蛇管冷卻機(jī)械攪拌裝置設(shè)計(jì) 化工原理課程設(shè)計(jì)

蛇管冷卻機(jī)械攪拌裝置設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)蛇管冷卻機(jī)械攪拌裝置設(shè)計(jì)說明書攪拌裝置設(shè)計(jì)任務(wù)書(蛇管冷卻機(jī)械攪拌裝置設(shè)計(jì))設(shè)計(jì)題目均相液體機(jī)械攪拌蛇管冷卻反應(yīng)器設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件處理能力17520蛔/a均相液體?！甲ⅲ篨代表學(xué)號(hào)最后兩位數(shù)〗設(shè)備型式機(jī)械攪拌蛇管冷卻裝置。操作條件均相液溫度保持60°C。平均停留時(shí)間20min。需要移走熱量135kW。采用蛇管冷卻，冷卻水進(jìn)口溫度18C，冷卻水出口溫度28C。60C下均相液物性參數(shù)：比熱容Cp=912J/(kg-C),導(dǎo)熱系數(shù)R0.591W/(m?C),平均密度p=987kg/m3,粘度=3?5X10-2Pa?s。忽略污垢及間壁熱阻。每年按300天，每天24小時(shí)連續(xù)攪拌。廠址：柳州地區(qū)。設(shè)計(jì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案簡介：對(duì)確定的工藝流程及設(shè)備進(jìn)行簡要論述。攪拌器工藝設(shè)計(jì)計(jì)算：確定攪拌功率及蛇管傳熱面積。攪拌器、攪拌器附件、攪拌槽、蛇管等主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算。主要輔助設(shè)備選型：冷卻水泵、攪拌電機(jī)等。繪制攪拌器工藝流程圖及設(shè)備設(shè)計(jì)條件圖。對(duì)本設(shè)計(jì)評(píng)述。目錄設(shè)計(jì)方案簡介.4工藝計(jì)算及主要設(shè)備設(shè)計(jì)4一、確定設(shè)計(jì)方案4、選擇蒸發(fā)器的類型4、流程安排43、冷卻水泵、攪拌電機(jī)的選化工原理課程設(shè)計(jì)型4二、確定性數(shù)據(jù)..5三、設(shè)備各項(xiàng)數(shù)據(jù)計(jì)曹算.5、攪拌槽的計(jì)曹算5、攪拌器的選型6、攪拌器的功率計(jì)性算7、電動(dòng)機(jī)的選型8、蛇管規(guī)格的選擇.86、蛇管內(nèi)外側(cè)換熱系數(shù)的計(jì)皆算97、總傳熱系數(shù)與傳熱系數(shù)的計(jì)皆算118、泵的選型12四、計(jì)算結(jié)果列表15設(shè)計(jì)評(píng)論.15主要符號(hào)說明.16參考資料.17化工原理課程設(shè)計(jì)帶控制點(diǎn)的工藝流程簡圖、主體設(shè)備設(shè)計(jì)條件圖（見附圖）設(shè)計(jì)方案簡介蛇管冷卻攪拌是運(yùn)用攪拌器將攪拌槽中的反應(yīng)物料攪拌均勻，同時(shí)可以將物料的熱量均勻分布，并運(yùn)用蛇管作為冷卻裝置，使攪拌槽中的物料液保持在一定的溫度下，保持一個(gè)良好的反應(yīng)環(huán)境。此次設(shè)計(jì)中選用的攪拌器為渦輪平葉攪拌器，其特點(diǎn)是在物料黏度不大的物料中攪拌所消耗的功率較小，可以減小能量的損耗：而選用蛇管傳熱是因?yàn)樯吖艹两谖锪现?，熱量損失小，傳熱效果好。排列密集的蛇管起到導(dǎo)流筒和擋板的作用。冷凝劑選用冷卻水，是由于其傳熱效率好而且易于得到，傳熱后冷卻水可直接排放而不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，總體操作也較為簡便。工藝計(jì)算及主要設(shè)備設(shè)計(jì)一、確定設(shè)計(jì)方案1、攪拌器的選擇由于此攪拌槽中所攪拌的溶液為低粘度均相流體，攪拌時(shí)，由于其循環(huán)容易，消耗功率小，因此采用渦輪平葉攪拌器。2、選擇冷凝類型在工業(yè)生產(chǎn)過程中，當(dāng)需

