均相液体机械搅拌夹套冷却反应器设计.

1、 化工原理课程设计 设 计 题目：均相液体机械搅拌夹套冷却反应器设计 设计者班级： 设计者姓名： 设计者学号： 设 计 日期： 指 导 老师：一、设计题目： 均相液体机械搅拌夹套冷却反应器设计二、设计任务及操作条件 1. 处理能力280000m3a均相液体 2. 设备型式 机械搅拌夹套冷却装置 3. 操作条件 均相液温度保持50 平均停留时间20min 需要移走热量70kw 采用夹套冷却，冷却水进口温度20，冷却水出口温度30 50下均相液物性参数： 比热容cp=1 012j(kg)， 导热系数=0.622w(m)， 平均密度 =930kgm3， 粘度2.733x10-2pas。 忽略污垢及间

2、壁热阻 年按300天，每天24小时连续搅拌三、厂址：衡阳地区四、 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设计计算（4）主要辅助设备选型：冷却水泵、搅拌电机等（5）绘图搅拌器设计条件图 （6）对本设计评述 目 录第一章 设计方案简介41.1搅拌器的选型41.2搅拌器的安装选择51.3电动机的选型51.4减速机的选型61.5 密封装置的选择61.6 物料进口进口安置61.7 夹套进出口安置61.8 泵的选择71.9 支座的选择71.10 管子的选择71.11 封头的选择

3、7第二章 工艺流程图及说明8第三章 工艺计算及主要设备的计算93.1均相液体和冷却水的物性数据93.2搅拌槽的计算93.3搅拌器的功率计算113.4总传热面积133.4.1被搅拌液体侧的对流传热系数.133.4.2夹套测冷却水对流传热系数133.4.3总传热系数14 3.4.4夹套传热面积.14第四章 设备的选型154.1电动机的选型154.2支座的选择154.3泵的选型154.3.1 输料泵的选型计算154.3.2 冷水泵的选型计算15第五章 设计结果一览表17第六章 附图（另附搅拌器工艺流程图及设备设计条件图）20第七章 设计心得20第八章 主要符号说明21第九章 参考文献21第一章 设计

4、方案简介 搅拌设备在石油、化工、食品等工业生产中应用范围很广，尤其是化学工业中，很多的化工生产或多或少地应用着搅拌操作，化学工艺过程的种种物理过程与化学过程，往往要采用搅拌操作才能得到好的效果。搅拌设备在许多场合时作为反应器来应用的，而带搅拌的反应器则以液相物料为特征，有液-液、液-固、液-气等相反应。 搅拌的目的是：1、使互不相溶液体混合均匀，制备均匀混合液、乳化液、强化传质过程；2、使气体在液体中充分分散，强化传质或化学反应；3、制备均匀悬浮液，促使固体加速溶解、浸取或发生液-固化学反应；4、强化传热，防止局部过热或过冷。所以根据搅拌的不同目的，搅拌效果有不同的表示方法，搅拌操作分为机械搅

5、拌和气流搅拌。气流搅拌是利用气体鼓泡通过液体层，对液体产生搅拌作用，或使气泡群以密集状态上升借所谓气升作用促进液体产生对流循环。与机械搅拌相比，仅气泡的作用对液体所进行的搅拌时比较弱的，所以在工业生产，大多数的搅拌操作均是机械搅拌。本设计实验要求的就是机械搅拌搅拌器设备的设计遵循以下三个过程：根据搅拌目的和物理性质进行搅拌设备的选型，在选型的基础进行工艺设计与计算，进行搅拌设备的机械设计与费用评价。在工艺与计算中最重要的是搅拌功率的计算和传热计算。1.1搅拌器的选型搅拌器主要类型有：桨式，开启涡轮式，圆盘涡轮式，推进式，框式，螺带式，三叶后掠式等。搅拌器的选用应满足下列要求：保证物料的混合均匀

