蒸煮攪拌釜的設計

錢袁萍，姜 旺（沙洲職業(yè)工學院，江蘇張家港 215600）

蒸煮攪拌釜的設計

錢袁萍，姜 旺
（沙洲職業(yè)工學院，江蘇張家港 215600）

針對養(yǎng)殖場的大型動物尸體無害化處理問題，在對動物尸體破碎的基礎上進一步采用蒸煮攪拌釜對碎尸塊進行高溫蒸煮，可避免對環(huán)境的污染和對人體的危害。論文設計的蒸煮攪拌釜采用螺旋式-錨式綜合攪拌器、并采用多投料口的焊接結構方案。該蒸煮攪拌釜具有投料靈活、攪拌效果好、安全穩(wěn)定、應用范圍廣等特點。

無害化處理；蒸煮攪拌釜；攪拌；設計

0　引言

隨著養(yǎng)殖場逐漸增多，由養(yǎng)殖場引發(fā)的問題也越來越多，比如動物尸體的處理，尤其是大型動物尸體無害化處理是一個嚴峻的問題。傳統(tǒng)的處理方法（焚燒和填埋）存在嚴重的弊端，不利于環(huán)境的保護以及長久的發(fā)展。在對動物尸體破碎的基礎上進一步采用蒸煮攪拌釜對碎塊的動物尸體進行高溫蒸煮及油水分離，最后投到發(fā)酵池進行發(fā)酵，可避免對環(huán)境的污染和對人體的危害［1］。

目前，我國反應攪拌容器的市場正飛速發(fā)展。反應攪拌容器產(chǎn)業(yè)技術含量逐漸增加，向高技術產(chǎn)品發(fā)展。企業(yè)關于攪拌容器的投資項目投資逐漸增多，這使得反應攪拌容器市場越來越受到各方的關注。攪拌操作分氣流攪拌和機械攪拌。與機械攪拌相比，僅氣泡的作用對液體所進行的氣流攪拌是比較弱的，對于高黏度液體難以適用，因此本此設計采用的是機械攪拌的蒸煮釜［2］。

1　工作原理

在進行蒸煮前，大型動物尸體先用動物破碎機進行破碎成較小的塊狀，然后通過埋刮板式輸送機輸送到蒸煮攪拌釜的投料口投入到釜體內(nèi)，然后在釜體的下側輸入適量的水蒸氣；通過電機驅(qū)動攪拌軸，帶動攪拌器旋轉(zhuǎn)，為物料的循環(huán)提供動力，從而使物料受到強烈的剪切和捏合作用，達到了充分分散和混合物料的作用。在歷經(jīng)3個小時的高溫蒸煮下，尸塊被煮爛，然后從釜體底部的出料口輸出進一步處理。

2　結構方案

蒸煮釜攪拌釜由攪拌容器和攪拌裝置組成。攪拌容器主要由釜體、內(nèi)構件、法蘭、支座等組成；攪拌裝置由電動機、減速器、聯(lián)軸器、攪拌軸、攪拌器、密封裝置等組成。其結構如圖1所示。

根據(jù)系統(tǒng)總體設計要求，蒸煮攪拌釜的主要設計確定為：生產(chǎn)量1500kg/3h；生產(chǎn)周期3h；攪拌釜工作溫度130℃；攪拌釜電機功率7.5kW；蒸汽發(fā)生器功率24、36kW；工作壓力為常壓；攪拌轉(zhuǎn)速30r/min；攪拌釜容積1.5m3。

為了便于現(xiàn)場布局安裝和連接，蒸煮攪拌釜上設置了2個投料孔、4個耳座沿圓周均布，如圖1所示。主體結構采用焊接構成，內(nèi)筒體、拼接封頭采用A類焊縫節(jié)點，夾套筒體采用A或B類焊縫節(jié)點，其余按HG/ T20583-2011標準中規(guī)定，所有角焊縫的腳高取較薄板的厚度，AB類、D類焊縫節(jié)點結構尺寸見圖1所示。