I=j

w要的傳熱面積較大，而夾套傳熱在允許的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)尚不能滿足要求時(shí)，或是殼體內(nèi)襯有橡膠、耐火磚等隔熱材料而不能采用夾套傳熱時(shí)，可采用蛇管傳熱。蛇管沉浸在物料中，熱量損失小，傳熱效果好。排列密集的蛇管起到導(dǎo)流筒和擋板的作用。蛇管中對(duì)流傳熱系數(shù)較直管大，但蛇管過長時(shí)，管內(nèi)流體阻力較大，能量消耗多，因此，蛇管不宜過長。I=j

w3、流程安排因進(jìn)料口、冷卻水入口和出料口、冷卻水出口都存在有較大的壓力差，因此要將物料和冷卻水輸入攪拌器中，則需使用離心泵提供傳動(dòng)力。4、冷凝攪拌的輔助設(shè)備此過程所應(yīng)用的冷卻劑為冷卻水，因此在選用離心泵時(shí)，選用冷水泵.由于物料為低粘度均相流體，攪拌所需的功率較小，因此可選用功率較小的電機(jī)提供攪拌的動(dòng)力。工藝計(jì)算及主要設(shè)備設(shè)計(jì)二、確定性數(shù)據(jù)

60°C下均相液物性參數(shù):比熱容：Cp=912J/(kg-C)導(dǎo)熱系數(shù)：A0.591W/(m?C)平均密度：p=987kg/m3粘度P=3?5X10-2Pa.s。冷卻水定性溫度選進(jìn)出口的平均溫度III冷卻水定性溫度選進(jìn)出口的平均溫度III28+18)/2=23C查物性手冊(cè)【化工原理第三版】在23C下水的物性參數(shù)如下：比熱容：Cp=4.180X103KJ/(kg-C)導(dǎo)熱系數(shù)：40.605W/(m?C)平均密度：p=998kg/m3粘度P=0.9433X10-3Pa?s。1.攪拌罐的設(shè)計(jì)罐體的尺寸包括內(nèi)徑。\高度日、容積V及壁厚5n=1罐體的長徑比大小對(duì)攪拌功率產(chǎn)生影響。由于攪拌器槳葉直徑與攪拌罐內(nèi)徑通常有一定比例范圍，如果長徑比減小，即高度減小而直徑增大，攪拌槳葉直徑也增大，在固定的攪拌軸轉(zhuǎn)速下，攪拌器功率與槳葉直徑的5次方成正比，故罐體長徑比減小時(shí)，攪拌器功率增加。因此，為減小攪拌器功率，長徑比可取大一些。

=1III罐體的長徑比還對(duì)夾套傳熱產(chǎn)生影響。當(dāng)容積一定時(shí)，長徑比越大，則罐體盛料部分表面積越大，傳熱表面距罐體中心越近，無聊溫度梯度越小越有利于提高傳熱效果。因此從傳熱角度考慮長徑比可取大一些。III此外，某些物料的攪拌反應(yīng)過程對(duì)罐體長徑比有特殊要求。例如發(fā)酵罐，為了使通入罐內(nèi)的空氣與發(fā)酵液有充分的接觸時(shí)間，需要有足夠的液位高度，一般希望長徑比取得大一些。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，幾種攪拌反應(yīng)器罐體的長徑比如下表▲般攪拌器設(shè)備內(nèi)物料類型液-固相或液-液相物料氣-液相物料H/Di1~1.31~2發(fā)酵罐類1.7~2.5|三」罐體的裝料量