6、，功率消耗最少，所需费用最低，操作方便，易于制造和维修。由于本设计是低黏度的液体混合，是难度最小的一种搅拌过程，主要目的是在给定的时间内达到或接近均相混合的要求。其主要控制因素是容积循环速率。由于三叶推荐式的循环强且消耗动力少，循环容易，所以是最适用的。而涡轮式虽有高的剪切力，但对于这种混合过程并没太大的必要，所以若用在大容量液体混合时就不合理。桨式的因其结构简单，在小量液体混合中广泛的应用，但用在大量液体混合时，其循环能力就不足。透平式是化工厂中运用最为广泛的搅拌器,能有效的完成几乎所有的搅拌操作并能处理粘度范围较广的液体,他们在差生径向液流时特别有效,但亦同时引起轴向液流,尤其在槽壁上有挡

7、板之时.对混合密度大致相同的液体,他们的效力极为显著,此外,它们的造价也比多数其他形式的搅拌器低.结合这次设计的各种条件选择是的六个平片的透平式搅拌器.1.2搅拌器的安装及组成选择1.2.1搅拌器上端可用机械密封，易维护、检修、寿命长。搅拌器的安装高度要有利于底部出料，使出料口处得到充分的搅动，使输料管路畅通。1.2.2组成搅拌罐由搅拌罐体、搅拌罐盖、搅拌器、支承、传动装置、轴封装置等组成，还可根据工艺要求配置加热装置或冷却装置。搅拌罐体、搅拌罐盖、搅拌器、轴封等选用材料可根据不同的工艺要求选用碳钢或不锈钢等材料来制作。搅拌罐体与搅拌罐盖可采用法兰密封联结或焊接联结。搅拌罐体与搅拌罐盖可根据工

8、艺要求开进料、出料、观察、测温、测压、蒸汽分馏、安全放空等工艺管孔。搅拌罐盖上部配置有传动装置（电机或减速器），由传动轴驱动搅拌罐内的搅拌器.轴封装置可采用机封或填料、迷宫密封等多种形式(根据用户需要确定)。1.3电动机的选型电机功率选用应满足搅拌器运动转功率与转动系统，轴封系统功率损失的要求，还要考虑到有时在搅拌操作中会出现不利的条件导致功率过大。搅拌转动装置常配用4极或6极电动机,8极电动机比较少用,2极电动机几乎不用。通常，减速机有多种速比可选择，配用4极或6极电动机有可能获得相近的搅拌转速。当电动机功率相同时，4极电动机比6极电动机便宜，质量轻，但所要求的减速机的减速比较大，减速机可能

9、比较贵。所以我们选用6极的电动机。1.4减速机的选型减速机的选择是根据反应釜搅拌传动所需的电机功率，搅拌轴转速（即减速机输出轴转速），然后再根据其他具体条件综合考虑，确定适用的减速机。其中反应釜为立式安装，采用耳式反应。由于设备需要保温，反应釜直接支撑在楼板上，所以选b型，选四个支座。由于反应釜的直径为2020mm，大于900mm所以需要开设入孔。便于安装，拆卸，清洗和检修设备内部的装置。选用圆形入孔的机器制造方便。圆孔的大小及位置以进出设备方便；搅拌器的尺寸，以方便搅拌器轴及搅拌器能通过的入孔放入罐体内。1.5 密封装置的选择用垂直于轴的平面来密封转轴的机械密封装置。与填料密封相比，机械密封

10、是一种功耗小，泄漏率低，密封性能可靠，使用寿命长的转轴密封形式。机械密封装置主要由动环、静环、弹簧加荷装置和辅助密封圈等四部分组成。1.6 物料进口安置出料管的结构设计主要考虑物料是否易于放出且能放尽，阻力小，不易赌塞，温应力等因素。我们设计的出料口在反应釜的下端，便于物料排净，不用设置出料泵。另外，出料口设置温度测量点，以便控制物料的冷却温度。1.7夹套进出口安置冷却液进口管安置在反应釜两侧，使液体从底部进入，高端流出，从而避免气泡的产生，使传热介质能充满整个夹套空间。1.8 泵的选择泵的选型的重要依据是：工艺装置生产中，要求泵输送的介质流量q；要求额定流量不小于装置的最大流量，或取正常流量

