液體肥料帶攪拌KOH貯罐的設(shè)計

陳惠瓊

(云南天安化工有限公司，云南 安寧 650300)

近些年以來，隨著一些高附加值的經(jīng)濟作物如花卉產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對液體肥料的需求也日益提升。

帶攪拌KOH貯罐是液體肥料裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一，它的作用是利用攪拌裝置將粉狀KOH固體溶解于水中，并保持固相在液相中部分懸浮，提供合格的生產(chǎn)原料。本文就帶攪拌KOH貯罐的設(shè)計過程，做全盤的介紹，其中包含攪拌軸的新思路設(shè)計及計算，KOH貯罐總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1

(a)材質(zhì):碳鋼 (b)材質(zhì):奧氏體不銹鋼圖2 KOH腐蝕速度

KOH貯槽已知設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 KOH貯槽已知設(shè)計參數(shù)

1 罐體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 材質(zhì)確定：

依據(jù)KOH堿液腐蝕速度圖(如圖3所示)可確定貯罐的材質(zhì)：圖a中的材質(zhì)為碳鋼，圖b中的材質(zhì)為奧氏體不銹鋼。圖a中，在A區(qū)域，碳鋼腐蝕速度低，且不發(fā)生堿脆。在B區(qū)域中，碳鋼腐蝕速度低，但會發(fā)生堿脆，焊接或冷作加工后應(yīng)消除應(yīng)力熱處理。在C區(qū)域中，碳鋼腐蝕速度大，且堿脆傾向更大，不宜使用，應(yīng)采用奧氏體不銹鋼。而該設(shè)備設(shè)計中，KOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%，溫度為 80 ℃，處于圖中的C區(qū)域，故應(yīng)選用奧氏體不銹鋼。依據(jù)圖b可看出，當(dāng)KOH濃度為46%，溫度為 80 ℃ 時，對奧氏體不銹鋼不存在堿脆傾向，故采用奧氏體不銹鋼可耐腐蝕。

圖3 攪拌軸和力矩示意圖

在奧氏體不銹鋼中，較常用的有321和316L，其中，316L屬于超低碳鋼，321屬于低碳鋼。316L含碳量C≤0.03%，含鎳Ni量為12.00%～16.00%，而321含碳量C≤0.12%，含鎳Ni量為8.00%～11.00%，而高的含鎳量對于堿有很強的耐蝕性能，且316L較321有更好的焊接性能。故在本設(shè)計中罐體、攪拌軸及攪拌槳的材料均選用316L。

1.2 結(jié)構(gòu)型式及相關(guān)參數(shù)的確定

1.2.1 結(jié)構(gòu)型式的確定

貯罐采用常用的立式圓筒形平頂罐型式，平底和頂蓋均采用焊接。設(shè)備安裝于室內(nèi)地面上。為了消除攪拌過程中，罐中央出現(xiàn)的不利于混合的“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”，在罐壁增設(shè)擋板。同時，為滿足相應(yīng)的工藝要求，合理設(shè)置所需要的各種物料管口、檢修內(nèi)件的人孔及監(jiān)測液位、溫度等參數(shù)的各種儀表接口。

1.2.2 罐體的長徑比的確定

罐體長徑比的確定，在罐體公稱容積一定的情況下，應(yīng)從以下幾個方面考慮：

從攪拌功率角度考慮，在固定的攪拌轉(zhuǎn)速下，攪拌器功率與槳葉的5次方成正比，見公式Nj= Np.ρ.n3.d5可說明。槳葉直徑越大，罐體內(nèi)徑也越大。故容積一定時，不宜選用過小的長徑比，即高度減小，直徑放大，使罐體呈粗矮型，攪拌器槳葉直徑及攪拌功率也將增大，增加設(shè)備的動力消耗。

從傳熱角度考慮，不宜將長徑比取得過大或過小使罐體直徑過小或過大，傳熱過快或過慢，不利于保證物料溫度。

從傳動角度考慮，減小長徑比，能降低設(shè)備總高度，可減短攪拌軸長度，有利于設(shè)備平穩(wěn)運行。

綜上所述，由攪拌罐長徑比范圍H/D=1～1.3，以及滿足罐體公稱容積 17 m3的要求，確定H/D=1.1，罐體內(nèi)徑D為 2700 mm，罐體高度H為 3000 mm。