罐體全容積V與操作時(shí)物料容積V的關(guān)系為0V=門V▲般攪拌器設(shè)備內(nèi)物料類型液-固相或液-液相物料氣-液相物料H/Di1~1.31~2發(fā)酵罐類1.7~2.5|三」罐體的裝料量0liiJ-門--一門應(yīng)取低值，如果反應(yīng)取門=0.75式中n為裝料系數(shù)，通常取”=0.6~0.85。如果物liiJ-門--一門應(yīng)取低值，如果反應(yīng)取門=0.75T7150000+400x63V=x20=8.11m30300x24x60V811V=?=—=10.82m3門0.75罐體直徑和高度在確定了罐體的hd、門之后，先忽略罐底封頭容積，則可以認(rèn)為故'iV=-D2H=—D3H，niD=..積，則可以認(rèn)為故4i4，Di*—（hd）n算出D圓整成標(biāo)準(zhǔn)直徑，并按下式得罐體的高度i4V■48.11=3‘x—=2195.2mm，'兀x1.30.75取H為1.3則D=——Di3—（hd）nt式中：u為封頭容積。圓整后的d=2200mmiH=^_!^=上（匕-u）門大致符合要求即—D2—Din4i計(jì)算出4V■48.11=3‘x—=2195.2mm，'兀x1.30.75式中：u為封頭容積。門大致符合要求即選用標(biāo)準(zhǔn)封頭：u=m洪=普1100x550x550=1.39m3

y-U4V,4,8.11H——(?-U)—(一1.39)—2.48m生D2冗D門兀x2.22U.754:'兀兀七體—-HD2兀兀七體—-HD2——x2.5x2.22—9.5Um3—25UU,.'=114,22UUL14-i門—一^U一—一迎一—U.745V筒+u9.5U+1.39基本符合要求，故罐體的尺寸為：h—25UUmmD=22UUmmi設(shè)計(jì)要求：工作壓力為常壓，選取16的人低合金MnK鋼制成的罐體。取設(shè)計(jì)壓力〃_2MP.p—2MiPa根據(jù)《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》（第六版）附表9鋼板、鋼管、鍛件和螺栓的許用應(yīng)力，得60°C16質(zhì)MinK的許用應(yīng)力為口二163MPa采用單面焊接局部探的許用應(yīng)力為口二163MPa故名義厚度—c+C,圓整-18.板2、攪拌器的選型；*2l=J傷’，—U.8攪拌反應(yīng)器厚度計(jì)算：8取鋼板和厚度偏差c一。1^—U-1故名義厚度—c+C,圓整-18.板2、攪拌器的選型；*2l=JPD2x22UU選用渦輪式攪拌，取日1b°?——U.2D3d所以d=730mmb=150mm取U—6m貝。轉(zhuǎn)U—，■-s速n=E—工—2.6源兀d0.73兀?’s