11、的1.11.5倍；进口压力和出口压力；进口介质温度；操作状态为连续操作或间歇操作；装置汽蚀余量。根据本设计的均相料液和冷却用水的粘度、要求的流量、估算的扬程和连续操作的要求，我们选用离心泵，料液泵型号选is80-65-125，冷却水型号选is-65-50-160。由于预防操作过程中出现意外，所以，离心泵应一开一备。1.9 支座的选择立式安装的反应釜最常用的支座为耳式支座。标准耳式支座为（jb/t4725-92）。分为a型和b型两种。当设备需要保温或直接支承载楼板上时选b型，否则选择a型。所以本次设计所用b型耳式支座。由于每台反应釜常用4个支座。 所以再根据所要支撑的重量来选择合适的允许载荷。1

12、.10 管子的选择化工厂中介质的流体运动，绝大多数是湍流。当输送流体的流量一定时，管径的大小直接影响经济效果。管径小，介质流速大，管路压力降大，从而增加了流体输送机械（泵或压缩机）的动力操作费用;反之，增大管径，虽然动力费用减少，但管路建造费用却增加。管径的大小，依据化工运行中介质可能出现的最大流量，介质的推荐流速和允许的压力降来确定。1.11 封头的选择封头是压力容器必不可少的重要组成部分，封头分为半圆形封头、标准椭圆形封头、蝶形封头、球冠形封头四种，其中分别以外径和内经为基准取封头的高度，然而封头的选取根据其搅拌槽的内压力又有所不同，主要是看是否能符合生产的需要等因素。 第二章 工艺流程图

13、及说明29流程的说明 首先，将冷水放入冷水储罐，在里面停留一定的时间，达到要求温度之后，通过离心泵将加热后的水抽入夹套，通过调节阀控制水的流量，流出的水进入流出水储罐。其次，均相料液由料液泵抽入搅拌槽，开动并调节搅拌器转速，通过料液进口的调节阀，控制料液进料的流量，使得料液在搅拌槽中停留一定时间，最后，流出的均相液体进入储罐。 第三章 工艺计算及主要设备的计算3.1均相液体和冷却水的物性数据均相液体50下的物性参数比热容1012j/(kg. )；导热系数0.622w/(m. )平均密度930kg/m3粘度 pas；冷却水定性温度选进出口的平均温度(20+30)/2=25；查物性手册【化工原理

14、第二版】在25下水的物性参数如下： 比热容4178.5j/(kg) 导热系数0.6085w/(m) 密度997.04kg/m3 粘度 pas 查物性手册【化工原理 第二版】在20下水的物性参数如下： 密度998.2kg/m3 粘度 pas 查物性手册【化工原理 第二版】在30下水的物性参数如下：密度995.7kg/m3 粘度0.800710pas3.2搅拌槽的计算一、搅拌器选型因为该搅拌器只要是为了实现物料的均相混合，所以，推进式、桨式、涡轮式、三叶后掠式等都可以选择，此处选择六片平直叶圆盘涡轮式搅拌器。二、搅拌器设备设计计算确定搅拌槽的结构与尺寸，明确搅拌桨及其附件的几何尺寸和安装位置，计算

15、搅拌转速和功率，传热计算等，最终为机械色好几提供条件。（一）搅拌槽的结构设计1、搅拌器的容积、类型、高径比 对于连续操作，搅拌槽的有效体积为搅拌槽的有效体积=流入搅拌槽的液体处理量物料平均停留时间流入搅拌槽的液体处理量=280000m3/a所以，搅拌槽的有效体积 v=280000/(30024) (18/60)=12.963m3一般取搅拌液体深度与搅拌槽内径相等以搅拌槽为平底近似估算直径。由搅拌槽的有效体积可计算出搅拌槽内径为2.546m，搅拌液体深度为2.546m，即dh 2.546m由于罐体没有特殊要求，一般选取最常用的立式圆筒型容器，根据传热要求，罐体带夹套，胶套选用螺旋板夹套。夹套内设