1.2.3 罐體壁厚的確定

確定了罐體的長徑比后，需計算貯罐壁厚。由于材質(zhì)使用316L，造價較高，故對于貯罐壁厚的選取應(yīng)遵循安全、經(jīng)濟、合理的原則。對于液體貯罐壁厚的計算，適用公式為：σ1≤[σ]t ；故罐壁最小厚度的計算公式為[1]：

式中：δ—— 罐壁的最小計算厚度，mm；

P0—— 貯罐內(nèi)保持的剩余壓力，MPa；在此，P0很小，故P0=0

γ——貯液重度，t/m3；γ=1.47 t/m3

H—— 貯罐內(nèi)的最高液位，mm；H=2800 mm

[σ]—— 許用應(yīng)力，MPa；[σ]=118 MPa

φ—— 焊縫系數(shù)；φ=0.85

C—— 厚度附加量，mm；C=C1+C2

C1—— 鋼板負偏差，C1=0.5 mm

C2——腐蝕裕量，C2=1.5 mm

D—— 貯罐內(nèi)徑，mm；D=2700 mm.

壁厚選取除計算外，還需參照工程實際結(jié)合選取。計算值通常都偏小，但可作為參考。對于貯罐內(nèi)徑 Φ2700 mm 時，對應(yīng)的最小壁厚為δ=6 mm，(見表1)。設(shè)計壁厚系指以計算厚度與最小厚度二者中之較大值與腐蝕余量之和，因此，設(shè)計厚度為6+1.5=7.5 mm，設(shè)計壁厚確定為 8 mm。而對于僅承受液壓的貯罐，受力以罐底最大，故最終確定罐底厚度取為δ=10 mm，罐壁厚度取為δ=8 mm，罐頂厚度取為δ=6 mm，罐頂處采用角鋼加強，圓筒最小壁厚對照見表2。

表2 圓筒最小壁厚對照表(mm)

2 攪拌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 攪拌器型式選擇

攪拌器型式的選擇將根據(jù)KOH貯罐中要求達到粉狀KOH溶解并部分懸浮的目的與攪拌器造成的流動狀態(tài)綜合判斷.

在KOH貯罐攪拌過程中，所需的攪拌作用如下：

在加料的瞬間，需要較大的攪拌作用使物料分散，進行溶解。而粉狀KOH固體較易溶于水，當(dāng)溶解達到所需質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(46%)，攪拌的作用在于保持KOH固體顆粒部分懸浮狀態(tài)，部分懸浮即是指允許罐底仍有部分固相暫時停留。由于固體顆粒為粉狀，固體顆粒的沉降速度不大。因此，所需攪拌造成的液體循環(huán)能力無需過于激烈的強制湍流，攪拌要求液體流型有水平環(huán)流、徑向流及軸向分流，達到固相部分懸浮。

由于平葉的運動方向與槳面垂直，在低速運轉(zhuǎn)時，液體的主要流動為水平環(huán)流，隨轉(zhuǎn)速增大，有漸漸增大的徑向流。而折葉槳由于槳面與運動方向成一定傾角，所以槳葉運動時，有水平環(huán)流、徑向流及軸向分流，且折葉槳較適合低粘度固—液相間的溶解及固相懸浮的攪拌。它具有結(jié)構(gòu)簡單、排出性能好、槳葉不易磨損且所需動力消耗很小等諸多優(yōu)點。在本設(shè)計中，并不要求固體均勻懸浮，(即固相全部懸浮)，只需達到部分懸浮即可，過大的攪拌強度只是消耗動力。綜合以上因素，選擇45°折葉槳式攪拌器為宜。

2.2 攪拌器相關(guān)參數(shù)的確定

2.2.1 攪拌器轉(zhuǎn)速的確定

對于低粘度的固—液相間的攪拌，由以上對KOH貯罐攪拌過程的分析知，攪拌轉(zhuǎn)速不必過大，過大的攪拌轉(zhuǎn)速，會造成不利于攪拌過程的“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”，且由于物料粘度低，易于流動。參照《機械攪拌設(shè)備》[3]，對于折葉式攪拌器，推薦攪拌轉(zhuǎn)速n=1～100 r/min，同時結(jié)合擺線針輪減速器的輸出速度，確定攪拌轉(zhuǎn)速n=50 r/min。

2.2.2 攪拌器槳徑、槳寬、槳葉數(shù)及安裝層數(shù)等的確定

槳徑的選擇與攪拌器的種類和罐體直徑有關(guān)。若槳徑過大，則攪拌槽中出現(xiàn)不利于混合的“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”，使混合時間長而效果差，一般都要設(shè)法縮小這個區(qū)域，而減小槳徑就可以縮小“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”的半徑。由于KOH溶液粘度較低(u=50cp)，液體流動性好，能量易傳遞，不必擔(dān)心由于槳徑小而造成槳葉外圍出現(xiàn)死區(qū)。故此設(shè)計中，槳葉直徑可取小一些。