圖1　蒸煮攪拌釜結構Fig.1 The structure of the cooking-stirring kettle

3　主要零件的設計

蒸煮攪拌釜各零部件的結構按標準GB150-2011壓力容器和HG/T20569機械攪拌設備設計，其主要受壓元件材料按標準GB/T3274-2007選用Q235B材料，并符合GB150.2-2011附錄D的規(guī)定以及按NB/T47008-2010《承壓設備用碳素鋼和合金鋼鍛件》。本次設計釜體材料選用Q235B，攪拌軸采用45鋼。

3.1釜體的設計

釜體有包容物料反應的空間，由筒體及上下封頭組成。下封頭與筒體一般為焊接，上封頭與筒體也常用焊接，但筒體Di＜1500mm的場合多用做成法蘭連接。筒體的直徑和高度是釜體設計的基本尺寸。當容積一定時，長徑比越大釜體內(nèi)直徑越小，則槳葉直徑越小，所需的攪拌功率就越小。反之，則會使攪拌功率增大，能量消耗增大。長徑比大，可使傳熱表面到釜心的距離較小。釜內(nèi)溫度梯度小，有利于傳熱。本釜體設計的長徑比Hi/Di=1.15，經(jīng)過計算此筒體的公稱直徑DN為1300mm，筒體高為1.5m，容器壁厚為10mm。

3.2頂蓋（封頭）的設計

由于大部分接管開在封頭上，同時電動機及減速裝置也支承在封頭上，所以封頭必須有足夠強度和剛度。封頭的形狀有平板形、橢圓形、蝶形等。根據(jù)工藝要求、制造難易程度以及材料的消耗等情況綜合考慮，選擇橢圓形封頭。橢圓形封頭的直邊段可以避免封頭與圓筒的連接焊縫處出現(xiàn)徑向曲率半徑突變，從而改善焊縫的受力狀況，其直邊高度一般為25～50mm，本設計取25mm?？紤]到封頭承受的操作壓力和封頭上密集的開口情況等，將其厚度也適當增大，并且封頭的厚度與其連接的圓筒厚度大致相等，經(jīng)計算放大取整后取橢圓封頭厚度為10mm。

圖2　螺旋面槳葉的錨式攪拌器Fig.2 Anchored agitator with spiral blade

3.3攪拌裝置的設計

（1）攪拌器的選用。攪拌器是攪拌反應能夠進行的關鍵部件，它提供過程所需的能量和適宜的流動狀態(tài)。攪拌器有很多種類型，根據(jù)攪拌目的、物料黏度和攪拌器容積的大小，同時考慮功率、操作費用以及制造、維護和檢修等因素來選擇?？蚴綌嚢杵髋c釜壁間隙較小，有利于傳熱過程的進行，但為了增大對高粘度物料的攪拌范圍以及提高葉輪的剛性，采用螺旋式-錨式綜合攪拌器 （如圖2所示）。因動物尸體黏度較大適合采用螺帶式或螺桿式，所以在錨式的基礎上加上螺旋面攪拌器形成兩種組合的攪拌方式，進一步完善攪拌器的設計。兩種攪拌器的結合使攪拌更充分，適用的場合更廣泛。

查閱搪玻璃攪拌器-錨式攪拌器HG/T205.11-2051.4-2007。錨式攪拌器適用于公稱壓力小于或等于 1.0MPa，公稱容積50L～5000L，設計溫度-20℃～200℃，攪拌器的公稱轉(zhuǎn)速為50r/min-80r/min。

（2）攪拌功率的計算：

式中：ρ—密度（kg/m3）；n—轉(zhuǎn)速（s-1）；d—攪拌器直徑（m）；NP—功率準數(shù)（W）。計算攪拌功率時，功率準數(shù)Np可直接從對應的功率曲線中查得為20，所以：

因此，本次設計的攪拌功率P為7.5kW。

（3）攪拌軸的設計。對于公稱容積VN為1500L，容器的直徑Di為1300mm時，查得攪拌軸的直徑d1=80mm，攪拌器的外徑為d=1070mm。選用B型搪玻璃攪拌器，軸的材料選用45鋼。