16、导流板，螺距p=0.05m,夹套环隙e=0.05m一般实际搅拌槽的高径比为1.11.5，现取1.2.搅拌槽筒体总高h0=1.22.5463.055m2、搅拌桨尺寸及其安装位置 搅拌器为六片平直叶圆盘涡轮式。由化工原理上册计算得： (1)叶轮为透平式，有6个平片，安装在直径s=0.5m的中心圆片上 (2)叶轮直径d(1/3)d（1/3）2.5460.849m (3)叶轮距槽底的高度c=1.0d0.849m (4)叶片宽度b=d/5=0.849/5=0.1698m (5)叶片长度l=d/4=0.849/4=0.2123m (6)液体深度h=1.0d=1.02.546=2.546m (7)挡板数=6

17、，垂直安装在槽壁上并从槽底延伸到液面之上 (8)挡板宽度wb=d/10=2.546/10=0.2546m (9)搅拌器的转速： ut=dn ut-叶片末梢速度，在此处取值为5.2 ms-1（依据下表） n-搅拌器转速 透平式叶轮的末梢速度范围搅拌强度ut/ms-1低度搅拌2.53.3中度搅拌3.34.1高度搅拌4.15.6所以n=ut/d=5.2/(3.140.849)=1.949/s.取n=2.0r/s3、搅拌槽的附件为了消除可能的打旋现象，强化传热和传质，安装6片宽度为(1/10)d即0.2546m的挡板。全挡板的条件判断如下： nb=()n(0.2546/2.546)1.26=0.379

18、由于0.3790.35，因此，符合全挡板条件。根据gb/t规定，材料选择是q235-b,根据化工设备机械基础第六版选材的一般原则：（1）压力容器用钢材应符合gb1501998钢制压力容器的要求，材料适用于设计压力不大于35mpa的压力容器，选材应接受国家质量技术监督局颁发的压力容器安全技术监察规程的减速。压力容器受压元件用钢应是由平炉、电炉或氧气顶吹转炉冶炼的镇静钢，钢材（板材、带材、管材、型材、锻件等）的质量与规格应符合现行国家标准、行业标准或者有关技术规定。 压力容器承压构件使用普通低碳钢的适用范围见表，当操作温度在-203500c，壁厚不大，且无频繁温、压波动是，可采用半镇静钢代替镇静钢

19、。压力容器用碳素钢镇静钢版的适用范围钢版牌号使用温度/0c设计压力/mpa壳板钢版厚度/mm其他限制q235-b03501.620不得用于毒性程度为高度或极度危害介质的压力容器q235-c04002.530容器按压力等级的分类容器种类代号设计压力范围/mpa低压容器中压容器高压容器超高压容器lmhu0.1p1.61.6p1010p100p100所以在实际制造中应选择q235-b来制造。设计压力为p=1.0mpa搅拌槽的壁厚计算： =1.02546/(21130.8-1.0)=14.16mmn=+c+圆整=14.16+1.25+圆整=16mm式中圆筒的技术厚度，mm；pc=p=1.5mpa圆筒的

20、计算压力，mpa；d搅拌槽的内径，mm；圆筒的焊接接头系数，设圆筒局部无损伤，取=0.80；圆筒材料在设计温度下的许用应力，mpa，查化工设备机械基础附九图得：=113mpa整合后取搅拌槽壁厚为16mm。3.3搅拌器的功率计算（二）、搅拌槽的设计计算1、搅拌功率计算采用永田进治公式法计算re=0.84922.79302.733100=6.62104300fr=(2.7)20.849/9.81=0.63由于re数值很大，处于湍流区，因此，应该安装挡板，以消除打旋现象。功率计算需要知道临界雷诺数rec，用rec代替re进行搅拌功率计算。rec可以从图上湍流和层流的转折点得出，根据已知条件，从图上读

21、出rec=14.0六片平直叶涡轮桨叶的宽b=0.1698m,桨叶数z=6b/d=0.1698/2.546=0.067d/d0.849/2.546=0.333h/d=1.0sin=1.0a=14+( b/d)670(d/d-0.6)2+185=14+0.067670(0.333-0.6)2+185=29.60 p=1.1+4(b/d)-2.5(d/d-0.5)2-7(b/d)4=1.1+40.067-2.5(0.333-0.5)2-70.0674=1.298np=29.60/14+1.481(103+1.2140.66/103+3.2140.66)1.2981=3.57n= npn3d5=3.5