按《機械攪拌設(shè)備》HG/T 2123-1991之規(guī)定，對于折葉槳式攪拌器，當(dāng)液體動力粘度<20000 cp，槳端線速度v=1～5 m/s時，推薦：

槳葉直徑d=(0.25～0.75)D；槳葉寬度b=(0.1～0.3)d

槳葉離槽底高度h=(0.2～1)d；D=2700 mm；θ=45°，60°

確定槳葉直徑取范圍內(nèi)的下限較為適宜，d=0.39D=0.39×2700=1053 mm，取d=1050 mm。

槳葉寬度b對功率是有影響的，但當(dāng)液體處于湍流區(qū)時，隨著槳葉寬度b的增加，功率的增加程度低。因此，槳葉寬度可取范圍內(nèi)的上限，確定槳葉寬度b=0.24d=0.24×1050=252 mm，取b=250 mm。

攪拌器下層槳葉離罐底高度h一般為槳徑的1～1.5倍，如果為了防止底部有沉淀，也可將槳葉放置低些，在此，設(shè)置h=0.38d=0.38×1050= 399 mm，取h=400 mm。使罐底部分固相被攪起，達到固相部分懸浮。

而對于槳葉的安裝層數(shù)，一般從槳葉的攪動范圍來考慮。對低粘度液體，徑流型槳葉可攪動罐內(nèi)上下范圍為槳徑的4倍，所以對常用的液層深度H/D=1～1.3時，(本設(shè)計中，液層深度H=2800 mm，D=2700 mm。)只要一層槳葉即可。因此，對于KOH貯罐的攪拌器的槳葉用一層即可。槳葉數(shù)量取z=2。

攪拌器的最終參數(shù)為：

槳葉型式：45°折葉槳，槳葉寬度 250 mm，槳葉直徑 1050 mm，槳葉數(shù)量：2，安裝層數(shù)：1，離罐底高度 400 mm。

攪拌器的材料前已述及，選用316L。

3 攪拌軸的新思路設(shè)計及計算

在本設(shè)計中，攪拌軸采用懸臂軸結(jié)構(gòu)，而不采用在槽內(nèi)加中間支承或底支撐的攪拌軸(單跨軸支承方式)。由于貯槽高度 3000 mm，采用懸臂實心軸結(jié)構(gòu)，軸端的徑向位移不好控制，不利于設(shè)備平穩(wěn)運行。提出攪拌軸采用剛性較強的空心軸結(jié)構(gòu)。但如果整根軸采用空心軸，則會造成以下不利影響：

機架尺寸加大，重量增加，造成材料浪費和機架不穩(wěn)定；軸封處軸徑增加，造成軸封密封性能下降；為此，可將攪拌軸上端(機架內(nèi))設(shè)置為實心軸，下端(貯罐內(nèi))設(shè)置為空心軸結(jié)構(gòu)，兩軸之間用半聯(lián)軸器和空心軸端法蘭聯(lián)接。

3.1 攪拌軸的計算

3.1.1 實心軸的計算

按照《攪拌設(shè)備設(shè)計》中的規(guī)定，計算所需軸徑大小。先以實心軸計算，后用等強度理論來推算出空心軸大小。(攪拌軸的材料前已述及，選用316L)。

對此貯罐中的攪拌軸，由于受到扭矩和液體作用力產(chǎn)生的彎矩的作用(如圖3所示)。通過力的合成解出作用在軸上的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力.通過求解下列關(guān)系式計算出軸徑后取較大值就是所求的最小軸徑。[4]

①

②

式中，TQ——作用在攪拌軸上的最大扭矩，；

N——攪拌器的功率，Hp；N=3.26 kw=3.26×1.36 =4.434 Hp；(功率計算見5.1.1)