加上安全系數(shù)15%轉(zhuǎn)速R=2所以d=730mmb=150mm取U—6m貝。轉(zhuǎn)U—，■-s加上安全系數(shù)15%轉(zhuǎn)速R=2-6x(0，15+Dx60T79.4上詛恥=180%min靜液面高度:+封=0.55+S罐截面積8.11-1.39兀x2.224=2.32m靜液面高度與罐內(nèi)徑之比:安裝一個(gè)攪拌器=蕓=1.05<1.3故只需雷諾數(shù):Re>4000-60=45083.34流體屬于湍流，符合傳熱要求3.5x10-2當(dāng)Re>1000時(shí)n與雷諾數(shù)無關(guān)3、攪拌器值附件流體屬于湍流，符合傳熱要求為了消除可能的打旋現(xiàn)象，強(qiáng)化傳熱，安裝6塊寬度為可=玲D，即0.22m的擋板。全擋板條件判斷如下：（J]n=（竺）1.2x6=0.378Db2.2i因0.378>0.35因此符合全擋板條件。由于雷諾數(shù)值很大，處于湍流區(qū)，蛇管雖成盤管狀，但它對(duì)液體的控制作用較小，因此，安裝擋板，以消除打旋現(xiàn)象。功率計(jì)算需要知道臨界雷諾數(shù)Re查資料的Re=14ee化工原理課程設(shè)計(jì)六片平直葉渦輪槳葉的寬度b=0.15m，槳葉數(shù)z=6=0，1禮n=0.068匕.匕i二2.町2.2=IM=y=0=0，1禮n=0.068匕.匕i二2.町2.2=IM=y=0.332isin0=1A=14+(%)+370(%-0.6)2+185i=14+0.068x匚70x(0.332-0.6)2+185^=29.85B=101-3-4"d"°?5J2-1」4]%=101.3-4(0.068-0.5*-1.14x0.332^=1.50P=1.1+4(而)-2.5(%—0.5)2—零+1.5)4=1.1+4x0.068-2.5(0.332-0.5*-7x0.0684=1.30i1000+1.2Re0.66，cv1000+3.2Re0.66Ic(1000+1.2x140.66)"1000+3.2x140.66J1.3x1.05(0.35+0.068)x1x13.64軸功率:N=NpPn軸功率:N=NpPn3d5=3.64x987x4/電機(jī)功率:Na3x0.735=20.11(KW)同軸：T■I=這里取。=3Pm門三角皮帶：■=0.92安全系數(shù),取2~3同軸傳動(dòng)故所需電機(jī)理論功率P=m1x3=60.33（KW）m1所以根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)選用電機(jī)功率為：63KW5、蛇管規(guī)格的選擇:

蛇管內(nèi)徑：d_苗d—s1兀V^3^—3.237X10-3^3^—3.237X10-3(3)CATp卬4.180x(28-18；x997.5/ss體積流量：V_eV—sV為蛇管內(nèi)體流速蛇管一般的流速u范圍是1?5~3m/s，當(dāng)u=1.5m/s時(shí),k.'4x3.237x10-3—'——4—.1［，兀u兀x1.5

0.0524(m)；當(dāng)。=3.0m/s時(shí);d=E-尸X3.237X10一3-0.037（m），所以根據(jù)管子規(guī)格選:1"兀u兀x3.0650x2.5mm的蛇管。蛇管內(nèi)外側(cè)換熱系數(shù)的計(jì)算:蛇管內(nèi)側(cè)換熱系數(shù)R?管內(nèi)換熱系數(shù),W/(m?°C)；管內(nèi)流體的導(dǎo)熱系數(shù)，普朗特?cái)?shù)，P=泰r入Cp、R、人分別是管內(nèi)流體的比熱容kJ?kg-1.K-1)4.180x103x0.9433x10普朗特?cái)?shù)，P=泰r入Cp、R、人分別是管內(nèi)流體的比熱容kJ?kg-1.K-1)4.180x103x0.9433x10-3,=6.520.605粘度&.s［導(dǎo)熱系數(shù)。?m-1.K-1)a管內(nèi)經(jīng)，m；4X3.237X10-3=2.576m/nx0.042，s4Vsnd21-一蛇管圈直徑，m；D=0.8xD=0.8x2.2=1.76mCiRe管內(nèi)流體雷諾數(shù)。3=0.040XMX"7.5=108960.46R10.9433x10-3P0.4

—r4112X<0.061Rax0.040‘0.6056.520.441x108960億5(0.040.466"1.76120.061108960.46x(0.040、1.76=619.2賜廣9365氣m2,c)管外傳熱系數(shù):0.140.62P1r30.14料液的傳熱系數(shù)，W/(m?°C)；槽內(nèi)徑，m；Pr普蘭特?cái)?shù)，PPr普蘭特?cái)?shù)，Pr日912x3.5x10-2=54.01；0.591料液導(dǎo)熱系數(shù)，W?m-1?K-1；CPCP料液比熱容，J-1?K-1)；0"時(shí)，由于壁溫通常較難測(cè)定，在未知壁溫的情況下可采用下列近似值計(jì)算：當(dāng)液體被冷卻時(shí)［旦'〔％用下列近似值計(jì)算：當(dāng)液體被冷卻時(shí)［旦'〔％J0.14=0.95；當(dāng)液體被加熱時(shí)0.14=1.05人d2np—jm〔可m014=0.83x堅(jiān)1x.2(0.732x3x987)0.62±x54.013x0.95=615.10,八m?C6、總傳熱系數(shù)111

