攪拌釜成套設(shè)備工藝研究

＊鄭春梅

（上海森永工程設(shè)備有限公司 上海 201323）

前言

目前我國(guó)農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料、助劑等精細(xì)化工產(chǎn)品主要是以間歇化為主的生產(chǎn)過(guò)程，規(guī)模小、產(chǎn)量低、生產(chǎn)步驟多，由此帶來(lái)了“安全生產(chǎn)壓力大、生產(chǎn)效率低、污染物排放量大、能耗巨大”等嚴(yán)重問(wèn)題。隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的不斷進(jìn)步，連續(xù)化生產(chǎn)越來(lái)越受到企業(yè)的歡迎。連續(xù)化是工程技術(shù)的一種體現(xiàn)形式，任何工藝技術(shù)均可以通過(guò)工程技術(shù)的引入而實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，連續(xù)化生產(chǎn)是合成工業(yè)的必經(jīng)之路。同樣攪拌設(shè)備的發(fā)展也發(fā)生了變化，從最初的小體積、半自動(dòng)化發(fā)展成為大容積化、連續(xù)化、智能化、節(jié)能化以及高黏度化等。攪拌混合設(shè)備在工業(yè)反應(yīng)過(guò)程中起著非常重要的作用，各個(gè)行業(yè)對(duì)攪拌技術(shù)的要求也愈來(lái)愈高，這也使攪拌器的發(fā)展和研究成為熱點(diǎn)。同時(shí)，新型材料、新加工工藝技術(shù)的出現(xiàn)也為新型攪拌器的開(kāi)發(fā)提供了有利條件，新型高效的攪拌器將是今后發(fā)展的趨勢(shì)。

本設(shè)計(jì)是針對(duì)某公司的產(chǎn)品需求為其提供攪拌釜成套設(shè)備工藝及設(shè)計(jì)，為確保成套設(shè)備技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行穩(wěn)定和可靠，結(jié)合了成熟穩(wěn)定的機(jī)械技術(shù)，并運(yùn)用現(xiàn)代控制技術(shù)，從而形成了具有自己特色攪拌釜成套設(shè)備工藝。整個(gè)工藝過(guò)程中攪拌釜的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，通過(guò)確定攪拌釜的工藝參數(shù)，選擇合適的機(jī)泵及尾氣冷凝罐，將設(shè)備集合成配套撬裝設(shè)備，有效的減少了設(shè)計(jì)周期，不僅顯著提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量也提高了工作效率；有效的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的精細(xì)化與標(biāo)準(zhǔn)化，并且模塊化撬裝成套設(shè)備可多次、多地重復(fù)整體搬遷使用，減少了占地面積，也提高了設(shè)備的再次利用率。

1.攪拌釜成套設(shè)備工藝設(shè)計(jì)

(1)工藝數(shù)據(jù)

①界區(qū)條件

來(lái)自界區(qū)業(yè)主提供的物料參數(shù)、溫度、壓力、流量等條件如表1所示。

表1 界區(qū)物料條件表

②工藝設(shè)計(jì)條件

根據(jù)業(yè)主要求及工廠現(xiàn)有公用工程條件，確定攪拌釜成套設(shè)備工藝條件，如表2所示。

表2 工藝設(shè)計(jì)條件

續(xù)表

(2)工藝流程簡(jiǎn)單說(shuō)明

工藝物料通過(guò)管道輸送進(jìn)入攪拌釜內(nèi)，同時(shí)調(diào)節(jié)閥與攪拌釜體上液位計(jì)連鎖控制釜體內(nèi)物料液面；物料在反應(yīng)釜內(nèi)均勻混合反應(yīng)，反應(yīng)后的物料通過(guò)齒輪泵計(jì)量輸送到下一工序備用，同時(shí)通過(guò)三通閥的作用有效控制回流物料，進(jìn)一步提高產(chǎn)率。釜體夾套通過(guò)持續(xù)通入熱水，防止物料凝結(jié)；釜內(nèi)產(chǎn)生的夾帶氣體進(jìn)入尾氣冷凝罐處理，最后排入大氣。

(3)攪拌釜成套設(shè)備布置

雖然模塊化裝置流程簡(jiǎn)單，設(shè)備布置相對(duì)緊湊，形成撬裝方便使用和運(yùn)輸。但規(guī)劃出合理的成套設(shè)備布置是非常重要的。本設(shè)計(jì)根據(jù)成套設(shè)備工藝流程要求，主物料進(jìn)料方向及主管路走向規(guī)劃研究，結(jié)合攪拌釜的特點(diǎn)及齒輪泵特性要求，設(shè)計(jì)出如下攪拌釜成套設(shè)備布置圖，見(jiàn)圖1。該設(shè)備布置占地面積小，也方便電機(jī)的檢修和維修，靈活性高，有利于業(yè)主形成連續(xù)化設(shè)計(jì)。