軸強度校核：查資料可得，滿足強度要求的所需的最小攪拌軸直徑公式如下：

式中：p—攪拌傳遞功率 （kW）；n—攪拌軸轉(zhuǎn)速（r/m）。由此可知，所選取的軸直徑符合需求。

3.4密封裝置設計

由于動物尸塊在蒸煮中可能會產(chǎn)生有毒氣體和物料，所以密封裝置是蒸煮攪拌釜必不可少的一部分。機械密封是把轉(zhuǎn)軸密封面從軸向改為徑向，通過動環(huán)和靜環(huán)兩個端面的相互貼合，并作相對運動達到密封的裝置。機械密封在攪拌反應器中得到廣泛的應用是因為它的泄漏率低，功率消耗小，密封性能可靠而且使用的壽命較長。故本釜采用的是機械密封裝置。機械密封已標準化。

設計壓力小于0.6MPa且密封要求一般的場合，可選用單端面非平衡型機械密封。設計壓力大于0.6MPa時，常選用平衡型機械密封。根據(jù)設計要求，選用單面非平衡型機械密封。

4　結束語

本文設計的蒸煮攪拌釜具有以下幾個創(chuàng)新點［2］：

（1）由于動物尸體這種高黏性固液體難于攪拌，本次設計采用螺旋式-錨式綜合攪拌器的結構方案，這樣可在較小的功率下達到了很好的攪拌效果，降低了成本。

（2）由于釜體中間有螺旋式的攪拌軸，使用法蘭不方便，同時考慮法蘭是機加工件，比較昂貴，再者小型壓力容器不需要安裝內(nèi)件，故將釜體和頂蓋（封頭）采用焊接式連接，這樣既改善了加工工藝性，又降低了制造成本。

（3）為了滿足不同企業(yè)場地的需要以及適應不同的處理量需求，本次設計的蒸煮攪拌釜設左右各一個投料口，這樣可靈活安裝，又可多點同時投料以提高生產(chǎn)效率。

本次設計的蒸煮攪拌釜具有使用方便、攪拌效果好、安全穩(wěn)定、應用范圍廣等特點。蒸煮攪拌釜處理動物尸體的過程中對環(huán)境影響較小，且可以發(fā)掘動物尸體的剩余價值，有利于資源的循環(huán)使用。

［1］徐進京，錢袁萍，徐向紅.動物尸體無害化處理系統(tǒng)設備的研制［J］.沙洲職業(yè)工學院學報，2014，5.

［2］姜旺.蒸煮攪拌釜設計及主要零件的制造工藝［D］.沙洲職業(yè)工學院，2014，6.

［3］李福寶，李勤.壓力容器及過程設備設計［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2010.

［4］鋼制焊接壓力容器設計制造問答［DB/OL］.百度文庫，《互聯(lián)網(wǎng)文檔資源（http：//wenku.baidu.c）》，2012，11.

［5］GB150-2011.鋼制壓力容器［S］.北京：中國標準出版社，2011.

The Design of the Cooking-stirring Kettle

QIAN Yuan-Ping，JIANG Wang
（Shazhou Institute of Technology，Zhangjiagang Jiangsu 215600，China）

According to the harmless handling problems of large animal bodies in the farms，on the base of animal body broken，the animal carcasses is further cooked at the high temperature using cooking-stirring kettle，it can avoid environmental pollution and harm to human body.In this paper，the design of cooking-stirring kettle adopts the spiral-anchored integrated stirrer，and cast welding structure scheme of the several feeding mouth.It has the characteristics of convenient use，good stirring effect，safety and stability，wide application range etc.

harmless treatment；cooking-stirring kettle；mixing；design

X713

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.020

1002-6673（2015）05-054-03

2015-08-16

錢袁萍（1971-），女，副教授，碩士。主要從事機械設計制造、計算機輔助設計、數(shù)控加工等方面的教學和科研工作，并積極參加專業(yè)建設和課程改革。