一=——+——

Kaa1+111

一=——+——

Kaa1K==577.2WK==577.2W.m-2.K-11.732x10-3Atm（T-1）-（T-1）=（60-18）-（60-28）=36

[60-AtmIn—1lnT-12135—1lnT-12135x103KAt577.2x36.776.36^2）蛇管中心圓的直徑；D=D-200=2200-200=2000（mm）=2.0（m）由于單層蛇管的螺距不小于2.5倍管外徑。所以根據(jù)具體情況取螺距s=6.25d0=6?25X0?045=0?28m每圈蛇管長度（以斜面長度表示）:I=、*D*+"=面.142x2.0*+0.0784=6.29（m）n0.04=，n①=2.58Q）.142.■-sIx①3.237x10-3蛇管數(shù)：m=匕3.237x10-3蛇管數(shù)：m=匕—d2①413.142x0.042x2.584蛇管長度：L=二蛇管長度：L=二m—d0=44.99（m）1x3.142x0.0456.36蛇管的圈數(shù)：n=L=絲哭=7.15牝7圈）；0l6.29每組蛇管高度：H=0.28x7=1.96（m）7泵的選型①輸料泵的選型計(jì)算:811一V0=2060=0.00676m3.s由V°*nd=《耳：'4x0.00676=0.0757m3.142x1.5=0.047x

k=—f9.98商=1.02m=9.98(J/kg)3.5x10-2Re=些=987x技x。皿=3214.8P則取d=76mm，管路683=0.047x

k=—f9.98商=1.02m=9.98(J/kg)3.5x10-2人=0.01227+=0.01227+=0.047Reo.383214.80.38全管路設(shè)計(jì)中有3個(gè)90°彎頭，&=0?75;—個(gè)全開閥，&=0?17；管長L=5+3=8(m)8A152+1+0.5+3x0.75+0.17x一0.076)2罐內(nèi)壓強(qiáng)計(jì)算：P1=H液rP1——罐內(nèi)壓強(qiáng)，Pa；H液-—靜液面高度，mr重度，kg/(m2?s2),r=pmg(pm是均相液體密度，kg/m3)oP=H液xr=2.86x9672.6=27.7Kpa由機(jī)械能守恒得：,U2PiU2Ph+z+—^+—^=h+z+-^+-^-f12gPge22gPgZ]=H支座+H1+H封=0.5+1.76+1.1=3.36mz2取1.2m，277x1033.36+1.2+0+987&=h+1.2+0+0h=6.22(m)eQ=0.00676m3/s=6.76L/s選擇IS80-65-160型離心泵較合適,