圖1 攪拌釜成套設(shè)備布置圖

(4)釜體材料選擇

在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，材料的選擇至關(guān)重要。設(shè)備是生產(chǎn)反應(yīng)的載體，是最應(yīng)當(dāng)注意安全性和運(yùn)行可靠性的場(chǎng)所。設(shè)備使用材料的選擇需優(yōu)先考慮滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求，再根據(jù)實(shí)際使用工況從加工制造工藝、材料機(jī)械強(qiáng)度、耐壓、耐溫、耐腐蝕等性能，選擇合適的具有高強(qiáng)度、熱塑性及韌性的材料。由于材料的不同，攪拌容器的制造工藝、結(jié)構(gòu)也不同，但攪拌釜體使用材料選擇應(yīng)滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求以及保證產(chǎn)品清潔度的要求。根據(jù)本項(xiàng)目的工況及業(yè)主要求，攪拌釜體材料選用S30408（板材）,其力學(xué)性能熱處理狀態(tài)是固溶，屈服強(qiáng)度σ0.2≥205MPa，抗拉強(qiáng)度σb≥520MPa，符合設(shè)計(jì)工藝要求，故選用S30408作釜體的材料。

2.攪拌釜設(shè)計(jì)

(1)釜體幾何尺寸計(jì)算

已知設(shè)備使用容積要求為0.1m3，根據(jù)公式：

式中：

Di—釜體內(nèi)徑，m；

Vn—使用容積，m3；

η—裝填系數(shù)；

H/Di—釜體高徑比。

考慮反應(yīng)物料為液-液相類(lèi)型，容器的體積不大，H/Di可取為1.0，從工藝反應(yīng)狀態(tài)及黏度大小考慮，取裝料系數(shù)η為0.90。

初選釜體內(nèi)徑：Di=0.52m。

圓整至公稱(chēng)直徑標(biāo)準(zhǔn)系列，取Di=500mm，封頭取相同的內(nèi)徑。確定筒體的高度：當(dāng)Di=500mm，查得標(biāo)準(zhǔn)[6]橢圓形封頭的容積Vh=0.0213m3，則筒體的高度估算值為H=4(V-Vh)/πDi2=0.528m，取H=0.530m，于是H/Di=1。

(2)夾套幾何尺寸計(jì)算

攪拌反應(yīng)釜上的夾套類(lèi)型有很多種，本設(shè)計(jì)選擇U型夾套型式，傳熱面積大，有利于傳熱。夾套的直徑與筒體內(nèi)的直徑關(guān)系可參考《攪拌與混合設(shè)備設(shè)計(jì)選用手冊(cè)》中表7-2選擇計(jì)算。

由此，可確定夾套的內(nèi)徑Dj=Di+100=500+50=550mm。從文獻(xiàn)[3]中查到夾套筒體高度公式：Hj=(ηV-Vd)/V1經(jīng)計(jì)算得Hj=0.42m，故取Hj為450mm。

(3)傳熱面積計(jì)算

夾套傳熱具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢修方便的優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最廣泛的一種傳熱方式。本項(xiàng)目采用夾套形式進(jìn)行傳熱。對(duì)于夾套攪拌釜，傳熱面為釜壁，但釜壁厚度對(duì)釜體的傳熱影響較小，故總傳熱系數(shù)K選用如下公式：

式中：

Rjo-夾套壁外側(cè)熱阻，m2·K·W-1；

Rji-夾套壁內(nèi)側(cè)熱阻，m2·K·W-1；

aj-夾套側(cè)傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1；

a-釜內(nèi)側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1；

δj-夾套壁厚度；m；

λj-夾套壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)；W·m-1·K-1。

根據(jù)總傳熱方程式計(jì)算：

式中：

A-傳熱面積，m2；

Q-總傳熱速率，V；

Δtm-對(duì)數(shù)傳熱溫差，K。

式（3）中的對(duì)數(shù)傳熱溫差可按下式計(jì)算：

式中：

ti—熱媒（或冷媒）進(jìn)口溫度，K；

t0—熱媒（或冷媒）出口溫度，K；

tb—釜內(nèi)物料溫度，K。

結(jié)合公式（2）、公式（3）、公式（4）可以計(jì)算得到傳熱面積A=1.1m2。

3.撬裝成套設(shè)備優(yōu)點(diǎn)

