2.3　搅拌装置工艺设计示例

某反应单元采用夹套和蛇管共同冷却的搅拌釜式反应器处理15×10⁴m³/a的均相液体，反应温度要求控制在60℃，平均停留时间20min，需移走热量350kW。现采用夹套和蛇管共同冷却，冷却水进口温度18℃，出口温度28℃，忽略污垢热阻及间壁热阻，试设计一台机械搅拌夹套和蛇管共同冷却的反应器完成上述任务。

60℃下均相液体的物性参数：比热容c_p=912J/（kg·℃），热导率λ=0.591W/（m·℃），平均密度ρ=987kg/m³，黏度μ=3.5×10^-2Pa·s。

［反应器工艺设计过程如下］

一、选定搅拌器类型

因为该设计所用搅拌器主要是为了实现物料的均相混合与反应，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、搅拌装置工艺结构设计

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。

1.搅拌槽

（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

一般搅拌槽内液体充填高度H等于槽内径，以搅拌槽为平底近似估算槽直径，此时有

本设计取D=2.0m。当D=2.0m时

H=6.944/（0.785×2.0²）=2.212m

（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ф57mm×3.5mm蛇管，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

一般实际搅拌槽的筒体高径比为H_P/D=1.1～1.5，本设计取1.3，则搅拌槽筒体实际高度H_P为

H_P=1.3×2.0=2.6m

故搅拌槽规格为ф2000mm×2600mm，空容积为8.164m³，容积利用率为85％，满足工艺要求。

2.搅拌桨

（1）搅拌桨的尺寸

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，选用平直叶涡轮式搅拌器，其型号规格为PY-700（详见圆盘涡轮式搅拌器国家标准HG/T 3796.5—2005），主要尺寸如下：

桨叶直径d=700mm，桨叶宽度b=140mm，叶片厚度δ=6mm，搅拌轴径90mm，重约30.6kg。

（2）搅拌桨的安装位置

根据经验，叶轮浸入搅拌槽内液面下的最佳深度为，因此，可确定叶轮距槽底的高度为

C=2.212/3=0.74m　（设计取0.75m）

（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>10⁴，于是有

即转速不能低于43r/min。依据公式计算，得

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。

3.搅拌槽附件

为了消除打旋现象，强化传热和传质，安装6块宽度为1/12～1/10D、W=0.2m的挡板，以满足全挡板条件。全挡板条件判断如下

三、搅拌功率计算

采用永田进治公式计算（亦可采用RushtonΦ-Re关联图计算）

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RushtonΦ-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）Re_c=14.0。

六片平直叶涡轮搅拌器的参数

b/D=0.14/2.0=0.07，d/D=0.7/2.0=0.35，H/D=2.212/2.0=1.106，sinθ=1.0

式（2-9）中的指数

亦可根据Re=27636查Rushton图，读取Φ=N_p=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。

四、搅拌装置传热计算

1.被搅拌流体与夹套之间的换热

（1）槽内液体对槽壁的对流传热系数α_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。

　　 （2-27） 　　

单位质量被搅拌液体所消耗的功率ε

被搅拌液体的运动黏度ν

ν=μ/ρ=3.5×10^-2/987=3.546×10^-5m²/s

（2）夹套内冷却水对槽壁的对流传热系数α₁

采用蛇管中流体对管壁的对流传热系数公式计算

　　 （2-28） 　　

冷却水的定性温度为（18+28）/2=23℃，在此温度下水的物性：

c_p=4180J/（kg·℃），λ=0.608W/（m·℃），ρ=997kg/m³，μ=9.358×10^-4Pa·s。

假定蛇管移走热量200kW，且搅拌机械功率N全部转化为热，则需夹套移走的热量Q₁为

Q₁=350000-200000+N=150000+4810=154810W

夹套中冷却水的质量流率m₁

取夹套空腔距离E=75mm，导流板螺距P=200mm，则夹套中水的流速u₁

当量直径　　D_e=4E=4×0.075=0.3m

假定反应槽筒壁厚度为12mm，则夹套空腔内壁外径为ф2024mm，外壁内径为ф2174mm，中径为（2024+2174）/2=2099mm，此即夹套中螺旋导流板平均轮径，D_c=2.099m。

（3）总传热系数K₁

依题意，忽略污垢及间壁热阻，有

（4）需夹套提供的传热面积A₁

（5）夹套实际换热面积A_P1

核算夹套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计算，即

A_P1=πDH=3.14×2.0×2.212=13.89m²

面积裕度

该面积大于所需换热面积，因此，该设计满足工艺设计要求。

2.被搅拌流体与槽内蛇管之间的换热

（1）被搅拌液体对内冷蛇管外壁的对流传热系数α_c

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。

　　 （2-23） 　　

前面已算出，ε=0.702W/kg，ν=3.546×10^-5m²/s

（2）蛇管内冷却水对管内壁的对流传热系数α₂

采用蛇管中流体对管壁的对流传热系数公式计算

　　 （2-28） 　　

假定蛇管冷却水温度变化与夹套相同，即冷却水的定性温度仍为（18+28）/2=23℃，在此温度下水的物性为：

c_p=4180J/（kg·℃），λ=0.608W/（m·℃），ρ=997kg/m³，μ=9.358×10^-4Pa·s。

需移走的热量

Q₂=200000W

冷却水的质量流率m₂

蛇管中水的流速u₂

蛇管管径d_i=0.05m，螺距P=150mm，蛇管的平均轮径D_c=1.40m。

（3）总传热系数K₂

依题意，忽略污垢及间壁热阻，有

（4）蛇管传热面积A₂

　　 蛇管长度 　　

蛇管螺旋排列直径取1.4m，螺距150mm，盘管圈数近似为

为保守起见，盘管实际取6圈。6圈盘管对应的管长L=3.14×1.4×6=26.38m，对应的换热面积为3.14×0.057×26.38=4.72m²，面积裕度为（4.72-3.54）/3.54×100％=33.26％，盘管高度0.9m，可满足工艺要求。

从上面的计算中可以看出，蛇管直径偏小，管内流速偏大，可做适当调整，取比ф57大一号的无缝管效果会好一些，此处不再作优化，本设计主要设计计算结果如表2-10所示，其他内容省略，不再赘述。