22、79302.030.8495=11716.01w在查图中档流动变为充分湍流时，即re10000以后，功率曲线变成水平线，此时流动与雷诺数和佛劳德数都无关，应读图得到=np=6.1，所以对于有挡板的典型构型搅拌器，re10000时n=6.1n3d5=6.19302.030.8495=20018.95w如果采用查rushton算图计算，当re=6.62104时，查得=np=6.1,与用永田进治公式计算所得结果有一定的差距，这也不难理解，因为查图本身就有一定的误差，同时，经验公式也有一定误差。本设计中采用的是化工原理上（第三版）化学工业出版社的计算方法，则取搅拌器的功率为20018.95w。3.4总

23、传热面积1、被搅拌液体侧的对流传热系数j 采用佐野雄二推荐的关联式计算nuj=n/m=n/=4n/d2h =20018.954/（9303.142.54622.546）=1.66w/kg=/=2.73310-2/930=2.9410-5 =3195.50pr=cp/=10122.73310-2/0.622=44.47nuj=d/=2.546/0.622=0.5123915.5044.471/30.3330.520.0670.08j=789.05w/(m20c)2、夹套侧冷却水对流传热系数，计算时可忽略v项nu=d/=0.027re0.8pr0.33vis0.14下面计算水的流速u查物性手册定性

24、温度（20+30）/2=250c.冷却水的物理参数如下：比热容：cp=4178.5j/(kg0c)导热系数=0.6085 w/(m20c)密度=996.95kg/m3粘度=9.0310-4pas需要移走的热量为：q=70103+n=70000+20018.95=90018.95w冷却水的质量流率：q=mcp(t2-t1) m=q/ cp(t2-t1)= 90018.95/4178.5（30-20）=2.15kg/s夹套中水的流速：u=（2.15/996.95）/（0.050.05）=0.863m/sd=4e=40.05=0.2mre.=du/=(0.20.863996.95)/(9.0310-

25、4)=190557.66pr= cp/=4178.59.0310-4/0.6085=6.200.2/0.6085=0.027190557.660.86.200.33=2512.49w/(m20c)3、求总传热系数k,忽略污垢热阻和搅拌槽壁热阻 k=1/(1/j+1/)=1(1/789.05+1/2512.49)=600.47w/(m20c)4、求夹套传热面积由q=kf=24.660cf=90018.95/（600.4724.66）=6.08m需要可算一下夹套可能提供的传热面积是否能满足传热要求，计算是可考虑搅拌槽内表面能提供的传热面积，如果该面积能满足要求，即可认为将夹套设计符合要求。搅拌槽内

26、表面能提供的传热面积（按最小面积计算）：dh=3.142.5462.546=20.35m该面积大于计算所需要的传热面积f=6.08m,因此，夹套设计符合要求。 第四章 设备的计算和选型4.1电动机的选型电动机的功率：22(kw)式中pm所需要的电机功率，kw；总传动效率。（一般取0.850.95，机械密封结构时，可以取值较高；填料密封结构时，取值较低）取系列值后圆整后功率为23kw,选取型号为y-200l1-2的电动机，功率23kw，额定电流58.9a，额定转速2950/min。4.2支座的选择 立式容器的支座主要有耳式支座、腿式支座、支承式支座和裙式支座四种,中、小型直立容器常采用前三种支座

27、，高达的塔设备则广泛的使用裙式支座。 这个设计中运用的是耳式支座，耳式支座分为a型（短臂）和b型（长臂）两类，b类耳式支座有较宽的安装尺寸，当设备外面有保温层，或者将设备直接放在楼板上的，宜用b型耳式支座。查化工设备机械基础附表17可知：jb/t4725-95，支座个数为四个，支座允许的载荷100kn，适用容器的公称直径dn13002600mm。支座高度320，支座质量28.7kg.地脚螺旋规格m24，d=30.底板l1=250,b1=180,=16,s1=90,筋板l2=330，b2=200，=12，垫板l3=400，b3=320，=10，e=48。4.3泵的选型4.3.1 输料泵的选型计算