設(shè)備集成化已成為石油、化工行業(yè)、精細(xì)化工行業(yè)對(duì)生產(chǎn)工藝要求的發(fā)展方向，撬裝成套設(shè)備就是最重要的集成化方式的體現(xiàn)。撬裝成套設(shè)備是將各個(gè)專(zhuān)業(yè)集合成一個(gè)整體模塊裝置，能夠準(zhǔn)確地、完整地、獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)業(yè)主需求的生產(chǎn)工藝性能。撬塊成套設(shè)備的制造、組裝、檢驗(yàn)都可以在工廠內(nèi)進(jìn)行，制作完畢后運(yùn)送到客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)，減少現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間，節(jié)約成本。

撬裝成套設(shè)備優(yōu)點(diǎn)：工廠內(nèi)高度集成，減少設(shè)計(jì)施工時(shí)間。撬裝成套化設(shè)備可以由制造廠設(shè)計(jì)施工或者工廠來(lái)圖加工。整個(gè)制造及組裝在工廠內(nèi)完成，對(duì)環(huán)境污染減少，安全和質(zhì)量都有保證。

相較傳統(tǒng)的設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)施工安裝方式，大大縮短了設(shè)計(jì)施工周期，提高了工作效率；對(duì)易損或貴重儀表元件的保護(hù)性提高，減少了現(xiàn)場(chǎng)的交叉作業(yè)，同時(shí)也減少了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于儀表、電氣設(shè)備的接線問(wèn)題。在工廠內(nèi)完成撬裝設(shè)備的測(cè)試和檢驗(yàn)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，標(biāo)準(zhǔn)化程度提高。

(1)節(jié)約資源，降低成本，方便管理

撬裝成套設(shè)備布置緊湊，占地空間小，材料用量小。撬裝設(shè)備出廠前已經(jīng)完成試驗(yàn)及預(yù)調(diào)試，避免了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作，降低了售后服務(wù)成本。同時(shí)撬裝成套設(shè)備工廠管理程序完善，成本低；相比較傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)施工管理不完善，管理費(fèi)用高，材料和人員成本浪費(fèi)較大。

(2)提高施工效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量

受當(dāng)?shù)丨h(huán)境及施工場(chǎng)地的影響，現(xiàn)場(chǎng)施工安裝環(huán)境惡劣，工作效率低，工期長(zhǎng)，質(zhì)量不易控制。但是撬裝成套設(shè)備裝置是整體模塊供貨，所有制造焊接、組裝及測(cè)試都在工廠內(nèi)完成，產(chǎn)品質(zhì)量容易控制，提高了制作精度，同時(shí)避免了現(xiàn)場(chǎng)因制作不合格而造成返工等問(wèn)題的發(fā)生，提高了施工質(zhì)量和效率。

(3)方便維修及移動(dòng)，靈活性強(qiáng)

撬裝成套設(shè)備裝置靈活性比較強(qiáng)，可以做成帶福馬輪的移動(dòng)式也可以做成可拆分的模塊設(shè)備，有利于形成配套設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化而且系列化程度也比較高。撬裝成套設(shè)備的拆卸及維修方便，有利于設(shè)備的運(yùn)輸和管理。對(duì)于傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝方式，由于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的復(fù)雜性，后續(xù)運(yùn)行及調(diào)試周期比較長(zhǎng)，維護(hù)費(fèi)用也較大。不利于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性降低。

(4)可維護(hù)性和使用重復(fù)高

撬裝成套設(shè)備裝置可以根據(jù)工藝需要靈活移動(dòng)，能適用各種功能需求。撬裝設(shè)備安裝定位大部分用螺栓連接，可以根據(jù)需用重復(fù)使用和更換，方便維護(hù)。同時(shí)撬裝成套設(shè)備逐漸趨于標(biāo)準(zhǔn)化、定型化，不僅能夠提高設(shè)計(jì)速率，縮短設(shè)計(jì)周期，而且還能提高采購(gòu)效率，降低設(shè)計(jì)成本。撬裝成套設(shè)備不僅便于管理和控制，而且還具有廣泛的發(fā)展前景。

4.結(jié)論

攪拌釜的成套設(shè)備工藝模塊設(shè)計(jì)不僅滿(mǎn)足業(yè)主生產(chǎn)需求，而且工藝流程簡(jiǎn)單,便于實(shí)現(xiàn)工藝流程的標(biāo)準(zhǔn)化，更有利于企業(yè)形成工業(yè)連續(xù)化生產(chǎn)。撬裝設(shè)備安裝緊湊，方便施工，移動(dòng)運(yùn)輸容易，使用方便。同時(shí)降低了總體投資成本，相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)成本和社會(huì)效益明顯，有利于裝置形成系列化及定型化，可適用于各種工藝需求。由以上分析可知，攪拌釜成套設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)發(fā)展前景廣闊，有利于形成標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化管理。