he=7.2m,Q=8.33L/s②冷水泵的選型計(jì)算:流體流經(jīng)螺旋管的摩擦壓力降計(jì)算:APfU2p2X103APf——螺旋管摩擦壓力降，kPa；fC,入廠螺旋管摩擦系數(shù)；k0——螺旋管出口連接管口的阻力系數(shù)，如果出口管口直接與螺旋管相切連接，則滯流時(shí)k=0.5，湍流時(shí)k=0.1；u流體平均流速，m/s；P流體密度，kg/m3；LC螺旋管長度，m；d1蛇管內(nèi)徑，m；DAPfDe蛇管直徑（以管中心為準(zhǔn)），m；S——螺距（以管中心為準(zhǔn)），m；n——螺旋管圈數(shù)。l=局S2+9.87Dc2=7x*‘0.282+9.87x1.762=38.75mRe=些=0.45X2.576X998=1146900>4。。°日1.0087x0.001人=0.01227+0.7543=0.016cRe0.38APfu2p(APfu2p(0.016X38.75I0.45+0.1xJ2.5762x998=4.89kPa2x103APs=(z2-z「pg=1.8x998x9.81x10-3=17.623KPa化工原理課程設(shè)計(jì)△P$=G2-z「Pg=1.8x996.95x9.81x10-3=17.604APs——靜壓力降，kPa；z1,z2管道出口端，進(jìn)口端的標(biāo)高，m；P流體密度，kg/m3；g重力加速度，9.81m/s2；.、一..AP速度壓力降NU22—"12pX10-32u2—u2△p=221PX10-3APN速度壓力降，kpa；u1，u2出口端，進(jìn)口端的流體流速，m/s；四、計(jì)算結(jié)果列表表1攪拌功率及蛇管傳熱面積攪拌器功率/KW蛇管傳熱面積/m2636.36表2攪拌槽、蛇管等主要結(jié)構(gòu)尺寸攪拌槽高度/m攪拌槽直徑/m蛇管長/m蛇管直徑/mm4.72.244.99650x2.5mm設(shè)計(jì)評(píng)論通過這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我們動(dòng)手、思考和解決問題的能力。我覺得做課程設(shè)計(jì)同時(shí)也是對(duì)課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，平時(shí)看課本時(shí)，有時(shí)問題老是弄不懂，做完課程設(shè)計(jì)，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。認(rèn)識(shí)來源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識(shí)的動(dòng)力和最終目的，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所以這個(gè)期末測(cè)試之后的課程設(shè)計(jì)對(duì)我們的作用是非常大的。經(jīng)過兩個(gè)星期的實(shí)習(xí)，過程曲折可謂一語難盡。在此期間我們也失落過，也曾一度熱情高漲。從開始時(shí)滿富盛激情到最后汗水背后的復(fù)雜心情，點(diǎn)點(diǎn)滴滴無不令我回味無長。生活就是這樣，汗水預(yù)示著結(jié)果也見證著收獲。勞動(dòng)是人類生存生活永恒不變的話題。我想說，設(shè)計(jì)確實(shí)有些辛苦，但苦中也有樂，在如今單一的理論學(xué)習(xí)中，很少有機(jī)會(huì)能有實(shí)踐的機(jī)會(huì)，但我們可以，而且設(shè)計(jì)也是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的任務(wù)，一起的工作可以讓我們有說有笑，相互幫助，配合默契，多少人間歡樂在這里灑下，

1^1大學(xué)里一年的相處還趕不上這十來天的合作，我感覺我和同學(xué)們之間的距離更加近了；我想說，確實(shí)很累，但當(dāng)我們看到自己所做的成果時(shí)，心中也不免產(chǎn)生興奮；正所謂“三百六十行，行行出狀元”。我們同樣可以為社會(huì)作出我們應(yīng)該做的一切，這有什么不好？我們不斷的反問自己。也許有人不喜歡這類的工作，也許有人認(rèn)為設(shè)計(jì)的工作有些枯燥，但我們認(rèn)為無論干什么，只要人生活的有意義就可。社會(huì)需要我們，我們也可以為社會(huì)而工作。既然如此，那還有什么必要失落呢？于是我們決定沿著自己的路，執(zhí)著的走下去。同時(shí)我認(rèn)為我們的工作是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的工作，團(tuán)隊(duì)需要個(gè)人，個(gè)人也離不開團(tuán)隊(duì)，必須發(fā)揚(yáng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。某個(gè)人的離群都可能導(dǎo)致導(dǎo)致整項(xiàng)工作的失敗。設(shè)計(jì)中只有一個(gè)人知道原理是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須讓每個(gè)人都知道，否則一個(gè)人的錯(cuò)誤，就有可能導(dǎo)致整個(gè)工作失敗。團(tuán)結(jié)協(xié)作是我們實(shí)習(xí)成功的一項(xiàng)非常重要的保證。而這次設(shè)計(jì)也正好鍛煉我們這一點(diǎn)，這也是非