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）
200000m3/a 210000m3/a 220000m3/a 均相液体机械搅拌夹套及蛇管冷却反应器设计 230000m3/a 240000m3/a 250000m3/a 260000m3/a 高志宏 杨正明 张园 吴楠 王亚飞 马国强 周冲 牛慧芳 张景慧 蔡鹤嘉 阿卜来提·艾尼 邢鸿宝 曾继云
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
1.处理能力：140000m3/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50℃； 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20℃，出口温度30℃；
5.50℃下均相液的物性参数：比热容cp?1012J/kg??C，导热系数λ?0.622W/m??C，平均密度ρ?930kg/m，粘度μ?2.733?10Pa?s。
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。
3?2三、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——工艺计算书
均相液体机械搅拌夹套冷却反应器设计——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。
（一）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×物料的平均停留时间
V?14000018??5.833m3
300?2460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：
D?H?34V34?5.833??1.95m π3.14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?1.2?1.95?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δ?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方的最佳深度为S?度为C?1.95/3?0.65m。
2H，因此，可确定叶轮距槽底的高3（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Re?10，于是有
4ρnd2930?0.72nRe???16674n?104?n?0.6r/s?36r/min ?2μ2.733?10即转速不能低于36r/min。现依公式n?4.74计算，得 πd4.744.74??2.16r/s?129r/min πd3.14?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
n?为了消除打旋现象，强化传热和传质，安装6块宽度为（1/10~1/12）D，取W=0.2m的挡板，以满足全挡板条件。全挡板条件判断如下：
?W??0.2?n???b???6?0.39?0.35（符合全挡板条件）
?D??1.95?（二）搅拌槽的工艺计算 1. 搅拌功率的计算
采用永田进治公式计算（亦可用Rushton关联图计算）
1.21.2ρnd2930?2.0?0.72Re???33348?300μ2.733?10?2Fr?nd2.0?0.7??0.285g9.8122
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
Φ?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）Rec?14.0。
六片平直叶涡轮搅拌器的参数
b/D?0.2/1.95?0.1026d/D?0.7/1.95?0.3590
H/D?1.0sinθ?1.02??b???d?A?14????670??0.6??185??D??????D?
?14?0.1026670?0.3590?0.6??185?36.972??B?102??b??d???1.3?4??0.5??1.14????D??D??????10?1.3?4?0.1026?0.5??1.14?0.3590??100.259?1.8155
2?b??d??b?p?1.1?4???2.5??0.5??7???D??D??D?224
?1.1?4?0.1026?2.5?0.3590?0.5??7?0.10264?1.45990.66?1000?1.2Rec??H?ANp??B??0.66??RecD1000?3.2Re??c??p?0.35?b/D??sinθ?1.2
?1000?1.2?14.00.66?36.97??1.8155?0.66?14.01000?3.2?14.0??功率N
1.4599?1.0?1.2?2.6407?1.8155?0.9888?1.0?4.436N?Npρn3d5?4.436?930?23?0.75?5547W?5.5kW
亦可根据Re?33348查Rushton图读取Φ?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。
2.夹套换热面积的计算
（1）槽内液体对槽壁的对流给热系数?j
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。
0.227?εD4Nuj?0.512??υ3?????Pr1/3?d????D?0.52?b????D?0.08
单位质量被搅拌液体所消耗的功率ε
ε?N5547??1.025W/kg 220.785DHρ0.785?1.95?1.95?930被搅拌液体的运动粘度υ
υ?μ/ρ?2.733?10?2/930?2.939?10?5m2/s
?εD4Nuj?0.512??υ3?αjD?εD4?0.512??υ3λ?????????0.227?d?Pr1/3???D??cpμ???λ????1/30.52?b????D?0.520.080.227?d????D??b????D?0.08
4?1.025?1.95?0.622???αj?0.512???3??5??1.95??2.939?10?0.227???1012?2.733?10?2??0.622?????1/3??0.359??0.1026??0.512?0.319?2249?3.543?0.587?0.8330.520.08
αj?636.3W/m2??C（2）夹套内冷却水对槽壁的对流给热系数α
采用蛇管中流体对管壁的对流传热系数公式计算
α?0.027??DeDeRe0.8Pr0.33Vis0.14?1?3.5??Dλ?c??????? ??冷却水的定性温度为?20?30?/2?25C，在此温度下水的物性如下
cp?4179J/kg??C，λ?0.608W/m??C，ρ?997kg/m3，μ?9.03?10?4Pa?s
需移走的热量
Q?105000?5547?110547W
冷却水的质量流率m
m?Q110547??2.645kg/s
?30?20?cp?t2?t1?4179m/ρ2.645/997??1.06m/s P?E0.05?0.05夹套中水的流速u
u?当量直径De?4E?4?0.05?0.2m 蛇管轮的平均轮径Dc?1.850m（？）
Deuρ0.2?1.06?997??234069μ9.03?10?4
?4cpμ4179?9.03?10Pr???6.207λ0.608Re?α?0.027??Deλ0.14?Re0.8Pr0.33Vis1?3.5??DDe?c?????????0.608??0.2??
?0.8?6.207?0.33?1???0.027??1?3.5??234069?????0.2??1.850????0.027?3.04?19746?1.827?1.378?4082W/m2??Cα?4082W/m2??C（3）总传热系数K
依题意，忽略污垢及间壁热阻，有
αjα111636.3?4082???K???550.5W/m2??C Kαjααj?α636.3?4082（4）夹套的传热面积
Δtm?Δt1?Δt2?50?20???50?30??24.66?C
?lnΔt1/Δt2ln??50?20?/?50?30??A?Q110547??8.14m2 KΔtm550.5?24.66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
πDH?3.14?1.95?1.95?11.94m2
该面积大于所需换热面积，因此，该设计满足工艺设计要求。
均相液体机械搅拌夹套冷却反应器设计