28、 ： 8取管内u=1.5m/svs=q/cpt=90018.95/(101250930)=0.001913(m3/s)由 则取d=41mm，管路452.0mm；取=0.15（新的无缝钢管）re=d/=0.041.5930/(2.73310-2)=2.042103(2100re105)取用光滑管经验公式 =0.3164/re0.25=0.3164/(2.042103)0.25=0.047全管路设计中有3个90弯头，=0.75;一个全开阀，=0.17；管长l=5+3=8（m） 罐内压强计算： 式中p1罐内压强，pa；h液静液面高度，m；r重度，kg/（m2s2），（m是均相液体密度，kg/m3）。

29、h底反应罐到地面的高度，m取h底=0.5 m, h=2.546m由机械能守恒得： 根据gb/t中有，标准椭圆形封头中，当以搅拌槽内经为基准时，则按公式：di/2(h-h)=2计算的封头的高度, 经过计算封头高度h应为0.649m（m）z2取1.2m，he=6.569（m）h=1.16.569=7.226mq=0.001913m3/s=1.913l/s选择is65-50-160型离心泵较合适 ，n=1450r/min 4.3.2 冷水泵的选型计算由搅拌槽的计算中可知：ms=2.15kg/s，u=0.863m2/svs=ms/= =2.15/997.04=0.002156（m3/s） （m）冷水进

30、口直管选热轧无缝钢管622.5mm；取=0.16mm，冷水进口直管管路设计三个90度弯头，一个标准阀（全开），一个摇板止逆阀。直管总长l=6.0米，流体输送高度h=1.0m，查表得三个90度弯头的阻力系数le/d=35，标准阀全开的阻力系数 l2/d=300,管口突然扩大=1.0 突然缩小=0.5，摇板止逆阀l3/d=100.管内流动总阻力损失由公式式中摩擦阻力系数； l总管长度，m；阻力系数；u流体流速，m/s；由re=ud/=997.040.8630.056428.9010-4=5.45104查摩擦系数与re及/d的关系图得=0.028j/kg=2.282+4.987=7.269 j/kg

31、水槽液面与夹套进口建立机械能守衡方程有：其中z1=0, z2=1 , u1=0 , u2=0.863假设p1 =p2所以直管输送需要泵提供的压头he2=/g=17.451/9.81=1.78m故所选泵需要提供的总压头he总= 1.1he2=1.11.78=1.958（m）根据管内体积流量vs=2.156l/s管路所需压头he总=1.958m选择is-80-65-125离心泵，n=1450r/min 第五章 设计结果一览表 项目符号单位设计计算数据及选型搅拌器类型六片平直叶圆盘涡轮式叶轮直径dm0.849叶片宽bm0.1698叶轮距槽底高度cm0.849搅拌转速nr/s2.0桨叶数z6搅拌功率n

32、w20018.95搅拌器附件全挡板数nb个6挡板宽度wbm0.2546搅拌槽搅拌槽体积vm12.963搅拌液体深度hm2.546搅拌槽内径dm2.546搅拌筒体实际高度h0m3.055反应釜的压强p1kpa23.23封头高度hm0.649料液质量流量mskg/s2.15夹套夹套型式 空心夹套螺旋板螺距pm0.05夹套环隙em0.05夹套内冷却水流速um/s1.5冷却水移出热量qw90018.95被搅拌液体侧的对流传热系数ajw/(m2.0c)789.05夹套侧冷却水传热系数aw/(m2.0c)2512.49搅拌槽总传热系数kw/(m2.0c)600.47所需夹套面积fm26.08电动机型号y-

33、200l1-2功率pmkw23额定电流a29.4额定转速r/min2930支座规格jb/t4725-95允许载荷kn100数量个4进料泵型号is65-50-160压头hem6.569流量q3m3/h6.887冷水泵型号is-80-65-125压头he1m1.958流量q4m3/h7.762物料管规格452.0mm材料无缝钢管输料管的摩擦损失wfj/kg14.985单位重量流体的沿程损失hfm1.528摩擦系数0.047管内流速um/s1.5冷水管规格622.5mm材料无缝钢管摩擦系数0.028管内流动总阻力损失j/kg7.269 第六章 附图 （另附搅拌器工艺流程图及设备设计条件图） 第七章 设计心得 化工原理课程设计是培养我们化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学