n—— 攪拌軸的轉(zhuǎn)速，rpm；n=50 rpm；

F—— 作用在攪拌器上的水平方向流體動力，kgf；

L—— 從流體動力作用點至最下一個軸承的距離，cm；L=302 cm；

ds—— 用剪應(yīng)力計算的最小軸徑，cm；

dt——用拉應(yīng)力計算的最小軸徑，cm；

M—— 作用在軸上的最大彎矩，kgf·cm；

dj—— 攪拌器直徑，cm；dj=105 cm；

[τ]—— 正常操作下軸的許用剪應(yīng)力，kgf/cm2，材質(zhì)為316L；[τ]=420 kgf/cm2；

[σ]—— 正常操作下軸的許用拉應(yīng)力，kgf/cm2，材質(zhì)為316L；[σ]=700 kgf/cm2。

M=FL=18.23×302=5506.75 kgf·cm

=4.66 cm

在理論計算的基礎(chǔ)上，知軸徑選擇 Ф50 mm 即可，但考慮到鍵槽，銷孔的影響，需在此基礎(chǔ)上增大10%～15%，故確定軸徑為 Ф60 mm，(實心軸)。

3.1.2 空心軸的計算

計算知實心軸軸徑為 Ф60 mm，用等強度理論來推算出空心軸大小。

已知攪拌器的功率N=3.26 kw(計算見5.1.1)，設(shè)空心軸內(nèi)徑外徑比=d1/d2=1/1.25=0.8，換算值b0=0.59，見表3：

表3 空心軸換算值b0

就有τ=τ′，即實心軸與空心軸有相同強度.

(d為實心軸直徑)

由此，確定空心軸外徑為D=89 mm，故由d1/d2=0.8，當(dāng)d2=D=89 mm 時，內(nèi)徑d1=71.2 mm，故空心軸取為Ф89×10 mm。

3.1.3 采用空心軸的益處

將攪拌軸采用空心軸，主要有以下方面益處：

在重量上比用實心軸有所減輕，利于安裝，檢修。

減少了軸的質(zhì)量m，提高了軸的剛度k，從臨界轉(zhuǎn)速計算公式

空心軸的截面抗彎模量和慣性矩都比實心軸的相應(yīng)值大出許多。采用空心軸后，軸的強度和剛度都有很大的增強。同時節(jié)約了總價。

4 攪拌器與攪拌軸的新型聯(lián)接結(jié)構(gòu)

常規(guī)攪拌設(shè)備設(shè)計中，攪拌軸與攪拌器一般采用鍵傳遞扭矩，在本設(shè)計中，由于采用空心軸，如開鍵槽后將大大減小攪拌軸的截面慣性矩，因此不宜采用鍵聯(lián)接結(jié)構(gòu)。實際設(shè)計中，采用攪拌器與攪拌軸的新型聯(lián)接結(jié)構(gòu)。如圖4示。將攪拌軸與a、b兩方形軸套，攪拌槳葉與c、d兩方形塊各焊接成一體，后將二者(即整體攪拌軸與攪拌器)采用螺柱連接，用雙螺母加止動墊圈防松。由圖4可看出，c、d兩方形塊尺寸可依據(jù)槳葉尺寸，型式等作出相應(yīng)調(diào)整，保證聯(lián)接尺寸和槳葉的安裝角度，且槳葉與c、d兩方形塊采用全焊透的雙面角焊結(jié)構(gòu)。因此這種聯(lián)接結(jié)構(gòu)具有型式簡便，聯(lián)接強度好，針對不同的介質(zhì)條件，以及需要的攪拌器型式，具有很廣泛的適應(yīng)性。此外，攪拌軸與攪拌器采用螺柱連接，裝拆方便，對磨損的攪拌器更換方便。

圖4 攪拌器與攪拌軸聯(lián)接示意圖

5 傳動裝置的選型及設(shè)計

5.1 電機功率的計算

5.1.1 攪拌器軸功率的計算

按攪拌設(shè)備設(shè)計中規(guī)定[4]，計算攪拌器軸功率采用日本永田進冶公式——針對雙葉斜槳式攪拌器功率計算(全擋板條件)：

式中：A=14+(b/D)670(d/D-0.6)2+185…②

B=101.3-4(b/D-0.5)2-1.14(d/D)…③

P=1.1+4(b/D)-2.5(d/D-0.5)2-7(b/D)4…④

Np—— 功率準(zhǔn)數(shù)；A—— 系數(shù)；B—— 系數(shù)；P—— 系數(shù)；

ρ—— 介質(zhì)密度，kg/m3；ρ=1470/9.81=149.8 kg/m3

n—— 攪拌器轉(zhuǎn)速，rpm；n=50 rpm；

H—— 液層高度，m；H=2.8 m；

D—— 罐體直徑，m；D=2.7 m；

Rc——臨界雷諾數(shù)；

b—— 槳寬，m；b=0.25 m；

d—— 槳葉直徑，m；d=1.05 m；

γ—— 介質(zhì)重度，t/m3；γ=1.47 t/m3；

μ——介質(zhì)粘度，cp；μ= 50 cp；

1)計算：

2)由①②③④式求功率準(zhǔn)數(shù)Np：

d/D= 1.05/2.7=0.39b/D= 0.25/2.7=0.093

H/D=28/2.7=1.04

A=14+(b/D){670(d/D-0.6)2+185}

=14+0.093{670(0.39-0.6)2+185}=33.95

B=101.3-4(0.093-0.5)2-1.14(d/D)

