛇管螺距
P
m
0.15
蛇管内冷却水流速
u
m/s
1.72
冷却水移出热量
Q
W
140871
:
被搅拌侧对流给热系数
ac
W/m2C
2202
蛇管内对流给热系数
a
W/m2C
6154
搅拌槽总传热系数
K
W/m2C
1522
所需蛇管换热面积
A
m2
2.52
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