=101.3-4(0.093-0.5)2-1.14(0.39)=1.56

P=1.1+4(b/D)-2.5(d/D-0.5)2 =1.1+4×0.093-2.5×(0.39-0.5)2

=1.44

=3.005

3)計算攪拌器軸功率Nj

5.1.2 電機功率的計算

式中：Na—— 電機功率，kw；Nj——攪拌器軸功率，kw；

K—— 系數(shù)，(考慮電機啟動，液體粘度等)，取K= 1.4；

Nm—— 軸密封系統(tǒng)的功率損失，kw；

Nm=0.1 Nj=0.1×3.26=0.326 kw

η—— 傳動系統(tǒng)的機械效率。因選擇擺線針輪減速器，故=0.9

因此，電機功率選擇Na= 7.5 kw

5.2 減速機型式選擇

本設(shè)計中，直接選用擺線針輪減速機，它具有減速比大，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，裝拆方便，壽命長，承載能力高，工作平穩(wěn)，重量輕，體積小，故障少等諸多優(yōu)點，已越來越多的應(yīng)用于攪拌設(shè)備中。

5.3 機架選擇

機架即采用與所選減速機相匹配的機架，機架采用單支點型式。傳動裝置置于機架上，而機架用槽鋼支架支撐于設(shè)備頂蓋上。

6 制造、安裝、試驗與驗收

KOH貯罐的制造、安裝、試驗與驗收可按HG/T20569-94《機械攪拌設(shè)備》與HGJ210-83《圓筒形鋼制焊接貯罐施工及驗收規(guī)范》進行[5]。重點有以下幾項：

1)攪拌器與攪拌軸組裝完畢后，需對整體結(jié)構(gòu)進行靜平衡試驗。雖然攪拌轉(zhuǎn)速較慢，但由于攪拌軸采用空心軸，直徑大，且在組裝后不平衡質(zhì)量的存在會造成一定的離心力，引起攪拌系統(tǒng)的振動。

2)貯罐制造完畢后，需對罐壁及罐底焊縫進行射線探傷，探傷長度應(yīng)大于焊縫長度的10%，探傷結(jié)果應(yīng)符合“JB928《焊接射線探傷標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的Ⅲ級合格。

3)罐體制造完畢后，進行罐體的充水試驗，氣密性試驗及穩(wěn)定性試驗。

4)罐體制造完畢后，清除油污并作酸洗鈍化處理，所形成的鈍化膜采用藍點法檢查，無藍點為合格。

7 應(yīng)用實踐

該設(shè)備已建成并投入液體肥料裝置生產(chǎn)中，在生產(chǎn)過程中，該貯罐一直運行良好，從設(shè)備的選材、焊接質(zhì)量控制、攪拌器功率的計算、攪拌器與攪拌軸新型聯(lián)接結(jié)構(gòu)型式，以及空心軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計均較合理，使設(shè)備在應(yīng)用中運行較好，檢修方便，受到業(yè)主方的好評。攪拌軸與攪拌器采用的新型聯(lián)接結(jié)構(gòu)，型式簡便，保證聯(lián)接尺寸和槳葉的安裝角度，聯(lián)接強度好。而攪拌軸與攪拌器采用螺柱連接，裝拆方便，對磨損的攪拌器更換方便。此種結(jié)構(gòu)的攪拌器，針對不同的介質(zhì)條件，以及需要的攪拌器型式，具有很廣泛的適應(yīng)性。尤其在攪拌功率較大，軸徑較大時，采用空心軸及攪拌新型聯(lián)接結(jié)構(gòu)，對于設(shè)備的結(jié)構(gòu)強度、安裝、穩(wěn)定運行及維護方面，都有較好的優(yōu)點及很好的適應(yīng)性。，筆者在之后設(shè)計的污水處理工程項目中的污水?dāng)嚢杵骷拔辶蚧总囬g的液硫過濾攪拌器均采用同樣結(jié)構(gòu)，使用效果都很好，有很好的推廣價值。